




已阅读5页,还剩116页未读, 继续免费阅读
版权说明:本文档由用户提供并上传,收益归属内容提供方,若内容存在侵权,请进行举报或认领
文档简介
学会和各种人愉快的相处,界面稳定性和组分过冷,涉及的物理基础研究界面稳定性应遵循的几个原则界面上能量守恒界面上溶质守恒界面温度的连续性tl=ts界面上温度与组分间的热力学关系,本章要点:组分过冷、界面稳定性,前言1界面稳定性的定性描述2产生组分过冷的临界条件3组分过热(熔化界面的稳定性)4界面稳定性的动力学理论5非平衡态下的晶体生长本章小结,本章内容,扬子晚报08/03/12,有效分凝系数生长速度温度,溶质分凝!“nature”!南师大!,前言,明贝壳上的纹理就像是树的年轮,不但是人们断定其确切年龄的依据,也使其成为记录环境变化的活标本。据介绍,明的贝壳只有在夏季才会生长。在水温较暖且食物充足的情况下,明的贝壳上每年都会长出厚度约为0.1毫米的一条纹理,其厚度取决于当时所处的环境。人们可以以此为据,了解当时海底的生态环境以及气候变化,建立北大西洋气候变化的详细图表。贝壳共有405条纹理,表明“明”已存活了405年。泰晤士报调侃说,在明成长初期,英国正处于伊丽莎白一世统治下,而文学大师莎士比亚正在写作他的温莎的风流娘们。,据泰晤士报报道,06年,英国的海洋科学家在大西洋北部的冰岛海底捕捞到34个存活的“明”。明是一种圆蛤类软体动物,因为其生长初期正好处于中国明代而得名。,长约为8.6厘米,长期以来,晶莹对称的雪花赢得了人们的赞赏和惊讶。在nakaya的“雪晶”一书中,汇集了大量的雪花照片,琳琅满目,令人爱不释手。翻阅金属学家为钢铁生长实践需要所编撰的金相图谱,我们也为冶金和金属热处理过程中所产生的千姿百态的显微组织所吸引,同时也体会到掌握这些形态演变的规律对生产实践的重要性。赏心悦目之余,探索这些形态中蕴含的科学规律之心便油然而生。,组分过冷1937年smialowski发现50年代chalmers提出组分过冷概念,界面稳定性理论1963年,mullinsandsekerka一直是晶体生长领域中的一个重要研究课题,界面稳定性理论1963年,mullinsandsekerka一直是晶体生长领域中的一个重要研究课题,界面稳定,界面失稳,用倾倒法获得的掺杂铝单晶的胞状界面,倾倒法:在生长过程中快速地将晶体和熔体分离,若凸缘是无规分布的,则胞状界面上的沟槽也是无规则的,胞状界面形成以后,在这样的界面向熔体中推进时所长成的晶体中,溶质的分布是很不均匀的。相应于网状沟槽所长成的晶体,其中的溶质浓集;而相应于胞之中心所长成的晶体,其中溶质贫乏。这种在晶体中由浓集的溶质所勾划出来的亚组织称为胞状组织。,韩国济州岛,胞状界面?,晶体生长中界面稳定与否涉及晶体生长过程能否人为控制;涉及长成后晶体中的溶质分布。只有平坦而且稳定的界面才能长出质量合格的晶体,在晶体生长过程中,在某些偶然因素的干扰下,在界面上长出某些凸缘,如果随着生长过程的延续,这些凸缘能自动消失,则界面是稳定的;如果随着生长过程的延续,这些偶然产生的凸缘越来越大,或是这些凸缘保持一稳定的尺寸,则界面是不稳定的。,界面稳定性是以宏观尺寸来度量的,界面起伏一般在10100微米;不直接涉及原子尺度界面的光滑、粗糙和成核动力学理论,组分过冷理论:溶质浓度对界面稳定性的影响界面稳定性的动力学理论:基于干扰方程,较为严格,研究界面稳定性应遵循的几个原则界面上能量守恒界面上溶质守恒界面温度的连续性tl=ts界面上温度与组分间的热力学关系,一、温度梯度对界面稳定性的影响,1界面稳定性的定性描述,假设:(1)固液界面原为一平面(2)固液界面的温度为凝固点tm,温度梯度为正:过热熔体稳定温度梯度为负:过冷熔体不稳定枝晶生长温度非单调变化:固液界面邻近为过冷区,远离固液界面的熔体仍为过热熔体不稳定胞状界面,一、温度梯度对界面稳定性的影响,二、浓度梯度对界面稳定性的影响,ko1m1?,思考题,三、过冷度与界面稳定性,过冷状态亚稳态,(1)亚稳区具有不平衡状态的特征,是物相在理论上不能稳定存在,而实际上却能稳定存在的区域;(2)在亚稳区内,不能自发产生新相。要产生新相,必然要越过亚稳区,这就是过冷却的原因;(3)在亚稳区内虽然不能自发产生新相,但是当有外来杂质存在时,或在外界能量影响下,也有可能在亚稳区内形成新相,此时使亚稳区缩小。