3 晶体结构缺陷 材料科学基础.ppt

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1、第二章晶体结构缺陷2.1晶体结构缺陷的类型2.2点缺陷2.3线缺陷2.4面缺陷2.5固溶体2.6非化学计量化合物缺陷的含义：通常把晶体点阵结构中周期性势场的畸变称为晶体的结构缺陷。理想晶体：质点严格按照空间点阵排列。实际晶体：存在着各种各样的结构的不完整性。缺陷对材料性能的影响:由于缺陷的存在，才使晶体表现出各种各样的性质，使材料制备过程中的动力学过程得以进行，使材料加工、使用过程中的各种性能得以有效控制和改变，使材料性能的改善和复合材料的制备得以实现。2.1晶体结构缺陷的类型分类方式：几何形态：点缺陷、线缺陷、面缺陷等形成原因：热缺陷、杂质缺陷、非化学计量缺陷

2、等一、按缺陷的几何形态分类1.点缺陷2.线缺陷3.面缺陷4.体缺陷1.点缺陷（零维缺陷）缺陷尺寸处于原子大小的数量级上，即三维方向上缺陷的尺寸都很小。包括：空位（vacancy）、间隙质点（interstitialparticle）、杂质质点（foreignparticle），如图2-1所示。点缺陷与材料的电学性质、光学性质、材料的高温动力学过程等有关。图2-1晶体中的点缺陷(a)空位(b)杂质质点(c)间隙质点2.线缺陷（一维缺陷）指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列所产生的缺陷，即缺陷尺寸在一维方向较长，另外二维方向上很短。如各种位错（dislo

3、cation），如图2-2所示。线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密切相关。图2-2(a)刃位错(b)螺位错(a)(b)3.面缺陷面缺陷又称为二维缺陷，是指在二维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列而产生的缺陷，即缺陷尺寸在二维方向上延伸，在第三维方向上很小。如晶界、表面、堆积层错、镶嵌结构等。面缺陷的取向及分布与材料的断裂韧性有关。图2-3面缺陷－晶界图2-4面缺陷－堆积层错面心立方晶体中的抽出型层错(a)和插入型层错(b)图２－５　面缺陷－共格晶面面心立方晶体中{111}面反映孪晶二、按缺陷产生的原因分类1.热缺陷2.杂质缺陷3.非化学计量缺陷4.

4、其它原因，如电荷缺陷，辐照缺陷等1.热缺陷定义:热缺陷亦称为本征缺陷，是指由热起伏的原因所产生的空位或间隙质点（原子或离子）。类型:弗仑克尔缺陷（Frenkeldefect）和肖特基缺陷（Schottkydefect）热缺陷浓度与温度的关系:温度升高时，热缺陷浓度增加图2-6热缺陷产生示意图（a）弗仑克尔缺陷的形成（空位与间隙质点成对出现）（b）单质中的肖特基缺陷的形成2.杂质缺陷定义:亦称为组成缺陷，是由外加杂质的引入所产生的缺陷。特征:如果杂质的含量在固溶体的溶解度范围内，则杂质缺陷的浓度与温度无关。杂质缺陷对材料性能的影响:微量杂质的存在，会极大地改变机制

5、晶体的物理性能。3.非化学计量缺陷定义:指组成上偏离化学中的定比定律所形成的缺陷。它是由基质晶体与介质中的某些组分发生交换而产生。如Fe1－xO、Zn1+xO等晶体中的缺陷。特点:其化学组成随周围气氛的性质及其分压大小而变化。是一种半导体材料。4.其它原因，如电荷缺陷，辐照缺陷等电荷缺陷：电荷缺陷是指质点排列的周期性未受到破坏，但因电子或孔穴的产生，使周期性势场发生畸变而产生的缺陷。辐照缺陷：辐照缺陷是指材料在辐照之下所产生的结构的不完整性。辐照可以使材料内部产生各种缺陷。Engineeringmaterialsarecomposedofverylargenum

6、bersofatomsinsmallvolumes.Becauseofthelargenumberofatomsinvolved,weshouldexpectahighprobabilityforsome“mistakes”tooccurintheatomicarrangement.Incrystallinesolidsthesemistakesarecalleddefects,andtheymayoccurinseveraldifferentforms,includingsingleatoms(pointdefects),rowsofatoms(lineard

7、efects),planesofatoms(planardefects),andsmallthreedimensionalclustersofatoms(volumedefects).Wewillseethatitisimpossibletoavoiddefectsinmaterials.Itisobservedthattoobtain100%purityofanymaterialisextremelydifficult.Ofcourseitisdesirabletoaddadditionalatomspeciestootherwise“pure”materia

8、l.Forpurpose