-3 晶核的形成

晶体生长原理和过程晶体是由原子、离子或分子按照一定的几何排列方式组成的固体。

晶体生长是指在一定条件下，晶体中的原子、离子或分子按照一定的几何排列方式组成新的晶体。

晶体生长是一种自组织过程，具有自我组织、自我修复和自我调节的特点。

晶体生长的原理晶体生长的过程中，原子、离子或分子在固体、液体或气态中，通过一系列物理和化学反应，形成了具有一定晶体结构的固体。

晶体生长的原理主要包括两个方面：晶体核心形成和晶体生长。

晶体核心形成是晶体生长的起始阶段，这个阶段的关键在于形成一个具有一定晶体结构的小晶核。

晶体核心形成需要满足一定的条件，包括适当的过饱和度、适当的温度和适当的晶体结构。

一般情况下，晶体核心形成的过程是一个动态平衡的过程，需要克服一定的激活能才能实现。

晶体核心形成之后，晶体生长就开始了。

晶体生长是指晶体核心周围的原子、离子或分子按照一定的几何排列方式组成新的晶体。

晶体生长的过程是一个动态平衡的过程，需要克服一定的表面能和激活能才能实现。

晶体生长的过程晶体生长的过程主要包括三个阶段：弥散阶段、吸附阶段和扩散阶段。

弥散阶段是指原子、离子或分子从溶液中弥散到晶体表面的过程，也是晶体生长的起始阶段。

在弥散阶段中，原子、离子或分子在溶液中做无规则的热运动，当它们遇到晶体表面时，由于表面能的存在，它们会被吸附在晶体表面上，形成一个具有一定晶体结构的小晶核。

吸附阶段是指原子、离子或分子在晶体表面上的吸附和排列的过程。

在吸附阶段中，原子、离子或分子在晶体表面上做定向的热运动，当它们逐渐排列成一个具有一定晶体结构的小团簇时，晶体生长就开始了。

扩散阶段是指晶体核心周围的原子、离子或分子在晶体表面上的扩散和排列的过程。

在扩散阶段中，原子、离子或分子在晶体表面上做定向的热运动，当它们逐渐排列成一个具有一定晶体结构的大团簇时，晶体生长就完成了。

晶体生长是一个复杂的过程，需要满足一定的条件和原理才能实现。

晶体生长的研究对于晶体科学和材料科学都具有重要的意义，可以为材料的制备和性能的优化提供重要的理论和技术支持。

【化学工程】晶核的形成晶核的过饱和溶液中由演技的分子、原子、离子形成初始的微小晶体，是晶体生长过程必不可少的核心。

由于这些粒子不停地作快速运动，故称之为运动单元。

晶核形成的速率指单位体积的溶液在单位时间内生成新粒子的数目。

成核速率对晶体产品的粒度及其分布、晶形和产品质量都有很大影响。

不同结晶过程需要有一定的成核速率，如果成核速率过大，将使晶体细小、粒度分布范围宽、产品质量下降。

粒子只有大至一定的临界粒度，才能成为继续长大的稳定的晶核，临界粒度是晶核的最小粒度。

一般临界粒度值与晶体的表面能及生成能有关，而这直接受溶液的过饱和度影响。

根据热力学原理，相同温度下小粒子具有较大的表面能，这使得微小晶体的溶解度高于较大粒度的晶体，结果是小晶粒不断溶解而大晶粒继续生长，直至小晶粒完全消失，因此常见的溶解度数据仅适用于粒度较大些的晶体。

在晶核形成的机理研究中，二次成核已被认为是晶核的主要来源。

二次成核是指由于溶液中宏观晶体的影响而形成晶核的现象，而接触成核又在二次成核中起着决定性的作用。

在有搅拌的结晶中，晶核的生成量与搅拌强度有直接关系。

晶体在与外部物体(包括其他晶粒)碰撞时会产生大量碎片，其中粒度较大的即为新的晶核，这种成核现象的明确机理还在进一步研究当中。

接触成核是结晶过程中获得晶核最简单也是最好的方法，其优点是:溶液的过饱和度对接触成核速率的影响较小，容易在这样的操作条件下易得到优质的产品;接触成核所需的能量非常低，晶体碰撞所产生的微小伤痕在饱和溶液中仅需数百秒钟就会自动修复而消失(即再生周期很短)，故被碰撞的晶体不会造成宏观的磨损。

