晶核的形成和长大
晶体生长原理和过程
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
【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。
七、晶体的成核与生长汇总.
第八章晶体的成核与生长第章1称为过冷度。
，，表明系统必须过冷却，相变过程才能自发进行；相变自发进行：对于气体，需P＞P0，过饱和蒸气压差ΔP是凝聚相变的推动力；对于溶液，则需c＞c0，过饱和浓度Δc是液相发生相变的推动力。
总结：相变过程的推动力是过冷度（恒压）、过饱和蒸气总结相变过程的推动力是过冷度（恒压）过饱和蒸气压（恒温）、过饱和浓度（恒温恒压）。
6＝0.15—0.25T 0T 7的函数。
2．讨论：当ΔT 较小时，ΔG 2增大而增大并始终为正值图中曲线体积自由能r 增大而增大并始终为正值；较大时当ΔT 较大时，温度1)晶核较大(r>r k ，核稳定存在，且随核稳定存在值越小表示新相越易形成3.分析：（2）在相变过程中，T 和都是（1）r k 值越小，表示新相越易形成；0γ正值，析晶相变时为放热过程ΔH<0，则必须有ΔT>0；（3）降低晶核的界面能γ和增加均可使值减小相变热ΔH ，均可使r k 值减小，有利于新相形成；11二、液-固相变过程动力学液固相变过程动力学1、晶核形成过程动力学核化过程分为均匀成核与非均匀成核二类。
均匀成核——晶核从均匀的单相熔体中由于热起伏而中产生，几率处处相同；非均匀成核——借助于表面、界面、微粒裂纹、容器壁以及各种催化位置等形成晶核的过程。
13临界晶核周界上的原子或分子数。
讨论：成核速率I ν与温度的关系①当温度降低增大（保持在较小范围）此时可忽略1G ∝∆①当温度降低，ΔT 增大（保持在较小范围），此时ΔG m 可忽略。
I I vD2Tk ∆vP即成核势垒降低，成核速率增加；②I ν达到最大值后:温度继续下降，ΔT 较大，液相粘度T成核速率与温度关系图增加，使∆G m 会增加，质点迁移速率下降，导致成核速率降低。
16172)．非均匀成核非均匀成核熔体具有过冷度或过饱和度后不能即成核的主熔体具有过冷度或过饱和度后不能立即成核的要原因是成核时形成液-固相界面需要能量。
6-晶体生长基础解析
在晶体生长的不同阶段有不同的热传递方式起主导作用
一般来说：高温时，以晶体表面辐射为主，传导和对流为 次；低温时，热量运输主要以传导为主。
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2024/7/15
二、热损耗和稳定温度
单位时间内向环境传输的热量称为热损耗。 热损耗的大小取决于发热体和环境温度间的差值：正比。即 ：炉温↑，发热体和环境温度差值↑，热损耗↑。 发热体所能达到的最高温度通常与加热功率成正比。 当热损耗的大小与加热功率相等时，炉内热量交换达到平衡 ，发热体的温度不再随时间而变化，为稳定温度。 为提高发热体可能达到的稳定温度，须尽量减小热损耗。方 法：在发热体和环境之间放置保温层。
晶体侧面热损耗
10瓦
0.5 ﹪
熔体液面热损耗 150瓦 7.1 ﹪
坩埚侧面热损耗 500瓦 23.8 ﹪
坩埚底部热损耗 200瓦 9.5 ﹪
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2024/7/15
三、温场和温度梯度
当炉膛内热交换达到平衡，且发热 体的加热功率和各种热损耗都保持不变 时，炉膛内各点都有一个不随时间变化 的确定温度，这种温度的空间分布称为 温场。
热量、溶质：中心→边缘
熔体中的强迫对流
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2024/7/15
提拉法中晶体以不同速度转动时的流体效应模拟实验
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自然对流
