東南大學考研專用材料科學基礎第4章-凝固全 課件

東南大學考研專用材料科學基礎第4章-凝固全掌握凝固過程，理解材料科學核心理論目錄凝固基本概念01液態(tài)結構與性質02凝固過程物理機制03單晶與多晶形成04非晶態(tài)物質05凝固過程控制與優(yōu)化0601凝固基本概念定義與分類凝固定義凝固是指物質在溫度降低時從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)的過程。這一過程通常伴隨著熱量的釋放，且發(fā)生相變的溫度被稱為凝固點。常見物質大多可以在低溫下發(fā)生凝固，但氦氣例外，常壓下即使在絕對零度也不凝固，需加壓才能實現(xiàn)。非晶態(tài)材料非晶態(tài)材料是一類沒有長程有序結構的固體材料。它們通常通過快速冷卻液態(tài)合金或玻璃等物質而形成。非晶態(tài)材料由于其獨特的結構和性能，在許多應用中具有重要價值，如高強度和高硬度等。晶態(tài)材料晶態(tài)材料具有明確的晶體結構，其中原子或分子按照規(guī)則的排列方式排布。常見的晶態(tài)材料包括金屬、陶瓷和大多數(shù)有機化合物。這些材料通常表現(xiàn)出各向異性，即在不同方向上具有不同的物理和機械性質。準晶態(tài)材料準晶態(tài)材料介于晶態(tài)和非晶態(tài)之間，擁有短程有序和長程無序的結構特點。準晶態(tài)材料的形成通常與某些特定的制備工藝相關，如快速冷卻、機械球磨等。這類材料在某些條件下表現(xiàn)出類似于晶體的物理性質，但在整體上又顯示出非晶態(tài)的特征。凝固驅動力04030102熱力學驅動力熱力學驅動力是凝固過程中的主要驅動力，通過吉布斯自由能的變化判斷。吉布斯自由能的降低表明系統(tǒng)趨向于更穩(wěn)定的狀態(tài)，即固態(tài)，這促使液態(tài)物質發(fā)生凝固。動力學驅動力動力學驅動力涉及形核和生長速率，通過提供能量起伏幫助原子克服能壘。較高的過冷度可以增加驅動力，使金屬的凝固速度加快，從而影響凝固過程的效率。相變驅動力相變驅動力與固液兩相的熱焓差和熵差相關。固相和液相的熱焓差越大，熵差越小，驅動力越強，推動液態(tài)物質向固態(tài)轉變，實現(xiàn)有效的固液轉換。表面張力作用表面張力在凝固過程中起到重要作用，影響形核和晶體生長。較高的表面張力會減小液滴半徑，增加形核功，從而增加凝固驅動力，提升結晶質量。凝固熱力學條件01自由能變化晶體凝固過程中，自由能的變化是熱力學條件的核心。根據(jù)熱力學理論，只有當自由能的變化大于零時，才能發(fā)生凝固。自由能的變化與過冷度密切相關，過冷度是指實際溫度與熔點溫度之差。02形核過程形核是凝固的初始階段，指液相中出現(xiàn)微小且穩(wěn)定的固相顆粒。形核分為均勻形核和非均勻形核，前者在液相中均勻分布，后者在界面或其他非均勻位置發(fā)生。形核的根本目的是降低系統(tǒng)的自由能。能量守恒03在凝固過程中，能量需要守恒，即系統(tǒng)在無外界能量輸入的情況下，能量應處于平衡狀態(tài)。這決定了凝固過程中溫度場的分布和變化，是熱力學條件的重要基礎。04過冷度與臨界形核半徑過冷度是影響形核的重要因素。當實際溫度低于熔點時，體系處于過冷狀態(tài)，此時自由能降低，有利于形核。臨界形核半徑公式用于描述形核過程中固相核心的最小尺寸，表面能和單位體積自由能變化均對此有影響。