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材料科学基础材料科学基础材料科学基础材料科学基础浙江大学版浙江大学版第1页写在前面写在前面本本PPT中列出知识点都很主要中列出知识点都很主要红色标出是尤其主要红色标出是尤其主要本本PPT作为教案配合材料，较之教作为教案配合材料，较之教案更为精简案更为精简第2页第一章第一章 晶体结构晶体结构1-1晶体学基础晶体学基础1-2晶体化学基本原理晶体化学基本原理1-3经典晶体结构经典晶体结构第3页1-1晶体学基础晶体学基础材料性能决定原因：内部微观结构。材料性能决定原因：内部微观结构。固态材料分类：晶体与非晶体固态材料分类：晶体与非晶体 要关注二者区分要关注二者区分掌握材料性能，不依据外观，必需从原掌握材料性能，不依据外观，必需从原子排列情况确定子排列情况确定 第4页1-1晶体学基础晶体学基础一、空间点阵一、空间点阵空间点阵和晶胞概念空间点阵和晶胞概念晶胞描述方法晶胞描述方法7种晶系、种晶系、14种布拉菲点阵、晶族概念种布拉菲点阵、晶族概念关注关注晶体结构与空间点阵区分与关联晶体结构与空间点阵区分与关联 第5页1-1晶体学基础晶体学基础二、晶向指数和晶面指数二、晶向指数和晶面指数晶向、晶面、晶向指数、晶面指数、晶向族、晶向、晶面、晶向指数、晶面指数、晶向族、晶面族概念晶面族概念关注关注六方晶系按两种晶轴系所得指数转换：六方晶系按两种晶轴系所得指数转换：从从(hkil)转换成转换成(hkl)：去掉：去掉i即可，反之：加即可，反之：加上上i=-(h+k)UVW与与uvtw间交换关系间交换关系:U=u-t，V=v-t，W=w；u=(2U-V)，v=(2V-U)，t=-(u+v)，w=W 第6页1-1晶体学基础晶体学基础二、晶向指数和晶面指数二、晶向指数和晶面指数晶带与晶带轴概念晶带与晶带轴概念关注关注 1、晶带轴、晶带轴uvw与该晶带晶面与该晶带晶面(hkl)之间之间关系：关系：hu+kv+lw=0 2、任两个不平行晶面晶带轴：、任两个不平行晶面晶带轴：(h1k1l1)和和(h2k2l2)则有则有u=k1l2-k2l1，v=l1h2-l2h1，w=h1k2-h2k1第7页1-1晶体学基础晶体学基础二、晶向指数和晶面指数二、晶向指数和晶面指数晶面间距概念、特点晶面间距概念、特点关注关注晶面间距计算晶面间距计算正交晶系面间距计算式：正交晶系面间距计算式：立方晶系面间距计算式：立方晶系面间距计算式：注意：以上对简单晶胞而言；复杂晶胞应考虑层注意：以上对简单晶胞而言；复杂晶胞应考虑层面增加影响。如，在体心立方或面心立方晶胞面增加影响。如，在体心立方或面心立方晶胞中间有一层，故实际晶面间距应为中间有一层，故实际晶面间距应为d001/2。第8页1-1晶体学基础晶体学基础三、晶体对称性三、晶体对称性宏观和微观对称要素、点群、空间群、宏观和微观对称要素、点群、空间群、单形、聚形概念概念单形、聚形概念概念关注关注全部对称要素归纳：全部对称要素归纳：第9页1-2晶体化学基本原理晶体化学基本原理一、电负性一、电负性电负性概念、分界电负性概念、分界化合物形成与电负性关系：两元素电负性差异很小，化合物形成与电负性关系：两元素电负性差异很小，键合为非极性共价键或金属键；电负性差异增加，键键合为非极性共价键或金属键；电负性差异增加，键合极性增加，倾向于离子性键合。合极性增加，倾向于离子性键合。（纯共价键合）（纯共价键合）SiMgSNaCl（离子键合）（离子键合）两头是两头是极端极端 （强极性特征）（强极性特征）HFHClHBrHI（弱极性特征）（弱极性特征）大多数实际材料键合特点：几个键合形式同时存在。大多数实际材料键合特点：几个键合形式同时存在。第10页1-2晶体化学基本原理晶体化学基本原理二、晶体中键型二、晶体中键型化学键概念、种类，分子键概念化学键概念、种类，分子键概念关注关注离子键、共价键、金属键离子键、共价键、金属键、范式键、范式键、氢键特点、成键方式、强度、形成条件氢键特点、成键方式、强度、形成条件第11页1-2晶体化学基本原理晶体化学基本原理三、结合能和结协力三、结合能和结协力原子结合为晶体原因：原子结合起来后，体系原子结合为晶体原因：原子结合起来后，体系能量降低能量降低结合能：分散原子结合成晶体过程中，释放出结合能：分散原子结合成晶体过程中，释放出能量能量V原子间吸引与排斥：吸引是长程力，源自异性原子间吸引与排斥：吸引是长程力，源自异性电荷库仑引力，远距离时起主要作用；排斥是电荷库仑引力，远距离时起主要作用；排斥是短程力，源自同性电荷间库仑力和原子实周围短程力，源自同性电荷间库仑力和原子实周围电子气相互重合引发排斥，十分靠近时起主要电子气相互重合引发排斥，十分靠近时起主要作用。