第一篇：定向凝固制備鑄造多晶硅的原理及應用綜述
定向凝固制備鑄造多晶硅的原理及應用綜述
摘要：闡述了介紹了定向凝固應用于硅材料的理論基礎，論述了近年來定向凝固制備技術在雜質提純和晶體生長的研究進展，提出了定向凝固制備鑄造多晶硅研究現狀和存在的問題。展望今后的發展前景，認為新型的定向凝固技術制備出的硅錠在雜質含量、晶體結構方面均優于傳統凝固技術，應積極改善定向凝固技術，以制備高品質的太陽能硅材料。
關鍵詞 定向凝固；鑄造多晶硅；雜質和缺陷；轉化效率
晶體硅太陽能電池包括單晶電池和多晶電池2種，多晶電池的市場份額占到一半以上，商業化的多晶電池效率可以達到14%左右[1]。實驗條件下，多晶電池的最高轉化效率達到20.30左右，多晶電池的效率雖然略低于單晶電池1%～2%，但多晶電池制造成本低、環境污染小，仍有很高的性價比和市場[2]。近年來，由于技術改良、電池效率提高及生產成本下降等有利因素，因而大大促進了多晶電池應用技術的發展，也使業內專家學者給予了多晶電池制備技術更多研究和關注[3]。影響多晶電池轉換效率主要有2個方面：一是多晶硅鑄錠的純度，即使材料中含有少量的雜質，對電池的光電性能就有很大的影響[4]；二是盡量減少材料中各種缺陷，多晶硅鑄錠中的晶界、位錯與雜質聚集成載流子復合中心，大大的降低了多晶電池效率。由以上表述可知，要提高多晶電池的效率，必須圍繞提高材料純度和降低材料缺陷的技術進行研究，而定向凝固技術正是制備硅晶體材料的典型應用。定向凝固技術開始只用于傳統的高溫合金研制，經過幾十年的發展，它已經是一種成熟的材料制備技術[5]。定向凝固技術在多晶硅鑄造主要是控制晶體生長和雜質提純2方面的應用。定向凝固技術可以很好地控制組織的晶面取向，消除橫向晶界，獲得大晶粒或單晶組織，提高材料的力學性能[6]。同時，定向凝固可生成按照一定晶面取向、排列整齊的晶體結構,由于分凝系數的不同，雜質凝聚于晶界和鑄錠上方，對材料起到提純作用。
1.基本原理
多晶硅鑄錠實際上就是由定向排列的柱狀晶體組合形成，形成的理論基礎就是定向凝固原理。定向凝固技術就是在凝固過程中控制凝固體和熔體中的溫度場，使其溫度梯度形成特定方向，從而使得熔體沿著與熱流相反的方向凝固，獲得具有特定取向柱狀晶的技術，如圖1所示[7]
圖1 定向凝固生長
在這一過程中，熔體中的雜質因在固液兩相中的溶解度不同，而發生分凝現象，分凝系數小于1的雜質聚集到鑄錠最后凝固的區域，凝固結束之后，利用機械切除法切掉該區域，達到提純目的。硅中主要雜質及其平衡分凝系數如表1所示[8]。
表1 各種雜質元素在熔硅中的分凝系數
從表1可以看出，很多金屬雜質在硅中的平衡分凝系數遠遠小于1，所以在理論上可以推出，定向凝固提純太陽能級多晶硅的可行的。定向凝固技術有2個重要的工藝參數：凝固過程中固液界面前沿液相中的溫度梯度GL和固液界面向前推進的速度，即晶體生長速率R，GL/R是控制晶體生長形態的重要判據[9]。定向凝固技術在去除金屬雜質的應用
冶金法制備多晶硅就是定向凝固技術在去除金屬雜質方面的典型應用，而定向凝固技術也是冶金法提純硅材料的關鍵工藝。關于定向凝固技術制備多晶硅技術，專家學者做了大量研究工作，尤其，近幾年國內高校昆明理工大學、大連理工大學、太原理工大學等在定向凝固技術制備多晶硅方面做了大量實驗，得出很多有用結論[10]。Morita等人提出，冶金級硅中金屬雜質經過2次定向凝固提純，完全可以達到太陽能級多晶硅要求[11]。Rannveig Kvande等通過慢冷和快冷快速定向凝固對比實驗，測量出碳的含量在2個試塊中的含量分布基本一樣，慢冷的氧含量比快冷高[12]。Pires等利用電子束熔煉法，獲得了5N的太陽能級多晶硅，得出了硅錠下部和邊緣雜質的含量較低，上部和中間雜質含量較高的結論[13]。Chandra P Khattak等利用真空氧化和定向凝固2步工藝提純工業硅，結果表明，大部分的金屬雜質含量還是很高，雖然部分金屬雜質去除效果理想，但還是達不到太陽能級多晶硅的要求[14]。昆明理工大學的戴永年教授等人利用定向凝固技術去除工業硅中的雜質鋁，結果表明，定向凝固法除鋁的去除率可達 98.6%，這說明定向凝固法去除鋁是可行的，但不能去除晶界處富集的鋁雜質[15]。吳亞萍等對真空感應熔煉和定向凝固研究，結果表明定向凝固技術可以去除工業硅中平衡系數小于1的金屬雜質，但對不同雜質去除的程度不同[16]。Liu 等通過研究鐵隨時間和溫度變化的分布情況，得出多晶硅鑄錠中的碳濃度以及碳化硅沉淀相的分布[17]。定向凝固技術在晶體生長的應用
定向凝固技術制備多晶硅鑄錠工藝步驟中，主要包括裝料、加熱升溫、硅料熔化、晶體生長、退火及冷卻幾個工序，晶體生長是多晶硅鑄錠工藝中重要環節，直接影響多晶硅鑄錠品質及產出率。Fujiwara等人對晶體硅定向凝固過程中的生長過程觀察，研究發現，可以通過控制凝固階段早期枝晶生長方式，在坩鍋底部形成具有一定晶體學位相關系的大尺寸晶粒，生長至鑄錠頂部，得到滿足太陽能級多晶硅鑄錠[18-19]。Fujiwara 等人在試驗基礎上提出了平行雙孿晶面結構的硅枝晶小平面生長的新模型[20]。進一步研究發現，定向凝固初始階段坩堝底部硅枝晶的生長對晶體結構存在影響，硅熔體在較高過冷度條件下凝固會形成大量孿晶結構[21-22]。C W Lan等人利用點冷卻法控制硅晶體生長，結果發現，通過這種方法制得的多晶硅鑄錠晶粒尺寸、少數載流子壽命及光電效率均優于傳統方法[23]。KojiAiafune 等人，提出了連續馳豫過冷（SRS）制備太陽能級多晶硅鑄錠的方法，該方法制備的多晶硅鑄錠有小晶粒少，腐蝕坑和碳含量低，平均少子壽命高等優點，測試結果也優于傳統定向凝固制備技術[24]。Daeil Kim等人將試塊放入坩堝中，進行快速定向凝固，控制晶體生長速度，結果表明，多晶硅鑄錠產生了大量的如晶界和孿晶等缺陷，而滑移錯位產生的很少[25]。劉秋娣等對多晶硅硅錠不出現細晶的臨界生長速度進行了計算，認為在綜合考慮生產成本及硅錠生長速率的前提下，控制固-液界面移動速率，易于得到組織結構理想的多晶硅錠[26]。結束語
總體來看，國外對定向凝固提純方法研究的較為深入，已經通過實驗方法制備出合格或者品質較高的太陽能級多晶電池。而國內對定向凝固提純方法的研究僅局限于一種或幾種雜質的提純、單一因素對實驗結果的影響程度、雜質在鑄造多晶硅的含量分布，或者僅局限于提供了一些分散的實驗數據，所以現有技術離規模生產多晶電池的路還很長。要從根本上解決電池的轉化效率，需要更加深入進行研究，包括雜質影響電池性能的理論研究、設備方法的改進。文獻表明，新型的定向凝固技術制備出的硅錠在雜質含量、晶體結構方面均優于傳統凝固技術，所以積極改善定向凝固技術，對制備高品質的太陽能硅材料有重要的意義。已查閱文獻表明，國內研究較多集中在高等院校，關于企業報道的研究成果還鳳毛麟角，今后，應加強高校與企業間的合作，依靠企業的資金實力和高校的科研實力，使科研成果更多更快轉化。定向凝固技術不論在冶金法中提純硅材料的應用，還是制備多晶電池的應用，均比化學方法提純硅晶體材料、直拉法制備單晶硅耗能低、污染小。由于原材料一直是整個光伏產業鏈的瓶頸，化學方法制備多晶硅的技術受到國外牽制，這也是我們不斷開發物理方法制備多晶硅材料的形勢所迫，在未來幾年，定向凝固制備多晶硅技術一定會得到廣泛應用和發展。
參考文獻
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第二篇：多晶硅太陽能電池制備工藝(論文)
XINYU UNIVERSITY
畢業設計（論文）
（2013屆）
題
目 多晶硅太陽能電池制備工藝
二級學院 新能源科學與工程學院
專 業 光伏材料加工及其應用
班 級 10級光伏材料
（一）班
學 號 1003020138 學生姓名 紀 濤 指導教師 胡 耐 根
多晶硅太陽能電池制備工藝
目錄
摘要?????????????????????????????1 Abstract???????????????????????????2 第 1 章 緒論?????????????????????????3 第 2 章 多晶硅太陽電池制備工藝????????????????5 2.1 一次清洗工序???????????????????????5 2.1.1 一次清洗工序的原理??????????????????5 2.1.2 一次清洗工序的工藝參數????????????????5 2.2 擴散工序?????????????????????????6 2.2.1 擴散原理???????????????????????6 2.2.2 擴散工藝???????????????????????7 2.3 濕法刻蝕的工序及其原理??????????????????8 2.4 等離子體增強化學氣相沉積工序???????????????10 2.4.1 等離子體增強化學氣相沉積氮化硅薄膜的原理???????10 2.5 絲網印刷工序及其工作原理?????????????????11 2.6 測試分選工序及太陽能測試儀的原理 ???????????? 13 2.7 小結???????????????????????????15 第 3 章 多晶硅太陽能電池行業展望???????????????16 參考文獻(References)?????????????????????17 致謝?????????????????????????????18
