晶体生长论文西北工业大学

一、预备知识矿物成因和晶体的形成方式；影响晶体生长的外部因素；人工合成晶体的方法、原理和工艺特点。二、目的与要求熟悉常见矿物成因及其共生矿物组合；了解影响晶体生长的外部因素；根据不同矿物的特点选择适合的合成方法。三、实验内容生长石盐、食糖、明矾、绿松石及一些玻璃制品等。通过使溶液达到过饱和时析出晶体的方式合成晶体，包括低温饱和溶液（如水和重水溶液、凝胶溶液、有机溶剂溶液等）、高温饱和溶液（熔盐）与热液等方法。低温溶液生长（室温至75℃左右）：一种最古老的生长晶体的方法。在工业结晶中，海盐、食糖及各种固体化学试剂等的生产，都采用了这一技术。晶体的生长是靠自发成核或放入粉末状晶种来促进生长的，生长的晶体为高纯度、颗粒均匀的多晶体。从低温溶液中培育单晶最显著的优点如下：（1）晶体可以在远低于熔点温度的条件下生长，可用的加热器和培育容器易于选择；（2）容易生成大块的均匀性好的晶体；（3）所生长出的晶体外形完整，同时可以用肉眼观察晶体生长全过程，这对研究晶体生长形态与动力学提供了方便。从低温溶液中培育单晶，也存在如下主要缺点：（1）溶液的组成较多，溶液中的杂质总是不可避免的，因此影响晶体生长的因素较复杂；（2）晶体生长速度慢，因此单晶生长的周期长；（3）从水或重水溶液中生长出的晶体易于潮解，而且使用温度范围亦窄。注意：（1）从低温溶液中生长单晶的最关键因素是控制溶液的过饱和度，晶体只有在稳定的过饱和溶液中生长才能确保晶体质量。（2）单晶生长法与生长温度区间的选择是根据结晶物质的溶解度及其温度系数来决定的。例如，若结晶物质的溶解度及其温度系数均较大时，就可采用降温法；若结晶物质的溶解度大小为一般，但其温度系数很小或为负值，则要采用恒温蒸发法；若结晶物质的溶解度很小（难溶盐），就可采用凝胶法。降温法：是从溶液中培育单晶的一种最常用的方法。降温法的关键问题是在晶体生长的全过程中要求严格控制温度，并按照一定的程序降温，使溶液始终处于亚稳相，并维持适宜的过饱和度来促成晶体的正常生长。装置如图1示。操作技术要点如下：（1）配置适量溶液，测定溶液的饱和点与p H值；（2）将溶液过热处理2～3小时，以便提高溶液的稳定性；（3）预热晶种，在装槽下种时，使晶种微溶；（4）根据溶解度曲线，按照降温程序降温，逐步使晶种恢复其几何外形，然后使晶体正常生长；（5）当晶体生长到一定温度时，抽出溶液，再缓慢地将温度降至室温，取出晶体，放进干燥器中保存。图1 降温法生长晶体装置示意（据张克从，1998)1—搅拌马达；2—温度计；3—接触温度计（控温）；4—加热器；5—育晶器；6—挚晶杆；7—晶体；8—导电表；9—温度计；10—育晶器盖；11—育晶器；12—保温层；13—炉丝；14—自控加热器图2 蒸发法育晶装置示意（据张克从，1998)1—转晶电机；2—水封；3—冷凝管；4—冷凝水收集器；5～8—绝缘层外壳蒸发法：是将溶剂不断地蒸发移出，以保持溶液处于过饱和状态，通过控制蒸发量来维持溶液的过饱和度。蒸发法生长晶体的装置与降温法近似，只不过增加了冷凝回收溶剂的部分装置，如图2示。这种方法的技术操作要点大致与降温法相同，不同之处在于：根据流出的冷凝水量（蒸发量）来观测晶体正常生长的情况，随着晶体的长大，要求取水量逐渐增多，通过调整晶体生长温度来达到这个目的。凝胶法：以凝胶作为扩散和支持介质，晶体借助在水溶液（或有机溶剂）中的化学反应生长，装置如图3示。生长晶体的技术特点如下：图3 凝胶法育晶装置示意（据张克从，1998)1—水；2—凝胶；3—晶体；4—容器；5—玻璃管；A,B两种不同的生长液（1）凝胶的配置，凝胶的密度和稳定性对生长晶体起到关键性的作用；（2）当A、B两种生长液同时向凝胶介质中扩散时，扩散的结果将导致复分解反应或其他类型的反应，自发成核，多核生长；（3）晶体是在柔软而多孔的凝胶骨架中生长，有自由发育的适宜条件；（4）晶体是在静止环境中靠扩散生长，没有对流与湍流的影响，有利于完整性好的晶体生长；（5）晶体在室温或近室温条件下生长，温度易于控制，副反应减少，如欲生长出较大的晶体（厘米级），则必须严格控制成核；（6）用凝胶法研究新晶体材料和培育籽晶是一种理想的简便方法；（7）设备简单，可根据不同类型反应采用不同的设备。