作用。第12页1-2晶体化学基本原理晶体化学基本原理四、原子半径四、原子半径 范德瓦耳斯半径范德瓦耳斯半径、共价半径、离子半径、共价半径、离子半径、金属半径概念金属半径概念第13页1-3经典晶体结构经典晶体结构一、金属晶体一、金属晶体（一）晶体中原子排列及经典金属晶体（一）晶体中原子排列及经典金属晶体结构：最经典结构、堆积特征、密排面、结构：最经典结构、堆积特征、密排面、密排面上原子排列方式、晶格常数与原密排面上原子排列方式、晶格常数与原子半径关系、间隙子半径关系、间隙（二）晶体中原子间间隙：八面体、四（二）晶体中原子间间隙：八面体、四面体间隙、配位数、致密度概念面体间隙、配位数、致密度概念 关注计算关注计算第14页1-3经典晶体结构经典晶体结构二、共价晶体二、共价晶体经典结构：单晶硅（金刚石、低于室温时经典结构：单晶硅（金刚石、低于室温时C、Ge、Sn）结构称金刚石立方结构）结构称金刚石立方结构(骨架状，四骨架状，四原子近邻原子近邻)；As、Sb、Bi结晶成层状结构结晶成层状结构(片片状，三原子近邻状，三原子近邻)；S、Se、Te螺旋链结构（两螺旋链结构（两原子近邻键合）原子近邻键合）成键强度：金刚石结组成键强；层状结构层内成键强度：金刚石结组成键强；层状结构层内强，层间弱；链结构链内共价键，链间分子键强，层间弱；链结构链内共价键，链间分子键第15页1-3经典晶体结构经典晶体结构二、共价晶体二、共价晶体其它主要结构：其它主要结构：闪锌矿和纤锌矿，有极性共价键，是共价闪锌矿和纤锌矿，有极性共价键，是共价晶体两种经典结构晶体两种经典结构方石英结构：共价晶体方石英结构：共价晶体SiO2一个变体，立一个变体，立方方ZnS结构结构鳞石英结构：共价晶体鳞石英结构：共价晶体SiO2一个变体，六一个变体，六方方ZnS结构结构第16页1-3经典晶体结构经典晶体结构三、离子晶体三、离子晶体负离子配位多面体：以正离子为中心，将周围负离子配位多面体：以正离子为中心，将周围最近邻配置各负离子中心连起来形成多面体最近邻配置各负离子中心连起来形成多面体,负离子配位多面体形状正离子配位数：配置于负离子配位多面体形状正离子配位数：配置于正离子周围负离子数正离子周围负离子数 三者之间三者之间 关系：关系：第17页1-3经典晶体结构经典晶体结构三、离子晶体三、离子晶体形成晶体结构泡林五规则形成晶体结构泡林五规则 关注用规则分析结构关注用规则分析结构第18页1-3经典晶体结构经典晶体结构四、硅酸盐晶体四、硅酸盐晶体硅酸盐矿物结构硅酸盐矿物结构关注计算关注计算 岛状硅酸盐：岛状硅酸盐：焦硅酸盐：焦硅酸盐：环状硅酸盐：环状硅酸盐：链状硅酸盐：链状硅酸盐：层状硅酸盐：层状硅酸盐：单链与环状区分：化学式中单链单链与环状区分：化学式中单链Si数量是数量是1或或2；环状；环状是是3以上以上第19页1-3经典晶体结构经典晶体结构五、高分子晶体五、高分子晶体(一一)高分子晶体形成高分子晶体形成 基本形态基本形态、高分子材料特点高分子材料特点、高分子结构单高分子结构单元连接特点元连接特点、结构形态结构形态、结晶特征结晶特征 (二二)高分子晶体形态高分子晶体形态 高分子晶体形貌高分子晶体形貌：结晶高分子较多地含有球晶：结晶高分子较多地含有球晶形貌。一个球晶由沿半径垂直方向多层晶片组形貌。一个球晶由沿半径垂直方向多层晶片组成。晶片内是缨束状晶区或折叠链晶区。晶片成。晶片内是缨束状晶区或折叠链晶区。晶片间是无定形非晶区偏振光显微镜下聚乙烯球晶间是无定形非晶区偏振光显微镜下聚乙烯球晶第20页第二章第二章 晶体不完整性晶体不完整性2-1点缺点点缺点2-2位错位错2-3表面、界面结构及不完整性表面、界面结构及不完整性 第21页第二章第二章 晶体不完整性晶体不完整性缺点：晶体中偏离完整性区域，即造成晶体点阵周期缺点：晶体中偏离完整性区域，即造成晶体点阵周期势场畸变一切原因势场畸变一切原因 晶体缺点分类：晶体缺点分类：(1)点缺点（零维缺点）。其特点是在点缺点（零维缺点）。其特点是在X、Y、Z三个方向三个方向上尺寸都很小上尺寸都很小(相当于原子尺寸相当于原子尺寸)；(2)线缺点（一维缺点）。