无机材料化学(第4讲)课件.ppt

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1、第二章无机材料的晶体结构与缺陷2.1晶态与非晶态2.2化学键和晶体的类型2.3等径球体密堆积2.4鲍林（Pauling）规则2.5无机材料典型晶体结构2.6间隙相和间隙化合物2.7晶体结构的缺陷2.7晶体结构的缺陷理想晶体只能是绝对纯物质在绝对零度以下及与环境无物质交换作用的系统中存在。实际晶体往往是不完整(善)的，表现在：质点围绕平衡位置作热振动；晶体内不同程度的混有杂质；晶体与环境有某种程度的物质交换；晶体内局部或多或少会偏离理想的周期构造。如：出现空位、间隙原子、杂质原子及原子错置等。实际晶体因

2、种种原因存在着的偏离理想完整点阵的部位或结构称为晶体缺陷（crystaldefect）。晶体缺陷的重要性：固相反应及烧结等许多高温物理化学过程与晶体缺陷密切相关。没有缺陷的存在和运动，这些过程就无法进行。无机材料的光、电及磁学等性质都与晶体缺陷有关。(1)发光材料、半导体材料、超导材料等都和缺陷的种类和浓度相关；(2)固体电解质的导电性与缺陷的存在及运动相关；(3)催化剂表面的晶格畸变、空位等缺陷构成了催化反应的活心中心。晶体缺陷的缺点：对材料的机械性能有很大影响。如：线缺陷和面缺陷可使理想晶体的理论

3、屈服强度降低。缺陷对材料性能产生重要影响，许多特殊性能材料的设计和制造都是通过对其中点缺陷的控制来实现。研究晶体缺陷有助于理解材料的性能。晶体缺陷是无机材料化学和固体化学的重要组成部分和研究内容。缺陷化学：研究点缺陷的生成、点缺陷的平衡、点缺陷间的作用、点缺陷的存在对固体性质的影响及如何控制固体中点缺陷的种类和浓度等。2.7.1缺陷的分类晶体中的缺陷，根据其影响范围或在空间的延伸尺度可分为：点缺陷（零维缺陷）——线缺陷（一维缺陷）——位错面缺陷（二维缺陷）——晶界、表面、相界面体缺陷（三维缺陷）——出

4、现分相(异相)空位填隙原子杂质原子点缺陷是一种局部错乱，其产生仅限于单个原子或格点上，虽然直接包围着缺陷的原子也受到某种扰动，但其影响只在邻近的几个原子范围内，在三维方向上的尺寸都很小。（1）点缺陷(a)、(b)置换型；(c)间隙型；(d)产生空位晶格畸变的几种情况点缺陷引起晶体中周期性势场改变，并使晶格发生局部畸变。点缺陷的存在(或表现)形式空　位：　晶格中本应有原子之处出现了空缺。间隙原子：在晶格空(间)隙位置上存在的原子。杂质原子：外来原子位于基体原子的位置或空隙处。原子错置：AB晶体中，A占B

5、的位置，B占A的位置。原子性缺　陷(杂质原子)导带中的电子和价带中的空穴属于电子性缺陷电荷缺陷示意图电子：从格点原子外层失去的价电子进入晶格或占据阴离子空位。一般指可移动的导电电子。空穴：原子失去价电子而形成的空的能量状态。是可移动的荷电物种。电子性缺　陷理想晶体，导带全空，价带全满，不导电；当受热能或其他能量激发时，电子跃迁至导带中，而在价带中留下空穴，电子和空穴形成了一个附加电场，物质利用电子或空穴导电。晶体中沿一条线附近原子排列偏离理想晶体点阵结构。特点：在三维方向上只沿一维方向延伸。线缺陷主要

6、是晶体中存在的各式各样的位错。位错是指晶体中某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象。位错存在影响晶体的力、电、光学等性质，对相变和扩散等过程也有重大的影响。位错有两种基本类型：刃型位错和螺型位错。（2）线缺陷刃位错及其原子结构模型刃型位错设有一简单立方晶体，其上半部分相对于下半部分滑移了一个原子间距，结果在滑移面的上半部分出现了多余的半个原子面，这半个原子面象一把刀插入晶体中，形成刃位错。线缺陷（位错）并非几何上意义的线，而是以该线为中心的圆柱状区域。通常将晶体上半部多出的原子面的位错称为正刃型位

7、错，用符号“⊥”表示(或插入局部原子面)；而把晶体下半部多出原子面的位错称为负刃型位错，用符号“┬”表示(或抽出局部原子面)。⊥⊥⊥螺型位错螺型位错设想用刀子将晶体切开一部分，并使两边晶体相对滑移一个原子间距，在已滑移区和未滑移区边界线附近原子失去晶格周期性，发生错排，构成螺位错缺陷。螺型位错及其原子结构模型位错线周围原子螺型排列园圈和黑点分别代表滑移处上面和下面的原子排列。上下面各移动1/2原子间距质点在一个交界面的两侧出现不同排列的缺陷。面缺陷是发生在晶格二维平面上的缺陷。特　点：在三维方向上沿两

8、维方向延伸。如：具有镶嵌结构的两块晶粒之间的界面。由小的单晶晶粒组成的固体，不同取向的晶粒之间的界面称为晶粒间界。晶粒间界附近的原子排列比较紊乱，构成面缺陷。（3）面缺陷晶界的过渡结构示意图面缺陷包括两类：晶体的外表面和晶体中的内界面。内界面又包括:晶界、相界、堆垛层错。这些界面通常只有几个原子层厚，而界面面积远远大于其厚度，因此称为面缺陷。面缺陷对材料的力学、物理、化学性能都有影响。单晶体　多晶体面缺陷举例钢中的晶粒（其中黑线为晶界）陶瓷中的晶粒和晶界