超深冷處理是一種將物質(zhì)低溫處理到極低溫度的過程,常常被應(yīng)用于制備高純度金屬、降低化學反應(yīng)活性、延長生物組織保鮮期限等領(lǐng)域。原理是將材料置于極低的溫度和壓力之下,并在恰當條件下控制升溫和降溫依序進行,從而獲得期望的材料特性。通常以液氮為代表,在零下196℃左右的溫度下工作。這樣的溫度將使材料中的位錯穩(wěn)定,優(yōu)化晶界運動,提高材料的抗疲勞、韌性和延展性。超深冷過程并不需要額外的壓力,但一些不同的方法可能包含壓縮元素,以在材料中創(chuàng)造長程有序的結(jié)構(gòu)。在超深冷過程中,材料在加熱和冷卻中的溫度變化速率非常重要。由于大多數(shù)材料都具有不同的熱脹系數(shù),當它們受到快速溫度變化時會產(chǎn)生應(yīng)力并導(dǎo)致形變,因此必須要控制降溫的速率。
超深冷處理主要利用了三種不同機制:熱力學、動力學和物理化學機制。這些機制可以在特定條件下顯現(xiàn)出來并影響材料的性能。
熱力學機制。會隨著溫度降低,物質(zhì)的熵會逐漸降低。當溫度達到超深冷程度時,物質(zhì)處于非常低的熵狀態(tài)。這降低了物質(zhì)的化學反應(yīng)活性,減少了晶界遷移結(jié)構(gòu)上的缺陷,提高了材料的穩(wěn)定性。
動力學機制。在材料中存在大量的位錯和空位,在深度冷卻過程中,它們會從晶面上擴散至格點,導(dǎo)致材料變形、變硬。而超深冷處理可以減慢位錯、空位在材料中擴散的速度,從而促進了材料形變和回彈,并提高了其抗疲勞性。
物理化學機制。超深冷下會發(fā)生很多物理化學反應(yīng),其中一個明顯例子是液態(tài)氣體在超深冷過程中逐漸液化、不斷釋放出極小的分子氣態(tài)氣體。這種反應(yīng)在金屬加工中很常見,可用于表面硬化、改善電性能等。