其特点是在两个方向上尺寸很线缺点（一维缺点）。其特点是在两个方向上尺寸很小，另一个方向上尺寸相对很长；小，另一个方向上尺寸相对很长；(3)面缺点（二维缺点）。其特点是在一个方向上尺寸很面缺点（二维缺点）。其特点是在一个方向上尺寸很小，另外两个方向上尺寸很大。小，另外两个方向上尺寸很大。第22页2-1点缺点点缺点一、点缺点类型一、点缺点类型（一）热缺点（一）热缺点 弗伦克尔缺点：原子离开平衡位置后，弗伦克尔缺点：原子离开平衡位置后，挤到格子点间隙中，形成间隙离子，而挤到格子点间隙中，形成间隙离子，而原来位置上形成空位，成对产生。原来位置上形成空位，成对产生。肖特基缺点：原子取得较大能量，移到肖特基缺点：原子取得较大能量，移到表面外新位置上去，原来位置则形成空表面外新位置上去，原来位置则形成空位，空位逐步转移到内部，体积增加。位，空位逐步转移到内部，体积增加。第23页2-1点缺点点缺点一、点缺点类型一、点缺点类型在晶体中，几个缺点能够同时存在，但在晶体中，几个缺点能够同时存在，但通常有一个是主要。普通说，正负离子通常有一个是主要。普通说，正负离子半径相差不大时，肖特基缺点是主要。半径相差不大时，肖特基缺点是主要。两种离子半径相差大时弗伦克尔缺点是两种离子半径相差大时弗伦克尔缺点是主要。主要。(二二)组成缺点组成缺点 产生和类型产生和类型第24页2-1点缺点点缺点一、点缺点类型一、点缺点类型(三三)电荷缺点电荷缺点 产生产生(四四)非化学计量结构缺点非化学计量结构缺点 产生产生第25页2-1点缺点点缺点二、点缺点反应与浓度平衡二、点缺点反应与浓度平衡（一）热缺点（一）热缺点第26页2-1点缺点点缺点二、点缺点反应与浓度平衡二、点缺点反应与浓度平衡(二二)组成缺点和电子缺点组成缺点和电子缺点(三三)非化学计量缺点与色心，关注计算非化学计量缺点与色心，关注计算1 1、负离子缺位，金属离子过剩、负离子缺位，金属离子过剩2 2、间隙正离子，金属离子过剩、间隙正离子，金属离子过剩3 3、间隙负离子，负离子过剩、间隙负离子，负离子过剩4 4、正离子空位，负离子过剩、正离子空位，负离子过剩第27页2-2位错位错一、位错结构类型一、位错结构类型刃型位错、螺型位错、混合型位错概念刃型位错、螺型位错、混合型位错概念Burgers回路与位错结构特征：回路与位错结构特征：Burgers矢量矢量、位错强度、位错强度、Burgers回路回路 概念概念位错柏格斯矢量守恒性位错柏格斯矢量守恒性 第28页2-2位错位错一、位错结构类型一、位错结构类型位错密度：位错密度：在单位体积晶体中所包含位错线总长度。在单位体积晶体中所包含位错线总长度。第29页2-2位错位错二、位错应力场二、位错应力场(一一)位错应力场位错应力场刃型位错：连续弹性介质模型：设一内半径刃型位错：连续弹性介质模型：设一内半径rc，外半径，外半径R无限长空心弹性圆柱，圆柱轴与无限长空心弹性圆柱，圆柱轴与z轴轴重合。将它沿径向切开至中心，将切面两侧沿重合。将它沿径向切开至中心，将切面两侧沿x轴相对移动一个距离轴相对移动一个距离b，然后再粘合起来，然后再粘合起来,畸畸变状态与含正刃型位错晶体相同，可经过它求变状态与含正刃型位错晶体相同，可经过它求出刃型位错应力场出刃型位错应力场 第30页2-2位错位错一、位错结构类型一、位错结构类型 螺型位错：螺型位错：连续弹性介质模型：弹性圆柱切开至中连续弹性介质模型：弹性圆柱切开至中心，然后将切面两侧沿心，然后将切面两侧沿z轴相对移动轴相对移动b，再粘合起来，就得到沿再粘合起来，就得到沿z轴螺型位错模型轴螺型位错模型 第31页2-2位错位错二、位错应力场二、位错应力场(二二)位错应变能与线张力位错应变能与线张力 刃型位错、螺型位错、混合型位错应变能刃型位错、螺型位错、混合型位错应变能计计算算位错线张力：位错线长度增加一个单位时，晶位错线张力：位错线长度增加一个单位时，晶体能量增加体能量增加 直线形位错：直线形位错：T大约等于大约等于mb2 弯曲位错线：正、负位错在远处会部分抵消，弯曲位错线：正、负位错在远处会部分抵消，系统能量改变小于系统能量改变小于mb2，常取，常取 第32页2-2位错位错二、位错应力场二、位错应力场(三三)位错关键位错关键 位错关键错排严重，不能再简化为连续弹性体。以点位错关键错排严重，不能再简化为连续弹性体。以点阵模型处理阵模型处理 派派纳纳(Peierls-Nabarro)模型：实际上是不完全点阵模型：实际上是不完全点阵模型。