非均勻形核的觀察與應(yīng)用

1、實(shí)驗(yàn)二 非均勻形核的觀察與應(yīng)用（Observation and Application of Heterogeneous Nucleation）實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：2 實(shí)驗(yàn)類型：綜合前修課程名稱：材料科學(xué)導(dǎo)論適用專業(yè)：材料科學(xué)與工程一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?通過實(shí)驗(yàn)，證實(shí)在同一介質(zhì)中非均勻形核比均勻形核所需克服的勢(shì)壘低 了解Li2OAl2O2SiO2系光敏玻璃在紫外線照射后出現(xiàn)成核的機(jī)制。二、 概述均勻形核與非均勻形核晶體結(jié)晶的過程是一個(gè)形核、長大的過程。而形核分為均勻形核和非均勻形核。當(dāng)母相整個(gè)體積的元素在化學(xué)、能量和結(jié)構(gòu)上都相同時(shí)，會(huì)發(fā)生均勻成核。這種形核是在整個(gè)體積內(nèi)發(fā)生的，核在形成時(shí)所必須克服的勢(shì)壘的大小

2、與表面能呈三次方的關(guān)系，即：式中，為晶胚單位面積表面能；Gv 是液、固兩相單位體積吉布斯自由能之差；Gk 是臨界晶核形成功，簡稱形核功。由于實(shí)際熔融液體中或多或少的含有某些夾雜的固體粒子，因此實(shí)際結(jié)晶時(shí)常常依附在液體中的外來固體質(zhì)點(diǎn)的表面（包括鑄錠的模壁）形核。此種依附于母相中某種界面上的形核過程稱為非均勻形核。形核功為：式中，為晶核與基底面的接觸角。根據(jù)理論分析、實(shí)踐檢驗(yàn)，非均勻形核比均勻形核容易。玻璃中的非均勻形核在通常的冷卻條件下，金屬凝固后形成晶體，而另一些材料，最典型的如玻璃，冷卻后則呈非晶態(tài)。我們可以將玻璃看成是凝固的液態(tài)。將一張照相底片覆蓋在玻璃的表面上，首先用紫外線照射曝光，再

3、進(jìn)行熱處理，在玻璃的表面上能呈現(xiàn)出清晰影象的玻璃稱為光敏玻璃。其機(jī)理如下：當(dāng)紫外線透過照相底片中的透明孔道照射到光敏玻璃上時(shí)，紫外線所具有的能量可以激發(fā)玻璃中含有的微量銀離子，使其離子化，并形成自由電子。Ag+hAg2+e- （1）假定反應(yīng)（1）中的電子在玻璃熱處理之前仍與離子有些聯(lián)系，而在熱處理過程中，被紫外線的光量子擊落的電子可使銀離子還原，反應(yīng)式為：Ag2+2 e- Ag2h1 （1）式中，h1 為還原時(shí)放出的能量。顯然，若在光敏玻璃的配方中添加少量的Ce離子是可以增加光敏性的，它在紫外線照射下可以產(chǎn)生較多的自由電子。Ce3+hCe4+e-中性的銀原子之間是沒有排斥力的，它們?cè)诩訜岬倪^程

4、中可以聚集成球狀復(fù)合體。這些球狀復(fù)合體可以成為玻璃基相的結(jié)晶中心，并促使光敏玻璃中Li2SiO3晶體的成核和長大。結(jié)晶中心的數(shù)目是與紫外線的曝光劑量有關(guān)的。因此，這是一種人工控制的非均勻成核，晶粒的最終尺寸取決于熱處理規(guī)范。利用光敏玻璃可以制作射流元件。射流元件是應(yīng)用流體的附壁效應(yīng)制作完成的雙穩(wěn)態(tài)、單穩(wěn)態(tài)等自動(dòng)控制元件。曝光后的玻璃在熱處理時(shí)，被紫外線照射的部分，由于非均勻成核，使Li2SiO3 晶粒長大。這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，通過氫氟酸的溶解，使析晶部分被腐蝕掉，留下透明部分。而被腐蝕掉的部分正是射流元件中需要的各種孔道。為了增加機(jī)械強(qiáng)度，再在紫外線

5、下曝光，隨后進(jìn)行熱處理，得到乳白色的微晶玻璃，兩面封裝后成為單元射流元件。三、 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與材料光敏玻璃；紫外線燈；擋光模片；熱處理爐。四、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟 將紫外線燈及附屬設(shè)備按下面所示意的線路圖連接好。 5 扼流圈 紫外燈 變壓器 取出光敏玻璃，蓋上照相底片，放在距紫外線燈10cm處。 接通電源，使紫外線燈起燃，穩(wěn)定15分鐘后開始曝光，時(shí)間為20分鐘。（注意保護(hù)眼睛） 將曝光后的光敏玻璃放入高溫爐中，按照下列工藝曲線進(jìn)行熱處理操作。 560 520 t1 t2 t3 t4 t (min) t2t1= 15min t4t3= 60min 五、 本次實(shí)驗(yàn)總結(jié)報(bào)告 討論光敏玻璃被紫外線照射后微晶化過程中的非均