材料科學(xué)基礎(chǔ)

1、材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ)第一章晶體學(xué)基礎(chǔ)1、固態(tài)物質(zhì)按其原子（或分子）的聚集狀態(tài)可分為二大類——晶體和非晶體。區(qū)分他們主要從其內(nèi)部的原子排列情況來(lái)確定。在晶體中，原子（離子或分子）在三維空間作有規(guī)則的周期性重復(fù)排列。而非晶體就不具備這一特點(diǎn)。2、晶體定義晶體定義：晶體是內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)在三維空間中呈周期性重復(fù)排列的固體。其組成質(zhì)點(diǎn)在三維空間中成周期性排列。這也是晶體與其它狀態(tài)物體之間的本質(zhì)區(qū)別。這種質(zhì)點(diǎn)在三維空間周期性的重復(fù)排列也稱為格子構(gòu)造。

2、因此，也可以說(shuō)，晶體是具有格子構(gòu)造的固體。即不論沿晶體的哪個(gè)方向看去，總是相隔一定的距離就出現(xiàn)相同原子或原子集團(tuán)。這個(gè)距離也稱為周期。顯然，沿不同的方向可能有不同的周期。而把大范圍的周期性的規(guī)則排列叫做長(zhǎng)程有序。3、非晶體非晶體(Amphous)不具有上述特征。在非晶體中原子（或分子、離子）無(wú)規(guī)則地堆積在一起。液體和氣體都是非晶體。在液體中，原子也處于相對(duì)緊密聚集的狀態(tài)，但不存在長(zhǎng)程的周期性排列。固態(tài)的非晶體實(shí)際上是一種過(guò)冷狀態(tài)的液體，

3、只是它的物理性質(zhì)不同于通常的液體。玻璃是一個(gè)典型的固態(tài)非晶體，所以，往往將非晶態(tài)稱為玻璃態(tài)。4、準(zhǔn)晶體準(zhǔn)晶體：具有五次或六次以上的對(duì)稱軸，其質(zhì)點(diǎn)的排列雖為長(zhǎng)程有序，但不體現(xiàn)周期重復(fù)，即不存在格子構(gòu)造。5、晶體的基本性質(zhì)：晶體內(nèi)部的周期性質(zhì)決定了晶體具有一些共有的性質(zhì)，并且根據(jù)這些性質(zhì)能與其他狀態(tài)的物體區(qū)分開(kāi)來(lái)。1均一性均一性：指晶體內(nèi)部在其任一部位都具有相同性質(zhì)的特性。如密度、化學(xué)性質(zhì)。2異向性異向性：指晶體的性質(zhì)因觀測(cè)方向的不同而表現(xiàn)

4、出差異的特性。如硬度，解理。3對(duì)稱性對(duì)稱性：指晶體中的相同部分或性質(zhì)，能夠在不同方向或位置上有規(guī)律地重復(fù)出現(xiàn)。4自范性自范性：或稱為自限性，指晶體能自發(fā)地形成封閉的凸幾何多面體外形的特點(diǎn)。5最小內(nèi)能最小內(nèi)能：指的是在相同熱力學(xué)條件下，晶體與同種物質(zhì)的非晶態(tài)相比較，其內(nèi)能最小，因而晶體的結(jié)構(gòu)也是最穩(wěn)定的。6穩(wěn)定性穩(wěn)定性：由于晶體有最小的內(nèi)能，因而結(jié)晶狀態(tài)是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。7固定的熔點(diǎn)固定的熔點(diǎn)。6、均勻性均勻性與各向異性各向異性的區(qū)別

