Влияние твердых поверхностей на появление

Зародышей

Рассмотренная выше теория кристаллизации относится к самопроизвольному (спонтанному) появлению зародышей в гомогенных средах. Такое зародышеобразование является частным случаем. Обычно выделению новых фаз способствуют уже имеющиеся твёрдые поверхности. В расплавленном или твёрдом стекле присутствуют посторонние включения, поэтому дочерняя фаза образуется, как правило, на подложках иной фазы.

Рассмотрим две гетерофазные флуктуации одинакового объёма, одна из которых появляется внутри гомогенной фазы, а другая образуется на подложке (на твердой подкладке) (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Флуктуации на подкладке и в объёме

материнской фазы

Θ — краевой угол или угол смачивания, его отсчитывают со стороны капельной жидкой фазы.

Для рассматриваемых случаев появления флуктуаций выполняется соотношение R > r. Если для данной жидкости при заданном пересыщении r < r_кр < R, то зародыш внутри гомогенной среды должен раствориться, а на подложке он будет расти. Твёрдые подкладки облегчают появление зародышей. Такие твёрдые подкладки называют затравками. Чем лучше дочерняя фаза смачивает твердую подложку (угол Θ меньше), тем больше R, тем легче зарождается новая фаза.

Рассмотрение равновесия сферической капли на твердой подложке приводит к соотношению:

ΔG´= ΔG∙f(Θ),

ΔG´ – работа образования зародыша на подкладке;

ΔG – работа образования зародыша в гомогенной среде.

Функция f(Θ) определяется отношением объёма сферической капли (представляющей сегмент шара) и полного объёма шара с радиусом R.

.

,

где Θ₁ = π – Θ.

Если Θ = 0, то Θ₁ = π и f(Θ)=0 – при абсолютном смачивании ΔG´ = 0, то есть образование зародыша может происходить при минимальном пересыщении.

Если Θ = π/2 , то Θ₁ = π/2 и f(Θ)=0,5. ΔG´= 0,5ΔG.

Если Θ = π, то есть жидкость не смачивает подложку, то f(Θ) = 1 и ΔG´= ΔG – подкладка практически не облегчает образование зародыша новой фазы.

Во всех случаях, когда 0 ≤ Θ < π, подкладка способствует появлению новой фазы и тем сильнее, чем лучше смачивание. Затравка тем сильнее инициирует выделение новой фазы, чем ближе структура и параметры решётки подкладки и выделяющейся кристаллической фазы (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Формирование переходной зоны на границе

включения и новой фазы

Если различие параметров не превышает 15%, то новая фаза продолжает после несущественных искажений решётку затравки. Если различие параметров и структуры велики, то на границе раздела материнской и дочерней фаз может образоваться промежуточная по структуре и параметрам фаза. Всё определяется соотношением работы деформации и работы появления зародыша. Добавки затравок к расплаву облегчают появление зародышей и увеличивают число центров кристаллизации.