本章目标
一级相变(§P4.3、§19.3)必须通过新相的"核"的形成才能发生。本章:(1) 由化学平衡求出亚稳相中团簇的尺寸分布与成核势垒;(2) 由主方程求出稳态成核速率(贝克尔–德林–泽利多维奇理论),它与克拉默斯越垒理论是同一个结构;(3) 讨论成核速率的温度依赖与过冷度,以及高分子片晶的熔点;(4) 异相成核;(5) 旋节分解:没有势垒的相分离;(6) 总体转变动力学:阿夫拉米方程。本章依赖 §P4.5、第23章与第19章。
§31.1问题:亚稳态如何衰变
过冷的液体、过饱和的蒸气、处在两相区中的混合物都是亚稳的:新相的化学势更低,但形成一小团新相需要付出界面自由能(§P4.5)。设亚稳相中每个分子转入新相时化学势降低 Δμ>0,一个含 i 个分子的新相团簇(设为球形)的形成自由能为
ΔG(i)=−iΔμ+ci2/3,c=(36π)1/3v2/3γ(31.1)
(v 为新相中每个分子的体积,γ 为界面张力;半径为 r 的球 i=4πr3/(3v),表面积 4πr2=(36π)1/3(iv)2/3。)ΔG(i) 先增后减,在
i∗=(3Δμ2c)3,ΔG∗=27Δμ24c3=3Δμ216πγ3v2(31.2)
处取极大(dΔG/di=−Δμ+32ci−1/3=0)。以 Δg=Δμ/v 改写,就是 (P4.11)。小于 i∗ 的团簇倾向于溶解,大于 i∗ 的倾向于长大;ΔG∗ 是成核势垒。
§31.2团簇的平衡分布
把亚稳相中的团簇看成一个理想的"团簇混合物":i 个单体结合成一个 i 聚体的反应 iA1⇌Ai 处于化学平衡,由 (1.29),μi=iμ1。稀薄组分的化学势具有 μi=μi∘+kBTln(ni/ns) 的形式(ns 为可供团簇占据的位置的数密度,与 (1.28) 中的分压类似),而 μi∘−iμ1 正是形成一个团簇的自由能 ΔG(i)。于是
nieq≈n1e−ΔG(i)/kBT(31.3)
(严格地说,前因子是 ns;在凝聚相中可取 ns≈n1,前因子的不同取法只影响指数前的系数。)团簇的数目由玻尔兹曼因子决定。对 i<i∗,它随 i 指数地减小;在 i∗ 处取极小 n1e−ΔG∗/kBT。(i>i∗ 时 (31.3) 会无限增大,没有意义:那里的团簇会长大,不再处于平衡。)
数量级。以过冷水中冰的成核为例,取冰–水界面张力 γ≈0.03 J/m2、单位体积熔化热 3.06×108 J/m3,由 Δg≈ℓvΔT/Tm(§P4.5):
| 过冷度 ΔT | 10 K | 20 K | 38 K |
|---|
| 临界半径 r∗ | 5.4 nm | 2.7 nm | 1.4 nm |
| 临界核中的分子数 | 约 20000 | 约 2500 | 约 360 |
| ΔG∗/kBT | 约 990 | 约 260 | 约 77 |
过冷度较小时,玻尔兹曼因子 e−990 意味着永远不会成核;过冷到约 −38 °C 时,ΔG∗/kBT 降到几十,均相成核才变得可以观测——这与纯净的小水滴可以过冷到约 −38 °C 的实验事实相符。
§31.3成核速率:贝克尔–德林–泽利多维奇理论
团簇通过一次吸收或放出一个单体改变大小。记 ki+ 为 i 聚体吸收一个单体的速率,ki+1− 为 (i+1) 聚体放出一个单体的速率。从 i 到 i+1 的净流为
Ji=ki+ni−ki+1−ni+1
ni 满足主方程 dni/dt=Ji−1−Ji(§23.6)。两个速率之间的关系由细致平衡决定:在平衡分布中 Ji=0,所以 ki+1−=ki+nieq/ni+1eq,于是
Ji=ki+nieq[nieqni−ni+1eqni+1]
稳态。经过一段暂态后,各尺寸的流相等,Ji=J(稳态成核速率)。把上式写成 ki+nieqJ=nieqni−ni+1eqni+1,从 i=1 加到某个远大于 i∗ 的 L:右边相消只剩两端。边界条件:单体处于平衡(n1/n1eq=1);很大的团簇不断被"移走"(长成宏观的新相),nL+1≈0。于是
J=[i=1∑Lki+nieq1]−1(31.4)
由 (31.3),求和中的 1/nieq∝eβΔG(i) 在 i∗ 处有尖锐的极大,只有 i∗ 附近的项重要。把求和换成积分,在 i∗ 附近 ΔG(i)≈ΔG∗−21∣ΔG′′(i∗)∣(i−i∗)2,用拉普拉斯方法 (2.13):
