难熔铌硅合金是航空航天领域“国之重器”换代升级的战略材料，由于其“超高温”特性，快速凝固的基本原理和制备方法无法突破。本书作者团队直面该合金“高液相线温度、高化学活性、小热力学过冷”的“二高一小”挑战，采用自主研创的静电悬浮技术，摆脱了传统凝固过程必须依赖坩埚或铸型的束缚，解决了传统方法难以实现的“极端深过冷、热物理性质测定、相组成控制”等一系列科学技术难题。全书共12章，系统阐述了铌硅合金超高温熔融状态的关键热物理性质、传热传质、快速凝固新路径等学术成果，相关研究以静电悬浮实验研究为主，同时辅以机器学习高通量计算方法。

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1997.9~2001.7 西北工业大学材料科学与工程系 本科 专业: 材料科学与工程 2001.9~2004.4 西北工业大学应用物理系 硕士 专业: 材料物理与化学 2003.9~2008.3 西北工业大学理学院 博士 专业: 材料物理与化学2019年，国家万人计划领军人才； 2004年4月-2014年4月，西北工业大学理学院，助教、讲师、副教授； 2012年11月-2013年12月，多伦多大学，访问学者； 2012年7月至今，西北工业大学理学院，博导； 2014年5月至今，西北工业大学理学院（2019改为物理科学与技术学院），教授； 2018年9月-2019年10月，西北工业大学人事处副处长（主持工作）兼党委教师工作部副部长（主持工作）。 2019年11月-2023年12月，西北工业大学发展规划处处长、教务处处长 2024年1月至今，西北工业大学教务部部长液态金属结构与性质，高等教研出版社, 2021，合著中国材料研究学会空间材料科学技术分会理事长； 《中国科学: 技术科学》中英文版青年编委；空间站计划空间材料领域专家组成员。

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 难熔Nb-Si合金的微观相组成与组织性能调控 1
1.1.1 难熔Nb-Si合金的相组成与典型凝固组织 1
1.1.2 难熔Nb-Si合金的组织性能调控 4
1.2 液态Nb-Si合金的结构与性质 6
1.2.1 液态Nb-Si合金的结构 6
1.2.2 液态Nb-Si合金的热物理性质 8
1.3 静电悬浮无容器处理技术 11
1.3.1 静电悬浮技术的物理原理 11
1.3.2 静电悬浮技术的发展历史 12
1.3.3 静电悬浮技术的典型应用 14
1.4 难熔Nb-Si合金静电悬浮快速凝固的重要问题 17
1.4.1 悬浮液滴振荡形态与传热控制 17
1.4.2 原子尺度模拟与亚稳液态结构 20
1.4.3 深过冷凝固规律与组织形成控制 22
1.5 本书的结构与主要内容 23
本章小结 25
参考文献 26
第2章 液态Nb-Si合金的机器学习计算 33
2.1 第一性原理计算的基本原理 34
2.1.1 密度泛函理论 34
2.1.2 第一性原理分子动力学 35
2.1.3 液态Nb-Si合金的第一性原理建模 36
2.1.4 液态Nb-Si合金的计算温度与体积控制 37
2.1.5 液态Nb-Si合金的典型物理量计算 38
2.2 深度神经网络分子动力学的基本原理 39
2.2.1 深度神经网络分子动力学模型 39
2.2.2 深度神经网络势函数训练 42
2.3 纯金属Nb的深度神经网络势函数 44
2.3.1 同步学习过程 44
2.3.2 固、液态准确度分析 47
2.3.3 熔化过程准确度分析 50
2.4 液态Nb5Si3合金的深度神经网络势函数 51
2.4.1 训练数据准确度分析 51
2.4.2 预测数据准确度分析 53
2.4.3 液态结构测试 56
2.5 难熔Nb-Si合金体系的深度神经网络势函数 57
2.5.1 固态准确度分析 57
2.5.2 液态准确度分析 59
本章小结 60
参考文献 60
第3章 难熔Nb-Si合金短程结构的团簇变形分析方法 63
3.1 原子尺度结构分析方法 63
3.1.1 传统原子尺度结构分析方法 63
3.1.2 新型原子尺度结构分析方法 64
3.1.3 传统原子尺度结构分析方法的局限 64
3.2 团簇变形分析方法 66
3.2.1 团簇变形的基本规则 66
3.2.2 团簇变形的可靠性验证 70
3.3 难熔Nb-Si合金典型化合物结构分析 73
3.3.1 团簇稳定性分析 73
3.3.2 扰动下原子尺度短程结构 76
3.3.3 团簇变形分析方法的优势 79
本章小结 80
参考文献 81
第4章 液态Nb-Si合金的短程结构演变规律 83
4.1 固态Nb5Si3晶体熔化过程结构特征 83
4.2 液态Nb5Si3合金原子尺度结构 86
4.2.1 一维结构表达 86
4.2.2 短程有序特征 90
4.3 液态Nb5Si3结构特征 95
4.3.1 原子局域结构图景 95
4.3.2 三维局域原子结构图景 98
本章小结 100
参考文献 100
第5章 难熔Nb-Si合金的静电悬浮液滴振荡动力学 103
5.1 静电悬浮液滴振荡实验与计算方法 104
5.1.1 实验方法 104
5.1.2 计算方法 105
5.2 难熔Nb-Si合金的静电悬浮液滴振荡实验 106
5.2.1 不同模式的二阶振荡 107
5.2.2 不同温度下的二阶振荡 109
5.2.3 二阶到高阶振荡模式转变 111
5.3 难熔Nb-Si合金液滴振荡过程的计算模拟 112
5.3.1 等温振荡计算模拟 112
5.3.2 非等温振荡计算模拟 119
本章小结 122
参考文献 123
第6章 难熔Nb-Si合金液滴的静电悬浮传热过程 126
6.1 Nb-Si合金液滴的静电悬浮传热建模与计算 126
6.1.1 传热模型 126
6.1.2 数值计算 128
6.2 Nb-Si合金液滴的静电悬浮传热过程分析 134
6.2.1 传热过程计算与实验 134
6.2.2 悬浮合金液滴的冷却与过冷 135
6.2.3 合金液滴传热的影响因素分析 137
6.2.4 固/液界面迁移 140
6.2.5 基于形态变化的合金液滴传热 141
6.3 Nb-Si合金液滴的静电悬浮传热过程控制 142
6.3.1 传热过程调控原理 142
6.3.2 传热过程控制数值计算 144
6.3.3 悬浮熔凝过程控制实验 145
本章小结 147
参考文献 147
第7章 液态Nb-Si合金热物理性质的静电悬浮测定与计算 150
7.1 热物理性质的静电悬浮测定方法 150
7.2 液态Nb-Si合金热物理性质的实验测定 153
7.2.1 液态密度 153
7.2.2 热辐比 160
7.2.3 表面张力与黏度 162
7.3 液态Nb-Si合金热物理性质的计算模拟 164
7.3.1 液态密度 164
7.3.2 液态比热容 168
7.3.3 扩散系数 170
本章小结 173
参考文献 174
第8章 难熔Nb-Si合金快速凝固的相场计算 176
8.1 难熔Nb-Si合金凝固的相场模型 177
8.1.1 枝晶生长相场模型 177
8.1.2 共晶生长相场模型 185
8.2 难熔Nb-Si合金枝晶生长的相场计算 190
8.2.1 等温熔体中的枝晶生长 191
8.2.2 等温对流熔体中的枝晶生长 197
8.2.3 非等温熔体中的枝晶生长 203
8.2.4 非等温对流熔体中的枝晶生长 207
8.3 难熔Nb-Si合金共晶生长的相场计算 208
8.3.1 规则层片共晶生长 208