,晶体生长所需的过冷度,非组分过冷!,过冷状态亚稳态:例1,fahrenheit:法国,温度计发明者,最先注意到这一现象当他还是一个吹玻璃的工人时,就知道水在一定的温度下要结冰。为了观察水的结晶,有一次,特地把玻璃瓶洗得非常干净,装满水并塞紧后,放在室外冻一夜。当次晨室外已是冰垂屋檐时,瓶中的清水依然如故。他极为惊讶,便将瓶塞打开,想弄清原由。象魔术师的奇遇一样,一刹间瓶中的水全部结成了冰针。,过冷状态亚稳态:例2,有一位英国结晶学家,甚至把过冷却的水杨酸苯酯液体放置了18年之久而未结晶。非常遗憾的是,当他要把这一珍品出示给听课的学生时,刚把它拿到讲台上,仅仅一点轻微振动,便全部结成了晶体。虽然大家有点失望,但却明白了一个道理:过冷态是一种亚稳态。处于过冷态的任何熔体,哪怕引入一点微小的晶粒、灰尘或发生振动,就会失去平衡,向稳态转化。,人工降雨:阴雨天的雨云就是过饱和水蒸气,若其中洒入agi微粒,则雨云中的水蒸气就会凝聚为水(或冰)。,碘化银和冰表面原子排列方式相似,失配度只有1.4%,二者间界面能很低,因而在云中播撒agi粉末可使水滴包复在agi粉末上而实现人工降雨。,例3:太阳系历险记凡尔纳,大家从古尔比岛迁到“温暖之乡”后,都希望加利亚海能尽快封冻,以便能从冰上到古尔比岛去天气虽然很冷,但大海尚未封冻。其原因主要是天空没有刮风,海水始终处于静止状态如果处于静止状态,气温即使降到零下一定温度,也不会结冰。但只要稍微改变一下这种状态,海水马上就可结冰。小尼娜把手来回摆了两次,使劲把冰块向海中扔去。冰块一落入平静的海水,大海中便产生了一种轻微的声响,并迅速地向茫茫天际扩张开去。整个加利亚海已全部冻上了!,当高温存在着一个不同于室温稳定的相,而激活能的数值够高时,则急速冷却的结果,这个高温相的结构可以保持下来,虽则在室温这个相是不稳定的。,一个原子从亚稳位置运动到稳定位置,需跨越势垒。跨越势垒的最小能量为q;在亚稳位置的原子数n每个原子为了要超越势垒而作的的振动频率这个原子所获得必要激活能q的概率,q:每原子的电子伏特,例4,在1000k时1秒钟内可以完成的反应,在室温则需要1020秒3x1012年!(3万亿年),过冷度与界面稳定性,3组分过热(熔化界面的稳定性),在纯物质的生长系统中,液相中的负温度梯度使平坦界面变得不稳定在纯物质的熔化系统中,固相中的正温度梯度使平坦界面不稳定(无组分过热时),稀溶液生长系统中,界面不稳定组分过冷稀固溶体的熔化系统中,熔化界面的不稳定组分过热,熔化界面的稳定,客观存在的自然现象晶体生长的工艺实践,温度梯度区熔法生长单晶时,其熔区的“前”界面是熔化界面,“后”界面是生长界面。如果熔化界面不稳定,就影响熔区形状,使长成的晶体中溶质分布不均匀。,熔化过程熔区为半无限大,熔化过程进行得无限缓慢溶质浓度:kov/l3x10m-1or0干扰振幅随时间按指数增加,界面不稳定;若f()0干扰振幅随时间按指数衰减,界面稳定。,在不同的生长条件下,f()有三种类型,分别由曲线1、2、3代表。特别值得注意的是曲线1:当干扰频率在o0不稳定,0稳定,界面稳定性动力学判别式,0稳定,即,由于表面张力的作用,界面对短波长的干扰是稳定的。,在ko很小时,掺铟的锡溶液系统,严格的动力学理论的临界曲线界面稳定区域扩大界面能及溶质沿面扩散对稳定性的贡献,0忽略界面能效应dl不考虑溶质沿界面“扩散不足”效应截距的大小与熔化潜热有关,2.高速区,若不考虑温度的效应得绝对稳定性判据,则不会出现失稳的区域,讨论快速运动界面反而是稳定的。当界面速率趋于一极限值后与正值温度梯度大小无关,由绝对稳定性判据控制表面张力效应当界面速率甚高时,导致扩散长度的大幅下降。此时液相中横向溶质扩散所起得作用减少。干扰引起的突缘将导致表面积大增,表面张力足以使平界面保持稳定。,七、对流的作用,上述理论处理中忽略了流体对流所起的作用,熔体稳定性的判据对流,1.自然对流,2.