4.纯晶体的凝固.ppt

* 2.光滑界面 特征： ?界面平整，空位极少； ?厚度为一个原子厚； ?与液相明显分隔。 宏观上： 这类界面是曲折、锯齿形的， 光滑界面又称为小平面界面、平整型界面。 亚金属、无机化合物结晶时出现这类界面。 三.晶体长大机制 晶体长大（界面迁移）机制有连续长大、二维形核横向长大、借助缺陷（螺型位错）长大三种方式。 1.连续长大(均匀长大) 也称正常长大，适用于粗糙型界面的长大过程。 通过原子不断地进入粗糙界面的空位长大； 这种长大方式比较容易实现； 本教材中称为垂直长大。 长大速率与过冷度成正比： 金属的凝固多属于这种情况。 K 约为100cm/s?K数量级， 很小的动力学过冷就可获得较高的生长速率。 2.二维形核横向长大 适于微观光滑界面。 涉及二维晶核的形成与长大。 晶体表面形成原子厚度的二维晶核， 液相原子附着在二维晶核的侧壁上， 二维晶核横向长大，直至铺满整个原子层，然后重复这一过程。 形核困难， 在相当大的过冷度下才可能以这种方式长大。 3.借助缺陷（螺型位错）的长大 螺型位错在晶体表面产生螺旋的突壁， 原子很容易进入螺旋突壁侧面， 这种侧向长大不会使螺旋面消失， 晶体不断地沿螺旋面长大。 长大速率： 银从其蒸气长大在立方面上观察到的沿螺位错露头出现的螺旋线。 4.界面过冷度、长大速率与长大机制的关系 四.晶体长大的形态 取决于液固界面前沿液体中的温度分布。 1.液固界面前沿液相的温度分布 正温度梯度： 界面处温度低， 液相内温度高， 靠近界面的液体出现过冷。 负温度梯度： 界面处温度高，液相内温度低，液体都处于过冷状态。 2.正温度梯度下的长大形态 粗糙界面：平面状生长，界面与等温面平行。 光滑界面：折线（台阶）状生长，前端与等温 面平行，折线小平面呈一定角度。 原因：界面局部凸起遇到高温将减缓长大，其 它部位会赶上。 粗糙界面 光滑界面 散热：固液都可散热。 粗糙界面：树枝状长大。 晶体以树枝状向液相生长，并不断分枝发展。 原因: 过冷度与离开界面的距离成正比，界面上凸起能长大。 方式：一次晶轴?二次晶轴?三次晶轴????? 3.负温度梯度下的长大形态 高纯金属: 结晶后枝间被金属充满，整体上 看不出明显的枝晶。 不纯金属:最后凝固的枝间杂质多,枝晶明显。 锑凝固后枝晶组织 光滑界面：具有一定树枝长大倾向，但不明显。 大部分仍是折线（台阶）状长大形态。 4.4 凝固理论的应用举例 材料的晶粒大小对性能影响显著，材料强度、塑性和韧性都随晶粒细化而提高，因此获得细小晶粒对材料来说意义重大。 1.影响晶粒大小的因素 凝固后, 单位体积中晶粒的数目NV 一.凝固后的晶粒大小及细化途径 其中，N为形核率，?g为长大速度。 ? 可知：N越大、?越小，凝固后晶粒数越多，也即晶粒越细小。 ? 实际上,形核率的作用更大,而且可人为改变，因此往往通过增加形核率来细化晶粒。 2.细化晶粒的途径 增加过冷度 与?T关系: ?g与?T关系: 或 ?T增加时， 快速增加，且速度大于?g。 所以，凝固时加大冷却速度(即增加过冷度)，能够达到细化晶粒目的。 N ? N ? 孕育(变质)处理 利用非均匀形核的原理，在熔液凝固前人为加入作为非均匀形核基底的形核剂，以此提高形核率及细化晶粒。 人为加入的形核剂称为孕育(变质)剂，这种方法称为孕育(变质)处理。对不同材料使用的孕育剂不同。 无变质处理 经变质处理 Al合金凝固件 较低的浇铸温度 浇铸温度高通常得到粗大晶粒。 对液体振动 机械振动、电磁搅拌、超声波振动等； 振动使树枝细晶破碎, 成为晶核, 增加了形核率。 二.单晶材料的制备 单晶材料大多是功能材料，应用广泛： 半导体材料、光学材料、声学材料等 研究材料的特征结构与行为 制备原理：通过制备参数控制，仅使一个晶核形成并长大。 1.直拉法 利用籽晶从熔体拉出单晶的方法。 将原料装在坩蜗内加热熔化。将一个切成特定晶向的细单晶（称为籽晶）的端部，浸入溶体并使其略有熔化。然后，控制温度，缓慢地将籽晶垂直提升，拉出的液体固化为单晶（晶体生长过程）。 可制备材料：Si、Ge、GaAs、GaP、InP、各种宝石、钇铝石榴石、尖晶石, 以及某些碱金属和碱土金属的卤化物等的单晶。 优点：可制备大尺寸单晶(目前工业上Si单晶已做到12吋直径)。 直拉法晶体 生长示意图 直拉法的基本过程： 1.原料准备 2.原料熔化 3.引晶缩颈方肩 4.等颈生长收尾 5.取出晶体 2.尖端形核法 将原料放入一个尖底的坩 埚模子中； 置入加热器中加入熔化； 缓慢降低熔体坩埚； 尖底底部的液体首先过冷， 如控制好凝固条件，就可只 形