例如，化学沉淀合成宝玉石法是一种经化学反应和沉淀（或沉积），进而加热加压合成非单晶质宝石的方法，如合成欧泊、合成绿松石等。高温熔液生长（温度约在300℃以上）：十分类似于低温溶液法生长晶体，它是将晶体的原成分在高温下熔解于助熔剂中，以形成均匀的饱和溶液，晶体是在过饱和熔液中生长。其优点如下：（1）适用性强，几乎对所有的晶体材料都能找到一些适当的助熔剂来进行晶体生长；（2）对许多难熔的化合物或熔点较低的晶体材料，可选取适当的助熔剂来进行晶体生长，而助熔剂的选择非常关键，要求它不与生长晶体原料起化合作用；（3）设备较简单，坩埚、单晶炉热源和控温装置等均属于一般要求的装置。高温熔液生长晶体也有如下缺点：（1）晶体生长速度较慢，生长周期较长；（2）在晶体生长过程中，不易观察生长现象；（3）许多助熔剂往往带有毒性，有害身体健康；（4）一般所生长出的晶体尺寸较小。例如，仿造和再造宝玉石法，主要是利用玻璃、陶瓷、塑料或其他材料制作宝石仿制品（如玻璃猫眼、绿松石玻璃、玻璃欧泊、塑料琥珀等）和再造宝石（再造琥珀、再造绿松石等）。热液生长法，又水热法，是一种在高温高压下过饱和溶液中进行结晶的方法。四、作业根据实验条件，合成常见晶体。

:欧洲科学、艺术与人文学院通讯院士（巴黎）；中国晶体学会理事；中国颗粒学会理事；中国硅酸盐学会晶体生长与材料分会第六届理事；中国稀土学会发光专业委员会委员；第七届国际分子光谱学大会国际顾问委员会委员（2003年、波兰）；第八届国际分子光谱学大会国际顾问委员会副主席（2005年、波兰）；第三届亚洲晶体生长与晶体技术学术会议组织委员会委员（2005年、北京）；第一届国际功能材料研讨会（ISFM2005）国际顾问委员会委员（2005年、马来西亚）；第14届全国晶体生长与材料学术会议组织委员会委员（2006年、福州）；第二届国际功能材料研讨会（ISFM2007）组织委员会委员（2007年、杭州）；中国化工学会无机酸碱盐专业委员会学术带头人；中国无机盐工业协会钙镁盐行业协会专家组成员；《无机盐工业》编委；《材料导报》编委；《化学研究》编委；欧洲物理学会会员；美国化学会（ACS）系列杂志审稿人；英国皇家化学会（Royal Society of Chemistry) 系列杂志审稿人；英国 IoP（Institute of Physics）系列杂志审稿人；德国 Physica Status Solidi 系列杂志审稿人。

傅恒志院士是我国著名的冶金材料学家，也是我国著名的教育家，曾执掌著名的西北工业大学8年之久。傅恒志的一生，可谓是格物致知、求索创新的一生。他于1988年创建了国内唯一的凝固技术国家重点实验室。主持国家自然科学基金重大项目、国家重要基础研究项目(973)和国防预研项目的课题，出版有《高温合金及其熔炼技术》等专著4部、指导博士30余名、硕士40余名、博士后10名。1958年，傅恒志作为当时全国铸造学科唯一的留苏研究生，远赴苏联列宁格勒工学院学习。苏联铸造界最有声望的聂亨齐教授是傅恒志的导师，曾对他提出的熔炼特殊材料的高温合金新技术设想大加赞赏: “敢想前人之未想，敢做前人之未做，具有创新思维。好! ”当时傅恒志研制出了新型高温合金系列，其中镍铬基新型高温合金就被运用在苏联航空发动机的叶片上，填补了国际高温合金领域的空白，获得苏联科学技术发明专利。1962年，傅恒志研究生毕业的同时，因其成就卓著又获得了副博士学位。从苏联学成归国后，傅恒志多年来一直致力于材料学方面的研究。