第五章 一些先進(jìn)材料織構(gòu)

1、第5章 一些先進(jìn)材料織構(gòu)的測(cè)量及分析5.15.1測(cè)量織構(gòu)的常用方法測(cè)量織構(gòu)的常用方法 通常采用X織構(gòu)衍射儀測(cè)量材料的織構(gòu)，測(cè)量的方法有很多種，例如直接X射線掃描，PHI掃描，測(cè)量單張極圖，測(cè)量多張極圖計(jì)算ODF等。如果不采用X射線的方法，還有直接觀察晶體形貌，腐蝕坑法等。5.1.1直接直接X射線法射線法 采用X射線測(cè)量材料的織構(gòu)最為方便，但是這種測(cè)量很不精確。一條衍射譜線，上面有很多的衍射峰，采用這種方法，主要是看某一條衍射峰和其它衍射峰強(qiáng)度的比值，一般認(rèn)為比值越高，此衍射峰所對(duì)應(yīng)面的面織構(gòu)含量越高。 這種方法所能提供的織構(gòu)信息是很有限的。只能定性的判斷一些已知織構(gòu)類型材料的織構(gòu)強(qiáng)弱，如果織構(gòu)

2、類型比較復(fù)雜，則提供的信息量及其有限。甚至得出錯(cuò)誤的結(jié)果。 例如，采用這種方法根本無法分辯100面織構(gòu)和立方織構(gòu)。因?yàn)檫@兩種織構(gòu)之間的差異根本無法從100面的衍射峰來判斷。 5.1.2 PHI掃描法 PHI掃描法實(shí)際上是指測(cè)量極圖上的某一KHI角度上0360上的數(shù)據(jù)，從測(cè)量的峰高和峰寬上來判讀織構(gòu)的強(qiáng)弱。PHI掃描測(cè)量的是極圖上某一圈的數(shù)據(jù)。 這種方法雖然也要使用X射線織構(gòu)衍射儀，但是由于需要測(cè)量數(shù)據(jù)比較少，所以從速度及經(jīng)濟(jì)角度都是比較有利的, PHI掃描的測(cè)量結(jié)果是一條線，所以測(cè)量的自由度是1，它所能給出的織構(gòu)信息仍然很有限，目前，在很多材料織構(gòu)測(cè)量領(lǐng)域，采用的是這種方法。例如超導(dǎo)研究等。2

3、04060801001201401601802002202402602803003203403600.00 7571.67CpsMSE DEP. OF USTB 13-Jun-1999 23:17Phi- ScaleC:TEX-ATCNYSNI.RAW Unnamed (CT: 0.6s, SS:0.500dg, WL: 1.5406Ao)圖 5.2 YBaCuO的PHI掃描 對(duì)應(yīng)圖 5.1和圖 5.2是YBaCuO的111極圖和PHI掃描圖 從它的PHI掃描來看，這種材料具有很好的立方織構(gòu)，看不出有其它織構(gòu)組分 但是從它的111極圖可以看出它還有一些其它織構(gòu)組分。 從這個(gè)實(shí)例可以看出，PHI

4、掃描有一定的誤判的可能性。5.1.3其它測(cè)量方法q 測(cè)量極圖法測(cè)量極圖法 相對(duì)與前兩種方法，測(cè)量極圖法具有一定的優(yōu)越性，這種方法在材料織構(gòu)測(cè)量領(lǐng)域應(yīng)用也比較廣泛。但是測(cè)量的極圖是一個(gè)面，自由度是2，所以它所能給出的材料的織構(gòu)信息也是不完整的。仍存在有誤判的可能性qODF法法 如果要完整地知道材料的織構(gòu)信息，需要測(cè)量多張極圖，計(jì)算其ODF，采用這種方法得到的織構(gòu)信息的自由度是3，所以它比較完整地反映織構(gòu)的信息。Constant Phi2 = 45Constant Phi2 = 45(a)心部(b)表面 50W800 2 =45o ODF截面圖Levels: 1,2,3,4,5,6,7 腐蝕坑法腐

5、蝕坑法 采用這種方法，比較直接，只要在顯微鏡下觀察材料的晶體和腐蝕坑的形貌即可，這里如金剛石經(jīng)常采用這種方法定性地分析織構(gòu)。但是這種方法難于給出定量結(jié)果 各種測(cè)量方法小結(jié) 從以上的分析可以看出，為了定量分析材料的織構(gòu)，一般而言采用測(cè)量一張極圖或測(cè)量多張極圖計(jì)算ODF的方法結(jié)果比較可信，定量分析也比較準(zhǔn)確。但是如果確切知道了材料織構(gòu)類型，從經(jīng)濟(jì)角度考慮的話，PHI掃描的方法也有一定實(shí)用意義。而X射線直接掃描的方法結(jié)果可信程度很有限。 5.2高溫超導(dǎo)材料 YBCO(YBaCuO)作為一種高溫超導(dǎo)材料，由于其優(yōu)異的超導(dǎo)性能而為人矚目。它有可能應(yīng)用于電纜傳輸、核電站、微波領(lǐng)域等 5.2.1織構(gòu)對(duì)YBC

