东南大学考研专用材料科学基础第4章-凝固全 课件

东南大学考研专用材料科学基础第4章-凝固全掌握凝固过程，理解材料科学核心理论目录凝固基本概念01液态结构与性质02凝固过程物理机制03单晶与多晶形成04非晶态物质05凝固过程控制与优化0601凝固基本概念定义与分类凝固定义凝固是指物质在温度降低时从液态变为固态的过程。这一过程通常伴随着热量的释放，且发生相变的温度被称为凝固点。常见物质大多可以在低温下发生凝固，但氦气例外，常压下即使在绝对零度也不凝固，需加压才能实现。非晶态材料非晶态材料是一类没有长程有序结构的固体材料。它们通常通过快速冷却液态合金或玻璃等物质而形成。非晶态材料由于其独特的结构和性能，在许多应用中具有重要价值，如高强度和高硬度等。晶态材料晶态材料具有明确的晶体结构，其中原子或分子按照规则的排列方式排布。常见的晶态材料包括金属、陶瓷和大多数有机化合物。这些材料通常表现出各向异性，即在不同方向上具有不同的物理和机械性质。准晶态材料准晶态材料介于晶态和非晶态之间，拥有短程有序和长程无序的结构特点。准晶态材料的形成通常与某些特定的制备工艺相关，如快速冷却、机械球磨等。这类材料在某些条件下表现出类似于晶体的物理性质，但在整体上又显示出非晶态的特征。凝固驱动力04030102热力学驱动力热力学驱动力是凝固过程中的主要驱动力，通过吉布斯自由能的变化判断。吉布斯自由能的降低表明系统趋向于更稳定的状态，即固态，这促使液态物质发生凝固。动力学驱动力动力学驱动力涉及形核和生长速率，通过提供能量起伏帮助原子克服能垒。较高的过冷度可以增加驱动力，使金属的凝固速度加快，从而影响凝固过程的效率。相变驱动力相变驱动力与固液两相的热焓差和熵差相关。固相和液相的热焓差越大，熵差越小，驱动力越强，推动液态物质向固态转变，实现有效的固液转换。表面张力作用表面张力在凝固过程中起到重要作用，影响形核和晶体生长。较高的表面张力会减小液滴半径，增加形核功，从而增加凝固驱动力，提升结晶质量。凝固热力学条件01自由能变化晶体凝固过程中，自由能的变化是热力学条件的核心。根据热力学理论，只有当自由能的变化大于零时，才能发生凝固。自由能的变化与过冷度密切相关，过冷度是指实际温度与熔点温度之差。02形核过程形核是凝固的初始阶段，指液相中出现微小且稳定的固相颗粒。形核分为均匀形核和非均匀形核，前者在液相中均匀分布，后者在界面或其他非均匀位置发生。形核的根本目的是降低系统的自由能。能量守恒03在凝固过程中，能量需要守恒，即系统在无外界能量输入的情况下，能量应处于平衡状态。这决定了凝固过程中温度场的分布和变化，是热力学条件的重要基础。04过冷度与临界形核半径过冷度是影响形核的重要因素。当实际温度低于熔点时，体系处于过冷状态，此时自由能降低，有利于形核。临界形核半径公式用于描述形核过程中固相核心的最小尺寸，表面能和单位体积自由能变化均对此有影响。05快速凝固热力学条件快速凝固过程中，热力学条件更为复杂。亚稳平衡、界面平衡等现象均需考虑。通过热力学计算和数值模拟，可以精确控制快速凝固过程中的温度条件，实现扩散和无溶质分凝的效果。02液态结构与性质液态金属结构特点01液态金属原子结构液态金属由游动的原子团构成，这些原子在液体内部进行随机运动。由于原子间的相互作用力较弱，液态金属的结构较为松散，表现出较高的流动性。02能量与结构起伏液态金属的能量和结构呈现出不稳定性，即能量起伏和结构起伏。这种不稳定性导致液态金属在冷却过程中容易发生相变，从而影响其最终的组织结构和性能。03高塑性与高强度特点液态金属具有优异的塑性和高强度，能够在成型过程中承受较大的变形而不断裂。