凝聚态物质中的形核 材料和生物学中的应用PDF电子书下载

第Ⅰ部分 理论 2

第1章 引言 2

1．何谓形核？ 2

2．历史背景 4

2.1 实验观察 4

2.2 理论发展 6

3．本书的目标和计划 8

参考文献 9

第2章 经典理论 11

1．形核能垒 11

2．团簇形成热力学 12

3．团簇形成动力学模型 16

4．速率常数的计算 18

5．动势——一种替代约束平衡假设的方法 20

6．形核动力学模型的数值化研究 21

7．稳态均质形核——离散团簇模型 23

8．凝聚态体系中稳态形核率的估计 24

9．Zeldovich-Frenkel方程——连续团簇模型 26

10．主方程的替代 27

11．形核定理 28

12．总结 30

参考文献 31

第3章 经典理论中的时间效应 34

1．瞬态形核的定性讨论 34

2．瞬态形核的数值分析 36

2.1 单个分子的初始分布 37

2.2 已有团簇的分布效应 39

3．离散耦合差分方程的解析解 40

3.1 瞬态团簇分布 40

3.2 孕育时间的计算 41

4．Zeldovich-Frenkel方程的解析解 43

4.1 单弛豫时间 43

4.2 Kashchiev处理 44

4.3 渐近解 46

4.4 孕育时间的计算 47

5．选定的解析表达式的适用范围 48

6．总结 51

参考文献 52

第4章 非经典理论 53

1．引言 53

2．团簇形成的统计力学 54

3．扩散—界面理论 55

4．密度—泛函理论 58

4.1 基本形式 59

4.2 平方梯度近似 61

4.3 凝固形核的单序参量描述 63

4.4 更复杂的密度泛函方法 68

5．非经典形核动力学方程 71

5.1 团簇理论 71

5.2 场论方法 72

5.3 形核与粗化过程 73

6．总结 75

参考文献 76

第5章 多组元体系 79

1．引言 79

2．团簇形成功 80

3．多组元形核动力学模型（综合考虑） 82

4．界面控制形核 82

4.1 动力学模型 82

4.2 约束平衡（零通量）分布 84

4.3 数值化处理及其与解析预测的比较 85

4.4 形核动力学的最速下降法解决方案 87

4.5 对该Ist表达式的评价 90

4.6 对形核率更加正确的解析处理 91

5．耦合界面／扩散形核 91

5.1 热力学考虑 92

5.2 稀溶液中形核的动力学模型 93

5.3 动力学模型的数值解 95

5.4 解析解 99

5.5 与数值计算的比较 101

6．总结 102

参考文献 104

第6章 异质形核 105

1．引言 105

2．界面上形核 106

2.1 润湿、线张力及吸附 106

2.2 球冠模型 109

2.3 扩散—界面模型 113

2.4 衬底尺寸与形状 115

2.5 非热形核 118

2.6 固态界面 124

3．位错上形核 129

4．原子尺度上的异质形核 134

5．图案化和竞争 136

6．总结 139

参考文献 140

第Ⅱ部分 实验测定 146

第7章 液体和胶体悬浮液的结晶 146

1．引言 146

2．最大过冷度研究 147

2.1 实验技术 148

2.2 同成分凝固 152

2.3 非均匀凝固 160

2.4 二十面体准晶的形核 161

3．测量形核率 163

3.1 采用经典理论分析 164

3.2 与扩散—界面模型拟合 164

4．胶体悬浮液中的结晶 166

5．近似于磁相变的形核 169

6．总结 173

参考文献 173

第8章 玻璃晶化 178

1．引言 178

2．玻璃态 179

3．玻璃形核 181

4．析晶机制 183

5．测量形核率 184

5.1 等温晶化动力学建模 184

5.2 非等温晶化动力学 185

5.3 测量结晶度 185

6．多晶型晶化的均质形核 187

6.1 硅酸盐玻璃中的稳态形核——现有数据 188

6.2 对硅酸盐玻璃中稳态形核的分析 190

6.3 金属玻璃的多晶型晶化 194

7．瞬态形核 195

7.1 孕育时间的简单解析模型 196

7.2 动力学模型的检验 198

8．晶化为准晶—低形核能垒 200

9．初晶型晶化 201

10．异质形核 202

10.1 表面形核 202

10.2 形核催化——硅酸盐玻璃中的Pt颗粒 204

11．总结 205

参考文献 205

第9章 固态晶体中的析出 212

1．固态相变 212

2．Cu-Co中的析出 213

2.1 测量形核率 213

2.2 与稳态经典理论的拟合 215

2.3 形核孕育时间 217

2.4 非经典理论 218

2.5 调幅机制，前驱体有序化还是粗化？ 220

3．氧在硅中的析出 222

3.1 形核、扩散和固溶度数据 222

