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探索材料微观结构,改善材料宏观特性!

从事工艺和材料工作的各位同仁,可曾有过类似困扰:宏观的品质缺陷如何通过材料微结构分析、不可视的工序过控和宏观的技术措施来获得预期的品质保障呢?


本质上讲,任何事物宏观特性的呈现,都有其因果关系,只是有些事件是宏观的、容易触摸得到的;有的事件是微观的,肉眼看不见的;不管是看得见的、看不见的它都是客观存在的。本质上讲,肉眼看不见的借助工具也是可以看见的,到最后就没有看不见的,全都看得见。既然全都看见了,拿问题也即会全部解决了。正如那句话讲:“科学有险阻,苦战能过关”。



1.   宏观-微观的相似性

有些肉眼看不见的微观结构,与宏观特征呈现是有关联性的。只是宏观结构,因为能看见,头脑中有图形概念,微观的看不见,脑子中会出现空白。


如用鎯头敲击玻璃一角,敲击点的宏观形态会如何,相信大家会猜到,那一定是粉碎性的;那么如果我敲击200微米大小的蓝宝石一角,它又是什么样的呢?或许就懵了,因为蓝宝石跟玻璃首先是两种不同的材料,后者破损形态是有区别的;其次200微米肉眼看就是非常小的一个点,不仔细看还看不出来单颗大小,更何况是要观察小点点的一只角,有没有觉得太夸张?我们来看扫描电镜下放大2000倍后被损的200微米大小的蓝宝石一角形态,这个破损形态大家是不是觉得有点儿眼熟呢?




2.   微观特征可以受控

继续做进一步探讨:上述LED电极宽度几十微米,我们如何知道它是符合预期品质的呢?几十微米肉眼是看不见的,此时可以借助显微镜来获得外观观察和电参数测试,见下图。问题被发现,就可以追溯工序过控宏观技术措施进行缺陷预防控制,最终获得好的品质。




又如通过了解三类材料的封接界面微观特性的外观形态,可以通过调整材料结构特性,来获得预期的封接技术指标。



3.   看不见的理论,看得见的实物

这里要表述的是:理论概念与实物宏观特性的呈现,二者是可以触摸得到的。如玻璃工艺学中有个典型温度-粘度特征点叫“膨胀软化点”,何意呢?指空心及垂直玻璃制品在受热时,出现形态变形的起始温度。那就是告诉你,这个时候玻璃进入不可逆塑性形变。何谓形变,翻过来就叫变形,很好理解;何谓塑性与不可逆?就是告诉你这种变形发生了是回不来的,永久变形。


这一堆名词术语到底呈现了何种宏观特质呢?看看实物呗。




理论上的温度在这里:在温度-粘度曲线上可以找到这个点,并能指示准确的粘度值和温度值,为工序过控提供直接依据,以此实现规避缺陷的目的。




这里实际上描述了理论数据的获取与实际工序过控的结果,本质上反映了科学的理论数据对实践的指导作用是绝对的。


4.   工序过控可以改变材料特性

上周擂主有探讨热处理工序,这里我们来看下玻璃热处理工序可以导致玻璃析晶的形态特质。Figure 5左图是我们不希望出现的析晶特征,对正常玻璃而言是一种缺陷;Figure 5右图呈现了微晶玻璃的析晶形态,玻璃不析晶或析晶不出想要的晶态和数量反而构成微晶玻璃的缺陷。由此可以看出,析晶是可以通过热处理工序受控的,需要析晶的微晶玻璃是这样,不需要析晶的玻璃也是这样。呈现了一个共同的特质是:热处理工序可以改变材料特性。


其它类似的材料特性也是这样:如退火对应力的消除、钢化对压应力的改变、压力对材料密度改变、热压对材料宏观外形改变,进而改变材料光学特性等等。




如:对材料加工表面粗糙度的形貌监测,可以通过改变加工工序过控技术措施获得预期的加工品质。



再如:了解荧光粉在玻璃中的分布形态,可以确定适宜的荧光粉浓度、荧光粉颗粒及玻璃载体特性,获得这种种复合材料预期的光学特性等。

    

  以上就是本期对于材料微观结构透视与宏观特性的探讨,也是对科学理论与工序过控实践的探讨。在实际生产实践中,我们不需要沉迷于理论研究,但一定要科学地应用好理论对实践的指导作用,这对于我们追溯工序过控、获得预期品质目标是非常重要的,谢谢大家!


