第二节功能玻璃制备及设备.pptVIP

单辊法是在双辊法基础上，改进工艺，将熔体喷射到高速旋转的辊面上，在滚轮的外侧将熔体急冷，其装置如图6-12(c)所示。该方法工艺较容易控制，熔体喷射温度可控制在熔点以上的(10-200)℃/S；喷射压力为0.5～2kg/cm2(表压)；喷管与辊面的法线约成14o角；辊面线速度般为10～35m/s。当喷射时，喷嘴距离辊面应尽量小，最好小到与条带的厚度相近。辊子材料最好采用镀青铜，也可用不锈钢或滚珠钢。通常用石英管作为喷嘴，如熔化高熔点金属，则可采用氧化铝或碳、氮化硼管等。由于离心力作用，熔体与辊面的热接触不理想，因此，条带的厚度和表面状态不及上述方法。此法的冷却速度为106℃/s，若需制备活性元素，如Ti，Re等的合金条带，则整个过程应在真空或惰性气氛中进行。对工业化连续生产，辊子应通水冷却。条带的宽度可通过喷嘴的形状和尺寸来控制。若制备宽度小于2mm的条带，则喷嘴可用圆孔；若制备大于2mm的条带，则应采用圆孔、椭圆孔、长方孔或成排孔，如图6-13所示。条带的厚度与熔体的性质及工艺参数有关。 2.4 单辊法 单辊法喷嘴形状 根据传热机制，界面传热系数是一个重要参数，可达到106N／(m2·K)，可估算单辊法的固液界面前进速度约1m/s。冷却速度主要依赖于条带的厚度，见式(6-7)。一般情况下冷却速度可达(105～106)℃/s水平。 式中，v为冷却速度；h为界面传热系数；T为熔液温度；T0为辊轮温度；l为条带厚度；ρ为金属密度；c为金属比热容。 2.4 单辊法 该方法的装置如图6-13(d)所示，合金棒下端由电子束加热熔化，液滴接触到转动的辊面，随即被拉长，并凝固成丝或条带。该方法的优点是：不需要坩埚，从而避免了坩埚的污染；不存在喷嘴的孔型问题，适合于制备高熔点的台金条带。 2.5 悬滴纺丝法 熔体急冷法示意图 图6-14为雾化法的示意图。在亚音速范围内，克服液流低的切阻，变成雾化粉末。对高性能易氧化材料往往用氩气雾化法，但气体含量仍高，一般高温合金的含氧量在一二百个μg/g。冷却速度也不高，在（102~103）℃/s。粉末质量不高主要因为有较高的气孔率，密度较低，粉末颗粒有卫星组织，即大粉末颗粒上粘了小颗粒，使组织不一致，筛分困难，增加气体玷污。 3 雾化法 后来又发展氦气下强制对流离心雾化法，使冷却速度提高至105℃/s。在氦气下可比在氩气下获得大一个数量级的冷却速率。目前又发展到超声雾化法，它是采用速度为2~2.5马赫和频率为2×104~105Hz的脉冲超声氩气或氦气流直接冲击金属液流，从而获得超细的雾化粉末，其原理是利用一个带锥体喷嘴的Hartmann激波管，超声波在液体中的传播是以驻波形式进行的，在传播的同时，形成周期交替的压缩与稀疏，当稀疏时在液体中形成近乎真空的空腔，在压缩时空腔受压又急剧闭合，同时产生几百个MPa的冲击波，把熔液打碎。一般是频率愈大，液滴愈小，冷却速率可达105℃/S。 3 雾化法 3 雾化法 4 激光熔凝法 图6-15为激光熔凝法的示意图。这种技术是以很高能量密度的激光束(约l07W/cm2)在很短的时间内(10-3～10-12s)与金属交互作用，这样高的能量足以使金属表面局部区域很快加热到几千度以上，使之熔化甚至气化，随后借尚处于冷态的金属的吸热和传热作用，使很薄的表面熔化层又很快凝固，冷却速率可达(105～109)℃/s。以用脉冲固体激光器为例，当脉冲能量为10J，脉冲宽度为2～8ms时，峰值功率密度可达400～1700kW/cm2。若是2kW输出的连续激光器，功率密度可达70kW/cm2。新的方向是进一步缩短脉冲宽度至皮秒级。另外已有激光转镜扫描，使宽度达到20mm左右。 4 激光熔凝法 提高激光快速熔凝冷却速率的最重要两个因素是增大被吸收热流密度和缩短交互作用时间，用10-12s的激光脉冲快速熔凝，就能获得非晶硅，粗略地说，被吸收热流密度增加十倍或交互作用时间减小一百倍，都相当于使熔池深度减小十倍，凝固速率增加十倍，液相中温度梯度提高十倍和冷却速率提高一百倍。 4 激光熔凝法 如果激光吸收长度小于热扩散距离，则热源成为表面热源，冷却速率近似为： 式中，R*为激光到金属表面的反射率；I0为激光功率输出；αs为热扩散率；tρ为脉宽。如果激光吸收长度大于热扩散距离，此时忽略热扩散的作用，冷却速率近似为： 式中，α为吸收系数。 激光快速熔凝时，熔化表层愈薄，冷却速率愈大。被吸收功率密度愈高，冷却速率也愈大。 4 激光熔凝法 5 乳化液滴法 加大冷却速率的途径之一是加大过冷度。均质成核比非均质成核需要更大的过冷度，传统地认为最大过冷度为金属熔点绝对温度的20％左右，利用乳化液滴法可大幅度提高至30％～40％，并希望最大过冷度能达到金属熔点热力学温度的三分之二，图6-16为该方法的示意图