这一特性使其在制造过程中具有极高的适应性和灵活性，适用于各种复杂形状的加工。04低熔点与高屈服强度液态金属通常具有较低的熔点，这使得它们在加热时能够迅速熔化，便于铸造和注射成型等工艺操作。同时，液态金属还展现出高屈服强度，意味着在成型过程中需要较小的压力即可成形。05抗腐蚀与耐磨性能液态金属通常具有良好的抗腐蚀性和耐磨性，能够在恶劣的工作环境条件下保持稳定的性能。这一特性使其在航空航天、汽车制造等领域具有广泛的应用前景。过冷度及其影响01020304过冷度定义过冷度是指材料在凝固过程中，实际温度低于其平衡凝固温度的温差。这个温差影响材料的组织结构和性能，如提高强度和改善晶粒细化等。过冷度对组织的影响过冷度的增加会导致材料内部能量的不均匀分布，从而促进晶粒细化和第二相的析出。这有助于提升材料的力学性能和耐腐蚀性，但过度的过冷度可能导致材料内部应力增加。过冷度对性能的影响过冷度直接影响材料的微观结构和宏观性能。适当的过冷度可以显著提高材料的表面硬度、耐磨性及抗腐蚀性，而过高的过冷度则可能导致材料脆性的增加和内部应力集中。控制过冷度方法通过调整冷却速度、改变保温时间或优化工艺参数可以有效控制过冷度。采用快速冷却技术和低热传导率材料可以减小过冷度，进而改善材料的最终性能。动态过冷度动态过冷度定义动态过冷度是指液－固界面的温度低于熔点一定程度时，固相界面上原子向液相中跳动的几率小于液相中原子向固相界面上跳动的几率。这种过冷状态促使晶核表面推进，影响晶体的长大速度和形貌。动态过冷度影响因素动态过冷度的影响因素包括冷却速率、溶质浓度和晶体结构。冷却速率越快，溶质浓度越高，晶体结构越复杂，动态过冷度越大，对晶体生长的控制作用也越强。动态过冷度与晶体长大速度关系动态过冷度直接影响晶体的长大速度。较高的动态过冷度下，晶体生长速度较慢，因为原子在固相表面的扩散受到抑制，从而减缓了晶体的生长速率。动态过冷度控制方法通过控制冷却速率、调整溶液成分和改变处理工艺可以调节动态过冷度。例如，快速冷却可以减少溶质在固相中的扩散，增加过冷度；添加异质形核剂可以降低结晶温度，提高过冷度。03凝固过程物理机制形核与晶体生长形核机制形核是指晶体开始生长的过程，通常分为均匀形核和非均匀形核。均匀形核指在液相中所有区域形成晶核的几率相同，而非均匀形核则在某些特定区域优先形成。临界形核半径形核过程中，熔体中的新相需要跨越一个临界半径才能稳定存在并继续生长。这个临界半径与形核功和能量barrier有关，是控制晶体形核速率的关键参数。形核率计算形核率是指在一定时间内单位体积内形成的晶核数，计算公式为N=K×exp(-ΔG*/KT)×exp(-Q/KT)。该公式考虑了能量barrier和形核功对形核率的影响，用于预测和调控晶体生长。生长方式晶体生长方式主要有自发生长、强制生长和外延生长等。每种方式都有其特定的应用和优势，如外延生长常用于单晶硅的制备，而强制生长则适用于快速工业规模化生产。超快激光调控超快激光技术因其热影响区域小、适用材料范围广等特点，在调控晶体形核与生长方面具有独特优势。主要应用包括超快激光诱导结晶形核、控制晶体生长过程及晶面图案化加工。界面能与系统自由能04010302界面能定义与计算界面能在材料科学中指不同相之间由于原子排列不规律而产生的能量增加。计算公式为γ=ΔG/A，其中ΔG是系统自由能的增加量，A为界面面积。界面能影响因素界面能主要受到界面结构、温度、成分和外界条件如压力和电磁场的影响。例如，晶界能的存在是由于晶粒间原子排列的不规则性导致的能量升高。系统自由能定义与计算系统自由能是在恒温恒压条件下增加单位系统内能的增量。