Non-equilibrium conditions at solid/liquid interfaces
Conditions hors-équilibre aux interfaces solide/liquide
Résumé
Our work focuses on solutal melting, which occurs when two metals are brought into contact at a temperature between their respective melting temperatures. The solid/liquid interface is initially far from equilibrium, and the kinetics governing its return to equilibrium appear to challenge the models commonly used to describe solidification and melting. To advance our understanding of the process, we approached the problem from three complementary angles. First, we conducted in-situ experiments on the solutal melting of the Au-Ag system using X-ray tomography. Critical analysis of the results appears to indicate that the solid-liquid interface remains out of equilibrium during solutal melting, with the unexpected persistence of concentration gradients at the end of the experiments. Second, in an effort to better understand the experiments, we developed a model based on the thermodynamics of irreversible processes applied to the exchange of chemical species across a sharp solid/liquid interface. Parametrization of interfacial transfer coefficients enables the model to qualitatively reproduce the behaviors observed in the experiments. Finally, we sought to justify the kinetic parameters of the thermodynamic model using molecular dynamics (MD) in the Cu-Ni system. We thus demonstrated that the interfacial coefficients depend on the concentrations at the interface, consistent with the parametrization of the thermodynamic model.
Notre travail porte sur la fusion dite solutale survenant lorsque l'on met deux métaux en contact à une température comprise entre leurs températures de fusion respectives. L'interface solide/liquide se retrouve initialement fortement hors-équilibre et la cinétique propre à son retour à l'équilibre semble mettre en défaut les modèles généralement employés pour décrire la solidification et la fusion. Pour progresser dans la compréhension du processus, nous avons abordé le problème sous trois angles complémentaires. Dans un premier temps, nous avons réalisé des expériences in-situ de fusion solutale du système Au-Ag en utilisant la tomographie par rayons X. L'analyse critique des résultats semble montrer que l'interface solide-liquide reste hors équilibre pendant la fusion solutale, avec la persistance inattendue de gradients de concentration à la fin des expériences. Dans un deuxième temps, dans le but de mieux comprendre les expériences, nous avons mis en œuvre un modèle reposant sur la thermodynamique des processus irréversibles appliquée aux échanges d'espèces chimiques à travers une interface solide/liquide abrupte. Une paramétrisation des coefficients de transfert interfaciaux permet au modèle de reproduire qualitativement les comportements observés dans les expériences. Enfin, nous avons cherché à justifier les paramètres cinétiques du modèle thermodynamique en utilisant la dynamique moléculaire (DM) dans le système Cu-Ni. Nous avons ainsi démontré que les coefficients interfaciaux dépendent des concentrations à l'interface, en accord avec la paramétrisation du modèle thermodynamique.
Origine : Version validée par le jury (STAR)