材料科学基础课件(浙大).ppt

材料科学基础材料科学基础q浙江大学版浙江大学版写在前面写在前面q本本PPT中列出的知识点都很重要中列出的知识点都很重要q红色标出的是特别重要的红色标出的是特别重要的q本本PPT作为教案的配合材料，较之教案更作为教案的配合材料，较之教案更为精简为精简第一章第一章 晶体结构晶体结构q1-1晶体学基础晶体学基础q1-2晶体化学基本原理晶体化学基本原理q1-3典型晶体结构典型晶体结构1-1晶体学基础晶体学基础q材料性能决定因素：内部微观构造。材料性能决定因素：内部微观构造。q固态材料分类：晶体与非晶体固态材料分类：晶体与非晶体 要关注二者的区别要关注二者的区别q掌握材料性能，不根据外观，必需从原子排列掌握材料性能，不根据外观，必需从原子排列情况确定情况确定 1-1晶体学基础晶体学基础一、空间点阵一、空间点阵q空间点阵和晶胞的概念空间点阵和晶胞的概念q晶胞的描述方法晶胞的描述方法q7种晶系、种晶系、14种布拉菲点阵、晶族的概念种布拉菲点阵、晶族的概念q关注关注晶体结构与空间点阵区别与关联晶体结构与空间点阵区别与关联 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q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、晶面族的概念晶面族的概念q关注关注六方晶系按两种晶轴系所得指数的转换：六方晶系按两种晶轴系所得指数的转换：从从(hkil)转换成转换成(hkl)：去掉：去掉i即可，反之：加上即可，反之：加上i=-(h+k)UVW与与uvtw间互换关系间互换关系:U=u-t，V=v-t，W=w；u=(2U-V)，v=(2V-U)，t=-(u+v)，w=W 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q晶带与晶带轴的概念晶带与晶带轴的概念q关注关注 1、晶带轴、晶带轴uvw与该晶带的晶面与该晶带的晶面(hkl)之间的关系：之间的关系：hu+kv+lw=0 2、任两个不平行晶面的晶带轴：、任两个不平行晶面的晶带轴：(h1k1l1)和和(h2k2l2)则有则有u=k1l2-k2l1，v=l1h2-l2h1，w=h1k2-h2k11-1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q晶面间距的概念、特点晶面间距的概念、特点q关注关注晶面间距的计算晶面间距的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；复杂晶胞应考虑层面注意：以上对简单晶胞而言；复杂晶胞应考虑层面增加的影响。如，在体心立方或面心立方晶胞中增加的影响。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间有一层，故实际晶面间距应为d001/2。1-1晶体学基础晶体学基础三、晶体的对称性三、晶体的对称性q宏观和微观对称要素、点群、空间群、单形、聚宏观和微观对称要素、点群、空间群、单形、聚形的概念的概念形的概念的概念q关注关注所有对称要素归纳：所有对称要素归纳：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q电负性的概念、分界电负性的概念、分界q化合物形成与电负性关系：两元素电负性差别很小，键化合物形成与电负性关系：两元素电负性差别很小，键合为非极性共价键或金属键；电负性差别增加，键合合为非极性共价键或金属键；电负性差别增加，键合极性增加，倾向于离子性键合。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：几种键合形式同时存在。大多数实际材料键合特点：几种键合形式同时存在。1-2晶体化学基本原理晶体化学基本原理二、晶体中的键型二、晶体中的键型q化学键的概念、种类，分子键的概念化学键的概念、种类，分子键的概念q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、氢键、范式键、氢键的特点、成键方式、强度、形成条件的特点、成键方式、强度、形成条件1-2晶体化学基本原理晶体化学基本原理三、结合能和结合力三、结合能和结合力q原子结合为晶体的原因：原子结合起来后，体原子结合为晶体的原因：原子结合起来后，体系能量降低系能量降低q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，释放出的能量的能量Vq原子间的吸引与排斥：吸引是长程力，源自异原子间的吸引与排斥：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；排斥性电荷库仑引力，远距离时起主要作用；排斥是短程力，源自同性电荷间的库仑力和原子实是短程力，源自同性电荷间的库仑力和原子实周围电子气相互重叠引起的排斥，十分接近时周围电子气相互重叠引起的排斥，十分接近时起主要作用。