多晶硅太陽能電池制備工藝
多晶硅太陽能電池制備工藝
摘 要
長期以來隨著能源危機的日益突出，傳統能源已不能滿足能源結構的需求，然而光伏發電技術被認為是解決能源衰竭和環境危機的主要途徑。而多晶硅太陽能電池份額占據光伏市場的絕大部分，并呈現逐年上升趨勢，有極大的發展潛力。
本文在闡明了國內外光伏市場以及光伏技術發展趨勢的基礎上，對多晶硅太陽能電池的結構及其特性簡述，同時對其制備工藝：一次清洗→擴散→濕法刻蝕去背結→PECVD(等離子體增強化學氣相沉積)→絲網印刷→ 燒結→測試分選做簡要介紹。
關鍵詞：多晶硅太陽能電池；光伏技術；光伏工藝；
多晶硅太陽能電池制備工藝
Preparation technology of polycrystalline silicon solar cell
Abstract
For a long time as the energy crisis increasingly prominent, the traditional energy cannot satisfy the needs of the energy structure, however, photovoltaic power generation technology is regarded as the main way to solve the crisis of energy exhaustion and environment and polycrystalline silicon solar cell occupies most parts of photovoltaic market share, and presents the rising trend year by year, has great development potential。
This paper illustrates the domestic PV market trends and the development of photovoltaic technology firstly, and makes a brief introduction on the preparation process of polycrystalline silicon solar cell secondly: cleaning →diffusion →wet etching →PECVD →screen printing →sintering →testing and sorting.Keywords: polycrystalline silicon solar cell;photovoltaic technology;photovoltaic process;
多晶硅太陽能電池制備工藝
第 1 章
緒論
隨著經濟全球化貿易國際化的發展，傳統能源煤、石油、天然氣等已不再是世界能源市場占有率擴張最快的，相反，新型可再生能源核能發電、水力發電、風能發電、生物質能發電，而光伏行業經歷了從航天到地面應用的巨大變化，太陽能發電正飛速增加其市場份額，以求緩解能源危機和環境問題。
鑒于各種新型能源發電的弊端，相比較之下人們普遍認為太陽能發電具備廣闊的發展前景。太陽能作為一種新型、潔凈、可再生能源，它與常規能源以及其它新型能源相比有以下幾個優點[1]：第一：儲能豐富，取之不盡用之不竭。第二：不存在地域性限制，方便且不存在輸電線路的遠程運輸問題。第三，潔浄，不會影響生態平衡和人類的身體健康，太陽能發電的種種優勢，得到人類社會的一致認可。尤其是在遭受能源衰竭和環境危機的今天，人們更是把它當做緩解能源短缺和環境污染問題的有效途徑。世界各地政府紛紛采取一系列相關政策，加大對光伏產業的財政補貼，促使光伏技術快速進步，生產規模不斷壯大，早日實現光伏發電的大規模普及。
多晶硅太陽電池是一種將光能轉化為電能的光電轉換裝置，在P 型硅襯底表面，利用POCl3 液態源擴散工藝制得厚度約為0.5um 的N型重摻雜層，P 型層與N 型層接觸，形成pn 結，產生光伏效應[2]。同時，正Ag 電極可與N 型重摻雜層形成良好的歐姆接觸，用于收集光生電流。位于最上層的氮化硅薄膜起到鈍化和減反射的作用。背Al 與P型硅片接觸，在燒結的過程中，形成良好的Al 背場，降低背表面復合電流，增加開路電壓。
多晶硅太陽電池主要是依靠半導體pn結的光生伏特效應來實現光電轉換的[3]。當光線照射到太陽能電池的正表面時，大部分光子被硅材料吸收。其中，能量E=hv＞Eg 的光子就會將能量傳遞給硅原子，使處于價帶的電子激發到導帶，產生新的電子-空穴對。新的電子-空穴又會在內建電場的作用下被分離，電子由p區流向n區，空穴由n區流向p區，電子和空穴在pn 結兩側集聚形成了電勢差，當外部接通電路后，在該電勢差的作用下，將會
多晶硅太陽能電池制備工藝
有電流流過外部電路，從而產生一定的輸出功率。其結構和光電轉換原理圖如下1-1和1-2。
圖1-1多晶硅太陽電池結構
圖1-2多晶硅光電轉換原理 4
多晶硅太陽能電池制備工藝
第 2 章 多晶硅太陽能電池制備工藝
由晶體硅太陽能電池的結構和原理可知，多晶硅太陽能電池的常規制備流程[4]如下：一次清洗（制絨）→ 擴散（形成pn 結）→ 二次清洗（濕法刻蝕去背結）→ PECVD（鍍氮化硅）→ 絲網印刷（形成電極和背場）→ 燒結（形成歐姆接觸）→ 測試（獲得電性能）。接下來，將逐一介紹制備多晶硅太陽能電池各工序的工藝及原理。
2.1 一次清洗工序
2.1.1 一次清洗工序的原理
多晶硅太陽能電池制備流程中的一次清洗工序，主要目的是去除硅片表面的臟污和機械損傷層，在硅片表面形成絨面結構（俗稱制絨），增強太陽能電池的陷光作用。我們知道，單晶硅太陽能電池制絨主要是依靠堿的各向異性腐蝕特性，在（100）晶面上形成連續、均勻、細膩的正金字塔結構，從而起到良好的減反射作用。而多晶硅各個晶粒的晶向不一樣，若同樣采用堿腐蝕，則得不到很好的金字塔絨面化結構。為了得到良好的多晶硅絨面化結構，人們嘗試了許多方法，比如反應離子刻蝕法、機械刻槽法和化學腐蝕法等。綜合成本以及制備工藝的難易程度考慮，化學腐蝕法在工業化大規模生產中得到了廣泛的應用。接下來就對化學腐蝕法制備多晶硅太陽能電池絨面的原理做一下簡單介紹。
與單晶硅太陽能電池堿制絨工藝不同的是，多晶硅太陽能電池采取酸制絨工藝。酸制絨體系主要由HNO3 和HF 組成，具體的反應方程式[5]如下： 3Si+4HNO3——3SiO2+2H2O+4NO(2.1)SiO2+6HF——H2(SiF6)+2H2O(2.2)其中，HNO3 作為強氧化劑，將Si 氧化成致密不溶于水的SiO2 附著在硅片表面上，阻止HNO3 與Si 的進一步反應。但SiO2 可以與溶液中的HF 發生反應，生成可溶于水的絡合物H2(SiF6)，導致SiO2 層被破壞，此時，HNO3 與Si 再次發生化學反應，硅片表面不斷的被腐蝕，最終形成連續致密的“蟲孔狀”結構。
多晶硅太陽能電池制備工藝
此方法不需要采用特定的反應裝置、工藝簡單、制造成本低，而且制備出的多晶硅絨面反射率低，可以與雙層減反射膜相比。但此方法為純化學反應，反應的穩定性不易控制，而且影響制絨效果的因素眾多，比如滾輪速度、反應溫度、硅片摻雜水平以及原始硅片的表面狀況等。2.1.2 一次清洗工序的工藝參數
本工序采用由腐蝕槽、堿洗槽、酸洗槽構成的自動制絨設備。在向各槽內配置化學溶液前，需對槽體進行預處理。首先用水槍將滾輪、槽蓋、槽體沖洗干凈，然后注入一定量的去離子水，讓設備自動循環10min 后，排掉污水。再按照上述操作重復一遍，待廢水排干凈后即可制備化學溶液。
各槽內化學溶液的初始配方[6]為：腐蝕槽：濃度為50%的氫氟酸溶液45L，濃度為68%的硝酸溶液28L；堿洗槽：濃度為45%的氫氧化鈉溶液5.2L；酸洗槽：濃度為50%的氫氟酸溶液28L，濃度為36%的鹽酸溶液58L。由于各槽是依靠化學反應來對硅片進行腐蝕的，反應的過程中必須伴有新的生成物產生和初始化學品的消耗，這就要求我們按時補液以及換液。
伴隨著化學反應的不斷進行，我們需要每小時向各槽填充的溶液量為：腐蝕槽：濃度為50%的氫氟酸溶液12.6L，濃度為68%的硝酸溶液11.4L；堿洗槽：濃度為45%的氫氧化鈉溶液1.6L；酸洗槽：濃度為50%的氫氟酸溶液0.8L，濃度為36%的鹽酸溶液2.4L。另外，腐蝕槽每生產156×156(cm2)規格的硅片15萬片后，需重新制配腐蝕液；設備連續一小時以上不生產時需把腐蝕液打回儲備槽；堿槽溶液和酸槽溶液在配置250h 后必須重新配液。否則都將影響最終制得的多晶硅太陽能電池片的電性能。
2.2 擴散工序
2.2.1 擴散原理
擴散實際上就是物質分子從高濃度區域向低濃度區域轉移，直到均勻分布的現象。太陽能電池制備流程中的擴散工序，就是在P 型襯底上擴散一層N 型雜質，進而形成太陽能電池的心臟--pn 結。多晶硅太陽能電池的擴散方式有很多種，比如三氯氧磷（POCl3）液態源擴散、噴涂磷酸水溶液后鏈式擴散、絲網印刷磷漿料后鏈式擴散等。本文著重采用三氯氧磷（POCl3）液態源擴散工藝來制取pn結，下面是三氯氧磷（POCl3）液態源擴散的原理
