Формирование, захват и поведение макроскопических включений в процессе кристаллизации расплава с примесью тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ РАСПЛАВА С ПРИМЕСБО.

1.1. Перераспределение примеси, растворенной в расплаве, в процессе роста кристалла. 7.

1.2. Формирование и захват газовых пузырьков при кристаллизации газонасыщенного расплава

1.3. Захват инородных частиц фронтом кристаллизации расплава.

1.4. Особенности захвата газовых пузырьков кристаллом, растущим из расплава

1.5. Захват включений маточного расплава в процессе роста кристалла из расплава с примесью.

ГЛАВА П. ЗАХВАТ МАКРОСКОПИЧЕСКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ КРИСТАЛЛОМ,

РАСТУЩИМ ИЗ РАСПЛАВА С ПРИМЕСБО.

2.1. Экспериментальная техника.

2.2. Эффект тени в распределении примеси, формирующемся при кристаллизации расплава с примесью.

2.3. Захват посторонних частиц кристаллом, растущим послойно из газонасыщенного расплава.

2.4. Захват частицы кристаллом, растущим послойно из расплава с растворенной примесью вещества частицы (система толан - антрацен).

2.5. Об одной особенности взаимодействия газовых пузырьков с фронтом кристаллизации расплава.

ГЛАВА Ш. ФОРМИРОВАНИЕ И ПОВЕДЕНИЕ ВКЛЮЧЕНИЙ МАТОЧНОГО РАСПЛАВА ВБЛИЗИ ДВИЖУЩЕГОСЯ ФРОНТА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ.

3.1. Жидкие включения в тылу фронта кристаллизации расплава толана с примесью антрацена.

3.2. Механизм разбухания и движения включений . , . Элементарные оценки

3.3. Плавление кристалла с неоднородно распределенной примесью в поле температурного градиента.

ВЫВОДЫ.

В идеальной ситуации рост кристалла из расплава в поле температурного градиента должен был бы происходить в режиме незаторможенного движения плоской границы кристалл-расплав. В действительности, однако, этот процесс существенно осложняется различными сопутствующими эффектами, которые, в конечном счете, оказываются причиной дефектности формирующегося кристалла. Именно это обстоятельство является причиной постоянного внимания к проблеме роста реального кристалла в связи с процессами на границе кристалл-расплав. Один из существенных эффектов, сопутствующих становлению реального 1фисталла состоит в захвате различных включений, которые могут быть инородными по отношению к веществу кристалла и расплава, а могут явиться включениями вещества собственно расплава, если по той или иной причине расплав во включении оказывается обогащенным или обедненным примесью, которая может понизить температуру кристаллизации захваченного расплава.

Наша диссертационная работа посвящена, главным образом, исследованию цроцесса захвата либо макроскопических инородных включений, либо включений маточного расплава. В обоих случаях расплав является примесным. Такая постановка задачи нам представляется оправданной по двум причинам. Во-первых, наличие примеси в расплаве очень обогащает возможные физические ситуации, которые осуществляются вблизи границы кристалл-расплав. Во-вторых, в технологической практике очень часто кристаллизуются примесные вещества и, следовательно, эффекты, обусловленные наличием примеси, представляют реальный практический интерес.

Всю совокупность выполненных нами экспериментальных исследований мы представили в двух оригинальных главах, из которых одна (глава П) посвящена захвату инородных макроскопических включений, а другая (глава Ш) - закономерностям формирования и поведения включений расплава с концентрацией примеси измененной по сравнению с концентрацией примеси в маточном расплаве.

Захват макроскопических инородных включений подробно исследовался и экспериментально^ теоретически. При этой были выяснены основные закономерности собственно захвата, т.е. перехода включения из расплава в кристалл. Наши опыты (глава П) были посвящены не столько собственно процессу захвата, сколько изучению закономерностей тех явлений, которые происходят в матрице и во включении, оказавшемся захваченным. Такая постановка задачи расширяет понятие "двумерной границы" кристалл-расплав, иллюстрируя роль приграничных ("слева" и "справа") областей в кинетике фазового превращения. В следующей оригинальной главе (глава Ш) изучался процесс захвата вещества маточного расплава и последующая судьба захваченных включений, которые, попадая в область значительных переохлаждений, в конечном счете закристаллизовы-ваются.