对于多相系统，自由能包括各相之间的交互作用能及表面能的贡献。计算公式为G=G0+Aγ，其中G0是无界面时的系统自由能，Aγ是单位面积的自由能。系统自由能影响因素系统自由能受温度、压力、浓度梯度和相变等因素的影响。高温通常降低系统自由能，而相变过程中，系统自由能会伴随体积和熵的变化出现波动。非均匀形核及其影响因素非均匀形核定义非均匀形核指的是在母相基体中某些区域择优地形成晶核，而在其他区域则不形成或较少形成晶核的现象。这种不均匀性使得材料内部结构具有各向异性。影响非均匀形核因素非均匀形核主要受到过冷度和固态杂质的影响。过冷度越大，形核功越小，越有利于非均匀形核的发生；而固态杂质的存在改变了液体的物理状态，促进了非均匀形核的形成。点阵匹配原理点阵匹配原理是解释非均匀形核的重要理论之一，它指出当晶核与母相基体的点阵结构相似且尺寸相当时，界面会起到催化作用，促进非均匀形核的发生。铸锭三晶区形成原因铸锭过程中常出现三个不同区域的晶体结构，称为铸锭三晶区。这三个区域分别由不同的形核机制控制，导致材料内部存在复杂的晶体结构和各向异性。04单晶与多晶形成单晶生长条件温度控制单晶生长过程中，温度是关键因素。通常需要精确控制晶体生长环境的温度，以确保原子或分子按照特定排列方式形成规则的周期结构。温度梯度和冷却速率会影响晶体的质量与完整性。溶液饱和度单晶生长对溶剂中的溶质饱和度有严格要求。当溶质在溶剂中的溶解度达到饱和状态时，会析出形成晶体。了解溶质在溶剂中的溶解度及其随温度的变化关系对于单晶的形成至关重要。基底材料基底材料的表面性质对单晶生长影响显著。基底需具有高平整性和清洁性，以提供均匀且稳定的晶体生长环境。此外，基底材料的热导率和化学稳定性也是重要考虑因素。时间因素单晶生长是一个缓慢的过程，需要足够的生长时间来确保晶体的完整性和高质量。过快的生长速率会导致晶体缺陷增多，而过慢则可能导致晶体生长不均匀。因此，合理的生长时间控制至关重要。多晶形成原因温度变化温度是影响多晶形成的主要外部条件之一。当材料处于不同的温度区间时，其晶体结构可能发生变化，导致多晶的形成。这种转变通常在相变过程中发生，如固液相变和固气相变。压力的变化可以引起材料的晶体结构改变，从而产生多晶。例如，高压下某些金属会发生结构相变，形成不同的晶体结构。这种物理过程在地球深处的地质条件下尤为常见。压力变化材料化学成分的改变会直接影响其晶体结构和性质，进而导致多晶的形成。不同组成的合金或化合物在冷却过程中可能表现出不同的晶体形态，这是材料科学中研究的重要方向。化学组成变化材料内部的缺陷，如位错、空位和杂质等，会影响晶体生长过程，促使多晶的形成。这些缺陷可以在材料制备过程中引入，也可以通过其他方式产生，对晶体结构产生显著影响。缺陷存在原子排列的混乱或不规律性是多晶形成的重要原因之一。在某些情况下，由于外部条件或内部因素的作用，原子的排列变得不规则，导致晶体结构出现多个能量有利的构型，即形成多晶。原子排列混乱工业中多晶制备方法凝固法凝固法是一种常用的多晶材料制备方法，通过控制凝固速度和晶种的添加，可以获得具有优异力学性能的多晶材料。这种方法可以有效提升材料的均匀性和稳定性。热处理法热处理法通过加热和冷却过程，使材料的晶体结构发生改变，从而获得具有特定性能的多晶材料。该技术在改善材料物理性质方面表现出色，应用广泛。化学汽相沉积法化学汽相沉积法是目前制备多晶硅薄膜最常用的方法。按照薄膜的生长温度，将其分为高温沉积(>1000益)和低温沉积(pan>机械刻槽技术利用机械刻槽、丝网印刷技术在100平方厘米多晶上效率超过17%，无机械刻槽在同样面积上效率达到16%。