华南师范大学材料科学与工程教程第六章 材料的凝固与气相沉积二.ppt

* * 易于形成非晶态的氧化物所具备的条件(一种总结）： ①价键：正离子的原子价不得小于3； ②正离子形态：正离子在氧离子所包围的多面体中，正离子尺寸越小，越易形成非晶态 ③正离子的电负性，在1.5-2.5之间 ④价键、结构：以共价键为主，比较空旷不紧密地网状结构 非晶态材料研究的意义： 材料呈非晶态后具有一些特殊的物理化学性能 金属玻璃 非晶Si、Ge Se基非晶材料 * * 2、常用材料的非晶态 非晶态材料的特点 材料固有属性，例如：氧化物玻璃、热固性塑料 特殊条件下形成，例如：合金 可以与晶态相互转变，例如：微晶玻璃 玻璃的结构与冷凝 高分材料的晶态与非晶态 请大家自学 * * 八、材料的气-固转变 1、凝聚-蒸发的平衡 固体与蒸汽的平衡压力问题 原子蒸发时按照理想气体看待，其平均运动速度： v=(3kT/m)1/2 pe=2J mv=2J (3mkT)1/2 平衡压力： 分子流量： Jv 离开表面 Jc 凝聚在表面 蒸发 或凝聚的驱动力？ * * 蒸发-凝固过程 小平台 台阶 小平台 扭折 固体表面原子蒸发过程 ①原子离开扭折位置沿台阶运动； ②当原子具有更高能量时，不再依靠台阶存在，运动到小平台上成为被吸附的原子； ③吸附原子在固体表面上扩散； ④吸附原子离开表面进入气相(决定蒸发速率的关键）！ 凝聚过程按上述步骤以相反的顺序进行 蒸发过程 改变压力，也就改变了气体的流量，这直接影响到吸附速率和凝聚速率。蒸发系数约为1；在固体表面没有台阶的情况下几乎为零。 * * 蒸发过程中能量的变化： 升华热=熔化热+蒸发热 决定因素：结合键的强弱和晶面结构！ （ε为原子键的结合强度） 原子键被破坏，则形成表面能！ * * 2、蒸发 1）物理气相沉积（PVD） 固体材料加热到高温，表面原子蒸发后又沉积到某种材料的基体上形成薄膜的一种方法，制备过程中没有化学反应参与，纯属物理变化过程！ 蒸发速率影响因素： 蒸气压必须在10-5 atm左右； 高温 1bar=1000mbar 1KPa=10mbar 1大气压=14.5PSI 1大气压=1公斤(Kgf/cm2)=760mmHg 1大气压=100KPa=0.1MPa 1KPa=1000Pa 1MPa=1000KPa 杂质，改变蒸发系数αv，降低蒸发率，可影响蒸发过程四个步骤的任一阶段！ 例如：灯泡中充入氮气降低钨丝的蒸发速率 Pounds per square inch * * 2）化学气相沉积（CVD） 材料表面的原子通过化学反应而进入气相！ 半导体生产： 优点： 1）反应和操作温度低 2) 沉积速度快，易于调节 3）可以实现几种元素构成的薄膜层 * * 3、凝聚 气相转变为固体时的两种方式 转变驱动力△p比较大，气固转变表现为只是简单地将原子添加到固体表面上； △p比较小，驱动力小，在基底表面上新相有一个形核与长大过程； 晶体的外延生长：在单晶衬底（基片）上生长一层有与衬底晶向相同的单晶层，犹如原来的晶体向外延伸了一段， * * 薄膜生长三种模式 浸润性差 浸润性好 1、均匀形核中液态凝固的驱动力；临界晶核尺寸、临界形核功、形核功与临界晶核表面积的关系（用公式描述）。 2、均匀形核中形成稳定晶核所需要的条件； 3、非均匀形核功与临界晶核尺寸（用公式描述） 4、材料的熔化熵与晶体生长的类型关系；连续生长与树枝状生长的条件及特点[例如：连续生长的方式最终晶面特点] 5、平衡分配系数的概念及各参数的含义，合金凝固三种情况的溶质分布曲线； 6、成分过冷概念及影响因素；结合晶体生长方式与成份过冷总结枝晶形成条件； 7、铸锭或铸件凝固组织分布及其简单的形成机制； 8、偏析概念及分类原则，了解一下“锡汗”，并能根据相图判断合金性能； 本章要求 第六章 凝固 P275 ——7、8 本章作业 * * 第六章 材料的凝固与气相沉积（二） * * 三、固溶体合金的凝固 1、合金凝固的三种典型情况 1）平衡凝固 平衡分配系数k0 仅与合金相图本身的特性有关； 加入成分降低熔点，则k0 1;反之则 k0 1 k0x0 x0 x0/k0 T1 T2 T3 xL 固液界面 平衡分配系数 成分变化 若直线斜率为正，则k01,若斜率为负则k0 1 无论如何，液-固界面处固相液相的成分符合平衡分配系数 * * * * 固体 液体 x k0x0 x0 x0/k0 T1 T2 T3 xL 热 自左向右定向凝固 X x0 xs xL T1：开始结晶出的固相成分为k0x0 T2：最初液固界面处平衡浓度分别是xL，xs,随后通过扩散使成分均匀！ T3：固体整体成分达到合金成分x0，凝固结束 在T2时固相、液相整体成分达到XS和XL时建立平衡 平衡凝固特点？ * * 平衡凝固特点： ① 液相中溶质原子通过迁移而