知识点--相图与计算相图

知识点：相图与计算相图

相图（phase diagram）被誉为材料工作者的“地图”，相图表示在一定条件下，处于热力学平衡状态的物质系统中平衡相之间关系的图形，又称平衡图、组成图或状态图。相图上的每一点都反映了某一材料在一定温度压力条件下的平衡状态是由什么样的结构相组成的，以及各相的成分与含量。相图同时也给出了当成分或温度等热力学参数改变时材料发生相变的信息，相图上不同相区之间的界线两侧代表了两种不同的相结构。至今，人们已经积累了大量珍贵的实测相图数据，其中大部分被汇编成册，并得到广泛应用。

确定相图的原则是热力学上体系达到平衡态，但是实际上通过两相界所对应的热力学条件不一定都能够从一个相转变到另一个相。不能达到的原因有两个，一个是需要的温度或压力条件太苛刻，以至于技术上很难实现；另一种可能是达到另一个平衡相所需要的时间太长，以至实际上不能发生，即动力学上的因素。解决上述两种问题的方法常常是采用在反应时加催化剂或通过增加反应物的活性来降低反应所需的温度或压力及缩短反应时间。

相图计算及其优化

相图计算就是运用热力学原理计算一个体系的相平衡关系和绘制相图。材料的品种繁多，新材料层出不穷，已发表的相图资料严重不全。同时，材料中大多包括多种化合物，多元相图对材料设计和制备具有重要的意义，但是绘制多元相图的工作量十分巨大。20世纪70年代以来，利用计算机绘制相图已经成为一个新的学科，被称为CALPHAD (Calculation of phase diagram)。即利用已知的n 元相图来绘制（n+1）元相图。具体的做法是，根据热力学的定律及函数，结合体系的初始条件、最小自由能、化学势，确立在一定的温度和压力下某组分体系的平衡状态和结构相。只要有足够的热力学数据和资料，从低组分体系的已知相图来推测高组分体系的未知相图在理论上和实际上均是可行的。由于计算机计算远比设计做实验快速得多，可以任意设点，因此利用CALPHAD绘制相图可以大大节约人力、物力、财力和时间。同时，利用CALPHAD和计算方法在已有化合物材料的基础上来预测具有某种特定结构和性能的新材料也是可能的，

b-C3N4的结构和性能就是首先经过计算被预计的。

1973年成立了相图计算的非正式国际组织“相图计算”

（CALPHAD-CALculation of PHAse Diagram），该组织1977年开始出版专门刊物CALPHAD－相图与热化学的计算机耦合，每年召开一次国际会议。目前，国际上已有许多成熟的相图计算软件，如：Thermal-Calc、Lukas Program和PANDA等，建立了许多相图热力学数据库，如：SGTE纯物质数据库、溶液数据库、钢铁数据库、铝基合金数据库、钛基合金数据库、镍基合金数据库、半导体材料数据库、Zr基结构陶瓷材料数据库与人工晶体材料数据库等。许多国际上著名的公司，如：美国的通用电器公司、惠普公司、英国劳斯莱斯公司、日本住友金属都开发了用于自己材料设计的相图热力学数据库。