3.2 与经典形核理论的拟合 224

3.3 忽略应变时与耦合—通量形核模型的拟合 226

3.4 考虑应变和强扩散时与耦合—通量形核模型的拟合 227

3.5 热施主 228

4．总结 229

参考文献 229

第10章 计算模型 233

1．引言 233

2．计算方法概述 233

2.1 分子动力学 234

2.2 蒙特卡罗技术 234

3．稳态形核 235

3.1 随机模型的有效性 236

3.2 驱动自由能依赖性 237

3.3 平衡团簇分布 238

3.4 形核前置因子 240

4．瞬态形核率 241

5．团簇性质 243

6．耦合相变 245

7．扩散对形核的影响 246

8．总结 248

参考文献 249

第Ⅲ部分 未来的主题及应用 254

第11章 聚合物及其相关体系的结晶 254

1．引言 254

2．均质形核 256

2.1 实验研究 256

2.2 计算机模拟 258

3．记忆效应 260

4．取向诱导形核 261

5．杂质颗粒上形核 263

6．二次形核：Lauritzen-Hoffman理论 265

7．刚性分子：从各向同性到向列型的转变 267

8．总结 269

参考文献 269

第12章 位错介导相变 274

1．引言 274

2．位错的形核 275

2.1 位错环的均质形核 275

2.2 延展性和脆性 276

2.3 仪器化压入 277

2.4 薄膜的共格丧失现象 279

3．再结晶 282

4．孪晶与马氏体转变 287

4.1 位错介导相变 287

4.2 Olson-Cohen形核机制 288

4.3 变形孪晶 290

4.4 奥氏体向马氏体的转变 290

4.5 贝氏体及其相关相的形核 292

5．总结 292

参考文献 293

第13章 凝固 297

1．引言 297

2．铸件的显微组织 298

2.1 铸锭中晶粒萌生的机制 298

2.2 由柱状晶向等轴晶的转变 300

3．变质处理细化晶粒 302

3.1 铝合金的细化：现象和机制 302

3.2 形核的显微分析 304

3.3 毒化 308

3.4 热建模 309

3.5 晶粒细化剂的设计 315

4．凝固模型的形核准则 316

5．无变质的晶粒细化 318

5.1 过冷熔体中的自发晶粒细化 318

5.2 在非晶形成边缘的晶粒组织 320

6．孔隙率 322

7．总结 324

参考文献 324

第14章 固态相变 330

1．引言 330

2．晶化反应 331

2.1 微晶玻璃 331

2.2 金属玻璃的纳米晶化和耦合相变 333

2.3 玻璃态和晶态间的转换 339

3．熔化 340

3.1 熔化理论 340

3.2 表面熔化及其抑制 341

3.3 熔化形核——过热极限 343

4．形核的冶金控制 346

4.1 析出：铝合金的时效 346

4.2 母体的多晶型性：奥氏体的分解 356

5．辐射损伤和孔洞 363

5.1 辐射损伤介绍 363

5.2 位错环的形核 364

5.3 孔洞的形核 366

6．总结 371

参考文献 371

第15章 界面与薄膜反应 380

1．引言 380

2．形核的证据 381

3．移动界面上的形核 385

4．成分不均匀系统中的相变驱动力 388

4.1 具有成分梯度的系统中的形核 388

4.2 相界面上的形核 390

5．互扩散通量对相长大和稳定性的影响 392

5.1 长大动力学 393

5.2 先析出相的形核 396

5.3 先析出相的临界厚度 397

5.4 电迁移 397

6．总结 399

参考文献 399

第16章 生物学和医学 403

1．引言 403

2．冰的形核 404

2.1 生命系统中的水 404

2.2 抑制结冰 404

2.3 冰核剂 408

2.4 抗冻能力 409

2.5 玻璃的形成与保存 411

3．气泡的形核 411

4．生物矿化 414

4.1 引言 414

4.2 形核机理 415

4.3 方解石和文石 418

4.4 仿生材料的合成 419

5．病理矿化 420

5.1 调查实例 420

5.2 肾结石 421

6．神经变性疾病 424

6.1 朊病毒疾病 424

6.2 亨廷顿氏舞蹈症 426

7．总结 427

参考文献 428

第17章 食物和饮料 436

1．食物中的相变 436

2．糖类 437

3．巧克力 439

4．碳酸饮料 441

5．总结 445

参考文献 445

第18章 重要主题和前瞻 448

1．新兴的主题 448

2．形核的长度尺度 449

3．形核的时间尺度 450

4．前瞻 451

附录 用于分析液体和玻璃形核数据的模型 453

参考文献 455