Выполненные экспериментальные исследования и последовательное обсуждение дают нам основания вынести на защиту следующие основные положения.

1. Становление кристалла в реальном процессе формирования дефектного кристалла развивается в зоне, примыкающей к фазовой границе. Ширина этой зоны предопределена диаграммой равновесия "основное вещество - примесь", а в случае инородных включений зависит от характерных размеров и тепловых характеристик инородного включения.

2. Захват кристаллом, растущим из примесного расплава, макроскопического включения сопровождается "эффектом тени", естественно объясняющимся тем обстоятельством, что вещество макроскопического включения, пронщаемое для теплового поля, оказывается непроницаемым для атомов примеси.

3. Два процесса: потеря устойчивости фронта и захват включения являются взаимосвязанными и взаимообусловленными.

4. Захваченные включения, в частности, включения маточного расплава в широкой приграничной зоне, находясь в поле температурного градиента, могут перемещаться вплоть до выхода на границу кристалл-расплав в объем маточного расплава.

выводы

1. Процесс кристаллизации примесного расплава при наличии в нем макроскопических включений сопровождается искажением теплового поля и поля концентрации примеси. Последнее обстоятельство определяет, впервые в данной работе обнаруженный,"эффект тени".

2. Эффекту тени может сопутствовать существенное искажение микроструктуры формирующегося кристалла. В указанном смысле "тень" наблюдается и в поле концентрации примеси и в поле напряжений и искажений кристалла.

3. Захват макроскопических включений в ситуации, когда кристалл растет механизмом послойного роста, может сопровождаться формированием "колодца", ориентация которого определяется условиями опыта и структурой растущего кристалла.

4. Характер взаимодействия газовых пузырьков с фронтом кристаллизации расплава существенно зависит от размера пузырька и скорости накопления газовой примеси перед фронтом.

5. Наличие в расплаве растворенной примеси может обусловить захват включений маточного расплава, обогащенного (или обедненного) примесью. В поле температурного градиента такие включения перемещаются механизмом плавление - кристаллизация на лобовой и тыльной части включения соответственно.

6. Кристалл, содержащий закристаллизовавшиеся включения маточного расплава, плавится "пятнисто". Эффект "пятнистого" плавления кристалла с включениями маточного расплава исследован в поле температурного градиента.

Все перечисленные выводы основаны на результатах экспериментов с легкоплавкими веществами в виде плоскопараллельных тонкопленочных препаратов.

1. Чернов А.А. Процессы кристаллизации. - В кн.: Современная кристаллография. - М.: Наука, 1980, т.З, с.7-232.

2. Geguzin Ya.E., Dzuba А.С. Cristallization of a gas-saturated melt. J.Crystal Growth,, 1981, v. 52, pt 1, p. 337-344.

3. Tiller W.A., Jackson K.A., Rutter J.W., Chalmers B. The redistribution of solute atoms during the solidifiecation of metals. Acta metallurgica, 1953, v. 1, N 4, p.428-4-37.

4. Ландау А.И. Влияние диффузии примесей в расплаве на их распределение в кристалле при направленной кристаллизации.

5. В кн.: Рост кристаллов. М.: АН СССР, 1957,т.I, с.74-81.

6. Smith V.G., Tiller W.A., Rutter J.W. A mathematical analysis of solute redistribution during solidification. Canadian journal of physics, 1955, v. и 12, p.723-745.

7. Ландау А.И. К вопросу о волнообразном характере распределения примеси вдоль длины растущего монокристалла. ФММД958, т.6, вып'.Х, с.148-156.

8. Любов Б.Я., Темкин Д.Е. Распределение растворимых примесей при кристаллизации. В кн.: Рост кристаллов. - М.: АН СССР, 1961, т.З, с.59-67.

