武漢理工材料學課件-晶體結(jié)構(gòu)缺陷

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1、第 二 章 晶 體 結(jié) 構(gòu) 缺 陷 缺 陷 的 含 義 ： 通 常 把 晶 體 點 陣 結(jié) 構(gòu) 中 周 期 性 勢 場 的 畸 變 稱 為晶 體 的 結(jié) 構(gòu) 缺 陷 。理 想 晶 體 ： 質(zhì) 點 嚴 格 按 照 空 間 點 陣 排 列 。實 際 晶 體 ： 存 在 著 各 種 各 樣 的 結(jié) 構(gòu) 的 不 完 整 性 。研 究 缺 陷 的 意 義 ： 由 于 缺 陷 的 存 在 ， 才 使 晶 體 表 現(xiàn) 出 各 種各 樣 的 性 質(zhì) ， 使 材 料 加 工 、 使 用 過 程 中 的 各 種 性 能 得 以 有效 控 制 和 改 變 ， 使 材 料 性 能 的 改 善 和 復 合 材 料 的

2、制 備 得 以實 現(xiàn) 。 因 此 ， 了 解 缺 陷 的 形 成 及 其 運 動 規(guī) 律 ， 對 材 料 工 藝過 程 的 控 制 ， 對 材 料 性 能 的 改 善 ， 對 于 新 型 材 料 的 設 計 、研 究 與 開 發(fā) 具 有 重 要 意 義 。缺 陷 對 材 料 性 能 的 影 響 舉 例 :材 料 的 強 化 ， 如 鋼 是 鐵 中 滲 碳陶 瓷 材 料 的 增 韌半 導 體 摻 雜 本 章 主 要 內(nèi) 容 ：n 2.1 晶 體 結(jié) 構(gòu) 缺 陷 的 類 型 n 2. 2 點 缺 陷n 2.3 線 缺 陷n 2.4 面 缺 陷n 2.5 固 溶 體n 2.6 非 化 學 計 量 化

3、 合 物 n 掌 握 缺 陷 的 基 本 概 念 、 分 類 方 法 ；n 掌 握 缺 陷 的 類 型 、 含 義 及 其 特 點 ；n 熟 練 書 寫 點 缺 陷 的 缺 陷 反 應 方 程 式 、 化 學 平 衡 方法 計 算 熱 缺 陷 的 濃 度 ；n 了 解 缺 陷 在 材 料 性 能 的 改 善 、 新 型 材 料 的 設 計 、研 究 與 開 發(fā) 中 的 意 義 。本 章 要 求 掌 握 的 主 要 內(nèi) 容 ： 2.1 晶 體 結(jié) 構(gòu) 缺 陷 的 類 型 分 類 方 式 ： 幾 何 形 態(tài) ： 點 缺 陷 、 線 缺 陷 、 面 缺 陷 等 形 成 原 因 ： 熱 缺 陷 、 雜

4、 質(zhì) 缺 陷 、 非 化 學 計 量 缺 陷 等 一 、 按 缺 陷 的 幾 何 形 態(tài) 分 類 本 征 缺 陷雜 質(zhì) 缺 陷點 缺 陷零 維 缺 陷線 缺 陷一 維 缺 陷 位 錯面 缺 陷二 維 缺 陷 小 角 度 晶 界 、 大 角 度 晶 界攣 晶 界 面堆 垛 層 錯體 缺 陷三 維 缺 陷 包 藏 雜 質(zhì)沉 淀空 洞 1. 點 缺 陷 （ 零 維 缺 陷 ） Point Defect 缺 陷 尺 寸 處 于 原 子 大 小 的 數(shù) 量 級 上 ， 即 三 維 方 向 上 缺陷 的 尺 寸 都 很 小 。包 括 ： 空 位 （ vacancy） 間 隙 質(zhì) 點 （ interstit

5、ial particle） 錯 位 原 子 或 離 子 外 來 原 子 或 離 子 （ 雜 質(zhì) 質(zhì) 點 ） （ foreign particle） 雙 空 位 等 復 合 體點 缺 陷 與 材 料 的 電 學 性 質(zhì) 、 光 學 性 質(zhì) 、 材 料 的 高 溫 動 力 學過 程 等 有 關 。 Now What Do You See?VacancyInterstitial Vacancies:-vacant atomic sites in a structure. Vacancy distortion of planes Self-Interstitials:-extra atoms posi