强迫对流 自然对流
强迫对流
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2024/7/15Fra bibliotek6.2.3 边界层
在固体-流体系统中，靠近固体表面的一个极薄液体层内，溶 质的浓度、速度、温度均有较大变化，该薄层称为边界层。
晶体生长原理
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。
晶体形核与长大
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
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。
工业结晶-第四章-成核与成长
原料准备
根据结晶需求，选择合适的原 料，并进行预处理，如干燥、 粉碎等。
成核
通过控制温度、压力、搅拌等 条件，促使溶质分子在溶液中 形成晶核。
分离与干燥
将晶体从母液中分离出来，并 进行干燥处理。
结晶设备与操作
结晶器
用于溶液的制备和结晶过程的进行， 根据需要可选择不同的类型，如搅 拌结晶器、冷却结晶器等。
案例分析
以某药物生产为例，通过工业结 晶技术实现药物的纯化与分离，
提高药物质量和产量。
技术优势
工业结晶技术具有高效、节能、 环保等优点，能够满足不同领域
的需求。
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工业结晶-第四章-成核与 成长
• 成核理论 • 成长理论 • 成核与成长的关系 • 工业结晶技术
01
成核理论
成核定义
成核是指晶体生长的起始点，即晶体在液相中形 成晶核的过程。
成核过程需要克服能量障碍，因为新晶核的形成 需要打破液相的稳定性。
成核的发生通常需要一定的过饱和度，即溶质浓 度超过其溶解度。
03
成核与成长的关系
成核与晶体生长的相互作用
成核是晶体生长的起始阶段， 为晶体生长提供必要的结构基 础。
成核过程中产生的晶核数量、 大小和分布对晶体生长的速率 和晶体形态有重要影响。
晶体生长过程中，晶核可以作 为生长的起点，促使晶体不断 向外延伸和发展。
成核与晶体生长的调控
通过控制成核条件，如温度、压 力、浓度等，可以调控晶体生长
成核类型
01
02
03
初级成核
在纯净的溶液中自发形成 晶核的过程。
二级成核
在固体表面上形成晶核的 过程，通常发生在容器壁 或杂质颗粒表面。
第四章-成核与成长
接触成核主要考虑三种接触成核： —结晶器与晶体 —晶体与晶体 —晶体与搅拌桨
• 流体剪切力成核理论（Fluid shear） 当晶体运动于流体中，剪切力存在与晶体表面。 如果晶体是树状晶体，在流体的剪切力的作用 下，会形成晶体碎片而成为晶核。 • 杂质浓度梯度理论 此理论假设在晶体的存在下，溶液中分子的排 列更有秩序。因此增加晶体表面溶液层的过饱 和度，在此高过饱和度层中易形成晶核，因此 增加成核的概率。
• 晶体整体线性成长速率：用晶体的线性速率描述晶体特征 尺寸随时间的变化，这时的晶体成长速率叫晶体整体线性 成长速率。（overall growth rate or overall linear growth rate） • 例如球形晶体，直径为特征尺寸，如晶体是其它形状，其 特征尺寸是晶体第二长的尺寸（筛分的结果）。 • 这样的特征尺寸通过晶体的体积、面积、形状系数而计算 晶体的体积和表面积。 • 晶体质量成长速率：通过晶体质量随时间的变化来定义晶 体的成长速率。单位：kg/s· m2 • 这一单位也经常被使用，可与整体线性成长速率建立联系。
各种成核的最大过饱和度
均相成核最大过饱和度 浓 度 非均相成核最大过饱和度 二次成核最大过饱和度
溶解度
温度
二次成核的影响因素
