金属液滴广泛存在于各种先进金属加工制造过程中，如难混溶合金制备、精密焊接与喷射成形、选区激光熔化或烧蚀加工、等离子金属雾化制粉等。掌握液滴表面张力基础数据及其随曲率、温度以及合金浓度变化的物理规律是优化和调控这些重要过程的关键所在，有助于我国先进金属加工制造领域的发展进步。由于实验直接测量液滴表面张力较为困难，近年来大量研究工作致力于发展“计算机实验”测量技术以及精准预测液滴表面张力的热力学理论。然而，已有的计算研究多关注模型物质体系的液滴/气泡体系，很少涉及具有实际应用价值的合金液滴体系;目前最先进的液滴形态热力学理论仅在刚性液滴模型体系中得到验证，未能在实际液滴体系中获得检验。

本论文采用分子动力学方法的平衡态液滴模拟技术，以具有实际应用价值的难混溶铝-铅合金(轴承合金)液滴体系为研究对象，系统地计算该液滴体系一系列重要热力学量及其随液滴尺寸、温度的高精度变化规律。实现了形态热力学理论在实际金属液滴体系的有效性验证，以及难混溶铝铅合金液滴表面张力的精准预测。并获得了形态热力学理论中刚度系数临界行为的定量认识。

具体的工作包括:

1.针对液-液界面液滴体系，发展了一套模拟-表征分析-计算一体化研究方法。其中应用了球坐标系及柱坐标系下的Irving-Kirkwood局域压强张量算法。利用这套方法，我们系统计算了不同温度和半径的铝、铅液滴(柱)的密度、浓度、压强、应力的径向分布函数。获得了液滴(柱)内合金互溶度、内压等热力学量随温度和半径的变化关系。液滴内的铝铅互溶度低于块体相图所预言的互溶度，偏差程度随着温度的升高以及液滴(柱)半径的减小而增大。

2.高精度地计算了不同温度和半径液滴与液柱体系的铝铅液-液界面的表面张力的曲率依赖关系。我们发现铝液滴(柱)的表面张力随半径增大而增大，而铅液滴(柱)的表面张力随着半径增大而减小。这种变化趋势起源于铝、铅原子的尺寸不匹配以及其在界面弯曲情况下的堆积方式。同一套参数下，形态热力学理论能够同时完美描述液滴和液柱的表面张力计算结果，高可信度地验证了其在具有毛细波涨落的金属液滴体系中的有效性和普适性。通过使用形态热力学理论拟合计算结果，我们进一步提取出先前鲜有报道的弯曲刚度和高斯曲率刚度数值，及其随温度的变化关系。液-液界面弯曲刚度随着温度的升高而减小，并发现在温度达到1300K左右，界面弯曲刚度由正值变为负值，对应着液滴系统稳定性发生转变，由低温的稳定状态变为高温的非稳状态。液-液界面的高斯曲率刚度在所有温度下均为负值，并且随着温度的升高而增大。弯曲刚度和高斯曲率刚度数值与符号可用经典弹性膜理论来类比解释，但温度变化规律尚缺少统计物理理论模型的定量解释。

3.形态热力学理论研究所获取的铝-铅液液界面弯曲刚度和高斯曲率刚度数据，让我们有能力揭示液体表面张力高阶系数的临界行为。通过对表面张力、Tolman长度、弯曲刚度和高斯曲率刚度等四个核心表面张力系数参量的温度依赖关系分别用不同的幂函数拟合，计算出四个参量临界行为的定量描述。计算出弯曲刚度和高斯曲率刚度的临界指数分别为5.98和2.49。此计算结果预言远离临界温度，弯曲刚度的变化速率比高斯曲率刚度快;在临界点邻域，随着表面张力数值趋零，弯曲刚度和高斯曲率刚度也渐趋为零，区别于Tolman长度临界点邻域的发散行为。

4.开发了捕捉液滴瞬态形貌的计算方法。根据瞬态界面形貌数据，开展了本征界面的统计分析，计算出液滴表面局域曲率及其概率分布函数，构建局域界面形态系综，从更本质的物理视角阐释表面张力随曲率变化关系的机理。本论文取得的形态热力学理论在实际液滴体系的验证，让精准预测任意温度、任意形状液体表面张力成为可能，再结合针对铝铅合金体系的取得的界面热力学性质数据，能够收获利用液体压强调节界面粒子堆积模式以及液滴合金成分的调控思路，并为高品质弥散相难混溶合金的制备工艺的提升提供理论指导，以及促进纳米合金相图热力学理论的发展。

本论文发展的液滴系统的模拟-计算-分析方法技术，能够广泛应用于各种先进加工制造过程所涉及的金属液滴体系，也可拓展到诸如固液相变形核、液相夹杂物、软物质液滴等体系的研究中。本论文关于两个液体表面刚度系数临界行为的计算研究丰富了相变与临界现象理论体系范畴，提出了相关统计物理理论的发展需求。