设晶体由被滑移面隔开两个半块晶体组成。衔模型。设晶体由被滑移面隔开两个半块晶体组成。衔接处直接考虑原子间相互作用，内部简化成连续弹性接处直接考虑原子间相互作用，内部简化成连续弹性介质。介质。派派-纳模型中位错能量组成：两部分。纳模型中位错能量组成：两部分。一是两半晶体中一是两半晶体中弹性应变能（主要分布于位错关键之外）；另一是滑弹性应变能（主要分布于位错关键之外）；另一是滑移面两侧原子互作用能（错排能）（基本集中于位错移面两侧原子互作用能（错排能）（基本集中于位错关键范围内）关键范围内）第33页2-2位错位错三、位错运动三、位错运动位错运动方式：位错运动方式：刃型位错：滑移：位错线沿着滑移面移刃型位错：滑移：位错线沿着滑移面移动；攀移：位错线垂直于滑移面移动。动；攀移：位错线垂直于滑移面移动。螺型位错：只作滑移螺型位错：只作滑移第34页2-2位错位错三、位错运动三、位错运动(一一)位错滑移位错滑移 三类位错滑移特征三类位错滑移特征位错滑移驱动力：构想位错受到一个力而运动位错滑移驱动力：构想位错受到一个力而运动（实际上位错是一个原子组态，力是作用于晶（实际上位错是一个原子组态，力是作用于晶体中原子）。使位错发生运动力。称为位错运体中原子）。使位错发生运动力。称为位错运动驱动力。动驱动力。注意：驱动力无须一定是外力，晶体内部质点、注意：驱动力无须一定是外力，晶体内部质点、界面或其它位错引发应力界面或其它位错引发应力第35页2-2位错位错三、位错运动三、位错运动点阵阻力：源于晶格结构周期性，滑移点阵阻力：源于晶格结构周期性，滑移面两侧原子之间相互作用力面两侧原子之间相互作用力派派-纳应力：派纳应力：派-纳模型，提出了为克服纳模型，提出了为克服点阵阻力推进位错前进所必须滑移力和点阵阻力推进位错前进所必须滑移力和对应切应力：对应切应力：第36页2-2位错位错三、位错运动三、位错运动(二二)位错攀移位错攀移 位错攀移特征：与滑移不一样，位错攀移时伴位错攀移特征：与滑移不一样，位错攀移时伴随物质迁移，需随物质迁移，需扩散实现。需要热激活，比滑扩散实现。需要热激活，比滑移需要更大能量。另外，易在多出半原子面边移需要更大能量。另外，易在多出半原子面边缘产生波折缘产生波折单位长度位错线所受化学攀移力：单位长度位错线所受化学攀移力：单位长度位错线所受弹性攀移驱动力：单位长度位错线所受弹性攀移驱动力：第37页2-2位错位错四、位错与缺点相互作用四、位错与缺点相互作用(一一)位错之间相互作用位错之间相互作用 1 1、位错间弹性相互作用：位错弹性应力场间、位错间弹性相互作用：位错弹性应力场间发生干涉和相互作用，将影响到位错分布和运发生干涉和相互作用，将影响到位错分布和运动动 2 2、位错塞积：许多位错被迫堆积在某种障碍、位错塞积：许多位错被迫堆积在某种障碍物前，它们来自同一位错源，具相同柏格斯矢物前，它们来自同一位错源，具相同柏格斯矢量，障碍物如晶界量，障碍物如晶界 3.3.位错反应位错反应:位位错错之之间间相互相互转转化。譬如一分化。譬如一分为为二或两合二或两合为为一，一，第38页2-2位错位错四、位错与缺点相互作用四、位错与缺点相互作用(二二)位错与点缺点相互作用位错与点缺点相互作用位错与溶质原子相互作用能位错与溶质原子相互作用能 史诺克史诺克(Snoek)气团气团 柯垂耳柯垂耳(Cottrell)气团气团 电学相互作用电学相互作用 化学相互作用化学相互作用 空位、间隙原子和位错相互转化空位、间隙原子和位错相互转化 第39页2-2位错位错五、位错源与位错增殖五、位错源与位错增殖（一）位错起源（一）位错起源位错产生位错产生(二二)位错增殖位错增殖弗兰克一瑞弗兰克一瑞德德(Frank-Read)源源 弗兰克弗兰克-瑞德源需要施加应力瑞德源需要施加应力 弗兰克弗兰克-瑞德源开动临界瑞德源开动临界应力应力 双交滑移增殖机构双交滑移增殖机构 单点源单点源 第40页2-3表面、界面结构及不完表面、界面结构及不完整性整性一、晶体表面一、晶体表面(一一)表面力场表面力场固体表面力固体表面力 分子间引力主要起源分子间引力主要起源(二二)晶体表面状态晶体表面状态表面能表面能 第41页2-3表面、界面结构及不完表面、界面结构及不完整性整性一、晶体表面一、晶体表面(三三)晶体表面不均匀性晶体表面不均匀性完美晶格结构晶体表面：完美晶格结构晶体表面：分成两种类型：分成两种类型：紧密堆积表面：表面平坦，没有波折，全部原子紧密堆积表面：表面平坦，没有波折，全部原子距离该表面平行平面距离都相等距离该表面平行平面距离都相等不紧密堆积表面：即台阶式表面，表面有波折。