他在科教事业中还拥有许多首创和第一: 西北工业大学铸造专业的创始人之一，培养出我国第一位铸造工程博士，国内首创以控制液固界面位置为基准的定向凝固稳态及非稳态过程的计算机模拟和晶向三维控制技术，在国内率先建立了凝固技术国家重点实验室，在国际上首次提出液固界面非平衡溶质再分配和定向组织超细化的概念，这些新颖的观点，引起了国内外学者的高度关注，被认为是凝固理论界的突破……傅恒志院士献身科教事业，硕果累累，业绩辉煌。他先后获国家科技进步奖及发明奖4项，获部、省级特等奖及一等奖4项；发表论文300多篇，其中上百篇被载入《SCI》《EI》《美国化学文摘》《国际宇航文摘》《应用物理学报》等国际文摘和著名刊物。他在科学研究上所取得的卓越成就，使他在第五届国际大学联合会上被推荐为理事会成员；1992年被俄罗斯国立圣彼得堡技术大学授予名誉博士称号，同年由美国传记研究院提名并获世界终身成就奖；1993年成为我国首批入选由世界著名科学家、教育家组成的国际高校科学院院士；1995年年初被选为俄罗斯宇航科学院外籍院士，同年5月，又高票当选中国工程院院士。在航空航天材料及其加工技术方面具有很高的造诣，曾主持了多项型号研制任务，他提出的特种合金及其金属间化合物航空航天发动机叶片液态无模电磁成形和超高梯度超细化定向凝固技术属世界首，为我国航空发动机领域向推比10以上发动机方向的发展提供了科学的材料和工艺基础。傅恒志院士博学多识，治学严谨，具有敏锐的科学思维，始终站在材料科学发展的前沿，精辟的提炼出材料及其加工过程的科学问题，特别对航空航天用高温结构材料的发展做出了巨大贡献。他宽以待人、严于律己、诲人不倦，以其科学家的胆识和魄力，对促进材料和加工学科的发展起到了推动作用，曾于1988年创建了国内唯一的凝固技术国家重点实验室。傅恒志院士长期从事铸钢、铸造高温合金、定向和单晶凝固理论和技术方面的教学和研究工作。在国际上率先提出液固界面非平衡溶质再分配的概念及相关函数关系；在亚快速定向凝固及组织超细化、高温合金和稀土永磁合金的凝固组织与性能方面进行了开创性研究，获得性能提高数倍的超细胞/枝晶定向组织“ZMLMC超高温度梯度定向凝固方法与装置”获1994年国家科技进步奖二等奖。与此同时还获得包括《定向凝固超细柱晶组织及其形成机制》在内的多项国家发明奖和省部级科技进步奖。目前已发表学术论文400余篇，出版《高温合金及其熔炼技术》等专著4部、指导博士30余名、硕士40余名、博士后10名。铸钢、铸造高温合金、定向和单晶凝固理论和技术方面的教学和研究工作，主持国家自然科学基金重大项目、国家重要基础研究项目(973)和国防预研项目的课题，并以大推力、超高温发动机为研究背景，自主开发耐热温度在1000℃以上的钛铝基金属间化合物无(软)接触电磁成形单晶定向凝固发动机叶片的制备技术。该技术的开发成功将使我国的航空航天发动机材料水平迈上一个新台阶，出现一个崭新的局面。1961年研制出新型高温合金，用于生产。在合金非平衡定向凝固及组织控制的研究中，提出了非平衡溶质分配的新概念。撰有《高温合金非平衡状态的凝固特性》等论文。在非平衡凝固理论、亚快速定向组织及组织超细化、高温合金、稀土永磁合金的凝固组织与性能、电磁约束成形定向凝固技术等方面进行了开创性研究。领导研制的超高梯度定向凝固装置的温度梯度可达1300°C/cm,超出当时国际最好水平达三倍之多；主持创建了枝胞转换及亚快速定向凝固的理论框架，开辟了单晶及定向组织超细化研究的新领域。在此基础上，又提出了电磁成形定向凝固新技术。1938年抗战初期，全家逃难，辗转到西安。1947年，傅恒志以优异的成绩考入西北工学院机械系。在迎接解放的日子里，这位热血青年，参加了青年团，担任团支部书记，1950年加入了共产党，同年毕业。1952年至1955年，他考入哈尔滨工业大学攻读硕士学位研究生。1958年，傅恒志作为当时全国铸造学科唯一考取的留苏研究生，赴苏联列宁格勒工学院，师从苏联铸造界最有声望的权威聂亨齐教授，进行耐热合金的研究工作。