起主要作用。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 q范德瓦耳斯半径范德瓦耳斯半径、共价半径、离子半径、金属、共价半径、离子半径、金属半径的概念半径的概念1-3典型晶体结构典型晶体结构一、金属晶体一、金属晶体q（一）晶体中的原子排列及典型金属晶体结构：（一）晶体中的原子排列及典型金属晶体结构：最典型结构、堆积特征、密排面、密排面上原子最典型结构、堆积特征、密排面、密排面上原子排列方式、晶格常数与原子半径的关系、间隙排列方式、晶格常数与原子半径的关系、间隙 q（二）晶体中原子间的间隙：八面体、四面体间（二）晶体中原子间的间隙：八面体、四面体间隙、配位数、致密度的概念隙、配位数、致密度的概念 关注计算关注计算1-3典型晶体结构典型晶体结构二、共价晶体二、共价晶体q典型结构：单晶硅（金刚石、低于室温时的典型结构：单晶硅（金刚石、低于室温时的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，四原子骨架状，四原子近邻近邻)；As、Sb、Bi结晶成层状结构结晶成层状结构(片状，三原片状，三原子近邻子近邻)；S、Se、Te螺旋链结构（两原子近邻键螺旋链结构（两原子近邻键合）合）q成键强度：金刚石结构成键强；层状结构层内强，成键强度：金刚石结构成键强；层状结构层内强，层间弱；链结构链内共价键，链间分子键层间弱；链结构链内共价键，链间分子键1-3典型晶体结构典型晶体结构二、共价晶体二、共价晶体q其它重要结构：其它重要结构：闪锌矿和纤锌矿，有极性共价键，是共价晶体的两闪锌矿和纤锌矿，有极性共价键，是共价晶体的两种典型结构种典型结构方石英结构：共价晶体方石英结构：共价晶体SiO2的一种变体，立方的一种变体，立方ZnS结结构构鳞石英结构：共价晶体鳞石英结构：共价晶体SiO2的一种变体，六方的一种变体，六方ZnS结结构构1-3典型晶体结构典型晶体结构三、离子晶体三、离子晶体q负离子配位多面体：以正离子为中心，将周围最负离子配位多面体：以正离子为中心，将周围最近邻配置的各负离子的中心连起来形成的多面体近邻配置的各负离子的中心连起来形成的多面体,负离子配位多面体的形状正离子配位数：配置于负离子配位多面体的形状正离子配位数：配置于正离子周围的负离子数正离子周围的负离子数 三者之间三者之间 关系：关系：1-3典型晶体结构典型晶体结构三、离子晶体三、离子晶体q形成晶体结构的泡林五规则形成晶体结构的泡林五规则 关注用规则分析结构关注用规则分析结构1-3典型晶体结构典型晶体结构四、硅酸盐晶体四、硅酸盐晶体q硅酸盐矿物结构硅酸盐矿物结构关注计算关注计算 q岛状硅酸盐：岛状硅酸盐：q焦硅酸盐：焦硅酸盐：q环状硅酸盐：环状硅酸盐：q链状硅酸盐：链状硅酸盐：q层状硅酸盐：层状硅酸盐：q单链与环状的区别：化学式中单链单链与环状的区别：化学式中单链Si的数量是的数量是1或或2；环状；环状是是3以上以上1-3典型晶体结构典型晶体结构五、高分子晶体五、高分子晶体q(一一)高分子晶体的形成高分子晶体的形成 基本形态基本形态、高分子材料特点高分子材料特点、高分子结构单元高分子结构单元连接特点连接特点、结构形态结构形态、结晶特性结晶特性 (二二)高分子晶体的形态高分子晶体的形态 高分子晶体形貌高分子晶体形貌：结晶高分子较多地具有球晶的：结晶高分子较多地具有球晶的形貌。一个球晶由沿半径垂直方向的多层晶片组形貌。一个球晶由沿半径垂直方向的多层晶片组成。晶片内是缨束状晶区或折叠链晶区。晶片间成。晶片内是缨束状晶区或折叠链晶区。晶片间是无定形的非晶区偏振光显微镜下聚乙烯球晶是无定形的非晶区偏振光显微镜下聚乙烯球晶第二章第二章 晶体的不完整性晶体的不完整性q2-1点缺陷点缺陷q2-2位错位错q2-3表面、界面结构及不完整性表面、界面结构及不完整性 第二章第二章 晶体的不完整性晶体的不完整性q缺陷：晶体中偏离完整性的区域，即造成晶体点阵周期势缺陷：晶体中偏离完整性的区域，即造成晶体点阵周期势场畸变的一切因素场畸变的一切因素 q晶体缺陷分类：晶体缺陷分类：(1)点缺陷（零维缺陷）。