结晶理论的应用实例

结晶理论的应用实例
液态纯金属和合金的结晶都是形核和长大的过程，根据晶体形核和长大的机制及其规
律，控制其结晶过程，就可以获得特殊组织和性能的材料，从而满足工业上对不同性能材
料的要求。以下具体介绍结晶理论在单晶制备及区域熔炼中的应用。
单晶制备
单晶体是电子和激光技术中必须使用的重要材料，在金属的研究中也常常用到单晶体。
单晶体制备的基本原理是设法使液体结晶时只有一个晶核形成并长大，它可以是事先
制备好的籽晶，也可以是液体中形成的晶核。在单晶体的制备过程中，严格防止形成多余
的晶核。这就要求材料有很高的纯度，以免发生非均匀形核，还要保证凝固过程中不能达
到过冷度。单晶可用下面两种方法制取。
1. 垂直提拉法
这种方法广泛用于制取电子工业中所需的单晶硅，原理如图(a)所示。
先将坩埚中的材料熔化，并使其温度略高于材料的熔点，将籽晶夹在籽晶杆上，然后
使籽晶杆下降与熔体接触，坩埚温度下降的时候，向上提拉籽晶杆同时不断旋转。这样
晶核以籽晶为核心不断长大，形成单晶体。全部操作是在真空或有惰性气体保护的环境中
进行的。
2. 尖晶形核法
其原理如图(b)所示，其特点是先将材料熔化，然后使尖底形的坩埚缓慢退出炉子，
并使尖端首先冷却，控制冷却条件，就可以在尖端只形成一个晶核，这个晶核在坩埚出炉
过程中不断长大，形成单晶体。 区域熔炼
利用合金铸造凝固时溶质重新分布的规律，开发了一种区域熔炼的金属提纯技术。区
域熔炼法可以制取纯度非常高的晶体。
区域熔炼法是利用匀晶结晶的选分结晶原理进行的。它不是把材料的棒料全部熔化，
而是将棒料从一端顺序的进行局部熔化。例如应用感应圈使合金棒加热熔化一段并从左端
逐步向右端移动，凝固过程也随之进行。当熔化区走完一遍，溶质杂质逐步向右迁移，使
左端高熔点组元纯度提高。经过多次重复，棒左端高熔点组元纯度即可达到预期结果，如
图 所示。