單晶制備及加工課件

Preface

單晶(singlecrystal)晶體是經(jīng)過結(jié)晶過程而形成的具有規(guī)則的幾何外形的固體，晶體中原子或分子在空間按一定規(guī)律周期性重復(fù)的排列。所謂單晶，即結(jié)晶體內(nèi)部的微粒在三維空間呈有規(guī)律地、周期性地排列，或者說晶體的整體在三維方向上由同一空間格子構(gòu)成，整個晶體中質(zhì)點(diǎn)在空間的排列為長程有序。

一個零件由一個晶粒組成。單晶體在力學(xué)強(qiáng)度上要比同物質(zhì)的多晶體高出許多倍，單晶還應(yīng)用于大規(guī)模集成電路。

對單晶的研究，使人們發(fā)現(xiàn)了許多金屬新的性質(zhì)，如鐵、鈦、鉻都是軟金屬。研究晶體結(jié)構(gòu)、各向異性、超導(dǎo)性、核磁共振等都需要完整的單晶體。Preface單晶(singlecrystal)我們主要介紹當(dāng)中常用到的Cu、鎳基及Si單晶。我們主要介紹當(dāng)中常用到的Cu、鎳基及Si單晶。

1、在金屬熔體中只能形成一個晶核?？梢砸胱丫Щ蜃园l(fā)形核，盡量地減少雜質(zhì)的含量，避免非均質(zhì)形核。

2、固—液界面前沿的熔體應(yīng)處于過熱狀態(tài)，結(jié)晶過程的潛熱只能通過生長著的晶體導(dǎo)出，即確保單向凝固方式。

3、固—液界面前沿不允許有溫度過冷和成分過冷，以避免固—液界面不穩(wěn)定而長出胞狀晶或柱狀晶。

獲得單晶的條件

獲得單晶的條件5單晶制備加工與材型專業(yè)1234單晶硅的制備及加工方法AGENDA單晶鎳基合金的制備及加工方法單晶銅的制備及加工方法常見單晶材料及應(yīng)用場合5單晶制備加工與材型專業(yè)1234單晶硅的制備及加工方法AGE1.常見單晶材料及應(yīng)用場合

1.1單晶銅（Singlecrystalcopper）

1.2單晶鎳基合金（Single-crystalnickel-basedalloys）1.3單晶硅（Monocrystalline）1.常見單晶材料及應(yīng)用場合

1.1單晶銅（Singlecrystalcopper）

用于音響線材、硬盤、超細(xì)線的制作，導(dǎo)電、信號傳輸性能好。（“晶界”會對通過的信號產(chǎn)生反射和折射，造成信號失真和衰減），因而具有極高的信號傳輸性能。COPPERCOLOUR紫銅電源插頭尾MOTA家裝及工程用音箱線IST-126紫銅高級入墻式接線柱1.1單晶銅（Singlecrystalcopper）

單晶制備及加工課件1.2單晶鎳基合金（Single-crystalnickel-basedalloys）

鎳基單晶高溫合金具有優(yōu)良的高溫性能,是目前制造先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)葉片的主要材料。為了滿足高性能航空發(fā)動機(jī)的設(shè)計需求,多年來,各國十分重視鎳基單晶高溫合金的研制和開發(fā)。1.2單晶鎳基合金（Single-crystalnickel-basedalloys）

1.2單晶鎳基合金（Single-crystalnicke單晶制備及加工課件1.3單晶硅（Monocrystalline）硅的單晶體。具有基本完整的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的晶體。不同的方向具有不同的性質(zhì)，是一種良好的半導(dǎo)材料。純度要求達(dá)到99.9999%（6個9），甚至達(dá)到99.9999999%（9個9）以上。用于制造半導(dǎo)體器件、太陽能電池等。用高純度的多晶硅在單晶爐內(nèi)拉制而成。1.3單晶硅（Monocrystalline）單晶制備及加工課件2.單晶銅的制備及加工方法

