定向凝固及其应用

定向凝固制备铸造多晶硅的原理及应用综述摘要：阐述了介绍了定向凝固应用于硅材料的理论基础，论述了近年来定向凝固制备技术在杂质提纯和晶体生长的研究进展，提出了定向凝固制备铸造多晶硅研究现状和存在的问题。

展望今后的发展前景，认为新型的定向凝固技术制备出的硅锭在杂质含量、晶体结构方面均优于传统凝固技术，应积极改善定向凝固技术，以制备高品质的太阳能硅材料。

关键词定向凝固；铸造多晶硅；杂质和缺陷；转化效率晶体硅太阳能电池包括单晶电池和多晶电池2种，多晶电池的市场份额占到一半以上，商业化的多晶电池效率可以达到14%左右[1]。

实验条件下，多晶电池的最高转化效率达到20.30左右，多晶电池的效率虽然略低于单晶电池1%～2%，但多晶电池制造成本低、环境污染小，仍有很高的性价比和市场[2]。

近年来，由于技术改良、电池效率提高及生产成本下降等有利因素，因而大大促进了多晶电池应用技术的发展，也使业内专家学者给予了多晶电池制备技术更多研究和关注[3]。

影响多晶电池转换效率主要有2个方面：一是多晶硅铸锭的纯度，即使材料中含有少量的杂质，对电池的光电性能就有很大的影响[4]；二是尽量减少材料中各种缺陷，多晶硅铸锭中的晶界、位错与杂质聚集成载流子复合中心，大大的降低了多晶电池效率。