那时，用于航空航天尖端技术领域的镍基高温合金，性能优良?但在世界上，此种合金都以高含量的铝、钛作为主要强化元素，必须在真空下熔铸，否则极易氧化。而在上世纪60年代初，国内这样的真空冶炼设备极少。针对这一实际情况，傅恒志想：能不能搞出一种既不含铝、钛，又不需真空熔炼，而其性能又与含铝、钛的镍基高温合金相当的高温合金呢？如果有了这种高温合金，不就解决了国内对这一高温材料的急迫需求吗？这可是一个破天荒的大胆设想！ 傅恒志小心翼翼地把这一设想告诉了自己的导师聂亨齐教授，得到了导师的大加赞赏：“敢想前人之未想，敢做前人之未做，具有创新思维。好！”在导师的支持下，傅恒志进行了艰难的探索。他先后设计了60余种合金方案，每一种方案的性能测试都要在800℃的高温下持续做6000小时的实验。为了实验，他常常废寝忘食，通宵不眠。经过两年多时间的不懈努力和反复筛选，在对镍铬钼钨铌合金系列进行系统研究的基础上，终于研制出了″无铝、钛的镍铬基″这一新型高温合金系列。傅恒志把这些研究成果写在论文《镍铬基铸造高温合金组织和性能的研究》里，在论文尚未答辩、合金尚未最后定型的情况下，他研制的镍铬基新型高温合金就被用在苏联航空发动机的导向叶片上。为什么苏联航空专家特别喜欢这种新型合金呢？因为该类合金虽然不含铝、钛，不需真空熔炼但却达到了当时世界上含铝、钛的镍基高温合金的优良性能，即不但具有较好的力学性能，而且具有优异的铸造性能。这在当时被认为是填补了国际高温合金研究领域的一项空白，当之无愧地居于国际领先水平，受到了国内外专家的高度赞誉。也正因为如此，他的这项研究成果获得了苏联科学技术发明专利。1962年，他从列宁格勒工学院物理冶金系研究生毕业时，获得苏联科学技术副博士学位。标新立异 勇攀高温合金研究高峰：傅恒志1962年从苏联学成归国后，继续致力于高温合金的成份、组织、铸造性能与力学性能关系的研究。高温合金是广泛应用于航空、航天、舰船、发电、机床、石油和化工等工业中的耐高温材料，在航空发动机上主要用于制作热端部件。他针对新型发动机发展的需要，开展了对涡轮叶片定向凝固和单晶技术的研究，在国内首创了以控制液固界面位置为基准的定向凝固稳态及非稳态过程的计算机模拟和晶向三维控制技术，显著改善了定向和单晶叶片的组织及性能，为我国叶片的定向凝固和单晶技术的发展提供了关键技术。此后，针对现行定向凝固温度梯度低、冷速小、组织粗大的缺点，他又提出了超高梯度定向凝固和组织超细化的新构思，成功地获得定向超细柱晶组织。在镍基和钴基合金中，所得到的结晶组织较HRS定向凝固这一通用方法细化4～10倍，高温持久性能超出同类合金1～2倍。他领导研制的超高梯度定向凝固装置，其温度梯度超过当今世界最高水平3倍多。由于在高梯度晶体生长和超高梯度定向凝固装置的研究上达到了国际领先水平，这两项技术分获航空航天部一、二等奖和国家科技进步及国家发明二、三等奖。仪器仪表工业的发展对磁性材料提出了新的要求，用传统粉末冶金方法制出的稀土永磁材料性能极脆，很容易破损，无法制作出很薄或形状复杂的永磁体。为了解决这一问题，傅恒志教授以凝固理论、磁学理论和复合材料理论为指导，提出了引入塑性相的新构思和运用控制凝固过程的新手段，经过几年的努力，建立了第二代（钐－钴）和第三代（钕铁硼）永磁体的铸造组织、成分、凝固特性、晶体取向和磁性能的关系，发明了可加工的稀土钴永磁材料。这种材料可以车削，可以变形，也可以切削成仅0．2毫米厚的超薄磁片，从而突破了钐钴合金完全脆性、不可能加工的禁界；而且所获磁能积居当时国际同类材料的领先水平。已成功地应用于国产卫星的隔离器上，并获得了航空航天部科技进步一等奖及国家发明三等奖。九十年代，针对航天工业的需要，傅恒志教授又领导开展了对超细石英纤维加工机制和析晶性的研究，所研制的高纯超细石英纤维，被国家高技术新材料鉴定组确认为：“其性能已相当于美国同类产品水平，填补了国内空白。”