固体中的原子无序课件.ppt

1、固体中的原子无序 2-6 固体中的原子无序固体中的原子无序(Imperfections in Solids)2-6-1 固溶体固溶体(Solid Solution)：杂质原子（或离子、分子）均匀分布（溶）于基质晶格中的固体 通常特征：杂质和基质原子共同占据原基质的晶格点阵；有一定的成分范围 -固溶度 1.根据相图相图划分：1)端部端部固溶体(初级固溶体):包括纯组分的固溶体 相图端部端部 2)中部中部固溶体(二次固溶体):0任一组元100 相图中部中部 （无任一组元的结构，以化合物为基）返回上页 2.根据溶质在点阵中的位置划分根据溶质在点阵中的位置划分：1)置换型固溶体置换型固溶体(Subst

2、itutional solid solution)：晶体原(离)子被其它原(离)子部分代换后形成 置换量不同可：完全互溶；完全互溶；不形成固溶体不形成固溶体 部分互溶；部分互溶；Figure 5.5 影响置换因素影响置换因素：下列诸因素相同（近）易置换；否则难成固溶体 A.离子大小离子大小:同晶型同晶型时 半径差 15，完全互溶 2040%，部分互溶 难置换 B键性键性（极化）:Zn+（共价性）Fe+(离子性)C.晶体结构晶体结构类型和晶胞大小 D电价电价:电价差使置换难（大晶胞中需其它离子补足）2）间隙型固溶体间隙型固溶体(Interstitial solid solution)：较小的原子

3、进入晶格间隙形成的固溶体 影响因素影响因素：A 晶格结构的空隙大小空隙大小 B 间隙离子进入后需空位或其它高价反电荷离子 以置换方式平衡电中性电中性。Figure 5.5 固溶体的理论密度理论密度：c =N A V NA N、V 分别为晶胞的原子数和体积 A 为固溶体平均相对原子质量 NA为阿佛伽德罗常数 测定固溶体实际密度实际密度 e 若:c e :间隙式 c =e :置换式 c e :缺位式（缺阵点原子）固溶体的固溶体的判断判断 3）非化学计量化合物非化学计量化合物(Nonstoichiometric)：组分比偏差于偏差于化学式的化合物 （含变价离子）实质是由金属的高氧化态和低氧化态高氧化

4、态和低氧化态形成的固溶体 其电中性电中性(electroneutrality)由空孔或间隙离子平衡Figure 5.4 3.根据固溶度固溶度划分：1)有限固溶体：固溶度 100%2)无限固溶体(连续固溶体)：固溶度 0 100%2)有序固溶体：各组元原子分别占据各自的分点阵，分点阵穿插成 复杂的超点阵 4根据各组元原子分布的规律性原子分布的规律性划分：1)无序固溶体：组元原子的分布是随机的 2-6-2 晶体结构缺陷晶体结构缺陷(Defects in Crystals)晶体中原子排列的周期性受到破坏的区域周期性受到破坏的区域，分：1.点缺陷点缺陷(Point Defect)：任何方向尺寸都远小于

5、晶体线度的缺陷区 空位空位(vacancy)：(a)无原子无原子的阵点位置 间隙原子间隙原子(Self-interstitial)：(d)挤入点阵间隙间隙的原子 肖特基缺陷肖特基缺陷(Schottky Defect)：(c)离子对离子对空位 弗兰克尔缺陷弗兰克尔缺陷(Frenkel Defect)：(e)等量等量的正离子空位和正离子间隙(b)双空位EXAMPLE PROBLEM 5.1Calculate the equilibrium number of vacancies per cubic meter for copper at1000.The energy for vacancy for

6、mation 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,however,to determine the value of N,the number of atomic sites per cubic meter for copper,from its atomic w

7、eight ACu,its density,and Avogadros number NA,according toFigure 5.3 2.线缺陷线缺陷(位错位错Dislocation)：仅一维尺寸可与晶体线度比拟的缺陷 一或数列列原子发生有规则的错排有规则的错排 EF BB 1）棱位错棱位错(刃位错刃位错 Edge Dislocation)位错线与滑移方向(柏格斯矢量)垂直垂直压力、拉力压力、拉力Figure 5.7 2）螺旋位错螺旋位错(Screw Dislocation)：位错线与滑移方向(柏格斯矢量)平行平行 与位错线垂直的平面在螺旋斜面螺旋斜面 受剪切力剪切力作用易发生 AD BB

