Принцип очистки кристаллизацией.
Рассмотрим процессы, проходящие при кристаллизации разбавленного расплава, описываемой участком фазовой диаграммы, в случае когда примесь понижает температуру плавления раствора. Воспользуемся участком фазовой диаграммы в виде прямых, практически совпадающих при малых концентрациях примеси с кривыми ликвидуса и солидуса (рис.6.3).
Пусть имеется расплав компонента А с концентрацией примеси В, равной С1 при температуре Т1.
Исходное состояние системы, таким образом, характеризуется условной точкой 1 с координатами С1 и Т1 . При снижении температуры точка 1 начинает двигаться вертикально вниз, движение которой будет описывать последовательное состояние системы. Точка 2, отвечающая пересечению вертикальной траектории с линией ликвидуса, определяет температуру начала кристаллизации твердого раствора. При этой температуре образуется твердая фаза состава С2, определяемая местом пересечения температуры начала кристаллизации с линией солидуса, при этом начало кристаллизации определяется точкой 2. При дальнейшем понижении температуры вплоть до конца кристаллизации состояние системы характеризуется двумя точками. Это соответствует одновременному наличию в системе двух находящихся между собой в равновесии фаз. Одна из точек, характеризующих состояние системы, расположена на кривой солидуса и дает состав твердой фазы, другая точка - на кривой ликвидуса - состав жидкой фазы. Интервал плавления определяется местами пересечения вертикали С1 с линиями солидуса и ликвидуса. При достижении температуры, соответствующей точке 4, жидкая фаза полностью исчезает, система переходит в однофазную, а состав твердой фазы должен совпадать с исходным составом жидкости С1. При дальнейшем понижении температуры траектория системы не изменяется. С повышением же температуры система пройдет ту же последовательность состояний, но в обратном порядке.
При таком рассмотрении процесса можно сделать вывод, что закристаллизовавшийся слиток должен иметь состав, ничем не отличающийся от состава расплава в однофазной области. Такой вывод основан на предположении, что в каждый момент времени система находится в равновесном состоянии.
В реальной системе при изменении температуры, равновесие, устанавливается с помощью процессов, связанных с диффузией компонентов в жидкой и твердой фазах. Коэффициенты диффузии в жидкой фазе на несколько порядков больше, чем в твердой. Например, коэффициент диффузии индия в германии при температуре 800 оС равен 2*10-17 м2/с, коэффициенты же диффузии примесей в жидком германии порядка 10 9 м2/с. Поэтому скорость установления равновесия в расплаве намного больше, чем в кристалле.
Рассмотрим процесс кристаллизации в реальных условиях. При понижении температуры расплава до температуры начала кристаллизации (точка 2 на кривой ликвидуса) возникает твердая фаза состава С2, более богатая основным компонентом А, чем жидкая фаза. Расплав же будет обогащен примесным компонентом В. Поэтому условная точка сдвинется несколько вправо (точка 5) по сравнению с точкой 2, характеризующей исходный расплав. Но в этом случае температура Т2 выше температуры начала кристаллизации расплава, характеризуемой точкой 5. При дальнейшем понижении температуры точка 5 вновь достигнет кривой ликвидуса, и выделяющиеся теперь слои твердой фазы будут иметь состав более богатый компонентом В по сравнению со слоями, закристаллизовавшимися ранее. При очередной кристаллизации точка опять сдвинется вправо, и таким образом, следующие порции расплава кристаллизуются при более низкой температуре. Так как скорость диффузии в твердой фазе очень мала, то твердая фаза будет кристаллизоваться неоднородной по составу. Получающийся при этом кристалл будет представлять гамму твердых растворов с непрерывно меняющимися концентрациями. Это явление называется сегрегацией, а соответствующие нарушения постоянства состава сегрегационными. Из предыдущих рассуждений очевидно, что это явление обусловлено двумя факторами.
1. Замедлением процессов диффузии (выравнивания концентрации примеси) в твердой фазе.
2. Разница концентраций примеси в твердой и жидкой фазах.
Остановимся подробнее на втором факторе.
Мы сказали, что разница концентраций в твердой и жидкой фазе определяется коэффициентами распределения, равновесным и эффективным , который зависит от ширины диффузионного слоя, .
Ширина диффузионного слоя, в свою очередь, зависит от коэффициента диффузии примеси, вязкости расплава и ряда других факторов, связанных с перемещением примеси от границы двух фаз в объем расплава. Если в пределах этого слоя перенос вещества осуществляется диффузией, то в остальном объеме выравнивание концентрации примеси происходит за счет движения расплава.
Комментариев нет:
Отправить комментарий