陶瓷晶体缺陷课件.ppt

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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

2、量缺陷等一、按缺陷的几何形态分类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

3、度越髙，固体烧结越好。空位密度影响扩散，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

4、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（nonsto

5、ichiometricdefect）1.热缺陷指由于热起伏所产生的空位或间隙质点（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（Schott

6、kydefect）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

7、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