Реклама


CALPHAD

CALPHAD (аббр. от англ. CALculation of PHAse Diagrams) — метод расчёта фазовых диаграмм, предложенный Л. Кауфманом в 1960-х годах.[1][2][3][4][5] Под равновесными фазовыми диаграммами обычно понимают диаграммы зависимости состава химической системы от температуры. На фазовой диаграмме отмечаются области существования соединений и растворов (то есть фаз) и области их сосуществования. Фазовые диаграммы — очень мощный инструмент для прогнозирования состояния системы при различных условиях. Впервые они появились как графический метод обобщения экспериментальной информации о равновесии.[6] В сложных системах вычислительные методы, такие как CALPHAD, используются для моделирования термодинамических свойств для каждой фазы и моделирования поведения многокомпонентной системы в целом.[7][8][9] Подход CALPHAD базируется на том факте, что фазовая диаграмма — это проявление равновесных термодинамических свойств системы, которые слагаются из свойств составляющих систему фаз.[10] Таким образом, существует возможность расчёта фазовой диаграммы путём начальной оценки термодинамических свойств всех фаз системы.

Методика[ | код]

Метод CALPHAD объединяет всю экспериментальную информацию о фазовых равновесиях в системе и всю термодинамическую информацию, полученную при проведении термохимических и теплофизических исследований.[4] Затем набор термодинамических свойств каждой фазы описывается математической моделью, содержащей настраиваемые параметры. Параметры вычисляются оптимизацией — подгонкой модели под всю информацию, включая сосуществующие фазы. После этого возможен пересчёт фазовой диаграммы и термодинамических свойств составляющих систему фаз. Концепция метода CALPHAD состоит как в получении непротиворечивого описания фазовой диаграммы, так и в достоверном предсказании множества стабильных фаз и их термодинамических свойств в тех областях фазовой диаграммы, где отсутствует экспериментальная информация, а также метастабильных состояний путём моделирования фазовых превращений.

Есть два критических фактора для успешного использования метода CALPHAD.

Термодинамическое моделирование фаз[ | код]

Первый фактор — это нахождение реалистичной и удобной математической модели для энергии Гиббса каждой фазы. Энергия Гиббса используется потому, что большинство экспериментальных данных получено при определённых значениях температуры и давления. Кроме того, любая другая термодинамическая величина может быть получена исходя из энергии Гиббса. Получение полного описания энергии Гиббса многокомпонентной системы в аналитическом виде невозможно. Поэтому необходимо определить основные особенности, на которых и строить математическую модель. Расхождение между моделью и реальной системой, в конечном счёте, представляется разложением в степенной ряд температуры, давления и состава фазы. Настраиваемые параметры модельного описания уточняются до воспроизведения экспериментальных данных. Мощность метода CALPHAD состоит в том, что описание подсистем, составляющих многокомпонентную систему, может быть объединено для её полного описания.

Расчёт равновесия[ | код]

Вторым критическим фактором является наличие компьютерных программ для расчёта равновесия и различных типов схем и баз данных с экспертной информацией. В настоящее время существует множество различных видов моделей, используемых для различных видов фаз, есть несколько термодинамических баз данных (как коммерческих, так и свободно распространяемых) различных материалов (стали, суперсплавы, полупроводниковые материалы, водные растворы, оксиды и т. д.). Есть также несколько различных видов программ, использующих различные виды алгоритмов расчёта равновесия. Наиболее развитые из них позволяют использовать при расчёте равновесия не только температуру, давление и состав, но и множество других типов условий существования системы, так как часто равновесие может быть определено при постоянном объёме или при заданном химическом потенциале элемента или составе определённой фазы и др.