其特点是在点缺陷（零维缺陷）。其特点是在X、Y、Z三个方向上的三个方向上的尺寸都很小尺寸都很小(相当于原子的尺寸相当于原子的尺寸)；(2)线缺陷（一维缺陷）。其特点是在两个方向上的尺寸很小，线缺陷（一维缺陷）。其特点是在两个方向上的尺寸很小，另一个方向上的尺寸相对很长；另一个方向上的尺寸相对很长；(3)面缺陷（二维缺陷）。其特点是在一个方向上的尺寸很小，面缺陷（二维缺陷）。其特点是在一个方向上的尺寸很小，另外两个方向上的尺寸很大。另外两个方向上的尺寸很大。2-1点缺陷点缺陷一、点缺陷的类型一、点缺陷的类型q（一）热缺陷（一）热缺陷 弗伦克尔缺陷：原子离开平衡位置后，挤到格子点弗伦克尔缺陷：原子离开平衡位置后，挤到格子点的间隙中，形成间隙离子，而原来位置上形成空的间隙中，形成间隙离子，而原来位置上形成空位，成对产生。位，成对产生。肖特基缺陷：原子获得较大能量，移到表面外新的肖特基缺陷：原子获得较大能量，移到表面外新的位置上去，原来位置则形成空位，空位逐渐转移位置上去，原来位置则形成空位，空位逐渐转移到内部，体积增加。到内部，体积增加。2-1点缺陷点缺陷一、点缺陷的类型一、点缺陷的类型q在晶体中，几种缺陷可以同时存在，但通常有一在晶体中，几种缺陷可以同时存在，但通常有一种是主要的。一般说，正负离子半径相差不大时，种是主要的。一般说，正负离子半径相差不大时，肖特基缺陷是主要的。两种离子半径相差大时弗肖特基缺陷是主要的。两种离子半径相差大时弗伦克尔缺陷是主要的。伦克尔缺陷是主要的。q(二二)组成缺陷组成缺陷 产生和类型产生和类型2-1点缺陷点缺陷一、点缺陷的类型一、点缺陷的类型q(三三)电荷缺陷电荷缺陷 产生产生q(四四)非化学计量结构缺陷非化学计量结构缺陷 产生产生2-1点缺陷点缺陷二、点缺陷的反应与浓度平衡二、点缺陷的反应与浓度平衡q（一）热缺陷（一）热缺陷2-1点缺陷点缺陷二、点缺陷的反应与浓度平衡二、点缺陷的反应与浓度平衡q(二二)组成缺陷和电子缺陷组成缺陷和电子缺陷q(三三)非化学计量缺陷与色心，关注计算非化学计量缺陷与色心，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2-2位错位错一、位错的结构类型一、位错的结构类型q刃型位错、螺型位错、混合型位错的概念刃型位错、螺型位错、混合型位错的概念qBurgers回路与位错的结构特征：回路与位错的结构特征：Burgers矢量矢量、位错强度位错强度、Burgers回路回路 概念概念q位错柏格斯矢量的守恒性位错柏格斯矢量的守恒性 2-2位错位错一、位错的结构类型一、位错的结构类型q位错密度：位错密度：在单位体积晶体中所包含的位错线的总长度。在单位体积晶体中所包含的位错线的总长度。2-2位错位错二、位错的应力场二、位错的应力场q(一一)位错的应力场位错的应力场刃型位错：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的无限长的空心弹性圆柱，圆柱轴与的无限长的空心弹性圆柱，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轴轴相对移动一个距离相对移动一个距离b，然后再粘合起来，然后再粘合起来,畸变状态与畸变状态与含正刃型位错晶体相似，可通过它求出刃型位错含正刃型位错晶体相似，可通过它求出刃型位错的应力场的应力场 2-2位错位错一、位错的结构类型一、位错的结构类型 螺型位错：螺型位错：连续弹性介质模型：弹性圆柱切开至中心，然后将连续弹性介质模型：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，再粘合起来，就得到沿沿z轴的螺型位错模型轴的螺型位错模型 2-2位错位错二、位错的应力场二、位错的应力场q(二二)位错的应变能与线张力位错的应变能与线张力 刃型位错、螺型位错、混合型位错应变能的刃型位错、螺型位错、混合型位错应变能的计计算算q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，晶体能量的增加体能量的增加 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，系统能量变化小于系统能量变化小于mb2，常取，常取 2-2位错位错二、位错的应力场二、位错的应力场q(三三)位错核心位错核心 位错核心错排严重，不能再简化为连续弹性体。