丁二腈枝晶生長的原位觀察

侯　寧,張建斌*（蘭州理工大學材料科學與工程學院,蘭州730050）

丁二腈枝晶生長的原位觀察

侯寧,張建斌*
（蘭州理工大學材料科學與工程學院,蘭州730050）

材料科學中的一個關鍵問題就是如何預測凝固過程中出現的微觀組織，進而實現凝固過程控制,枝晶是凝固過程中普遍存在的一種微觀組織，而溫度和溶質分布決定著枝晶的生長形態，影響著枝晶的形貌。本文選用與金屬凝固行為相似的丁二腈凝固原位觀察。研究丁二腈在不同溫度梯度下凝固過程中的枝晶生長狀況，以及溶質乙醇加入丁二腈時對晶體形態的影響。通過自制的實驗觀測系統, 進行實時觀察和拍攝，待表面凝固完全時對枝晶生長的形貌進行顯微照相，后經過觀察、測量和分析枝晶間距，發現溫度梯度越小，二次枝晶就越易生成；加入溶質后，溶質質量分數越小，二次枝晶就越易生成；溶質質量分數越大，局部凝固的時間越久。但是受外部因素的影響，實驗結果可能會出現一定的偏差。了解枝晶的影響因素，可以避免材料的成份偏析和結構缺陷，提高材料的性能，生產出人們所需要的特定形態的材料。

丁二腈;二次枝晶;觀察;凝固

1　前言

在晶體生長研究和發展過程中,人們對平衡、近平衡條件下的晶體生長研究較多,對遠離平衡態的晶體生長研究較少,而遠離平衡態所形成的枝晶是很常見的。最初,枝晶是泛指具有枝蔓狀形態的晶體,遠離平衡態條件下生長的晶體,其形態復雜多樣,較典型的有:密枝形態、似“水草”的分形形態和枝晶(有明顯的主干)。隨著對非平衡態下生長的晶體的形貌研究的深入,枝晶則普遍用指有明顯主干的樹枝狀晶體。丁二腈為白色晶體，微溶于水、酒精、乙醚、二硫化碳，溶于丙酮、三氯甲烷，其熔點為58.083士0.002T，沸點為265～267℃。丁二腈為劇毒有機物，是一種極為活潑的有機物，能與空氣中的氧氣、氮氣、水蒸氣等發生反應。丁二腈(SCN)是一種與金屬具有相似界面性質的體心立方結構的透明有機物,由于它的熱力學數據較全,與金屬凝固行為相似,多年來被國際凝固理論界廣泛地應用于凝固理論研究。

2　實驗原料、方法及儀器

2.1實驗原料及儀器

丁二腈100g，乙醇500ml，玻璃器皿，電子恒溫不銹鋼水浴鍋，攝像頭，電腦，顯微照相機，電子天平，吸針管，鐵架臺，鑷子，水箱，水桶，吸水管，鐵架，棉花，藍色海綿板。

將水箱放在高度低于恒溫水浴箱的旁邊，鐵架臺放在水箱旁邊，鐵架穩固放在水箱上，把藍色海綿板放在鐵架上，將攝像頭與電腦連接，對準海綿板調整到最佳位置穩定在鐵架上。

2.2實驗方法

2.2.1配制不同質量分數的丁二腈～乙醇合金

（1）在配制丁二腈～乙醇合金時，乙醇質量: 其中乙醇密度=0.079g/ml。用電子天平稱量丁二腈m1，用吸針管吸取乙醇vml加入丁二腈中。乙醇所占質量分數為：

表1 　丁二腈～乙醇合金的配制

2.2.2實驗步驟一

（1）將配制好的丁二腈～乙醇合金放在玻璃器皿中，將恒溫水浴箱的溫度調整到65℃保溫，將玻璃器皿放入水浴箱中加熱，待達到設定溫度后保溫30分鐘，使丁二腈和乙醇混合均勻。

