超常條件下的凝固是指在某些特殊條件下或特殊環境下，區別於一般公認常規條件下的凝固過程。諸如，微重力環境下的凝固過程，強電脈衝作用下的凝固過程，超重力場作用下的凝固過程，高壓環境下的凝固過程，電磁場作用下的凝固過程以及其他特殊條件下的凝固過程等。
基本介紹
- 中文名：超常凝固
- 外文名：Supernormal solidification
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概述
超常條件下的凝固是指在某些特殊條件下或特殊環境下，區別於一般公認常規條件下的凝固過程。諸如，微重力環境下的凝固過程，強電脈衝作用下的凝固過程，超重力場作用下的凝固過程，高壓環境下的凝固過程，電磁場作用下的凝固過程以及其他特殊條件下的凝固過程等。
分類
微重力凝固
常規重力場下熔體對流常常造成凝固組織產生偏析、位錯、空洞、雜晶、條帶等缺陷，而在微重力條件下，可以接近無偏析凝固，減弱對流的作用。向InSb中摻雜Te的合金凝固組織及向Ge中摻雜一定量Ga的合金凝固組織均可有效的證實，空間試驗可獲得比地面均勻的合金。
巨觀偏析可比地面實驗改善6倍，微觀偏析改善5倍。利用微重力製備難混溶偏晶合金是當前微重力技術套用於材料領域的一個重要方面，可能發展出一系列新的合金材料。而具有亞穩不混溶間隙，難以得到均勻混溶組織的Co-Cu系合金有重要潛在套用前景。
2超重力凝固
與微重力對應的是超重力。一般只要物體加速度與重力加速度的比值超過1時，就可以認為該物體處於超重力狀態。與微重力條件相反，在超重力下，對流流動的增強也能穩定晶體生長的固液界面。
增加離心加速度，增強對流傳輸，從而增大在生長界面的溫度梯度，最後達到穩定固液界面的作用。Mùller和Neumann在離心機上施加20g的超重力，並結合水平移動加熱方法研製GaSb晶體，摻雜Te5× 原子/ 。在550℃製備出無夾雜的晶體所需的最大生長速率為14~20mm/天，比在地面正常重力下製備類似晶體快一個數量級。
電脈衝作用下的凝固
電脈衝對合金組織結構的影響主要表現在組織細化，合金共晶團簇大大減少，樹枝晶碎化為等軸晶，晶粒沿兩電極方向拉長。1984年Misra在Pb-Sb15%-Sn7%的凝固過程中首次使用了電脈衝技術，由實驗結果看出電脈衝下凝固的合金組織明顯細化。同樣，在近共晶成分合金Pb-Sb10%-Sn3%中用電脈衝處理可避免初生相的析出，並使組織明顯細化。
Nakada等發現電脈衝對Sn-Pb15%合金有明顯的細化效果，樹枝晶向顆粒狀細晶轉化。Li等對Pb-Sn60%合金進行電脈衝實驗，除了得到樹枝晶碎化為等軸晶的同樣結果外，還發現晶粒沿兩電極方向拉長。由此可以構想，電脈衝有可能被用來製備新材料或改進材料的結構和性能。
電磁場中的凝固
電磁場套用在材料製備和加工過程可實現對材料工藝過程的控制及材料組織和性能的改善。利用直流磁場可通過抑制熔體流動，與電場互動作用產生電磁攪拌控制凝固。引入交流磁場既可實現對液相的電磁攪拌，又可產生電磁懸浮，細化晶粒，改善鑄件的冶金質量，減輕成分偏析。材料電磁處理如今已被廣泛套用，例如懸浮熔煉，電磁鑄造，電磁霧化，電磁分離非金屬夾雜物，電磁攪拌等。
高壓下的凝固
壓力下凝固也是當前人們關注的熱點之一。壓力對液/固相變的影響可歸結為：降低形核激活能，增大擴散激活能，而高壓下，可提高非晶形成能力。利用高壓下快速凝固製備非晶材料，也是人們所關注的。
在高壓相變研究中，人們發現在高壓作用下可以將一個固體從晶態轉變成非晶態（即壓制固態非晶化），並且通過熔態急冷方法可製備塊狀納米晶及非晶材料。
如1972年Brixnner就將G 樣品加壓至6.5GPa，在20~400℃的溫度範圍內保壓保溫2h，然後冷卻，經熱壓處理後的G 轉變為非晶相。Minomura等把GaSb在3~10GPa下熔化冷卻至室溫，然後卸壓，形成了完整的半導體非晶態塊材。
其他特殊凝固技術
聲懸浮技術是進行材料無容器凝固研究的一種特殊條件。西工大空間材料科學研究室建立了單軸式聲懸浮過程的最佳化設計理論，解決了單軸聲懸浮過程中懸浮力小和懸浮穩定性差的難題，在國際上首次成功地懸浮起自然界中密度最大的固態物質銥（密度22.6g/ ）和液態物質汞（密度13.6g/ ），證明了聲懸浮可以在地麵條件下懸浮起任何固體和液體。
