材料科学基础课件

材料科学基础浙江大学版写在前面•本PPT中列出的知识点都很重要•红色标出的是特别重要的•本PPT作为教案的配合材料，较之教案更为精简第一章晶体结构•§1-1晶体学基础•§1-2晶体化学基本原理•§1-3典型晶体结构§1-1晶体学基础•材料性能决定因素：内部微观构造。•固态材料分类：晶体与非晶体要关注二者的区别•掌握材料性能，不根据外观，必需从原子排列情况确定§1-1晶体学基础一、空间点阵•空间点阵和晶胞的概念•晶胞的描述方法•7种晶系、14种布拉菲点阵、晶族的概念•关注晶体结构与空间点阵区别与关联§1-1晶体学基础二、晶向指数和晶面指数•晶向、晶面、晶向指数、晶面指数、晶向族、晶面族的概念•关注六方晶系按两种晶轴系所得指数的转换：从(hkil)转换成(hkl)：去掉i即可，反之：加上i=-(h+k)[UVW]与[uvtw]间互换关系:U=u-t，V=v-t，W=w；u=(2U-V)，v=(2V-U)，t=-(u+v)，w=W§1-1晶体学基础二、晶向指数和晶面指数•晶带与晶带轴的概念•关注1、晶带轴[uvw]与该晶带的晶面(hkl)之间的关系：hu+kv+lw=02、任两个不平行晶面的晶带轴：(h1k1l1)和(h2k2l2)则有u=k1l2-k2l1，v=l1h2-l2h1，w=h1k2-h2k1§1-1晶体学基础二、晶向指数和晶面指数•晶面间距的概念、特点•关注晶面间距的计算正交晶系面间距计算式：立方晶系面间距计算式：注意：以上对简单晶胞而言；复杂晶胞应考虑层面增加的影响。如，在体心立方或面心立方晶胞中间有一层，故实际晶面间距应为d001/2。2221clbkahdhkl222lkhadhkl§1-1晶体学基础三、晶体的对称性•宏观和微观对称要素、点群、空间群、单形、聚形的概念的概念•关注所有对称要素归纳：§1-2晶体化学基本原理一、电负性•电负性的概念、分界•化合物形成与电负性关系：两元素电负性差别很小，键合为非极性共价键或金属键；电负性差别增加，键合极性增加，倾向于离子性键合。（纯共价键合）SiMgSNaCl（离子键合）两头是极端（强极性特征）HFHClHBrHI（弱极性特征）大多数实际材料键合特点：几种键合形式同时存在。§1-2晶体化学基本原理二、晶体中的键型•化学键的概念、种类，分子键的概念•关注离子键、共价键、金属键、范式键、氢键的特点、成键方式、强度、形成条件§1-2晶体化学基本原理三、结合能和结合力•原子结合为晶体的原因：原子结合起来后，体系能量降低•结合能：分散原子结合成晶体过程中，释放出的能量V•原子间的吸引与排斥：吸引是长程力，源自异性电荷库仑引力，远距离时起主要作用；排斥是短程力，源自同性电荷间的库仑力和原子实周围电子气相互重叠引起的排斥，十分接近时起主要作用。§1-2晶体化学基本原理四、原子半径•范德瓦耳斯半径、共价半径、离子半径、金属半径的概念§1-3典型晶体结构一、金属晶体•（一）晶体中的原子排列及典型金属晶体结构：最典型结构、堆积特征、密排面、密排面上原子排列方式、晶格常数与原子半径的关系、间隙•（二）晶体中原子间的间隙：八面体、四面体间隙、配位数、致密度的概念关注计算§1-3典型晶体结构二、共价晶体•典型结构：单晶硅（金刚石、低于室温时的C、Ge、Sn）结构称金刚石立方结构(骨架状，四原子近邻)；As、Sb、Bi结晶成层状结构(片状，三原子近邻)；S、Se、Te螺旋链结构（两原子近邻键合）•成键强度：金刚石结构成键强；层状结构层内强，层间弱；链结构链内共价键，链间分子键§1-3典型晶体结构二、共价晶体•其它重要结构：闪锌矿和纤锌矿，有极性共价键，是共价晶体的两种典型结构方石英结构：共价晶体SiO2的一种变体，立方ZnS结构鳞石英结构：共价晶体SiO2的一种变体，六方ZnS结构§1-3典型晶体结构三、离子晶体•负离子配位多面体：以正离子为中心，将周围最近邻配置的各负离子的