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微重力（太空失重）下的材料固化与加工(3) （4）新型材料加工工艺 利用液态金属在微重力下的特殊性质，可开发新型材料加工工艺，制作出新型制品。 ① 扩展铸造工艺 将液态金属送至特制的铸型表面，通过液体的润湿使其扩展到铸型的表面和弯曲处，待冷却后，可在第一层金属表面涂挂第二层金属，由此可制作不同材料、任意形状、任意层次、多层结构的精密复合材料铸件，这种铸件具有耐磨、耐蚀等优异的力学性能和物理化学性能。 （4）新型材料加工工艺(续） ② 空间拉拔成型工艺 在地面上生产金属丝、金属箔和金属板材，通常需要轧制和拉拔工艺。在微重力条件下，利用液体金属表面张力和内聚力的特殊性质，可把液体金属直接拉制成细金属丝或薄带而不会拉断。这些制品的组织均匀、厚度和直径尺寸也很均匀，在功能元件方面有广泛的用途。 ③ 空间钎焊工艺 在空间进行的焊接实验表明，空间钎焊工艺远优于地面，它具有异乎寻常的间隙充填能力，这与微重力条件下润湿和毛细管现象的加剧有密切关系。 小结 （1） 材料从液态转变为固态的过程统称为固化。对金属材料而言，该过程称为凝固，由于固态金属是晶体，故又把金属的凝固过程称为结晶。根据材料固化过程中其流动性和其他物理性能变化的特点，有两种不同的固化反应，即第1类固化反应和第2类固化反应。不同材料所发生的固化反应随着固化条件不同可以改变。 液态金属的结构与固态金属接近。液态金属中存在着无数微小的有序、规则排列的原子集团，形成结构上的起伏，为金属结晶提供了结构条件。金属结晶过程实质上是由不稳定的具有近程有序排列原子集团的液态结构转变为稳定的长程（远程）有序的晶体结构的过程。 小结 （2） 液态金属结晶存在过冷现象，实际结晶温度与理论结晶温度之差ΔT = Tm - Tn 称为过冷度。过冷是金属结晶的必要条件。结晶还需要满足热力学条件，当T＜Tm 时，液相和固相的自由焓差值ΔG = Gs -GL＜0即为液相向固相转变的驱动力，也是结晶的热力学条件。 在一定过冷度下的金属结晶过程,包括形核和晶核长大两个基本过程，是不断形核不断长大的过程。结晶后的固态金属一般由等轴晶粒所组成的多晶体金属。 小结 （3） 金属结晶时的形核有均匀形核和非均匀形核两种方式。均匀形核需要一定的尺寸条件（结构条件）和能量条件，而这些条件均与过冷度有关。r＜r*的原子集团不能在液相中稳定存在，只能溶解而消失，而r＞r*的原子集团可以稳定存在，作为晶核而长大。当形成r=r*的原子集团，体积自由焓降低只能补偿界面能的2/3，尚有1/3界面能需依靠能量起伏供给，要成核长大必须从外界取得形核功方有可能。过冷度的影响是：过冷度愈大，临界晶核半径愈小，形核功也愈小，形核就更为容易；只有当ΔT ≥ΔT*时，rmax≥r*，晶核才能形成。总之，只有在一定过冷度下，依靠能量起伏提供形核功以全部补偿界面能，使系统自由焓降低，满足ΔG＜0的热力学条件，依靠结构起伏提供大小为r*的近程有序的原子集团，便可以形成固相的稳定晶核。均匀形核的过冷度一般为0.2Tm，而非均匀形核的过冷度一般为0.02Tm，即非均匀形核比较容易，这是因为：非均匀形核的临界晶核半径虽与均匀形核的相同，但其晶核的体积仅是半径r*的球冠部分，显然是很小的；非均匀形核的形核功与接触角θ密切相关，一般0＜θ＜180°时，ΔG*非＜ΔG*。总之，非均匀形核也需结构起伏和能量起伏，所不同的是非均匀形核时晶核体积小，所需形核功小，即ΔG*非＜ΔG*，因此形核较容易，在较小过冷度下即可形核。 小结 （4） 晶核长大的条件是：当界面温度Ti＜Tm，熔化速度＜凝固速度时，即只有液固界面取得动态过冷度，晶核才能长大。晶体的微观长大方式与液-固界面结构有密切关系：粗糙界面为垂直长大，而光滑界面的微观长大方式可有二维晶核长大和依靠晶体缺陷长大两种机制。晶核的宏观长大形态取决于界面前沿液体中的温度分布：在正温度梯度下，晶体以平界面方式向液体推移长大；在负温度梯度条件下，晶体以树枝状方式长大。 典型的铸锭组织可分为三区，即紧靠模壁的铸锭外表面和底部的细晶区、垂直模壁表面生长的柱状晶区和铸锭心部的等轴晶区。三区组织的形成与形核和长大的条件有关。 小结 （5） 高聚物固化过程与金属凝固过程相比具有完全不同的特点。有结晶倾向的聚合物由高温液态（熔体）以非常慢、快冷和中等冷速等三种不同的冷速冷却时，可得到三种固态聚合物：晶态聚合物、具有硬、脆特性的非晶态聚合物和由非晶态基体与分散于基体上的微晶两相构成的组织。聚合物的结晶不完全性，通常用结晶度来表示。晶区所占有的质量百分数即为结晶度。一般结晶度在10% - 60%范围，极少数可达到85%。聚合物结晶在玻璃化温度T