6、O性能的影響 晶界的取向差對(duì)通過電流密度影響很大，當(dāng)取向差大于10后，電流密度能夠下降1-2個(gè)數(shù)量級(jí)提高超導(dǎo)材料的臨界電流密度，需要減小晶粒之間的取向差，即提高材料的取向度。 5.2.2YBCO5.2.2YBCO織構(gòu)的測(cè)量分析織構(gòu)的測(cè)量分析 旋轉(zhuǎn)立方織構(gòu)100。Ni的PHI掃描111 測(cè)量時(shí)KHI=54.73，PHI從0到360，PHI=45、135、225、315位置的4個(gè)峰位表明其具有立方織構(gòu)。204060801001201401601802002202402602803003203403600.00 701.11CpsMSE DEP. OF USTB 14-Jun-1999 14:54P

7、hi- ScaleC:USERDATA166CEO.RAW Unnamed (CT: 0.9s, SS:0.500dg, WL: 1.7890Ao)CeO2的PHI掃描202 測(cè)量時(shí)KHI=45，PHI從0到360，PHI=45、135、225、315位置的4個(gè)峰位表明其具有旋轉(zhuǎn)立方織構(gòu)。 204060801001201401601802002202402602803003203403600.00 393.33CpsMSE DEP. OF USTB 14-Jun-1999 14:54Phi- ScaleC:USERDATANI14.RAW Unnamed (CT: 0.6s, SS:0.500

8、dg, WL: 1.7890Ao)YSZ的PHI掃描202 測(cè)量時(shí)KHI=45，PHI從0到360，PHI=45、135、225、315位置的4個(gè)峰位表明其具有旋轉(zhuǎn)立方織構(gòu)。 204060801001201401601802002202402602803003203403600.00 520.00CpsMSE DEP. OF USTB 14-Jun-1999 14:54Phi- ScaleC:USERDATAYS3-NI.RAW Unnamed (CT: 0.3s, SS:0.500dg, WL: 1.7890Ao)YBCO的PHI掃描226 測(cè)量時(shí)KHI=54.73，PHI從0到360，PH

9、I=45、135、225、315位置的4個(gè)峰位表明其具有立方織構(gòu)。 5.3 NdFeB稀土永磁材料根據(jù)矯頑力的大小來劃分磁性材料矯頑力小于100A/m的磁性材料成為軟磁材料矯頑力大于100A/m小于1000A/m的磁性材料成為半硬磁材料矯頑力大于1000A/m的磁性材料成為硬磁材料。硬磁材料在磁飽和后，去掉外磁場(chǎng)，仍然保留其磁性，所以又稱為永磁材料。 稀土永磁材料是以稀土金屬元素和過渡族金屬間所形成的金屬間化合物為基體的永磁材料。 織構(gòu)對(duì)織構(gòu)對(duì)NdFeBNdFeB稀土永磁材料性能的影響稀土永磁材料性能的影響 磁性材料中的磁晶各向異性越大，則磁化矢量轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)越困難，對(duì)于永磁材料，希望這種阻礙越大越

10、好，這樣材料的矯頑力比較大，所以希望材料的磁晶各向異性越大越好，NdFeB材料有著很高的磁晶各向異性。 NdFeB是四方晶系材料，c軸是易磁化方向，a軸是難磁化方向。 對(duì)于NdFeB，如果使所有單晶粉末的c軸平行，則在該方向具有最大的剩磁。即如果NdFeB材料具有006面織構(gòu)，則它就具有高的剩磁，所以如何使NdFeB具有高的006面織構(gòu)，成為研究的重點(diǎn)。 ,90oabcNdFeBNdFeB稀土永磁材料織構(gòu)的產(chǎn)生原因稀土永磁材料織構(gòu)的產(chǎn)生原因 一般NdFeB的生產(chǎn)工藝包括工業(yè)制粉，磁場(chǎng)取向成型、燒結(jié)、熱處理、磁化等幾個(gè)過程。在這幾個(gè)過程中，磁場(chǎng)取向成型是產(chǎn)生NdFeB材料織構(gòu)的環(huán)節(jié)。 磁場(chǎng)取向成