埋栅结构在130平方厘米多晶上的电池效率可达15.8%。05非晶态物质非晶态特征原子排列长程无序非晶态材料的原子排列在空间中表现出近程有序、长程无序的特征。与晶体的周期性排列相比，非晶态物质的原子结构缺乏明显的长程有序性，这种无序结构使得材料在多个方向上表现出各向同性的性质。物理性质各向同性由于原子排列的长程无序性，非晶态材料在宏观上表现出各向同性的物理性质，如等轴的热膨胀系数和相同的弹性模量，不同于晶体在不同方向上的各向异性。高粘滞性和高硬度非晶态材料通常具有高粘滞系数和高硬度，其粘滞系数一般在10泊以上，是典型流体的10倍，表现出较高的抵抗变形能力。亚稳态和多重弛豫行为非晶态物质的结构处于一种亚稳态，其内部原子和电子结构复杂，存在多重弛豫行为，表现出高度的不稳定性、随机性和不可逆性，这些特性决定了非晶态材料的动态行为。非晶形成方法快速冷却法快速冷却法是形成非晶态物质的主要方法之一，通过将材料在极短时间内迅速冷却至其玻璃转变温度以下，从而抑制结晶过程。此方法适用于多种合金和金属，如铜、铝等。熔体急冷技术熔体急冷技术利用高温下的快速冷却过程，使合金液体在几微秒内迅速凝固成非晶态。该技术常用于制备高强度、高硬度的非晶合金材料，具有应用前景广泛。机械合金化机械合金化是一种通过高能球磨等机械作用，促使不同材料之间产生原子级混合的方法。该方法可以在较低温度下实现非晶相的形成，特别适用于难以通过传统铸造工艺获得的材料。化学气相沉积化学气相沉积（CVD）是一种在气相中进行化学反应并沉积固态产物的技术。通过控制反应气体的流量和温度，可以精确控制材料的结构和成分，从而制备出高质量的非晶态薄膜。电沉积法电沉积法利用电场的作用，将离子在电极表面聚合成固态物质。该方法适用于制备非晶态聚合物膜和纳米复合材料，通过调整电流和电压等参数可以实现对材料微观结构的调控。非晶材料应用非晶材料在电子器件中应用非晶材料因其独特的光吸收特性和高电导率，在太阳能电池和敏感功能材料中表现出色。例如，非晶硅材料用于制造高性能的光传感器，其灵敏度和响应时间可与单晶材料媲美。非晶材料在能源领域应用非晶材料在能源领域的应用包括制造高导电和热稳定的合金以及具有光伏性能的材料如硫化铜。这些材料为太阳能板和智能通讯开关电源模块等设备提供了高效、稳定的能源解决方案。非晶材料在医疗领域应用非晶态金属玻璃和非晶态氧化物玻璃因其优良的生物相容性和机械性能，被广泛应用于医疗器械和设备的制造。它们不仅提升了设备的耐用性，还减少了对患者的副作用。非晶材料在传感器中应用非晶材料在传感器中的应用尤为广泛，尤其是用于制造光传感器和磁传感器。非晶硅材料制作的光传感器具有高光吸收系数和低基片材料限制，使得传感器性能更加优越。06凝固过程控制与优化凝固过程参数控制01温度梯度控制温度梯度是凝固过程的重要参数，影响固液界面的稳定性和晶体生长速率。通过精确控制温度梯度，可以优化晶体结构和性能，避免出现温度梯度不均导致的组织不均匀问题。02拉速与过热度调节拉速和过热度直接影响凝固过程中的传热和晶体生长。适当的拉速和过热度可以提高生产效率，同时细化晶粒，改善材料性能。动态调节这些参数可有效控制凝固过程的稳定性。03强磁场应用强磁场在凝固过程中起到控制晶粒结构和减少偏析的作用。利用强磁场可以调控金属熔体的流动行为和固液界面形态，提高材料的力学性能和尺寸精度。04二冷水温控制在连铸过程中，二冷水温直接影响铸坯的表面温度和冷却速率。通过前馈补偿控制和动态反馈调整二冷水温，可以实现对铸坯表面温度的精确控制，提高产品质量。05工艺参数优化调整增材制造中的工艺参数，如打印速度