08-4 FH8-4.5节 凝固与结晶-无机与高分子材料的凝固.pptx

第1页：凝固与结晶

第8章凝固与结晶Solidification and Crystallization

• 0绪论
• 第1章原子结构与结合键Atomic Structure and bindingbond
• 第2章晶体学基础Basis of Crystallography
• 第3章晶体结构Crystal Structure
• 第4章晶体缺陷Crystal defects
• 第5章非晶体与准晶结构Amorphous andQuasicrystalStructure
• 第6章相图Phase Diagram
• 第7章固体扩散Solid Diffusion
• 第9章烧结与聚合Sintering and Polymerization
• 第10章固态相变Solid Phase Transformation

第2页：凝固与结晶

第8章凝固与结晶Solidification and Crystallization8.1凝固与结晶的基础理论8.1.1液态结构(Liquid-state structure)8.1.2结晶的热力学条件和过冷度8.1.3结晶过程(Crystallization process)8.1.4均匀形核（Homogeneous nucleation）8.1.5非均匀形核（Heterogeneous nucleation）8.1.6晶体长大(Crystal growth)8.2固溶体合金的结晶8.2.1固溶体合金的结晶特点8.2.2固溶体合金的平衡结晶8.2.3固溶体合金的非平衡结晶8.2.4固溶体非平衡结晶时溶质的再分配8.2.5成分过冷（Constituation supercooling）8.3共晶合金的结晶8.4无机非金属材料的液-固相变8.5高分子材料的凝固

第3页：无机非金属材料的液-固相变

8.4无机非金属材料的液-固相变8.4.1硅酸盐熔体的结构特点8.4.2硅酸盐熔体的性质8.4.3硅酸盐熔体的凝固1硅酸盐的玻璃化2硅酸盐的结晶8.5高分子材料的凝固8.5.1聚合物熔体的结构与特性8.5.2聚合物的结晶

第4页：无机非金属材料的液-固相变

8.4无机非金属材料的液-固相变

陶瓷的凝固过程：熔体凝固基本规律形核和长大热力学与动力学条件不同特点熔体结构物理特性粘度表面张力凝固结晶玻璃态以硅酸盐为例

第5页：无机非金属材料的液-固相变

SiO2Al2O3

第6页：无机非金属材料的液-固相变

8.4.1硅酸盐熔体的结构特点金属熔体简单的原子、离子和分子硅酸盐熔体阳离子、络合阴离子团（x(O)/x(Si)离子键、共价键：Si-O,Al-O离子不均匀分布熔体的微观不均匀性

第7页：无机非金属材料的液-固相变

高粘度熔体流动阻力大表面张力大非均匀形核的润湿性（θ）8.4.2硅酸盐熔体的性质

第8页：

第9页：无机非金属材料的液-固相变

8.4.3硅酸盐熔体的凝固粘度大冷速快玻璃态结晶过冷液体慢冷

第10页：无机非金属材料的液-固相变

• 热力学：
• 非晶玻璃：
• 亚稳态，内能高→转化为结晶态。玻璃体的晶化：
• 微晶玻璃（1-2μm）：
• 高的机械强度、
• 耐磨、耐蚀，
• 膨胀系数为0。
• 动力学：
• 玻璃熔体冷却，粘度急剧增加，抑制晶核的形成和晶体长大
• 晶化——形成一个新的平衡。玻璃相与结晶相

第11页：无机非金属材料的液-固相变

玻璃体的晶化：1.玻璃的晶化处理2.玻璃粉烧结形核剂，催化剂：Au,Ag,Cu,CeO,TiO2,ZrO2+TiO2单一晶核剂TiO2+ZrO2复合晶核剂Li2O-Al2O3-SiO2(LAS)系微晶玻璃

第12页：无机非金属材料的液-固相变

• 机械强度高，
• 绝缘性能优良，
• 介电损耗少，介电常数稳定，
• 热膨胀系数可在很大范围调节，
• 耐化学腐蚀，
• 耐磨，
• 热稳定性好，使用温度高

第13页：电子

• 建筑幕墙,
• 室内高档装饰，
• 机械上的结构材料，
• 电子、电工上的绝缘材料，大规模集成电路的底板材料、微波炉耐热器皿.
• 化工与防腐材料
• 矿山耐磨材料等。

第14页：电子·主要由大分子链结构

主要由大分子链结构决定。8.5高分子材料的凝固

第15页：主要由大分子链结构

8.5.1聚合物熔体的结构及特征链节的运动高弹性的必要条件：分子链柔顺性。运动方式链段的运动整链的运动粘流态黏性流动

第16页：主要由大分子链结构

结晶液态快冷慢冷C橡胶态D玻璃态E：过冷液体+晶核F：玻璃态+微晶8.5.2聚合物的凝固过程聚合物特有的状态

第17页：

第18页：主要由大分子链结构·结晶度越高→

• 结晶度：晶态聚合物的比例
• 结晶度越高→ →分子间作用力越强→ →
• 强度/熔点↑，耐热性↑，化学稳定性↑；
• 弹性/伸长率/冲击韧性↓。

第19页：结晶度越高→·聚合物状态与分子量

聚合物状态与分子量的关系

第20页：聚合物状态与分子量

• 1.聚合物非晶态结构
• 近程有序，远程无序
• 1.无规线团
• 2.链束模型
• 3.两相球粒模型

第21页：聚合物状态与分子量

链节运动链段运动整链运动

第22页：树枝晶

• 形态：
• 折叠链、伸展链
• 球晶
• 树枝晶、串晶2.聚合物晶态结构形状不规则尺寸小缺陷多晶区与非晶区界线不明显只有结构规则的小分子才能形成晶体

第23页：树枝晶·伸展链纤维状

伸展链纤维状

第24页：伸展链纤维状

球晶

第25页：伸展链纤维状

球晶

第26页：伸展链纤维状·聚乙烯--树枝晶

聚乙烯--树枝晶

第27页：聚乙烯--树枝晶

聚乙烯--串晶

第28页：聚乙烯--树枝晶·聚乙烯单晶20

聚乙烯单晶20,000×

第29页：

第30页：聚乙烯单晶20

聚合物的结晶过程形核长大均匀形核晶核形成与长大速率随温度降低而增大，在某一温度出现最大值。非均匀形核大分子链段经热运动而形成有序排列的链束△T=100℃外来杂质、容器壁等吸附液体中大分子链段作有序排列而形成晶核。△T=10-20℃

第31页：聚乙烯单晶20·链的结构愈简单

聚合物结晶必要条件

结构对称性和规整性。

结晶充分条件

温度和时间。

链的结构愈简单，对称性愈高，取代基的空间位阻愈小，链的立构规整性愈好，则结晶速度愈大。

聚乙烯链简单又规整，结晶速度↑，在液氮中淬火，也得不到完全非晶态的样品。

聚四氟乙烯的结晶速度↑。

脂肪族聚酯和聚酰胺主链上引入的酯基和酰胺基，结晶速度↓。

分子链带有侧基时，有规立构的分子链才能结晶。

第32页：链的结构愈简单·分子量大

• 对同一种聚合物，分子量对结晶速度影响显著。
• 分子量大，熔体粘度增大，链段的运动能力降低，结晶速度↓。

第33页：