第4章_纯金属晶体生长界面动力学过程

（二）临界晶核 设晶胚为半径r的球形，形核时总能量变化为： ΔG=-ΔG体积+ΔG表面 =-433GV42
ΔGV-单位体积自由能，σ-比表面能 ΔG是r的函数。
由 Gf(r) 的函数作图可知，在r=rc时△G取 得极大值。
讨论： 1.当r＜rk则晶胚生长 ，将导致体系 ΔG ，晶胚重新熔化而消失。 2.若r＞rk 晶胚r ，体系的ΔG,结晶 自发进行，此时的晶胚就成为晶核
2.金属熔化时的体积变化：大多数金属熔化时体积变化仅为
3％－5％，熔化前后原子间距变化不大，熔化前后原子间结 合力较为接近。
3.金属熔化熵值变化小:
金属熔化时结构变化小，只是相对“无序度”增加.
液态金属结构与固态相似存在近程有序，近程密堆， 远程无序.
二.材料凝固的过冷现象
过冷现象-实际结晶温度低于理论结 晶温度的现象。
假设：晶核是依附过冷液相现成基底B上形成晶核S；
设晶核为半径为r的球缺体；S1为球冠面积； S2为晶核与基底接触的面积； θ为晶核与基体的润湿角。
晶核形成稳定存在的瞬间（不 熔化、长大），三相交点处， 表面张力应达到平衡：
σLB=σSB+σLScosθ
非均匀形核示意图
σLB、σsB、σLs分别为L/B、S/B、L/S间的表面张力
均为自发过程.
结论：过冷是结晶的必要条件， 而 ΔT≥ΔTc是结晶的充分必要条件。
过冷度对临界晶核与 最大相起伏的影响
（五）临界晶核的形核功
ΔG=-ΔG体积+ΔG表面 =-433GV42
将
k
2 GV
代入上式可得：
3
2
G k4 3 L 2 m T T m G 4 L 2 m T T m 化简得

• 2.柱状晶区：稳定的凝固壳 层一旦形成，柱状晶就直接 由表面细等轴晶凝固层某些 晶粒为基底向内生长，发展
成由外向内生长的柱状晶区。
枝晶主干取向与热流方向平
行的枝晶生长迅速 。
铸
型
液 态 金 属
柱状晶生长过程的动态演示
• 3.中心粗等轴晶区: 由于结晶潜热的不断放出，散 热速度不断减慢，导致柱状晶生长停止，当心部液
变质处理前
变质处理使组织 细化。变质剂为 硅铁或硅钙合金。
变质处理后
• 3.振动、搅拌等：对正在结晶的金属进行振动或 搅动，一方面可靠外部输入的能量来促进形核， 另一方面也可使成长中的枝晶破碎，使晶核数目 显著增加。
电磁搅拌细化晶粒示意图
超声振动细化晶粒示意图
气轮机转子的宏观组织(纵截面)
细晶的熔模铸件(上)
素偏聚于最终结晶区，造
成宏观上的成分不均匀，
称宏观偏析。适当控制浇
注温度和结晶速度可减轻 宏观偏析。
硫在钢锭中偏析的模拟结果
• ⑶气孔: 气孔是指液态金属中溶解的气体或反应生成 的气体在结晶时未逸出而存留于铸锭(件)中的气泡. 铸锭中的封闭的气孔可在热加工时焊合，张开的气 孔需要切除。铸件中出现气
1400 ℃
1550 ℃
1700 ℃
4.2
4.2.1
冷却曲线与过冷度
冷却曲线
热分析法
1.过冷现象和过冷度
温 度 Tm
雾 凇
理论冷却曲线
Tn
实际冷却曲线
过冷现象 ( supercooling ) 过冷度 ( degree of supercooling
纯金属的冷却曲线
时间
ΔT = Tm – Tn
过冷是结晶的必要条件