不紧密堆积表面：即台阶式表面，表面有波折。第42页2-3表面、界面结构及不完表面、界面结构及不完整性整性二、晶界二、晶界(一一)晶界几何晶界几何晶界分类：依据位向差晶界分类：依据位向差()不一样，晶界分为两类：不一样，晶界分为两类：(1)(1)小角度晶界小角度晶界-两相邻晶粒位向差约小于两相邻晶粒位向差约小于1010；(2)(2)大角度晶界大角度晶界-两晶粒间位向差较大，普通大于两晶粒间位向差较大，普通大于1010 以以上。上。(二二)小角度晶界小角度晶界倾侧晶界倾侧晶界 位错间距位错间距 第43页2-3表面、界面结构及不完表面、界面结构及不完整性整性二、晶界二、晶界不对称倾侧晶界不对称倾侧晶界扭转晶界扭转晶界普通小角度晶界：旋转轴和界面可任意取向，由普通小角度晶界：旋转轴和界面可任意取向，由刃型和螺型位错组合组成。刃型和螺型位错组合组成。晶界能：晶界上原子排列畸变，增高能量。主要晶界能：晶界上原子排列畸变，增高能量。主要来自位错能量（位错密度又决定于晶粒间位向来自位错能量（位错密度又决定于晶粒间位向差），随位向差增加而增大，仅适合用于差），随位向差增加而增大，仅适合用于 15。式中为常数，。式中为常数，A取决于位错中心原子取决于位错中心原子错排能错排能第44页2-3表面、界面结构及不完表面、界面结构及不完整性整性二、晶界二、晶界(三三)大角度晶界大角度晶界“重合位置点阵重合位置点阵”模型模型(四四)晶界能晶界能晶界能：金属晶界能：金属多晶体晶界普通为大角度晶界，多晶体晶界普通为大角度晶界，金属大角度晶界能约在金属大角度晶界能约在0.251.0J/m2范围内，范围内，与晶粒之间位向差无关，大致上为定值。与晶粒之间位向差无关，大致上为定值。(五五)孪晶界孪晶界第45页2-3表面、界面结构及不完表面、界面结构及不完整性整性二、晶界二、晶界孪晶面孪晶面 共格孪晶界共格孪晶界 非共格孪晶界非共格孪晶界 孪晶形成与堆垛层错关系孪晶形成与堆垛层错关系 孪晶面界面能孪晶面界面能(六六)晶界特征晶界特征晶界特征晶界特征 第46页第三章第三章 固溶体固溶体3-1影响固溶度原因影响固溶度原因3-2固溶体各论固溶体各论第47页第三章第三章 固溶体固溶体固溶体固溶体 固溶度固溶度 中间相中间相 固溶体分类固溶体分类 溶体有序和无序分类溶体有序和无序分类 有限和无限固溶体分类有限和无限固溶体分类 第48页3-1影响固溶度原因影响固溶度原因一、休姆一、休姆-罗瑟里罗瑟里(Hume-Rothery)规律规律固溶体固溶度普通规律：固溶体固溶度普通规律：1、尺寸原因、尺寸原因:当尺寸原因不利时，固溶度很小；当尺寸原因不利时，固溶度很小；2、化学亲和力、化学亲和力:稳定中间相（和组元化学亲和力稳定中间相（和组元化学亲和力相关）会使一次固溶体固溶度下降（中间相自由能曲相关）会使一次固溶体固溶度下降（中间相自由能曲线低）；线低）；3、电子浓度、电子浓度:电子浓度（价电子数和原子数比值）电子浓度（价电子数和原子数比值）影响固溶度和中间相稳定性，影响固溶度和中间相稳定性，（溶质价为（溶质价为v，溶剂价为，溶剂价为V）。还有适合用于一些合金）。还有适合用于一些合金系系“相对价效应相对价效应”，即高价元素在低价中固溶度大，即高价元素在低价中固溶度大第49页3-1影响固溶度原因影响固溶度原因二、尺寸原因二、尺寸原因尺寸与溶解度关系尺寸与溶解度关系 维伽定律维伽定律 静位移静位移 尺寸原因对固溶度影响尺寸原因对固溶度影响 15%15%规律规律 宽容系数宽容系数 第50页3-1影响固溶度原因影响固溶度原因三、电价原因三、电价原因电子浓度与溶解度电子浓度与溶解度 极限电子浓度与晶体结构类型极限电子浓度与晶体结构类型 固溶程度与平均族数固溶程度与平均族数 离子价对固溶体影响离子价对固溶体影响 第51页3-1影响固溶度原因影响固溶度原因四、电负性原因四、电负性原因化学亲和力对固溶体溶解度影响化学亲和力对固溶体溶解度影响 化学亲和力与固溶度化学亲和力与固溶度 达肯经验规律达肯经验规律 场强与固溶度场强与固溶度 第52页3-2固溶体各论固溶体各论一、置换固溶体一、置换固溶体三类固溶体区分方法三类固溶体区分方法 固溶体计算确定固溶体计算确定 关注关注结构相容与置换结构相容与置换 尺寸原因分析尺寸原因分析 第53页3-2固溶体各论固溶体各论二、间隙固溶体二、间隙固溶体间隙固溶体间隙固溶体 在金属中：溶质元素是半径小于在金属中：溶质元素是半径小于1A一些非金属元素。