• 二次成核主要包括三个过程 – 从固体上（或接近于固体表面）的二次晶核 的产生 – 晶核从晶体表面上分离 – 晶核的成长 • 二次成核的影响因素 – 过饱和度 – 冷却（蒸发）速率 – 搅拌强度 – 杂质
4 G 4 r 2 r 3Gv 3
核的尺寸可以用
而求得，即
代入求解
d (G ) 8 rc 4 rc 2 Gv 0 dr 2 4 r 2 c Gcr rc Gv 3
玻璃工艺学复习练习题
玻璃工艺学复习练习题玻璃工艺学复习练习题一、解释以下概念1.临界冷却温度:能生成玻璃的最小冷却速度。
2.不混溶区：玻璃发生分相的组成-温度范围。
3.晶核：具有一定大小能够稳定生长的结晶区域称为晶核。
4.粘度温度系数：玻璃的粘度温度系数= 粘度变化/温度变化=Δη/ΔT5.色散：折射率随入射光波长的不同而不同的现象称为色散。
6.转变温度：粘度为1012.4帕秒的温度7.软化温度：粘度为106.5-107.2帕秒的温度范围。
8.正常色散：折射率随波长减小而增大，色散随随波长减小而加剧的现象称为正常色散。
9.反常色散：光波波长接近玻璃的吸收带时，玻璃的折射率发生急剧变化，吸收带长波侧的折射率高于短波侧的折射率。
这种现象称为反常色散。
10.结石：玻璃中的结晶质夹杂物称为玻璃结石11.条纹：条纹呈线条状或纤维状，形状和粗细都不规则，与它周围的玻璃有时没有明显的界限，故亦称之为玻璃态夹杂物。
12.疖瘤：疖瘤大多是在高温时形成的液态球滴或球团。
由于这部分玻璃的粘度、表面张力比基体玻璃大，因而易收缩呈圆形或椭圆形。
疖瘤也可看成是条纹的前身，由于扩散不充分而造成。
二. 简答题1.在Na2O-SiO2玻璃中加入二价金属氧化物，玻璃的化学稳定性将怎样变化？既有断网作用，也有积聚作用。
在二元（RO-SiO2）玻璃中，主要起断网作用，使性能劣化。
对碱性氧化物有压制作用。
在碱硅玻璃中加入二价金属氧化物能使性能改善。
玻璃的密度、折射率等性质随二价金属离子半径大小而变化。
2.在Na2O-SiO2玻璃中加入B2O3，玻璃的结构将如何变化？在钠硅玻璃中加入B2O3，玻璃的结构随B2O3增加而逐渐加强，玻璃的性质得到改善。
但B2O3的含量超过某数值时，将出现逆转：随着B2O3的增加，玻璃结构逐渐弱化，玻璃的性质逐渐劣化，在玻璃的性质变化曲线上出现极值。
3.判断玻璃生成能力的三个动力学指标是什么？1.在熔点Tm附近熔体的粘度大小,粘度大，容易生成玻璃2. Tg/Tm比值的大小; Tg/Tm比值大，容易生成玻璃3. 临界冷却速度; 临界冷却速度越小，越容易生成玻璃4.分相结构对玻璃的性质有何影响？对第一类性质的影响：由离子的迁移特性决定的性质，如电阻率、化学稳定性等对玻璃的分相结构十分敏感。
chap8晶体生长简介
三、晶体生长实验方法
水热法—高温高压生长（高压釜）：晶体原料溶在高温 水热法 高温高压生长（高压釜）：晶体原料溶在高温 高温高压生长 ）： 高压水溶液（溶剂） 高压水溶液（溶剂）中； 提拉法—高温常压生长 没有溶剂， 高温常压生长： 提拉法 高温常压生长：没有溶剂，也没有助熔剂 ； 低温溶液生长------低温常压水溶液生长：即常见的从溶 低温常压水溶液生长： 低温溶液生长 低温常压水溶液生长 液中结晶出来； 液中结晶出来； 高温熔液生长-------高温常压在助熔剂生长：没有溶剂， 高温熔液生长 高温常压在助熔剂生长：没有溶剂， 高温常压在助熔剂生长 晶体原料熔在另外一种成分的物质中， 但有助熔剂 （晶体原料熔在另外一种成分的物质中，但 无水）。 无水）。 总之，是设计出一些方法让晶体生长得完好。每个晶体所适 总之，是设计出一些方法让晶体生长得完好。 合的方法不同。 合的方法不同。
二、晶体生长模型
一旦晶核形成后，就形成了晶－液界面， 一旦晶核形成后，就形成了晶－液界面，在界面上就要进 行生长，即组成晶体的原子、 行生长，即组成晶体的原子、离子要按照晶体结构的排列方 式堆积起来形成晶体。 式堆积起来形成晶体。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1．层生长理论模型（科塞尔理论模型） 层生长理论模型（科塞尔理论模型）
