顆粒粗化

顆粒粗化

顆粒粗化(particle coarsening)又稱奧斯特瓦爾德熟化(Ostwald ripening)。當從母相析出新相的數量和成分已達到平衡相圖給定值,即相變的化學驅動力已下降為零,正比於新相體積的彈性能也不再變化,由於新相一母相間界面能的驅動,新相中較大顆粒吞併較小顆粒,使新相組織變得粗大的過程。

基本介紹

  • 中文名:顆粒粗化
  • 外文名:particle coarsening
  • 別稱:奧斯特瓦爾德熟化
  • 別稱英文:Ostwald ripening
  • 拼音:kē lì cū huà
  • 所屬學科:化學
定義舉例,特點,粗化一般公式,粗化過程,

定義舉例

不同相變系統,粗化特徵不相同。屬彌散沉澱相的粗化。沉澱相在系統中分數很低,分布彌散,相互間距離比沉澱顆粒尺寸大得多。以球狀沉澱顆粒為例,粗化過程如下圖所示:設有兩半徑分別為r1、r2的球體,r1〉r2,由於小顆粒單位體積變化引起的界面積的變化大於大顆粒;從化學位角度看,顆粒半徑越小,化學位越高,越不穩定。按Gibbs—Thomson定理,小顆粒周圍母相中溶質原子濃度高於大顆粒,兩顆粒間出現溶質濃度梯度,如圖所示。溶質原子由小顆粒附近向大顆粒擴散,小顆粒因而不斷收縮,大顆粒不斷長大,直至小顆粒完全消失。
粗化示意圖粗化示意圖

特點

顆粒粗化(ostwald ripening)與第二相的數量(甚至成分)不斷增加、相變驅動力為化學自由能差的形核長大以及調幅分解均不相同,顆粒粗化的特點是:
①從析出講,析出新相的數量已符合平衡相圖槓桿定律的要求,新相的總量已不再變化。
②從驅動力講,由於新相的總量不再變化,因此化學驅動力已等於零;可近似地認為彈性應變能正比於新相體積,因此,彈性應變能在顆粒粗化過程中也不再改變;所能改變的只有新相與母相間的界面能,它正是顆粒粗化的驅動力,通過縮小總界面,減少界面能來實現顆粒粗化。
③從過程講,是在新相總量始終不變的前提下,大顆粒不斷長大,小顆粒不斷縮小以致消失。同時,新相長大、縮小及消失的過程都要通過母相來進行。

粗化一般公式

一般情況下顆粒粗化的式子可以表達為:dn=d0n+αGt
式中,d0是在1=0時刻d(顆粒尺寸)的值;G是物質傳輸的參數;α是取決於顆粒幾何的量綱為1的係數。指數n的值:當黏性流動時,n=1;界面控制時,n=2;粗化過程在所有相都是體積擴散時,n=3;界面擴散時,n=4;管道(例如沿位錯)擴散時,n=5。

粗化過程

在固態材料中形成大小不同的析出相顆粒後,會發生顆粒的長大。根據Gibbs—Thompson定律,大顆粒周圍母相的溶質濃度較低,小顆粒周圍濃度較高,則在母相中出現濃度梯度。小顆粒周圍的溶質原子要向大顆粒周圍擴散,使得小顆粒周圍的溶質濃度變小,而大顆粒周圍的溶質濃度變大,破壞了析出相顆粒與母相界面的溶質濃度平衡關係。為了保持平衡,小顆粒要溶解以提高周圍的溶質濃度,大顆粒則要長大以降低周圍的溶質濃度。如此反覆,使得小顆粒發生了溶解,大顆粒發生了粗化。
顆粒粗化過程實質是溶質原子從小顆粒溶解到基體中,並通過基體向大顆粒擴散,結果使小顆粒不斷縮小、大顆粒不斷增大。通過分析溶質原子在母相中的擴散,可以求出顆粒粗化速率。顆粒長大(粗化)速率可從流進界(球)面的擴散流求得。

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