材料合成与制备
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
举例单晶材料及应用：
鸽血红（纯红色）红宝石 粉红色红宝石 蓝色蓝宝石 黄色蓝宝石 绿色蓝宝石 紫色蓝宝石 帕德马蓝宝石 变色蓝宝石
Cr3+ Ｃr3+ /Fe/Ti Fe2+/Ti4+ Fe3+、色心 Fe3+、Fe3+/ Ti4+ Cr3+/Fe2+/Ti4+、 Fe2+/Fe3+ 色心/Cr3+、 Fe3+ Fe、Ti、Cr
火，会出现晶粒的反常长大。这个过程就像在再结晶 后，细小、均匀的等轴晶粒中又重新发生了形核和长 大，故又称之为“二次再结晶”。
异常长大后(20min) 异常长大前(5min) Fe-3%Si合金在1100℃退火组织
晶粒的异常长大
二次再结晶特征：
❖驱动力来自界面能或表面能的降低。 ❖不需要重新形核，是以一次再结晶后的某
退火是将金属或合金加热到适当温度，保持一定时 间，然后缓慢冷却的热处理工艺。
1.1.1 形变再结晶理论
冷变形后材料经重新加热进行退火之后， 其组织和性能会发生变化。观察在不同加热温 度下变化的特点可将退火过程分为回复、再结 晶和晶粒长大三个阶段。
回复是指新的无畸变晶粒出现之前所产生的亚结 构和性能变化的阶段；
2. 晶粒长大
晶粒长大可以通过现存 晶粒在退火时的生长或 通过新晶粒成核，然后 在退火时生长的方式发 生，焊接一颗大晶粒到 多晶试样上，并且是大 晶粒吞并临近的小晶粒 而生长，就可以有籽晶 的固-固生长，即
形核-焊接-吞并
再结晶后的晶粒长大
再结晶刚完成后，得到的是细小的等轴晶粒。如果 继续提高退火温度或延长保温时间，便会发生晶粒互 相吞并而长大的现象，称为“晶粒长大”。
材料合成与制备
王峰
鲁东大学化学与材料科学学院
目录
第一章 单晶材料的制备 第二章 非晶态材料的制备 第三章 薄膜的制备 第四章 功能陶瓷的合成与制备 第五章 结构陶瓷的制备
1
单晶体
2
多晶体
3
非晶体
单晶(single crystal)，即结晶体内部的微粒在三维空间 呈有规律地、周期性地排列，或者说晶体的整体在三维 方向上由同一空间格子构成，整个晶体中质点在空间的 排列为长程有序。
➢温度。温度越高，晶界易迁移，晶粒易粗化。 ➢分散相粒子。阻碍晶界迁移，降低晶粒长大速率。
一般有晶粒稳定尺寸d和第二相质点半径r、体积分
数的关系: d=4r/3
➢杂质与合金元素。降低界面能，不利于晶界移动。 ➢晶粒位向差。小角度晶界的界面能小于大角度晶
界，因而前者的移动速率低于后者。
晶粒的异常长大 （不均匀长大，或称为二次再结晶） 某些金属材料经过严重变形之后，在较高温度退
晶粒长大通常 有两种方式：
➢晶粒的正常长大（即均匀长 大）
➢晶粒的异常长大（不均匀长 大，或称为二次再结晶）
晶粒的正常长大（即均匀长大）
（1）长大的驱动力
驱动力来自总界面能的下 降。晶粒长大是通过晶界迁 移来实现。
晶界移动的驱动力属于化 学力。化学力的来源是系统 自由能的降低。具体讲有两 种情况：
晶粒的正常长大（即均匀长大） （2）晶界迁移的规律 b. 在二维坐标中，晶界边数少于6的晶粒(其晶界向外 凸出)，必然逐步缩小，消失；而边数大于6的晶粒 （其晶界向内凹进）则逐渐长大；当边数为6，晶面平 直，夹角为120°时，不再移动。
晶粒形状与晶界曲率
晶粒的正常长大（即均匀长大）
（3）影响晶粒长大的因素
第一章 单晶材料的制备
１.１ 固相-固相平衡的晶体生长 １.２ 液相-固相平衡的晶体生长 １.３ 气相-固相平衡的晶体生长
１.１ 固相-固相平衡的晶体生长
固-固生长即是结晶生长法。
优点
1）能在较低温度下生长； 2）生长晶体的形状是预先固定的。所以 丝、片等形状的晶体容易生长，取向也容 易控制。 3）杂质和添加组分的分布在生长前被固 定下来，在生长过程中并不改变。
➢相邻晶粒的能量差
➢界面曲率
铝晶粒长大的晶界迁移 1 — 迁移前晶界位置 2 — 迁移后晶界位置
晶粒的正常长大（即均匀长大）