05快速凝固熱力學條件快速凝固過程中，熱力學條件更為復雜。亞穩(wěn)平衡、界面平衡等現(xiàn)象均需考慮。通過熱力學計算和數(shù)值模擬，可以精確控制快速凝固過程中的溫度條件，實現(xiàn)擴散和無溶質分凝的效果。02液態(tài)結構與性質液態(tài)金屬結構特點01液態(tài)金屬原子結構液態(tài)金屬由游動的原子團構成，這些原子在液體內(nèi)部進行隨機運動。由于原子間的相互作用力較弱，液態(tài)金屬的結構較為松散，表現(xiàn)出較高的流動性。02能量與結構起伏液態(tài)金屬的能量和結構呈現(xiàn)出不穩(wěn)定性，即能量起伏和結構起伏。這種不穩(wěn)定性導致液態(tài)金屬在冷卻過程中容易發(fā)生相變，從而影響其最終的組織結構和性能。03高塑性與高強度特點液態(tài)金屬具有優(yōu)異的塑性和高強度，能夠在成型過程中承受較大的變形而不斷裂。這一特性使其在制造過程中具有極高的適應性和靈活性，適用于各種復雜形狀的加工。04低熔點與高屈服強度液態(tài)金屬通常具有較低的熔點，這使得它們在加熱時能夠迅速熔化，便于鑄造和注射成型等工藝操作。同時，液態(tài)金屬還展現(xiàn)出高屈服強度，意味著在成型過程中需要較小的壓力即可成形。05抗腐蝕與耐磨性能液態(tài)金屬通常具有良好的抗腐蝕性和耐磨性，能夠在惡劣的工作環(huán)境條件下保持穩(wěn)定的性能。這一特性使其在航空航天、汽車制造等領域具有廣泛的應用前景。過冷度及其影響01020304過冷度定義過冷度是指材料在凝固過程中，實際溫度低于其平衡凝固溫度的溫差。這個溫差影響材料的組織結構和性能，如提高強度和改善晶粒細化等。過冷度對組織的影響過冷度的增加會導致材料內(nèi)部能量的不均勻分布，從而促進晶粒細化和第二相的析出。這有助于提升材料的力學性能和耐腐蝕性，但過度的過冷度可能導致材料內(nèi)部應力增加。過冷度對性能的影響過冷度直接影響材料的微觀結構和宏觀性能。適當?shù)倪^冷度可以顯著提高材料的表面硬度、耐磨性及抗腐蝕性，而過高的過冷度則可能導致材料脆性的增加和內(nèi)部應力集中?？刂七^冷度方法通過調整冷卻速度、改變保溫時間或優(yōu)化工藝參數(shù)可以有效控制過冷度。采用快速冷卻技術和低熱傳導率材料可以減小過冷度，進而改善材料的最終性能。動態(tài)過冷度動態(tài)過冷度定義動態(tài)過冷度是指液－固界面的溫度低于熔點一定程度時，固相界面上原子向液相中跳動的幾率小于液相中原子向固相界面上跳動的幾率。這種過冷狀態(tài)促使晶核表面推進，影響晶體的長大速度和形貌。動態(tài)過冷度影響因素動態(tài)過冷度的影響因素包括冷卻速率、溶質濃度和晶體結構。冷卻速率越快，溶質濃度越高，晶體結構越復雜，動態(tài)過冷度越大，對晶體生長的控制作用也越強。動態(tài)過冷度與晶體長大速度關系動態(tài)過冷度直接影響晶體的長大速度。較高的動態(tài)過冷度下，晶體生長速度較慢，因為原子在固相表面的擴散受到抑制，從而減緩了晶體的生長速率。動態(tài)過冷度控制方法通過控制冷卻速率、調整溶液成分和改變處理工藝可以調節(jié)動態(tài)過冷度。例如，快速冷卻可以減少溶質在固相中的擴散，增加過冷度；添加異質形核劑可以降低結晶溫度，提高過冷度。