中心连起来形成的多面体,负离子配位多面体的形状正离子配位数：配置于正离子周围的负离子数三者之间关系：§1-3典型晶体结构三、离子晶体•形成晶体结构的泡林五规则关注用规则分析结构§1-3典型晶体结构四、硅酸盐晶体•硅酸盐矿物结构关注计算•岛状硅酸盐：•焦硅酸盐：•环状硅酸盐：•链状硅酸盐：•层状硅酸盐：•单链与环状的区别：化学式中单链Si的数量是1或2；环状是3以上4,SiFOHSiRRNN3,SiFOHSiRRNN23,,SiFOHBBSiRRNNN23)(,)(,),(,tAlSitAlFOHBBtAlSiRRNNNN13)(,)(,),(,tAlSitAlFOHBBtAlSiRRNNNN§1-3典型晶体结构五、高分子晶体•(一)高分子晶体的形成基本形态、高分子材料特点、高分子结构单元连接特点、结构形态、结晶特性(二)高分子晶体的形态高分子晶体形貌：结晶高分子较多地具有球晶的形貌。一个球晶由沿半径垂直方向的多层晶片组成。晶片内是缨束状晶区或折叠链晶区。晶片间是无定形的非晶区偏振光显微镜下聚乙烯球晶第二章晶体的不完整性•§2-1点缺陷•§2-2位错•§2-3表面、界面结构及不完整性第二章晶体的不完整性•缺陷：晶体中偏离完整性的区域，即造成晶体点阵周期势场畸变的一切因素•晶体缺陷分类：(1)点缺陷（零维缺陷）。其特点是在X、Y、Z三个方向上的尺寸都很小(相当于原子的尺寸)；(2)线缺陷（一维缺陷）。其特点是在两个方向上的尺寸很小，另一个方向上的尺寸相对很长；(3)面缺陷（二维缺陷）。其特点是在一个方向上的尺寸很小，另外两个方向上的尺寸很大。§2-1点缺陷一、点缺陷的类型•（一）热缺陷弗伦克尔缺陷：原子离开平衡位置后，挤到格子点的间隙中，形成间隙离子，而原来位置上形成空位，成对产生。肖特基缺陷：原子获得较大能量，移到表面外新的位置上去，原来位置则形成空位，空位逐渐转移到内部，体积增加。§2-1点缺陷一、点缺陷的类型•在晶体中，几种缺陷可以同时存在，但通常有一种是主要的。一般说，正负离子半径相差不大时，肖特基缺陷是主要的。两种离子半径相差大时弗伦克尔缺陷是主要的。•(二)组成缺陷产生和类型§2-1点缺陷一、点缺陷的类型•(三)电荷缺陷产生•(四)非化学计量结构缺陷产生§2-1点缺陷二、点缺陷的反应与浓度平衡•（一）热缺陷§2-1点缺陷二、点缺陷的反应与浓度平衡•(二)组成缺陷和电子缺陷•(三)非化学计量缺陷与色心，关注计算1、负离子缺位，金属离子过剩2、间隙正离子，金属离子过剩3、间隙负离子，负离子过剩4、正离子空位，负离子过剩§2-2位错一、位错的结构类型•刃型位错、螺型位错、混合型位错的概念•Burgers回路与位错的结构特征：Burgers矢量、位错强度、Burgers回路概念•位错柏格斯矢量的守恒性§2-2位错一、位错的结构类型•位错密度：在单位体积晶体中所包含的位错线的总长度。VS§2-2位错二、位错的应力场•(一)位错的应力场刃型位错：连续弹性介质模型：设一内半径rc，外半径R的无限长的空心弹性圆柱，圆柱轴与z轴重合。将它沿径向切开至中心，将切面两侧沿x轴相对移动一个距离b，然后再粘合起来,畸变状态与含正刃型位错晶体相似，可通过它求出刃型位错的应力场§2-2位错一、位错的结构类型螺型位错：连续弹性介质模型：弹性圆柱切开至中心，然后将切面两侧沿z轴相对移动b，再粘合起来，就得到沿z轴的螺型位错模型§2-2位错二、位错的应力场•(二)位错的应变能与线张力刃型位错、螺型位错、混合型位错应变能的计算•位错线张力：位错线长度增加一个单位时，晶体能量的增加直线形位错：T大约等于mb2弯曲位错线：正、负位错在远处会部分抵消，系统能量变化小于mb2，常取221bT§2-2位错二、位错的应力场•(三)位错核心位错核心错排严重，不能再简化为连续弹性体。以点阵模型解决派—纳(Peierls-Nabarro)模型：实际上是不完全的点阵模型。