以点阵模位错核心错排严重，不能再简化为连续弹性体。以点阵模型解决型解决 派派纳纳(Peierls-Nabarro)模型：实际上是不完全的点阵模型。模型：实际上是不完全的点阵模型。设晶体由被滑移面隔开的两个半块晶体组成。衔接处直接设晶体由被滑移面隔开的两个半块晶体组成。衔接处直接考虑原子间相互作用，内部简化成连续弹性介质。考虑原子间相互作用，内部简化成连续弹性介质。派派-纳模型中位错的能量组成：两部分。纳模型中位错的能量组成：两部分。一是两半晶体中一是两半晶体中的弹性应变能（主要分布于位错核心之外）；另一是滑移的弹性应变能（主要分布于位错核心之外）；另一是滑移面两侧原子互作用能（错排能）（基本集中于位错核心范面两侧原子互作用能（错排能）（基本集中于位错核心范围内）围内）2-2位错位错三、位错的运动三、位错的运动q位错的运动方式：位错的运动方式：刃型位错：滑移：位错线沿着滑移面移动；攀移：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的移动。位错线垂直于滑移面的移动。螺型位错：只作滑移螺型位错：只作滑移2-2位错位错三、位错的运动三、位错的运动q(一一)位错的滑移位错的滑移 三类位错的滑移特性三类位错的滑移特性q位错滑移的驱动力：设想位错受到一种力而运动位错滑移的驱动力：设想位错受到一种力而运动（实际上位错是一种原子组态，力是作用于晶体（实际上位错是一种原子组态，力是作用于晶体中的原子）。使位错发生运动的力。称为位错运中的原子）。使位错发生运动的力。称为位错运动的驱动力。动的驱动力。q注意：驱动力不必一定是外力，晶体内部质点、注意：驱动力不必一定是外力，晶体内部质点、界面或其它位错引起的应力界面或其它位错引起的应力2-2位错位错三、位错的运动三、位错的运动q点阵阻力：源于晶格结构的周期性，滑移面两侧点阵阻力：源于晶格结构的周期性，滑移面两侧原子之间的相互作用力原子之间的相互作用力q派派-纳应力：派纳应力：派-纳模型，提出了为克服点阵阻力推纳模型，提出了为克服点阵阻力推动位错前进所必须的滑移力和相应的切应力：动位错前进所必须的滑移力和相应的切应力：2-2位错位错三、位错的运动三、位错的运动q(二二)位错攀移位错攀移 位错攀移特征：与滑移不同，位错攀移时伴随物位错攀移特征：与滑移不同，位错攀移时伴随物质迁移，需质迁移，需扩散实现。需要热激活，比滑移需要扩散实现。需要热激活，比滑移需要更大的能量。另外，易在多余半原子面边缘产生更大的能量。另外，易在多余半原子面边缘产生曲折曲折q单位长度位错线所受的化学攀移力：单位长度位错线所受的化学攀移力：q单位长度位错线所受的弹性攀移驱动力：单位长度位错线所受的弹性攀移驱动力：2-2位错位错四、位错与缺陷的相互作用四、位错与缺陷的相互作用q(一一)位错之间的相互作用位错之间的相互作用 1 1、位错间的弹性相互作用：位错的弹性应力场间、位错间的弹性相互作用：位错的弹性应力场间发生的干涉和相互作用，将影响到位错的分布和发生的干涉和相互作用，将影响到位错的分布和运动运动 2 2、位错塞积：许多位错被迫堆积在某种障碍物、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，具相同的柏格斯矢量，前，它们来自同一位错源，具相同的柏格斯矢量，障碍物如晶界障碍物如晶界 3.3.位错反应位错反应 :位位错错之之间间的相互的相互转转化。譬如一分化。譬如一分为为二或两合二或两合为为一，一，2-2位错位错四、位错与缺陷的相互作用四、位错与缺陷的相互作用q(二二)位错与点缺陷的相互作用位错与点缺陷的相互作用位错与溶质原子的相互作用能位错与溶质原子的相互作用能 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、间隙原子和位错的互相转化空位、间隙原子和位错的互相转化 2-2位错位错五、位错源与位错增殖五、位错源与位错增殖q（一）位错的来源（一）位错的来源位错产生位错产生q(二二)位错的增殖位错的增殖弗兰克一瑞弗兰克一瑞德德(Frank-Read)源源 弗兰克弗兰克-瑞德源需要施加的应力瑞德源需要施加的应力 弗兰克弗兰克-瑞德源开动的临界瑞德源开动的临界应力应力 双交滑移增殖机构双交滑移增殖机构 单点源单点源 2-3表面、界面结构及不完整表面、界面结构及不完整性性一、晶体的表面一、晶体的表面q(一一)表面力场表面力场固体表面力固体表面力 