回复

前日,群内在探讨硫酸盐缺陷,这里再做下补充:

上图是什么呢?在玻璃电熔中容易发现,是硝酸盐的熔融态,也被不少经验型工艺工程师理解是“硝水”,实际上它不是玻璃工艺学上讲的硝水。


实际生产中也有人把硝酸盐(如硝酸钠、硝酸钾)的熔融态叫“硝水”。由此,也就有了“硝水”是硝酸盐产生的说法。实际上“硝水”中的“硝”和“硝酸钠”中的“硝”是有着本质区别的,前者的有效成分主要是硫酸盐,后者的有效成分是硝酸盐,中文名称貌似非常可比,实乃两种物质,没有可比性(见表4)。




上图是硝水的显微拍图和扫描电镜下的形态(微观结构图示),呈现索形或纺锤形,肉眼能见到气泡内有乳白色(铅玻璃)、乳黄色(钠钙硅玻璃)内容物,有时候能看到白色粉末状物质,手指甲有时候还能掐破。

下面探讨下晶型结构及含量

硝水内容物实测结果


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我之前看朋友圈看到过一个链接,讲德国二战时期在中国建了小型发电机组,至今都还可以使用,而且金属表面都还没有生锈,虽然看上去比较简单和简陋。实际上就是对金属材料的微观结构改性,不管是内部结构还是表面处理方面。
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看到何教授文章深有体会感触,原来只认为必须深挖微观粒子,运转规律及排列组合,由微到宏思维模式,外界干扰及模式一旦破坏和适应了其规律时。在宏观材料上会出现截然不同结果。我想如果改变操作流程的同时,无论如何要根据通过看到微粒子的实际规律来执行,通过宏观物质在去想想看不到微观实质关系,拙解
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  • 玻璃配方设计与调整(GFDA-SYSTEM)

    读了三遍您的见地!

    “”必须深挖微观粒子您这是要忘'祖坟'上刨啊,^_^!开个玩笑啦!

    我项目中有位同仁,通过琢磨微观粒子建立数学公式,计算宏观温度,估计跟您讲的这个模式比较相似!

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  • 玻璃配方设计与调整(GFDA-SYSTEM)

    您这个想法很好,外界干扰通过干扰(破坏)规律或是适应规律,就是讲,只要宏观的工序技术措施可以改变材料固有特性,材料即会被改性。

    实际工作中的很多热处理工序会在不同程度上呈现此作用。

    感谢您独到的见解在此分享,谢谢!

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  • 游客 是的我就是在想把在外操作流程改变,是否能改变玻璃结构组合及排列结构,然后做出来后在用微镜观察,再往深处刨根,那么新的产品可能脱颖而出,无论从结构特点及功能性上
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  • 游客 是的我就是在想把在外操作流程改变,是否能改变玻璃结构组合及排列结构,然后做出来后在用微镜观察,再往深处刨根,那么新的产品可能脱颖而出,无论从结构特点及功能性上
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  • 玻璃配方设计与调整(GFDA-SYSTEM) 回复游***:想法很好,材料改性,对玻璃而言,一个是通过配方组成获得改变,二是通过热处理工序。如微晶玻璃在微晶化前后膨胀系数的反差就是源于此。完全可以根据目标要求和工艺调整获得实现。
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  • 玻璃配方设计与调整(GFDA-SYSTEM) 回复游***:比如结晶型和非结晶型低玻粉的制备除了跟封接温度时间条件有关外,还决定于基础玻璃配方本身的考量✌
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  • 游客 其实玩玻璃还是比较有乐趣的!
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  • 我也说一句

基于玻璃在平衡态下的基本构体单元为对称四面体结构构建玻璃的玻璃格子(NCY格子)结构模型;

根据所述NCY格子结构模型确定玻璃的加速高温蠕变速率与温度T的倒数及内应力σ之间的关系,所述关系符合本构方程:或

其中,C为NCY格子常数,C=(ln1 .0444π+lnα+lnνo+3lnb-lna-lnk);α为热膨胀系数,b为

burgers矢量,K为玻尔兹曼常数,a为NCY格子边长;β=ΔG/K,ΔG为热激活能,ν为热运动频率;νo为25度时的热运动频率;设定各物态间通过粘度以等模量转接,构建粘度传递方程,使得玻璃粘度η随温度的变

化传递满足: 其中ω为温度梯度变化率,ι为玻璃格子粘度指数,ι=2 .94748X10-7m2/N·s;η0为室温25度时的粘度;

根据所述粘度传递方程确定其中,V为摩尔体积,NA为阿伏加德罗常数,h为普朗克常数;

确定在玻璃热压成型过程中因温度发生从固态到液态到固态的连续变化过程中其模量因子ξ传递满足: 其中,ΔG*为活化能,NA为阿伏加德罗常数;建立玻璃格子特征尺寸的模型,特征尺寸dy=ζa,ζ为几何修正因子;根据所述本构方程和所述玻璃格子特征尺寸的模型确定几何修正因子ζ=5 .49E-03;

根据所述几何修正因子确定所述微结构热压工艺中玻璃的升温速率和退火均温时间。

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主题很清晰!确实如此!搞工艺和研发的都会有同感!
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主题很清晰!确实如此!搞工艺和研发的都会有同感!
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主题很清晰!确实如此!搞工艺和研发的都会有同感!
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主题很清晰!确实如此!搞工艺和研发的都会有同感!
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主题说小也小,说大也大,但大小不管,本质及内核是客观的!
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这里给大家分享一个玻璃粘度计算式,供探讨

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大家做机械的朋友,有没有做过金属玻璃?
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