Аномальный рост зерна
Аномальный или прерывистый рост зерен , также называемый преувеличенным или вторичным ростом зерен рекристаллизации , представляет собой явление роста зерен , при котором определенные энергетически выгодные зерна ( кристаллиты ) быстро растут в матрице из более мелких зерен, что приводит к бимодальному распределению зерен по размерам.
В керамических материалах это явление может привести к образованию удлиненных призматических, игольчатых (игольчатых) зерен в уплотненной матрице. Эта микроструктура потенциально может улучшить вязкость разрушения, препятствуя распространению трещин. [1]
Механизмы [ править ]
Аномальный рост зерен (AGG) встречается в металлических или керамических системах, демонстрирующих одну или несколько из нескольких характеристик: [2] [3]
- Системы с включениями вторичной фазы, осадками или примесями, концентрация которых превышает определенную пороговую концентрацию.
- Системы с сильно анизотропной поверхностной энергией .
- Системы, далекие от химического равновесия .
Аномальный рост зерен происходит из-за очень высоких локальных скоростей межфазной миграции и усиливается за счет локализованного образования жидкости на границах зерен. В 2023 году Лисс и др. [4] показали, что спонтанная активация границ зерен открывает пути диффузии, что приводит к активации одного зерна в неактивной микроструктуре и позволяет зерну вращаться и сливаться с соседним зерном. Однако из-за конкуренции с окружающими зернами вращение может протекать хаотично. В сочетании со спонтанной активацией это делает аномальный рост зерен в значительной степени беспорядочным процессом. Хотя активация границ зерен (приводящая к вращению и росту) может происходить при температурах значительно ниже температур, необходимых для частичного плавления границ зерен, эффект усиливается, когда происходит плавление.
Значение [ править ]
При спекании керамических материалов аномальный рост зерен часто рассматривается как нежелательное явление, поскольку быстро растущие зерна могут снизить твердость сыпучего материала из-за эффектов Холла-Петча . Однако контролируемое введение легирующих добавок для достижения контролируемого AGG может быть использовано для придания упрочнения волокна керамическим материалам . Кроме того, AGG нежелателен в пьезоэлектрической керамике , так как может ухудшить пьезоэлектрический эффект .
Примеры систем [ править ]
- Рутил (TiO 2 ) часто имеет призматическую или игольчатую форму роста . В присутствии щелочных добавок или твердотельной добавки ZrSiO 4 наблюдалось, что рутил кристаллизуется из исходной фазы анатаза в виде аномально крупных зерен, существующих в матрице из более мелких равноосных зерен анатаза или рутила. [3]
- оксид алюминия , Al 2 O 3 с легирующими добавками/примесями диоксида кремния и/или иттрия проявляют нежелательное AGG. Сообщалось, что [5]
- BaTiO 3 титанат бария с избытком TiO 2 демонстрирует аномальный рост зерен с серьезными последствиями для пьезоэлектрических характеристик. Известно, что
- Сообщалось, что карбид вольфрама демонстрирует AGG граненых зерен в присутствии жидкой кобальтсодержащей фазы на границах зерен. [6]
- Нитрид кремния (Si 3 N 4 ) может проявлять AGG в зависимости от распределения размера материала β-фазы в предшественнике α-Si 3 N 4 . Этот тип роста зерен имеет важное значение для упрочнения материалов из нитрида кремния. [7]
- Было показано, что карбид кремния демонстрирует улучшенную вязкость разрушения в результате процессов AGG, приводящих к образованию удлиненных зерен с вершинами трещин и перемычками, что имеет последствия для применения в баллистической броне. Такое повышение вязкости разрушения керамических материалов за счет перекрытия трещин в результате применения AGG согласуется с сообщенными морфологическими эффектами на распространение трещин в керамике. [1]
- Известно, что ниобат стронция-бария, используемый в электрооптике и диэлектрике, проявляет AGG, что оказывает существенное влияние на электронные характеристики материала. [8]
- В системах титаната кальция (CaTiO 3 , перовскит), легированных BaO , наблюдалось АГГ без образования жидкости в результате политипных границ раздела между твердыми фазами. [9]
См. также [ править ]
Ссылки [ править ]
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Падтур, штат Северная Каролина; Газон, БР (1994). «Вязкость карбида кремния с неоднородной зеренной структурой, индуцированной in situ» . Дж. Ам. Керам. Соц. 77 (10): 2518–2522. дои : 10.1111/j.1151-2916.1994.tb04637.x .
- ^ Канг, С.-Дж.Л. (2005). Спекание: уплотнение, рост зерна и микроструктура . Эльзевир Баттерворт-Хайнеманн . ISBN 9780080493077 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с Ханаор, ДАХ; Сюй, В.; Ферри, М.; Соррелл, CC (2012). «Аномальный рост зерен рутила TiO 2 , вызванный ZrSiO 4 » . Журнал роста кристаллов . 359 : 83–91. arXiv : 1303.2761 . Бибкод : 2012JCrGr.359...83H . дои : 10.1016/j.jcrysgro.2012.08.015 . S2CID 94096447 .
- ^ Лисс, К.-Д.; Сюй, PG; Широ, А.; Чжан, Ю.Ю.; Юкутакэ, Э.; Шобу, Т.; Акита, К. (2023). «Аномальный рост зерна: спонтанная активация конкурирующего севооборота» . Передовые инженерные материалы . 26 (4): 2300470. doi : 10.1002/adem.202300470 .
- ^ Бэ, И.-Дж.; Байк, С. (1997). «Аномальный рост зерен глинозема». Дж. Ам. Керам. Соц. 80 (5): 1149–1156. дои : 10.1111/j.1151-2916.1997.tb02957.x .
- ^ Пак, Ю.Дж.; Хван, Нью-Мексико; Юн, ДЯ (1996). «Аномальный рост ограненных зерен (WC) в жидкой матрице (Co)». Металл. Матер. Пер. 27 (9): 2809–2819. Бибкод : 1996MMTA...27.2809P . дои : 10.1007/bf02652373 . S2CID 137080942 .
- ^ Дресслер, В.; Клебе, Х.-Дж.; Хоффманн, МЮ; Рюле, М.; Петцов, Г. (1996). «Модельные эксперименты по аномальному росту зерен в нитриде кремния». Дж. Эур. Керам. Соц. 16 (1): 3–14. дои : 10.1016/0955-2219(95)00175-1 .
- ^ Ли, Х.-Ю.; Фрир, Р. (1997). «Механизм аномального роста зерен в керамике Sr 0,6 Ba 0,4 Nb 2 O 6 ». Дж. Прил. Физ. 81 (1): 376–382. Бибкод : 1997JAP....81..376L . дои : 10.1063/1.364122 .
- ^ Речник, А. (2001). «Политип вызвал чрезмерный рост зерен в керамике». Дж. Эур. Керам. Соц. 21 (10): 2117–2121. дои : 10.1016/s0955-2219(01)00184-4 .