（2）晶界迁移的规律
若晶粒长大到一定程度，晶界可变为平直状，晶界 迁移便趋停止。因此，再结晶后的晶粒长大有一定 的限度，不会无限粗化。
a. 弯曲晶界总是趋向于平直化即晶界向曲率中心移 动，以减少表面积，
应变退火再结晶的推动力由下式给出：
∆G = W-q+GS+∆G0 （1-8）
W是产生应变或加工时所做的功（W的大部分驻 留在晶粒间界中），q是作为热而释放的能量， GS是晶粒的表面自由能，∆G0是试样中不同晶应变的样品相对未产生应变的样品来说 在热力学上是不稳定的。
些特殊晶粒作为基础而长大。
再结晶是指出现无畸变的等轴新晶粒逐步取代变 形晶粒的过程；
晶粒长大是指再结晶结束之后晶粒的继续长大。
1. 再结晶驱动力
残存的形变贮能
经塑性变形后，材料承受了大量的应变， 因而储存大量的应变能。在产生应变时，发 生的自由能变化近似等于做功减去释放的热 量。该能量通常就是应变退火再结晶的主要 推动力。
缺点 难以控制成核以形成大晶粒。
１.１ 固相-固相平衡的晶体生长
1.1.1 形变再结晶理论
用应变退火方法生长单晶，通常是通过塑性 变形，然后在适当的条件下加热等温退火，温 度变化不能剧烈，结果使晶粒尺寸增大。
塑性变形（Plastic Deformation），金属零件在外力 作用下产生不可恢复的永久变形。
多晶是众多取向晶粒的单晶的集合。多晶与单晶内部均 以点阵式的周期性结构为其基础，对同一品种晶体来说， 两者本质相同。两者不同处在于单晶是各向异性的，多 晶则是各向同性的。
非晶体是指组成物质的分子（或原子、离子）不呈空间有规则周 期性排列的固体。它没有一定规则的外形，如玻璃、石蜡等。
从显微学上来看单晶，多晶。单晶与多晶，一 个晶粒就是单晶，多个晶粒就是多晶，没有晶粒 就是非晶。单晶只有一套衍射斑点；多晶的话， 取向不同会表现几套斑点，标定的时候，一套一 套来，当然有可能有的斑点重合，通过多晶衍射 的标定可以知道晶粒或者两相之间取向关系。如 果晶粒太小，可能会出现多晶衍射环。非晶 衍射 是非晶衍射环，这个环均匀连续，与多晶衍射环 有区别。
鸽血红（纯红色）红宝石 粉红色红宝石 蓝色蓝宝石 黄色蓝宝石 绿色蓝宝石 紫色蓝宝石 帕德马蓝宝石 变色蓝宝石
Cr3+ Ｃr3+ /Fe/Ti Fe2+/Ti4+ Fe3+、色心 Fe3+、Fe3+/ Ti4+ Cr3+/Fe2+/Ti4+、 Fe2+/Fe3+ 色心/Cr3+、 Fe3+ Fe、Ti、Cr
火，会出现晶粒的反常长大。这个过程就像在再结晶 后，细小、均匀的等轴晶粒中又重新发生了形核和长 大，故又称之为“二次再结晶”。
异常长大后(20min) 异常长大前(5min) Fe-3%Si合金在1100℃退火组织
晶粒的异常长大
二次再结晶特征：
❖驱动力来自界面能或表面能的降低。 ❖不需要重新形核，是以一次再结晶后的某
退火是将金属或合金加热到适当温度，保持一定时 间，然后缓慢冷却的热处理工艺。
1.1.1 形变再结晶理论
冷变形后材料经重新加热进行退火之后， 其组织和性能会发生变化。观察在不同加热温 度下变化的特点可将退火过程分为回复、再结 晶和晶粒长大三个阶段。
回复是指新的无畸变晶粒出现之前所产生的亚结 构和性能变化的阶段；
2. 晶粒长大
晶粒长大可以通过现存 晶粒在退火时的生长或 通过新晶粒成核，然后 在退火时生长的方式发 生，焊接一颗大晶粒到 多晶试样上，并且是大 晶粒吞并临近的小晶粒 而生长，就可以有籽晶 的固-固生长，即
形核-焊接-吞并
再结晶后的晶粒长大
再结晶刚完成后，得到的是细小的等轴晶粒。如果 继续提高退火温度或延长保温时间，便会发生晶粒互 相吞并而长大的现象，称为“晶粒长大”。
材料合成与制备
王峰
鲁东大学化学与材料科学学院
目录
第一章 单晶材料的制备 第二章 非晶态材料的制备 第三章 薄膜的制备 第四章 功能陶瓷的合成与制备 第五章 结构陶瓷的制备
1
单晶体
2
多晶体
3
非晶体
