晶体缺陷1 点缺陷.pptxVIP

第三章 晶体缺陷 引 言 晶体缺陷概述及类型第一节 点缺陷第二节 位错-线缺陷第三节 表面及界面引言 晶体缺陷的类型一、晶体的特征 晶体结构的基本特征：原子（或分子、离子）在三维空间呈周期性重复排列，即存在长程有序。 性能上两大特点：固定的熔点， 各向异性。 周期性、方向性。二、晶体缺陷的含义 晶体点阵结构中周期性势场的畸变； 实际晶体中与理想的点阵结构发生偏差的区域。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。 对晶体的周期性和方向性而言，它的缺陷十分活跃，状态易受外界条件的影响（如温度、载荷、辐射等）而变化。三、晶体缺陷的类型 （1）按几何形态分类： 点缺陷（在三维空间各方向上尺寸都很小，亦称为零维缺陷 ，如空位、间隙原子和异类原子等 ）； 线缺陷（在两个方向上尺寸很小，主要是位错 ）； 面缺陷（在空间的一个方向上尺寸很小，另外两个方向上尺寸较大的缺陷，如晶界、相界等 ）。 （2）按形成原因分类： 热缺陷； 杂质缺陷； 非化学计量缺陷等。(b)杂质质点(c)间隙质点(a)空位图3-1 晶体中的点缺陷 (a) (b)图3-2 线缺陷 (a) 刃位错 (b)螺位错图3-3　面缺陷－晶界图3-4 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3-5　面缺陷－共格晶面面心立方晶体中{111}面反映孪晶左图：陶瓷粉体右图：烧结后的陶瓷点缺陷的存在，可以提高扩散系数，促进陶瓷烧结；面缺陷，陶瓷晶粒间的界面。第一节 点缺陷一、点缺陷的概念二、点缺陷的类型三、缺陷反应遵循的原则四、点缺陷的平衡浓度五、点缺陷与材料行为一、点缺陷的概念 缺陷尺寸处于原子大小的数量级上，在三维空间各方向上的尺寸都很小，亦称零维缺陷。(b)异类原子（杂质质点）(a)空位(c)间隙原子图3-6 晶体中的点缺陷二、点缺陷的类型 （1）空位（vacancy）：晶体中某结点上的原子空缺 肖脱基(Schottky)空位或肖脱基缺陷：脱位原子一般进入其他空位或者逐渐迁移至晶界表面。 弗兰克耳(Frenkel)缺陷：晶体中的原子有可能挤入结点的间隙，形成另一种类型的点缺陷——间隙原子，同时原来的位置也空缺了，产生一个空位，通常把这一对点缺陷（空位和间隙原子）称为弗兰克耳缺陷。 （2）间隙原子（interstitial particle） （弗兰克耳缺陷并不仅只指空位） （3）异类原子或杂质质点（foreign particle） 也可视做晶体的点缺陷，它的原子尺寸或化学电负性与基体原子不一样，它的引入必然导致周围晶格的畸变。三、缺陷应遵循的法则 点缺陷的存在，破坏了原有原子间的作用力平衡，点缺陷周围的原子必然会离开原有的平衡位置，作相应的微量位移，这就是晶格畸变或应变，它们对应着晶体内能的升高。 但缺陷反应前后应遵循以下法则：（1）位置关系：在化合物MaXb中，无论是否存在缺陷，其正负离子位置数（即格点数）的之比始终是一个常数a/b，即：M的格点数/X的格点数?a/b。如NaCl结构中，正负离子格点数之比为1/1，Al2O3中则为2/3。 （2）质量平衡：与化学反应方程式相同，缺陷反应方程式两边的质量应该相等。需要注意的是缺陷符号的右下标表示缺陷所在的位置，对质量平衡无影响。 （3）电中性：电中性要求缺陷反应方程式两边的有效电荷数必须相等。能量 +n能量 -四、点缺陷的平衡浓度（1）平衡点缺陷及其浓度△U=nu △F = △U-T△S F：自由能 U：内能 T：温度 S：熵△F= △U-T△Sne-T△S平衡点缺陷的浓度 A：材料常数 T：热力学温度 u: 该类型缺陷形成能 k：玻尔兹曼常数（1）点缺陷的平衡浓度与化学反映速率一样，随温度升高呈指数关系增加。（2）点缺陷的形成能也以指数关系影响点缺陷的平衡浓度。 由于间隙原子的形成能要比空位高几倍，因此间隙原子的平衡浓度比空位低很多；在一般情况下，晶体中自间隙原子点缺陷可忽略不计。例题：Cu晶体的空位形成能Uv为0.9ev/atom，或1.44×10-19J/atom，材料常数A取1，玻尔兹曼常数k = 1.38×10-23J/K，计算： ①在500℃下，每立方米Cu中的空位数目； ②在500℃下的平衡空位浓度。解答：已知：Cu原子的摩尔质量MCu=63.54g/mol； 500℃下Cu的密度ρCu=8.96×106g/m3）首先确定1m3体积内Cu原子的总数：再求500℃下的平衡空位浓度：最后获得500℃下每立方米Cu中的空位数目：（2）过饱和点缺陷的产生 概念： 晶体中点缺陷的数目明显超过平衡值。 产生原因： 高温淬火， 辐照， 冷加工， 等等。五、点缺陷与材料行为（1）点缺陷的运动-扩散 原子或分子的扩散是依靠点缺陷（空位和间隙原子）的运动而