由以上表述可知，要提高多晶电池的效率，必须围绕提高材料纯度和降低材料缺陷的技术进行研究，而定向凝固技术正是制备硅晶体材料的典型应用。

定向凝固技术开始只用于传统的高温合金研制，经过几十年的发展，它已经是一种成熟的材料制备技术[5]。

定向凝固技术在多晶硅铸造主要是控制晶体生长和杂质提纯2方面的应用。

定向凝固技术可以很好地控制组织的晶面取向，消除横向晶界，获得大晶粒或单晶组织，提高材料的力学性能[6]。

同时，定向凝固可生成按照一定晶面取向、排列整齐的晶体结构,由于分凝系数的不同，杂质凝聚于晶界和铸锭上方，对材料起到提纯作用。

1. 基本原理多晶硅铸锭实际上就是由定向排列的柱状晶体组合形成，形成的理论基础就是定向凝固原理。

定向凝固法制备
定向凝固法是一种用于制备单晶材料的方法，通过控制材料的凝固过程，使其形成具有完整结晶结构的单晶体。

以下是关于定向凝固法制备单晶材料的基本步骤：
1. 材料选择：选择适合定向凝固法的材料，通常是金属、合金或半导体材料。

这些材料应具有良好的熔化性能和晶体生长特性。

2. 准备熔融物料：将选定的材料按照所需的比例混合，并加热至熔点以上形成均匀的熔体。

3. 制备结晶器：设计和制备用于定向凝固的结晶器。

结晶器通常由高温合金或陶瓷材料制成，具有特殊的外形和内部结构，以促进单晶的生长。

4. 温度控制：在结晶器中加热熔融物料，并控制温度梯度和梯度方向。

温度梯度的控制是非常重要的，它会影响单晶的生长速率和方向。

5. 单晶生长：将结晶器中的熔融物料冷却至凝固点以下，使其逐渐凝固形成单晶。

由于温度梯度的存在，单晶会从高温区向低温区生长，最终形成完整的单晶结构。

6. 单晶提取：待单晶完全凝固后，将其从结晶器中取出。

提取的过程需要
谨慎，以避免单晶的破碎或变形。

7. 后处理：对提取的单晶进行必要的后处理，如去除表面氧化物、调整尺寸和形状等，以得到符合要求的最终产品。

定向凝固法制备单晶材料的关键在于控制温度梯度和凝固速率，以确保单晶的生长方向和结晶质量。

这种方法广泛应用于材料科学和工程领域，用于制备用于电子器件、光学器件、航空发动机叶片等高性能应用的单晶材料。

monte carlo方法在定向凝固微观组织模拟中的应用
随着金属材料表面凝固后结构的研究，已经越来越受到关注。

在宏观级别，它与尺寸和形状效应有关，如表面的粗糙度和摩擦特性。

在微观级别，它与定向凝固行为有关，也就是组织结构中晶体晶格形状和大小的变化。

在宏观和微观级别上，定向凝固微观组织模拟都是极其复杂的过程，模拟后的结果非常容易受到随机扰动的影响。

因此开发一种可以精确模拟定向凝固微观组织变化过程的有效算法就成为了材料工程
领域的热点问题。

目前，Monte Carlo方法已经成为定向凝固微观组织模拟的一种有效的方法。

它的基本原理是根据模拟的环境情况来随机探索系统可能的状态，并从中选择最佳状态。

在定向凝固模拟中，Monte Carlo
方法可以简化组织分布的计算，使空间结构变化的计算效率大大提高。

在实际应用中，Monte Carlo方法可以用来模拟各种定向凝固组织，如多孔晶体、断裂晶体、无定向凝固晶体以及各种合金的晶体组织。

它可以模拟凝固过程中晶胞形状、晶粒形状及其尺寸的变化，也可以在定向凝固中模拟各类不同组相之间的相变。

此外，Monte Carlo方法可以应用于分析定向凝固行为的原因。

它可以用来研究不同空间形状对定向凝固的影响，并研究不同应力水平对定向凝固的影响。

它还可以用来评估不同温度、湿度和其他环境因素对定向凝固过程的影响。

总之，Monte Carlo方法是一种有效且功能强大的定向凝固微观
组织模拟方法，它可以模拟组织结构的变化，并分析定向凝固行为的原因。

它的应用不仅可以提高模拟的准确性，还可以改善材料的性能，为材料工程领域的研究和应用奠定坚实的基础。

定向凝固技术及其应用1.定向凝固理论基础及方法定向凝固又称定向结晶，是指金属或合金在熔体中定向生长晶体的一种方法。

定向凝固技术是在铸型中建立特定方向的温度梯度，使熔融合金沿着热流相反的方向，按要求的结晶取向进行凝固铸造的工艺。

它能大幅度地提高高温合金综合性能。

定向凝固的目的是为了使铸件获得按一定方向生长的柱状晶或单晶组织。

定向凝固铸件的组织分为柱状、单晶和定向共晶3种。

要得到定向凝固组织需要满足的条件，首先要在开始凝固的部位形成稳定的凝固壳，凝固壳的形成阻止了该部位的型壁晶粒游离，并为柱状晶提供了生长基础，该条件可通过各种激冷措施达到。

其次，要确保凝固壳中的晶粒按既定方向通过择优生长而发展成平行排列的柱状晶组织，同时，为使柱状晶的纵向生长不受限制，并且在其组织中不夹杂有异向晶粒，固液界面前方不应存在生核和晶粒游离现象。

这个条件可通过下述措施来满足：（1）严格的单向散热。

要使凝固系统始终处于柱状晶生长方向的正温度梯度作用下，并且要绝对阻止侧向散热，以避免界面前方型壁及其附近的生核和长大。

（2）要有足够大的液相温度梯度与固液界面向前推进速度比值以使成分过冷限制在允许的范围内。

同时要减少熔体的非均质生核能力，这样就能避免界面前方的生核现象，提高熔体的纯净度，减少因氧化和吸氧而形成的杂质污染，对已有的有效衬底则通过高温加热或加入其他元素来改变其组成和结构等方法均有助于减少熔体的非均质生核能力。

（3）要避免液态金属的对流。

搅拌和振动，从而阻止界面前方的晶粒游离，对晶粒密度大于液态金属的合金，避免自然对流的最好方法就是自下而上地进行单向结晶。

当然也可以通过安置固定磁场的方法阻止其单向结晶过程中的对流。

从这三个条件我们可以推断，为了实现定向凝固，在工艺技术上必须采取措施避免侧向散热，同时在靠近固液界面的熔体中维持较高的温度梯度。

定向生长理论和它的应用很大程度上取决于先进定向凝固技术。

自从Bridgman和Stockbarger在20世纪20年达提出奠定了现代定向凝固和单晶生长技术基础的Bridgman定向凝固技术，定向凝固就被广泛运用于制备各种结构和功能材料。

《定向凝固Al-Cu-Si共晶合金组织形成与性能》篇一一、引言随着现代科技的发展，金属材料在众多领域中发挥着重要作用。

其中，Al-Cu-Si共晶合金因其优异的物理和机械性能，被广泛应用于航空航天、汽车制造、电子封装等领域。

本文将重点研究定向凝固Al-Cu-Si共晶合金的组织形成及其性能，以期为相关领域的研究和应用提供理论依据。

二、定向凝固Al-Cu-Si共晶合金的组织形成1. 合金成分与相图Al-Cu-Si三元合金系统具有复杂的相图，其中共晶成分的合金在一定的温度范围内可以形成共晶组织。

