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材料无机课件4

4、位错研究方法 主要是利用光学显微镜、X-ray衍射分析仪和电子显 微镜等来进行直接观察或间接测定。 4.7 位错的核心结构 1 位错的核心结构 2 位错核心区 3 位错区的能量组成 4 刃型位错的点阵模型 4.8 位错的形成和增值 4.8.1 位错的形成 4.8.2 位错的增值 End! (3)阴离子空位型 x x x 固溶体化学式: (4)阳离子间隙型 2x x x 固溶体化学式: 4.5.3 间隙固溶体 1)影响因素 a. 溶质原子越小,溶剂晶格结构空隙越大,越易形成固溶 体。 MgO TiO2 CaF2 片沸石 NaCl 型 金 红 石 型 荧 石 型 架 状 硅 酸 盐 例如:YF3加入到CaF2中:当F-进入间隙时,产生负电荷, 由Y3+进入Ca2+位置来保持位置关系和电价的平衡。 b. 电价因素:必须保持结构的电中性。 2)分类 a. 原子间隙 b. 阳离子间隙 c. 阴离子间隙 4.5.5 非化学计量化合物 1、定义:实际的化合物中,有一些化合物不符合定比定律, 正负离子的比例并不是一个简单的固定比例关系, 这些化合物称为非化学计量化合物。 实际上是一种晶体缺陷 2)可以看作是高价化合物与低价化合物的固溶体。 2、特点: 1)缺陷浓度大小与气氛性质、压力有关。 3)非化学计量化合物都是半导体。 3、分类 1)阴离子缺位型(阳离子过剩) TiO2、ZrO2会产生这种缺陷,分子式可写为TiO2-x, ZrO2-x,产生原因是环境中缺氧,晶格中的氧逸出到大气中,使晶体中出现了氧空位。 简化: 根据质量作用定律,平衡时 缺陷反应: 假设晶体中氧离子浓度不变,且 ∴ 2)阳离子间隙型 Zn1+xO和Cdl+xO属于这种类型。过剩的金属离子进入间隙位置,带正电,为了保持电中性,等价的电子被束缚在间隙位置金属离子的周围,这也是一种色心。例如ZnO在锌蒸汽中加热,颜色会逐渐加深,就是形成这种缺陷的缘故。 缺陷反应: 3)阴离子间隙型 目前只发现UO2+x,可以看作U2O5在UO2中的固溶体,具有这样的缺陷。当在晶格中存在间隙负离子时,为了保持电中性,结构中引入电子空穴。这种材料为P型半导体。 缺陷反应: 根据质量作用定律: ∴ Cu2O、FeO属于这种类型的缺陷。当在晶格中存在阳离子空位时,为了保持电中性,在正离子空位周围捕获电子空穴。 4)阳离子空位型(负离子过剩) 以Fe1-xO为例:可看作Fe2O3在FeO中的固溶体。 等价于: 由此可见,铁离子空位本身带负电,为了保持电中 性,两个电子空穴被吸引到这空位的周围,形成一种V- 色心。 缺陷反应: 小结: 以非化学计量的观点来看问题,世界上所有的化合物,都是非化学计量的,只是非化学计量的程度不同而已。 固溶体的研究方法 1、最本质方法:X-ray衍射分析方法。 2、维加(Vegard)定律: 二元等价置换固溶体 的晶胞参数a与外加溶 质的浓度c成线性关系: 3、理论密度计算 计算方法与步骤 1)先写出可能的缺陷反应方程式 2)根据缺陷反应方程式写出固溶体可能的化学式 3)由化学式可知晶胞中有几种原子质点,计算出晶胞中 第i种质点的质量: 据此,计算出晶胞质量W ,这里n为晶胞中原子质点的种类 4)求出晶胞体积V:根据晶胞参数计算各晶系的晶胞体 积V 5)求出理论密度D理: D理计算举例 计算物质的量组成为0.15CaO-0.85ZrO2固溶体的理论密度D理 1)先写出可能的缺陷反应方程式 氧离子空位型: 阳离子间隙型: 氧离子空位型固溶体: 2)根据缺陷反应方程式写出固溶体可能的化学式 阳离子间隙型固溶体: Zrl-xCaxO2-x Zrl-xCa2xO2 分析:ZrO2属立方晶系,萤石结构,每个晶胞中有4个阳离子和 8个阴离子。 3)计算晶胞质量W 对于氧离子空位固溶体Ca0.15Zr0.85O1.85 4)求出晶胞体积V V a3 0.513×10-7 3 135.1×10-24cm3 5)求出理论密度D理 实际值为5.447g/cm3 4.6 晶体中的线缺陷——位错 完整晶体塑性变形(滑移的模型)→金属晶 体的理论强度比实测强度高出几个数量级→ 晶体 线缺陷模型→ 以位错滑移模型计算出的晶体强 度,与实测值基本相符。 位错模型的提出 单晶试棒在拉伸应力作用下的变化(宏观) τ τ 滑移的结果:塑性变形,表面形成台阶。 外力作用下晶体滑移示意图(微观) 1、定义:指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、 规则性排列所产生的缺陷。 4.6.1 位错的基本类型 1)刃型位错:柏格斯矢量与位错线垂直的位错。 分类:正刃位错, “┻” ;负刃位错, “┳ 。 刃位错形成示意图 螺旋位错形成示意图 位错线 EF 半原子面 EFGH 2)螺型位错

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