第八章 晶体生长简介
一、成核
成核是一个相变过程， 成核是一个相变过程 ， 即在母液相中形成固相小晶 这一相变过程中体系自由能的变化为： 芽，这一相变过程中体系自由能的变化为： G=Gv+Gs 式中△ 为新相形成时体自由能的变化， 式中△Gv为新相形成时体自由能的变化，且△Gv＜ 0, △GS为新相形成时新相与旧相界面的表面能，且 为新相形成时新相与旧相界面的表面能， △GS＞0。 。 也就是说，晶核的形成， 也就是说，晶核的形成，一方面由于体系从液相转 变为内能更小的晶体相而使体系自由能下降， 变为内能更小的晶体相而使体系自由能下降，另一 固界面而使体系自由能升高。 方面又由于增加了液 - 固界面而使体系自由能升高。
第9讲材料凝固时晶核的形成和晶体的生长
第九讲材料凝固时晶核的形成和晶体的生长1.均匀形核考点再现：对于临界晶核半径的推导在09年出国一道简答题，分值大概在8分左右，而在08年以前的考试中，这个题也是考察的常客。
所以应该予以重视。
过冷度、临界晶核形成功也是重要的概念，也曾出现在初试中。
考试要求：几个定义的记忆是一方面，最重要的是临界晶核半径的推导过程，一定要熟练。
另外，这一部分有几个重要的公式，要记住公式的结论以及其代表的意义。
知识点熔化潜热：由固相转变为液相时需吸收的能量。
★★过冷度：理论凝固温度与实际凝固温度之差。
★★★液态与固态吉布斯自由能与温度的关系。
★★★我们都知道物质趋向于吉布斯自由能变小的方向发展，所以我们就很正常的理解融化和凝固现象了。
由上图我们可以知道在低温范围内，固相的吉布斯自由能比较低，液相的吉布斯自由能比较高，这就说明在低温阶段固相是比较稳定的，而在高温范围内则相反，即液相的吉布斯自由能比较低，所以在高温范围内，液相时比较稳定的，在两条曲线的交点处，两者吉布斯自由能相同，这个温度也就是我们所称的熔点。
这个部分虽然是不能称得上是一个考点，但是我觉得这个点在未来是有可能考到的，因为现在命题教师出题的思路是偏向用我们所学的理论知识来解决实际的问题，这个是一个很好的切入点，所以大家还是要注意一下。
体吉布斯自由能差的计算公式我们要记住这个公式，这个公式体现了体吉布斯自由能差与熔化潜热的关系，这个是天大内部划题老师所强调的，我们要理解，这个公式表明液态凝固时必须要有一定的过冷度，过冷度越大，体吉布斯自由能差的绝对值越大，凝固的驱动力也越大。
但是我们要注意，并不是低于Tm的任何温度液态转变为固态过程都会发生，液相中要有能形成固相的晶核，必须达到一定的临界过冷度。
上面的部分可以算是对一个公式的解析，也可以算是凝固过程发生的原因，这样的题如果命题老师出的话，恐怕会让很多人丢分的。
求临界形核半径★★★★★体系自由能的变化，主要有两方面影响，体积和表面积，随着半径的增加，体积变大，自由能降低，降低的数值为公式的第一项，而随着半径的增的，表面积增大，表面能增加，升高的数值就是上述公式的第二项，两者的加和就是体系总自由能的变化。
晶核的形成和成长课件
溶剂对晶核的形成也有影响。在溶液中，溶剂的性质和浓度 可以影响溶质分子的溶解度和稳定性，从而影响晶核的形成 。
03
晶核成长机制
晶格的稳定性与生长速率
晶格稳定性
晶格的稳定性对于晶核的成长至关重要。稳定性较高的晶格结构能够抵抗外部 环境的影响，如温度和压力的变化，从而维持晶核的完整性。
生长速率
晶核的生长速率受到多种因素的影响，如浓度、温度、压力等。这些因素通过 影响晶格的稳定性以及原子或分子的扩散速率等方式来调节晶核的生长。
晶核类型与结构
晶核主要有离子晶体、共价晶体 、金属晶体、分子晶体等类型。
不同类型晶核的结构和性质各有 特点，如离子晶体由阴阳离子通 过离子键结合，共价晶体由共价 键连接原子形成空间网状结构。
不同晶核的力学、光学、热学等 性质也各有不同。
晶核的形成过程
