固體中的原子無(wú)序課件

1、固體中的原子無(wú)序固體中的原子無(wú)序 2-6 固體中的原子無(wú)序 (Imperfections in Solids) 2-6-1 固溶體(Solid Solution)： 雜質(zhì)原子（或離子、分子）均勻分布（溶）于基質(zhì)晶格中的固體 通常特征：雜質(zhì)和基質(zhì)原子共同占據(jù)原基質(zhì)的晶格點(diǎn)陣； 有一定的成分范圍 - 固溶度 1. 根據(jù)相圖劃分： 1) 端部固溶體(初級(jí)固溶體): 包括純組分的固溶體 相圖端部 2) 中部固溶體(二次固溶體): 0任一組元100 相圖中部 （無(wú)任一組元的結(jié)構(gòu)，以化合物為基） 2-6 固體中的原子無(wú)序 (Imperfections i返回上頁(yè)返回上頁(yè) 2. 根據(jù)溶質(zhì)在點(diǎn)陣中的位置劃分：

2、 1) 置換型固溶體(Substitutional solid solution)： 晶體原 (離)子被其它原(離)子部分代換后形成 置換量不同可： 完全互溶； 不形成固溶體 部分互溶； Figure 5.5 2. 根據(jù)溶質(zhì)在點(diǎn)陣中的位置劃分： 置換量不同 影響置換因素：下列諸因素相同（近）易置換；否則難成固溶體 A. 離子大小: 同晶型時(shí) 半徑差 15， 完全互溶 2040%， 部分互溶 難置換 B鍵性（極化）: Zn+（共價(jià)性） Fe+(離子性) C. 晶體結(jié)構(gòu)類(lèi)型和晶胞大小 D電價(jià): 電價(jià)差使置換難（大晶胞中需其它離子補(bǔ)足） 影響置換因素：下列諸因素相同（近）易置換；否則難成固溶 2）間

3、隙型固溶體 (Interstitial solid solution) ： 較小的原子進(jìn)入晶格間隙形成的固溶體 影響因素： A 晶格結(jié)構(gòu)的空隙大小 B 間隙離子進(jìn)入后需空位或其它高價(jià)反電荷離子 以置換方式平衡電中性。Figure 5.5 2）間隙型固溶體 (Interstitial solid 固溶體的理論密度： c = N A V NA N、V 分別為晶胞的原子數(shù)和體積 A 為固溶體平均相對(duì)原子質(zhì)量 NA為阿佛伽德羅常數(shù) 測(cè)定固溶體實(shí)際密度 e 若: c e : 間隙式 c = e : 置換式 c e : 缺位式 （缺陣點(diǎn)原子）固溶體的判斷 固溶體的理論密度：固溶體的判斷 3）非化學(xué)計(jì)量化合

4、物 (Nonstoichiometric)： 組分比偏差于化學(xué)式的化合物 （含變價(jià)離子） 實(shí)質(zhì)是由金屬的高氧化態(tài)和低氧化態(tài)形成的固溶體 其電中性(electroneutrality)由空孔或間隙離子平衡Figure 5.4 3）非化學(xué)計(jì)量化合物 (Nonstoichiometr 3. 根據(jù)固溶度劃分： 1) 有限固溶體： 固溶度 100% 2) 無(wú)限固溶體(連續(xù)固溶體)： 固溶度 0 100% 2) 有序固溶體：各組元原子分別占據(jù)各自的分點(diǎn)陣， 分點(diǎn)陣穿插成 復(fù)雜的超點(diǎn)陣 4根據(jù)各組元原子分布的規(guī)律性劃分： 1) 無(wú)序固溶體：組元原子的分布是隨機(jī)的 3. 根據(jù)固溶度劃分： 2) 有序固溶體：各

5、組 2-6-2 晶體結(jié)構(gòu)缺陷 (Defects in Crystals) 晶體中原子排列的周期性受到破壞的區(qū)域，分： 1. 點(diǎn)缺陷(Point Defect)：任何方向尺寸都遠(yuǎn)小于晶體線度的缺陷區(qū) 空位 (vacancy)： (a)無(wú)原子的陣點(diǎn)位置 間隙原子(Self-interstitial)： (d)擠入點(diǎn)陣間隙的原子 肖特基缺陷 (Schottky Defect)：(c)離子對(duì)空位 弗蘭克爾缺陷(Frenkel Defect)：(e)等量的正離子空位和正離子間隙(b)雙空位 2-6-2 晶體結(jié)構(gòu)缺陷 (Defects in CrysEXAMPLE PROBLEM 5.1Calculate

