定向生长的晶体

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所属分类:科学故事
摘要

晶体结晶的过程,是从高温熔融的原液冷凝成固体的过程。这种过程导致固体材料内部的成分分布是不均匀的。例如金属大多数是多晶状态,在一个个有规律排列的晶粒的边界上,在结晶过程中,杂质就会挤入晶粒之间,而且产生杂质富集,这些杂质在低温时,会使晶体畸弯,有时对金属整体有一定的强化作用。但在高温下,晶界部分首先熔化。在外力作用下,这种杂质晶界首先使晶粒间相对运动,晶界上的杂质就成为一种运动的润滑剂。这样,人们就很容易想到,要提高金属的强度,就要消除晶粒间的晶界,生长成单晶体,实现这种设想的技术称为晶体的定向

  晶体结晶的过程,是从高温熔融的原液冷凝成固体的过程。这种过程导致固体材料内部的成分分布是不均匀的。例如金属大多数是多晶状态,在一个个有规律排列的晶粒的边界上,在结晶过程中,杂质就会挤入晶粒之间,而且产生杂质富集,这些杂质在低温时,会使晶体畸弯,有时对金属整体有一定的强化作用。但在高温下,晶界部分首先熔化。在外力作用下,这种杂质晶界首先使晶粒间相对运动,晶界上的杂质就成为一种运动的润滑剂。这样,人们就很容易想到,要提高金属的强度,就要消除晶粒间的晶界,生长成单晶体,实现这种设想的技术称为晶体的定向生长。

  控制晶体定向生长,是一种极其复杂的很难掌握的技术。70年代,工程技术人员想通过铸型的水冷底板来控制高温金属融熔体的冷却速度,期望能制成一种特殊的飞机叶片。这种叶片上的晶粒要沿着主要受力的方向排列(工程上称为沿主应力方向排列),这种飞机叶片,在最容易破裂的方向上消除了晶界,形成了条状的晶柱,人们称为柱晶合金。和原来的合金相比,柱晶合金的高温强度及热疲劳强度都有显著提高。这种加工方法后来发展成生产单晶合金工艺。在柱晶生长晶路上增设一条弯的通道,只让一条晶柱通过,并经过严密控制冷却条件,就可制备一个具有完整晶粒的构件。在这种构件上,横向、纵向均无任何界面,或者说接近于没有缺陷。

  定向单晶合金比普通多晶合金的工作温度可提高80℃~100℃。在同样高的工作温度下,单晶合金做成的构件的工作寿命比普通多晶合金的构件要长7倍以上。

  单晶合金已开发了近百种,成为各种工程构件。美国的波音系列客机、欧洲的空中公共汽车系列客机、美国的战斗机、预警机和轰炸机都使用了单晶合金。美国航天飞机的主发动机,由于选用单晶合金而赢得“安全”之美名。我国的单晶合金生产工艺已在国内开花结果,进入了高技术的各个领域。

  太空生长晶体

  “敢上九天揽月,敢下五洋捉鳖”,这过去是一种神话,人类用这句话来表达改造自然的决心。然而这类神话却吸引了一批科学的探索者,为实现这种神话而献身。他们企盼着能在失重和高洁净的太空随心所欲地产生各种性能优良的材料,特别是单晶材料。科学家们在1983年12月发射的宇宙飞船空间实验室1号中,进行了制备单晶的实验,把在地球上生长单晶体的设备和方法,搬上太空实验室并制造出半导体硅和半导体锑化镓晶体,从而在人类的科学技术发展史上,写下了太空生长晶体的光辉一页。

  在太空实验室里生长晶体,仍旧是采用地球上的硅单晶“区熔法”的生长设备。其具体作法是:在一个密封炉体内,使用两个作为加热源的卤光灯,聚焦于双椭圆炉体的共焦点上,形成一个熔区,熔区因加热炉移动而移动。单晶硅的生长是用一定形状的多晶硅棒作原料,在氩气氛保护下通过掺硼工序逐步完成的。宇航员通过程序控制装置自动调节卤光灯的功率。生长硅单晶时,卤光灯功率是200~800瓦特,晶体在生长过程中以8转/分的速度旋转。随着炉体的移动,晶体以5毫米/分的速度慢慢生长,这次实验的生长时间定为21分钟。

  单晶硅和锑化镓,在太空生长,记录了世界材料制备步入太空的光辉一页,是人类步入太空进行科学实验的重要记载。而且,其数据完整,步骤清楚。当进行结果分析时,人们惊奇地发现,太空生长晶体所呈现出的“生长条纹”与地球上生长晶体的条纹有明显的不同。科学家们从这些科学记录中提出了一系列的新概念和新理论。

  太空生长晶体的成功,给人类在宇宙生产设备的研制和生产产品的设计方面提供了可能和重要依据,人类开发宇宙和移民太空已不是遥远的事情了。

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