8、FIGURE 5.8(位错有两个特征两个特征：一个是位错线的方向，它表明给定点上位错线的方向给定点上位错线的方向，如EF，AD，用单位矢量单位矢量表示，另一个是为了表明位错存在时，晶体一侧的质点相对另晶体一侧的质点相对另 一侧质点的位移一侧质点的位移，用一个柏格斯矢量柏格斯矢量 b 表示。它是指该位错的单位滑移距离，其方向和滑移方向平行 b=0 相互垂直，纯棱位错 b=-b 相互逆向平行，纯螺旋位错柏格斯矢量柏格斯矢量(Burgers Vector)柏格斯回路柏格斯回路右手规则右手规则：拇指拇指-位错线方向 四指转向四指转向-柏格斯回路转向混合位错混合位错FIGURE 5.9 位错密度位错密度

9、：n l/A l=n/AFIGURE 5.9滑移滑移 外力推动外力推动爬移爬移 空位和间隙原子空位和间隙原子无缺陷无缺陷 3.面缺陷面缺陷 (Interfacial Defects)：仅一平面方向上尺寸可与晶体线度比拟的缺陷 如由一系列刃位错一系列刃位错排列成一个平面形成的缺陷 4体缺陷体缺陷(Volume Defects)：各方向尺寸均可与晶体线度比拟的缺陷 如 空洞、嵌块等。2-6-3 非晶体非晶体(Noncrystalline)1非晶材料非晶材料：结构在体积范围内 缺乏重复性缺乏重复性 的材料 （非晶型、无定形 amorphous）无平移对称，无长程有序，原子位置排布完全无周期性无平移对

10、称，无长程有序，原子位置排布完全无周期性，具有统计规律。（密乱堆垛，无规网络等）2 分布函数分布函数：径向分布函数径向分布函数：J(r)=4r2(r)双体分布函数双体分布函数：以某原子为原点，距离r 处找到另一原子的几率 g(r)=(r)/0 (r)为r 处处原子的数目密度；0 为整个样品的平均平均原子数密度 可求两个参数：配位数：第一峰面积配位数：第一峰面积 原子间距：峰位置原子间距：峰位置3、非晶态结构模型结构模型 微晶微晶（不连续）无规拓朴无规拓朴（连续）除四面体外，有八、十二、十四面体：6%，4%，4%密度上限上限：0.637 （真密堆：真密堆：0.74）A.硬球无序密堆硬球无序密堆致

11、密度致密度B.无规网络无规网络(二氧化硅玻璃)桥氧键角变化较大 2-6-4 扩散扩散(Diffusion)1 扩散现象扩散现象：原子（或分子）通过热热运动改变位置位置而移动Chapter 6 1)自扩散自扩散(self-diffusion)：纯固体中，同种元素同种元素的原子 从一个点阵位置移动到另一个点阵位置 2)互扩散互扩散(interdiffusion)：不同种元素不同种元素接触后原子相互移动换位 3)扩散的原因扩散的原因 原子不是静止的；原子围绕其平衡位置进行小振幅的振动振动；部分原子具有足够振幅，位置移动。温度温度影响扩散；晶体中的缺陷类型和数量缺陷类型和数量影响扩散。2 扩散机制扩散

12、机制（Diffusion Mechanisms）1)晶体晶体 空位扩散空位扩散(Vacancy Diffusion)：一个原子与一个相邻空位交换位置 多数金属和置换固溶体 间隙扩散间隙扩散(Interstitial Diffusion)：间隙式固溶体 H,C,N,O 直接交换直接交换机制：极难，很少发生 下页Figure 6.3 扩散通道扩散通道：沿位错、晶界、外表面位错、晶界、外表面 扩散的激活能激活能(Activation Energy)Q：扩散系数扩散系数(Diffusion Coefficient)D=D o e Q/RT金属金属Section 6.5金属的扩散激活能金属的扩散激活能

13、(kcal/mol)Tm Q离子材料的扩散激活能离子材料的扩散激活能 空位机制空位机制 掺杂掺杂:中温时少量杂质能加速扩散 NaCl中加CdCl2后钠离子扩散系数的变化 2）非晶体非晶体 无序结构，有空穴，通过自由体积自由体积进行（缺陷）。在长链聚合物聚合物中（高分子）扩散有：自扩散自扩散：包括分子链段的运动，并且与材料的粘滞流动相关。外来分子外来分子的扩散：关系到聚合物呈现的渗透性和吸收性能。渗透性渗透性：高分子膜的分离，耐腐蚀性，分子间隙 吸收性吸收性：引起溶胀，化学反应。4 扩散的数学模型扩散的数学模型 稳态稳态(Steady-state)：单位时间时间内通过垂直于给定方向的单位面积面积的 净原子数净原子数（通量），不随时间变化 Fick第一定律第一定律：Jx=-D c/x Jx：扩散通量 (Diffusion Flux)D：扩散系数，cm2/s (Diffusion Coefficient)c/x：浓度梯度 (Concentration Gradient)非稳态非稳态（Nonsteady-state）：Fick第二定律第二定律：c/t=D 2c/x2 c 为物质的体积浓度，x 为距离。边界条件求解。Section 6.3