强迫对流,瑞利数超过临界值不稳定对流温度振荡干扰生长界面的稳定性生长条纹光学均匀性,减小的办法:温度梯度控制、尺寸控制、用强迫对流来控制自然对流、导电流体加磁场,雷诺数超过临界值晶体生长不稳定,晶体生长允许的最大旋转速度:rc/d2,spontaneoustemperaturefluctuationsinthemeltduetothermalconvectioncauseastriationwhichmarksthepositionoftheinterfaceandshowsthedeparturefromtheplanaritywhenneartoconstitutionalsupercooling.,铌酸锂晶体中的生长条纹界面失稳,两种不同形式的干扰,准驻波形式,准行波形式,界面失稳欣赏,例1,alongitudinalcross-sectionofagesinglecrystal(gadoped)growninthe(111)directionat8.75msec-1and26rpm.oscillationsofthegrowthinterfaceareclearlyvisiblewithawavelengthof50mandaphasevelocityofapprox.11msec-1.,界面失稳欣赏,例2,semimagesofunstablestep-flowobservedduring(a)growthat880ocand(b)sublimationat1050oc.,界面失稳欣赏,生长台阶的失稳,例3,5非平衡态下的晶体生长,当材料在远离平衡条件下生长时,其生长形态往往呈树枝状。对于这些类似树枝的形态,人们根据希腊语“树”(dendron)的拼写,起了个名字dendrite,中文翻译为枝晶。
温馨提示
- 1. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
- 2. 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等,如果需要附件,请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
- 3. 本站RAR压缩包中若带图纸,网页内容里面会有图纸预览,若没有图纸预览就没有图纸。
- 4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
- 5. 人人文库网仅提供信息存储空间,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑,并不能对任何下载内容负责。
- 6. 下载文件中如有侵权或不适当内容,请与我们联系,我们立即纠正。
- 7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
最新文档
- GB/T 3871.3-2025农业拖拉机试验规程第3部分:动力输出轴功率试验
- 2025至2030全球及中国宽带网络行业发展研究与产业战略规划分析评估报告
- 2022-2027年中国轨道交通信息系统行业发展监测及投资战略研究报告
- 广西壮族自治区南宁市天桃实验学校2025届数学九上期末达标测试试题含解析
- 甘肃政法大学《自然社会科学基础》2023-2024学年第一学期期末试卷
- 搓炮机项目投资可行性研究分析报告(2024-2030版)
- 2021-2026年中国上海市住房租赁市场深度分析及投资战略咨询报告
- 2025年诊断用药项目调研分析报告
- 2025年中国有刷电动车控制器行业市场发展前景及发展趋势与投资战略研究报告
- 中国超高速左右平开门行业市场发展前景及发展趋势与投资战略研究报告(2024-2030)
- SL-T+62-2020水工建筑物水泥灌浆施工技术规范
- 人民军队优良传统附有答案
- DL-T5199-2019水电水利工程混凝土防渗墙施工规范
- 浅析电商短视频平台发展的问题及与对策-以抖音为例
- 2024-2030年中国移动式排污泵行业市场深度分析及投资战略研究报告
- 北师大版 2024-2025学年四年级数学上册典型例题系列第三单元:促销问题与“买几送几”专项练习(原卷版+解析)
- 太子参在免疫调节研究中的应用研究
- 少先队辅导员技能大赛试卷答案
- 智能船舶与海洋工程:物联网在船舶与海洋工程中的应用
- T-ZNZ 156-2023 莲鳖生态共育技术规范
- 甲状腺癌的超声诊断
评论
0/150
提交评论