多晶硅太陽能電池制備工藝
[7]：氮氣攜帶的POCl3 在某種特定的條件下，可分解成五氧化二磷（P2O5）和五氯化磷（PCl5），具體反應方程式如下：
5POCl3→3 PCl5+ P2O5（T＞600℃）（2.3）
生成的P2O5 在800-900℃的高溫下與Si 反應，生成磷原子和SiO2，具體反應方程式如下：
2P2O5+5Si→5SiO2+4P↓（2.4）
由以上化學反應方程式可得，POCl3 在沒有O2 的條件下，熱分解生成PCl5，而PCl5 極不易分解，且對硅表面有很強的腐蝕作用，嚴重損害了硅片的表面狀態以及pn 結的質量。當有外來足夠的O2 存在時，PCl5 就會進一步分解，生成P2O5和Cl2，具體反應方程式如下： 4PCl5 + 5O2→2P2O5+10Cl2↑（2.5）
生成的P2O5 可再一次與硅發生化學反應，生成磷原子和SiO2。由此可見，在POCl3擴散的過程中，必須通入一定流量的O2 來避免PCl5 對硅片表面的損傷。在過量O2 存在的條件下，POCl3 液態源擴散的總化學反應方程式為： 4POCl3 +5O2→2P2O5 +6Cl2↑(2.6)由總反應方程式可得，POCl3 熱分解生成的P2O5 附著在硅襯底表面，在擴散高溫條件下又與Si反應生成磷原子和SiO2，即在硅襯底上覆蓋一層較薄的磷-硅玻璃層，接著磷原子向硅體內徐徐擴散。為了提高擴散的均勻度，避免硅片表面死層的形成，通常在POCl3 擴散之前使硅表面熱氧化，生成一層極薄的氧化層，來控制反應速度。2.2.2 擴散工藝
擴散工序采用的設備是捷佳偉創擴散爐DS300A，它是在48 所和centrotherm擴散爐的基礎上改進得來的，主要優勢有以下兩點： 1)噴淋擴散。傳統48 所擴散設備是在爐尾通源，爐口排廢，而捷佳偉創設備是在石英管內的上部安裝一個噴淋管，直接將源噴在硅片上。相對于48 所設備，此種擴散工藝調節更加簡單，重復性好，無需考慮溫度補償濃度梯度問題。同時，每個硅片所接觸的磷源會更加均勻，進而提高方塊電阻均勻性。
2)軟著陸系統。石英舟承載在石英舟托上，由舟漿將石英舟托送入爐
多晶硅太陽能電池制備工藝
管內，然后舟漿退出，屬于閉管擴散。相對于48 所設備，這樣可以避免舟漿引入污染，同時由于對排廢的特殊處理，不需要頻繁清洗舟漿和石英爐管。
擴散過程可以簡單概括為：預擴→主擴→推擴。優化的磷擴散工藝具備如下特點：
1)同時進行磷源的再分布和硅片表面的三次氧化。此時磷源總量一定，預沉積雜質源緩慢的向硅片體內擴散，便于形成平坦的pn 結，提高了擴散的方塊電阻均勻性。
2)高溫擴散過程中不再伴有硅片與高濃度的磷直接接觸。減少了硅片表面以及勢壘區的缺陷和復合中心，提高了多晶硅太陽能電池的開路電壓和短路電流。
3)兩步擴散法制備 pn 結，制備條件相對寬松，工藝參數調節余地大。預沉積雜質總量基本不受溫度波動的影響，限定源表面擴散也不受擴散氣氛以及環境的影響，這就大大增強了擴散的均勻性以及重復性。
采用改進的磷擴散工藝，對最終制得晶體硅太陽能電池片的電性能有了很大改善，尤其是在開路電壓Voc 和短路電流Isc 方面。詳見下圖2.3 和
圖2.3 一步擴散與兩步擴散Voc 對比圖 圖2.4 一步擴散與兩步擴散Isc 對比圖
2.3 濕法刻蝕工序及其原理
對于多晶硅太陽能電池來說，并聯電阻（Rsh）[8]是一個很重要的參數，Rsh 過小將會導致漏電流增大，影響電池最終的短路電流、填充因子以及轉換效率。Rsh分為體內并聯電阻和邊緣并聯電阻兩類，對于一個太陽能電池片來說，一般20%的泄露電流通過體內并聯電阻，而80%的泄露電流通過邊緣并聯電阻。工業上實現量產的多晶硅電池擴散方式均為單面背靠背擴散，多晶硅太陽能電池制備工藝
不可避免地使電池的四周也擴散了一層n 型層，它將電池的正電極與背電極跨接在一起，形成很大的漏電流，因此未達到分離pn 結的作用。本文主要采用正面無保護的濕法刻蝕方法將電池背面的pn 結去除，以達到分離pn 結的效果。其原理如下： 第一步：硅片表面氧化過程
氧化過程的激活，硅表面被硝酸氧化，生成一氧化氮或二氧化氮，見式（3.7，3.8）：
Si+4HNO3=SiO2+4NO2+2H2O（3.7）Si+2HNO3=SiO2+2NO+2H2O（3.8）
氧化過程的延伸，生成物一氧化氮、二氧化氮進一步與水反應，得到的二級產物亞硝酸迅速將硅氧化成二氧化硅，見式（3.9,3.10,3.11）： 2NO2+H2O=HNO2+HNO3（3.9）Si+4HNO2=SiO2+4NO+2H2O（3.10）4HNO3+NO+H2O=6HNO2（3.11）
由上式可知，硅片表面氧化所發生的一系列化學反應是一個循環過程，氮氧化合物是硝酸最終的還原產物，二氧化硅是與腐蝕溶液接觸的硅片背表面的氧化產物。第二步：二氧化硅溶解過程
氧化產物二氧化硅，將快速與混合液中的氫氟酸反應，生成六氟硅酸，見式（3.12,3.13）：
SiO2+4HF=SiF4+2H2O（3.12）SiF4+2HF=H2SiF6（3.13）總反應式為：
SiO2+6HF=H2SiF6+2H2O（3.14）
可見，最終腐蝕掉的硅將以六氟硅酸的形式溶入溶液中。實際上，濕法刻蝕的工藝原理與一次清洗的工藝原理相同，只不過是通過控制混合液內HF 和HNO3的濃度比來形成制絨腐蝕或拋光腐蝕。
采用濕法刻蝕去背結工藝將擴散后電池片的正面與背面pn 結分開，與其它方法相比具有以下優點：
多晶硅太陽能電池制備工藝
1)等離子體刻蝕法將硅片邊緣發射極刻掉，需要用到 CF4 毒性氣體，且刻蝕過程中設備周圍存在微波輻射，給人體健康帶來的危害極大。另外，此種工藝成本較高，電池片間互相擠壓的過程容易導致碎片，降低電池片的成品率。
2)激光或金剛石刀將邊緣發射極直接切掉，將會減少電池的有效面積，降低電池片的功率。
3)用正面無保護的濕法刻蝕方法來代替上述兩種方法分離pn 結，不僅避免了CF4 毒性氣體的使用和太陽能電池片的碎裂，而且使硅片背表面拋光，有效地提高了太陽能電池的電性能。
2.4 等離子體增強化學氣相沉積工序
2.4.1 等離子體增強化學氣相沉積氮化硅薄膜的原理
等離子體增強化學氣相沉積技術[9]（PECVD）的工作原理為：在真空壓力下，加在電極板上的射頻（低頻、微波等）電場，使反應室內氣體發生輝光放電，在輝光發電區域產生大量的電子。電子由于受到外加電場的加速作用，其自身能量驟增，它可通過碰撞將自身能量傳遞給反應氣體分子，從而使反應氣體分子具有較高的活性。這些活性分子覆蓋在硅基底上，彼此間發生化學反應，制得所需的介質薄膜，產生的副產物被真空泵抽走。我們可以運用PECVD 技術制作各種器件的鈍化膜、減反射膜，還可用其制作擴散工藝的阻擋層。本文采用PECVD技術，在硅片表面沉積一層氮化硅薄膜，具體原理在350℃，等離子射頻：SiH4 + 4NH3 —— Si3N4 + 12H2（2.15）此法制備的氮化硅薄膜具有減反射和鈍化的作用，其減反射原理圖[12]如下：
圖2.8 氮化硅薄膜減反射原理圖
我們知道，減反射的原理就是讓如圖2.8 所示的兩束反射光R1、R2 產
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生相消干涉，即它們的光程差為半波長。可以通過調整制備工藝來獲得合適厚度和折射率的Si3N4 薄膜，使其滿足減反射條件。氮化硅薄膜在起到減反射作用的同時，還可以對硅片表面和體內進行鈍化。由于多晶硅表面存在很多的表面態、晶界[10]、缺陷以及位錯等，在薄膜沉積過程中，大量的H 原子（離子）進入薄膜，飽和了硅片表面大量的懸掛鍵，起到降低表面復合中心的作用，從而提高太陽能電池的短波響應與開路電壓。氮化硅薄膜的體鈍化作用對于多晶硅太陽能電池來說特別明顯，因多晶硅體內存在大量的缺陷、位錯以及懸掛鍵，氮化硅薄膜中的氫原子可以在燒結時的高溫條件下擴散到硅體內，進而飽和絕大部分缺陷以及懸掛鍵，有效降低了少數載流子復合中心濃度，增加少子收集能力，提高短路電流。
氮化硅薄膜是一種物理和化學性能都十分優良的介質膜[11]。它不僅具備減反射和鈍化的作用，同時在光電領域也有一席用武之地。例如：氮化硅薄膜極硬而且耐磨，非晶態硬度高達HV5000；結構非常致密，氣體和水汽極難穿過；疏水性強，可大大提高器件的防潮性能；較好的化學穩定性，在600℃時不會與鋁發生反應，而二氧化硅在500℃時與鋁反應已比較顯著。對可動離子(如Na+)有非常強的阻擋能力；可靠的耐熱性和抗腐蝕性，在1200℃時不發生氧化；在一定濃度的硫酸、鹽酸中有較好的抗腐蝕性，只能用氫氟酸腐蝕等。
2.5 絲網印刷工藝及其原理
絲網印刷工序，就是在鍍膜后硅片的正反兩面印刷電極、背電場，經過燒結后使其能夠很好的收集光生電流并順利導出，實現電能與光能之間的高效轉化。絲網印刷和高溫快燒是構成金屬化工序的主要組成部分。
圖2.11 絲網印刷工藝的原理圖
