L.3.1. Процессы переноса вещества и тепла

На поверхности кристалла, растущего из переохлажденного расплава, выделяется теплота кристаллизации, которая отводится в расплав путем теплопроводности. Распределение температуры около поверхности кристалла показано на рис.L.12.а. Переносом вещества при кристаллизации из чистых расплавов можно пренебречь.

Кристалл, растущий из пересыщенного раствора, выбирает растворенное вещество, концентрация которого на поверхности кристалла понижается. Вещество доставляется к растущей поверхности из объема раствора путем диффузии. Распределение концентрации у поверхности кристалла показано на рис.L.12.б. Переносом тепла в этом случае можно пренебречь.

Кроме молекулярных процессов теплопроводности и диффузии, вещество и тепло переносится также путем конвекции (лат. convectio – принесение), т.е. течения жидкости или газа. Отношение скорости присоединения вещества к кристаллу к скорости процессов переноса тепла или вещества называется диффузионным сопротивлением росту. Чем больше диффузионное сопротивление, тем сильнее процессы переноса контролируют рост кристалла.

Тепловые, диффузионные и конвекционные поля вокруг растущего кристалла, как правило, неоднородны. Это приводит к неоднородному распределению пересыщения вдоль поверхности кристалла и к неравномерному его росту. Идеальная форма кристалла искажается.

В разделе 4.8 мы рассмотрели нарушениявнешней симметрии кристалла и возникновение ложных простых форм вследствие неравномерного роста в средах с пониженной симметрией. Помимо этих эффектов, неоднородность процессов переноса в среде кристаллизации приводит к

нарушению плоскогранности кристалла – одного из его основных свойств (раздел 1).

Даже в абсолютно однородной среде кристаллизации (симметрия шара) подвод вещества к поверхности кристалла или отвод от нее тепла не могут быть однородными именно в силу полиэдрической формы кристалла. Выступающие части (вершины и ребра) оказываются в более выгодных условиях по отношению к переносу тепла и вещества, чем центры граней. В результате вершины и ребра растут более быстро, тогда как центры граней отстают. Возникают вогнутые формы с воронкообразными углублениями на гранях – реберные скелеты (рис.L.13a). При большом диффузионном сопротивлении кристалл нарастает только по вершинам, и образуются разветвленные формы – вершинные скелеты (рис.L.13.б). Хорошо известный пример вершинных скелетов – снежинки. Несмотря на сильную разветвленность, скелеты – это монокристаллы, причем они могут полностью сохранять свою симметрию (что часто наблюдается у снежинок). От скелетов следует отличать дендриты – также разветвленные образования, ветви которых разориентированны, и часто состоят из отдельных мелких кристаллов (дендриты самородных металлов, дендриты окислов марганца в трещинах пород). Таким образом, дендриты – это поликристаллические образования. Понятия дендрит и скелет зачастую путают.

Поиск по сайту: