3.1晶体结构缺陷的类型PPT幻灯片课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二章 晶体结构缺陷,1,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,2,本章主要内容：,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,3,掌握缺陷的基本概念、分类方法；,掌握缺陷的类型、含义及其特点；,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,；,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：,4,2.1,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,5,一、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,空洞,6,1.,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。,7,Now What Do You See?,Vacancy,Interstitial,8,Vacancies,:,-vacant atomic sites in a structure.,Self-Interstitials,:,-extra atoms positioned between atomic sites.,P,oint,D,efects,Common,Rare,9,Two outcomes if impurity(B)added to host(A):,Solid solution,of,B,in,A,(i.e.,random dist.of point defects),OR,Substitutional,alloy,(e.g.,Cu,in,Ni,),Interstitial,alloy,(e.g.,C,in,Fe,),Impurities,I,n,Solids,10,8,Impurities must also satisfy,charge balance,Ex:NaCl,Substitutional cation impurity,Substitutional anion impurity,initial geometry,Ca,2+,impurity,resulting geometry,Ca,2+,Na,+,Na,+,Ca,2+,cation,vacancy,I,mpurities in Ceramics,11,2.,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。,12,刃型位错,13,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,14,螺型位错,15,C,B,A,D,(b),螺型位错示意图,:,（,a,）立体模型；（,b,）平面图,A,B,C,D,(a),16,螺型位错示意图,17,3.,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。,18,面缺陷晶界,19,晶界示意图,亚晶界示意图,20,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。,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。,21,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),22,面缺陷共格晶面面心立方晶体中,111,面反映孪晶,23,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,24,1.,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,25,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,26,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,27,2.,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。,28,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,29,3.,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,Fe,1,x,O,、,Zn,1+x,O,等晶体中的缺陷。,30,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。,31,