9. Pohl R.G. Solute redistribution by recrystallization.

10. J. Appl. Phys., 1954, v.25, N 9, p.1170-1178.

11. Кулик И.О., Зильберман Г.Е. К вопросу о распределении примеси при выращивании кристалла из расплава. В кн.: Рост кристаллов. - М.: АН СССР, 1961, т.З, с.85-89.

12. Тиман Б.Л., Коган Ю.М., Бирман Б.И. Анализ распределения примеси при направленной кристаллизации. В кн.: Рост кристаллов. -М.: Наука, 1967, т.7, с.323-327.

13. Пикунов М.В. 0 кристаллизации твердого раствора. Ж.физ.химии, 1959, т.33, В 10, с.2253-2258.

14. Кац A.M. Анализ равновесной кристаллизации сплавов диаграммы состояния эвтектического типа. Ж.физ.химии, 1966, т.40,1. Л 9, с.2231-2237.

15. Кац A.M. О неравновесной кристаллизации сплавов эвтектического типа. Ж.физ.химии, 1966, т.40, Л 10, с.2486-2492.

16. Jackson К.А., Uhlmann D.H., Hunt J.D. On the nature of crystal from melt. J.Crystal Growth, 1967, v.1, N 1, p.1.

17. Тиллер В.А. Основные положения теории затвердевания. В кн.: Теория и практика выращивания кристаллов. - М.: Металлургия, 1968, с.294-350.

18. Флеминге М. Процессы затвердевания. М.: Мир, 1977, 423 с.г»

19. Гегузин Я.Е., Дзюба А.С., Кононенко Н.В. Концентрационное уплотнение примеси на границе движущегося фронта кристаллизации расплава. Кристаллография, 1981, т.26, вып.З, с.571-576.

20. Дзюба А.С. Изменение объема газозаполненных полостей в ньютоновской среде. Известия вузов. Физика, 1977, Л 8, с.41-45.

21. Краткий справочник физико-химических величин. Л.: Химия,1974.

22. Александров Б.Н., Веркин Б.И., Лифшиц И.М., Степанова Г.И. К вопросу о возможных причинах неоднородного распределения примесей в 1фисталлизуемом слитке. ФММ, 1958, т.6, Л I, с.167-168.

23. Бирман Б.И. Теоретическое изучение цримесной полосчатости в кристаллах. В кн.: Рост и дефекты металлических кристаллов.-Киев: Наукова думка, 1972, с.177-184.

24. Бирман Б.И. Теоретическое изучение влияния различных факторов на полосчатое распределение примесей в кристаллах. В кн.: Рост кристаллов. Ереван: изд-во Ереванского университета, 1975, с.272-278.

25. Александров Б.Н., Веркин Б.И., Лифшиц И.М., Степанова Г.И. Исследование механизма очистки металлов от примесей методом зонной перекристаллизации. ФММ, 1956, т.2, В I, с.105-119.

26. Овсиенко Д.Е. Влияние примесей на субструктуру и образование дислокаций в металлических кристаллах цри росте из расплава.-В кн.: Рост и дефекты металлических кристаллов. Киев: Нау-кова думка, 1972, с.135-169.

27. Белая Д.Н., Добровинская Е.Р., Литвинов Л.А., Пищик В.В., Фисун А.И., Черняков Э.И. Примесная полосчатость в монокристаллах № 0 . Кристаллография, 1977, т.22, вып.2,с.4П-413.

28. Багдасаров Х.С. Проблемы синтеза тугоплавких оптических монокристаллов. В кн.: Рост кристаллов. Ереван, изд. ЕГУ, 1977, т.12, с.179-195.

29. Carte А.Е. Air bubbles in ice. Proc. Phys. Soc., 1961, v.77, N 4-95 (3), p.757-768.

30. Maeno N. Air bubble formation in ice crystals. In: Physics of snow and ice. Proc. Int. Conf. on Physics of bnow and Ice. Sapporo, Japan, 1966, v.1, pt 1, p.2u7-218.