接触成核的方式接触成核的方式有四种:一是晶体与搅拌器之间的接触，这是最主要的接触成核方式，可以通过改变搅拌器的结构和速度来控制成核速率;二是晶体与容器内表面之间的接触，改变结晶吕结构对成核速率将会有一暄影响;三是晶体与晶体之间的接触，这种接触的几率和能量虽然较小，但是由于同种晶体之间的相互接触可产生更多的晶核，因此其对成核速率的影响较晶体与容器的接触要大;四是由于沉降速度不同而造成的晶体与晶体之间的碰撞。

第三章、晶体生长一、名次解释：⑴均匀成核：在亚稳定相中空间个点出现稳定相的几率相等的成核过程，是在体系中直接形成的自发过程。

⑵*非均匀成核：稳定相优先出现在体系中的某些局部区域的成核过程，如在体系中的外来质点（尘埃、籽晶、衬底等）上的成核。

⑶成核过程：在一定的驱动力下，借助于能量涨落越过位垒而形成晶核的过程。

⑷临界半径：在晶体成核过程中，体系自由能总的变化量ΔG达到最大时所对应的半径r*称为临界半径。

⑸*自然对流：在重力场中由于温度的不均匀，导致热膨胀的差异从而引起流体密度的差异产生浮力。

当浮力克服了粘滞力，自然对流就发生。

⑹强迫对流：人为对熔体进行搅拌（晶体和坩埚旋转、磁场）造成的对流，由离心力、向心力最终由表面张力的梯度驱动。

2、*分别写出均匀成核与非均匀成核的临界晶核半径、形核功并说明为什么通常非均匀成核比均匀成核要容易？答：3、*简述Kossel模型和Frank模型要点。

答：⑴Kossel模型要点：在晶格上的不同位置，吸附原子的稳定性是不同的，和吸附原子与晶体表面上最近邻、次近邻原子间相互作用情况有关。

晶体表面不同格点位置所受的吸引力是不相同的。

(*完整突变光滑面)⑵*Frank模型要点：在生长晶面上，螺旋位错露头点可作为晶体生长的台阶源（自然二维晶核），当生长基元（原子或分子）扩散到台阶处，台阶便向前推进，晶体就生长了。

（*非完整突变光滑面）4、写出杰克逊因子的表达式并指出各参数的物理意义。

答：*杰克逊因子（相变熵）：α=L0/kT E·y1/ν第一因子：L0/kT E，它取决于体系的热力学性质，L0为单个原子相变时内能的改变，可近似的看成相变潜热，L0/T E为单个原子的相变熵。

第二因子：y1/ν，取决于晶体结构和晶界的取向，v为晶体内部一个原子的近邻原子数，y1为原子在界面内水平方向的近邻原子数。

此因子叫作取向因子，反应出晶体的各向异性。

5、写出熔体生长时单晶炉内热场的基本要求并作出解释（合理热场的基本条件）。

第五讲 晶核的形成第四节 晶核的形成一、主要内容：均匀形核非均匀形核二、要点：形核的能量变化，临界晶核半径，临界晶核半径与过冷度的关系，形核功，临界形核功，临界形核功与过冷度的关系，能量起伏的概念，形核率，形核率的影响因素，晶体金属与非晶体金属的形成条件，非均匀形核，非均匀形核的临界晶核半径和临界形核功，非均匀形核的形核率，影响形核率的因素三、方法说明：通过形核能量变化的讨论，说明形核的难易程度，使学生清楚的认识影响形核率的各种因素，因为，晶粒的大小对金属的性能有直接的影响。

授课内容：过冷液体形成固体晶核有两种形核方式：均匀形核（均质形核或自发形核）非均匀形核（异质形核或非自发形核）一、均匀形核1. 均匀形核：液态金属绝对纯净，无任何杂质，不和型壁接触，只靠液态金属的能量变化，由晶胚直接生成晶核的过程。

2. 均匀形核时的能量变化和临界晶核半径：在过冷液体中出现晶胚时，一方面原子从液态转变为固态将使系统自由能降低，它是驱动力。

另一方面，由于晶胚构成新的表面，形成表面能，使系统能量升高，它是结晶的阻力。

σS G V G V +∆-=∆假设过冷液体中出现一个半径为r 的球状晶胚，它引起的自由能变化为：σππ23434r G r G V +∆-=∆ 体积自由能的变化与晶胚半径的立方成正比，而表面能的变化与半径的平方成正比。