分子间引力主要来源分子间引力主要来源 q(二二)晶体表面状态晶体表面状态表面能表面能 2-3表面、界面结构及不完整表面、界面结构及不完整性性一、晶体的表面一、晶体的表面q(三三)晶体表面的不均匀性晶体表面的不均匀性完美晶格结构的晶体表面：完美晶格结构的晶体表面：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，所有的原子紧密堆积表面：表面平坦，没有波折，所有的原子距离该表面的平行平面的距离都相等距离该表面的平行平面的距离都相等不紧密堆积的表面：即台阶式的表面，表面有波折。不紧密堆积的表面：即台阶式的表面，表面有波折。2-3表面、界面结构及不完整表面、界面结构及不完整性性二、晶界二、晶界q(一一)晶界几何晶界几何晶界分类：根据位向差晶界分类：根据位向差()的不同，晶界分为两类：的不同，晶界分为两类：(1)(1)小角度晶界小角度晶界-两相邻晶粒的位向差约小于两相邻晶粒的位向差约小于1010；(2)(2)大角度晶界大角度晶界-两晶粒间的位向差较大，一般大于两晶粒间的位向差较大，一般大于1010 以上。以上。(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 2-3表面、界面结构及不完整表面、界面结构及不完整性性二、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一般小角度晶界：旋转轴和界面可任意取向，由刃一般小角度晶界：旋转轴和界面可任意取向，由刃型和螺型位错组合构成。型和螺型位错组合构成。晶界能：晶界上原子排列畸变，增高的能量。主要晶界能：晶界上原子排列畸变，增高的能量。主要来自位错能量（位错密度又决定于晶粒间的位向来自位错能量（位错密度又决定于晶粒间的位向差），随位向差增加而增大，仅适用于差），随位向差增加而增大，仅适用于 15。式。式中为常数，中为常数，A取决于位错中心的原子错排能取决于位错中心的原子错排能2-3表面、界面结构及不完整表面、界面结构及不完整性性二、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：金属多晶体的晶界一般为大角度晶界，多晶体的晶界一般为大角度晶界，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，与范围内，与晶粒之间的位向差无关，大体上为定值。晶粒之间的位向差无关，大体上为定值。(五五)孪晶界孪晶界2-3表面、界面结构及不完整表面、界面结构及不完整性性二、晶界二、晶界q孪晶面孪晶面 q共格孪晶界共格孪晶界 q非共格孪晶界非共格孪晶界 q孪晶形成与堆垛层错的关系孪晶形成与堆垛层错的关系 q孪晶面界面能孪晶面界面能 q(六六)晶界的特性晶界的特性q晶界的特性晶界的特性 第三章第三章 固溶体固溶体q3-1影响固溶度的因素影响固溶度的因素q3-2固溶体各论固溶体各论第三章第三章 固溶体固溶体q固溶体固溶体 q固溶度固溶度 q中间相中间相 q固溶体分类固溶体分类 q溶体的有序和无序分类溶体的有序和无序分类 q有限和无限固溶体分类有限和无限固溶体分类 3-1影响固溶度的因素影响固溶度的因素一、休姆一、休姆-罗瑟里罗瑟里(Hume-Rothery)规律规律q固溶体固溶度的一般规律：固溶体固溶度的一般规律：q1、尺寸因素、尺寸因素:当尺寸因素不利时，固溶度很小；当尺寸因素不利时，固溶度很小；q2、化学亲和力、化学亲和力:稳定中间相（和组元的化学亲和力有稳定中间相（和组元的化学亲和力有关）会使一次固溶体的固溶度下降（中间相自由能曲线低）关）会使一次固溶体的固溶度下降（中间相自由能曲线低）；q3、电子浓度、电子浓度:电子浓度（价电子数和原子数的比值）电子浓度（价电子数和原子数的比值）影响固溶度和中间相稳定性，影响固溶度和中间相稳定性，q（溶质价为（溶质价为v，溶剂价为，溶剂价为V）。还有适用于某些合金系的）。