第五章 一些先進材料織構

1、第5章 一些先進材料織構的測量及分析5.15.1測量織構的常用方法測量織構的常用方法 通常采用X織構衍射儀測量材料的織構，測量的方法有很多種，例如直接X射線掃描，PHI掃描，測量單張極圖，測量多張極圖計算ODF等。如果不采用X射線的方法，還有直接觀察晶體形貌，腐蝕坑法等。5.1.1直接直接X射線法射線法 采用X射線測量材料的織構最為方便，但是這種測量很不精確。一條衍射譜線，上面有很多的衍射峰，采用這種方法，主要是看某一條衍射峰和其它衍射峰強度的比值，一般認為比值越高，此衍射峰所對應面的面織構含量越高。 這種方法所能提供的織構信息是很有限的。只能定性的判斷一些已知織構類型材料的織構強弱，如果織構

2、類型比較復雜，則提供的信息量及其有限。甚至得出錯誤的結果。 例如，采用這種方法根本無法分辯100面織構和立方織構。因為這兩種織構之間的差異根本無法從100面的衍射峰來判斷。 5.1.2 PHI掃描法 PHI掃描法實際上是指測量極圖上的某一KHI角度上0360上的數據，從測量的峰高和峰寬上來判讀織構的強弱。PHI掃描測量的是極圖上某一圈的數據。 這種方法雖然也要使用X射線織構衍射儀，但是由于需要測量數據比較少，所以從速度及經濟角度都是比較有利的, PHI掃描的測量結果是一條線，所以測量的自由度是1，它所能給出的織構信息仍然很有限，目前，在很多材料織構測量領域，采用的是這種方法。例如超導研究等。2

3、04060801001201401601802002202402602803003203403600.00 7571.67CpsMSE DEP. OF USTB 13-Jun-1999 23:17Phi- ScaleC:TEX-ATCNYSNI.RAW Unnamed (CT: 0.6s, SS:0.500dg, WL: 1.5406Ao)圖 5.2 YBaCuO的PHI掃描 對應圖 5.1和圖 5.2是YBaCuO的111極圖和PHI掃描圖 從它的PHI掃描來看，這種材料具有很好的立方織構，看不出有其它織構組分 但是從它的111極圖可以看出它還有一些其它織構組分。 從這個實例可以看出，PHI

4、掃描有一定的誤判的可能性。5.1.3其它測量方法q 測量極圖法測量極圖法 相對與前兩種方法，測量極圖法具有一定的優(yōu)越性，這種方法在材料織構測量領域應用也比較廣泛。但是測量的極圖是一個面，自由度是2，所以它所能給出的材料的織構信息也是不完整的。仍存在有誤判的可能性qODF法法 如果要完整地知道材料的織構信息，需要測量多張極圖，計算其ODF，采用這種方法得到的織構信息的自由度是3，所以它比較完整地反映織構的信息。Constant Phi2 = 45Constant Phi2 = 45(a)心部(b)表面 50W800 2 =45o ODF截面圖Levels: 1,2,3,4,5,6,7 腐蝕坑法腐

5、蝕坑法 采用這種方法，比較直接，只要在顯微鏡下觀察材料的晶體和腐蝕坑的形貌即可，這里如金剛石經常采用這種方法定性地分析織構。但是這種方法難于給出定量結果 各種測量方法小結 從以上的分析可以看出，為了定量分析材料的織構，一般而言采用測量一張極圖或測量多張極圖計算ODF的方法結果比較可信，定量分析也比較準確。但是如果確切知道了材料織構類型，從經濟角度考慮的話，PHI掃描的方法也有一定實用意義。而X射線直接掃描的方法結果可信程度很有限。 5.2高溫超導材料 YBCO(YBaCuO)作為一種高溫超導材料，由于其優(yōu)異的超導性能而為人矚目。它有可能應用于電纜傳輸、核電站、微波領域等 5.2.1織構對YBC

6、O性能的影響 晶界的取向差對通過電流密度影響很大，當取向差大于10后，電流密度能夠下降1-2個數量級提高超導材料的臨界電流密度，需要減小晶粒之間的取向差，即提高材料的取向度。 5.2.2YBCO5.2.2YBCO織構的測量分析織構的測量分析 旋轉立方織構100。Ni的PHI掃描111 測量時KHI=54.73，PHI從0到360，PHI=45、135、225、315位置的4個峰位表明其具有立方織構。204060801001201401601802002202402602803003203403600.00 701.11CpsMSE DEP. OF USTB 14-Jun-1999 14:54P

7、hi- ScaleC:USERDATA166CEO.RAW Unnamed (CT: 0.9s, SS:0.500dg, WL: 1.7890Ao)CeO2的PHI掃描202 測量時KHI=45，PHI從0到360，PHI=45、135、225、315位置的4個峰位表明其具有旋轉立方織構。 204060801001201401601802002202402602803003203403600.00 393.33CpsMSE DEP. OF USTB 14-Jun-1999 14:54Phi- ScaleC:USERDATANI14.RAW Unnamed (CT: 0.6s, SS:0.500

8、dg, WL: 1.7890Ao)YSZ的PHI掃描202 測量時KHI=45，PHI從0到360，PHI=45、135、225、315位置的4個峰位表明其具有旋轉立方織構。 204060801001201401601802002202402602803003203403600.00 520.00CpsMSE DEP. OF USTB 14-Jun-1999 14:54Phi- ScaleC:USERDATAYS3-NI.RAW Unnamed (CT: 0.3s, SS:0.500dg, WL: 1.7890Ao)YBCO的PHI掃描226 測量時KHI=54.73，PHI從0到360，PH