8.3.2 多种形貌共晶组织的形成 211
8.3.3 冷速和过冷控制的共晶生长 212
本章小结 214
参考文献 215
第9章 难熔Nb-Si合金的静电悬浮阶梯快速凝固控制方法 218
9.1 难熔Nb90Si10亚共晶合金的深过冷快速凝固 218
9.1.1 常规凝固微观组织 218
9.1.2 固/液界面迁移特征 220
9.1.3 微观组织与相组成 222
9.1.4 力学性能表征 228
9.2 难熔Nb90Si10亚共晶合金的相选择阶梯调控 231
9.2.1 静电悬浮阶梯凝固控制方法 231
9.2.2 微观组织与相组成 233
9.2.3 金属间化合物相选择机制 235
9.2.4 相选择微观机理 238
本章小结 244
参考文献 245
第10章 难熔Nb-Si合金的静电悬浮快速共晶生长动力学 248
10.1 难熔Nb82.7Si17.3共晶合金的深过冷快速凝固 249
10.1.1 典型温度曲线与固/液界面迁移 249
10.1.2 凝固微观组织演化与相选择 253
10.2 难熔Nb84.1Si15.9亚共晶合金的相选择与组织演变机理 256
10.2.1 典型温度曲线与固/液界面迁移 256
10.2.2 快速凝固合金的相组成 259
10.2.3 微观组织演化与凝固路径调控 260
本章小结 264
参考文献 265
第11章 难熔Nb-Si过共晶合金的静电悬浮凝固路径与力学性能调控 267
11.1 难熔Nb-Si过共晶合金的深过冷快速凝固 267
11.1.1 典型温度曲线与过冷度控制 267
11.1.2 固/液界面迁移动力学过程 270
11.2 难熔Nb-Si过共晶合金的凝固路径控制 272
11.2.1 微观组织演化与凝固路径转变 272
11.2.2 组成相的晶体结构分析 276
11.2.3 竞争形核与相选择机制 278
11.3 难熔Nb-Si过共晶合金的力学性能调控 280
11.3.1 相含量统计 280
11.3.2 力学性能分析 281
本章小结 283
参考文献 284
第12章 结论与展望 286
Contents
Preface
Chapter 1 Introduction 1
1.1 Phase constitutions and microstructural control of refractory Nb-Si alloys 1
1.1.1 Phase constitutions and typical microstructures of refractory Nb-Si alloys 1
1.1.2 Microstructure and performance control of refractory Nb-Si alloys 4
1.2 Structure and properties of liquid Nb-Si alloys 6
1.2.1 Structure of liquid Nb-Si alloys 6
1.2.2 Thermophysical properties of liquid Nb-Si alloys 8
1.3 Electrostatic levitation containerless processing technique 11
1.3.1 Physical principle of electrostatic levitation technique 11
1.3.2 Development history of electrostatic levitation technique 12
1.3.3 Typical applications of electrostatic levitation technique 14
1.4 Key issues of refractory Nb-Si alloys rapid solidification at ?electrostatic levitation 17
1.4.1 Oscillation patterns of levitated droplet and heat transfer control 17
1.4.2 Atomic-scale computations and metastable liquid structures 20
1.4.3 Rapid solidification mechanisms and microstructure formation control 22
1.5 Main structure and contents of this book 23
Summary 25
References 26
Chapter 2 Machine learning calculations for liquid Nb-Si alloys 33
2.1 Fundamental principle of first-principles calculation 34
2.1.1 Density functional theory 34
2.1.2 First-principle molecular dynamics 35
2.1.3 First-principle modeling of liquid Nb-Si alloys 36
2.1.4 Temperature and volume control in liquid Nb-Si alloys calculation 37
2.1.5 Calculation of representative physicsal quantities for liquid Nb-Si alloys 38
2.2 Fundamentals of deep neural network molecular dynamics 39
2.2.1 Deep neural network molecular dynamics model 39
2.2.2 Training deep neural network potential function 42
2.3 Deep neural network potential function for pure Nb 44
2.3.1 Synchronous learning process 44
2.3.2 Accuracy analysis for solid and liquid phases 47
2.3.3 Accuracy analysis of melting process 50
2.4 Deep neural network potential function for liquid Nb5Si3 alloy 51
2.4.1 Training data accuracy analysis 51
2.4.2 Prediction data accuracy analysis 53
2.4.3 Liquid structure testing 56
2.5 Deep neural network potential function for refractory Nb-Si alloys system 57
2.5.1 Solid-state accuracy analysis 57
2.5.2 Liquid-state accuracy analysis 59
Summary 60
References 60
Chapter 3 Cluster deformation analysis method for refractory Nb-Si alloys 63