总的自由能是体积自由能和表面能的代数和。

自由能随晶胚半径的变化如图：当K r r ＜时，随着晶胚尺寸的增大，系统自由能增加当K r r ＞时，随着晶胚尺寸的增大，系统自由能降低把半径为K r 的晶胚叫做临界晶核，K r 称为临界晶核半径VK G r ∆=σ2 临界晶核半径与晶核的单位表面能成正比，而与单位体积自由能成反比。

TL T r m m K ∆=σ2晶核的临界半径与过冷度成反比，过冷度越大，临界半径越小。

在过冷液体中所存在的最大相起伏与过冷度的关系如图：K T ∆就是临界过冷度3、解释说明：晶核形成时的能量变化和临界晶核晶体熔化后的液态结构从长程来说是无序的，而在短程范围内却存在着不稳定的，接近于有序的原子集团（尤其是温度接近熔点时）。

武汉理工大学《材料科学基础》考试试题第一套试卷一、填空题（共20分，每个空1分）1、村料科学要解决的问题就是研究材料的（）与（）、（）、材料性质、使用性能以及环境间相互关系及制约规律。

2、晶体结构指晶体中原子或分子的排列情况，由（）+（）而构成。

晶体结构的形式是无限多的。

3、热缺陷是由热起伏的原因所产生的，（）缺陷是指点离开正常的个点后进入到晶格间隙位置，其特征是空位和间隙质点成对出现：而（）缺陷是指点有表面位置迁移到新表面位置，在晶体表面形成新的一层，向时在晶体内部留下空位。

4、硅酸盐熔体随着温度升高，低聚物浓度（），熔体的粘度（）。

5、玻璃的料性是指玻璃的（）变化时（）随之变化的速率6、固体的表面粗糙化后，原来能润湿的液体，接触角将（），原来不能润湿的液体，接触角将（）。

7、克肯达尔（Kirkendall）效应说明了互扩算过程中各组元的（）不同以及置换型扩散的（）机制。

8、按照相变机理可以将相变分成（）、（）、乃氏体相变和有序-无序转变9、晶体长大时，当析出晶体与熔体组成相同时，晶体长大速率由（）控制，当析出晶体与熔体组成不同时，晶体长大速率由（）控制10、同一物质处于不同结构状态时，其反应活性相差很大，一般来说，晶格能愈高、结构愈完整和稳定的，其反应活性也（）。