6、tioned between atomic sites. self- interstitialdistortion of planes Point Defects CommonRare Two outcomes if impurity (B) added to host (A): Solid solution of B in A (i.e., random dist. of point defects)ORSubstitutional alloy(e.g., Cu in Ni) Interstitial alloy(e.g., C in Fe)Impurities In Solids 8 Im

7、purities must also satisfy charge balance Ex: NaCl Substitutional cation impurity Substitutional anion impurityinitial geometry Ca2+ impurity resulting geometryCa2+ Na+Na+ Ca2+ cation vacancy initial geometry O2- impurity O 2- Cl- anion vacancy Cl- resulting geometry Impurities in Ceramics 2. 線 缺 陷

8、（ 一 維 缺 陷 ） 位 錯 (dislocation) 指 在 一 維 方 向 上 偏 離 理 想 晶 體 中 的 周 期 性 、規(guī) 則 性 排 列 所 產(chǎn) 生 的 缺 陷 ， 即 缺 陷 尺 寸 在 一 維 方向 較 長 ， 另 外 二 維 方 向 上 很 短 。 如 各 種 位 錯（ dislocation） ， 如 圖 所 示 。 線 缺 陷 的 產(chǎn) 生 及 運 動 與 材 料 的 韌 性 、 脆 性 密切 相 關 。 刃 型 位 錯 G H E F刃 型 位 錯 示 意 圖 ： (a)立 體 模 型 ;(b)平 面 圖 晶 體 局 部 滑 移 造 成 的 刃 型 位 錯 螺 型 位

9、 錯 C B A D(b) 螺 型 位 錯 示 意 圖 :（ a） 立 體 模 型 ； （ b） 平 面 圖AB C D(a ) 螺 型 位 錯 示 意 圖 3.面 缺 陷 面 缺 陷 又 稱 為 二 維 缺 陷 ， 是 指 在 二 維 方 向 上 偏 離 理 想晶 體 中 的 周 期 性 、 規(guī) 則 性 排 列 而 產(chǎn) 生 的 缺 陷 ， 即 缺 陷 尺 寸在 二 維 方 向 上 延 伸 ， 在 第 三 維 方 向 上 很 小 。 如 晶 界 、 表 面 、堆 積 層 錯 、 鑲 嵌 結(jié) 構(gòu) 等 。 面 缺 陷 的 取 向 及 分 布 與 材 料 的 斷 裂 韌 性 有 關 。 面 缺 陷

10、晶 界 晶 界 示 意 圖 亞 晶 界 示 意 圖 n 晶 界 : 晶 界 是 兩 相 鄰 晶 粒 間 的 過 渡 界 面 。 由 于 相 鄰 晶 粒間 彼 此 位 向 各 不 相 同 ， 故 晶 界 處 的 原 子 排 列 與 晶 內(nèi) 不 同 ，它 們 因 同 時 受 到 相 鄰 兩 側(cè) 晶 粒 不 同 位 向 的 綜 合 影 響 ， 而 做無 規(guī) 則 排 列 或 近 似 于 兩 者 取 向 的 折 衷 位 置 的 排 列 ， 這 就 形成 了 晶 體 中 的 重 要 的 面 缺 陷 。n 亞 晶 界 : 實 驗 表 明 ， 在 實 際 金 屬 的 一 個 晶 粒 內(nèi) 部 晶 格 位向 也

11、并 非 一 致 ， 而 是 存 在 一 些 位 向 略 有 差 異 的 小 晶 塊 （ 位向 差 一 般 不 超 過 2 )。 這 些 小 晶 塊 稱 為 亞 結(jié) 構(gòu) 。 亞 結(jié) 構(gòu) 之間 的 界 面 稱 為 亞 晶 界 。 面 缺 陷 堆 積 層 錯面 心 立 方 晶 體 中 的 抽 出 型 層 錯 (a)和 插 入 型 層 錯 (b) 面 缺 陷 共 格 晶 面面 心 立 方 晶 體 中 111面 反 映 孿 晶 熱 缺 陷雜 質(zhì) 缺 陷二 按 缺 陷 產(chǎn) 生 的 原 因 分 類 非 化 學 計 量 缺 陷晶 體 缺 陷電 荷 缺 陷輻 照 缺 陷 1. 熱 缺 陷 類 型 :弗 侖 克