晶核的形成通常需要一定的热力 学条件和动力学条件。
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多尺度模拟
通过多尺度模拟方法，研究者们可以在不同尺度上模拟晶核的形成和成长过程，例如在原 子尺度上模拟晶核的结构和稳定性，在宏观尺度上模拟晶核的生长速度和形态等。
晶核在其他前沿领域的应用前景
材料科学
晶核的形成和成长机制对于材料 科学领域中的材料设计和新材料 开发具有重要的应用前景，例如 利用晶核理论指导材料中的晶体 生长、控制材料中的微结构和性 能等。
06
结语
总结晶核的形成和成长过程的关键要素
01
02
03
04
形核期
介绍形核期晶核的形成过程， 包括过饱和度、能量起伏等关
键要素。
初期成长
阐述初期成长过程中晶核与母 相之间的相互作用、晶面的取
向等关键要素。
晶体生长的三个阶段
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。
晶核的形成和成长
由公式 Gk Gk S( ) 可知
非均匀形核的晶核形成功的大小主要取决于S(θ), 而起决定 作用的是球冠晶胚与异质固相衬底之间润湿角θ的大小, θ越小 越有利,由于θ的确定很困难,所以固体质点能否作为新相衬底,一 般遵循以下两个规律:
(1)固体质点的原子与新相质点的原子之间具有较大的 结合力,或者键能较强;
（4）从形核功的计算分析，非均匀形核的形核功 G'与均匀形核的形核功G相比，其比值就是球
冠体积与同曲率半径球体积的比值S( ),而S( )
1，说明G' G，即非均匀形核所需的形核功 小，也就是说，在较小的过冷度下可以获得较高 的形核率。
第二节晶核长大
一.液-固界面的微观结构 粗糙界面——L-S原子并不完全分离，排列高高低低，粗 糙不平。
2 3cos cos3
G非 G匀
4
Gk
Gk
2
3 cos
4
cos3
Gk Gk S( ) S( ) 2 3cos cos3
4
也就是说,非均匀形核的形核功与均匀形核的形核功之间 只相差一个形状因子S(θ). 0≤ S(θ) ≤1.
当θ=0时, S(θ)=0, Gk =0, 说明外来质点表面是现成 的晶核的晶面,新相可在此表面上自由生长;
G GV V ( A )
GV
V
r3(2
3cos
3
cos3
) GV
( A ) L/S AL/S ( S / B L/ B )AS / B
r2 L/ S (2 3cos cos3 )
G
( 4 r3
3
GV
4
r
2
L
/
S
)(
2
同素异构转变过程也遵循晶核形成与晶核长大的规律。
同素异构转变过程也遵循晶核形成与晶核长大的规律。
同素异构转变过程指的是同一种化学物质在不同的结构形式下发生变化的过程，通常是由于外界条件（如温度、压力等）的改变而引起的。
在化学结构上，同素异构体是指具有相同分子式但结构不同的物质，它们的性质和化学反应也各不相同。
同素异构转变过程是一个复杂的过程，涉及到多种因素的影响和相互作用。
首先是晶核形成过程，晶核是由化学物质中的一些分子聚集而成的微小结构，它是同素异构转变的起始点。
晶核的形成通常受到温度、溶质浓度、溶剂性质等因素的影响，这些因素会影响晶核的形成速率和数量。
温度的变化会影响分子活性和运动速率，从而影响晶核的形成速率；溶质浓度的变化会改变溶质与溶剂之间的相互作用，从而影响晶核的形成数量和分布；溶剂性质的变化则会影响溶质分子在溶剂中的分子排列，从而影响晶核的形成位置和方向。
其次是晶核的长大过程，晶核长大是同素异构转变的关键步骤。
晶核的长大受到晶体生长速率、晶体形态和晶体结构等因素的影响。
晶体生长速率受到外界条件和溶液中溶质浓度的影响，溶质浓度的增减会影响晶核长大的速率和方向；晶体形态受到晶体生长速率和晶体结构的影响，不同的晶体结构和生长速率会导致不同的晶体形态和晶界结构。
在同素异构转变过程中，晶核形成和晶核长大的规律是相互关联的，它们的变化会相互影响，从而影响同素异构转变的进行。