2.單晶銅的制備及加工方法

單晶制備及加工課件單晶制備及加工課件單晶制備及加工課件3.單晶鎳基合金的制備及加工方法

3.1

籽晶法（Seedlaw）首先將和所要鑄造的單晶部件具有相同材料的的籽晶安放在模殼的最底部,然后將過熱的熔融金屬液澆注在籽晶上面,使籽晶部分熔化,再恰當(dāng)?shù)乜刂乒桃航缑媲把匾后w中的溫度梯度和晶體的生長速度,金屬熔液就會從未被熔化的籽晶部分開始往金屬液中生長,并最終形成晶體取向與籽晶相同的單晶。3.單晶鎳基合金的制備及加工方法

3.1籽晶法（Seed在籽晶法生長單晶過程中,籽晶和熔融高溫合金液相之間的相互作用即固液相界面演變機(jī)制對能否成功生長單晶體有著決定性的作用。因此,研究籽晶法生長單晶凝固界面的變化規(guī)律具有十分重要的意義。這類方法的主要缺點(diǎn)是晶體和坩堝壁接觸，容易產(chǎn)生應(yīng)力或寄生成核，因此在生產(chǎn)高完整性的單晶時要嚴(yán)格控制。在籽晶法生長單晶過程中,籽晶和熔融高溫合金液相之間的相互作用固液相界面演變機(jī)制

在單晶起始生長過程中，凝固系統(tǒng)在材料的結(jié)晶內(nèi)稟特性驅(qū)動下，經(jīng)特定的非穩(wěn)態(tài)自組織過程達(dá)到穩(wěn)態(tài)生長，材料的凝固界面經(jīng)歷了由平界面——胞狀界面——枝晶界面的轉(zhuǎn)化。胞晶和枝晶將根據(jù)凝固參數(shù)及初始形態(tài)自行調(diào)整一次枝晶間距,調(diào)整模式主要有競爭淘汰、尖端開裂和高次分枝三種。籽晶的生長過程中,在生長起始端存在著籽晶與合金熔液的融合區(qū)，融合區(qū)的成分取決于籽晶成分和所生長單晶合金的成分。（研究單晶高溫合金的各向異性，對充分發(fā)揮單晶合金性能潛力非常重要）固液相界面演變機(jī)制在單晶起始生長過程中平界面——胞狀界面——枝晶界面的轉(zhuǎn)化平界面——胞狀界面——枝晶界面的轉(zhuǎn)化初始形態(tài)自行調(diào)整一次枝晶間距,直至達(dá)到穩(wěn)態(tài)生長時凝固參數(shù)所對應(yīng)的值。在平界面失穩(wěn)后,形成了大量的胞晶,隨著凝固的進(jìn)行,這些胞晶相互競爭淘汰;如圖2a,當(dāng)胞晶向枝晶轉(zhuǎn)變時,為了調(diào)整枝晶間距,有的胞晶尖端分裂;如圖2b,以枝晶凝固時,隨著凝固速率的增加,枝晶主要采用高次分枝的方法來調(diào)整枝晶間距。初始形態(tài)自行調(diào)整一次枝晶間距,直至達(dá)到穩(wěn)態(tài)生長時凝固參數(shù)所對單晶制備及加工課件3.2選晶法(ChoiceCrystalMethod)選晶法是單晶高溫合金葉片制備中最基本的工藝方法。Higginbotham把常用的單晶選晶器結(jié)構(gòu)歸納為四種類型：螺旋型、傾斜型、轉(zhuǎn)折型、尺度限制型(縮頸型)隨著單晶高溫合金研究的發(fā)展,螺旋型選晶器逐漸淘汰掉其他三種選晶器，成為目前應(yīng)用最廣泛也是最成功的選晶器類型。選晶法的原理就是利用選晶器的這種狹窄界面,只允許一個晶粒長出它的頂部,然后這個晶粒長滿整個型腔,從而得到單晶體。