3.1 Atomic-scale structural analysis methods 63
3.1.1 Traditional atomic-scale structural analysis methods 63
3.1.2 Novel atomic-scale structural analysis methods 64
3.1.3 Limitations of traditional atomic-scale structural analysis methods 64
3.2 Cluster deformation analysis method 66
3.2.1 Fundamental rules of cluster deformation 66
3.2.2 Reliability verification of cluster deformation 70
3.3 Structural analysis of typical compounds in refractory Nb-Si alloys 73
3.3.1 Cluster stability analysis 73
3.3.2 Atomic-scale structure under perturbation 76
3.3.3 Advantages of cluster deformation analysis 79
Summary 80
References 81
Chapter 4 Short-range structure evolution in liquid Nb-Si alloys 83
4.1 Structural characteristics of Nb5Si3 crystals during melting 83
4.2 Atomic-scale structure of liquid Nb5Si3 alloy 86
4.2.1 One-dimensional structural representation 86
4.2.2 Short-range ordering characteristics 90
4.3 Structural features of liquid Nb5Si3 alloy 95
4.3.1 Atomic-scale local structure 95
4.3.2 Three-dimensional local atomic structural landscape 98
Summary 100
References 100
Chapter 5 Oscillation dynamics of refractory Nb-Si alloy droplets under electrostatic levitation 103
5.1 Experimental and computational methods for droplet oscillation 104
5.1.1 Experimental method 104
5.1.2 Computational method 105
5.2 Oscillation experiments of refractory Nb-Si alloy droplets 106
5.2.1 Second-order oscillations in different modes 107
5.2.2 Second-order oscillations at different temperatures 109
5.2.3 Transition from second-order to higher-order oscillation modes 111
5.3 Oscillation computation in refractory Nb-Si alloy droplets 112
5.3.1 Isothermal oscillation computation 112
5.3.2 Non-isothermal oscillation computation 119
Summary 122
References 123
Chapter 6 Heat transfer of refractory Nb-Si alloy droplets under electrostatic levitation 126
6.1 Heat transfer modeling and calculation in Nb-Si alloy droplets 126
6.1.1 Heat transfer model 126
6.1.2 Numerical calculation 128
6.2 Analysis of heat transfer processes in Nb-Si alloy droplets 134
6.2.1 Computational and experimental heat transfer processes 134
6.2.2 Cooling and undercooling of levitated alloy droplets 135
6.2.3 Factors affecting alloy droplet heat transfer 137
6.2.4 Solid-liquid interface migration 140
6.2.5 Heat transfer in alloy droplets based on morphological changes 141
6.3 Control of heat transfer processes in Nb-Si alloy droplets 142
6.3.1 Principle of heat transfer process regulation 142
6.3.2 Numerical calculations for heat transfer process control 144
6.3.3 Experimental control in the levitation solidification process 145
Summary 147
References 147
Chapter 7 Thermophysical properties measurement and computation of liquid Nb-Si alloys under electrostatic levitation 150
7.1 Methodology for determining thermophysical properties under electrostatic levitation 150
7.2 Experimental determination of thermophysical properties of liquid Nb-Si alloys 153
7.2.1 Liquid density 153
7.2.2 Ratio of specific heat to emissivity 160
7.2.3 Surface tension and viscosity 162
7.3 Thermophysical properties computation simulation of liquid Nb-Si alloys 164
7.3.1 Liquid density 164