晶体生长过程中的界面动力学研究晶体生长是一个涉及到物理学、化学、数学等多个学科的领域，其中界面动力学是其中一个重要研究方向。

界面动力学主要研究在不同条件下晶体生长中液-固界面的动力学行为，通过理论和实验的研究，可以更好地描述和控制晶体生长过程，为材料科学和能源科技等领域提供有价值的参考。

一、晶体生长中的界面动力学晶体是由分子或原子组成的有序物质，其生长过程需要溶液中物质的扩散、吸附和结晶等多个过程。

生长的过程主要体现在液-固（或气-固）的交界处，也就是晶体的界面上。

因此，界面动力学研究的重点就是晶体生长过程中液-固界面的动力学行为。

在界面动力学中，最常用的理论模型之一是“再结晶理论”。

该理论模型假设晶体生长过程中液相分子能自由扩散并进入固相，并沿晶体表面扩散最终结晶，从而形成晶体。

当液滴通过晶体表面时，会先选择朝向能量最低的方向，并形成一个滑移平面。

在此基础上，随着液滴进一步扩散和吸附的过程，晶体的生长速度逐渐加快，形成自组装式生长。

二、晶体生长中的液-固界面结构和动力学特性晶体生长中液-固界面的结构和动力学特性将直接影响晶体的生长速率和晶体质量，因此对液-固界面的研究是极其重要的。

我们可以通过扫描电子显微镜和原子力显微镜等手段来观察晶体生长界面的微观形态，并通过彩色蚀刻实验（Color etching）来定性分析不同条件下的晶体生长速率、表面形貌和结构等。

此外，可以通过电感耦合等离子体法（ICP）技术来实时监测溶液中的化学物质浓度和温度等变化，以揭示生长过程中的动力学特性。

三、界面动力学的应用界面动力学研究的应用广泛，主要应用于材料科学、能源技术和生物科学等领域。

其中最典型的应用就是在晶体生长和半导体制造过程中。

在晶体生长中，界面动力学可以被用于控制晶体质量和晶体形态等，从而提高晶体生长效率和质量。

在半导体制造中，界面动力学可以被用于控制晶体表面的缺陷和杂质，从而提高器件性能和可靠性。

此外，界面动力学在化学反应动力学、能源材料和环境科学等方面也发挥着重要的作用。

• 应用
激光频率转换、四波混频、光束转向、图象放 大光信息处理、激光对抗和核聚变等研究领域。
• 现状：
我国该领域领先
（3）电光晶体
• 定义：
光通过有外加场的晶体时，光随着外加场 的变化发生如偏转、偏振面旋转等而达到控 制光传播的目的。这类晶体为电光晶体。
• 应用：
光通讯、光开关、大屏幕显示、光储存、 光雷达和光计算机等。
• 应用：
红外热释电探测器、红外热释电摄像管等。
（7）压电晶体
• 定义：
通过拉伸或压缩使晶体产生极化，导致晶 体表面电荷的现象称为压电效应，这类晶体 为压电晶体。
• 应用：
滤波器、谐振器、光偏转器、测压元件等。
（8）闪烁晶体
• 定义：
当射线或放射性粒子通过晶体时，晶体会 发出荧光脉冲，这类晶体为闪烁晶体。
分类（按组分分）
A）基质晶体（载体）中掺入激活离子（发光中心Nd3+，Cr3+ ， Ho3+ ，Dy2+ ）。输出的波长从紫外（~0.17m）到中红外 （~5.15 m ）。如：红宝石Al2O3:Cr3+，掺钕钇铝石榴石 YAG:Nd3+等。
B）化学计量激光晶体，这种晶体的激化离子就是晶体组成之 一。其特点：高效、低值，功率小。
• 要求：
在使用的波长范围内，对光的吸收和散射要小、 电阻率要大、介电损耗角要小、化学稳定、机械和 热性能好、半波电压低等。
（4）声光晶体
• 定义：
超声波通过晶体时，在晶体中产生随时间变化 的压缩和膨胀区域，使晶体的折射率发生周期性变 化，形成超声导致的折射率光栅，当光通过折射率 周期性变化的晶体时，将受到光栅的衍射，产生声 光相互作用。这类晶体为声光晶体。