3.2選晶法(ChoiceCrystalMethod其晶體競爭生長機(jī)制是:螺旋結(jié)構(gòu)總的攀升走向正好與散熱方向相反,致使螺旋體內(nèi)散熱均勻,因此在整個螺旋形生長過程中,位向最適合生長的那個晶粒將其他眾多的初生晶粒一一淘汰,不斷長出枝晶并最終進(jìn)入試樣本體成為單晶鑄件.至于鎳基單晶合金，在鎳的Gamma固溶態(tài)中，有大量分散結(jié)晶構(gòu)造稍為不同的Gamma基本態(tài)，只要將這種結(jié)晶單晶化，在定向凝固合金中，增加Gamma基本態(tài)，提高高溫強(qiáng)度。鎳基單晶合金基本上消除定向凝固高溫合金的限制。F119的渦輪葉片是用第三代單晶作的，DD3可能是第一代。其晶體競爭生長機(jī)制是:螺旋結(jié)構(gòu)總的攀升走向正好與散熱方向相反5單晶制備加工與材型專業(yè)1234單晶硅的制備及加工方法AGENDA單晶鎳基合金的制備及加工方法單晶銅的制備及加工方法常見單晶材料及應(yīng)用場合5單晶制備加工與材型專業(yè)1234單晶硅的制備及加工方法AGE5.單晶制備加工與材型專業(yè)

5.單晶制備加工與材型專業(yè)

2014/4/22ThankYouforyourattention!Doyouhaveanyquestions?2014/4/22ThankYouforyouratPreface

單晶(singlecrystal)晶體是經(jīng)過結(jié)晶過程而形成的具有規(guī)則的幾何外形的固體，晶體中原子或分子在空間按一定規(guī)律周期性重復(fù)的排列。所謂單晶，即結(jié)晶體內(nèi)部的微粒在三維空間呈有規(guī)律地、周期性地排列，或者說晶體的整體在三維方向上由同一空間格子構(gòu)成，整個晶體中質(zhì)點(diǎn)在空間的排列為長程有序。

一個零件由一個晶粒組成。單晶體在力學(xué)強(qiáng)度上要比同物質(zhì)的多晶體高出許多倍，單晶還應(yīng)用于大規(guī)模集成電路。

對單晶的研究，使人們發(fā)現(xiàn)了許多金屬新的性質(zhì)，如鐵、鈦、鉻都是軟金屬。研究晶體結(jié)構(gòu)、各向異性、超導(dǎo)性、核磁共振等都需要完整的單晶體。Preface單晶(singlecrystal)我們主要介紹當(dāng)中常用到的Cu、鎳基及Si單晶。我們主要介紹當(dāng)中常用到的Cu、鎳基及Si單晶。

1、在金屬熔體中只能形成一個晶核?？梢砸胱丫Щ蜃园l(fā)形核，盡量地減少雜質(zhì)的含量，避免非均質(zhì)形核。

2、固—液界面前沿的熔體應(yīng)處于過熱狀態(tài)，結(jié)晶過程的潛熱只能通過生長著的晶體導(dǎo)出，即確保單向凝固方式。

3、固—液界面前沿不允許有溫度過冷和成分過冷，以避免固—液界面不穩(wěn)定而長出胞狀晶或柱狀晶。

獲得單晶的條件

獲得單晶的條件5單晶制備加工與材型專業(yè)1234單晶硅的制備及加工方法AGENDA單晶鎳基合金的制備及加工方法單晶銅的制備及加工方法常見單晶材料及應(yīng)用場合5單晶制備加工與材型專業(yè)1234單晶硅的制備及加工方法AGE1.常見單晶材料及應(yīng)用場合

1.1單晶銅（Singlecrystalcopper）

1.2單晶鎳基合金（Single-crystalnickel-basedalloys）1.3單晶硅（Monocrystalline）1.常見單晶材料及應(yīng)用場合

1.1單晶銅（Singlecrystalcopper）

用于音響線材、硬盤、超細(xì)線的制作，導(dǎo)電、信號傳輸性能好。（“晶界”會對通過的信號產(chǎn)生反射和折射，造成信號失真和衰減），因而具有極高的信號傳輸性能。COPPERCOLOUR紫銅電源插頭尾MOTA家裝及工程用音箱線IST-126紫銅高級入墻式接線柱1.1單晶銅（Singlecrystalcopper）

單晶制備及加工課件1.2單晶鎳基合金（Single-crystalnickel-basedalloys）

鎳基單晶高溫合金具有優(yōu)良的高溫性能,是目前制造先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)葉片的主要材料。為了滿足高性能航空發(fā)動機(jī)的設(shè)計需求,多年來,各國十分重視鎳基單晶高溫合金的研制和開發(fā)。1.2單晶鎳基合金（Single-crystalnickel-basedalloys）

