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几种不同对称性晶体枝状聚集形貌的特征研究

邱志惠  
【摘要】: 传统的晶体形貌研究只着重于平衡条件的几何多面体形态的研究,但对自然界及晶体材料生产实践中大量的非平衡条件下的晶体枝状聚集形貌的晶体形貌学研究还很不够。研究晶体非平衡聚集花样可以帮助我们了解自然界某些晶体特殊结构的成因,还能了解有关陶瓷与微晶玻璃的显微结构的成因及性能的改善;并且晶体非平衡聚集花样的研究理论对一些非线性、非平衡现代科学理论的发展也会具有重要推进作用。因此,对晶体非平衡聚集花样的研究具有非常重要的理论意义和实际意义。 论文通过大量的实验研究,采用溶剂蒸发法、凝胶法、扩散法、水热法和混合碱熔法等不同的晶体生长方法,生长(合成)了各种不同形态的晶体枝状聚集形貌,借助各种现代测试技术,研究了它们的形貌特征,并按照枝晶、枝蔓晶与球粒晶的分类体系对其进行了归类。首次使用EBSD技术确定了一些晶体枝状聚集形貌的结晶学取向,着重研究了晶体各向异性对晶体枝状聚集形貌的形貌与形成的控制作用。从晶体结构、晶体生长条件等方面初步探讨了不同晶体枝状聚集形貌的形成机理。 论文的主要成果: 1.通过大量的实验研究得到了一系列的晶体枝状聚集形貌,按照不同晶体枝状聚集形貌的特征及其对称性将他们分别归属为枝晶、枝蔓晶与球粒晶三大类型。 对比分析晶体材料的对称性及其形成的晶体枝状聚集形貌的类型发现:晶体内部结构对称性越高的晶体材料在不同的条件下可以形成不同类型的晶体枝状聚集形貌;而对称性越低的晶体材料所能形成的晶体枝状聚集形貌的类型较少。 晶体生长条件的变化,可显著的影响晶体枝状聚集形貌的形貌,尤其溶液初始浓度越小,聚集花样越倾向于生成由细小的晶体颗粒组成的枝蔓晶。 2.利用X射线粉末衍射法和EBSD技术,确定了天青石枝晶的物相及其结晶学取向。从天青石SrSO4晶体结构和晶体生长环境条件两个方面探讨了影响天青石SrS04枝晶形态的各种因素,分析认为:天青石SrSO4枝晶的生长形态主要受晶体内部结构的控制,具有相似的形态和所有的枝晶都在(100)面上生长就是内部结构控制其生长的结果;同时晶体生长的外部环境条件对枝晶的形态也有一定的影响,如扩散体系中溶液浓度的不断变化导致天青石SrSO4枝晶的长主枝生长方向从110到140的变化;而且当晶体生长体系中溶液的初始浓度大小在1.0mol·L-1左右时,才能得到质量好的天青石SrSO4枝晶;另外,以不同的硫酸盐作为反应物得到的天青石SrSO4枝晶质量也不同。 3.借助EBSD技术测试分析了不同形态的硫酸钾枝晶和枝蔓晶的结晶学取向,研究发现:对于硫酸钾(K2SO4)枝晶,主干主要沿着111方向生长;而对于硫酸钾(K2SO4)枝蔓晶,组成枝蔓晶的相邻晶粒之间存在典型的孪晶关系,孪晶轴为011,孪晶面为(053)。 4.利用电子背散射衍射和极图确定了硬石膏(CaSO4)球粒晶中单体的生长方向。测定结果表明,硬石膏(CaSO4)球粒晶的单体是沿着001方向生长的一维晶体。分析认为:硬石膏(CaSO4)聚集花样中的束状结构可能的形成机理是晶体裂分生长机制。从实验的角度为晶体裂分生长机制提供了证据。 对NaCl球粒晶的EBSD测试研究表明,该类球粒晶的单体包括一些NaCl枝晶,枝晶的主干沿着111方向生长。 5.借助扫描电镜研究方解石晶体聚集体的形貌特征,结合晶体枝状聚集形貌的生长条件,分析认为,形成不同形态方解石球粒晶的主要原因是由于在混合碱熔体中加入不同氧化物形成了不同含氧盐的络阴离子,改变了方解石晶体不同结晶学方向晶面的表面活性,促使不同形态的单晶体和球粒晶的形成。 通过改变晶体生长的温度、压力以及溶液的初始浓度等晶体生长条件,对水菱镁矿晶体聚集体进行了一系列的对比实验。研究结果表明:中空水菱镁矿晶体球粒晶必须在密闭的体系中才有可能形成,而且晶体生长条件对其形成有明显的影响。


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