无论是晶核的形成还是晶核的长大，都受到多种因素的影响，这些因素的变化会导致晶体结构和性质的变化。
因此，在研究同素异构转变过程时，需要综合考虑这些因素的影响，从而更准确地描述和预测同素异构转变的规律和过程。
同素异构转变过程是一个重要的化学现象，它在材料科学、化学工程等领域都有着重要的应用价值。
通过对同素异构转变过程的研究，可以揭示物质结构和性质之间的关系，为材料设计和合成提供理论基础和技术支持。
同时，对同素异构转变过程的深入理解也有助于优化化学工艺，提高生产效率和产品质量。
因此，加强对同素异构转变过程的研究，有助于推动化学和材料科学的发展，促进科技创新和产业升级。
再结晶与二次再结晶形成机理
再结晶与二次再结晶形成机理在变形组织的基体上产生新的无畸变的晶核，并迅速长大形成等轴晶粒，逐渐取代变形组织，性能也发生了明显的变化，并恢复到完全软化状态，这个过程称为再结晶。
再结晶的驱动力是冷变形产生的储存能。
一、再结晶晶核的形成与长大a、亚晶移动形核。
靠某局部位错密度高的亚晶界移动，吞并相邻变形基体和亚晶而成长为晶核。
b、亚晶合并形核。
相邻亚晶粒某边界上位错攀移和滑移到周围晶界或亚晶界，使原亚晶界消失，经原子扩散和调整，导致两个或更多亚晶粒取向一致，合并成大晶粒，构成大角度晶界，所包围的无畸变晶体成为晶核。
二、再结晶影响因素1、变形程度冷变形程度增加，储存能增加，再结晶的驱动力增加，再结晶温度降低。
当变形增加到一定值后，再结晶温度趋于一稳定值。
2、金属的纯度金属的纯度越高，再结晶温度越低。
金属中的微量杂质或合金元素，特别是高熔点元素，会阻碍原子的扩散、位错运动或晶界迁移，因此能显著提高金属的再结晶温度。
3、原始晶粒尺寸原始晶粒越小，再结晶温度越低。
由于细晶粒金属的变形抗力较大，冷变形后的金属储存能较高。
4、加热时间和加热速度加热保温时间越长，原子扩散移动越充分，越有利于再结晶晶粒的形核和生长，使再结晶温度降低。
因再结晶过程需要一定的时间来完成，所以加热速度越大，会使再结晶温度降低；若加热速度太小，变形金属在再结晶之前产生回复，使储存能降低，再结晶驱动力减小，也会使再结晶温度增大。
三、再结晶晶粒大小的控制再结晶后，金属性能发生重大变化，但并不意味与变形前的金属完全相同。
金属性能主要决定于再结晶晶粒大小→G/N（G：晶粒长大速度，N：形核率，下同)。
1、变形程度当变形量大于临界变形量后，晶粒逐渐细化，变形量越大，晶粒越细小。
随变形量的增加，储存能增加，N和G都增加，但N的增加大于G的增加。
2、原始晶粒尺寸金属的原始晶粒尺寸越细，晶界面积增大，再结晶的形核率增加，再结晶后的晶粒尺寸变小。
3、杂质与合金元素金属中的杂质与合金元素一方面增加变形金属的储存能，另一方面障碍晶界的移动，起到细化晶粒的作用。
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第六讲晶核的长大
第五节晶核长大
一、主要内容：
液固界面的微观结构
晶体的长大机制
液固界面前沿液体中的温度梯度
晶体生长的界面形状－晶体形态
长大速度
晶粒大小的控制
二、要点：
液固界面的微观结构，光滑界面，粗糙界面的概念，杰克逊因子，不同金属结晶时的液固界面，晶体的长大机制，二维晶核长大机制，螺型位错长大机制，垂直长大机制，
液固界面前沿液体中的温度梯度，正温度梯度，负温度梯度。
晶体生长的界面形状，晶体形态，树枝晶，等轴晶，长大速度，晶粒大小的控制
三、方法说明：
通过对液固界面的微观结构的讨论，说明金属型界面和非金属型界面的不同，结晶后的晶界相界的形态也不同，即晶粒的形状不同，晶粒的形状和大小对金属的性能有直接影响。
液相中的温度梯度对金属的生长速度和生长方式有直接的影响，通过以上的讨论使学生对如何判断金属中的相，和如何得到所需的晶粒大小和形状有一个清楚的认识。
授课内容：
形核之后，晶体长大，其涉及到长大的形态，长大方式和长大速率。