1.2單晶鎳基合金（Single-crystalnicke單晶制備及加工課件1.3單晶硅（Monocrystalline）硅的單晶體。具有基本完整的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的晶體。不同的方向具有不同的性質(zhì)，是一種良好的半導(dǎo)材料。純度要求達(dá)到99.9999%（6個9），甚至達(dá)到99.9999999%（9個9）以上。用于制造半導(dǎo)體器件、太陽能電池等。用高純度的多晶硅在單晶爐內(nèi)拉制而成。1.3單晶硅（Monocrystalline）單晶制備及加工課件2.單晶銅的制備及加工方法

2.單晶銅的制備及加工方法

單晶制備及加工課件單晶制備及加工課件單晶制備及加工課件3.單晶鎳基合金的制備及加工方法

3.1

籽晶法（Seedlaw）首先將和所要鑄造的單晶部件具有相同材料的的籽晶安放在模殼的最底部,然后將過熱的熔融金屬液澆注在籽晶上面,使籽晶部分熔化,再恰當(dāng)?shù)乜刂乒桃航缑媲把匾后w中的溫度梯度和晶體的生長速度,金屬熔液就會從未被熔化的籽晶部分開始往金屬液中生長,并最終形成晶體取向與籽晶相同的單晶。3.單晶鎳基合金的制備及加工方法

3.1籽晶法（Seed在籽晶法生長單晶過程中,籽晶和熔融高溫合金液相之間的相互作用即固液相界面演變機(jī)制對能否成功生長單晶體有著決定性的作用。因此,研究籽晶法生長單晶凝固界面的變化規(guī)律具有十分重要的意義。這類方法的主要缺點(diǎn)是晶體和坩堝壁接觸，容易產(chǎn)生應(yīng)力或寄生成核，因此在生產(chǎn)高完整性的單晶時要嚴(yán)格控制。在籽晶法生長單晶過程中,籽晶和熔融高溫合金液相之間的相互作用固液相界面演變機(jī)制

在單晶起始生長過程中，凝固系統(tǒng)在材料的結(jié)晶內(nèi)稟特性驅(qū)動下，經(jīng)特定的非穩(wěn)態(tài)自組織過程達(dá)到穩(wěn)態(tài)生長，材料的凝固界面經(jīng)歷了由平界面——胞狀界面——枝晶界面的轉(zhuǎn)化。胞晶和枝晶將根據(jù)凝固參數(shù)及初始形態(tài)自行調(diào)整一次枝晶間距,調(diào)整模式主要有競爭淘汰、尖端開裂和高次分枝三種。籽晶的生長過程中,在生長起始端存在著籽晶與合金熔液的融合區(qū)，融合區(qū)的成分取決于籽晶成分和所生長單晶合金的成分。（研究單晶高溫合金的各向異性，對充分發(fā)揮單晶合金性能潛力非常重要）固液相界面演變機(jī)制在單晶起始生長過程中平界面——胞狀界面——枝晶界面的轉(zhuǎn)化平界面——胞狀界面——枝晶界面的轉(zhuǎn)化初始形態(tài)自行調(diào)整一次枝晶間距,直至達(dá)到穩(wěn)態(tài)生長時凝固參數(shù)所對應(yīng)的值。在平界面失穩(wěn)后,形成了大量的胞晶,隨著凝固的進(jìn)行,這些胞晶相互競爭淘汰;如圖2a,當(dāng)胞晶向枝晶轉(zhuǎn)變時,為了調(diào)整枝晶間距,有的胞晶尖端分裂;如圖2b,以枝晶凝固時,隨著凝固速率的增加,枝晶主要采用高次分枝的方法來調(diào)整枝晶間距。初始形態(tài)自行調(diào)整一次枝晶間距,直至達(dá)到穩(wěn)態(tài)生長時凝固參數(shù)所對單晶制備及加工課件3.2選晶法(ChoiceCrystalMethod)選晶法是單晶高溫合金葉片制備中最基本的工藝方法。Higginbotham把常用的單晶選晶器結(jié)構(gòu)歸納為四種類型：螺旋型、傾斜型、轉(zhuǎn)折型、尺度限制型(縮頸型)隨著單晶高溫合金研究的發(fā)展,螺旋型選晶器