二、判断题（共10分，每个题1分）1、（）位错的滑移是指在热缺陷或外力作用下，位错线在垂直其滑移面方向上的运动，结果导致晶体中空位或间隙质点的增殖或减少。

2、（）间隙扩散机制适用于间隙型固溶体中间隙原子的扩散，其中发生间隙扩散的主要是间隙原子，阵点上的原子则可以认为是不动的。

3、（）要使相变自发进行，系统必须过冷（过热）或者过饱和，此时系统温度、浓度和压力与相平衡时温度、浓度和压力之差就是相变过程的推动力。

4、（）扩散系数对温度是非常敏感的，随着温度升高，扩散系数明显降低。

5、（）当晶核与晶核剂的接触角越大时，越有利于晶核的形成。

6、（）固相反应的开始温度，远低于反应物的熔点或者系统的低共融温度。

晶体生长原理晶体生长原理晶体是由一定数量的分子、离子或原子按照一定的规律排列而成的固体，其结构具有周期性。

晶体生长是指在溶液中，由于某种物质的存在，使得原本无法形成晶体的物质开始有了晶核，并且随着时间的推移，逐渐形成完整的晶体过程。

1. 晶核形成在溶液中，当某些分子或离子达到一定浓度时，它们会聚集在一起形成一个微小的团簇，这就是晶核。

晶核是整个晶体生长过程中最基础和关键的部分。

2. 晶核增长当一个微小的团簇形成后，它会在周围吸收更多的分子或离子，并逐渐增大。

这个过程称为晶核增长。

通常情况下，晶核增长速度比较慢，在正常条件下需要很长时间才能形成一个完整的晶体。

3. 溶液浓度溶液浓度是影响晶体生长速率和质量的重要因素之一。

当溶液中某种物质浓度超过饱和点时，就容易形成晶核。

但是，如果浓度过高，会导致晶体生长速度过快，形成的晶体质量较差。

4. 温度温度也是影响晶体生长速率和质量的重要因素之一。

通常情况下，温度越高，分子或离子的运动能力越强，晶核形成和增长速率也会加快。

但是，如果温度过高，会导致溶液中的物质发生分解或水解等反应，从而影响晶体生长。

5. 搅拌搅拌可以增加溶液中物质之间的接触频率和运动速度，从而促进晶核形成和增长。

但是，在搅拌过程中也会产生涡流等不稳定因素，对晶体的形态产生一定影响。

6. 晶体结构不同种类的物质具有不同的结构特征，在溶液中也会表现出不同的生长规律。

例如硫酸钠和硫酸钾在相同条件下生长出来的晶体形状就有所不同。

7. 光照光照可以通过改变光合作用产物、调节pH值等方式影响溶液中物质的浓度和分布，从而影响晶体生长。

例如，在光照下生长的晶体往往比在黑暗中生长的晶体更透明。

总之，晶体生长是一个复杂的过程，受到多种因素的影响。

通过了解这些因素，我们可以更好地控制晶体生长过程，获得具有理想形态和性质的晶体。

5 晶体形核与长大摘要5.1 引言几乎所有物质都能以晶体形态存在，而玻璃只是某些物质在特定条件下才能形成的状态，它经过一定处理还会核化和晶化,这正是微晶玻璃得以形成的基础.（玻璃形成学，p1）对各类微晶玻璃而言，得到适当的晶体结构，晶体数量，晶体尺寸和分布是至关重要的，而这取决于许多因素，如材料成分，其形核－长大的热力学、动力学特点，分相状态，晶体形成机理,晶化工艺参数等等，虽然自微晶玻璃问世以来，一直没有停止对形核与长大的研究，但至今仍有许多未搞清的问题，而云母型微晶玻璃问世较晚，成分范围又很宽，形核－长大的机理各有不同，对每种新研制的微晶玻璃，搞清其形核－长大的机理对于得到理想的晶化效果是必不可少的工作。

针对目前对可切削微晶玻璃的形核长大过程研究还不够充分的问题，本文对研制的低熔点可切削微晶玻璃的形核长大过程进行了详细研究。

5.2．形核与长大一般结晶过程均由形核与长大两个过程组成,微晶玻璃也是如此.5.2.1 形核的一般理论分析成核过程可分为均匀成核和非均匀成核。

均匀成核是指在宏观均匀的玻璃中，在无外来物参与下的成核过程；非均匀成核是指依靠相界、晶界或基质的结构缺陷等不均匀部位而成核的过程。

a.均匀成核 ---玻璃的分相与结晶四首先从热力学的角度考察成核过程的能量变化。

处于过冷状态的玻璃熔体，由于热运动引起组成上和结构上的起伏，一部分变成晶相。

晶相内部质点的规则排列使系统的体积自由能∆Gv减小。

然而，新相的产生势必产生新的界面，导致界面自由能∆G 0的增加。

系统总的自由能∆G 的变化是上述两个自由能变化之和：∆G ＝－∆Gv ＋∆G 0 （5.1）上式中“－”号表示能量减少，“＋”号表示增加。

假设晶核是球形的，则有：34/3v v G r g π∆=-∆ （5.2）204G r πσ∆= （5.3）r 为核半径，∆g v 为相变过程中单位体积自由能的变化，σ是新相与熔体之间的表面张力。

将（302）和（303）式代入（301）式得：324/34v G r g r ππσ∆=-∆+ （5.4）据（304）式绘成图3－1，从图3－1分析可知，当r<r*时，（304）式中的界面能的变化起主要作用，晶核的长大使系统的自由能增大，晶核不能稳定生长；只有当r>r*时，系统自由能才是减小的。

