ВВЕДЕНИЕ

Кристаллизация как технологический метод широко используется в химической и в родственных отраслях промышленности, а также в лабораторной практике при различных научных исследованиях. Методом кристаллизации осуществляются следующие процессы: получение твердых продуктов в виде слитков, блоков, гранул, чешуек и т.п. (в частности, в процессе литья или осаждения из растворов) взрывчатых и многих других веществ; разделение смесей на фракции, обогащенные тем или иным компонентом; глубокая очистка веществ от примесей; выращивание монокристаллов.

При выполнении лабораторных работ студентам представляется возможность изучить закономерности кристаллизации в зависимости от природы исследуемого материала и растворителя, степени переохлаждения расплавов (или пересыщения растворов), скорости охлаждения и наличия зародышей твердой фазы. Управляемый процесс кристаллизации позволяет придавать кристаллам желаемую внешнюю огранку и размеры. Путем введения примесей можно также изменять свойства кристаллических материалов.

Большое внимание уделяется изучению морфологических особенностей образующихся кристаллов, оценке габитуса кристаллов и их совершенства.

Вследствие процессов кристаллизации, перекристаллизации и других фазовых превращений образуется структура (первичная, вторичная). Изучению структуры некоторых взрывчатых и металлических сплавов посвящена лабораторная работа, целью которой является определение параметров структуры, среди которых: вид, определяющийся кристаллической структурой и химическим составом; количество, размер, форма и распределение структурных составляющих. Для закрепления полученных знаний предложены задания по определению типа сплавов, видов обработки и разрушения по предложенным фотографиям микрошлифов.

Разбор предложенных контрольных заданий, а также изучение структур имеющихся в лабораториях кафедры микрошлифов различных материалов позволит студентам достойно подготовиться к олимпиаде по материаловедению.

1. Процессы кристаллизации. Определения. Классификация технологических методов

кристаллизации

Кристаллизация лежит в основе технологических процессов литейного производства изделий из взрывчатых веществ, отрасли металлургии, получения полупроводниковых, оптических, пьезоэлектрических и других материалов, плёнок для микроэлектроники, покрытий. Широко она используется в химической, пищевой, медицинской промышленности при очистке веществ, производстве удобрений, химикатов, лекарств.

Известны следующие варианты процесса кристаллизации: из растворов, расплавов, из паровой фазы, в твердом состоянии. Каждый из указанных вариантов объединяет несколько технологических разновидностей [1].

Кристаллизация из паровой фазы применима для веществ, обладающих высоким парциальным давлением паров над твердой фазой, т.е. для веществ, способных переходить непосредственно из паровой фазы в кристаллическую, и наоборот. Этот вариант кристаллизации можно использовать для очистки от примесей таких веществ, как нафталин, йод, водородные соединения мышьяка. Кристаллизация происходит тогда, когда имеется пересыщенный и/или переохлажденный пар. При кристаллизации образуются дендриты.

Кристаллизация в твердом состоянии осуществляется при термической обработке материалов с целью получения определенной кристаллической структуры. Данный вариант кристаллизации широко применяется в металлургической промышленности при рекристаллизации или вторичной кристаллизации металлов и сплавов, а также при переработке термопластичных полимерных материалов.

Наибольшее распространение в промышленности и лабораторной практике получили процессы кристаллизации из расплава и из раствора.

Кристаллизация из раствора используется с целью получения продуктов в виде кристаллов определенных размеров и формы.

Особенности процесса:

- кристаллизацию из растворов можно провести при значительно меньших температурах, по сравнению с кристаллизацией, того же вещества, непосредственно из расплава (что особенно важно при переработке высокоплавких веществ);

- в ряде случаев использование кристаллизации из растворов вызвано высокой вязкостью веществ в расплавленном состоянии;

- встречаются процессы кристаллизации, «осложненные» химическим взаимодействием. Чаще всего эти процессы протекают в жидкой фазе, причем в результате взаимодействия двух веществ образуется новое соединение, выпадающее в кристаллическое состояние.

Для осуществления процесса кристаллизации в растворе необходимо создать пересыщение.

Кристаллизация из расплава является примером фазового перехода I рода и сопровождается выделением теплоты - скрытой теплоты кристаллизации. Кристаллизация из расплава включает в себя довольно большое число технологических методов, которые можно разделить на три группы:

• отверждение расплава;

• фракционная кристаллизация,

• выращивание монокристаллов.

Методы первой группы используются в промышленности для получения продуктов в виде слитков, отливок, пластинок, чешуек и т.д. Вторые – используются с целью разделения исходных бинарных или многокомпонентных расплавов на фракции, обогащенные тем или иным компонентом, а также для глубокой очистки вещества от примесей.

Большое научное и практическое значение имеют монокристаллы. Они отличаются идеальной бездефектной структурой или структурой с минимальными структурными несовершенствами. Получение монокристаллов позволяет изучать свойства веществ, исключив влияние границ зерен. Применение в монокристаллическом состоянии германия и кремния высокой чистоты дает возможность использовать их полупроводниковые свойства и свести к минимуму неконтролируемые изменения электрических свойств. Изучение свойств монокристаллов ВВ необходимо для лучшего понимания механизмов переработки и эксплуатации изделий из взрывчатых материалов. Основателем единственной научной школы по выращиванию и изучению свойств монокристаллов энергонасыщенных материалов является профессор В. М. Бочков, долгое время возглавлявший кафедру ТТХВ КГТУ.