一些非金属元素。即氢、硼、碳、氮、氧等即氢、硼、碳、氮、氧等间隙形状、大小与溶解度：间隙元素小间隙大，溶解度间隙形状、大小与溶解度：间隙元素小间隙大，溶解度相对较大，但与详细情况相关。相对较大，但与详细情况相关。-Fe中溶入碳原子，八中溶入碳原子，八面体间隙面体间隙0.535A，碳，碳0.77A，点阵畸变，溶解度受限，点阵畸变，溶解度受限，(1148 C)仅仅2.11wt%，约相当于，约相当于9.2atm%；-Fe中，虽中，虽四面体间隙大于八面体间隙，但尺寸仍远小于碳，溶解四面体间隙大于八面体间隙，但尺寸仍远小于碳，溶解度极小。且测定表明，碳在度极小。且测定表明，碳在-Fe八面体间隙中八面体间隙中在无机非金属材料中：可利用空隙较多。面心立方在无机非金属材料中：可利用空隙较多。面心立方结构结构MgO，四面体空隙可利用；，四面体空隙可利用；TiO2中还有八面体空隙中还有八面体空隙可利用；可利用；CaF2结构中则有配位为八较大空隙存在结构中则有配位为八较大空隙存在第54页3-2固溶体各论固溶体各论三、有序固溶体三、有序固溶体（一）短程有序（一）短程有序-微观不均匀性微观不均匀性1、无序分布、无序分布 2、偏聚状态、偏聚状态 3、有序分布、有序分布 短程有序短程有序“短程序参数短程序参数”短程序参数短程序参数 第55页3-2固溶体各论固溶体各论三、有序固溶体三、有序固溶体(二二)长程有序长程有序长程有序长程有序 长程序参数长程序参数 长程序和短程序不一样长程序和短程序不一样 第56页3-2固溶体各论固溶体各论 四、固溶体理论分析与计算四、固溶体理论分析与计算 固溶体中缺点、固溶体密度及晶格参数固溶体中缺点、固溶体密度及晶格参数 关注计算关注计算1、生成置换型固溶体时缺点反应计算、生成置换型固溶体时缺点反应计算（其中（其中 为为CaO溶入摩尔数）溶入摩尔数）2、生成填隙型固溶体时缺点反应计算、生成填隙型固溶体时缺点反应计算（其中（其中 为为CaO溶入摩尔数）溶入摩尔数）第57页3-2固溶体各论固溶体各论 五、中间相五、中间相中间相中间相 金属中间相特点金属中间相特点 金属间化合物金属间化合物 中间相分类中间相分类 第58页3-2固溶体各论固溶体各论 五、中间相五、中间相（一）电子化合物（一）电子化合物电子相电子相(二二)间隙相间隙相间隙相间隙相 间隙相晶体结构间隙相晶体结构(三三)间隙化合物间隙化合物间隙化合物间隙化合物 间隙化合物晶体结构间隙化合物晶体结构 间隙化合物固溶体间隙化合物固溶体 第59页3-2固溶体各论固溶体各论 五、中间相五、中间相(四四)拓扑密堆相拓扑密堆相拓扑密堆相：由两种大小不一样原子组成一类中间相。拓扑密堆相：由两种大小不一样原子组成一类中间相。大小原子经过适当配合组成空间利用率和配位数都很大小原子经过适当配合组成空间利用率和配位数都很高复杂结构，配位数可达高复杂结构，配位数可达12、14、15及及16。含有拓扑。含有拓扑学特点学特点拓扑密堆相类型：有拓扑密堆相类型：有Cr3Si型相型相(Cr3Si、Nb3Sn、Nb3Sb等等)，拉弗斯，拉弗斯(Laves)相相(MgCu2、MgZn2、MgNi2等等)，相相(Fe7W6、Fe7Mo6等等)，R相相(Cr18Mo31Co)，P相相(Crl8Ni40Mo42)，相相(FeCr、FeV、FeW、FeMo、CrCo、MoCo、WCo等等)等等。等等。第60页第四章第四章 非晶态固体非晶态固体非晶态固体：原子在空间排布没有长非晶态固体：原子在空间排布没有长程序固体程序固体非晶态固体范围：玻璃、非晶态金属非晶态固体范围：玻璃、非晶态金属及非晶态半导体等及非晶态半导体等结构是认识和研究物质基础，然而，结构是认识和研究物质基础，然而，非晶态固体结构比晶体要复杂得多。非晶态固体结构比晶体要复杂得多。