9、I=45、135、225、315位置的4個峰位表明其具有立方織構。 5.3 NdFeB稀土永磁材料根據矯頑力的大小來劃分磁性材料矯頑力小于100A/m的磁性材料成為軟磁材料矯頑力大于100A/m小于1000A/m的磁性材料成為半硬磁材料矯頑力大于1000A/m的磁性材料成為硬磁材料。硬磁材料在磁飽和后，去掉外磁場，仍然保留其磁性，所以又稱為永磁材料。 稀土永磁材料是以稀土金屬元素和過渡族金屬間所形成的金屬間化合物為基體的永磁材料。 織構對織構對NdFeBNdFeB稀土永磁材料性能的影響稀土永磁材料性能的影響 磁性材料中的磁晶各向異性越大，則磁化矢量轉動時越困難，對于永磁材料，希望這種阻礙越大越

10、好，這樣材料的矯頑力比較大，所以希望材料的磁晶各向異性越大越好，NdFeB材料有著很高的磁晶各向異性。 NdFeB是四方晶系材料，c軸是易磁化方向，a軸是難磁化方向。 對于NdFeB，如果使所有單晶粉末的c軸平行，則在該方向具有最大的剩磁。即如果NdFeB材料具有006面織構，則它就具有高的剩磁，所以如何使NdFeB具有高的006面織構，成為研究的重點。 ,90oabcNdFeBNdFeB稀土永磁材料織構的產生原因稀土永磁材料織構的產生原因 一般NdFeB的生產工藝包括工業(yè)制粉，磁場取向成型、燒結、熱處理、磁化等幾個過程。在這幾個過程中，磁場取向成型是產生NdFeB材料織構的環(huán)節(jié)。 磁場取向成

11、型是指在粉末加壓成型時同時對粉末材料加外磁場，由于NdFeB具有很高的磁晶各向異性，在外磁場作用下，當粉末單晶的易磁化方向和外磁場平行時粉末單晶的能量最低。在磁場所用下粉末會發(fā)生轉動，轉動的最終結果是產生c軸平行于外磁場的織構。 粉末磁場取向方法有兩種，一是磁場方向和加壓力方向平行，這種取向方式稱為平行取向。 另外一種取向方式是磁場方向和加壓力方向垂直，成為垂直取向。 一般而言垂直取向有利于獲得較好的織構。而平行取向時，當壓力增大到一定程度時，織構反而變壞。 NdFeB稀土永磁材料織構的測量分析 從極圖上可以看出，這種材料具有很高的006面織構，即大多數晶粒的c軸平行于板面的法線方向，由于Nd

12、FeB的c軸是易磁化方向，a軸是難磁化方向，所以這種材料的板法線方向是易磁化方向，而平行于板面各個方向是不易磁化方向，這種材料具有很強的織構。所以有很強的磁各向異性。5.4金剛石薄膜材料金剛石薄膜材料 金剛石薄膜具有熱傳導率高、硬度高、不導電等一系列優(yōu)異的物理性質，因而得到了廣泛的應用。 織構對金剛石薄膜材料性能的影響織構對金剛石薄膜材料性能的影響 織構對金剛石薄膜性能的影響現在還沒有定論，普遍認為，晶界對電子移動和光線傳導都具有阻礙作用，并且這種作用和晶界的取向差有一定關系，所以降低晶界密度及晶界的取向差對性能提高有很重要意義。 如果金剛石薄膜中有很強織構的話，必然會對金剛石的性能產生影響。

13、 金剛石薄膜中，由于出現孿晶，方向是最快的生長方向，所以最后會出現110面織構。5.5其它晶系合金材料織構鈦板內的再結晶織構 鈦是工業(yè)中最常用的六方系全屬。冷軋鈦板再結晶后也會出現很強的再結晶織構。分析表明，退火后鐵板再結晶織構主要為 組分和 取向附近的織構組分。這種織構組分的生成與再結晶時某些取向晶粒的擇優(yōu)生長有關。0112)5202(0101)5121(錫板的再結晶織構 錫是一種四方系金屬。冷變形錫在室溫即可發(fā)生再結晶。其中有織構組分(90，65，45)， 。這類織構的形成原因和準確的取向位置尚有待于進一步研究。611331總結 定量分析材料的織構，一般而言采用測量一張極圖或測量多張極圖計

14、算ODF的方法結果比較可信，定量分析也比較準確。 如果確切知道了材料織構類型，從經濟角度考慮PHI掃描的方法也有一定實用意義。而普通X射線掃描的測量結果可信程度十分有限。 5.6納米鎳鐵導磁合金晶材料的織構控制 Texture and Grain Growth in Nanocrystalline Permalloysu Definition- Polycrystalline metals with grain sizes of up to 100 nm.- A large number of intercrystalline component (50% for 5 nm, 30% for

15、10 nm, 3% for 100 nm) - Thermodynamically metastable state- No dislocations within grainsu CharacteristicsnNanocrystalline MetalsContinuous Electroforming of FoilsNanocrystalline 78 PermalloyConventional 78 PermalloyHardnessYield strength6,380 MPa 345 MPa2,119 MPa 97 MPaMechanical PropertiesComposit

16、ion Dependency of Thermal BehaviorChange of 111 XRD PeaksChange of Crystallite SizeAs-deposited specimenAnnealed at 400oC for 30min4.43Max.=4.034.94Max.=3.87Texture Change during Annealing(111)(110)(210)(221)OrientationSurface Energy(eV/atom)(100)(311)(211)Random1.341.822.091.951.521.901.951.97Orientation Dependency of Surface EnergyOIM map in As-Deposited SampleBoundary MobilityForces and Potential EnergiesOrientation Dependency of Energy Densityc.f. Stored Energy of Cold worked Metals Ed = Ed Ed 10 100 J/mol = 3.6 J/molAbnormal