武汉理工材料学课件-晶体结构缺陷

第 二 章 晶 体 结 构 缺 陷 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 。研 究 缺 陷 的 意 义 ： 由 于 缺 陷 的 存 在 ， 才 使 晶 体 表 现 出 各 种各 样 的 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 。 因 此 ， 了 解 缺 陷 的 形 成 及 其 运 动 规 律 ， 对 材 料 工 艺过 程 的 控 制 ， 对 材 料 性 能 的 改 善 ， 对 于 新 型 材 料 的 设 计 、研 究 与 开 发 具 有 重 要 意 义 。缺 陷 对 材 料 性 能 的 影 响 举 例 :材 料 的 强 化 ， 如 钢 是 铁 中 渗 碳陶 瓷 材 料 的 增 韧半 导 体 掺 杂 本 章 主 要 内 容 ：n 2.1 晶 体 结 构 缺 陷 的 类 型 n 2. 2 点 缺 陷n 2.3 线 缺 陷n 2.4 面 缺 陷n 2.5 固 溶 体n 2.6 非 化 学 计 量 化 合 物 n 掌 握 缺 陷 的 基 本 概 念 、 分 类 方 法 ；n 掌 握 缺 陷 的 类 型 、 含 义 及 其 特 点 ；n 熟 练 书 写 点 缺 陷 的 缺 陷 反 应 方 程 式 、 化 学 平 衡 方法 计 算 热 缺 陷 的 浓 度 ；n 了 解 缺 陷 在 材 料 性 能 的 改 善 、 新 型 材 料 的 设 计 、研 究 与 开 发 中 的 意 义 。本 章 要 求 掌 握 的 主 要 内 容 ： 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 等 一 、 按 缺 陷 的 几 何 形 态 分 类 本 征 缺 陷杂 质 缺 陷点 缺 陷零 维 缺 陷线 缺 陷一 维 缺 陷 位 错面 缺 陷二 维 缺 陷 小 角 度 晶 界 、 大 角 度 晶 界挛 晶 界 面堆 垛 层 错体 缺 陷三 维 缺 陷 包 藏 杂 质沉 淀空 洞 1. 点 缺 陷 （ 零 维 缺 陷 ） Point Defect 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 （ interstitial particle） 错 位 原 子 或 离 子 外 来 原 子 或 离 子 （ 杂 质 质 点 ） （ foreign particle） 双 空 位 等 复 合 体点 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 。 Now What Do You See?VacancyInterstitial Vacancies:-vacant atomic sites in a structure. Vacancy distortion of planes Self-Interstitials:-extra atoms positioned 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 Impurities 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. 线 缺 陷 （ 一 维 缺 陷 ） 位 错 (dislocation) 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） ， 如 图 所 示 。 线 缺 陷 的 产 生 及 运 动 与 材 料 的 韧 性 、 脆 性 密切 相 关 。 刃 型 位 错 G H E F刃 型 位 错 示 意 图 ： (a)立 体 模 型 ;(b)平 面 图 晶 体 局 部 滑 移 造 成 的 刃 型 位 错 螺 型 位 错 C B A D(b) 螺 型 位 错 示 意 图 :（ a） 立 体 模 型 ； （ b） 平 面 图AB C D(a ) 螺 型 位 错 示 意 图 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 。 面 缺 陷 晶 界 晶 界 示 意 图 亚 晶 界 示 意 图 n 晶 界 : 晶 界 是 两 相 邻 晶 粒 间 的 过 渡 界 面 。 