Условия образования новой фазы

Новая фаза образуется в пересыщенных системах. Осторожно приводя систему к пересыщению, можно добиться того, что при определенной степени пересыщения новая фаза не возникает. О таких системах говорят, что они находятся в метастабильном состоянии, т. е. устойчивы к очень малым воздействиям и претерпевают необратимые изменения при более значительных изменениях параметров.

Первый этап образования новой фазы  появление зародышей, являющихся минимальным скоплением новой фазы и находящихся в равновесии со средой. Известны два механизма образования зародышей:

а) гомогенный, при котором новая фаза зарождается в однородной старой фазе;

б) гетерогенный, при котором зарождение происходит в местах неоднородностей фазы.

Примесями, служащими центрами конденсации по гетерогенному механизму, могут быть отдельные пылинки или заряженные частицы.

Образование зародышей по гомогенному механизму объясняется местным повышением концентраций в результате теплового движения молекул (флуктуации концентраций).

Термодинамические расчеты, проведенные Дж. У. Гиббсом и М. Фольмером, показывают, что работа, затраченная на образование равновесного зародыша по гетерогенному механизму, меньше, чем по гомогенному. Этот вывод подтверждается экспериментально: в системе, содержащей гетерогенные примеси, конденсация протекает значительно легче.

Второй этап конденсационного образования новой фазы  рост кристаллов. Скорость роста кристаллов определяется разностью действующей концентрации вещества в растворе и равновесной концентрации этого вещества при той же температуре. Чем больше разность, тем быстрее растут кристаллы.

Скорость роста кристаллов может значительно замедляться примесями, содержащимися в системе. Замедляющее действие примесей связано с их способностью захватываться поверхностью растущего кристалла. Располагаясь на поверхности, они затрудняют доступ молекул или ионов кристаллизующего соединения.

Влияние способа получения на строение порошковых частиц

Известные способы получения применяемых в про­мышленности металлических порошков заключаются в том, что куски диспергируемого металла помещают в заполненную диэлектрической жидкостью емкость и посредством электродов или индуктора подают на них импульсы напряжения. Недостатком этих методов явля­ется то, что диспергирование в жидкости приводит к загрязнению ко­нечного порошка продуктами реакции металла и жидкости, а в неко­торых случаях исходный материал полностью отличается от конечного вещества.

Металлические порошки можно получать и другим способом, ко­торый заключается в следующем. Расплавленный металл изливается струями по специальным насадкам из плавильной емкости, а затем распадается на капли.

Формирование капель осуществляется с помощью механических или электромагнитных воздействий. При этом металл дол­жен постоянно находиться в расплавленном состоянии, что связано со значительными техническими трудностями.

Избежать таких трудностей можно, применяя способ безэлектрод­ного электроэрозионного диспергирования в газах. В этом случае (осо­бенно, если диспергирование проводить в инертных газах) полностью исключается возможность химической реакции металла с окружающей средой, вследствие чего конечный и исходный продукты не отличаются по своему составу [9].

Рисунок 3 – Порошки алюминия (а, б) и меди (б, г), диспергированные в гелии (а – в) и воздухе (г). Увеличение: 108 (а), 120 (б). 528 (в), 300 (г) [9].

Порошки алюмина­та магния получают прокаливанием смеси чистых оксидов магния и алюминия в присутствии 2 % хлорида магния при температуре 1600 – 1750 ^оС в течение 4 часов в электропечи. Возможно проведение реакции соосаждения гидроксидов магния и алюминия из растворов алюмината натрия и соли магния, позволяющий получить алюминат магния при температуре около 1000 ^оС в течение 1 часа. Чтобы получить алюминат магния в виде сферических зерен, суспензию гидроксидов магния и алюминия распыляют через сопло в зону, нагретую до 1050 – 1100 ^оС [10].

а б

Рисунок 4 – Внешний вид порошка (а) и частицы порошка (б) алюмина­та магния, полученного прокаливанием при 1400 °С в течение 4 ч в печи. Увеличение: 75 (а), 750 (б) [10].

а б

Рисунок 5 – Внешний вид порошка алюмината магния, полученного рас­пылительным прокаливанием при температуре 1000 (а) и 1600 °С (б). 100 [10].

Методы распыле­ния расплавов позволяют получать порошки металлов и сплавов, частицы которых имеют форму от правильной сферической до оско­лочной.

В процессе диспергирования расплава образовавшиеся капли ме­талла (пряди) произвольной, неправильной формы под действием сил поверхностного натяжения стремятся принять форму шара, поверх­ность которого минимальна при постоянном объеме, что соответствует минимуму свободной энергии. При этом форма частиц порошка опре­деляется отношением времени пребывания капли в жидком состоянии ко времени ее сфероидизации. Известны выражения, связыва­ющие длительность охлаждения и сфероидизации капель с физическими свойствами расплава и энергоносителя. Судя по этим соотношениям, чтобы увеличить отклонение формы частиц от сферической, необходимо снижать поверхностное натяжение расплава, повышать его вязкость, увеличивать эффективную плотность энергоносителя и коэф­фициент теплоотдачи. Последние два условия реализуются при замене газообразного энергоносителя жидким, например водой [11].

Рисунок 6 – форма частиц порошка стали, распыленного водой под давлением 5,6 МПа, 290 [11].

Металлические, например медные, порошки, полученные электрохимическим методом, имеют форму дендритов, рисунок 7.

а б

Рисунок 7 – Внешний вид частиц порошка меди марки ПМС-I, (электролитический дендритный осадок)

Увеличение: 500 (а), 1000 (б).