31. Wilcox W.R., Kuo ,V.H.S. Cas bubbles nucleation . during crystallyzation. J. Crystal Growth, 1973, v. 19, N 4, p.221-228.

32. Катрич Н.П., Бороденко Ю.А., Соловьева Е.П., Качала В.Е. Исследование механизма возникновения газовых включений в монокристаллах лейкосапфира. В кн.: Монощшсталлы и техника. Харьков, 1975, вып.II, с.20-26.

33. Гегузин Я.Е., Дзюба А.С. Выделение газа, формирование и захват газовых пузырьков на фронте кристаллизации из расплава.-Кристаллография, 1977, т.22, вып.2, с.348-353.

34. Шубников А.В. Предварительные опыты измерения так называемой кристаллизационной силы. Тр.Ломоносов. Ин-та геохим.,крист. и минерал., крист.серия, 1935, вып.6, с.17-21.

35. Фридляндер И.Н., Высоцкая Н.А. Исследование сдвига взвешенных примесей в процессе кристаллизации расплава. Докл. АН СССР, 1948, т.62, вып.1, с.71-73.

36. Клия М.О., Соколова И.3D. Захват растущим кристаллом капель эмульсии при кристаллизации из растворов. Кристаллография, 1958, т.З, вып.2, с.219-224.

37. Uhlmann D.R., Chalmers В., Jackson К.А. Interaction between particles and a solid liquid interface. j- Appl. Phys., 1964, v.35, N 10, p.2986-2993.

38. Corte A.E. Vertical migration of particles in front of a moving freezing plane. J. Geophys. Res., 1962, v.67, N 3, p.1085-Ю90.

39. Hoekstra P., Miller R.D. On the mobillity of water molecules in the transition layers between ice and a solid particle surface. J. Colloid Interface Sci., 1967, v. 25, N 2, p.166-173.

40. Cisse J., Boiling G.F. A study of trapping and rejection of insoluble particles during the freezing of water.

41. J. Crystal Growth, 1971, v.10, N 1, p.67-76.

42. Cisse J., Boiling G.F. The steady-state rejection of insoluble particles by salol grown'from the melt. J. Crystal Growth, 1979, v.11, N 1, p.25-28.

43. Зубко A.M., Лобанов В.Г., Никонов а В. В. Взаимодействие инородных частиц с фронтом кристаллизации. Кристаллография, 1973, т.18, вып.2, с.385-389.

44. Гегузин Я.Е., Дзюба А.С. Отталкивание макроскопических частиц газовой прослойкой на фронте кристаллизации. Кристаллография, 1977, т.22, вып.2, с.420.

45. Пикунов М.В., Петухова А.С. Поведение инородной частицы у грани растущего кристалла. Кристаллография, 1977, т.22, вып.4, с.386-387.

46. Багдасаров Х.С. Кристаллизация из расплава. В кн.: Современная кристаллография, т.З, М.: Наука, 1980, с.337-375.

47. Omenyi S.N., Neumann A.Vf. (Thermodynamic aspects of particle engulfing by solidifying melts. J. Appl. Phys., 1976,v. 4-7, N 9, p.3956*3962.

48. Omenyi S.N., Neumann A.W., Martin W.W., Lespinard. G.M., Smith R.P. Attraction and. repulsion of solid particles by solidification fronts. II. Dimensional analysis. J* Appl. Phys., 1981, v.52, N 2, p.796-802.

49. Omenyi S.N., Neumann A.W., Van Oss C.J. Attraction and repulsion of solid particles by solidification fronts. I. Thermodynamic effects. J. Appl. Phys., 1981, v.52, N 2, p.789-795.

50. Овсиенко Д.Е., Алфинцев Г.А., Кириевский Б.А., Герштейн Г.И., Чемеринский Г.П. Расщепление дендритов при захвате твердых частиц. Металлофизика* 1983, т.5, № 6, c.IIO-III.