由 于 相 邻 晶 粒间 彼 此 位 向 各 不 相 同 ， 故 晶 界 处 的 原 子 排 列 与 晶 内 不 同 ，它 们 因 同 时 受 到 相 邻 两 侧 晶 粒 不 同 位 向 的 综 合 影 响 ， 而 做无 规 则 排 列 或 近 似 于 两 者 取 向 的 折 衷 位 置 的 排 列 ， 这 就 形成 了 晶 体 中 的 重 要 的 面 缺 陷 。n 亚 晶 界 : 实 验 表 明 ， 在 实 际 金 属 的 一 个 晶 粒 内 部 晶 格 位向 也 并 非 一 致 ， 而 是 存 在 一 些 位 向 略 有 差 异 的 小 晶 块 （ 位向 差 一 般 不 超 过 2 )。 这 些 小 晶 块 称 为 亚 结 构 。 亚 结 构 之间 的 界 面 称 为 亚 晶 界 。 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) 面 缺 陷 共 格 晶 面面 心 立 方 晶 体 中 111面 反 映 孪 晶 热 缺 陷杂 质 缺 陷二 按 缺 陷 产 生 的 原 因 分 类 非 化 学 计 量 缺 陷晶 体 缺 陷电 荷 缺 陷辐 照 缺 陷 1. 热 缺 陷 类 型 :弗 仑 克 尔 缺 陷 （ Frenkel defect） 和 肖 特 基 缺 陷（ Schottky defect）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 ） 。热 缺 陷 浓 度 与 温 度 的 关 系 :温 度 升 高 时 ， 热 缺 陷 浓 度 增 加T E 热 起 伏 (涨 落 ) E原 子 E平 均 原 子 脱 离 其 平 衡 位 置 在 原 来 位 置 上 产 生 一 个 空 位 热 缺 陷 产 生 示 意 图（ a） 单 质 中 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 表 面 位 置 (间 隙 小 /结 构 紧 凑 ) 间 隙 位 置 (结 构 空 隙 大 )Frenkel 缺 陷M X: Schottky 缺 陷 2. 杂 质 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 响定 义 :亦 称 为 组 成 缺 陷 ， 是 由 外 加 杂 质 的 引 入 所 产 生 的 缺 陷 。 基 质 原 子 杂 质 原 子基 质 原 子 杂 质 原 子取 代 式 间 隙 式 能 量 效 应 体 积 效 应 体 积 效 应 3. 非 化 学 计 量 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 。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 。 电 荷 缺 陷 ： 质 点 排 列 的 周 期 性 未 受 到 破 坏 ， 但 因 电 子 或 空 穴的 产 生 ， 使 周 期 性 势 场 发 生 畸 变 而 产 生 的 缺 陷 ；包 括 ： 导 带 电 子 和 价 带 空 穴4. 其 它 原 因 ， 如 电 荷 缺 陷 ， 辐 照 缺 陷 等辐 照 缺 陷 ： 材 料 在 辐 照 下 所 产 生 的 结 构 不 完 整 性 ；如 ： 色 心 、 位 错 环 等 ；辐 照 缺 陷 对 金 属 的 影 响 ： 高 能 辐 照 （ 如 中 子 辐 照 ） ， 可 把 原 子 从 正 常 格 点位 置 撞 击 出 来 ， 产 生 间 隙 原 子 和 空 位 。降 低 金 属 的 导 电 性 并 使 材 料 由 韧 变 硬 变 脆 。 退 火 可 排 除 损 失 。辐 照 缺 陷 对 非 金 属 晶 体 的 影 响 ： 在 非 金 属 晶 体 中 ， 由 于 电 子 激 发 态 可 以 局域 化 且 能 保 持 很 长 的 时 间 ， 所 以 电 离 辐 照 会 使 晶 体 严 重 损 失 ， 产 生 大 量 的点 缺 陷 。不 改 变 力 学 性 质 ， 但 导 热 性 和 光 学 性 质 可 能 变 坏 。辐 照 缺 陷 对 高 分 子 聚 合 物 的 影 响 ： 可 改 变 高 分 子 聚 合 物 的 结 构 ， 链 接 断 裂 ， 聚 合 度 降 低 ， 引 起 分 键 ， 导 致 高 分 子 聚 合 物 强 度 降 低 。