第61页第四章第四章 非晶态固体非晶态固体4-1非晶态固体特征与表述非晶态固体特征与表述4-2非晶态半导体非晶态半导体4-3非晶态金属非晶态金属4-4玻璃玻璃4-5非晶态高分子非晶态高分子第62页4-1 非晶态固体特征与表述非晶态固体特征与表述一、非晶态固体结构特征一、非晶态固体结构特征非晶态固体微结构非晶态固体微结构 无序态类型无序态类型 双体相关函数双体相关函数 第63页4-1 非晶态固体特征与表述非晶态固体特征与表述二、非晶态固体结构表征函数二、非晶态固体结构表征函数（一）径向分布函数（一）径向分布函数RDF原子径向分布函数原子径向分布函数 约化径向分布函数约化径向分布函数(二二)结构描述参数结构描述参数结构准确描述参量结构准确描述参量 第64页4-1 非晶态固体特征与表述非晶态固体特征与表述三、非晶态固体短程序三、非晶态固体短程序短程序分类短程序分类（一）化学短程序（一）化学短程序（CSRO）化学短程序化学短程序 化学短程序参数化学短程序参数(二二)几何短程序几何短程序(GSRO)与局域结构参数与局域结构参数Voronoi多面体多面体 Voronoi多面体指数多面体指数(Fi)描述描述 Voronoi多面体与配位数及局域原子体积多面体与配位数及局域原子体积 第65页4-2 非晶态半导体非晶态半导体一、非晶半导体结构模型一、非晶半导体结构模型结构原子间几何关系定义结构原子间几何关系定义 几何短程有序几何短程有序GSRO 几何短程序局域结构参数几何短程序局域结构参数 1.非晶态固体内流体静压力非晶态固体内流体静压力P 2.Von Mises切应力切应力 3.与近邻原子球对称性发生椭圆偏离度与近邻原子球对称性发生椭圆偏离度量参数量参数 第66页4-2 非晶态半导体非晶态半导体一、非晶半导体结构模型一、非晶半导体结构模型蚀状组态和交织组态蚀状组态和交织组态 非晶半导体结构模型非晶半导体结构模型 微晶模型微晶模型 非晶子模型非晶子模型 连续无规网络模型连续无规网络模型(CRN)描述非晶半导体两类参量：一类是局域原子团，描述非晶半导体两类参量：一类是局域原子团，由短程有序参数确定；另一类参量表征局域原由短程有序参数确定；另一类参量表征局域原子团互连成网络拓扑特点。子团互连成网络拓扑特点。第67页4-2 非晶态半导体非晶态半导体二、非晶半导体微结构二、非晶半导体微结构硅和锗结构硅和锗结构 III-V族结构族结构 硫系非晶半导体结构硫系非晶半导体结构 a-Si:H薄膜结构薄膜结构 a-Si:H两相结构模型两相结构模型 第68页4-3 非晶态金属非晶态金属一、非晶态金属和合金一、非晶态金属和合金结构模型结构模型微晶、非晶团模型及偏离微晶、非晶团模型及偏离 硬球无规密堆模型硬球无规密堆模型(DRPHS)局域短程序特征描述局域短程序特征描述 Bernal空洞空洞 Voronoi多面体多面体 硬球无规密堆（仅仅）五种不一样硬球无规密堆（仅仅）五种不一样Bernal空洞空洞 硬球无规密堆模型中硬球无规密堆模型中Voronoi多面体多面体 第69页4-3 非晶态金属非晶态金属一、非晶态金属和合金结构模一、非晶态金属和合金结构模型型Gaske1l过渡金属类金属多面体模型过渡金属类金属多面体模型三棱柱多面体三棱柱多面体非晶结构中局域结构单元与晶体差异非晶结构中局域结构单元与晶体差异 非晶体最近邻分布非晶体最近邻分布Voronoi多面体多面体 第70页4-3 非晶态金属非晶态金属二、非晶态金属微结构二、非晶态金属微结构非晶态材料微结构非晶态材料微结构 非晶态材料中局域晶场非晶态材料中局域晶场（一）几何微结构（一）几何微结构非晶态金属几何微结构非晶态金属几何微结构 非晶态金属中应力与微结构非晶态金属中应力与微结构(二二)化学微结构化学微结构非晶态金属化学微结构非晶态金属化学微结构(三三)磁各向异性与微结构磁各向异性与微结构第71页4-4 玻璃玻璃一、玻璃结构理论一、玻璃结构理论（一）玻璃结构无规网络学说（一）玻璃结构无规网络学说氧化物玻璃结构氧化物玻璃结构 形成稳定网络结构满足四条规则形成稳定网络结构满足四条规则玻璃无规则网络结构玻璃无规则网络结构 氧化物玻璃中三种氧化物类型氧化物玻璃中三种氧化物类型(二二)玻璃结构微晶子学说玻璃结构微晶子学说列别捷夫晶子观点列别捷夫晶子观点 兰德尔微晶学说兰德尔微晶学说 第72页4-4 玻璃玻璃一、玻璃结构理论一、玻璃结构理论玻璃结构微晶学说玻璃结构微晶学说 无规则网络学说与微晶学说比较统一看法无规则网络学说与微晶学说比较统一看法(三三)常见玻璃微观结构常见玻璃微观结构1、硅酸盐玻璃、硅酸盐玻璃桥氧与网络关系桥氧与网络关系“逆性玻璃逆性玻璃”2、硼酸盐玻璃：、硼酸盐玻璃：3、磷酸盐玻璃：、磷酸盐玻璃：第73页4-4 玻璃玻璃二、玻璃转变二、玻璃转变转变温度区转变温度区 转变温度范围微观过程转变温度范围微观过程 转变温度范围附近结构改变情况转变温度范围附近结构改变情况“假想温度假想温度”第74页4-4 