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絲網印刷的原理，就是將帶有圖案的模板附著在絲網上，利用圖案部分網孔透過漿料，而非圖案部分不透漿料的特征來進行印刷。絲網印刷工藝由5部分構成，即絲印網版、印刷刮刀、電子漿料、印刷臺面和承印物，如上圖2.11所示。印刷時，在網版一端倒入漿料，并用刮刀對網版中的漿料邊施加壓力邊朝另一端推動。漿料在移動的過程中透過網孔被刮刀擠壓到承印物上。由于印刷過程中，刮刀、絲網印版、承印物三者始終呈線接觸，且漿料具有一定得粘性，這樣就確保了印刷質量和印刷精度。
絲網印刷工序可細分為漿料的印刷和漿料的烘干處理兩部分。電極漿料主要使用的是電子漿料，它由四部分組成：由貴金屬及其混合物構成的金屬粉末，在整個成分中充當導電相，決定了電極的電性能；無機粘合劑和有機粘合劑，決定了燒結前后電極與半導體的接觸情況，合適的配比，可以有效加強電極和硅片之間的抗拉伸能力；其它添加劑，主要是起到潤滑，增稠，流平和增加觸變的作用。
絲網印刷工藝的制備目標因漿料種類、電極位置以及電極作用不同而不同。對于起收集光生載流子并對外導出電流作用的正Ag 電極來說，我們希望印刷后制得的正電極具備較低的遮光面積、金屬柵線電阻以及金屬半導體歐姆接觸電阻；對于起匯集背面電流并對外導出電流作用的背Ag/Al 電極來說，我們希望其能與涂錫焊帶、硅片背表面以及鋁背場[12]形成良好的接觸，使串聯電阻Rs 降低；對于起收集背部載流子并對背面進行鈍化作用的Al 背電場來說，我們希望其能在硅片背表面引入均勻的p+層，盡可能的降低背面光生載流子復合幾率，同時還需控制背場印刷所引起的翹曲度彎曲。每一道印刷工序后的烘干，實際上是為了使硅片表面電子漿料中的有機溶劑揮發，形成可與硅片緊密粘結的固體狀金屬膜層。
烘干后的燒結工藝，實際上是為了使硅片和電極間形成良好的歐姆接觸。首先，將半導體多晶硅和金屬電極加熱到共晶溫度，此時半導體內的硅原子將按某種比例快速向熔融的合金電極中擴散。合金電極中的多晶硅原子數目由電極材料的體積和合金溫度決定，電極材料的體積越大，燒結溫度越高，則合金電極中的硅原子數目越多。如果此時溫度驟降，將會在合金電極附近出現再結晶層，即固態硅原子從金屬和硅界面處的合金中析
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出，生長出外延層。如果外延層中含有足夠的雜質成分，則獲得了良好合金結，同時也形成了良好的金屬半導體歐姆接觸[12]。
燒結采用紅外加熱的方式進行高溫快燒，主要是為了讓硅片表面的正電極穿透氮化硅薄膜，與硅片之間形成良好的歐姆接觸，降低串聯電阻，提高填充因子；促進鍍膜工序引入的氫原子向硅體內擴散，增強其對硅的體鈍化作用；形成均勻良好的鋁背場，提高開路電壓。
2.6 測試分選工序及其太陽能測試儀的原理
太陽能測試儀最初主要用來測量太陽能電池片的電性能參數，但隨著測試技術的發展，目前集成的太陽能電池測試系統還可以進行EL測試（太陽能電池組件缺陷檢測）、外觀測試。太陽能電池測試系統要求：能夠根據測試時間控制太陽光模擬器的開關，通過采樣電路、溫度傳感器和數據采集卡(DAQ)讀取太陽能電池的即時電流、電壓和相應的溫度及光譜測量值等參量，經過計算機的數值運算處理，得到逼近標準測試條件下的I值和V 值，從而繪出逼近標準測試條件下的I/V 特性曲線[13]。下圖3.12為太陽能電池測試儀的結構圖，其中采用高壓短弧氙燈來模擬自然光。
圖3.12 太陽能電池硬件測試系統框圖
地面用太陽能電池的國際標準測試條件為：輻照度：1000W/m；電池
2溫度：25℃；光譜分布：AM1.5[14]。通常，我們采用太陽能模擬器來模擬上述測試條件，進行多晶硅太陽能電池片的I-V 曲線測試。模擬光與自然光相比，具有以下優點：模擬光可選擇性好，比如連續發光或閃光；模擬光的輻照度相對穩定，且在一定范圍內可調；模擬光使用范圍廣，不受時間、氣候等因素限制；模擬光便于與生產線集成光伏測量系統；另外，與自然光相比，模擬光光譜分布的穩定性較好，測試可重復性高；實際的自然光
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光譜與國際標準測試條件要求的有差異，且不穩定。種種原因表明，模擬光更適用于光伏測試系統的集成。
因太陽能光伏組件最終是在露天的環境下使用，所以太陽能測試儀的電性能測試結果應盡可能的與戶外使用結果相擬合。常見的太陽能測試儀運用氙燈來模擬自然光，如下圖2.13 所示為氙燈與AM1.5 光譜對比圖[15]。
圖2.13 氙燈與AM1.5 光譜對比圖
由上圖可得，AM1.5 光譜在可見光區與氙燈光譜十分相似，而多晶硅太陽能電池片的主要光吸收區即是可見光區，因此，氙燈被廣泛的用來模擬太陽光。
太陽能電池各電性能參數的測試原理[16]：短路電流（Isc）：國際標準測試條件下，電池外電路短路時的輸出電流；開路電壓（Voc）：國際標準測試條件下，電池外電路斷開時的端電壓；最大功率（Pmax）：電池輸出特性曲線上，I·V 乘積最大時所對應的功率；串聯電阻（Rs）：指與P-N 結串聯的電池內部電阻，主要由硅體電阻、歐姆接觸電阻、發射區電阻等組成；并聯電阻（Rsh）：指跨連在電池兩電極間的等效電阻；填充因子（FF）：Pmax 與（Voc·Isc）之比；轉換效率（η）：Pmax 與電池所受總輻射功率的百分比。2.7 小結
本章要主要論述了多晶硅太陽能電池制備流程（一次清洗→ 擴散→ 濕法刻蝕去背結→ PECVD →絲網印刷→ 燒結→測試分選），以及制備原理和過程。
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第三章 多晶硅太陽電池行業展望
太陽能光伏上下游產業鏈，包括上游的硅材料、光伏電池制造與封裝工藝、支撐行業和光伏發電應用等領域。
目前重慶首例居民分布式光伏發電項目成功并網
[17]，如下圖，這充分說明光伏產業在逐步深入市場，并將有更廣闊的民用市場。
圖－居民光伏發電項并網
縱觀整個光伏市場走勢，雖然目前太陽能行業處于市場低迷期，但隨著工藝的改進和制造成本的降低以及國內市場的逐步打開，同時企業也要節能減材，不斷進行低迷期技術潛能性研究，會使太陽能行業最終走向市場供不應求或供需平衡的態勢。
由于多晶硅太陽能電池是目前相比與單晶硅和多晶硅的轉換效率高且能批量生產的一種太陽能能電池，多晶硅電池的制作工藝不斷向前發展，保證了電池的效率不斷提高，成本下降，隨著對材料、器件物理、光學特性認識的加深，導致電池的結構更趨合理，實驗室水平和工業化大生產的距離不斷縮小，各工藝如絲網印刷和埋柵工藝為高效、低成本電池發揮了主要作用，高效Mc—Si電池組件已大量進入市場，隨著工藝的不斷優化，生產成本的不斷降低，多晶硅將對于光伏建筑、光伏發電、光伏水泵等有廣闊的前景。
光伏發電技術若想快速大規模普及，必須實現高效、低成本。高效是降低成本的另一種方式。目前推出的可實現量產的新型高效多晶硅太陽能電池，均是在常規制備工藝的基礎上改進得來，也就是說，前者若想發揮高效的潛能，前提是常規多晶硅太陽能電池制備工藝成熟且達到最優化。我國目前光伏技術仍處于低級階段，制備工藝仍不完善，還有很大的優化以及改進空間。
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參考文獻
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[17]重慶電力公司，中新能源頻道，科技日報2013年05月10日
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致 謝
本論文是在導師胡耐根老師的悉心指導和關懷下完成的。感謝胡老師對我的辛勤指導和培育。從論文的立題到論文的撰寫整個過程無不浸透著老師的心血。他廣博的學識，嚴肅的科學態度，嚴謹的治學精神，靈活的思維方式，耐心細致的言傳身教深深感染激勵著我，將使我終身受益。導師不但在學習上給予我耐心細致的指導，在生活中也給了我關懷，這份師恩我將終身難忘。
同時感謝同組同學在完成論文中給予的幫助。我們在完成論文的過程中與同學互相討論、互相協作下建立深厚的感情，同時我也學到了每個同學的為人處事的精神。另外，我要感謝在這幾年來對我有所教導的老師，他們孜孜不倦的教誨不但讓我學到了很多知識，而且讓我掌握了學習的方法，更教會了我做人處事的道理，在此深表感謝。我還要向我的同學們表示感謝，感謝10級光伏材料(1)班所有同學以及丁輔導員對我生活和學業上的關心和幫助,我為自己能夠在這樣一個溫暖和諧的班級體中學習工作，深感溫暖、愉快和幸運。
最后向多年默默支持我和關心我，不斷給我信心、支持我上進，使我順利完成大學學業的家人，特別是我的父母，獻上我最真摯的謝意和最美好的祝福。
第三篇：金屬凝固原理復習大綱
金屬凝固原理復習大綱
緒論
1、凝固定義
宏觀上：物質從液態轉變成固態的過程。微觀上：激烈運動的液體原子回復到規則排列的過程。
2、液態金屬凝固的實質：原子由近程有序狀態過渡為長程有序狀態的過程
液態金屬的結構特征：“近程有序”、“遠程無序”
組成：液態金屬是由游動的原子團、空穴或裂紋構成
3、液態金屬的性質：粘度和表面張力