11、型是指在粉末加壓成型時(shí)同時(shí)對(duì)粉末材料加外磁場(chǎng)，由于NdFeB具有很高的磁晶各向異性，在外磁場(chǎng)作用下，當(dāng)粉末單晶的易磁化方向和外磁場(chǎng)平行時(shí)粉末單晶的能量最低。在磁場(chǎng)所用下粉末會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的最終結(jié)果是產(chǎn)生c軸平行于外磁場(chǎng)的織構(gòu)。 粉末磁場(chǎng)取向方法有兩種，一是磁場(chǎng)方向和加壓力方向平行，這種取向方式稱為平行取向。 另外一種取向方式是磁場(chǎng)方向和加壓力方向垂直，成為垂直取向。 一般而言垂直取向有利于獲得較好的織構(gòu)。而平行取向時(shí)，當(dāng)壓力增大到一定程度時(shí)，織構(gòu)反而變壞。 NdFeB稀土永磁材料織構(gòu)的測(cè)量分析 從極圖上可以看出，這種材料具有很高的006面織構(gòu)，即大多數(shù)晶粒的c軸平行于板面的法線方向，由于Nd

12、FeB的c軸是易磁化方向，a軸是難磁化方向，所以這種材料的板法線方向是易磁化方向，而平行于板面各個(gè)方向是不易磁化方向，這種材料具有很強(qiáng)的織構(gòu)。所以有很強(qiáng)的磁各向異性。5.4金剛石薄膜材料金剛石薄膜材料 金剛石薄膜具有熱傳導(dǎo)率高、硬度高、不導(dǎo)電等一系列優(yōu)異的物理性質(zhì)，因而得到了廣泛的應(yīng)用。 織構(gòu)對(duì)金剛石薄膜材料性能的影響織構(gòu)對(duì)金剛石薄膜材料性能的影響 織構(gòu)對(duì)金剛石薄膜性能的影響現(xiàn)在還沒有定論，普遍認(rèn)為，晶界對(duì)電子移動(dòng)和光線傳導(dǎo)都具有阻礙作用，并且這種作用和晶界的取向差有一定關(guān)系，所以降低晶界密度及晶界的取向差對(duì)性能提高有很重要意義。 如果金剛石薄膜中有很強(qiáng)織構(gòu)的話，必然會(huì)對(duì)金剛石的性能產(chǎn)生影響。

13、 金剛石薄膜中，由于出現(xiàn)孿晶，方向是最快的生長(zhǎng)方向，所以最后會(huì)出現(xiàn)110面織構(gòu)。5.5其它晶系合金材料織構(gòu)鈦板內(nèi)的再結(jié)晶織構(gòu) 鈦是工業(yè)中最常用的六方系全屬。冷軋鈦板再結(jié)晶后也會(huì)出現(xiàn)很強(qiáng)的再結(jié)晶織構(gòu)。分析表明，退火后鐵板再結(jié)晶織構(gòu)主要為 組分和 取向附近的織構(gòu)組分。這種織構(gòu)組分的生成與再結(jié)晶時(shí)某些取向晶粒的擇優(yōu)生長(zhǎng)有關(guān)。0112)5202(0101)5121(錫板的再結(jié)晶織構(gòu) 錫是一種四方系金屬。冷變形錫在室溫即可發(fā)生再結(jié)晶。其中有織構(gòu)組分(90，65，45)， 。這類織構(gòu)的形成原因和準(zhǔn)確的取向位置尚有待于進(jìn)一步研究。611331總結(jié) 定量分析材料的織構(gòu)，一般而言采用測(cè)量一張極圖或測(cè)量多張極圖計(jì)

14、算ODF的方法結(jié)果比較可信，定量分析也比較準(zhǔn)確。 如果確切知道了材料織構(gòu)類型，從經(jīng)濟(jì)角度考慮PHI掃描的方法也有一定實(shí)用意義。而普通X射線掃描的測(cè)量結(jié)果可信程度十分有限。 5.6納米鎳鐵導(dǎo)磁合金晶材料的織構(gòu)控制 Texture and Grain Growth in Nanocrystalline Permalloysu Definition- Polycrystalline metals with grain sizes of up to 100 nm.- A large number of intercrystalline component (50% for 5 nm, 30% for

15、10 nm, 3% for 100 nm) - Thermodynamically metastable state- No dislocations within grainsu CharacteristicsnNanocrystalline MetalsContinuous Electroforming of FoilsNanocrystalline 78 PermalloyConventional 78 PermalloyHardnessYield strength6,380 MPa 345 MPa2,119 MPa 97 MPaMechanical PropertiesComposit

16、ion Dependency of Thermal BehaviorChange of 111 XRD PeaksChange of Crystallite SizeAs-deposited specimenAnnealed at 400oC for 30min4.43Max.=4.034.94Max.=3.87Texture Change during Annealing(111)(110)(210)(221)OrientationSurface Energy(eV/atom)(100)(311)(211)Random1.341.822.091.951.521.901.951.97Orientation Dependency of Surface EnergyOIM map in As-Deposited SampleBoundary MobilityForces and Potential EnergiesOrientation Dependency of Energy Densityc.f. Stored Energy of Cold worked Metals Ed = Ed Ed 10 100 J/mol = 3.6 J/molAbnormal