J=Zk+(i∗)n1e−ΔG∗/kBT,Z=2πkBT∣ΔG′′(i∗)∣=6πkBTi∗Δμ(31.5)
(由 (31.1),ΔG′′=−92ci−4/3,代入 c=23Δμi∗1/3 得 ∣ΔG′′(i∗)∣=Δμ/(3i∗)。)Z 称为泽利多维奇因子(通常在 0.01~1 之间),它修正了"到达势垒顶的团簇不一定继续长大"的事实。
(31.5) 的结构与克拉默斯速率 (23.13)–(23.14) 完全相同:团簇的尺寸 i 就是"反应坐标",单体的吸收与放出使它在尺寸空间中做有偏的随机行走,成核就是越过尺寸空间中的自由能势垒。
§31.4成核速率的温度依赖
结晶时 Δμ≈ℓΔT/Tm(ℓ 为每个分子的熔化热,ΔT=Tm−T,§P4.5),所以 ΔG∗∝1/ΔT2。另一方面,单体加入团簇需要在液体中扩散或重排,k+∝e−ED/kBT(ED 为扩散的活化能)。于是
J(T)∝exp(−kBTED)exp(−TΔT2A)(31.6)
(A 为常数。)接近熔点时第二个因子极小(势垒太高),温度很低时第一个因子极小(分子动不了),所以成核速率在熔点以下某个温度取极大值,呈钟形。这解释了为什么有的液体快速冷却就能变成玻璃:迅速穿过成核速率较大的温区,在分子还来不及排列之前就被"冻结"。结晶性高分子的结晶速率也有类似的钟形温度依赖。
高分子的片晶。高分子从熔体中结晶时,通常形成厚度只有约 10 nm 的薄片状晶体(片晶),长链在片晶的上下表面反复折叠。设片晶的厚度为 l、面积为 A,折叠表面的表面能为 σe,单位体积的熔化热为 Δh。相对于熔体,片晶的自由能为 ΔG=−AlΔg+2Aσe(侧面的贡献在大面积下可以忽略),其中 Δg≈Δh(Tm0−T)/Tm0,Tm0 为无限厚晶体的平衡熔点。片晶熔化(ΔG=0)时 lΔg=2σe,即
Tm(l)=Tm0(1−Δhl2σe)(31.7)
(吉布斯–汤姆孙关系。)越薄的片晶熔点越低。反过来,在过冷度 ΔT 下结晶时,热力学上能稳定存在的最小厚度为 lmin=2σeTm0/(ΔhΔT),实际的片晶厚度略大于它(由生长动力学决定,劳里岑–霍夫曼理论),所以片晶厚度大致反比于过冷度。把在不同温度下结晶的样品的熔点对结晶温度作图外推,可以估计 Tm0(霍夫曼–威克斯方法)。
§31.5异相成核
实际的成核大多发生在容器壁、杂质或有意加入的成核剂表面上。设新相在基底上形成球冠状的核,接触角为 θ,由杨氏方程 γso=γsn+γcosθ(γso、γsn 分别为基底与旧相、新相之间的界面张力,γ 为新旧相之间的界面张力)。球冠的曲率半径为 r 时:体积 V=3πr3(2+cosθ)(1−cosθ)2,新旧相之间的曲面面积 2πr2(1−cosθ),底面积 πr2sin2θ。形成自由能为
ΔG=−VΔg+γ⋅2πr2(1−cosθ)+(γsn−γso)πr2sin2θ
用杨氏方程,最后一项为 −γcosθ⋅πr2sin2θ。利用恒等式 2(1−cosθ)−sin2θcosθ=2−3cosθ+cos3θ=(2+cosθ)(1−cosθ)2,得
ΔGhet(r)=f(θ)[−34πr3Δg+4πr2γ],f(θ)=4(2+cosθ)(1−cosθ)2(31.8)
方括号正是均相成核的 ΔG(r)。所以临界半径不变,势垒降低为 f(θ) 倍:θ=60° 时 f≈0.16,θ=30° 时 f≈0.013。由于势垒在指数上,即使 f 稍小于 1,成核速率也会增大许多个数量级。在高分子加工中加入成核剂(例如在聚乳酸等结晶缓慢的高分子中加入滑石粉等),就是为了提供这样的异相成核位置,加快结晶并细化晶粒。
§31.6旋节分解:没有势垒的相分离
对二元混合物,若组成 ϕ 处在自由能曲线 f(ϕ) 的凹区(f′′(ϕ)<0,旋节线以内,§30.5),均匀态对任意小的组成涨落都不稳定,不需要成核就会自发分相,称为旋节分解。
卡恩–希利亚德方程。仿照 (19.10),自由能泛函为 F[ϕ]=∫[f(ϕ)+g∣∇ϕ∣2]d3r。局域的"交换化学势"为 μ=δF/δϕ=f′(ϕ)−2g∇2ϕ(提示 A12)。组成守恒,扩散流 J=−Mc∇μ(Mc 为迁移率),由连续性方程