6、 the equilibrium number of vacancies per cubic meter for copper at1000 . The energy for vacancy formation is 0.9 eV/atom; the atomic weight and density (at 1000) for copper are 63.5 g/mol and 8.40 g/cm3, respectively.SOLUTIONThis problem may be solved by using Equation 5.1; it is first necessary, ho

7、wever,to determine the value of N, the number of atomic sites per cubic meter for copper, from its atomic weight ACu , its density , and Avogadros number NA, according toEXAMPLE PROBLEM 5.1固體中的原子無(wú)序課件Figure 5.3Figure 5.3 2. 線缺陷(位錯(cuò)Dislocation)： 僅一維尺寸可與晶體線度比擬的缺陷 一或數(shù)列原子發(fā)生有規(guī)則的錯(cuò)排 EF BB 1） 棱位錯(cuò)(刃位錯(cuò) Edge Dis

8、location) 位錯(cuò)線與滑移方向(柏格斯矢量)垂直壓力、拉力 2. 線缺陷(位錯(cuò)Dislocation)： 僅一維Figure 5.7Figure 5.7 2）螺旋位錯(cuò)(Screw Dislocation)： 位錯(cuò)線與滑移方向(柏格斯矢量)平行 與位錯(cuò)線垂直的平面在螺旋斜面 受剪切力作用易發(fā)生 AD BB 2）螺旋位錯(cuò)(Screw Dislocation)： FIGURE 5.8 (FIGURE 5.8 (位錯(cuò)有兩個(gè)特征： 一個(gè)是位錯(cuò)線的方向，它表明給定點(diǎn)上位錯(cuò)線的方向， 如EF， AD，用單位矢量表示， 另一個(gè)是為了表明位錯(cuò)存在時(shí)，晶體一側(cè)的質(zhì)點(diǎn)相對(duì)另 一側(cè)質(zhì)點(diǎn)的位移，用一個(gè)柏格斯矢量

9、b 表示。 它是指該位錯(cuò)的單位滑移距離，其方向和滑移方向平行 b = 0 相互垂直，純棱位錯(cuò) b = - b 相互逆向平行，純螺旋位錯(cuò)位錯(cuò)有兩個(gè)特征： b = 0 相互垂直，柏格斯矢量 (Burgers Vector)柏格斯回路柏格斯矢量 (Burgers Vector)柏格斯回路右手規(guī)則： 拇指-位錯(cuò)線方向 四指轉(zhuǎn)向-柏格斯回路轉(zhuǎn)向右手規(guī)則： 拇指-位錯(cuò)線方向固體中的原子無(wú)序課件混合位錯(cuò)FIGURE 5.9 混合位錯(cuò)FIGURE 5.9 位錯(cuò)密度：n l / A l = n / AFIGURE 5.9位錯(cuò)密度：n l / A l = n / AFIGURE 5滑移 外力推動(dòng)爬移 空位和間隙原

10、子無(wú)缺陷滑移 外力推動(dòng)爬移 空位和間隙原子無(wú)缺陷 3. 面缺陷 (Interfacial Defects)： 僅一平面方向上尺寸可與晶體線度比擬的缺陷 如由一系列刃位錯(cuò)排列成一個(gè)平面形成的缺陷 4體缺陷 (Volume Defects)： 各方向尺寸均可與晶體線度比擬的缺陷 如 空洞、嵌塊等。 3. 面缺陷 (Interfacial Defects 2-6-3 非晶體 (Noncrystalline) 1非晶材料： 結(jié)構(gòu)在體積范圍內(nèi) 缺乏重復(fù)性 的材料 （非晶型、無(wú)定形 amorphous） 無(wú)平移對(duì)稱(chēng)，無(wú)長(zhǎng)程有序，原子位置排布完全無(wú)周期性， 具有統(tǒng)計(jì)規(guī)律。 （密亂堆垛，無(wú)規(guī)網(wǎng)絡(luò)等） 2-6-