7.3.2 Liquid specific heat 168
7.3.3 Diffusion coefficient 170
Summary 173
References 174
Chapter 8 Phase field computation of rapid solidification in refractory Nb-Si alloys 176
8.1 Phase field models for refractory Nb-Si alloys solidification 177
8.1.1 Dendritic growth phase field model 177
8.1.2 Eutectic growth phase field model 185
8.2 Phase field calculation for dendrite growth in refractory Nb-Si alloys 190
8.2.1 Dendritic growth in isothermal melts 191
8.2.2 Dendritic growth in isothermal convective melts 197
8.2.3 Dendritic growth in non-isothermal melts 203
8.2.4 Dendritic growth in non-isothermal convective melts 207
8.3 Phase field calculation for eutectic growth in refractory Nb-Si alloys 208
8.3.1 Regular lamellar eutectic growth 208
8.3.2 Formation of eutectic microstructure with multiple morphologies 211
8.3.3 Eutectic growth controlled by cooling rate and undercooling 212
Summary 214
References 215
Chapter 9 Stepwise rapid solidification control of refractory Nb-Si alloys under electrostatic levitation 218
9.1 Rapid solidification of undercooled refractory Nb90Si10 hypoeutectic alloy 218
9.1.1 Microstructure of conventional solidification 218
9.1.2 Characteristics of solid-liquid interface migration 220
9.1.3 Microstructure and phase constitution 222
9.1.4 Mechanical property characterization 228
9.2 Stepwise phase selection control of refractory Nb90Si10 hypoeutectic alloy 231
9.2.1 Electrostatic levitation stepwise solidification control method 231
9.2.2 Microstructure and phase constitution 233
9.2.3 Phase selection mechanism of intermetallic compounds 235
9.2.4 Microstructural mechanism of phase selection 238
Summary 244
References 245
Chapter 10 Rapid eutectic growth dynamics of refractory Nb-Si alloys under electrostatic levitation 248
10.1 Rapid solidification of undercooled refractory Nb82.7Si17.3 eutectic alloy 249
10.1.1 Typical temperature curves and solid-liquid interface migration 249
10.1.2 Microstructural evolution and phase selection during solidification 253
10.2 Phase selection and microstructural evolution mechanisms in refractory Nb84.1Si15.9 hypoeutectic alloy 256
10.2.1 Typical temperature curves and solid-liquid interface migration 256
10.2.2 Phase constitution of rapidly solidified alloys 259
10.2.3 Microstructural evolution and solidification pathway control 260
Summary 264
References 265
Chapter 11 Solidification pathways and mechanical property control of refractory Nb-Si hypereutectic alloys at electrostatic levitation 267
11.1 Rapid solidification of undercooled refractory Nb-Si hypereutectic alloys 267
11.1.1 Typical temperature curves and undercooling control 267
11.1.2 Dynamics of solid-liquid interface migration 270
11.2 Control of solidification pathways in refractory Nb-Si hypereutectic alloys 272
11.2.1 Microstructural evolution and solidification pathway transition 272
11.2.2 Crystal structure analysis 276
11.2.3 Competitive nucleation and phase selection mechanism 278
11.3 Mechanical property regulation of refractory Nb-Si hypereutectic alloys 280
11.3.1 Phase content statistics 280
11.3.2 Mechanical property analysis 281
Summary 283
References 284
Chapter 12 Conclusions and prospects 286