Использование[ | код]

Подход CALPHAD медленно развивался с 1960-х годов пока в 1980-х не появились сложные системы на основе термодинамических баз данных. Сейчас имеется несколько коммерческих (FactSage, MTDATA, PANDAT, Thermo-Calc, NUCLEA/GEMINI и др.) программных продуктов, а также бесплатные программные коды - OpenCalphad и PyCALPHAD. Они используются и при проведении научных исследований и на производстве.[11][12][13][14] Применение этих программ позволяет существенно уменьшить временные и материальные затраты путём оптимизации экспериментальной работы в результате термодинамического прогнозирования поведения многокомпонентных систем (что было бы практически невозможно без подхода CALPHAD). Есть журнал CALPHAD, где освещаются научные достижения в области термодинамического моделирования фазовых диаграмм. Научные работы, описывающие использование метода CALPHAD публикуются и во многих других журналах.

См. также[ | код]

Литература[ | код]

  1. Spencer, P. J. A Brief History of CALPHAD : [англ.] // CALPHAD. — 2008. — Vol. 32. — P. 1–8. — doi:10.1016/j.calphad.2007.10.001.
  2. Кауфман Л., Бернстейн Х. Расчет диаграмм состояния с помощью ЭВМ. — М.: Мир, 1972. — 328 с.
  3. Kaufman L., Bernstein H. Computer Calculation of Phase Diagrams. — Academic Press NY, 1970. — ISBN 0-12-402050-X.
  4. 1 2 Fabrichnaya Olga B., Saxena Surendra K., Richet Pascal, Westrum Edgar F. Jr. Thermodynamic Data, Models, and Phase Diagrams in Multicomponent Oxide Systems : an Assessment for Materials and Planetary Scientists Based on Calorimetric, Volumetric and Phase Equilibrium Data. — Springer Berlin Heidelberg, 2004. — ISBN 9783662105047.
  5. Kattner, Ursula R. The CALPHAD method and its role in material and process development : [англ.] // Tecnol. Metal. Mater. Miner. — 2016. — Vol. 13, no. 1. — P. 3–15. — doi:10.4322/2176-1523.1059.
  6. Курнаков Н. С. Введение в физико-химический анализ. Издание четвертое дополненное. — М.-Л.: Издательство АН СССР, 1940. — 562 с.
  7. Lukas H. L., Fries Suzana G., Sundman Bo. Computational thermodynamics: the CALPHAD method. — Cambridge University Press, 2007. — ISBN 978-0521868112.
  8. Saunders N., Miodownik P. Calphad. — Pergamon Materials Series, Vol 1., 1998. — ISBN 0-08-042129-6.
  9. Y.Austin Chang (2004). “Phase diagram calculation: past, present and future”. Progress in Materials Science. 49 (3): 313–345. DOI:10.1016/S0079-6425(03)00025-2.
  10. Zi-Kui Liu, Wang Yi. Computational thermodynamics of materials. — 2016. — ISBN 9780521198967.
  11. Chang, Y.Austin. Phase diagram calculation: past, present and future : [англ.] / Y.Austin Chang, Shuanglin Chen, Fan Zhang … [et al.] // Progress in Materials Science. — 2004. — Vol. 49, no. 3-4. — P. 313-345. — doi:10.1016/S0079-6425(03)00025-2.
  12. Miracle, D. B. A critical review of high entropy alloys and related concepts : [англ.] / D. B. Miracle, O .N. Senkov // Acta Materialia. — 2017. — Vol. 122. — P. 448-511. — doi:10.1016/j.actamat.2016.08.081.
  13. Li, Na. Development and application of phase diagrams for Li-ion batteries using CALPHAD approach : [англ.] / Na Li, Dajian Li, Weibin Zhang … [et al.] // Progress in Natural Science: Materials International. — 2019. — Vol. 29, no. 3. — P. 265-276. — doi:10.1016/j.pnsc.2019.05.007.
  14. Shi, Renhai. Applications of CALPHAD (CALculation of PHAse diagram) modeling in organic orientationally disordered phase change materials for thermal energy storage : [англ.] // Thermochimica Acta. — 2020. — Vol. 683. — P. 178461. — doi:10.1016/j.tca.2019.178461.

Внешние ссылки[ | код]


Иконка портала Химический портал — мир химии, веществ и превращений на страницах Википедии.
Реклама