非均匀形核的观察与应用

1、实验二 非均匀形核的观察与应用（Observation and Application of Heterogeneous Nucleation）实验学时：2 实验类型：综合前修课程名称：材料科学导论适用专业：材料科学与工程一、 实验目的 通过实验，证实在同一介质中非均匀形核比均匀形核所需克服的势垒低 了解Li2OAl2O2SiO2系光敏玻璃在紫外线照射后出现成核的机制。二、 概述均匀形核与非均匀形核晶体结晶的过程是一个形核、长大的过程。而形核分为均匀形核和非均匀形核。当母相整个体积的元素在化学、能量和结构上都相同时，会发生均匀成核。这种形核是在整个体积内发生的，核在形成时所必须克服的势垒的大小

2、与表面能呈三次方的关系，即：式中，为晶胚单位面积表面能；Gv 是液、固两相单位体积吉布斯自由能之差；Gk 是临界晶核形成功，简称形核功。由于实际熔融液体中或多或少的含有某些夹杂的固体粒子，因此实际结晶时常常依附在液体中的外来固体质点的表面（包括铸锭的模壁）形核。此种依附于母相中某种界面上的形核过程称为非均匀形核。形核功为：式中，为晶核与基底面的接触角。根据理论分析、实践检验，非均匀形核比均匀形核容易。玻璃中的非均匀形核在通常的冷却条件下，金属凝固后形成晶体，而另一些材料，最典型的如玻璃，冷却后则呈非晶态。我们可以将玻璃看成是凝固的液态。将一张照相底片覆盖在玻璃的表面上，首先用紫外线照射曝光，再

3、进行热处理，在玻璃的表面上能呈现出清晰影象的玻璃称为光敏玻璃。其机理如下：当紫外线透过照相底片中的透明孔道照射到光敏玻璃上时，紫外线所具有的能量可以激发玻璃中含有的微量银离子，使其离子化，并形成自由电子。Ag+hAg2+e- （1）假定反应（1）中的电子在玻璃热处理之前仍与离子有些联系，而在热处理过程中，被紫外线的光量子击落的电子可使银离子还原，反应式为：Ag2+2 e- Ag2h1 （1）式中，h1 为还原时放出的能量。显然，若在光敏玻璃的配方中添加少量的Ce离子是可以增加光敏性的，它在紫外线照射下可以产生较多的自由电子。Ce3+hCe4+e-中性的银原子之间是没有排斥力的，它们在加热的过程

4、中可以聚集成球状复合体。这些球状复合体可以成为玻璃基相的结晶中心，并促使光敏玻璃中Li2SiO3晶体的成核和长大。结晶中心的数目是与紫外线的曝光剂量有关的。因此，这是一种人工控制的非均匀成核，晶粒的最终尺寸取决于热处理规范。利用光敏玻璃可以制作射流元件。射流元件是应用流体的附壁效应制作完成的双稳态、单稳态等自动控制元件。曝光后的玻璃在热处理时，被紫外线照射的部分，由于非均匀成核，使Li2SiO3 晶粒长大。这些晶化部分和未感光的透明部分在HF酸中的溶解度相差很大，因此，通过氢氟酸的溶解，使析晶部分被腐蚀掉，留下透明部分。而被腐蚀掉的部分正是射流元件中需要的各种孔道。为了增加机械强度，再在紫外线

5、下曝光，随后进行热处理，得到乳白色的微晶玻璃，两面封装后成为单元射流元件。三、 实验设备与材料光敏玻璃；紫外线灯；挡光模片；热处理炉。四、 实验内容与步骤 将紫外线灯及附属设备按下面所示意的线路图连接好。 5 扼流圈 紫外灯 变压器 取出光敏玻璃，盖上照相底片，放在距紫外线灯10cm处。 接通电源，使紫外线灯起燃，稳定15分钟后开始曝光，时间为20分钟。（注意保护眼睛） 将曝光后的光敏玻璃放入高温炉中，按照下列工艺曲线进行热处理操作。 560 520 t1 t2 t3 t4 t (min) t2t1= 15min t4t3= 60min 五、 本次实验总结报告 讨论光敏玻璃被紫外线照射后微晶化过程中的非均