3陶瓷晶体缺陷

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1、第3章无机非金属材料晶体缺陷3.1缺陷的类型3.2点缺陷(pointdefect)3.3固溶体(solidsolution)3.4非化学计量化合物(nonstoichiometriccompound)3.5线缺陷(linedefect)3.6面缺陷(facedefect)晶体结构缺陷:晶体点阵结构偏离周期性排列。Idealcrystal:质点严格按照空间点阵排列。Actualcrystal:存在各种各样的结构不完整性。缺陷对材料性能的影响:导电性、颜色、发光、材料高温动力学过程3.1缺陷的类型分类方式:几何形态:点缺陷、线缺陷、面缺陷等形成原因:热缺陷、杂质缺陷、非化学计量缺陷等一、按缺陷的

2、几何形态分类1.点缺陷(pointdefect)2.线缺陷(linedefect)3.面缺陷(facedefect)4.体缺陷(bodydefect)1.点缺陷(零维缺陷)缺陷尺寸处于原子大小的数量级上,即三维方向上缺陷的尺寸都很小。包括:空位(vacancy)间隙质点(interstitialparticle),亦称为填隙质点杂质质点(foreignparticle)→固溶体晶体中的点缺陷(a)空位(b)杂质质点(c)间隙质点无机非金属材料概论C.1陶瓷结构点缺陷的作用:1)对固体的烧结和传质(扩散)有很大的影响如无液相的参与,原材料的晶格位置缺陷密度越髙,固体烧结越好。空位密度影响扩散,

3、影响固相反应和烧结。2)材料长期使用后会产生新的点缺陷,成为材料疲劳的起始点3)热缺陷造成局部不平衡电场的存在,在外电场作用下会导电,这对陶瓷及半导体电绝缘有重要意义。此外热缺陷会使晶体变色,间隙离子能阻止晶格面相互滑移,使晶体强度增加。2.线缺陷(一维缺陷)指在一维方向上偏离理想晶体周期性、规则性排列所产生的缺陷,即缺陷尺寸在一维方向较长,另外二维方向上很短。如:各种位错(dislocation)。线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密切相关。3.面缺陷(二维缺陷)指在二维方向上偏离理想晶体周期性、规则性排列而产生的缺陷,即缺陷尺寸在二维方向上延伸,在第三维方向上很小。如:表面、晶界、堆积

4、层错、镶嵌结构等。面缺陷-晶界(grainboundary)(a)倾斜晶界(tiltboundary); (b)扭转晶界(twistboundary)面缺陷-堆积层错面心立方晶体中的抽出型层错(a)和插入型层错(b)面缺陷-共格晶面4.体缺陷(三维缺陷)指在局部的三维空间偏离理想晶体的周期性、规则性排列而产生的缺陷。如第二相粒子团、空位团等。体缺陷与物系的分相、偏聚等过程有关。二、按缺陷产生的原因分类1.热缺陷(thermaldefect)2.杂质缺陷(foreigndefect)3.非化学计量缺陷(nonstoichiometricdefect)1.热缺陷指由于热起伏所产生的空位或间隙质点

5、(原子或离子),亦称为本征缺陷。热起伏:指能量的不均衡,质点中总有一部分高能质点能够克服周围质点对它的束缚而跃迁;热缺陷的产生和复合始终处于一种动态平衡。(1)热缺陷类型1)弗仑克尔缺陷(Frenkeldefect)1926年由Frenkel发现并提出。形成机制:正常晶格质点跃入间隙位,在原晶格结点则出现空位。见图(a)。特点:空位和间隙质点成对出现;晶体体积不发生改变。热缺陷产生示意图(a)弗仑克尔缺陷的形成(空位与间隙质点成对出现)(b)单质中的肖特基缺陷的形成2)肖特基缺陷(Schottkydefect)1934年由Schotteky发现并提出。形成机制:质点跃迁至表面形成新的结点,而

6、在晶体内部留下空位。见图3-1-6(b)。特点:晶体中只有空位;晶体体积增大,晶格常数变化。(2)热缺陷浓度与温度的关系对于某种特定材料:温度一定,热缺陷浓度一定;随温度升高,热缺陷浓度呈指数增加。(3)缺陷形成和晶体结构的关系晶体结构中空隙较小,且正、负离子半径相差较小→肖氏缺陷如,NaCl型:NaCl、MgO、CaO等。晶体结构中空隙较大,且正、负离子半径相差较大→弗氏缺陷如,金属晶体中:简单立方、体心立方;离子晶体中:CaF2型结构。2.杂质缺陷(固溶体)是由外加杂质的引入所产生的缺陷,亦称为组成缺陷或非本征缺陷。特征:若杂质含量在固溶体溶解度范围内,则杂质缺陷浓度与温度无关,只与杂质

7、含量有关。杂质缺陷对材料性能的影响:微量杂质缺陷会极大改变基质晶体的物理性质,如:导电性、发光、颜色等。3.非化学计量缺陷(非化学计量化合物)指组成上偏离化学中的定比定律所形成的缺陷。实质:由基质晶体与介质中某些组分发生交换而产生,如TiO2-x、Fe1-xO、Zn1+xO等晶体中的缺陷。特点:其化学组成和缺陷浓度随周围气氛性质及分压大小而变化,是一种半导体材料。3.3固溶体外来组元进入晶体结构,占据主晶相质

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