任秀敏 许贤祺 梁洪涛 杨 洋

(华东师范大学物理与电子科学学院凝聚态物理研究所，上海 200241)

短程结构分离势(disjoining potential)是指微观尺度两个距离相近的固- 液界面之间的单位面积相互作用势能[1- 8]。当相距较远时，界面间无相互作用，分离势等于两个界面单独存在时的自由能之和；当界面相距纳米尺度时，界面间将呈现强烈的相互作用。液滴液膜性质[9- 11]、合金熔铸热裂、液相金属致脆[12]、沿晶断裂[13]等材料失效均与分离势紧密关联。例如，液相金属致脆中，分离势与毛细力共同驱使液相金属渗入晶界导致晶粒分裂。因此，深入认识和测量分离势这一重要热力学函数(界面间距为自变量)，对调控合金的微观界面结构与热力学性质具有重要意义，也可为材料界面基因组工程[14]提供基础数据。

由于实验技术的限制，无法直接测量分离势能，目前仅有少数对金属/合金材料的表面和晶界预熔化相变体系的理论计算研究[4- 6,15- 16]。发生预熔化的体系的总吉布斯自由能为：

G(w,T)=ΔGf(T)w+Ψ(w)

(1)

式中：w为体系预熔化的厚度，ΔGf(T)为体系单位体积固相向液相转变的自由能的变化，Ψ(w)为分离势。

20世纪80年代，Kikuchi等[17]和Lipowsky等[18]分别从理论上预言了晶界和固相表面的预熔化相变，在分离势单指数衰减的假设下，推导出了预熔液膜厚度与过冷温度之间呈对数关系。单指数形式分离势为：

Ψe(w)=Υ1+Υ2+ΔΥexp(-w/w0)

(2)

式中：Υ1和Υ2分别为体系发生预熔化后形成的2个界面的界面自由能，ΔΥ=Υ0-(Υ1+Υ2)表示未发生预熔化时初始界面的界面自由能Υ0与发生预熔化后形成的2个界面自由能之和的差值，w0为分离势的衰减常数。……