03凝固過程物理機制形核與晶體生長形核機制形核是指晶體開始生長的過程，通常分為均勻形核和非均勻形核。均勻形核指在液相中所有區(qū)域形成晶核的幾率相同，而非均勻形核則在某些特定區(qū)域優(yōu)先形成。臨界形核半徑形核過程中，熔體中的新相需要跨越一個臨界半徑才能穩(wěn)定存在并繼續(xù)生長。這個臨界半徑與形核功和能量barrier有關，是控制晶體形核速率的關鍵參數(shù)。形核率計算形核率是指在一定時間內(nèi)單位體積內(nèi)形成的晶核數(shù)，計算公式為N=K×exp(-ΔG*/KT)×exp(-Q/KT)。該公式考慮了能量barrier和形核功對形核率的影響，用于預測和調控晶體生長。生長方式晶體生長方式主要有自發(fā)生長、強制生長和外延生長等。每種方式都有其特定的應用和優(yōu)勢，如外延生長常用于單晶硅的制備，而強制生長則適用于快速工業(yè)規(guī)?；a(chǎn)。超快激光調控超快激光技術因其熱影響區(qū)域小、適用材料范圍廣等特點，在調控晶體形核與生長方面具有獨特優(yōu)勢。主要應用包括超快激光誘導結晶形核、控制晶體生長過程及晶面圖案化加工。界面能與系統(tǒng)自由能04010302界面能定義與計算界面能在材料科學中指不同相之間由于原子排列不規(guī)律而產(chǎn)生的能量增加。計算公式為γ=ΔG/A，其中ΔG是系統(tǒng)自由能的增加量，A為界面面積。界面能影響因素界面能主要受到界面結構、溫度、成分和外界條件如壓力和電磁場的影響。例如，晶界能的存在是由于晶粒間原子排列的不規(guī)則性導致的能量升高。系統(tǒng)自由能定義與計算系統(tǒng)自由能是在恒溫恒壓條件下增加單位系統(tǒng)內(nèi)能的增量。對于多相系統(tǒng)，自由能包括各相之間的交互作用能及表面能的貢獻。計算公式為G=G0+Aγ，其中G0是無界面時的系統(tǒng)自由能，Aγ是單位面積的自由能。系統(tǒng)自由能影響因素系統(tǒng)自由能受溫度、壓力、濃度梯度和相變等因素的影響。高溫通常降低系統(tǒng)自由能，而相變過程中，系統(tǒng)自由能會伴隨體積和熵的變化出現(xiàn)波動。非均勻形核及其影響因素非均勻形核定義非均勻形核指的是在母相基體中某些區(qū)域擇優(yōu)地形成晶核，而在其他區(qū)域則不形成或較少形成晶核的現(xiàn)象。這種不均勻性使得材料內(nèi)部結構具有各向異性。影響非均勻形核因素非均勻形核主要受到過冷度和固態(tài)雜質的影響。過冷度越大，形核功越小，越有利于非均勻形核的發(fā)生；而固態(tài)雜質的存在改變了液體的物理狀態(tài)，促進了非均勻形核的形成。點陣匹配原理點陣匹配原理是解釋非均勻形核的重要理論之一，它指出當晶核與母相基體的點陣結構相似且尺寸相當時，界面會起到催化作用，促進非均勻形核的發(fā)生。鑄錠三晶區(qū)形成原因鑄錠過程中常出現(xiàn)三個不同區(qū)域的晶體結構，稱為鑄錠三晶區(qū)。這三個區(qū)域分別由不同的形核機制控制，導致材料內(nèi)部存在復雜的晶體結構和各向異性。04單晶與多晶形成單晶生長條件溫度控制單晶生長過程中，溫度是關鍵因素。通常需要精確控制晶體生長環(huán)境的溫度，以確保原子或分子按照特定排列方式形成規(guī)則的周期結構。溫度梯度和冷卻速率會影響晶體的質量與完整性。溶液飽和度單晶生長對溶劑中的溶質飽和度有嚴格要求。