粘度的物理意義：單位接觸面積，單位速度梯度下兩層液體間的內摩擦力
粘度的本質上是原子間的結合力
影響液體金屬粘度的主要因素是：化學成分、溫度和夾雜物
表面張力的物理意義：作用于表面單位長度上與表面相切的力，單位N/m
影響液體金屬表面張力的主要因素是：熔點、溫度和溶質元素。取決于質點間的作用力
4、液體結構的特性：近程有序和遠程無序
晶體:凡是原子在空間呈規則的周期性重復排列的物質稱為晶體。
單晶體:在晶體中所有原子排列位向相同者稱為單晶體
多晶體:大多數金屬通常是由位向不同的小單晶（晶粒）組成，屬于多晶體。
吸附是液體或氣體中某種物質在相界面上產生濃度增高或降低的現象。
金屬從液態過渡為固體晶態的轉變稱為一次結晶
金屬從一種固態過渡為另一種固體晶態的轉變稱為二次結晶
當向溶液中加入某種溶質后，使溶液表面自由能降低，并且表面層溶質的濃度大于溶液內部深度，則稱該溶質為表面活性物質（或表面活性劑），這樣的吸附稱為正吸附。反之，如果加入溶質后，使溶液的表面自由能升高，并且表面層的溶質濃度小于液體內部的濃度，則稱該溶質為非表面活性物質（或非表面活性劑），這樣的吸附為負吸附
第一章 凝固過程的傳熱
1、凝固過程的傳熱特點：“一熱、二遷、三傳”
“一熱”指熱量的傳輸是第一重要；
“二遷”指存在兩個界面，即固－液相間界面和金屬－鑄型間界面。
“三傳”指動量傳輸、質量傳輸和熱量傳輸的三傳耦合的三維熱物理過程。
2、金屬型特點：具有很高的導熱性能；非金屬型鑄造特點：與金屬相比具有非常小熱導率，故凝固速度主要取決于鑄型的傳熱性能。鑄型外表面溫度變化不大，故可把鑄型看成是半無限厚的。
第二章 凝固動力學
1、自發過程：從不平衡態自發地移向平衡態的過程（不可逆過程）
2、化學勢：某一組元的化學勢為1mol該組元物質的吉布斯自由能，是1mol的恒溫等壓勢。
3、公切線原理求相平衡P61.63
4、判斷平衡相（液相還是固相）P65
4、溶質平衡分配系數K0：恒溫下固相溶質濃度CS與液相溶質濃度CL達到平衡時的比值。
K0=CS/CL=mL/mS=
5、界面曲率對溶質平衡分配系數k0影響：曲率半徑小的晶體，其固液界面前沿富集起來的液相溶質濃度比曲率半徑大的晶體小。在理想溶液中是均勻向下移動相圖中液固相線位置。
6、壓力對溶質平衡分配系數k0的影響：均勻地向上移動相圖中液固相線位置。
第三章 凝固動力學
1、形核：亞穩定的液態金屬通過起伏作用在某些微觀小區域內生成穩定存在的晶態小質點的過程。
2、均質形核：在沒有任何外來的均質溶體中，依靠液體金屬內部自身結構自發地形核。均質形核在溶體各處概率相同，全部固液界面都由形核過程提供。因此熱力學能障大，所需驅動力大。
異質形核：在不均勻的溶體中依靠外來夾雜或型壁界面所提供的異質界面進行形核。異質形核首先發生在外來界面處，因此能障較小，所需的驅動力也較小。
3、形核相變的驅動力：固液相體積自由能差；阻力：界面能。
4、形核速率是在單位體積中單位時間內形成的晶核數目。
5、在液相中那些對形核有催化作用的現成界面上形成的晶核稱為非自發形核
6、均質形核理論的局限性：
均質形核是對理想純金屬而言的，其過冷度很大比實際液態金屬凝固時的過冷度大多了。實際上金屬結晶時的過冷度一般為幾分之一攝氏度到十幾攝氏度。實際的液態金屬(合金)在凝固過程中多為異質形核。
7、均質形核與異質形核的異同：
相同點：異質形核的臨界晶核半徑在形式上與均質形核臨界晶核半徑完全相同
不同點：①均質形核臨界晶核是球體，而異質形核的晶核為球體的一部分（球冠），因而異質晶核中所含原子數目少，這樣的晶坯易形成。②潤濕角θ與均質形核無關，而影響異質晶核的體積
8、形核劑的條件：
①適配度小 ②粗糙度大 ③分散性好 ④溫穩定性好
9、當晶格點陣適配度δ≤5% 時，通過點陣畸變過渡，可以實現界面兩側原子之間的一一對應。這種界面稱為完全共格界面，其界面能較低，襯底促進非均質生核的能力很強；當5%＜δ＜25%時為部分共格界面；當δ≥25% 時，為不共格，夾雜物襯底無形核能力。
10、界面共格對應原則：固相雜質表面的原子排列規律和原子（晶粒細化劑的選擇原則）間距與新相晶核相近。（晶粒細化劑選擇原則）
11、粗糙界面（非小晶面）：微觀粗糙，宏觀光滑。非小晶面長大。大部分金屬屬于此類。
光滑界面（小晶面）：微觀光滑，宏觀粗糙。小晶面長大。非金屬、類金屬（Bi、Sb、Si）屬于此。
第四章 單相合金的凝固
1、合金可分為單相合金和多相合金兩大類。單相合金是指在凝固過程中只析出一個固相的合金，如固溶體、金屬間化合物等。多相合金是指凝固過程中同時析出兩個以上新相的合金如有共晶、包晶或偏晶轉變的合金。
2、溶質再分配：合金在凝固過程中，已析出固相排出多余的溶質原子（或溶劑原子），并富集在界面的液體中，造成成分分離的現象。（合金凝固過程的一大特點）
3、平衡分配系數Ko實際上描述了在固、液兩相共存的條件下溶質原子在界面兩側的平衡分配特征。
4、成分過冷：合金晶體在長大過程中，因溶質再分配而引起的過冷，稱為成分過冷。其過冷度稱為成分過冷的過冷度。
5、熱過冷：金屬凝固過程中，純粹由熱擴散控制形成的過冷，稱為熱過冷，其過冷度稱為熱過冷的過冷度。
6、成分過冷條件：①合金凝固過程中溶質在固-液界面前沿富集；②滿足成分過冷判別式。
7、成分過冷的過冷度在生長著的固-液界面處最小，離開界面逐漸增大，因此界面很不穩定。
8、成分過冷降低了實際過冷度，阻礙了晶體的生長。凡是溶質富集的地方，那里成分過冷就越大，其過冷度就越小，該處生長就越慢。
9、影響成分過冷的因素：
由成分過冷判據式可知，下列因素有利于成分過冷： ①液相中溫度梯度小，GL小； ②晶體生長速度快，v大； ③陡的液相線斜率，mL大； ④原始成分濃度高，C0大； ⑤液相中溶質擴散慢，DL低； ⑥k0＜1時，k0小；k0＞1時，k0大
備注：①和②屬于工藝因素，③-⑥屬于合金方面因素。
10、強成分過冷元素（表面活性元素）的選取原則： ①熔點低
（液相線斜率陡，mL大）
②原子半徑大
（液相中溶質擴散慢，DL 低）③在合金中的固溶度小
（k0小）
11、成分過冷的單相合金四種宏觀生長方式（如右圖）：
①無成分過冷的平面生長
（GL1）②窄成分過冷區的胞狀生長
（GL2）③較寬成分過冷區的柱狀樹枝晶生長（GL3）④寬成分過冷區的自由樹枝晶生長
（GL4）
12、“外生生長”與“內生生長”的概念：
外生生長：晶體自型壁生核，然后由外向內單向延伸的生長方式。平面生長、胞狀生長和柱狀枝晶生長皆屬此類。
內生生長：等軸枝晶在熔體內部自由生長的方式。
13、合金固溶體凝固時的晶體生長形態：
? 不同的成分過冷情況（成分過冷主要結論！）
①無成分過冷——平面晶 ②窄成分過冷區間——胞狀晶
③成分過冷區間較寬——柱狀樹枝晶 ⑤寬成分過冷——內部等軸晶
14、平面生長→胞狀生長→樹枝晶生長演變過程：
由大逐漸減小，即隨“成分過冷”程度增大，固溶體生長方式變化為：
平面晶→胞狀晶→胞狀樹枝晶(柱狀樹枝晶)→內部等軸晶(自由樹枝晶)
第五章 多相合金的凝固
1、共晶組織的分類：
①規則共晶(金屬一金屬共晶)，屬于非小平面—非小平面共晶。? 固一液界面：在原子尺度上是粗糙界面。
? 組成：金屬—金屬相或金屬—金屬間化合物相。
? 組織形態：層片狀及棒狀（出現哪種結構要取決于：①α與β相間的體積比②第三組元的存在。若某一相體積分數小于1/π時，該相出現棒狀結構；若體積分數在1/π-1/2之間時，兩相均以片狀結構出現。造成原因：結構表面能的大小。體積分數小于1/π時，棒狀結構表面能小于片狀結構；體積分數在1/π-1/2之間時，片狀結構表面能小于棒狀結構）。
? 決定共晶兩相長大的因素：熱流的方向和兩組元在液相中的擴散，兩相長大過程互相依賴的關系是界面附近的溶質橫向擴散。
?
固一液界面形態：將近似地保持著平面，其等溫面基本上也是平直的。（每一相的長大受著另一相存在的影響，當共晶結晶時，兩相并排地結晶出來并垂直于固一液界面長大）。
②非規則共晶(金屬一非金屬共晶)，屬于非小平面一小平面。? 固一液界面：一個是特定的晶面。
? 組織形態：多種多樣，簡化為片狀與絲狀兩大類。
? 固一液界面形態：非平面的且是極不規則的，其等溫面也不是平直的。△金屬—金屬共晶與金屬—非金屬共晶相同點：熱力學原理和動力學原理一樣；不同點如上所述。
2、共生生長：在共晶合金結晶時，后析出的相依附于領先相表面而析出，進而形成相互交疊的雙相晶核且具有共同的生長界面，依靠溶質原子在界面前沿兩相間的橫向擴散，互相不斷地為相鄰的另一相提供生長所需的組元，彼此偶合的共同向前生長。
3、離異生長：兩相沒有共同的生長界面，它們各以不同的速度而獨立生長，在形成的組織中沒有共生共晶的特征，這種非共生生長的共晶結晶方式稱為離異生長，所形成的組織稱為離異共晶。
4、偏晶合金的最終顯微形貌將要取決于三個界面能、L1與L2的密度差以及固一液界面的推進速度
5、晶體生長機制（方式）：
? 非小晶面結構——連續長大（正常長大）
? 小晶面結構——側面長大
①二維晶核臺階
②晶體缺陷臺階：螺位錯、孿晶溝槽。
6、“側面長大”方式的三種機制：