还有适用于某些合金系的“相对价效应相对价效应”，即高价元素在低价中的固溶度大，即高价元素在低价中的固溶度大3-1影响固溶度的因素影响固溶度的因素二、尺寸因素二、尺寸因素q尺寸与溶解度关系尺寸与溶解度关系 q维伽定律维伽定律 q静位移静位移 q尺寸因素对固溶度的影响尺寸因素对固溶度的影响 q15%15%规律规律 q宽容系数宽容系数 3-1影响固溶度的因素影响固溶度的因素三、电价因素三、电价因素q电子浓度与溶解度电子浓度与溶解度 q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 q固溶限度与平均族数固溶限度与平均族数 q离子价对固溶体的影响离子价对固溶体的影响 3-1影响固溶度的因素影响固溶度的因素四、电负性因素四、电负性因素q化学亲和力对固溶体溶解度的影响化学亲和力对固溶体溶解度的影响 q化学亲和力与固溶度化学亲和力与固溶度 q达肯经验规律达肯经验规律 q场强与固溶度场强与固溶度 3-2固溶体各论固溶体各论一、置换固溶体一、置换固溶体q三类固溶体的区分方法三类固溶体的区分方法 q固溶体的计算确定固溶体的计算确定 关注关注q结构相容与置换结构相容与置换 q尺寸因素分析尺寸因素分析 3-2固溶体各论固溶体各论二、间隙固溶体二、间隙固溶体q间隙固溶体间隙固溶体 q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的一些非金属元素。的一些非金属元素。即氢、硼、碳、氮、氧等即氢、硼、碳、氮、氧等q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，但与具体情况有关。相对较大，但与具体情况有关。-Fe中溶入碳原子，八面中溶入碳原子，八面体间隙体间隙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，虽四中，虽四面体间隙大于八面体间隙，但尺寸仍远小于碳，溶解度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，碳在极小。且测定表明，碳在-Fe八面体间隙中八面体间隙中q在无机非金属材料中：可利用的空隙较多。面心立方在无机非金属材料中：可利用的空隙较多。面心立方结构的结构的MgO，四面体空隙可利用；，四面体空隙可利用；TiO2中还有八面体空中还有八面体空隙可利用；隙可利用；CaF2结构中则有配位为八的较大空隙存在结构中则有配位为八的较大空隙存在3-2固溶体各论固溶体各论三、有序固溶体三、有序固溶体q（一）短程有序（一）短程有序-微观不均匀性微观不均匀性q1、无序分布、无序分布 q2、偏聚状态、偏聚状态 q3、有序分布、有序分布 q短程有序短程有序 q“短程序参数短程序参数”q短程序参数短程序参数 3-2固溶体各论固溶体各论三、有序固溶体三、有序固溶体q(二二)长程有序长程有序q长程有序长程有序 q长程序参数长程序参数 q长程序和短程序的不同长程序和短程序的不同 3-2固溶体各论固溶体各论 四、固溶体的理论分析与计算四、固溶体的理论分析与计算 q固溶体中的缺陷、固溶体的密度及晶格参数固溶体中的缺陷、固溶体的密度及晶格参数 关注关注计算计算q1、生成置换型固溶体时的缺陷反应计算（其中、生成置换型固溶体时的缺陷反应计算（其中 为为CaO的溶入摩尔数）的溶入摩尔数）q2、生成填隙型固溶体时的缺陷反应计算（其中、生成填隙型固溶体时的缺陷反应计算（其中 为为CaO的溶入摩尔数）的溶入摩尔数）3-2固溶体各论固溶体各论 五、中间相五、中间相q中间相中间相 q金属中间相特点金属中间相特点 q金属间化合物金属间化合物 q中间相分类中间相分类 3-2固溶体各论固溶体各论 五、中间相五、中间相q（一）电子化合物（一）电子化合物q电子相电子相 q(二二)间隙相间隙相q间隙相间隙相 q间隙相的晶体结构间隙相的晶体结构 q(三三)间隙化合物间隙化合物q间隙化合物间隙化合物 q间隙化合物的晶体结构间隙化合物的晶体结构 q间隙化合物固溶体间隙化合物固溶体 3-2固溶体各论固溶体各论 五、中间相五、中间相q(四四)拓扑密堆相拓扑密堆相q拓扑密堆相：由两种大小不同的原子构成的一类中间相。拓扑密堆相：由两种大小不同的原子构成的一类中间相。大小原子通过适当配合构成空间利用率和配位数都很高的大小原子通过适当配合构成空间利用率和配位数都很高的复杂结构，配位数可达复杂结构，配位数可达12、14、15及及16。具有拓扑学特点。具有拓扑学特点q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。第四章第四章 非晶态固体非晶态固体q非晶态固体：原子在空间排布没有长程序的固非晶态固体：原子在空间排布没有长程序的固体体q非晶态固体范畴：玻璃、非晶态金属及非晶态非晶态固体范畴：玻璃、非晶态金属及非晶态半导体等半导体等q结构是认识和研究物质的基础，然而，非晶态结构是认识和研究物质的基础，然而，非晶态固体的结构比晶体要复杂得多。