如今，高纯超细石英纤维已用于航天防热陶瓷瓦，其理论成果获1994年国家教委科技进步奖。1995年，傅恒志教授承担了“单晶与定向叶片组织超细化与自约束成形综合技术”的课题研究。这一课题研究试图解决材料冶金技术上的两个重大难题：一是如何提高单晶及定向凝固技术装置的温度梯度；二是如何消除液态合金在成形过程中的污染。傅恒志教授致力于对高温合金定向凝固技术的研究，探索了提高定向凝固过程的温度梯度的途径，推出了超高梯度ZMLMC定向凝固方法，在实验室实现了高达1000K/cm以上的温度梯度，比德国Leybold公司生产的定向凝固设备的温度梯度整整高出10倍左右，达到了当今世界领先水平。这项成果因而获得了航空航天部科技进步一等奖及国家科技进步二等奖（国防类）。硕果累累 奋斗不息：傅恒志院士献身科教事业硕果累累，业绩辉煌。他先后获国家科技进步及发明奖4项，获部、省级特等及一等奖4项；发表论文300多篇，其中上百篇被载入《美国化学文摘》、《国际宇航文摘》、《应用物理学报》等国际文摘和著名刊物。他多次应邀参加国际学术会议及到国外讲学：先后在美国里海大学、美国国家标准局、德国柏林工业大学、德国亚琛工业大学等院校和研究所做学术报告；他还多次赴前苏联及俄罗斯、乌克兰的一些著名大学和研究机构访问讲学。在圣彼得堡国立技术大学及莫斯科航空材料研究院，他的“关于晶体定向生长及单晶高温合金问题”的讲学受到高度评价。圣彼得堡技术大学教授、苏联功勋科学家、科学院院士哈洛沙伊洛夫认为，傅恒志教授关于“定向凝固溶质再分配”的讲学，是“合金相变理论中的一个突破”。他在科学研究上所取得的卓越成就，使他在第五届国际大学联合会上被推荐为理事会成员；1992年被俄罗斯国立圣彼得堡技术大学授予名誉博士称号，同年由美国传记研究院提名并获世界终身成就奖；1993年成为我国首批入选由世界著名科学家、教育家组成的国际高校科学院院士；1995年初被选为俄罗斯宇航科学院外籍院士，5月间又荣幸地成为中国工程院院士。现任西北工业大学学术委员会主任，陕西省航空学会理事长，中国航空学会副理事长。桑梓情深 愿为家乡多奉献：76岁的傅恒志院士乡音未改，见到家乡的亲人，心情激动，特别热情。他说，我是河南人，热爱河南，人老了，更加关注家乡，迫切希望为家乡做些贡献。1986年，我在苏联留学的同学何竹康担任河南省省长，我的学生赵地担任河南省委副书记，我担任西北工业大学校长。受他们的盛情邀请，我和西北工业大学的几位领导从西安来到郑州，洽谈如何为河南省的经济发展尽力。在赵地同志的陪同下，我们参观了洛阳等几个发展比较快的城市，来到洛阳工学院，受到学院领导的热情接待，留下了美好的印象。后来，赵地同志回西北工业大学参加校庆，再次谈起为河南办点实事的问题。最后选中了洛阳工学院。1998年牡丹花会期间，我再次来到洛阳工学院深入考察，双方开始合作。河南科技大学成立以来，聘请我为共享院士，兼职教授，专设了办公室。我感到责任在肩，时刻牢记在心，虽然这几年，我每年都要到河南科技大学两次，做场学术报告，指导一些工作，但，总希望工作做得更多一些，更好一些。希望河南科技大学的发展更快一些，为河南省经济社会的发展做出更大的贡献。傅恒志院士受聘于河南理工大学：2005年3月，傅恒志院士受聘于河南理工大学之后，他决定每年从该校给他的薪酬中拿出20万元，加上校方配套的10万元，共30万元作为资金来源，设立“金属材料及加工工程学科发展基金”，用于奖励河南理工大学师生。该发展基金于2005年10月建立，至今该校已有40余名师生受益。该基金主要用于支持该校材料学科建设，活跃学术氛围，促进学术交流，奖励品学兼优的材料科学及相关学科的在校硕士、博士研究生，激励他们在学业和研究工作中取得创造性成绩。2005年受聘担任河南理工大学教授以来，创建了材料物理冶金研究所，引领学校材料学科的建设与发展，帮助凝炼并形成了凝固技术与亚稳材料、材料先进连接技术与相变理论及材料加工过程数值模拟等学术研究方向并取得重要进展。