[논문 리뷰] Interfacial instability of a planar interface and diffuseness at the solid-liquid interface for pure and binary materials

Yaw Delali Bensah, J. A. Sekhar|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 17.

Solidification and crystal growth phenomena참고 문헌 38인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 순수 및 이성분 물질의 응고 중에 상면 불안정성과 확산 상면 거동을 예측하기 위한 통합 프레임워크로 최대 엔트로피 생성률(MEPR) 원리를 제안한다. 열역학적 안정성을 확보하기 위해 엔트로피 생성률을 최대화하는 표면 구성을 식별함으로써, 모델은 응고 속도와 온도 기울기 변화에 따라 평면형에서 비평면형 형태(촉면 또는 세포형)로의 전이를 포함하여 확산 상면 두께와 의사원자 층 수를 정량적으로 예측한다. 이는 이전 모델이 실패했던 이성분 합금에서의 붕괴 조건을 예측하는 데 있어 처음으로 성공한 사례이다.

ABSTRACT

Topographical and diffuse interface reconfigurations occur with a change in the solidification rate. In this article we pursue the hypothesis that the interface configuration during solidification is determined by the rate of entropy production in the region between a rigorous solid and rigorous liquid phase. We posit that when an interface begins to migrate, there are several stable configurations that are possible. These include atomistically-planar, diffuse-planar, facet non-planar and cellular non-planar. The configuration and topographical condition that affords the maximum entropy production rate (MEPR) yields the most stable interface configuration. The principle of MEPR is applied to (1) describe atomistically smooth and diffuse interfaces, (2) provide quantitative results for the diffuse interface thickness and the number of pseudo-atomic layers in the interface region, and (3) predict the transition from planar to a non-planar facet or non-facet cellular morphology as a function of solidification velocity or temperature gradient. Numerous experimental investigations spanning over sixty years have failed to comprehensively validate any of the existing solid-liquid interface (SLI) growth instability models. With the MEPR model, for the first time, breakdown conditions are predicted with a fair degree of accuracy for a number of binary alloys where no previous theoretical model had predictability. The model considers steady state solidification at close-to and far-from equilibrium conditions.

연구 동기 및 목표

• 응고 중에 발생하는 상면 불안정성과 확산 상면 형성 원리를 열역학 원리로 설명한다.
• 순수 및 이성분 시스템에서 고체-액체 상면(SLI) 성장 불안정성에 대한 예측 모델이 오랫동안 부족한 문제를 해결한다.
• 최대 엔트로피 생성률(MEPR) 원리를 만족하는 구성이 안정한 상면 구성을 결정한다.
• 확산 상면 두께와 의사원자 층 수를 정량적으로 예측한다.
• 응고 속도와 온도 기울기의 함수로서 평면형에서 비평면형(촉면 또는 세포형) 형태로의 전이 조건을 예측한다.

제안 방법

• 최대 엔트로피 생성률(MEPR) 원리를 적용하여 응고 중에 가장 열역학적으로 안정한 상면 구성을 식별한다.
• 균형에 가까운 상태와 균형에서 멀리 떨어진 상태의 두 경우 모두에 대해 정 steady-state 응고 조건을 분석한다.
• 고체 상과 액체 상 사이의 상면 영역에서 엔트로피 생성률을 고려한다.
• 원자구조적으로 평면형, 확산 평면형, 촉면 비평면형, 세포 비평면형 등의 상면 구성을 엔트로피 생성률 기준으로 평가한다.
• MEPR 최대화 기반으로 확산 상면 두께와 의사원자 층 수에 대한 정량적 표현을 유도한다.
• 파형 분석을 도입하여 형태 전이 예측의 정확도를 향상시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 응고 중에 고체-액체 상면의 안정된 구성을 결정짓는 요소는 무엇인가—평면형, 확산형, 촉면형, 또는 세포형인가?
• RQ2 확산 상면 두께와 의사원자 층 수를 정량적으로 어떻게 예측할 수 있는가?
• RQ3 어떤 조건에서 응고 중 평면형에서 비평면형(촉면 또는 세포형) 형태로의 전이가 발생하는가?
• RQ4 MEPR 원리는 이전 모델이 실패했던 이성분 합금에서 응고 불안정성의 붕괴 조건을 예측할 수 있는가?
• RQ5 다양한 응고 속도와 온도 기울기 조건에서 서로 다른 상면 형태에서 엔트로피 생성률은 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• MEPR 원리는 응고 속도와 온도 기울기의 함수로서 평면형에서 비평면형 형태(촉면 또는 세포형)로의 전이를 성공적으로 예측한다.
• 모델은 상면 영역 내에서 확산 상면 두께와 의사원자 층 수를 정량적으로 예측한다.
• 이전 이론 모델이 예측 가능성이 없었던 이성분 합금에서 붕괴 조건을 상당한 정확도로 처음으로 예측한다.
• 모델은 균형에 가까운 상태와 균형에서 멀리 떨어진 상태의 응고 조건 모두에서 유효하다.
• 파형 분석의 통합으로 형태 전이 예측의 정확도가 향상된다.
• 다양한 재료에서의 실험 관측 결과와 일치하여 MEPR 기반 프레임워크의 타당성을 검증한다.