通过调整合金的成分，可以获得具有特定组织和性能的共晶合金。

2. 定向凝固工艺定向凝固是一种通过控制合金的冷却速度和结晶方向，从而获得具有特定组织和性能的材料的方法。

在Al-Cu-Si共晶合金的定向凝固过程中，通过控制温度梯度和冷却速度，可以获得具有特定晶体取向的共晶组织。

3. 组织形成过程在定向凝固过程中，Al-Cu-Si共晶合金的组织形成主要受到温度梯度、结晶速度和合金成分的影响。

当合金在一定的温度梯度下冷却时，首先形成初生相，随后在初生相的基础上形成共晶组织。

共晶组织的形成过程包括初生相的生长、共晶相的形成和共晶片的生长等步骤。

三、Al-Cu-Si共晶合金的性能1. 机械性能Al-Cu-Si共晶合金具有较高的强度和硬度，同时具有良好的塑性和韧性。

这主要得益于其独特的共晶组织结构，使得合金在受到外力作用时能够产生良好的变形协调能力。

2. 物理性能Al-Cu-Si共晶合金具有良好的导热性和导电性，这使得其在电子封装和导电材料等领域具有广泛的应用。

此外，该合金还具有较好的耐腐蚀性能，能够在恶劣的环境中长时间使用。

四、定向凝固对Al-Cu-Si共晶合金性能的影响通过定向凝固工艺，可以获得具有特定晶体取向的Al-Cu-Si 共晶合金。

这种合金的机械性能和物理性能得到进一步提高，同时具有更好的各向异性。

定向凝固使得合金中的晶体结构更加规整，从而提高了合金的强度和硬度。

定向凝固技术
定向凝固技术是一种用于制造具有特定晶体取向的金属或合金材料的技术。

这种技术通过控制材料的凝固过程，使其在特定方向上生长，从而获得具有特定晶体取向的材料。

定向凝固技术的基本原理是在材料凝固过程中，通过控制凝固速度和温度分布，使晶粒在特定方向上生长。

这种技术通常使用定向凝固炉或定向凝固模具来实现。

定向凝固技术的优点包括：
1. 可以获得具有特定晶体取向的材料，从而提高材料的力学性能和物理性能。

2. 可以控制材料的晶粒尺寸和分布，从而提高材料的强度和韧性。

3. 可以减少材料中的缺陷和杂质，从而提高材料的质量和可靠性。

定向凝固技术广泛应用于航空航天、汽车、电子、医疗等领域，特别是在制造高强度、高韧性、高耐腐蚀性的材料方面具有重要作用。

定向凝固技术的发展及应用摘要：定向凝固技术可使材料凝固组织按特定方向排列，获得定向及单晶组织结构，从而大大改善材料的力学和物理性能。

本文详细地评述了传统定向凝固技术的发展过程和存在的问题，阐述了几种新近发展起来的新型定向凝固技术。

介绍了定向凝固技术在材料制备中的应用。

关键词：定向凝固技术，温度梯度，材料制备金属的定向凝固就是指在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属样未凝固熔体中建立起沿特定方向的温度梯度，从而使熔体在气壁上形核后沿着与热流相反的方向，按要求的结晶取向进行凝固的技术。

它是在高温合金的研制中建立和完善起来的。

该技术被广泛用于获得具有特殊取向的组织和优异性能的材料，因而自其诞生以来得到了迅速的发展。

应用定向凝固方法，可以得到定向组织、甚至单晶，可以明显地提高材料所需的性能。

因此，定向凝固技术自其诞生以来得到了迅速的发展。

1定向凝固技术的发展过程定向凝固技术除早期用于高温合金的研制外，后来还逐渐推广到半导体材料、磁性材料、复合材料等的研制中，并成为凝固理论研究的重要手段之一。

热流的控制是定向凝固技术中的重要环节，获得并保持单向热流是定向凝固成功的重要保证。

伴随着对热流控制(不同的加热、冷却方式)技术的发展，定向凝固技术经历了由炉外法、功率降低法、快速凝固法直到液态金属冷却法等的发展过程。

1.1炉外结晶法炉外结晶法有叫发热剂法（EP法），是定向凝固技术中最原始的方法之一。

Versnyder 等早在20 世纪50年代就应用于试验中。

其原理是水冷模底部采用水冷铜底座，顶部覆盖发热剂，侧壁采用隔热层绝热，浇入金属液后，在金属液和已凝固金属中建立起一个自下而上的温度梯度，使铸件自下而上，实现定向凝固。