∂t∂ϕ=Mc∇2[f′(ϕ)−2g∇2ϕ](31.9)
线性稳定性分析。在均匀态 ϕ0 附近令 ϕ=ϕ0+δϕeik⋅r+Rt,线性化(f′(ϕ)≈f′(ϕ0)+f′′(ϕ0)δϕ):
R(k)=−Mck2[f′′(ϕ0)+2gk2](31.10)
- f′′>0(旋节线以外):一切 k 都有 R<0,小涨落衰减——均匀态是(亚)稳定的,只能通过成核分相。
- f′′<0(旋节线以内):k<kc=−f′′/(2g) 的涨落以 eRt 增长。由 dR/dk=0,增长最快的波矢为 km=kc/2。
所以旋节分解的早期会出现一个特征长度 2π/km:长波的涨落需要扩散的距离太远,短波的涨落界面代价太大。在高分子共混物的光散射或中子小角散射中,这表现为一个随时间增强的散射环(散射峰),峰位就是 km。后期,各个区域粗化,特征尺寸随时间按幂律增长。
特征尺寸 L(t)∝t1/3 t (对数坐标) f′′(ϕ0)=3ϕ02−1—
图 31.1卡恩–希利亚德方程 (31.9) 的二维数值解,取 f=ϕ4/4−ϕ2/2,96×96 格点,周期性边界。平均组成在旋节线以内(f′′<0,即 ∣ϕ0∣<1/3≈0.58)时,微小的起伏自发长成两相交织的图样,随后缓慢粗化,尺寸大致按 t1/3 增长;在旋节线以外起伏衰减,均匀态保持不变。ϕ0=0 时少数相成为孤立的液滴。
§31.7总体转变动力学:阿夫拉米方程
新相的晶粒成核后以速率 G 长大,最终彼此相遇("碰撞"),转变的体积分数 X(t) 如何随时间变化?
扩展体积。先假想晶粒可以互相穿透、并且也能在已转变的区域中成核,计算它们的总体积与样品体积之比 Xext。设单位体积的成核速率 I 恒定,三维球形晶粒以恒定速率 G 长大,t′ 时刻成核的晶粒在 t 时刻的体积为 34πG3(t−t′)3:
Xext(t)=∫0tI⋅34πG3(t−t′)3dt′=3πIG3t4
修正碰撞。"假想晶粒"的中心是随机、相互独立地分布的,所以覆盖某个给定点的假想晶粒数服从泊松分布(提示 C8),平均值为 Xext。这个点未转变,当且仅当覆盖它的假想晶粒数为零,概率为 e−Xext。所以
X(t)=1−e−Xext(t)=1−exp(−Ktn)(31.11)
(科尔莫戈罗夫、约翰逊–梅尔、阿夫拉米,1937–1941。)恒定成核速率的三维生长 n=4;若所有晶核在开始时就已存在("预定成核",密度 N0),Xext=34πN0G3t3,n=3;二维生长时相应地为 n=3 与 n=2。把 ln[−ln(1−X)] 对 lnt 作图,斜率就是阿夫拉米指数 n。这是分析高分子等温结晶动力学的标准方法,n 的数值可以提示成核方式与生长维数(实际的 n 往往不是整数,原因包括非恒定的成核速率与二次结晶)。
§31.8本章小结
- 团簇的形成自由能 ΔG(i)=−iΔμ+ci2/3 有一个势垒 ΔG∗=16πγ3v2/(3Δμ2);团簇的平衡数目由玻尔兹曼因子决定。
- 稳态成核速率 J=Zk+n1e−ΔG∗/kBT,结构与克拉默斯越垒速率相同;由于 ΔG∗∝1/ΔT2,成核速率对过冷度极其敏感,并呈钟形的温度依赖。
- 片晶的熔点 Tm(l)=Tm0(1−2σe/(Δhl));异相成核把势垒降低为 f(θ) 倍。
- 旋节线以内没有势垒,增长最快的波长由 km=−f′′/(4g) 决定。
- 总体转变遵循阿夫拉米方程 X=1−e−Ktn,n 反映成核方式与生长维数。
自测题
- 由 (31.1) 推导 (31.2),并验证 ΔG∗=21i∗Δμ。
- 用 §31.2 的参数,求过冷度为 20 K 时冰的临界半径与 ΔG∗/kBT。[答:约 2.7 nm;约 260]
- 由 (31.8),接触角为多少时异相成核的势垒是均相的一半?[答:约 90°(f(90°)=1/2)]
- 由 (31.10) 证明增长最快的波矢 km=kc/2,并求最大增长率。[答:Rmax=Mcf′′2/(8g)]
- 设某高分子在等温结晶中测得 X=0.5 的时间为 10 min,n=3。求 X=0.9 的时间。[答:t0.9=t0.5(ln10/ln2)1/3≈14.9 min]
这一篇已记为读完。