本项目属于金属材料凝固科学与技术领域。

超声凝固技术已经有了近百年研究历史，是改善合金凝固组织并优化其应用性能的先进技术。

超声波在液态合金传播时，产生空化和声流等一系列非线性效应，显著影响晶体形核和生长、加速传热传质过程。

然而，国际上多采用一维超声的简单施加方式，存在能量衰减快、作用范围小的严重缺陷。

同时，由于缺乏对1000K以上高温熔体中声场的有效施加和检测反馈技术，超声凝固研究长期停滞于对中低温Al/Mg基合金的定性探索状态，既制约了超声动态凝固理论的深入发展，更严重阻碍了其广泛工程应用。

本项目立足于攻克以上技术瓶颈，自2005年起，在国家自然科学基金创新研究群体和重大项目以及陕西省科技计划等多个项目支持下，发明了三维超声场中金属动态凝固技术，并自主设计和成功研制了金属材料三维超声动态凝固实验系统。

主要技术发明点如下： 1. 采用X-Y-Z三向正交超声波取代传统的一维超声场，首创了三维超声场中金属材料的动态凝固新技术。

基于数值计算和实验测定，创新性提出采用 X,Y 和 Z 三束正交超声波调强化对凝固过程作用新思路。

当施加同频率和同功率的 X，Y和Z三维正交超声时，合金熔体中声压级显著提高，谐振状态的最大声压值和平均声能量密度分布相较于一维超声提高6.4倍和15倍，发生空化效应区域的体积分数也由 14%增加到70%。

同时，合金熔体中平均流速及其分布均匀性也明显提高。

并将三维超声凝固技术应用在Al基和Cu基偏晶合金中。

2. 基于三维超声场的谐振反馈控制技术，实现了"合金熔炼浇铸-高强超声处理-声场实时分析-动态凝固调控-超声化学合成"五方面功能高效集成和全过程数字控制。

自主设计并研制成功" 三维高强超声场中金属材料动态凝固实验系统"， 实现了"三维超声-声场检测-动态凝固-合成制备-实时分析"等五方面技术功能的高效集成，其主要研究功能包括：实现低、 中高温金属材料在三维超声场中的动态凝固过程，研究液态合金超声相变机理；实时定量监测凝固过程中合金熔体的波动特征、空化及声流效应；实现对凝固系统谐振状态的反馈控制，从而主动调控凝固组织形成过程，提高金属材料应用性能。

3. 突破了873-2273K高温液体中声场难以控制的关键技术与瓶颈，建立了高温合金熔体中三维超声能量高效导入和动态响应实时监控新技术。

在具有独立知识产权的"液态合金内空化噪声信号的精确检测技术"和"瞬态空化效应的精准表征方法"两项关键技术基础上，成功研制了高温声场传感与检测系统，该系统能够对温度为 273~2273K的高温合金熔体内部进行空化噪声场点、 线、面和三维空间分布的精确测定与同步实时瞬态空化噪声强度的定量表征。

4. 发将应用范围拓展至无机和高分子材料，实现了三维超声场中杂化材料合成和功能器件研制。

基于" 三维高强超声场中金属材料动态凝固实验系统"的研究基础，自主设计研制了具有曝气和空化检测功能的超声化学反应装置，发明了主动调控超声化学反应过程的新方法，解决了超声化学反应可控性差的难题。

在此基础上，揭示了空化效应引发的聚合反应动力学机理，实现了温度响应性聚合物 PNIPAm在氧化物和液态金属纳米颗粒表面的超声可控接枝；利用表界面处空化效应对金属氧/硫化物晶面的选择性吸附和基体间界面结合力的双重调控，优化设计并成功制备了电化学性能优异的金属氧/硫化物基自支撑电极。

所研制的金属材料三维超声动态凝固实验系统是我国首创，且拥有独立知识产权的大型金属材料超声凝固实验研究科学仪器。

作为高精尖的科学仪器，本项目已经应用于三维超声场中金属材料动态凝固理论研究，建立和发展了三维超声场中偏晶合金液相分离和包晶合金动态凝固理论模型。

在工程应用方面，制备了性能优异的Al基偏晶合金、Cu基复合材料以及各种无机和高分子杂化材料和功能器件。

同时，还作为面向社会大众的有效介质，对陕西省中小学和幼儿园小朋友进行科普教育。