當溶質在溶劑中的溶解度達到飽和狀態(tài)時，會析出形成晶體。了解溶質在溶劑中的溶解度及其隨溫度的變化關系對于單晶的形成至關重要?；撞牧匣撞牧系谋砻嫘再|對單晶生長影響顯著。基底需具有高平整性和清潔性，以提供均勻且穩(wěn)定的晶體生長環(huán)境。此外，基底材料的熱導率和化學穩(wěn)定性也是重要考慮因素。時間因素單晶生長是一個緩慢的過程，需要足夠的生長時間來確保晶體的完整性和高質量。過快的生長速率會導致晶體缺陷增多，而過慢則可能導致晶體生長不均勻。因此，合理的生長時間控制至關重要。多晶形成原因溫度變化溫度是影響多晶形成的主要外部條件之一。當材料處于不同的溫度區(qū)間時，其晶體結構可能發(fā)生變化，導致多晶的形成。這種轉變通常在相變過程中發(fā)生，如固液相變和固氣相變。壓力的變化可以引起材料的晶體結構改變，從而產(chǎn)生多晶。例如，高壓下某些金屬會發(fā)生結構相變，形成不同的晶體結構。這種物理過程在地球深處的地質條件下尤為常見。壓力變化材料化學成分的改變會直接影響其晶體結構和性質，進而導致多晶的形成。不同組成的合金或化合物在冷卻過程中可能表現(xiàn)出不同的晶體形態(tài)，這是材料科學中研究的重要方向。化學組成變化材料內(nèi)部的缺陷，如位錯、空位和雜質等，會影響晶體生長過程，促使多晶的形成。這些缺陷可以在材料制備過程中引入，也可以通過其他方式產(chǎn)生，對晶體結構產(chǎn)生顯著影響。缺陷存在原子排列的混亂或不規(guī)律性是多晶形成的重要原因之一。在某些情況下，由于外部條件或內(nèi)部因素的作用，原子的排列變得不規(guī)則，導致晶體結構出現(xiàn)多個能量有利的構型，即形成多晶。原子排列混亂工業(yè)中多晶制備方法凝固法凝固法是一種常用的多晶材料制備方法，通過控制凝固速度和晶種的添加，可以獲得具有優(yōu)異力學性能的多晶材料。這種方法可以有效提升材料的均勻性和穩(wěn)定性。熱處理法熱處理法通過加熱和冷卻過程，使材料的晶體結構發(fā)生改變，從而獲得具有特定性能的多晶材料。該技術在改善材料物理性質方面表現(xiàn)出色，應用廣泛?；瘜W汽相沉積法化學汽相沉積法是目前制備多晶硅薄膜最常用的方法。按照薄膜的生長溫度，將其分為高溫沉積(>1000益)和低溫沉積(pan>機械刻槽技術利用機械刻槽、絲網(wǎng)印刷技術在100平方厘米多晶上效率超過17%，無機械刻槽在同樣面積上效率達到16%。埋柵結構在130平方厘米多晶上的電池效率可達15.8%。05非晶態(tài)物質非晶態(tài)特征原子排列長程無序非晶態(tài)材料的原子排列在空間中表現(xiàn)出近程有序、長程無序的特征。與晶體的周期性排列相比，非晶態(tài)物質的原子結構缺乏明顯的長程有序性，這種無序結構使得材料在多個方向上表現(xiàn)出各向同性的性質。物理性質各向同性由于原子排列的長程無序性，非晶態(tài)材料在宏觀上表現(xiàn)出各向同性的物理性質，如等軸的熱膨脹系數(shù)和相同的彈性模量，不同于晶體在不同方向上的各向異性。高粘滯性和高硬度非晶態(tài)材料通常具有高粘滯系數(shù)和高硬度，其粘滯系數(shù)一般在10泊以上，是典型流體的10倍，表現(xiàn)出較高的抵抗變形能力。