? 二維晶核機制：臺階在界面鋪滿后即消失，要進一步長大仍須再產生二維晶核。? 螺旋位錯機制：這種螺旋位錯臺階在生長過程中不會消失。? 孿晶面機制：長大過程中溝槽可保持下去，長大不斷地進行。
7、非平衡狀態下的共晶生長區P173
第六章 金屬凝固的宏觀組織
1、澆注及凝固過程中液體的三種流動形式: ①澆注時存在液流的沖刷——強制對流。②澆注時及澆注完畢后液體存在自然對流。
③存在著枝晶間及分枝間的液體流動——微觀流動。
2、金屬凝固的典型宏觀組織： ①表層細晶區
②內部柱狀晶區：晶粒垂直于型壁排列，且平行于熱流方向 ③中心等軸晶區：晶粒較為粗大
3、獲得細等軸晶的措施：
①增大冷卻速度（V冷↑）和降低澆注溫度（t澆↓）
②加強液體在澆注和凝固期間的流動
（促使型壁上已凝固層晶體的脫落，分枝的熔斷脫落及脫落晶體的增殖。）③孕育處理 ⑴外加晶核：
（在澆注時向液流中加入被細化相具有界面共格對應的高熔點物質或同類金屬的碎粒，使之成為異質形核的有效襯底，促使異質形核，增加晶粒數而細化晶粒。）⑵采用生核劑
（加入的物質不一定能作為晶核，但通過它與液態金屬的某些元素相互作用，能產生晶核或成為有效襯底，這類物質稱為生核劑。）⑶采用強過冷成分元素
（強成分過冷元素在Al-Si合金中稱為變質劑，生產中稱為變質處理）
孕育處理是指在凝固過程中，向液態金屬中添加少量其它物質，促進形核、抑制生長，達到細化晶粒的目的。
——————————————————————————————————————— 簡答題目：
1、純金屬和實際金屬液態結構有何異同？
純金屬的液態結構：接近熔點的液態金屬是由和原子晶體顯微晶體和“空穴”組成。
實際金屬的液態結構：存在著兩種起伏：能量起伏、濃度起伏。微觀上是由結構和成分不同的游動原子集團，空穴和許多固態，氣態，液態化合物組成，是一種渾濁液體，而從化學鍵上看除了金屬基體與其合金元素組成的金屬鍵外，還存在著其他化學健。
2、液態金屬的基本特征是什么？
①有固定的體積。②有很好的流動性。③物理化學性質接近于固態，而遠離氣態。
3、相平衡條件 相平衡時，每一組元在共存的各相中的化學勢都必須相等。在k個元素含有p個相的體系中，恒溫等壓的化學平衡條件是：
4、固液界面在結構上有哪兩種類型？他們在微觀和宏觀上的特點是什么？
光滑界面（小平面）和粗糙界面（非小平面）。粗糙界面：微觀粗糙，宏觀光滑；光滑界面：微觀光滑，宏觀粗糙。
5、界面類型的實質是什么？
能量最低時的原子沉積幾率不同。能量最低時原子沉積幾率近似為0或1，說明是光滑界面；能量最低時原子沉積幾率近似為遠離0或1，說明是粗糙界面。
6、討論長大機制與過冷度的關系。
①過冷度小，按螺位錯方式長大；②過冷度大，連續長大；③二維晶核長大在任何情況下，可能性都不大。
7、形核的首要條件是什么？
形核的首要條件是系統必須處于亞穩態提供相變驅動力；其次需要通過起伏作用克服能障才能形成穩定存在的晶核并確保其進一步生長。
8、為什么自發形核的臨界形核功等于形成臨界形核表面能的1/3？ 見P93
9、均質形核機制必須具備哪些條件？
①冷液體中存在相起伏，以提供固相晶核的晶胚。
②形核導致體積自由能降低，界面自由能提高。為此，晶胚需要體積達到一定尺寸才能穩定存在。
③過冷液體中存在能量起伏和溫度起伏，以提供臨界形核功。④為維持形核功，需要一定的過冷度
10、即三個基本條件：過冷度，能量起伏，結構起伏。為什么過冷度是液態金屬凝固的驅動力？
等壓條件下，體系自由能隨溫度升高而降低，且液態金屬自由能隨溫度降低的趨勢大于固態金屬。在熔點附近凝固時，熱焓和熵值隨溫度的變化可忽略不計，則有相變驅動力：
過冷度△T＝T-Tm為金屬凝固的驅動力，過冷度越大，凝固驅動力越大；金屬不可能在T＝Tm時凝固。
11、為什么說異質形核比均質形核容易？影響異質形核的基本因素和其他條件是什么？（1）因為均質形核在其形核過程中為克服過程中的能障，所需要的過冷度是很大的，而實際金屬凝固過程中的過冷度遠小于此，所以較難發生；對異質形核而言，液態金屬中存在一些微小的固相雜質質點，并且液態金屬在凝固時還和型壁相接觸，于是晶核就可以優先依附于這些現成的固體表面形核，因此形核所需的過冷度大大降低，所以異質形核比均質形核更容易。
12、界面共格對應原則的實質是什么？ 增大固、液兩相界面附著力，減小異質形核的形核功，使固相質點成為異質形核的有效襯底。
13、成分過冷的判據式（有過冷/無過冷）無成分過冷判據式為：
有成分過冷判據式
為：
14、成分過冷的本質是什么？
①成分過冷使實際過冷度降低，阻礙固液界面的推進。②成分過冷使界面不穩定，不能保持平面生長。
③成分過冷阻止原有界面的生長，促進界面前方液相中形核。
15、共生生長具備的兩個基本條件是什么？
①兩相生長能力要相近，且析出相要容易在先析出相上形核和長大。②A、B兩組元在界面前沿的橫向傳輸能保證兩相等速生長的需要。期末成績=考試60％+平時40％
一、填空題
15×1分=15分
二、名詞解釋題
5×4分=20分
三、簡答題
5×5分=25分
四、計算與證明
3×10分=30分
五、論述題
1×10分=10分
第四篇：鑄造成型原理簡答題
1、可以通過哪些途徑研究液態的金屬的結構
答，間接，通過固液，固氣轉變后一些物理性能變化判斷液態金屬原子間結合狀況，直接，通過液態金屬的X射線或中子線結構分析研究。
2、怎樣理解液態金屬“進程有序遠程無需”
答。液態金屬中的原子排列在幾個原子間距內，與固態原子排列基本一致，有規律，而距離遠的原子排列不同與固態，無序。這稱為。
3、闡述實際液態金屬結構，能量，結構及濃度三種起伏。
答。實際金屬含有大量的雜質，他們存在方式是不同。能量起伏，表現為各個原子間的能量不同各個原子的尺寸不同，濃度起伏，表現為各個原子團成分不同，游動的原子團時聚時散此起彼伏形成結構起伏。
4、液態金屬粘滯性本質，及影響因素
答。本質，是質點間（原子間）結合力的大小，影響因素：溫度，熔點，雜質。共晶合金粘度低。
5、影響充型能力的因素及提高充型能力的措施。
答：
1、金屬性能方面，合金的成分，結晶潛熱，金屬的熱物理性能，粘度，表面張力。
2、鑄型性能方面，鑄型的蓄熱系數，鑄型的溫度，鑄型中的氣體，3、澆筑方面、澆注溫度，充型壓頭，澆筑系統的結構
4、鑄件結構方面。措施：1正確選擇合金成分多少
2、合理的熔煉工藝
3、適當降低砂型中的水量和發起物質含量，增加砂型通氣性。
6、某工廠的生產鋁鎂合金機翼（壁厚3mm，長1500mm）采用粘土砂型，常壓下澆筑，常因澆筑不足而報廢，怎樣提高鑄件的成品率。
答：可以采用小蓄熱系數的鑄型，采用預熱，提高澆筑溫度，加大充型壓力，改變澆筑系統，提高金屬液充型能力。
7、如何得到動態凝固曲線及如何利用動態凝固曲線分析鑄件的性質 答、先繪制出鑄件的溫度場，然后給出合金液相線跟固相線溫度，...8、如何理解凝固區域的結構中的“補縮邊界”、傾出邊界 答鑄件在凝固的過程中除純金屬和共晶成分的合金外，在斷面上一般分為3個區域，即固相區，凝固區，液相區。用傾出發做實驗時，晶體能夠隨液態金屬一起被傾出，因此液固部分和固液部分的邊界叫傾出邊界。固液部分靠近固體的部分固相占絕大部分，已經連接為牢固的晶體，靠近傾出邊界的那部分液態占大部分，這兩部分中間形成小的熔池，體積收縮，得不到液態的補充叫補縮邊界。
9、鑄件的凝固方式及其影響因素。
答：方式：逐層凝固方式、體積凝固方式、中間凝固方式，其凝固方式決定于凝固區域的寬度。影響因素：是由合金結晶溫度范圍tc與溫度降t的比值決定的。比值遠小于1時，鑄件的凝固趨向于逐層凝固方式，大于1時趨向于體積凝固方式 第二章
10、論述均質形核與非均質形核之間的區別與聯系。并分別從臨界形核半徑。形核功這兩個方面闡述外來沉底的潤濕能力對臨界形核過冷度的影響。
答：;均質形核與非均質形核臨界半徑相等，非均質形核功是均質形核功Xf（o）。非均質形核所需體積小，即相起伏原子少。兩種形核都需要克服形核功。但非均質形核小。潤視角增大，非均質形核的過冷度增大，f(o)減小，非均質形核功減小，導致能量起伏減小，過冷度減小。
11、從原子角度看，決定固液界面微觀結構的條件是什么？ 答;熱力學因素α<=2粗糙界面α>2時平整界面；動力學因素：動力學過冷度Tk大連續生長，產生粗糙界面，小時平整界面。
12、闡述各種界面微觀結構與其生長機理和生長速度之間的關系，并指出他們的生長方向各有什么特點？
答：A，粗糙界面;連續生長R=U△Tk；完整平整界面;二位生核R=Ue（b/△Tk）；非平整界面：
1、螺旋生長R=U△Tk2
2、旋轉單晶，反射單晶。△Tk上升。B、生長方向：粗糙界面，各項同性的非晶體單晶等，生長方向與熱流方向相同。平整界面，密排線相交的小晶面。C、生長表面：粗糙表面，因是各項同行，光滑生長表面。平整界面，棱角分明的秘排小晶面。
13、試述成分過冷與熱過冷的含義以及他們之間的區別于聯系？
答：只有的當界面液相一側形成負溫度梯度時，才能在純金屬界面前方熔體內獲得過冷，這種僅由于熔體實際溫度分布所決定的過冷狀態稱為熱過冷，對于一般合金由于存在溶質再分配，界面前方的液相線是隨著成分變化而變化的，因此只要實際溫度低于同一地點的液相線溫度，也能在熔體前方獲得過冷。這種由溶質再分配導致界面前方溶體成分及其凝固溫度發生變化而引起的過冷，稱為成分過冷。區別：熱過冷與成分過冷之間的根本區別是前者僅受熱傳導過程的控制，后者則同時受熱傳導過程和傳質過程的制約。
