《材料科学基础教学资料》第五章.ppt

第五章 金属材料的  结构特征 （2）液-固界面的构造 晶体长大的形态与液、固两相的界面结构有关。 通常相界面的结构有两种：粗糙界面 光滑界面 在光滑界面以上为液相，以下为固相，固相的表面为基本完整的原子密排面，液、固两相截然分开，所以从微观上看是光滑的，但是在宏观上它往往由于不同位向的小平面所组成，呈折线形状，所以也称小平面界面。 粗糙界面：液、固两相之间在微观上呈高低不平的状态，存在着几个原子层厚度的过渡层，过渡层中的半数以上的位置为固相原子所占据。由于过渡层很薄，所以，宏观上界面是比较平整的，没有曲折的感觉。 杰克逊提出了粗糙及光滑界面的定量模型 决定形成粗糙或光滑界面结构的主要因素是： （1）质点生长过程中优先选择具有最低界面能的低指数密排面生长； （2）与界面上可被原子占据的位置数的多少有关；（这点又取决于物质的构造，如配位数、结晶的取向因子等） （3）与界面能的变化大小有关。 关键问题：界面能的变化 (4) 液-固界面的Jackson模型 ◇固液界面为几个原子厚度的层 ◇设该层内占据晶体位置的原子分数x ◇Jackson推导出固相向液向推进时,界面自由能变化ΔGs与x的关系: 其中NT是晶体在界面上可排列原子位置的数量 Tm是晶体的熔点 k是玻尔茨曼常数 ΔSm为熔化熵, ξ=η/ν,η为界面原子平均配位数 ν为晶体配位数, 所以ξ＜1 Jackson因子 ◇界面构造判据 ◆界面构造将取界面自由能ΔGs最低的状态 ◆界面给定分数x的原子将均匀在界面分布 ◇不同α值的界面自由能ΔGs与原子占据界面晶体位置分数x的曲线见图 ◇曲线分析 当α≤2时有一个自由能ΔGs最小值 当α＞2时有两个自由能ΔGs最小值 （1）对于α≤2的曲线，在X＝0.5处界面能具有极小值，这表明界面的平衡结构应该有约一半的原子的原子被固相原子占据而另一半位置空闲着，这是一种典型的微观粗糙界面； （2）对于α ＞2时，曲线有两个最小值，分别位于X接近0处和接近1处，说明界面的平衡结构应该是只有少数几个原子位置被占据，或者说绝大部分原子的位置被固相原子占据，界面基本上为完整的平面，这是典型的光滑界面。 ◇对于大多金属和一些化合物 α≤2（熔化熵较小） 当x=0.5时,自由能ΔGs有最小值 所以，界面构造将取x=0.5时的状态 即在几个原子的界面层内，晶体原子和液态原子各占50% 此为微观粗糙界面构造 ◇对于多数无机化合物和一些有机高分子材料 α≥5 （熔化熵较高的材料） 当x接近0和1时，有两个自由能ΔGs有最小值 x接近1表示，原子全部基本将晶体表面位置均匀占据 x接近0表示，很少量原子占据晶体表面位置，晶体界面基本平整 两种情况均为微观光滑界面构造 ◇类金属和半导体材料（铋，锑，镓、锗和硅） 2＜α＜5 界于粗糙界面和光滑界面之间的过渡状态 2.晶体长大机制 晶体的长大机制也称长大方式，是指晶体结晶过程中晶体界面 向液相推移的方式。它与液固界面的微观结构有关。 方式：连续长大（垂直生长）、二维成核（横向生长）、螺型位错 （1）粗糙界面的连续长大（垂直生长） ◇不断有液态原子就位晶体位置(不再游离) ◇但任一时刻，仍然占据晶体位置原子基本保持50% 　结果是界面向垂直界面的方向长大（垂直长大 ） ◇长大过程需要动态过冷度ΔTk，， 使继续结晶后自由能下降，作为继续晶体长大的驱动力 ◇长大过程的过冷却度与形核时的过冷却度不同： （1）形核过冷度用来克服形核功 （2）长大过程过冷度用来克服原子扩散激活能　 ◇称液/固界面移动时的过冷度为动态过冷度ΔTk ◇对于大多数金属长大，需要动态过冷度很小 ◇金属的生长速率与过冷度成正比 　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　ｕ１为比例常数 　 ◇金属的比例常数ｕ１较大，小的ΔT，长大速度已很大 　比如10度过冷却时，每秒长大100mm 连续长大： 主要发生在粗糙界面上。 在晶体的生长过程中为力求始终保持其一定的粗糙度以维持其界面能的最低，界面上通常有较多的位置是空着的，容易随机地接受由液相迁移到界面上的原子而不破坏界面的粗糙度。 这种生长机制的特点是连续垂直生长的，此外，对大多数的金属如进行的是连续长大机制，则其相界面处生长的动态过冷度都是比较小的，因此，连续长大机理的平均生长速率可以视为与