矿物晶体的形成过程
矿物晶体的形成过程包括以下几个主要步骤：
1. 矿物溶液形成：矿物晶体一般是通过矿物溶液形成的。

矿物溶液是指一种物质溶解在液体中，形成一种具有一定浓度的溶液。

这种溶液中的原子、分子或离子可以自由移动和重新排列。

2. 过饱和度增加：当矿物溶液中的溶质浓度超过其饱和度时，产生过饱和度，即溶液中物质的浓度超过了由温度和压力所允许的溶解度。

过饱和度的增加有助于晶体的形成。

3. 晶核形成：当溶液过饱和度达到一定程度时，晶核开始形成。

晶核是指由少数分子或离子通过自聚或相互吸附而组成的微小团块。

晶核的形成是晶体生长的起点。

4. 晶体生长：在形成晶核之后，晶体会逐渐生长。

晶体的生长是指在过饱和度下，溶液中的溶质分子或离子沉积在晶核表面并沿着特定的晶体面方向定向排列，从而逐渐增大晶体体积。

5. 晶体定向排列：晶体在生长过程中，晶体内部的分子或离子以一定的规则排列。

这种规则的排列形成了晶体的晶格结构，决定了晶体的外部形态和内部结构。

总之，矿物晶体的形成是通过矿物溶液的过饱和度增加，晶核形成，晶体生长和晶体定向排列等步骤完成的。

不同的矿物在形成过程中可能有不同的特点和条件。

文档标题：晶体生长三部曲：从胚胎到成熟的全过程正文：哎哟，说起晶体生长，这事儿可有意思了。

咱们平时看到的那些亮晶晶的宝石、晶莹剔透的盐粒，其实都是晶体。

它们是怎么从无到有，从小到大的呢？今天我就用大白话给大家讲讲晶体生长的三个阶段，保证让你听得明明白白。

第一阶段：胚胎期，也就是晶核形成阶段咱们都知道，种瓜得瓜，种豆得豆，晶体生长也得有个“种子”，这个“种子”就叫晶核。

晶核的形成，就像是个宝宝刚开始在妈妈肚子里扎根一样。

在这个阶段，溶液里的分子、原子或者离子，它们开始不安分了，互相拉拉扯扯，抱团取暖，慢慢就形成了一个个小团体，这就是晶核。

这个过程可不容易，得有合适的温度、压力和环境，才能让这些小家伙们安心成长。

第二阶段：成长期，也就是晶粒长大的阶段晶核一旦形成，接下来就是疯狂长大的阶段了。

这就像小孩子长个儿一样，蹭蹭蹭地往上窜。

在这个阶段，溶液里的分子、原子或者离子，它们看到晶核这么热闹，也都纷纷跑过来加入，一个接一个地贴在晶核上，让晶体越来越大。

这个过程叫做“沉积”，听起来高大上，其实说白了就是一层层往上堆。

但是，这个堆的过程有讲究，得按照一定的规律来，不然长出来的晶体就不完美了。

第三阶段：成熟期，也就是晶体完善的阶段晶体长到一定程度，就像人到了成年，得开始注重内在修养了。

这时候，晶体生长的速度会慢下来，开始调整自己的内部结构，把那些长得不规矩的地方慢慢修正，让自己变得越来越完美。

这个阶段，晶体的形状、大小基本定型，但内部还在不断优化，就像人锻炼身体，让自己更健康一样。

总的来说，晶体生长这三个阶段，就像人的一生，从出生到成长，再到成熟。

每个阶段都有它的特点和重要性，缺一不可。

而且，这个过程还得小心翼翼的，稍微有点风吹草动，比如温度、压力变化，都可能影响晶体的生长，让它们长歪了或者长得不完美。

所以说，晶体生长这事儿，看着简单，其实里面的门道多了去了。

下次当你看到那些漂亮的晶体时，别忘了它们可是经历了千辛万苦，才长成现在这个样子的哦。

晶核和晶胚的名词解释晶核和晶胚这两个名词在晶体学中具有重要的含义和意义。

它们是研究晶体生长和结晶过程中关键的概念，对于从事材料科学和矿物学研究的学者们来说，理解这两个概念的内涵和联系具有重要的意义。

晶核是指在溶液或融体中形成初次结晶的微小晶体结构。

它是晶化过程的起点，可以说是晶体生长的基础。

晶核的形成条件要求溶液中具有过饱和度，即溶液中溶质的浓度超过了饱和浓度。