11、3 非晶體 (Noncrystalline) 2 分布函數(shù)： 徑向分布函數(shù)：J(r) = 4r2 (r) 雙體分布函數(shù)：以某原子為原點(diǎn)， 距離r 處找到另一原子的幾率 g(r) = (r) / 0 (r) 為r 處原子的數(shù)目密度； 0 為整個(gè)樣品的平均原子數(shù)密度 可求兩個(gè)參數(shù)： 配位數(shù)：第一峰面積 原子間距：峰位置 2 分布函數(shù)：可求兩個(gè)參數(shù)：固體中的原子無(wú)序課件3、非晶態(tài)結(jié)構(gòu)模型 微晶（不連續(xù)）無(wú)規(guī)拓樸（連續(xù)）3、非晶態(tài)結(jié)構(gòu)模型 微晶（不連續(xù)）無(wú)規(guī)拓樸（連續(xù)）除四面體外， 有八、十二、十四面體： 6%， 4%， 4%密度上限： 0.637 （真密堆：0 .74）A. 硬球無(wú)序密堆致密度除四面

12、體外， 有A. 硬球無(wú)序密堆致密度B.無(wú)規(guī)網(wǎng)絡(luò)(二氧化硅玻璃)橋氧鍵角變化較大B.無(wú)規(guī)網(wǎng)絡(luò)橋氧鍵角變化較大 2-6-4 擴(kuò)散(Diffusion) 1 擴(kuò)散現(xiàn)象：原子（或分子）通過(guò)熱運(yùn)動(dòng)改變位置而移動(dòng)Chapter 6 2-6-4 擴(kuò)散(Diffusion)Chapte 1)自擴(kuò)散(self-diffusion)： 純固體中，同種元素的原子 從一個(gè)點(diǎn)陣位置移動(dòng)到另一個(gè)點(diǎn)陣位置 2) 互擴(kuò)散(interdiffusion)： 不同種元素接觸后原子相互移動(dòng)換位 1)自擴(kuò)散(self-diffusion)： 純固體 3) 擴(kuò)散的原因 原子不是靜止的； 原子圍繞其平衡位置進(jìn)行小振幅的振動(dòng)； 部分原子具

13、有足夠振幅，位置移動(dòng)。 溫度影響擴(kuò)散；晶體中的缺陷類(lèi)型和數(shù)量影響擴(kuò)散。 2 擴(kuò)散機(jī)制（Diffusion Mechanisms） 1) 晶體 空位擴(kuò)散(Vacancy Diffusion)：一個(gè)原子與一個(gè)相鄰空位交換位置 多數(shù)金屬和置換固溶體 間隙擴(kuò)散(Interstitial Diffusion)：間隙式固溶體 H, C, N, O 直接交換機(jī)制：極難，很少發(fā)生 下頁(yè) 3) 擴(kuò)散的原因 2 擴(kuò)散機(jī)制（DifFigure 6.3 Figure 6.3 擴(kuò)散通道：沿位錯(cuò)、晶界、外表面 擴(kuò)散的激活能(Activation Energy) Q ： 擴(kuò)散系數(shù)(Diffusion Coefficient

14、) D = D o e Q/RT金屬Section 6.5擴(kuò)散通道：沿位錯(cuò)、晶界、外表面 擴(kuò)散的激活能(Acti金屬的擴(kuò)散激活能 (kcal/mol) Tm Q金屬的擴(kuò)散激活能 (kcal/mol) 離子材料的擴(kuò)散激活能 空位機(jī)制離子材料的擴(kuò)散激活能 摻雜: 中溫時(shí)少量雜質(zhì)能加速擴(kuò)散 NaCl中加CdCl2后鈉離子擴(kuò)散系數(shù)的變化 摻雜: NaCl中加CdCl2后鈉離子擴(kuò)散系數(shù)的變化 2）非晶體 無(wú)序結(jié)構(gòu)，有空穴，通過(guò)自由體積進(jìn)行（缺陷）。 在長(zhǎng)鏈聚合物中（高分子）擴(kuò)散有： 自擴(kuò)散：包括分子鏈段的運(yùn)動(dòng)，并且與材料的粘滯流動(dòng)相關(guān)。 外來(lái)分子的擴(kuò)散：關(guān)系到聚合物呈現(xiàn)的滲透性和吸收性能。 滲透性：高分子膜的分離，耐腐蝕性，分子間隙 吸收性：引起溶脹，化學(xué)反應(yīng)。 2）非晶體 4 擴(kuò)散的數(shù)學(xué)模型 穩(wěn)態(tài)(Steady-state)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)垂直于給定方向的單位面積的 凈原子數(shù)（通量），不隨時(shí)間變化 Fick第一