单晶(single crystal)，即结晶体内部的微粒在三维空间 呈有规律地、周期性地排列，或者说晶体的整体在三维 方向上由同一空间格子构成，整个晶体中质点在空间的 排列为长程有序。
➢温度。温度越高，晶界易迁移，晶粒易粗化。 ➢分散相粒子。阻碍晶界迁移，降低晶粒长大速率。
一般有晶粒稳定尺寸d和第二相质点半径r、体积分
数的关系: d=4r/3
➢杂质与合金元素。降低界面能，不利于晶界移动。 ➢晶粒位向差。小角度晶界的界面能小于大角度晶
界，因而前者的移动速率低于后者。
晶粒的异常长大 （不均匀长大，或称为二次再结晶） 某些金属材料经过严重变形之后，在较高温度退
晶粒长大通常 有两种方式：
➢晶粒的正常长大（即均匀长 大）
➢晶粒的异常长大（不均匀长 大，或称为二次再结晶）
晶粒的正常长大（即均匀长大）
（1）长大的驱动力
驱动力来自总界面能的下 降。晶粒长大是通过晶界迁 移来实现。
晶界移动的驱动力属于化 学力。化学力的来源是系统 自由能的降低。具体讲有两 种情况：
晶粒的正常长大（即均匀长大） （2）晶界迁移的规律 b. 在二维坐标中，晶界边数少于6的晶粒(其晶界向外 凸出)，必然逐步缩小，消失；而边数大于6的晶粒 （其晶界向内凹进）则逐渐长大；当边数为6，晶面平 直，夹角为120°时，不再移动。
晶粒形状与晶界曲率
晶粒的正常长大（即均匀长大）
（3）影响晶粒长大的因素
第一章 单晶材料的制备
１.１ 固相-固相平衡的晶体生长 １.２ 液相-固相平衡的晶体生长 １.３ 气相-固相平衡的晶体生长
１.１ 固相-固相平衡的晶体生长
固-固生长即是结晶生长法。
优点
1）能在较低温度下生长； 2）生长晶体的形状是预先固定的。所以 丝、片等形状的晶体容易生长，取向也容 易控制。 3）杂质和添加组分的分布在生长前被固 定下来，在生长过程中并不改变。
➢相邻晶粒的能量差
➢界面曲率
铝晶粒长大的晶界迁移 1 — 迁移前晶界位置 2 — 迁移后晶界位置
晶粒的正常长大（即均匀长大）
（2）晶界迁移的规律
若晶粒长大到一定程度，晶界可变为平直状，晶界 迁移便趋停止。因此，再结晶后的晶粒长大有一定 的限度，不会无限粗化。
a. 弯曲晶界总是趋向于平直化即晶界向曲率中心移 动，以减少表面积，
应变退火再结晶的推动力由下式给出：
∆G = W-q+GS+∆G0 （1-8）
W是产生应变或加工时所做的功（W的大部分驻 留在晶粒间界中），q是作为热而释放的能量， GS是晶粒的表面自由能，∆G0是试样中不同晶应变的样品相对未产生应变的样品来说 在热力学上是不稳定的。
些特殊晶粒作为基础而长大。
再结晶是指出现无畸变的等轴新晶粒逐步取代变 形晶粒的过程；
晶粒长大是指再结晶结束之后晶粒的继续长大。
1. 再结晶驱动力
残存的形变贮能
经塑性变形后，材料承受了大量的应变， 因而储存大量的应变能。在产生应变时，发 生的自由能变化近似等于做功减去释放的热 量。该能量通常就是应变退火再结晶的主要 推动力。
缺点 难以控制成核以形成大晶粒。
１.１ 固相-固相平衡的晶体生长
1.1.1 形变再结晶理论
用应变退火方法生长单晶，通常是通过塑性 变形，然后在适当的条件下加热等温退火，温 度变化不能剧烈，结果使晶粒尺寸增大。
塑性变形（Plastic Deformation），金属零件在外力 作用下产生不可恢复的永久变形。
多晶是众多取向晶粒的单晶的集合。多晶与单晶内部均 以点阵式的周期性结构为其基础，对同一品种晶体来说， 两者本质相同。两者不同处在于单晶是各向异性的，多 晶则是各向同性的。
非晶体是指组成物质的分子（或原子、离子）不呈空间有规则周 期性排列的固体。它没有一定规则的外形，如玻璃、石蜡等。
从显微学上来看单晶，多晶。单晶与多晶，一 个晶粒就是单晶，多个晶粒就是多晶，没有晶粒 就是非晶。单晶只有一套衍射斑点；多晶的话， 取向不同会表现几套斑点，标定的时候，一套一 套来，当然有可能有的斑点重合，通过多晶衍射 的标定可以知道晶粒或者两相之间取向关系。如 果晶粒太小，可能会出现多晶衍射环。非晶 衍射 是非晶衍射环，这个环均匀连续，与多晶衍射环 有区别。