14、何為成分過冷判據？假設在不同條件下，推導其公式。
答：成分過冷判據：Gl 1、液相只有有限擴散條件下的成分過冷。對上式求導，令x=1的，dTl（x）/dx=-mc。（1-k。）R/Dlk。帶入有Gl/R<-mC。（1-k。）/k。Dl； 2、液相部分混合條件下的成分過冷Gl/R<-m平均Cl/Dl(k。/1-k。+e-R/Dl的兒它)。 15、論述成分過冷對單相合金結晶的影響、答;成分過冷對一般單項合金結晶過程與熱過冷對純金屬影響本質相同，但由于同時存在著傳質過程的制約，再無成分過冷的狀態下，界面一平整界面生長，但隨著成分過冷的出現和增大，界面前方一次以胞狀晶、柱狀晶、等軸晶形式進行。 16、闡述內生生長與外生生長的概念以及聯系 答;概念：就合金的宏觀結晶狀態而言，平面生長，胞狀生長和柱狀枝晶生長皆屬于一種晶體自型壁形核，然后由外向內單向延伸生長，稱為外生生長，等軸枝晶在熔體內部自由生長的方式稱內生生長。聯系;成分過冷區的進一步加大，促使了外生生長向內生生長的轉變。 17、細化枝晶與提高鑄件質量之間有何聯系。 答：枝晶間距是相鄰同次分支之間的垂直距離，它是樹枝枝晶組織細化程度表現，枝晶間距越小，組織就越細密，分布于期間的元素偏析范圍也就越小，故鑄件越容易通過通過熱處理而均勻化，因而也就越利于鑄件的質量提高。第三章 18、典型鑄件的宏觀組織包括哪幾部分？它們的形成機理如何？ 答：典型的鑄件宏觀組織包含表面細晶粒去區、柱狀晶區、內部等軸晶區、等三個不同形態的晶區。表面細晶粒區形成機理：非均質形核和大游離的晶核提供了表面細晶粒區的晶核，型壁附近產生較大的過冷而大量生核，這些晶核相互接觸并迅速長大，形成的無方向性的表面細等軸晶區。柱狀晶區形成的機理：柱狀晶區開始于穩定的凝固殼層的形成，結束于內部等軸晶區的形成，而穩定的凝固殼一旦形成處于凝固殼前言的晶粒在平行于熱流方向下擇優生長，逐漸淘汰不利于晶體晶體過程發展的柱狀晶粒。內部等軸晶的形成機理：由于剩余熔體內部晶核自由生長的結果。 19、產生晶粒游離的途徑有哪些？在實際應用中，如何采取工藝措施來強化晶粒游離的作用？ 答： 1、液態金屬的流動作用 2、直接來自過冷熔體中的非均質形核所引起的晶粒游離 3、型壁晶粒脫落所引起的晶粒游離 4、枝晶熔斷和增殖所引起的晶粒游離 5、液面晶粒沉積所引起的晶粒游離。措施： 一、合理的控制熱學條件 1、低溫澆筑和采用合理的澆筑工藝。 2、合理的控制冷卻條件（小的溫度梯度，高的冷卻速度） 二、孕育處理 1、孕育劑作用機理的合理選擇a、強化形核作用b、強化成分過冷元素孕育劑 2、合理確定孕育工藝 三、動態晶粒的細化 1、機械震動 2、超聲波 3、攪拌 4、流變鑄造。 20、解釋枝晶縮頸現象產生的原因及對晶粒游離作用的影響？ 答：原因:晶粒生長過程中界面前沿液態凝固點降低，從而使其實際過冷度減小，生長速度減慢，又由于晶體根部緊靠壁型，富集的溶質不易排出，生長受到抑制，遠離根部其它部位面臨較大的過冷度，生長速度要快的多，從而產生縮頸現象。影響：生成的頭大根小的晶粒，在流液的機械沖刷和溫度波動下，熔點低而又脆弱的縮頸極易斷開形成游離的晶粒。 21、等軸晶組織有何特點？在應用中，可以從哪些方面來獲得及細化完全等軸晶組織？ 答：特點：等軸晶區的晶界面積大，雜質和缺陷分布比較松散，成各項同性，故性能均勻且穩定，缺點是枝晶比較發達，顯微縮松較多，凝固后組織不夠致密。方法： 1、讓熔體中加入強生核劑—孕育處理 2、控制澆筑條件，采用較低的澆筑溫度和合理的澆筑工藝。 3、采用金屬型鑄造，提高鑄型的激冷能力。 4、增大液態金屬與鑄型表面的潤濕角，提高鑄型表面的粗糙度。 5、采用物理的方法動態結晶細化晶粒。第四章 22、何為偏析現象？它對鑄件質量有何影響？ 答;合金在凝固過程中發生的化學成分不均勻的現象稱為偏析。偏析會對鑄件的力學性能，切削性能、耐腐蝕性能等產生不同程度的影響，偏析也有有力的方面，比如可利用它來凈化和提純金屬。 23、微觀偏析有哪些表現形式？并解釋其形成機理及消除措施？ 答：微觀偏析安其形式分為胞狀偏析、枝晶偏析、晶界偏析。 枝晶偏析：合金以枝晶形式生長，先結晶的枝干與后續生長的分支也同樣存在著成分差異，稱為枝晶偏析。胞狀偏析：當成分過冷較小時，晶體呈胞狀方式生長。胞狀結構由一系列平行的棒狀晶體所組成，沿凝固方向長大，呈六方斷面，由于凝固過程中的溶質再分配，當合金的平衡分配系數小于1則在胞壁處將富集溶質會貧化，這種化學成分不均勻性稱為胞狀偏析。晶界偏析：第一種兩晶粒并排生長，晶界平行于生長方向，由于表面張力平衡條件的要求，在晶界與液相線交界的地方，會出現一個凹槽，此處有利于溶質原子的富集，凝固后就形成了晶界偏析。第二種兩個晶粒彼此面對面生長，在固液界面，溶質被排出，此外，其他低熔點的物質也會被排出在固液界面，當界面彼此相遇時，在它們之間富集大量溶質，從而造成晶界偏析。 24、舉例說明常見的宏觀偏析及其形成機理，進一步說明在生產過程中如何采取措施防止？ 答：宏觀偏析：正常偏析、逆偏析V形偏析和逆V行偏析，帶狀偏析，密度偏析。 正常偏析：由于溶質再分配，當合金的溶質分配系數小于1，凝固界面將有一部分溶質被排出。隨溫度的降低，溶質濃度將逐漸增加，后結晶的固相溶質濃度高于先結晶的。否則相反.逆偏析：鑄件凝固后，常常出現和正偏析相反的溶質分布情況，當溶質分配系數小于1時，表面或底部含溶質多，而中心部分，或上部分含溶質少。帶狀偏析;當固液界面過冷度降低，固液界面推進受到溶質偏析阻礙時，由于界面前方的冷卻，從側壁上可能產生新的晶粒并繼續長大，從前方橫切溶質濃化帶。密度偏析：也稱重力偏析，液體與固體共存或者互相混合的液相之間存在著密度差時產生的化學成分不均勻現象，多形成于金屬凝固前，或剛剛開始凝固。 防止措施：逆偏析：采取細化晶粒，減小合金液的含氣量。帶狀偏析：減少溶質的含量，采取孕育細化晶粒，加強固液界面前的對流和攪拌。密度偏析：增加鑄件的冷卻速度，使初生相來不及上下浮動。加入第三種合金，盡量降低合金的澆筑溫度和澆注速度。 25、簡述析出性氣孔的特征，形成機理及主要防止措施？ 答：析出性氣孔在鑄件斷面上大面積分布，靠近冒口、熱節等溫較高的區域，其分布較密集，形狀呈團球形，裂紋多角形，斷續裂紋狀或混合形。機理： 1、凝固時溶質再分配導致氣孔形成。結晶前沿特別是枝晶內部液相的氣體濃度聚集區將超過它的飽和濃度，被枝晶封閉在液相內，其氣體的過飽和度更大，有更大的析出壓力，而液相界面處氣體的濃度過高，此處有其他溶質偏析，易產生金屬夾雜物，所以液固界面容易析出氣泡，保留下來的氣泡就形成氣孔。 2、侵入性氣孔形成：將金屬澆入砂型中，由于各種原因會產生大量的氣體，氣體的體積隨溫度的升高二增大，當滿足一定條件，氣泡就能在凝固初期侵入金屬液成為氣泡，氣泡上浮時就形成氣孔。措施： 1、減少金屬液的吸氣量 2、對金屬液進行除氣處理 3、阻止金屬液中氣體的析出 4、型（芯）砂處理，減少其發氣量。 26、說明反應性氣孔的形成過程及特征？ 答： 1、金屬-鑄型間反應性氣孔。氫氣說：金屬澆入鑄型后，由于金屬液-鑄型界面處氣體含氫量高，是金屬液表面氫氣濃度增大，凝固過程中，液固表面前沿易形成過飽和氣體濃度很高的氣體析出壓力，金屬液中的氧化物，雜質等，能稱為載體，表面層氣泡一旦形成后，液相中氫氣等氣體都向氣泡擴散，隨著金屬結晶沿枝晶間長大，形成皮下氣孔。氮氣說;鑄型或型芯采用各種含氮樹脂作為粘結劑，分解時造成界面處氣相氮氣濃度增加。提高樹脂 及烏洛托品含量，也會導致含氮量增大，就產生了皮下氣孔。CO說：CO氣泡可以依附在晶體中的非金屬夾雜物形成，這時氮氣氫氣均可擴散到氣泡，氣泡沿枝晶方向生長，形成皮下氣泡。 2、金屬液內反應性氣孔。渣氣孔液態金屬與熔渣相互作用產生的氣孔。CO氣孔依附在FeO熔渣上就形成了氣孔。金屬夜中元素間反應性氣孔，碳氧化反應氣孔，鋼液脫氧不全或鐵液嚴重氧化，溶解的氧若與鐵液中的碳相遇，將產生CO氣泡而沸騰，CO氣泡上浮，吸收氫氣氧氣，長大，凝固時來不及排出，形成氣孔。水蒸氣反應性氣孔：金屬液中溶解的[O]和【H】，如果遇見就會產生水氣泡，來不及析出，就產生氣泡。碳氫反應氣孔：鑄件最后凝固的部位液相中偏析，含有較高的【H】和【C】凝固中產生CH4形成局部氣孔。 27、簡述夾雜物的來源及其分類？ 答： 1、原材料本身。 2、金屬熔煉時，脫氧、脫硫孕育、球化等處理，產生大量MnO2、SiO2、Ai2O3等夾雜物。 3、液態金屬與爐襯、澆包的耐火材料及熔渣接觸時，會發生相互作用，產生大量MnO2、Al2O3等夾雜物。 4、在精煉后轉包及澆注過程中，因金屬液表面與空氣接觸，會形成一層氧化膜，會被卷入金屬中，形成二次氧化夾雜物。 5、金屬在凝固過程中，進行各種物理化學反應，生成夾雜物。分類：按來源分類：內在夾雜物和外來夾雜物。按夾雜物化學成分：氧化物，硫化物，硅酸鹽。按夾雜物其形成時間：初生和二次氧化夾雜物以及偏析夾雜物。 28、分析縮孔形成的過程，說明縮孔與縮松的形成條件及形成原因的異同點？ 