1、2-6 固體中的原子無序,Imperfections in Solids Defects in Crystals Point, vacancy and self- interstitial Frenkel and Schottky defect, Stoichiometry Linear, edge and screw dislocation, Burgers Vector Interfacial, Bulk Solid Solution (alloys) substitutional and interstitial Noncrystalline Diffusion,Chapter 5,2-

2、6 固體中的原子無序 (Imperfections in Solids) 2-6-1 固溶體(Solid Solution)： 雜質原子（或離子、分子）均勻分布（溶）于基質晶格中的固體 通常特征：雜質和基質原子共同占據(jù)原基質的晶格點陣； 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 （無任一組元的結構，以化合物為基）,返回上頁,2. 根據(jù)溶質在點陣中的位置劃分： 1) 置換型固溶體(Substitutional solid solution)： 晶體原 (離)子被

3、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,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 半徑差 15， 完全互溶 2040%， 部分互溶 難置換,2）間隙型固溶體 (Interstitial solid solution) ： 較小的原子進入晶格間隙形成的固溶體,影響因素： A 晶格結構的空隙大小 B 間隙離子進入后需空位或其它高價反電荷離子 以置換方式平衡電中性。,Figure 5.5,固溶體的判斷,3）非化學計量化合物 (Nonstoichiometric)： 組分比偏差于化學式的化合物

4、 （含變價離子）,實質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. 根據(jù)固溶度劃分： 1) 有限固溶體： 固溶度 100% 2) 無限固溶體(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)各自的分點陣， 分點陣穿插成 復雜的超點陣,2-6-2 晶體結構缺陷 (Defects in Crystals) 晶體中原子排列的周期性受到破壞的區(qū)域，分： 1. 點缺陷(Point Defect)：任何方向尺寸都遠小于晶體線度的缺陷區(qū),空位 (vacancy)： (a)無原子的陣點位置,間

5、隙原子(Self-interstitial)： (d)擠入點陣間隙的原子,肖特基缺陷 (Schottky Defect)：(c)離子對空位,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,EXAMPLE PROBLEM 5.1 Calculate 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 (

6、at 1000) for copper are 63.5 g/mol and 8.40 g/cm3, respectively. SOLUTION This 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 weight ACu , its density , and Avogadros numb

7、er NA, according to,Figure 5.3,2. 線缺陷(位錯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)則的錯排,EF BB,1） 棱位錯(刃位錯 Edge Dislocation) 位錯線與滑移方向(柏格斯矢量)垂直,壓力、拉力,Figure 5.7,2）螺旋位錯(Screw Dislocation)： 位錯線與滑移方向(柏格斯矢量)平行 與位錯線垂直的平面在螺旋斜面 受剪切力作用易發(fā)生,AD BB,FIGURE 5.8 (,位錯有兩個特征： 一個是位錯線的方向，它表明給定點上位錯線的方向， 如EF， AD，用單位矢量表示， 另一個是

8、為了表明位錯存在時，晶體一側的質點相對另 一側質點的位移，用一個柏格斯矢量 b 表示。 它是指該位錯的單位滑移距離，其方向和滑移方向平行,b = 0 相互垂直，純棱位錯 b = - b 相互逆向平行，純螺旋位錯,柏格斯矢量 (Burgers Vector),柏格斯回路,右手規(guī)則： 拇指-位錯線方向 四指轉向-柏格斯回路轉向,混合位錯,FIGURE 5.9,位錯密度：n l / A l = n / A,FIGURE 5.9,滑移 外力推動,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 如由一系列刃位錯排列成一個平面形成的缺陷,2-6-3 非

9、晶體 (Noncrystalline) 1非晶材料： 結構在體積范圍內 缺乏重復性 的材料 （非晶型、無定形 amorphous） 無平移對稱，無長程有序，原子位置排布完全無周期性， 具有統(tǒng)計規(guī)律。 （密亂堆垛，無規(guī)網(wǎng)絡等）,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， 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 為整個樣品的平均原子數(shù)密度,可求兩個參數(shù)： 配位數(shù)：第一峰面積 原子間距：峰位置,3、非晶態(tài)結構模型,微晶（不連續(xù)）,無規(guī)拓樸（連續(xù)）,除四面體外， 有 八、十二、十四面體： 6%，

10、4%， 4% 密度上限： 0.637 （真密堆：0 .74）,A. 硬球無序密堆,致密度,B.無規(guī)網(wǎng)絡 (二氧化硅玻璃),橋氧鍵角變化較大,2-6-4 擴散(Diffusion) 1 擴散現(xiàn)象：原子（或分子）通過熱運動改變位置而移動,Chapter 6,1)自擴散(self-diffusion)： 純固體中，同種元素的原子 從一個點陣位置移動到另一個點陣位置,2) 互擴散(interdiffusion)： 不同種元素接觸后原子相互移動換位,3) 擴散的原因 原子不是靜止的； 原子圍繞其平衡位置進行小振幅的振動； 部分原子具有足夠振幅，位置移動。 溫度影響擴散；晶體中的缺陷類型和數(shù)量影響擴散。,

11、間隙擴散(Interstitial Diffusion)：間隙式固溶體 H, C, N, O,直接交換機制：極難，很少發(fā)生 下頁,Figure 6.3,擴散通道：沿位錯、晶界、外表面,擴散的激活能(Activation Energy) Q ： 擴散系數(shù)(Diffusion Coefficient),D = D o e Q/RT,金屬,Section 6.5,金屬的擴散激活能 (kcal/mol),Tm Q,離子材料的擴散激活能,空位機制,摻雜: 中溫時少量雜質能加速擴散,NaCl中加CdCl2后鈉離子擴散系數(shù)的變化,2）非晶體 無序結構，有空穴，通過自由體積進行（缺陷）。 在長鏈聚合物中（高分

12、子）擴散有： 自擴散：包括分子鏈段的運動，并且與材料的粘滯流動相關。 外來分子的擴散：關系到聚合物呈現(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，化學反應。,4 擴散的數(shù)學模型 穩(wěn)態(tài)(Steady-state)：單位時間內通過垂直于給定方向的單位面積的 凈原子數(shù)（通量），不隨時間變化 Fick第一定律： Jx = - D c /x Jx ：擴散通量 (Diffusion Flux) D：擴散系數(shù)，cm2/s (Diffusion Coefficient) c /x：濃度梯度 (Concentration Gradient),Section 6.3,A plate of iron is exposed to a carburizing (carbon-rich) atmosphere on one side and a decarburizing (carbon-deficient) atmosphere on the other side at 700. If a condition of steady state is achieved, calculate the diffusion flux of carbon through the plate if the concentrations of carbon at posit