熔融钛动态表面张力的强迫振动响应

　　熔融钛液体-蒸汽界面在高频机械循环载荷下的动态响应行为通过分子动力学模拟系统研究。采用驱动阻尼振荡器理论，分析50 GHz和5%振幅载荷下动态表面张力的稳态强迫振荡特性，发现其平均值较平衡态增加7%，并呈现显著非线性振荡特征。通过时空关联分析揭示表面层原子动力学行为与体相存在差异，提出广义自然频率与阻尼系数耦合模型，为极端条件下界面行为调控提供理论依据。

　　
该研究通过分子动力学模拟方法，系统探讨了熔融钛液-气界面（LVI）在高频（50 GHz）和大振幅（5%）周期性机械冲击下的动态响应行为。研究重点揭示了动态表面张力的调控机制及其与材料微观结构的关联，为极端条件下液态金属界面动力学提供了新视角。

**研究背景与意义**
在先进制造、冶金及新能源等领域，熔融金属表面张力瞬态变化对材料物理化学性质演变具有关键作用。尽管传统弹性膜理论可描述静态或准静态条件下的界面行为，但在超快机械冲击（如飞秒激光冲击波）下，界面动力学特性显著偏离经典模型。钛作为重要战略金属，其液态界面特性直接影响铸造成型、增材制造等工艺中的表面质量控制。当前理论难以解释不同金属体系在相同外部激励下的差异化响应，亟需通过微观模拟揭示其内在机制。

**模拟方法与技术创新**
研究采用分层温度控制的非平衡分子动力学方法，通过嵌入原子势（EAM）描述钛原子相互作用，成功复现了实验测得的钛熔点（1531 K）及液-气界面结构。创新性地引入动态Gibbs界面分离法（GDS），突破传统Kirkwood-Buff方程在非平衡态下的局限性，可精确计算动态表面张力。通过将周期性载荷分解为基频和二次谐波分量，结合傅里叶分析，实现了对复杂振荡模式的定量表征。

**关键发现与机制解析**
1. **动态表面张力调控规律**
- 基频（n=1）响应主导系统行为，其自然频率ω??约为53.4 GHz（对应弛豫时间4.68 ps），与飞秒激光脉冲作用时间尺度（ps级）高度匹配。
- 高频（50 GHz）加载下，动态表面张力平均值较平衡态提升7%，峰谷值分别达+9.8%和-4%，呈现显著非线性振荡特性。
- 振幅效应：当振幅从1%增至5%时，基频响应幅度线性增强，但二次谐波（n=2）仅在高频（50 GHz）且大振幅（5%）时才显现，其自然频率ω??为107.7 GHz。

2. **界面与体相动力学差异**
- 表面层原子弛豫时间较体相延长约8倍（4.68 ps vs 0.56 ps），表明表面原子在超快冲击下表现出独特的慢恢复动力学。
- 动态应力场呈现空间异质性：表面层应力峰值随振幅增大而拓宽，次表面层则出现应力负值区。例如，5%振幅加载时，表面层应力集中区域扩展至3 nm，次表面层出现周期性压缩-拉伸交替。

3. **多尺度耦合机制**
- 动态表面张力由表面层（贡献约85%）和次表面层（贡献约15%）协同作用形成。表面层通过原子层重构调节界面曲率，次表面层则通过密度波动影响体相压力平衡。
- 非平衡应力场导致界面自由能降低，形成亚稳态结构。当冲击频率接近材料本征频率（如50 GHz接近ω??），系统进入欠阻尼共振状态，表面张力振幅达到峰值。

**材料特性影响分析**
对比铅（Pb）体系发现，钛液在相同载荷条件（50 GHz/5%）下表面张力增幅（7%）显著高于铅体系（5%），这与其密排六方（HCP）结构（铅为面心立方）及原子间结合强度差异相关。钛的强方向性键合使得表面层原子在周期性冲击下更易形成有序重构，从而增强表面张力响应。

**应用价值与展望**
1. **工业应用**
- 铸造工艺优化：通过控制冲击频率（如50 GHz）和振幅（5%），可调节熔体流动特性，减少气孔缺陷。
- 增材制造：精确调控熔池表面张力可改善金属打印件的层间结合强度。
- 激光加工：预测飞秒激光冲击下钛熔体的界面动力学行为，优化表面粗糙度控制。

2. **理论突破**
- 建立动态表面张力多尺度理论模型：将宏观响应分解为表面重构（n=1模式）和次表面应力传递（n=2模式）的耦合作用。
- 揭示非平衡态下弹性阻尼机制：表面层阻尼系数β?与体相β?存在数量级差异（β?/ω??≈0.235 vs β?/ω??≈0.080），表明界面动力学受多物理场耦合影响。

3. **研究局限与方向**
- 现有数据仅覆盖单一材料（钛），需扩展至其他金属体系（如铜、铝）对比研究。
- 次表面层（n=2模式）贡献机制尚不明确，需结合原位表征（如同步辐射X射线）验证。
- 高频（>100 GHz）下的非线性效应尚未探索，建议结合实验观测（如皮秒级压力波检测）深化研究。

**结论**
该研究证实周期性机械冲击可通过调控液态金属表面层原子重构和次表面应力传递，实现动态表面张力的精准调控。提出的分层计算方法和多尺度响应模型，为理解极端条件（如超快冲击、高温高压）下界面动力学行为提供了理论框架，对高端制造工艺优化具有重要指导意义。未来需结合实验与模拟多尺度研究，深入揭示不同频率/振幅组合下的界面亚稳态形成机制。