答：過程：純金屬共晶成分合金和窄結晶溫度范圍的合金，在一般的鑄造條件下，按由表及里的逐層凝固方式凝固，由于其凝固前沿直接與液態金屬接觸，當液體金屬凝固成固體而發生體積收縮時，可以不斷得到液體的補充在鑄件最后凝固的地方產生縮孔。異同點;形成縮松跟縮孔的原理是相同的，即金屬的液態收縮和凝固收縮之和大于固態收縮。形成條件不同;：產生縮孔的條件是鑄件由表及里逐層凝固，形成縮松是金屬結晶范圍較寬，傾向于體積凝固和同時凝固的方式。 名詞解釋 1、液態金屬成型技術是將融融的金屬或合金在重力場或其他外力場的作用下注入鑄型型腔中，待其凝固后獲得與型腔形狀相似逐漸的一種方法，這種成型方法叫做鑄造。 2、液態成型（鑄造）是將融化成型的液態金屬澆入住鑄型后一次制成所需形狀和性能的零件 3、金屬塑性成形又稱塑性加工，是利用金屬的塑形，通過外力獲得所需形狀，尺寸與內部性能制品的一種加工方法。 4、表面張力：是表面上存在的一個平行于表面且各個方向大小相等的力。 5、表面自由能；是產生新的單位面積表面時自由能的增量。 6、液態金屬充填鑄型的能力：液態金屬充滿鑄型型腔，獲得完整、輪廓清晰的鑄件的能力。 7、流動性;液態金屬本身的流動性。與金屬的成分、溫度、雜質含量、鑄件結構有關。 8、強迫對流：在凝固過程中可以外在激勵使液相產生的流動 9、液態金屬結晶：液態金屬轉變成晶體的過程稱為液態金屬結晶或金屬一次結晶。 10、相變驅動力：只有當T 11、過冷度：t=t-t0稱之為過冷度 12:、熱力學能障：由界面原子所產生，能直接影響體系自由能的大小。 13、動力學能障：由原子穿越界面的過程中所引起的，其大小與相變驅動力無關，而決定于界面的結構和性質，前者對形核有影響，后者則在晶體生長過程中起關鍵作用。 14、均質形核：是在沒有任何外來界面的均勻熔體中的形核過程。也成自發形核。 15、非均質形核：指在不均勻的熔體中依靠外來雜質或型壁界面的襯底進行形核的過程，也稱非自發形核，異質形核G非=G均f（o），當0 16、晶體生長驅動力：固液界面處，固液兩項體積自由能之差。晶體生長主要受界面生長動力學過程，傳熱過程，傳質過程三方面的影響 17、原子角度看微觀姑爺界面的結構可分為兩大類粗糙界面(非小面界面)、平整界面（小面界面） 18、溶質在分配：從形核開始到結晶結束，整個過程中，固液兩項內部進行著溶質元素的重新分布的過程。 19平衡結晶：對于結晶過程中，固液相都能通過充分傳質而使成分完全均勻并達到平衡相圖所對應的溫度的平衡成分。 20、鑄件的結晶組織，僅宏觀狀態而言，指的是鑄態晶粒的狀態、大小、取向喝和分布等情況。 21、游離晶：鑄件結晶過程中，由于各種因素的影響，除直接借助于獨立生核以外，還會通過其他方式在熔體內形成大量處于游離狀態的自由小晶體，即游離晶。 22、晶體的擇優生長：各個枝晶主干方向不同，主干于熱流方向相同的枝晶生長更為迅速，他們優先生長并抑制其他方向枝晶生長，這個互相競爭淘汰的晶體生長過程稱為晶體的擇優生長。 23、通過強化非均質生核和促進晶粒游離以抑制凝固過程中柱狀晶區的形成和發展，就能獲得等軸晶區。 24、孕育處理;是向液態金屬中，添加少量物質以達到細化晶粒，改善組織之目的的一種方法。 25、流變鑄造：又稱半固態鑄造。是在凝固初期利用攪拌使金屬液稱為半固態的漿料，并進行擠壓成型。 26、定向凝固：又稱定向結晶，是使金屬或合金在熔體中定向生長晶體的一種工藝方法。 27、快速凝固：液態金屬在凝固過程中，由液相到固相的相變過程進行的非常迅速，從而獲得傳統鑄件的鑄錠無法獲得的成分、相結構和顯微結構的過程。 28、偏析：合金在凝固過程中發生成分不均勻的現象。 29、偏析按照其范圍大小分為：微觀偏析和宏觀偏析。 30、微觀偏析：由稱短程偏析，是指小范圍內化學成分不均均勻現象。30、宏觀偏析：又稱長程偏析或區域偏析，是指較大尺寸范圍內的化學成分不均勻現象。Cs>C。正偏析否則為逆偏析。Cs各部分的濃度C。原始濃度。按其表現形式分為：正常偏析，逆偏析，密度偏析等。 31、晶內偏析：晶內先結晶的部分溶質含量低，后結晶部分溶質含量高。這種成分的不均勻性就稱為晶內偏析。 32、枝晶偏析：合金以枝晶形式生長，先結晶的枝干與后續生長的分支也同樣存在著成分差異，稱為枝晶偏析。 33、胞狀偏析：當成分過冷較小時，晶體呈胞狀方式生長。胞狀結構由一系列平行的棒狀晶體所組成，沿凝固方向長大，呈六方斷面，由于凝固過程中的溶質再分配，當合金的平衡分配系數小于1則在胞壁處將富集溶質會貧化，這種化學成分不均勻性稱為胞狀偏析。 34、晶界偏析：兩個晶粒彼此面對面生長，在固液界面，溶質被排出，此外，其他低熔點的物質也會被排出在固液界面，當界面彼此相遇時，在它們之間富集大量溶質，從而造成晶界偏析。 35、氣體元素在金屬中可以以固溶體，化合物及氣態三種形式存在。 36、氣孔分為析出性氣孔、反應性氣孔兩類。 37、析出性氣孔：金屬液在凝固或冷卻過程中，因氣體溶解度下降，析出來的氣體來不及從液面排出而產生的氣孔。 38、反應性氣孔：金屬液和鑄型之間或在金屬液內部發生化學反應所產生的氣孔。 39、收縮：把鑄件在液態、凝固態和固態冷卻工程中發生的體積減小現象稱為收縮。 40、體收縮：金屬從液態到常溫的體積改變量。線收縮：金屬在固態時從高溫到常溫的線尺寸該變量。 41、液態收縮：具有一定成分的鑄造合金從澆注溫度冷卻到液相線發生的體收縮。 42、凝固收縮：金屬從液相線溫度到固相線溫度間產生的體收縮。 43、固態收縮：金屬在固相線一下發生的體收縮。 44、縮孔：鑄造合金在凝固過程中，由于液態收縮和凝固收縮的產生，往往在鑄件最后凝固的部分出現空洞，稱為縮孔，把尺寸較大而且集中的空洞稱為集中縮孔，簡稱縮孔。縮孔的形狀不規則，表面不光滑，可以看到發達的樹枝晶末梢。尺寸細小的而且分散的空洞稱為分散性縮孔，簡稱縮松。縮松安其形態分為宏觀縮松（簡稱縮松）和微觀縮松（或顯微縮松）。 化學教案|《氯氣的制備原理》 歡迎來到福建教師招考信息網，福建中公教育考試網提供真實可靠的福建教師招聘、教師資格證考試最新資訊，包括招考公告、考錄進程、考試培訓、面試輔導、資料下載等。我們在福建教師招考信息網等著你回來。 小編推薦>>> 教師考試面試備考指導|13個學科教案【匯總篇】（下載后按住ctrl點擊查看） 一、教學目標 【知識與技能目標】掌握氯氣的工業生產和實驗室制備的原理。掌握電解飽和食鹽水的實驗操作，掌握實驗室制備氯氣的發生裝置、凈化裝置等。 【過程與方法目標】通過分析實驗現象，提高觀察能力，發現問題和解決問題的能力。通過小組討論，表達自己的觀點，逐步形成良好的學習習慣和學習方法。 【情感態度與價值觀目標】通過學習，認識到海水是人類寶貴的自然資源，培養與大自然友好相處的情感。通過認識氯氣的工業生產原理及產品的利用，感受化學對改善個人生活和促進社會發展的積極作用。 二、教學重難點 【重點】實驗室制取氯氣的原理和方法，氯氣的發生、收集、凈化裝置的選擇。【難點】實驗室制取氯氣的原理和方法。 三、教學過程 環節一：創設情景，激情導入 【圖片展示】海水曬鹽、每千克海水中幾種氯化物的含量柱形圖。 【講述過渡】在眾多的自然資源中，海水是十分重要的資源之一，海水中有極其豐富的資源等著我們去發現利用。利用海水中富含的氯化物如氯化鈉，能獲得活潑的鹵素單質-氯氣。 環節二：觀察討論，探求新知 【引 導】工業生產中為了提高經濟效益，原料選用要廉價、易取，所以海水中的氯化鈉成為了生成氯氣的一個重要的來源。 【設 疑】那么我們如何以此為原料制取氯氣呢？ 【演示實驗】電解飽和食鹽水 【投 影】表格 電解飽和食鹽水的實驗現象 【學生活動】觀察并記錄實驗現象，思考填寫表格根據上述實驗現象和分析結果，并推寫出電解氯化鈉溶液的化學方程式 【過 渡】以上是生產氯氣的一個簡易裝置，在實際生產中，電解食鹽水常在電解槽中進行。【視頻動畫】簡要介紹陽離子交換膜電解槽的工作原理以及“氯堿工業”。 【過 渡】我們已經掌握工業上生產氯氣的原理，那么實驗室如何制取少量氯氣呢？請同學們認真閱讀課本41頁“化學史話氯的發現”。 【學生回答】18世紀瑞典化學家舍勒在研究軟錳礦時，意外的發現了氯氣。實驗室就是常用二氧化錳和濃鹽酸加熱制取氯氣： 【圖片展示】濃鹽酸與二氧化錳反應制備氯氣的實驗裝置。 【交流討論】氯氣的制備裝置可分為幾個部分？各部分所起的作用分別是什么？ 【學生活動】學生以四人小組為單位交流討論并給出回答。(教師可做適當的補充)環節三：遷移應用 拓展延伸 【過 渡】同學們，如果實驗室要制取純凈、干燥的氯氣，以上的實驗裝置能做到嗎？若不能做到，請同學們設計一套可行的實驗裝置。 【學生活動】討論思考得出否定的回答并積極設計實驗裝置。 【視頻動畫】分析學生的設計，并給出實驗室制取純凈、干燥氯氣的裝置圖。【學生活動】學生以四人小組為單位交流討論新增加的各部分儀器的作用。環節四：小結作業 【課堂小結】回顧工業生產和實驗室制氯氣的原理、方法以及化學方程式。 【作業】復習氯氣的實驗室制備，下節課請同學復述實驗室制備氯氣的過程及實驗設備。 四、板書設計 五、教學反思 查看更多教案，推薦您閱讀：面試備考指導|13個學科教案【匯總篇】（按住ctrl點擊查看）第五篇：化學教案《氯氣的制備原理》
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