【摘要】 固液界面能γsl是描述固液体系表面性质的重要物理量。估算γsl值对于理解表面和界面现象具有重要意义。

固液界面能gsl是最基本的物理量之一，它直接关系到表面预熔、表面重构、粗化转变、成核和晶体生长等几个重要的物理过程和现象。因此，确定gsl值对于理解这些物理过程至关重要。由于实验方法总是涉及更复杂的过程，可能会增加误差，因此已经提出了许多理论模型来估计gsl。在这些报告中，Turnbull开创性地测量了一系列金属的gsl，并提出了γsl与熔化焓ΔHm之间的经验关系：

其中H和V为原子直径和摩尔体积，k为材料常数，金属k = 0.45，非金属元素k = 0.32。然而，k的物理意义尚不清楚。最近，Jiang提出k= 2Svib/（3R）,其中Svib为熔化熵Sm的振动熵部分，R为通用气体常数。虽然k可以由Svib直接确定，但Svib很难测量，金属元素通常采用Svib≈Sm的近似关系。显然，这种近似也会产生误差。Jiang等人[1]对纯金属中的gsl进行了重新估计。结果表明，gsl可由体蒸发熵Sb直接确定，并讨论了温度对gsl （T）的影响。gsl（T）随T的减小而减小。

 

此外还发现Svib与Sb之间存在线性关系。如图1所示，γsl（T）随着T的下降而减小，γsl（T）的变化趋势与之前的预测一致。注意，仅在Tk < T < Tm时有效，其中Tk是理想的玻璃化转变温度，对于金属可由Tk =（71/ 2−1）Tm/6确定。对于Au、Ag、Al、Cu、Ni、Pb和Pt，计算得到的Tk分别为366.89 K、338.47 K、255.98 K、372.37 K、473.42 K、164、74 K和560.92 K。因此，考虑了γsl （T）函数范围从Tk到Tm。图2显示了几种金属元素的Svib和Sb数据。红色虚线为Svib和Sb的拟合线，比值为0.079（1/13）。绿色虚线表示Svib/Sb，比值为0.056（1/18）。显然，预测结果与实验数据确定的拟合线一致。误差可使用的近似中计算Svib的方法引起。

 

图1 γsl（T）函数适用于几种金属元素

 

图2 Svib与Sb之间的关系。绿色虚线表示斜率等于1/18，红色虚线表示实验数据的拟合线

 

因此，固液界面能γsl是描述固液体系表面性质的重要物理量。估算γsl值对于理解表面和界面现象具有重要意义。通过引入体积蒸发熵Sb这一可测量的量，提出了测定γsl的解析模型。还考虑了温度对γsll的影响。计算结果与已有的实验和理论结果吻合较好。此外，还发现了体振动熵Svib与Sb之间的线性关系，为Svib值的估计提供了一种方法。通过引入可测量的物理量Sb，提出了一种新的估算金属元素γsl的简单模型，计算结果与其他结果吻合较好。γsl随t的下降而降低，Svib与Sb之间存在线性关系，可以表示为Svib = Sb/18。

 

[1]. Jiang, X.;  Xiao, B.;  Lan, R.;  Gu, X.;  Zhang, X.; Sheng, H., Estimation of the solid-liquid interface energy for metal elements. Comput. Mater. Sci 2019, 170, 109174.

 

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