快速冷却对液态金属物理性能的影响

镓基合金近年来得到了广泛的重视。然而，目前对这些材料的低温属性的了解还不够。笔者实验室马荣超博士后曾探索了通过深低温冷处理来改善镓基合金性能的可能性［26］。实验结果表明，通过快速冷却处理可以改变镓的相成分（微观结构）、热膨胀系数，以及差示扫描量热曲线（differential scanning calorimeter，DSC）、X射线衍射（X-ray diffraction，XRD）图谱等。这些发现在镓铟合金的应用中会有潜在启示作用。

实验中使用的镓单质的纯度为99.99%，测试用样品如图2.26所示［26］。一组样品经过缓慢冷却（4℃/min）处理（图2.26a），另一组样品则经过深低温快速冷却（液氮冷却）处理（图2.26b），图2.26c展示了经过不同热处理后的镓的XRD谱。从中可知，经缓慢冷却处理后的样品的XRD衍射峰比经过液氮快速冷却处理后的样品的XRD衍射峰数量要少。这表明快速冷却处理后的样品里含有更多的相成分。原因可能是由于在经快速冷却处理后，样品里冻结了更多的物相成分，在XRD图谱上得以显示出来。

图2.26　纯镓的XRD图谱［26］

a.经缓慢冷却（4℃/min）后得到的样品；b.经液氮快速冷却处理后得到的样品；c.经过不同热处理后的镓的XRD谱。

图2.27a所示为用于测试热膨胀系数的纯镓样品［26］，制成尺寸为φ10 mm×20 mm的圆柱。热膨胀系数测量结果如图2.27b所示。从中可知，纯镓在经过液氮深低温处理后的热膨胀系数（低温收缩系数）比经过缓慢冷却处理后的热膨胀系数变大了。可能原因在于，镓经过液氮深低温处理后，很多无序的结构被冻结在晶格中。这些无序结构在低温下会自动调节以使系统的能量最低，因此在降温收缩过程中，收缩尺度比经缓慢冷却的样品要大。

图2.28展示了不同冷却方法对镓的DSC曲线的影响［26］。可以看出，经过快速冷却处理的镓的DSC特性，与经过缓慢冷却处理的镓的DSC特性相比只有细微的变化：快速冷却处理对镓的熔化吸热峰（29.7℃）无明显影响，但在熔化前（即5℃处）出现一个小峰。(www.xing528.com)

图2.27　不同冷却方法对镓的热膨胀系数的影响［26］

a.测热膨胀系数用的样品；b.经不同冷却方法处理后镓热膨胀系数的测量结果。

图2.28　镓的DSC曲线［26］

红线代表经快速冷却处理的样品，蓝色代表经缓慢冷却处理的样品。

总的说来，快速冷却过程的确能够改变固态镓的相成分（微观结构对称性），从而导致其热膨胀系数增大，但快速冷却处理对DSC曲线无明显影响。这些结果表明，可借助快速冷却处理来改善固态镓的物理性能，以便更好地应用于实践。