51. Овсиенко Д.Е., Алфинцев Г.А., Чемеринский Г.П. Рост кристаллов сукцинонитрила из расплава при наличии посторонних частиц. УФЖ, 1984, т.29, Jfi I, с.96-100.

52. Чернов А.А., Любов Б.Я. Воцросы теврии роста кристаллов. -В сб.: Рост кристаллов, М.: Наука, 1965, т.5, с.5-33.

53. Чернов А. А., Мельникова A.M. Рост кристалла из раствора в присутствии посторонней шарообразной частицы. Кристаллография, 1965, т.10, вып.6, с.791-799; Рост кристалла из расплава в присутствии посторонней шарообразной частицы. Там же,с.800-804.

54. Чернов А.А., Темкин Д.Е., Мельникова A.M. Теория захвата твердых включений при росте кристаллов из расплава. Кристаллография, 1976, т.21, вып.4, с.652-660.

55. Boiling G.P., Cisse J. A theory .for the interaction of particles with a solidification front. J. Crystal Growth, 1971, v.10, N 1, p.56-66.

56. Чернов А.А., Бронштейн В.Л. Условия отталкивания твердой частицы фронтом затвердевания слабого раствора электролита.-Докл.АН СССР, 1976, т.231, выш4, с.849-852.

57. Темкин Д.Е., Чернов А.А., Мельникова A.M. Захват инородных частиц кристаллом, растущим из расплава с примесями. Кристаллография, 1977, т.22, вып.1, с.27-34.

58. Темкин Д.Е., Чернов А.А. Условия захвата инородной частицы кристаллом, растущим с меняющейся скоростью. Кристаллография, 1977, т.22, вып.5, с.933-938.

59. Чернов А.А., Темкин Д.Е., Мельникова A.M. О влиянии теплопроводности макрочастицы на ее захват кристаллом, растущим из расплава. Кристаллография, 1977, т.22, вып.6, с.1152-1156.

60. Chernov А.А., Temkin Ю.Е. Capture of inclusions in crystal growth. In: 1976 Crystal growth and materials. North-,. Holland. Publish. Co., pt 1.1, 1977, p.3-77.

61. Чернов А.А., Бронштейн В .Л. Макроскопическая частица перед фронтом затвердевания разбавленного раствора электролита. -Кристаллография, 1978, вып.1, с.П-19.

62. Bronstein V.L., Itkin Х.А., Ishkov G.S. Rejection and capture of cells by ice crystals on freezing aqueous solutions. J.Crystal Growth, 1981, v.52, pt 1, p.345-349.

63. Дерягин Б.В., Кусаков М.М. Экспериментальное исследование сольватации поверхностей в применении к построению математической теории устойчивости лиофильных коллоидов. Изв. АН СССР, сер.хим., 1937, Л 5, C.III9-II52.

64. Дерягин Б.В., Абрикосова Й.И., Лифшиц Е.М. Молекулярное притяжение конденсированных тел. УШ, 1958, т.64, вып.З, с.493-528.

65. Bagdasarov Kh.S., Okinshevich V.V., Kholov A. On the theory of captnre of gas bubbles by a crystal growing from the melt. Phys.status solidi (a), 1980, v.58, N 1, p.317-322.

66. Григорян С.Г., Оганесян А.С., Саркисян А.Г. О механизме захвата макрочастиц при росте кристаллов из расплава. Кристаллография, 1983, т.28, вып.4, с.782-785.

67. Тиман Б.Л., Колотий О.Д. Влияние градиента температуры на поведение газовых включении в расплаве при росте кристаллов.-В сб.: Монокристаллы, их получение и свойства. Харьков, 1982, X 8, с.157-159.

68. Чалмерс Б. Теория затвердевания. М.: Металлургия,1968,с.186.

69. Дзюба А.С. Особенности формирования газовых включений цри росте кристалла из расплава. Кристаллография, 1982, т.27, вып.З, с.551-555.

