无机非金属材料基础PPT课件第一二章 缺陷固溶体.ppt

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1、第一章晶体结构缺陷内容提要回顾与展望第一节晶体结构缺陷的类型第二节缺陷化学反应表示法第三节热缺陷浓度计算第四节非化学计量化合物第五节位错第六节面缺陷回顾与展望上学期所讲，晶体结构在三维空间遵循严格的周期性，但仅在绝对零度才可能出现。即理想晶体。实际晶体存在各种尺度上的结构不完整性。正是由于缺陷的存在，才使晶体表现出各种性质，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。晶体材料所固有的电、磁、声、光、热和力学性能，材料加工使用中所表现出来的行为大都具有结构敏感性，晶体缺陷则是研

2、究晶体结构敏感性的关键问题和研究材料质量的核心内容。了解掌握各种缺陷的成因、特点及其变化规律，对于材料工艺过程的控制，材料性能的改善，新型结构和功能材料的设计、研究与开发具有非常重要的意义。总述——1、缺陷产生的原因——热振动、杂质2、缺陷定义——实际晶体与理想晶体相比有一定程度的偏离或不完美性，把这种结构发生偏离的区域叫缺陷。3、研究缺陷的意义——导电、半导体、发色（色心）、发光、扩散、烧结、固相反应——（材料科学的基础）4、缺陷分类——点缺陷、线缺陷、面缺陷第一节晶体结构缺陷的类型1.点缺陷（零维缺陷）缺陷尺寸处于原子

3、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）。（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）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（dislocation）。线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密切相关。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

4、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。4.体缺陷三维缺陷，局部在三维空间偏离理想晶体的周期性而产生的缺陷。第二相粒子团、空位团等体缺陷与物系的分相、偏聚等过程有关。点缺陷主要有以下两种分类方法一、根据对理想晶体偏离的几何位置及成分来分，有三类2.空位1.填隙原子3.杂质原子正常结点位置没有被质点占据，称为空位。质点进入间隙位置成为填隙原子。杂质原子进入晶格（结晶过程中混入或加入，一般不大于1％，）。进入间隙位置—间隙杂质原

5、子正常结点—取代（置换）杂质原子。固溶体图2-1晶体中的点缺陷(a)空位(b)杂质质点(c)间隙质点二、根据产生缺陷的原因分类热缺陷杂质缺陷非化学计量结构缺陷1、热缺陷：当晶体的温度高于绝对0K时，由于晶格内原子热运动，使一部分能量较大的原子离开平衡位置（产生空位或间隙质点）造成的缺陷。热缺陷亦称为本征缺陷。（1）Frankel缺陷晶格热振动，能量大的原子离开平衡位置，挤到晶格的间隙，形成间隙原子，而原来位置上形成空位。Frankel缺陷的产生形成条件——结构中空隙较大，或阴阳离子半径相差较大，如CaF2、AgBr。萤石晶

6、体，Ca2+可以离开原位进入间隙，此间隙为八个F－形成的立方体空隙较大半径的阴离子形成较大间隙,阳离子半径较小,可进入间隙中。Frenkel缺陷的特点是：①间隙原子和空位成对出现②缺陷产生前后，晶体体积不变从能量角度分析（2）Schottky缺陷如果正常格点上的原子，在热起伏过程中获得能量离开平衡位且迁移到晶体的表面，在晶体内正常格点上留下一套空位，这就是肖特基缺陷Schottky缺陷的特点是：①空位成套出现；②晶体的体积增加。例如NaCl晶体中，产生一个Na+空位时，同时要产生一个Cl-空位。Schottky缺陷的产生f

7、lash形成条件结构比较紧密，没有较大空隙，阴阳离子半径相差比较小，如NaCl、MgO。如NaCl,Na+本来就存在于所有八面体孔隙中,四面体孔隙小，不可能容纳，只能迁移到表面。ＭgMg+Oo=V’’Mg+V••o+Mgsurf+Osurf0=V’’Mg+V••oSchottky缺陷形成的能量小于Frankel缺陷形成的能量因此对于大多数晶体来说，Schottky缺陷是主要的。这两种缺陷的产生都是由于原子的热运动，所以缺陷浓度与温度有关。两种缺陷在能量上的比较2杂质缺陷（组成缺陷或非本征缺陷）概念——杂质原子进入晶体而产生

8、的缺陷。原子进入晶体的数量一般小于0.1%。杂质原子进入晶体后，因与原有的原子性质不同，故它不仅破坏了原有晶体的规则排列，而且在杂质原子周围的周期势场引起改变，因此形成一种缺陷种类——间隙杂质、置换杂质特点——杂质缺陷的浓度与温度关系不大，主要决定于溶解度。存在的原因——本身存在有目的加入(改善晶体的某