固体的结构比晶体要复杂得多。第四章第四章 非晶态固体非晶态固体q4-1非晶态固体的特征与表述非晶态固体的特征与表述q4-2非晶态半导体非晶态半导体q4-3非晶态金属非晶态金属q4-4玻璃玻璃q4-5非晶态高分子非晶态高分子4-1 非晶态固体的特征与表述非晶态固体的特征与表述一、非晶态固体的结构特征一、非晶态固体的结构特征q非晶态固体的微结构非晶态固体的微结构 q无序态的类型无序态的类型 q双体相关函数双体相关函数 4-1 非晶态固体的特征与表述非晶态固体的特征与表述二、非晶态固体的结构表征函数二、非晶态固体的结构表征函数q（一）径向分布函数（一）径向分布函数RDFq原子径向分布函数原子径向分布函数 q约化径向分布函数约化径向分布函数 q(二二)结构描述参数结构描述参数q结构精确描述参量结构精确描述参量 4-1 非晶态固体的特征与表述非晶态固体的特征与表述三、非晶态固体的短程序三、非晶态固体的短程序q短程序分类短程序分类 q（一）化学短程序（一）化学短程序（CSRO）q化学短程序化学短程序 q化学短程序参数化学短程序参数 q(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qVoronoi多面体多面体 qVoronoi多面体的指数多面体的指数(Fi)描述描述 qVoronoi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 4-2 非晶态半导体非晶态半导体一、非晶半导体的结构模型一、非晶半导体的结构模型q结构原子间的几何关系定义结构原子间的几何关系定义 q几何短程有序几何短程有序GSRO q几何短程序局域结构参数几何短程序局域结构参数 q1.非晶态固体内的流体静压力非晶态固体内的流体静压力P q2.Von Mises切应力切应力 q3.与近邻原子的球对称性发生椭圆偏离的度量参数与近邻原子的球对称性发生椭圆偏离的度量参数 4-2 非晶态半导体非晶态半导体一、非晶半导体的结构模型一、非晶半导体的结构模型q蚀状组态和交错组态蚀状组态和交错组态 q非晶半导体结构模型非晶半导体结构模型 q微晶模型微晶模型 q非晶子模型非晶子模型 q连续无规网络模型连续无规网络模型(CRN)q描述非晶半导体的两类参量：一类是局域原子团，描述非晶半导体的两类参量：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子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的拓扑特点。团互连成网络的拓扑特点。4-2 非晶态半导体非晶态半导体二、非晶半导体的微结构二、非晶半导体的微结构q硅和锗的结构硅和锗的结构 qIII-V族结构族结构 q硫系非晶半导体结构硫系非晶半导体结构 qa-Si:H薄膜结构薄膜结构 qa-Si:H的两相结构模型的两相结构模型 4-3 非晶态金属非晶态金属一、非晶态金属和合金一、非晶态金属和合金的结构模型的结构模型q微晶、非晶团模型及偏离微晶、非晶团模型及偏离 q硬球无规密堆模型硬球无规密堆模型(DRPHS)q局域短程序特征的描述局域短程序特征的描述 qBernal空洞空洞 qVoronoi多面体多面体 q硬球无规密堆的（仅仅）五种不同硬球无规密堆的（仅仅）五种不同Bernal空洞空洞 q硬球无规密堆模型中的硬球无规密堆模型中的Voronoi多面体多面体 4-3 非晶态金属非晶态金属一、非晶态金属和合金的结构一、非晶态金属和合金的结构模型模型qGaske1l的过渡金属类金属多面体模型的过渡金属类金属多面体模型三棱三棱柱多面体柱多面体q非晶结构中的局域结构单元与晶体的差别非晶结构中的局域结构单元与晶体的差别 q非晶体最近邻分布的非晶体最近邻分布的Voronoi多面体多面体 4-3 非晶态金属非晶态金属二、非晶态金属的微结构二、非晶态金属的微结构q非晶态材料的微结构非晶态材料的微结构 q非晶态材料中的局域晶场非晶态材料中的局域晶场（一）几何微结构（一）几何微结构非晶态金属的几何微结构非晶态金属的几何微结构 非晶态金属中的应力与微结构非晶态金属中的应力与微结构(二二)化学微结构化学微结构非晶态金属的化学微结构非晶态金属的化学微结构(三三)磁各向异性与微结构磁各向异性与微结构4-4 玻璃玻璃一、玻璃结构理论一、玻璃结构理论q（一）玻璃结构的无规网络学说（一）玻璃结构的无规网络学说q氧化物玻璃结构氧化物玻璃结构 