玻璃玻璃三、玻璃化条件三、玻璃化条件（一）热力学与动力学条件（一）热力学与动力学条件玻璃不稳（亚稳）性玻璃不稳（亚稳）性 玻璃稳定存在玻璃稳定存在 容积分率容积分率 玻璃形成能力判断玻璃形成能力判断三三T图图 在时间在时间t内单位体积结晶内单位体积结晶VL/V 玻璃生成主要动力学原因玻璃生成主要动力学原因 第75页4-4 玻璃玻璃三、玻璃化条件三、玻璃化条件(二二)结晶化学条件结晶化学条件阴离子集团对玻璃形成影响阴离子集团对玻璃形成影响 化学键性质对玻璃形成影响化学键性质对玻璃形成影响 化学键强度影响化学键强度影响 第76页4-5非晶态高分子非晶态高分子一、非晶态高分子结构模型一、非晶态高分子结构模型(一一)无规线团模型无规线团模型 理论基础是高分子溶液理论理论基础是高分子溶液理论 非晶态高分子无规线团模型非晶态高分子无规线团模型 高分子自由体积高分子自由体积(二二)局部有序模型局部有序模型高分子两种结构单元高分子两种结构单元 粒子相与粒间相形态粒子相与粒间相形态 第77页4-5非晶态高分子非晶态高分子二、玻璃化转变二、玻璃化转变 玻璃化转变玻璃化转变 玻璃化转变时特征改变玻璃化转变时特征改变 自由体积理论自由体积理论 自由体积与温度及热膨胀关系自由体积与温度及热膨胀关系 高弹态在某温度高弹态在某温度T时自由体积时自由体积 玻璃态自由体积状态玻璃态自由体积状态 第78页第五章第五章 固体材料中质点运固体材料中质点运动与迁移动与迁移5-1晶格中原子运动与扩散晶格中原子运动与扩散5-2扩散机制及影响扩散原因扩散机制及影响扩散原因第79页5-1 晶格中原子运动与扩散晶格中原子运动与扩散一、热缺点运动、产生与复合一、热缺点运动、产生与复合扩散现象本质扩散现象本质 1、经过填隙路径迁移、经过填隙路径迁移 2、经过空位机构而迁移、经过空位机构而迁移 第80页 5-1 晶格中原子运动与扩散晶格中原子运动与扩散二、基本扩散定律二、基本扩散定律菲克定律菲克定律关注计算关注计算（一）稳态扩散（一）稳态扩散菲克第一定律菲克第一定律（二）非稳态扩散（二）非稳态扩散菲克第二定律菲克第二定律第81页5-1 晶格中原子运动与扩散晶格中原子运动与扩散三、扩散系数三、扩散系数（一）自扩散系数（一）自扩散系数扩散系数扩散系数 扩散宏观现象扩散宏观现象 扩散系数与原子迁移关系扩散系数与原子迁移关系 迁移频率迁移频率 实际扩散系数（对极稀实际扩散系数（对极稀fcc结构间隙固溶体）结构间隙固溶体）自扩散系数自扩散系数 第82页5-1 晶格中原子运动与扩散晶格中原子运动与扩散三、扩散系数三、扩散系数(二二)偏扩散系数偏扩散系数偏扩散系数偏扩散系数 偏扩散系数热力学分析：比如偏扩散系数热力学分析：比如CoO和和NiO二元系统扩散二元系统扩散(三三)交互扩散系数交互扩散系数达肯方程达肯方程1.克根达尔克根达尔(Kirkendall)效应效应 2、达肯、达肯(Darken)公式公式 第83页5-2扩散机制及影响扩散原因扩散机制及影响扩散原因一、扩散机制一、扩散机制（一）空位扩散（一）空位扩散空位扩散机制空位扩散机制 实现空位扩散两个条件实现空位扩散两个条件 原子跳动频率原子跳动频率 扩散系数扩散系数D（二）间隙扩散（二）间隙扩散间隙扩散机制间隙扩散机制 稀薄间隙固溶体间隙原子扩散系数稀薄间隙固溶体间隙原子扩散系数（三）氧化物中空位扩散（三）氧化物中空位扩散第84页5-2扩散机制及影响扩散原因扩散机制及影响扩散原因二、影响扩散原因二、影响扩散原因(一一)温度影响温度影响扩散介质结构影响扩散介质结构影响(三三)扩散物质影响扩散物质影响(四四)第三组元影响第三组元影响(五五)位错、晶界和表面影响位错、晶界和表面影响(六六)外场作用影响及离子电导外场作用影响及离子电导第85页第六章第六章 固体材料晶格振动固体材料晶格振动与电子运动与电子运动6-1晶格振动与热性质晶格振动与热性质6-2晶体中电子运动与能带理论晶体中电子运动与能带理论第86页6-1 晶格振动与热性质晶格振动与热性质一、晶格振动一、晶格振动晶格振动模式晶格振动模式 声子声子 声子概念应用声子概念应用(一一)一维原子链振动一维原子链振动一维单原子链一维单原子链 原子相互作用势原子相互作用势 简谐近似简谐近似 格波格波 第87页6-1 晶格振动与热性质晶格振动与热性质一、晶格振动一、晶格振动声学波与光学波振动与区分声学波与光学波振动与区分 一维单原子格子中格波色散关系一维单原子格子中格波色散关系 计算计算一维复式格子