70. Кузнецов В.М., Луговцов Б.А., Шер Е.И. В движении газовых пузырьков в жидкости под действием градиента температуры. -Ж. прикл.механики и теор.физики, 1966, В I, с.124-126.

71. Новиков И.И., Золотаревский B.C. Дедцритная ликвация в сплавах. М.: Наука, 1966, 156 с.

72. Иванцов Г.П. "Диффузионное" переохлаздение при кристаллизации бинарного сплава. Докл. АН СССР, 1951, т.81, & 2,с.179-182.

73. Иванцов Г.П. О росте сферического и иглоподобного кристаллов бинарного сплава. Докл.АН СССР, 1952, т.83, Jfi 4, с.573-576.

74. Чернов А.А. Теория устойчивости гранных форм роста кристаллов. Кристаллография, 1971, т. 16, вып.4, с.842-863.

75. Чернов А.А. Устойчивость форм роста кристаллов. В сб.: Рост и дефекты металлических кристаллов. - Киев: Наукова думка, 1972, с.75-95.

76. Чернов А.А. Устойчивость плоского фронта роста при анизотропной поверхностной кинетике. В сб.: Рост кристаллов. Ереван, изд.ЕГУ, 1975, т.II, с.221-230.

77. Чернов А.А., Мельникова A.M., Адольфи И. Устойчивость многогранника и бесконечной плоской грани относительно возмущений различных типов. Кристаллография, 1976, т.21, вып.3,с.466-472.

78. Jackson К.A., Hunt J.D. Transparent compounds that freeze like metalls. Acta metall., 1965, v.15, N 11, p.1212-1215.

79. Вайнгард У. Введение в физику кристаллизации металлов. М.: Мир, 1967, 154 с.

80. Алфинцев Г.А., Овсиенко Д.Е. Исследование механизма роста некоторых металлических щшсталлов из расплава. В сб.: Рост и несовершенства металлических кристаллов. - Киев: Наукова думка, 1966, с.40-53.

81. Дзюба А.С. Периодический захват включений маточного расплава растущим монокристаллом. Кристаллография, 1983, т.28, вып.1, с.192-193.

82. Гегузин Я.Е., Дзюба А.С. Роль открытых включений переохлажденного расплава в формировании газовых пузырей в тылу фронта щшсталлизации. Кристаллография, 1981, т.26, вып.З,с.577-581.

83. Гегузин Я.Е., Дзюба А.С., Ю Ионг Зу. Распределение примеси при кристаллизации расплава с макроскопическими включениями ("эффект тени"). Докл.АН СССР, 1984, т.277, J6 3, с.597-600.

84. Гегузин Я.Е., Дзюба А.С., Ю Ионг Зу. Эффект тени в распределении примеси, формирующемся при кристаллизации расплава. -УФЖ, 1984, т.29, В 8, C.I2I2-I2I7.

85. Леммлейн Г.Г. Огибание црепятствий фронтом нарастающего слоя грани. Докл.АН СССР, 1952, т.84, № 6, с.1167-1169.

86. Чернов А.А. О движении включений в твердом теле. ЖЭТФ, 1956, т.31, вып.4, с.709-710.

87. Гегувин Я.Е., Кривоглаз М.А. Движение макроскопических включений в твердых телах. М.: Металлургия, 1971, 344 с.

88. Гегузин Я.Е., Дзюба А.С., Кружанов B.C. Исследование поведения жидких включений в кристалле в поле температурного градиента. Кристаллография, 1975, т.20, вып.2, с.383-391.

89. Кривандина Е.А., Хаимов-Мальков В.Я. Исследование макропериодичности распределения примеси на примере направленной кристаллизации системы дибензил-толан. Кристаллография, 1980, т.25, вып.4, с.889-894.

90. Лифшиц И.М., Гулида Л.С. К теории локального плавления. -Докл.АН СССР, 1952, т.87, Л 3, с.377-380.

91. Гулида Л.С., Ли<|шиц И.М. О развитии зародышей локального плавления. Докл.АН СССР, 1952, т.87, J6 4, с.523-526.