长大形态常反映出凝固后晶体的性质，而长大方式决定了长大速率，也就是决定结晶动力学的重要因素。
晶核长大的条件：第一要求液相能不断的向晶体扩散供应原子，
第二要求晶体表面能够不断的牢固的接纳这些原子。
晶核长大需要在过冷的液体中进行，但是需要的过冷度要比形核时的小。
一、固液界面的微观结构
液固界面的微观结构分为两类：光滑界面和粗糙界面
1、光滑界面：如图，在界面的上部，所有原子都处于液体状态，在界面的下部所有的
原子都处于固体状态。
这种界面通常为固相的密排面，呈曲折的锯齿状又称为小平面界面。
2、粗糙界面：如图，从微观尺寸看这种界面是平整的，当从原子的尺度看这种界面是
高低不平的，液固界面的原子犬牙交错的分布着，所以又叫非小平面界面。
3、如果界面上有近0％或100％的位置为晶体原子所占有，则界面是光滑界面。
界面自由能的变化可用公式表示：
二、晶体长大机制
1、二维晶核长大机制
光滑界面时晶体的长大只能依靠二维形核机制方式长大。
2、螺型位错长大机制
晶体长大时，难免形成缺陷。
实际上，具有光滑界面的晶体是以这种方式长大的，比二维机制方式长大快得多。
3、垂直长大机制
垂直长大速度很快，大部分金属晶体均以这种方式长大。
三、固液界面前沿液体中的温度梯度
1、正温度梯度：是指液相中的温度随至界面距离的增加而提高的温度分布状况。
2、负温度梯度：是指液相中的温度随至界面举例的增加而降低的温度分布状况，
四、晶体生长的界面形状－晶体形态
晶体的形态问题是一个十分复杂而未能彻底解决的问题。
1、在正的温度梯度下生长的界面形态：
光滑界面结晶的晶体，若无其它因素干扰，大多可以成长为以密排晶面为表面的晶体，具有规则的几何外形。
粗糙界面结构的晶体，在正的温度梯度下成长时，其界面为平行于熔点等温面的平直界面，与散热方向垂直，从而使之具有平面状的长大形态，可将这种长大方式叫做平面长大方式。
2、在负的温度梯度下生长的界面形态
粗糙界面的晶体在负的温度梯度下生长成树枝晶体。
主干叫一次晶轴或一次晶枝。
其它的叫二次晶或三次晶。
对于光滑界面的物质在负的温度梯度下长大时，如果杰克逊因子α不太大时可能生长为树枝晶，如果杰克逊因子α很大时，即使在负的温度梯度下，仍有可能形成规则形状的晶体。
五、长大速度
晶体长大的要点：
1、具有粗糙界面的金属，其长大机理为垂直长大，长大速度快，所需过冷度小。
2、具有光滑界面的金属化合物，亚金属或非金属等，其长大机理可能有两种方式，其
一是二维晶核长大方式，其二是螺型位错长大方式，它们的长大速度都很慢，所需
过冷度较大。
3、晶体成长的界面形态与界面前沿的温度梯度和界面的微观结构有关，在正的温度梯
度下长大时，光滑界面的一些小晶面互成一定的角度，呈锯齿状，粗糙界面的形态
为平面界面呈平面长大方式。
在负的温度梯度下长大时，一般金属和亚金属的界面
都呈树枝状，只有那些α值较高的物质仍保持着光滑界面形态。
六、晶粒大小的控制
晶粒的大小叫晶粒度。
在常温下晶粒越细小，强度和硬度则越高，同时塑性和韧性也越好。
生产上控制晶粒度的大小，常采用以下几种方法：
1、控制过冷度
在一般金属结晶时的过冷度范围内，过冷度越大，晶粒越细小。
2、变质处理
变质处理是在浇注前往液态金属中加入形核剂（又称变质剂），促进形成大量的非均匀晶核来细化晶粒。
3、振动、搅拌
将凝固着的金属进行振动或搅拌，一方面是靠从外部输入能量促进进和提前形成，另一方面是使成长中的枝晶破碎，使晶核数目增加，这已成为一种有效的细化晶粒组织的重要手段。
第六节金属铸锭的组织与缺陷
一、内容：
铸锭三晶区的形成
铸锭组织的控制
铸锭缺陷
二、说明：
通过上几节课的学习，对实际金属铸锭的结晶过程及组织特点进行分析说明，对以上学到的知识起到一个巩固的作用。
授课内容：
一、铸锭三晶区的形成
二、铸锭组织的控制
三、铸锭缺陷
作业：
1、分析纯金属生长形态与温度梯度的关系。
2、今欲获得全部为细等轴晶粒的铸件，你知道有哪些方法？并请说出各种方法的基本原理。