基于光学布拉格散射探析软球胶体异相成核

摘要

成核与微结构形成是凝聚态物理中最富挑战性的问题之一，在材料科学诸多领域中起着重要的作用，从材料的机械特性（如韧度、硬度）到其电磁特性（如电导率、磁硬度）都极大地依赖于异相成核及其初始微结构所决定的特殊的固化结构。尽管关于固化后期增长过程的实验分析及计算机理论模拟取得了重要的进展，但对微观尺度上的成核动力学过程—固化的早期过程还远远没有得到满意的解释。这不仅指体系中的均相成核，而且也特别地包括由表面或“种子”引起的异相成核。而鉴于经典成核理论应用了过于简单的模型，它不足以解释一些晶体成核的细节过程，对此我们借助于光学布拉格散射技术，以带电软球胶体二元混合体系作为研究对象，对其异相成核及结晶开展了研究。我们希望这项研究能为丰富非经典成核理论，设计无缺陷单晶合金提供模型化指导。基于这个目标，本论文的研究取得了一系列的研究成果: 第一、设计了一种可在线调节样品浓度、盐浓度，可以快速去离子的计算机辅助软控制回路。这种回路也可以通过剪切熔融晶体，停止剪切研究胶体成核与结晶，并实现重复检测; 第二、在极低体积分数下，基于布拉格显微技术，通过在线精确调整粒子数密度，实现了对带电软球胶体不同混合比的液固相变点的有效观察; 第三、应用自我设计的光学布拉格散射显微技术、激光衍射技术与显微技术，获得对异相成核机制与结晶动力学的可靠分析; 第四、在带电软球胶体混合体系，观察到了像‘种子’般引导异相成核晶体形成的稳定的前成核团簇; 第五、进一步地，我们获得了异相成核晶体形成过程中各个阶段的中间相; 第六、建立了多步异相成核的物理模型，进一步丰富和完善了现有的成核理论。

目录

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摘要

第一章绪论

1．1选题的意义、研究内容与研究目标

1．1．1选题的意义

1．1．2研究内容

1．1．3研究目标

1．2成核的机制和原理

1．2．1经典成核理论

1．2．2非经典成核理论

1．2．3两步成核机制

1．3胶体与胶体相互作用

1．3．1胶体体系

1．3．2硬球胶体系统

1．3．3软球胶体系统

1．3．4 DLVO相互作用

2．1引言

2．1．1软球胶体结晶的常规制备方法

2．1．2光散射技术

2．2实验材料与器件

2．3布拉格散射与应用

2．3．1布拉格散射原理

2．3．2布拉格显微技术

2．3．3激光衍射技术

2．4计算机辅助软控制回路设计原理与应用

2．4．1软控制回路结构组成与特征

2．4．2软控制回路设计原理

2．4．3软控制回路应用

2．5本章小结

第三章软球胶体的液固相变

3．1引言

3．2测定软球胶体液固相界

3．2．1利用布拉格显微技术分析液固相变

3．2．2胶体混合体系相图分析

3．3本章小结

第四章异相成核晶体的生长与分析

4．1引言

4．1．1经典异相成核理论

4．1．2晶体增长Wilson-Frenkel(WF)定律的推导

4．2．异相成核晶体增长动力学

4．3晶体增长的WF定律拟合分析

4．4本章小结

5．1引言

5．2激光衍射对前成核团簇的观察与分析

5．3前成核团簇的序化

5．4本章小结

6．1引言

6．2前成核团簇序化的进化-中间相的形成

6．3中间相→单晶合金的转化

6．4本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

作者简介