亞穩(wěn)態(tài)和多重弛豫行為非晶態(tài)物質的結構處于一種亞穩(wěn)態(tài)，其內(nèi)部原子和電子結構復雜，存在多重弛豫行為，表現(xiàn)出高度的不穩(wěn)定性、隨機性和不可逆性，這些特性決定了非晶態(tài)材料的動態(tài)行為。非晶形成方法快速冷卻法快速冷卻法是形成非晶態(tài)物質的主要方法之一，通過將材料在極短時間內(nèi)迅速冷卻至其玻璃轉變溫度以下，從而抑制結晶過程。此方法適用于多種合金和金屬，如銅、鋁等。熔體急冷技術熔體急冷技術利用高溫下的快速冷卻過程，使合金液體在幾微秒內(nèi)迅速凝固成非晶態(tài)。該技術常用于制備高強度、高硬度的非晶合金材料，具有應用前景廣泛。機械合金化機械合金化是一種通過高能球磨等機械作用，促使不同材料之間產(chǎn)生原子級混合的方法。該方法可以在較低溫度下實現(xiàn)非晶相的形成，特別適用于難以通過傳統(tǒng)鑄造工藝獲得的材料?；瘜W氣相沉積化學氣相沉積（CVD）是一種在氣相中進行化學反應并沉積固態(tài)產(chǎn)物的技術。通過控制反應氣體的流量和溫度，可以精確控制材料的結構和成分，從而制備出高質量的非晶態(tài)薄膜。電沉積法電沉積法利用電場的作用，將離子在電極表面聚合成固態(tài)物質。該方法適用于制備非晶態(tài)聚合物膜和納米復合材料，通過調整電流和電壓等參數(shù)可以實現(xiàn)對材料微觀結構的調控。非晶材料應用非晶材料在電子器件中應用非晶材料因其獨特的光吸收特性和高電導率，在太陽能電池和敏感功能材料中表現(xiàn)出色。例如，非晶硅材料用于制造高性能的光傳感器，其靈敏度和響應時間可與單晶材料媲美。非晶材料在能源領域應用非晶材料在能源領域的應用包括制造高導電和熱穩(wěn)定的合金以及具有光伏性能的材料如硫化銅。這些材料為太陽能板和智能通訊開關電源模塊等設備提供了高效、穩(wěn)定的能源解決方案。非晶材料在醫(yī)療領域應用非晶態(tài)金屬玻璃和非晶態(tài)氧化物玻璃因其優(yōu)良的生物相容性和機械性能，被廣泛應用于醫(yī)療器械和設備的制造。它們不僅提升了設備的耐用性，還減少了對患者的副作用。非晶材料在傳感器中應用非晶材料在傳感器中的應用尤為廣泛，尤其是用于制造光傳感器和磁傳感器。非晶硅材料制作的光傳感器具有高光吸收系數(shù)和低基片材料限制，使得傳感器性能更加優(yōu)越。06凝固過程控制與優(yōu)化凝固過程參數(shù)控制01溫度梯度控制溫度梯度是凝固過程的重要參數(shù)，影響固液界面的穩(wěn)定性和晶體生長速率。通過精確控制溫度梯度，可以優(yōu)化晶體結構和性能，避免出現(xiàn)溫度梯度不均導致的組織不均勻問題。02拉速與過熱度調節(jié)拉速和過熱度直接影響凝固過程中的傳熱和晶體生長。適當?shù)睦俸瓦^熱度可以提高生產(chǎn)效率，同時細化晶粒，改善材料性能。動態(tài)調節(jié)這些參數(shù)可有效控制凝固過程的穩(wěn)定性。03強磁場應用強磁場在凝固過程中起到控制晶粒結構和減少偏析的作用。利用強磁場可以調控金屬熔體的流動行為和固液界面形態(tài)，提高材料的力學性能和尺寸精度。04二冷水溫控制在連鑄過程中，二冷水溫直接影響鑄坯的表面溫度和冷卻速率。通過前饋補償控制和動態(tài)反饋調整二冷水溫，可以實現(xiàn)對鑄坯表面溫度的精確控制，提高產(chǎn)品質量。05工藝參數(shù)優(yōu)化調整增材制造中的工藝參數(shù)，如打印速度