无机材料科学第六章相平衡

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1、第六章相平衡主要内容★阐述相图的基本原理★相图在无机非金属材料的研究和生产中的应用。学习相图的意义有助于正确选择配料方案和工艺制度合理分析生产过程中质量问题产生原因有助于新材料的研制相平衡中的基本概念材料的显微结构材料所包含的相数目，各相的组成、数量和分布状态相平衡研究内容温度/压力/组分/浓度对多组分多相体系平衡状态的影响规律平衡状态不随时间发生变化而且处于热力学的平衡状态第一节硅酸盐系统相平衡特点一、热力学平衡态和非平衡态1.平衡态相图(平衡相图)给出平衡状态体系中存在的相的数目,组成给出相随着其他热力学条件变化规律与体系由非平衡状态到达需的时间无关。硅酸盐体系特点硅酸盐

2、材料体系的特点常温:固体内部质点被强烈束缚高温:熔体黏度很高质点迁移困难2.介稳态定义:热力学上不稳定的,处于能量较高状态,始终存在着向室温下平衡态转化的趋势,但由于转变速度极馒而实际上可以长期存在下去的状态热力学非平衡态形成的工艺措施:快速冷却搀加杂质说明：介稳态具有一定的反应活性,需要介稳态的出现。.如：水泥中的β－C2S，陶瓷中介稳的四方氧化锆;耐火材料硅砖中的鳞石英以及所有的玻璃材料。根据吉布斯相律f=c－p＋2f－自由度数c－独立组分数p－相数2－温度和压力外界因素硅酸盐系统的相律为:f=c－p＋1二、相律相与相之间有界面，可以用物理或机械办法分开。一个相可以是均匀

3、的，但不一定是一种物质。气体：一般是一个相。固体：有几种物质就有几个相，但如果是固溶体时为一个相。因为在固溶体晶格上各组分的化学质点随机分布均匀，其物理性质和化学性质符合相均匀性的要求，因而几个组分形成的固溶体是一个相。液体：视其混溶程度而定。p－相数，p=1单相系统，p=2双相系统，p=3三相系统1、相：指系统中具有相同的物理性质和化学性质的均匀部分。注：均匀微观尺度上的均匀，而非一般意义上的均匀。2、独立组分组元/组分：组成系统的物质。独立组分：足以表示平衡系统中各相所需要的最少数目的组分c=组分数－独立化学反应数目－限制条件例如：系统中化学物质和组分的关系：当物质之间没

4、有化学反应时，化学物质数目＝组分数；当物质之间发生化学反应时，组分数=化学物质数-在稳定条件下的化学反应数。c=3－1－0=2在硅酸盐系统中经常采用氧化物作为系统的组分。如：SiO2一元系统Al2O3－SiO2二元系统CaO－Al2O3－SiO2三元系统注意区分：2CaO·SiO2(C2S);CaO－SiO2;K2O·Al2O3·4SiO2－SiO23、自由度定义:温度、压力、组分浓度等可能影响系统平衡状态的变量，可以在一定范围内改变而不会引起旧相消失新相产生的独立变量的数目具体看一个二元系统的自由度。ABLf=2L＋Bf=1A＋Bf=1L＋Af=1f=0E相律应用必须注意以

5、下四点：1.相律是根据热力学平衡条件推导而得，因而只能处理真实的热力学平衡体系。2.相律表达式中的“2”是代表外界条件温度和压强。如果电场、磁场或重力场对平衡状态有影响，则相律中的“2”应为“3”、“4”、“5”。如果研究的体系为固态物质，可以忽略压强的影响，相律中的“2”应为“1”。3.必须正确判断独立组分数、独立化学反应式、相数以及限制条件数，才能正确应用相律。4.自由度只取“0”以上的正值。如果出现负值，则说明体系可能处于非平衡态。单元系统中，只有一种组分，不存在浓度问题。c=1影响因素只有温度和压力。根据相律f=c－p+2=3－p一、水的相图二、一元相图的型式三、可逆

6、和不可逆的多晶转变四、SiO2系统的相图五、ZrO2系统第二节单元系统蒸发溶解升华ABCOC’SLg临界点压强温度一、水的相图分析界线斜率？具体分析相图？注意：冰点：是一个大气压下被空气饱和的水和冰的平衡共存温度；三相点O：是在它自己的蒸汽压力(4.579mmHg)下的凝固点(0.0099℃)。2000个大气压以上，可得几重冰，比重大于水。解释界线的斜率：由克劳修斯－克拉珀龙方程dp/dT=ΔH/TΔV,从低温型向高温转变，ΔH>0Lg；SgΔV>0,则斜率>0；而SL冰变成水ΔV<0,斜率<0,其它金属或SiO2,,ΔV>0,则斜率>0。晶型转变由于ΔV很小，因而其界

7、线几乎是垂直的。有多晶转变的一元系统相图型式。EF压强Af=2Bf=0Cf=0D温度气相f=2β-固相f=2α-固相f=2液相二、一元相图的型式一元系统相图中各平衡相名称平衡相ABCD气相ABEβ-固相相区EBCFα-固相FCD液相AB气相-β-固相相线BC气相-α-固相CD气相－液相BEβ-固相－α-固相FCα-固相－液相相点Bβ-固相－α-固相－气相Cα-固相－气相－液相1.可逆三、可逆和不可逆的多晶转变实线表示稳定态，虚线表示介稳态。晶体1晶体2液相特点：(1)晶体I，晶体2都有稳定区；(2)T1