设晶体由被滑移面隔开的两个半块晶体组成。衔接处直接考虑原子间相互作用，内部简化成连续弹性介质。派-纳模型中位错的能量组成：两部分。一是两半晶体中的弹性应变能（主要分布于位错核心之外）；另一是滑移面两侧原子互作用能（错排能）（基本集中于位错核心范围内）§2-2位错三、位错的运动•位错的运动方式：刃型位错：滑移：位错线沿着滑移面移动；攀移：位错线垂直于滑移面的移动。螺型位错：只作滑移§2-2位错三、位错的运动•(一)位错的滑移三类位错的滑移特性•位错滑移的驱动力：设想位错受到一种力而运动（实际上位错是一种原子组态，力是作用于晶体中的原子）。使位错发生运动的力。称为位错运动的驱动力。•注意：驱动力不必一定是外力，晶体内部质点、界面或其它位错引起的应力§2-2位错三、位错的运动•点阵阻力：源于晶格结构的周期性，滑移面两侧原子之间的相互作用力•派-纳应力：派-纳模型，提出了为克服点阵阻力推动位错前进所必须的滑移力和相应的切应力：)/2exp()1(2bwp§2-2位错三、位错的运动•(二)位错攀移位错攀移特征：与滑移不同，位错攀移时伴随物质迁移，需扩散实现。需要热激活，比滑移需要更大的能量。另外，易在多余半原子面边缘产生曲折•单位长度位错线所受的化学攀移力：•单位长度位错线所受的弹性攀移驱动力：02ln1CCkTbFsbdydybFc§2-2位错四、位错与缺陷的相互作用•(一)位错之间的相互作用1、位错间的弹性相互作用：位错的弹性应力场间发生的干涉和相互作用，将影响到位错的分布和运动2、位错塞积：许多位错被迫堆积在某种障碍物前，它们来自同一位错源，具相同的柏格斯矢量，障碍物如晶界3.位错反应:位错之间的相互转化。譬如一分为二或两合为一，bbb2§2-2位错四、位错与缺陷的相互作用•(二)位错与点缺陷的相互作用位错与溶质原子的相互作用能史诺克(Snoek)气团柯垂耳(Cottrell)气团电学相互作用化学相互作用空位、间隙原子和位错的互相转化§2-2位错五、位错源与位错增殖•（一）位错的来源位错产生•(二)位错的增殖弗兰克一瑞德(Frank-Read)源弗兰克-瑞德源需要施加的应力弗兰克-瑞德源开动的临界应力双交滑移增殖机构单点源§2-3表面、界面结构及不完整性一、晶体的表面•(一)表面力场固体表面力分子间引力主要来源•(二)晶体表面状态表面能§2-3表面、界面结构及不完整性一、晶体的表面•(三)晶体表面的不均匀性完美晶格结构的晶体表面：分成两种类型：紧密堆积表面：表面平坦，没有波折，所有的原子距离该表面的平行平面的距离都相等不紧密堆积的表面：即台阶式的表面，表面有波折。§2-3表面、界面结构及不完整性二、晶界•(一)晶界几何晶界分类：根据位向差()的不同，晶界分为两类：(1)小角度晶界-两相邻晶粒的位向差约小于10；(2)大角度晶界-两晶粒间的位向差较大，一般大于10以上。(二)小角度晶界倾侧晶界位错间距§2-3表面、界面结构及不完整性二、晶界不对称倾侧晶界扭转晶界一般小角度晶界：旋转轴和界面可任意取向，由刃型和螺型位错组合构成。晶界能：晶界上原子排列畸变，增高的能量。主要来自位错能量（位错密度又决定于晶粒间的位向差），随位向差增加而增大，仅适用于15。式中为常数，A取决于位错中心的原子错排能§2-3表面、界面结构及不完整性二、晶界(三)大角度晶界“重合位置点阵”模型(四)晶界能晶界能：金属多晶体的晶界一般为大角度晶界，金属大角度晶界能约在0.25～1.0J/m2范围内，与晶粒之间的位向差无关，大体上为定值。(五)孪晶界§2-3表面、界面结构及不完整性二、晶界•孪晶面•共格孪晶界•非共格孪晶界•孪晶形成与堆垛层错的关系•孪晶面界面能•(六)晶界的特性•晶界的特性第三章固溶体•§3-1影响固溶度的因素•§3-2固溶体各论第三章固溶体•固溶体•固溶度•中间相•固溶体分类•溶体的有序和无序分类•有限和无限固溶体分类§3-1影响固溶度的因素一