12、爾 缺 陷 （ Frenkel defect） 和 肖 特 基 缺 陷（ Schottky defect）定 義 :熱 缺 陷 亦 稱 為 本 征 缺 陷 ， 是 指 由 熱 起 伏 的 原 因 所 產(chǎn) 生 的 空 位 或 間 隙 質(zhì) 點 （ 原 子 或 離 子 ） 。熱 缺 陷 濃 度 與 溫 度 的 關 系 :溫 度 升 高 時 ， 熱 缺 陷 濃 度 增 加T E 熱 起 伏 (漲 落 ) E原 子 E平 均 原 子 脫 離 其 平 衡 位 置 在 原 來 位 置 上 產(chǎn) 生 一 個 空 位 熱 缺 陷 產(chǎn) 生 示 意 圖（ a） 單 質(zhì) 中 弗 侖 克 爾 缺 陷 的 形成 （ 空 位

13、 與 間 隙 質(zhì) 點 成 對 出 現(xiàn) ） （ b） 單 質(zhì) 中 的 肖 特 基 缺 陷 的形 成 表 面 位 置 (間 隙 小 /結(jié) 構(gòu) 緊 湊 ) 間 隙 位 置 (結(jié) 構(gòu) 空 隙 大 )Frenkel 缺 陷M X: Schottky 缺 陷 2. 雜 質(zhì) 缺 陷 特 征 :如 果 雜 質(zhì) 的 含 量 在 固 溶 體 的 溶 解 度 范 圍 內(nèi) ， 則 雜 質(zhì)缺 陷 的 濃 度 與 溫 度 無 關 。雜 質(zhì) 缺 陷 對 材 料 性 能 的 影 響定 義 :亦 稱 為 組 成 缺 陷 ， 是 由 外 加 雜 質(zhì) 的 引 入 所 產(chǎn) 生 的 缺 陷 。 基 質(zhì) 原 子 雜 質(zhì) 原 子基 質(zhì) 原

14、 子 雜 質(zhì) 原 子取 代 式 間 隙 式 能 量 效 應 體 積 效 應 體 積 效 應 3. 非 化 學 計 量 缺 陷 特 點 : 其 化 學 組 成 隨 周 圍 氣 氛 的 性 質(zhì) 及 其 分 壓 大 小 而 變 化 。是 一 種 半 導 體 材 料 。定 義 : 指 組 成 上 偏 離 化 學 中 的 定 比 定 律 所 形 成 的 缺 陷 。 它 是由 基 質(zhì) 晶 體 與 介 質(zhì) 中 的 某 些 組 分 發(fā) 生 交 換 而 產(chǎn) 生 。 如 Fe1 xO、 Zn1+xO等 晶 體 中 的 缺 陷 。 電 荷 缺 陷 ： 質(zhì) 點 排 列 的 周 期 性 未 受 到 破 壞 ， 但 因

15、電 子 或 空 穴的 產(chǎn) 生 ， 使 周 期 性 勢 場 發(fā) 生 畸 變 而 產(chǎn) 生 的 缺 陷 ；包 括 ： 導 帶 電 子 和 價 帶 空 穴4. 其 它 原 因 ， 如 電 荷 缺 陷 ， 輻 照 缺 陷 等輻 照 缺 陷 ： 材 料 在 輻 照 下 所 產(chǎn) 生 的 結(jié) 構(gòu) 不 完 整 性 ；如 ： 色 心 、 位 錯 環(huán) 等 ；輻 照 缺 陷 對 金 屬 的 影 響 ： 高 能 輻 照 （ 如 中 子 輻 照 ） ， 可 把 原 子 從 正 常 格 點位 置 撞 擊 出 來 ， 產(chǎn) 生 間 隙 原 子 和 空 位 。降 低 金 屬 的 導 電 性 并 使 材 料 由 韌 變 硬 變 脆

16、 。 退 火 可 排 除 損 失 。輻 照 缺 陷 對 非 金 屬 晶 體 的 影 響 ： 在 非 金 屬 晶 體 中 ， 由 于 電 子 激 發(fā) 態(tài) 可 以 局域 化 且 能 保 持 很 長 的 時 間 ， 所 以 電 離 輻 照 會 使 晶 體 嚴 重 損 失 ， 產(chǎn) 生 大 量 的點 缺 陷 。不 改 變 力 學 性 質(zhì) ， 但 導 熱 性 和 光 學 性 質(zhì) 可 能 變 壞 。輻 照 缺 陷 對 高 分 子 聚 合 物 的 影 響 ： 可 改 變 高 分 子 聚 合 物 的 結(jié) 構(gòu) ， 鏈 接 斷 裂 ， 聚 合 度 降 低 ， 引 起 分 鍵 ， 導 致 高 分 子 聚 合 物 強 度 降 低 。