只有在过饱和的情况下，晶核才能形成。

过饱和度越高，晶核的形成速率就越快，从而导致晶体生长的速度加快。

晶核的形成可以通过两种方式实现：1. 同种物质的晶核形成；2. 异种物质的晶核引发。

同种物质的晶核形成是指溶液中存在同种物质的微小结构，这些微小结构会进一步形成晶体，如溶液中的离子或溶解度较低的物质。

异种物质的晶核引发是指在溶液中存在一种异质核心，它可以促使同种物质晶核的形成。

晶核的形成对材料的性质和结晶过程有着重要的影响，因此研究晶核的形成机制也成为材料科学领域的研究热点之一。

晶核的形成是晶体生长的第一步，而晶胚则是晶体生长的第二步。

晶胚是指晶核在过饱和度的作用下逐渐长大并形成稳定的晶体结构。

晶胚的成长是晶体结晶过程中最为重要的阶段之一，它直接决定了晶体的尺寸和形态。

晶胚的成长过程涉及到流体动力学、传质和传热过程等复杂的物理化学现象，因此对晶胚的研究也是晶体学中的一个重要课题。

晶胚的成长过程可以通过几种方式实现：1. 同质成核和同质成长；2. 异质成核和异质成长。

同质成核和同质成长是指晶核和晶胚由同种物质组成，晶胚的形态与晶核一致。

异质成核和异质成长是指晶核和晶胚由不同物质组成，晶胚的形态与晶核可能存在差异。

不同方式的晶胚成长对于晶体的形态和晶格结构都有着重要的影响。

晶核和晶胚的形成与成长过程不仅在材料科学和矿物学领域有着广泛应用，还在生命科学领域中具有重要意义。

例如，在生物体中，晶核和晶胚的形成是生长与再生的关键环节。

在海洋生物中，如贝壳和珊瑚等，晶核和晶胚的形成在生物体内部发生，从而形成坚固的外骨骼。

关于成核速率公式的研究摘要：本文对溶液中粒子的成核速率做了简介，通过对溶液吉布斯自由能的推导得出溶液中团培的分布规律，以及对液相颗粒的成核速率公式与Lamer图也做了讨论，通过总结并得出成核速率的简化近似式。

晶体生长是一种技艺，也是一门正在迅速发展的学科，晶体生长是一种能形成单晶体的特殊的相变过程。

在亚稳相中新相(稳定相)能否出现以及如何出现，即新相的成核问题、新相是如何长大的，或者说，新相与旧相的界面以怎样的方式和以怎样的速率向旧相中推移将是我们研究的主要内容。

1、晶核的形成能与临界晶核在亚稳相中新相一旦成核，新相就能自发地长大，这是由于新相的长大过程就是系统的吉布斯自由能降低的过程。

亚稳相转变为稳定相，一般说来，其转变方式有两种。

第一种是，新相与旧相在结构上的差异是微小的，在亚稳相中几乎是所有区域同时地发生转变。

这种相变的特点是，变化的程度十分微小，变化的区域(空间)是异常大[1]；或者说，这种相变在空间上是连续的，在时间上是不连续的。

第二种转变的方式是，其变化程度很大而变化的空间是很微小。

这就是说，新相在亚稳相中某一小区域内产生(成核)，而后通过相界的位移使新相逐渐长大(成长）这种转变在空间方面是不连续的，在时间方面是连续的。

结晶过程就是这种类型的成核过程[2]。

当溶液过饱和处于亚稳相，析出组分形成固态微粒时，其吉布斯自由能改变量ΔG包含两项；第一项ΔG1为析出组分分子(原子)从溶液转移进到固态微粒中所发生的吉布斯自由能改变量，ΔG1=(4/3)πr3Δg/Ψs，Ψs为一个分子(原子)的体积，Δg为一个分子对应的吉布斯自由能改变量，Δg= - kTlnc/ c0，k是玻耳兹曼常数，T是绝对温度，c0是饱和浓度，s= c/ c0是相对过饱和度，ΔG1为负值；第二项ΔG2= 4πr2σ，为固态微粒的表面张力引起的吉布斯自由能改变量，它随半径r2而变化，σ为液固界面张力系数[3]，即有ΔG=ΔG1+ΔG2=(-4πr3 kT/3Ψs)lnc/c0+ 4πr2σ (1)ΔG随固态微粒半径r的变化关系如图1。