（2）將器皿迅速放在鐵架上，對準攝像頭，關掉恒溫水浴箱，將恒溫水浴箱的吸管沖澆器皿的一端，隔一分鐘加入一部分冷水，另一端用冷水一直沖澆。使丁二腈～乙醇合金一直保持冷熱水沖澆，形成一個溫度梯度G1，然后拍攝直到器皿表面不再發生變化為止。（3）30分鐘后將器皿拿到顯微鏡下進行顯微照相，觀察枝晶生長狀況。

2.2.3實驗步驟二

（1）將配制好的丁二腈～乙醇合金放在玻璃器皿中，將恒溫水浴箱的溫度調整到65℃保溫，將玻璃器皿放入水浴箱中加熱，待達到設定溫度后保溫30分鐘，使丁二腈和乙醇混合均勻。

（2）將器皿迅速放在鐵架上，對準攝像頭，關掉恒溫水浴箱，將恒溫水浴箱的吸管沖器皿的一端，隔一分鐘加入一部分冷水，另一端保持室溫自然冷卻，形成一個溫度梯度G2，然后拍攝直到器皿表面不再發生變化為止。

（3）30分鐘后將器皿拿到顯微鏡下進行顯微照相，觀察枝晶生長狀況。

3結果與討論

（1）以下為600倍顯微鏡下拍攝的顯微組織圖，其中左圖為水冷條件和右圖為室溫自然冷卻條件。如圖2所示。

表2　 試驗結果統計

定向枝晶凝固是在單向熱流條件下在一定的生長速率范圍內實現，在給定的溫度梯度下，枝晶組織可能被抑制而向胞狀或平面狀轉變。定向枝晶的特征尺寸是一次枝晶間距λ1和二次枝晶間距λ2。它們決定著凝固組織中的微觀偏析、亞結構及次生相的分布，從而對材料的性能有決定性影響。對于胞狀凝固則只存在一次間距，而平面界面凝固過程中無枝晶結構。一次枝晶間距λ1與凝固速率R和溫度梯度GT的關系式：對于二元合金，常數A1為：

二次枝晶間距模型是建立在枝晶等溫熟化理論基礎上的。開始變的不穩定而被相鄰枝晶吞滅，只有一部分枝晶生長，并保持在最后的凝固組織中。這一過程與固態相變的Ostwald熟化過程相似，最終的二次枝晶間距λ2與局部凝固時間之間滿足：

表3　丁二腈～乙醇合金的熱物性參數

3　實驗結論

（1）在水冷條件下，也就是溫度梯度為G1時，丁二腈-乙醇合金呈現一次枝晶生長，乙醇質量分數越大，一次枝晶間距越小，但在乙醇質量分數5%時呈現二次枝晶生長，二次間距也較大。在室溫自然冷卻條件下，溫度梯度為G2，也就是乙醇質量分數越小，二次枝晶就越易生成，二次枝晶間距也越大。

（2）因為溫度梯度G1＞G2，所以要使二次枝晶易于生成，就需要在溫度梯度小的情況下；要使二次枝晶間距越大，就需要乙醇的質量分數越小。乙醇質量分數越大，丁二腈-乙醇合金局部凝固的時間也就越久。實驗中可能受天氣的影響，室溫自然冷卻會受到影響，另外使用的自來水也會受天氣的影響，溫度也會發生變化，所以致使乙醇質量分數為5%時出現了反差。

4　注意事項

由于丁二腈的性質以及它的危害性，在實驗過程中應時時注意安全問題，以避免不必要的傷害。丁二腈遇明火、高熱可燃。與強氧化劑可發生反應。該物質對環境有危害，應特別注意對水體的污染。保持實驗室低溫通風干燥，與氧化劑，酸類，食品添加劑分開存放，稱取物品時避免直接接觸藥品。禁止皮膚接觸、眼睛接觸，做好應急準備工作。

[1]段萌萌.晶體生長過程的光學干涉法研究[D].碩士學位論文,西北工業大學，2006.

[2]胡漢起.金屬凝固原理[M].北京:機械工業出版社，2000:52-53.

*號作者為本文作者的指導教師