q形成稳定网络结构满足的四条规则形成稳定网络结构满足的四条规则q玻璃的无规则网络结构玻璃的无规则网络结构 q氧化物玻璃中的三种氧化物类型氧化物玻璃中的三种氧化物类型 q(二二)玻璃结构的微晶子学说玻璃结构的微晶子学说q列别捷夫晶子观点列别捷夫晶子观点 q兰德尔微晶学说兰德尔微晶学说 4-4 玻璃玻璃一、玻璃结构理论一、玻璃结构理论q玻璃结构的微晶学说玻璃结构的微晶学说 q无规则网络学说与微晶学说比较统一的看法无规则网络学说与微晶学说比较统一的看法 q(三三)常见玻璃的微观结构常见玻璃的微观结构q1、硅酸盐玻璃、硅酸盐玻璃q桥氧与网络的关系桥氧与网络的关系 q“逆性玻璃逆性玻璃”q2、硼酸盐玻璃：、硼酸盐玻璃：q3、磷酸盐玻璃：、磷酸盐玻璃：4-4 玻璃玻璃二、玻璃的转变二、玻璃的转变q转变温度区转变温度区 q转变温度范围微观过程转变温度范围微观过程 q转变温度范围附近的结构变化情况转变温度范围附近的结构变化情况 q“假想温度假想温度”4-4 玻璃玻璃三、玻璃化的条件三、玻璃化的条件（一）热力学与动力学条件（一）热力学与动力学条件玻璃的不稳（亚稳）性玻璃的不稳（亚稳）性 玻璃的稳定存在玻璃的稳定存在 容积分率容积分率 玻璃形成能力的判断玻璃形成能力的判断三三T图图 在时间在时间t内单位体积的结晶内单位体积的结晶VL/V 玻璃生成的主要动力学因素玻璃生成的主要动力学因素 4-4 玻璃玻璃三、玻璃化的条件三、玻璃化的条件q(二二)结晶化学条件结晶化学条件q阴离子集团对玻璃形成的影响阴离子集团对玻璃形成的影响 q化学键性质对玻璃的形成的影响化学键性质对玻璃的形成的影响 q化学键强度的影响化学键强度的影响 4-5非晶态高分子非晶态高分子一、非晶态高分子的结构模型一、非晶态高分子的结构模型q(一一)无规线团模型无规线团模型 q理论基础是高分子溶液理论理论基础是高分子溶液理论 q非晶态高分子无规线团模型非晶态高分子无规线团模型 q高分子的自由体积高分子的自由体积 q(二二)局部有序模型局部有序模型q高分子的两种结构单元高分子的两种结构单元 q粒子相与粒间相的形态粒子相与粒间相的形态 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 q玻璃化转变玻璃化转变 q玻璃化转变时的特性变化玻璃化转变时的特性变化 q自由体积理论自由体积理论 q自由体积与温度及热膨胀的关系自由体积与温度及热膨胀的关系 q高弹态在某温度高弹态在某温度T时的自由体积时的自由体积 q玻璃态自由体积状态玻璃态自由体积状态 第五章第五章 固体材料中的质点运动与迁固体材料中的质点运动与迁移移q5-1晶格中原子的运动与扩散晶格中原子的运动与扩散q5-2扩散机制及影响扩散的因素扩散机制及影响扩散的因素5-1 晶格中原子的运动与扩散晶格中原子的运动与扩散一、热缺陷的运动、产生与复合一、热缺陷的运动、产生与复合q扩散现象的本质扩散现象的本质 q1、通过填隙途径迁移、通过填隙途径迁移 q2、通过空位的机构而迁移、通过空位的机构而迁移 5-1 晶格中原子的运动与扩散晶格中原子的运动与扩散二、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5-1 晶格中原子的运动与扩散晶格中原子的运动与扩散三、扩散系数三、扩散系数q（一）自扩散系数（一）自扩散系数q扩散系数扩散系数 q扩散的宏观现象扩散的宏观现象 q扩散系数与原子迁移的关系扩散系数与原子迁移的关系 q迁移频率迁移频率 q实际扩散系数（对极稀的实际扩散系数（对极稀的fcc结构的间隙固溶体）结构的间隙固溶体）q自扩散系数自扩散系数 5-1 晶格中原子的运动与扩散晶格中原子的运动与扩散三、扩散系数三、扩散系数q(二二)偏扩散系数偏扩散系数q偏扩散系数偏扩散系数 q偏扩散系数的热力学分析：例如偏扩散系数的热力学分析：例如CoO和和NiO二元系二元系统的扩散统的扩散 q(三三)交互扩散系数交互扩散系数达肯方程达肯方程q1.克根达尔克根达尔(Kirkendall)效应效应 q2、达肯、达肯(Darken)公式公式 5-2扩散机制及影响扩散的因素扩散机制及影响扩散的因素一、扩散机制一、扩散机制q（一）空位扩散（一）空位扩散q空位扩散机制空位扩散机制 q实现空位扩散的两个条件实现空位扩散的两个条件 q原子跳动频率原子跳动频率 q扩散系数扩散系数D q（二）间隙扩散（二）间隙扩散q间隙扩散机制间隙扩散机制 q稀薄间隙固溶体间隙原子的扩散系数稀薄间隙固溶体间隙原子的扩散系数 q（三