Smeltdynamiek

Smeltdynamiek is het studiegebied dat de dynamiek van smelten onderzoekt: hoe vaste stoffen bij verwarming in vloeistoffen veranderen en hoe smeltfronten zich voortbewegen. Het combineert thermodynamiek, kinetiek en transportprocessen om de aanzet en voortgang van smelten te begrijpen, evenals de morfologie van de vloeibare regio nabij grensvlakken.

Belangrijke concepten zijn fusietemperatuur en de afhankelijkheid daarvan van druk en samenstelling, latente warmte van fusie, nucleatie en groei van de vloeibare fase, en de snelheid van het smeltfront. Ook spelen onzuiverheden, kristaloriëntaties en anisotropie een rol, evenals transportmechanismen zoals warmtegeleiding en convectie.

Modellering en experimenteel onderzoek omvatten: thermodynamische benaderingen zoals Gibbs vrije-energieconstructies; faseveldmodellen en scherpe-interface benaderingen om smeltfronten te beschrijven; numerieke methoden zoals eindige-elementen en moleculaire dynamica voor nanoschaaltoepassingen. Experimenteel wordt smeltdynamiek aangetoond met differentiële scan calorimetrie (DSC), hoogtemperatuurmicroscopie, en in-situ röntgendiffractie en imaging.

Toepassingen van smeltdynamiek liggen onder meer in metallurgie (gieten, lassen, solderen en additieve fabricage), geologie (partiële smelting van gesteente en mantelprocessen), en nanomaterialen waar smeltgedrag de microstructuur bepaalt.

Uitdagingen blijven de complexiteit van multi-component systemen, anisotropie en interfaciale spanningen, schaalovergangen van nanoschaal tot macroschaal, en de koppeling met mechanische stress en porositeit. Verder is het moeilijk om nauwkeurige modelleerparameters te verkrijgen onder realistische bedrijfsomstandigheden.