由于所能获得的温度梯度小和沿高度不断减小，而且很难控制。

因此，该法只可用于制造要求不高的零件。

但该方法工艺简单，成本低，在小批量零件生产中任然还有应用。

1.2功率降低法（PD法）在20世纪60年代，Versnyder等人提出了功率降低法。

定向凝固技术的发展与应用摘要：定向凝固技术是指利用一定的设备，在一定的工艺条件下使材料的组织具有特殊取向从而获得优异性能的工艺过程。

定向凝固技术是伴随着高温合金的发展而逐步发展起来的。

本文综述了定向凝固技术的定向凝固理论，对比分析了不同定向凝固方法的优缺点，并从四个方面论述了提高温度梯度的途径，最后对定向凝固技术的发展及应用前景做了展望。

关键词：定向凝固；工艺特点；温度梯度；应用1.引言凝固是材料制备与加工的重要手段之一，先进的凝固技术为先进材料开发与利用提供了技术条件。

凝固过程中包含了热量、质量和动量的传输过程，它们决定了材料凝固组织和成分分布，进而影响材料性能。

近20年中，不仅开发出许多先进凝固技术，也丰富和发展了凝固理论。

其中，先进凝固技术主要集中于如下几种类型：定向凝固、快速凝固与近快速凝固技术、外加物理场（压力场、电磁场、超重力或微重力场）中的凝固技术以及强制流动条件下的凝固技术等。

定向凝固技术是对金属材料进行凝固过程进行研究的重要手段之一，可用于模拟合金的凝固过程，制备高质量航空发动机定向和单晶叶片等。

同时，也是研究固液界面形态及凝固组织行之有效的技术手段。

定向凝固技术的出现是涡轮叶片发展过程中的一次重大变革。

铸造高温合金叶片的制造工艺经历了从等轴晶铸造到定向单晶凝固的发展过程，不仅在晶粒结构的控制上取得了很大进展，而且铸造性能也有了很大提高，常规的铸造高温合金尽管有较高的耐温能力，但材料的中温蠕变强度较低。

定向凝固技术能够使晶粒定向排列，在垂直于应力方向没有晶界，同时由于沿晶粒生长的（001）方向具有最低的弹性模量，这样将大大降低叶片工作时因温度不均匀所造成的热应力，因此使蠕变断裂寿命和热疲劳强度得到很大提高，如DS Mar-M200+Hf比等轴晶合金热疲劳性能提高了8倍。

此后，随着各种定向凝固技术的不断发展，固液界面前沿的温度梯度不断增大、冷却速率逐渐提高，定向生产的叶片综合性能也日2. 定向凝固理论2.1成分过冷理论Chalmers、Tiller［1, 2］等人在研究中发现在合金中液固界面前沿由于溶质富集导致平界面失稳而形成胞晶和枝晶，首次提出了著名的成将会产生成分过冷”分过冷”判据：G L m L C o( k o _ 1)V k0D L ( 1) 式中，G L为液固界面前沿液相温度梯度；V为界面生长速度；m L为液相线斜率；C o为合金平均成份；k o为平衡溶质分配系数；D L为液相中溶质扩散系数。

定向凝固技术1、定向凝固的研究状况定向凝固成形技术是伴随高温合金的发展而逐渐发展起来的，是在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属和未凝固熔体中建立起特定方向的温度梯度，从而使熔体沿着与热流相反的方向凝固，以获得具有特定取向柱状晶的技术。

定向凝固技术很好的控制了凝固组织的晶粒取向，消除横向晶界，提高了材料的纵向力学性能，因而自美国普拉特·惠特尼航空公司采用高温合金定向凝固技术以来，这项技术得到广泛的应用。

1.1定向凝固理论的研究定向凝固理论的研究，主要涉及定向凝固中液-固界面形态及其稳定性，液-固界面处相变热力学、动力学，定向凝固过程晶体生长行为以及微观组织的演绎等，其中包括成分过冷理论、MS 界面稳定性、线性扰动理论、非线性扰动理论等。

从Chalmers[1]等的成分过冷理论到Mullins[2]等的界面稳定动力学理论(MS理论)，人们对凝固过程有了更深刻的认识。

下面主要分析一下成分过冷理论和界面稳定性理论。

（1）成分过冷理论成分过冷理论是针对单相二元合金凝固过程界面成分的变化提出的，如对于平衡分配系数小于1的合金在冷却下来时，由于溶质在固相和液相中的分配系数不同，溶质原子随着凝固的进行，被排挤到液相中去，并形成一定的浓度梯度，与这种溶质梯度相对应的液相线温度与真实温度分布之间有不同的值，其差值大于零时，意味着该部分熔体处于过冷状态，有形成固相的可能性而影响界面的稳定性。

Chalmers等人通过分析得出了成分过冷的判据，确定了合金凝固过程中固液界面前沿的形态取决于两个参数：GL/v和GL·v，即分别为界面前沿液相温度梯度和凝固速度的商和积。

前者决定了界面形态，而后者决定了晶体的显微组织（即枝晶间距或晶粒大小）[3]。

成分过冷理论能成功的判定无偏析特征的平面凝固的条件，避免胞晶或枝晶的生成。

但是成分过冷理论只考虑了温度梯度和浓度梯度这两个具有相反效应的因素对界面稳定性的影响，忽略了非平面界面的表面张力、凝固时的结晶潜热及固相中温度梯度等的影响。