5、？均勻性體現(xiàn)的是晶體內(nèi)部的均勻，處處都是一樣的；各向異性是指不同方向性質(zhì)不同。7、幾點(diǎn)說(shuō)明：(1)絕大多數(shù)固體物質(zhì)為晶體。(2)晶態(tài)與非晶態(tài)在一定的條件下可以相互轉(zhuǎn)化；如非晶態(tài)的玻璃經(jīng)高溫長(zhǎng)時(shí)間加熱后即可轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)玻璃。(3)晶體有固定的熔點(diǎn)，而非晶體只有一個(gè)軟化溫度范圍。(4)晶體具有各向異性非晶體為各向同性。8、空間點(diǎn)陣空間點(diǎn)陣：將晶體中每個(gè)規(guī)則排列于空間的質(zhì)點(diǎn)抽象為具有完全相同環(huán)境的幾何點(diǎn)，稱之為陣點(diǎn)，也叫結(jié)點(diǎn)。這些陣點(diǎn)在空間呈周

6、期性規(guī)則排列并具有完全相同的周圍環(huán)境。9、晶格晶格：在三維空間內(nèi)部表示原子或原子集團(tuán)的排列規(guī)律的幾何點(diǎn)（結(jié)點(diǎn)）所構(gòu)成的陣列。設(shè)想用直線將各結(jié)點(diǎn)連接起來(lái)形成空間網(wǎng)絡(luò)，叫做晶格。10、根據(jù)晶體特征抽象出來(lái)的陣點(diǎn)，其特征有二：1）質(zhì)點(diǎn)種類相同。2）質(zhì)點(diǎn)周圍的環(huán)境和方位相同。等同點(diǎn)可以由原子、離子、離子基團(tuán)構(gòu)成，等同點(diǎn)在三維空間中有規(guī)律重復(fù)出現(xiàn)即構(gòu)成點(diǎn)陣。在空間由種類相同的點(diǎn)排列成的無(wú)限陣列，其中每一個(gè)點(diǎn)都和其它所有的點(diǎn)具有相同的環(huán)境，這種點(diǎn)的

7、排列就稱為空間點(diǎn)陣，又稱為空間格子。11、空間點(diǎn)陣和實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)的區(qū)別：空間點(diǎn)陣和實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)的區(qū)別：1.二者的晶體結(jié)構(gòu)是不同的，因?yàn)閲@每個(gè)結(jié)點(diǎn)的原子分布不同。2、二者的結(jié)構(gòu)也不同。空間點(diǎn)陣和實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)不能等同。聯(lián)系：空間點(diǎn)陣和實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)不能等同。聯(lián)系：點(diǎn)陣是由晶體的結(jié)構(gòu)基元抽象出來(lái)的，可以由下式來(lái)說(shuō)明點(diǎn)陣和晶體結(jié)構(gòu)的關(guān)系：點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)基元=晶體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)基元可以是一個(gè)或多個(gè)原子（分子）構(gòu)成。這樣就可以看出：空間點(diǎn)陣及其構(gòu)成單位－－陣點(diǎn)

8、都是抽象的純幾何圖形，都沒(méi)有具體的物質(zhì)內(nèi)容。但這種抽象又不是憑空臆造的，而是和實(shí)際晶體相聯(lián)系的。但是通過(guò)這種抽象可以更清晰更深入地反映物質(zhì)的本質(zhì)和規(guī)律。（照）、摻雜等。缺陷種類缺陷種類：分類方式：一、幾何形態(tài)：點(diǎn)缺陷——零維缺陷、線缺陷——一維缺陷、面缺陷——二維缺陷、體缺陷——三維缺陷。二、形成原因：熱缺陷、雜質(zhì)缺陷、非化學(xué)計(jì)量缺陷等。5、點(diǎn)缺陷：點(diǎn)缺陷：缺陷尺寸處于原子大小的數(shù)量級(jí)上，即三維方向上缺陷的尺寸都很小。包括：空位（vac

9、ancy）、間隙原子（interstitialparticle）、異類原子（feignparticle）。點(diǎn)缺陷與材料的電學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)、材料的高溫動(dòng)力學(xué)過(guò)程等有關(guān)。6、線缺陷：線缺陷：指在一維方向上偏離理想晶體中的周期性、規(guī)則性排列所產(chǎn)生的缺陷，即缺陷尺寸在一維方向較長(zhǎng)，另外二維方向上很短。如各種位錯(cuò)（dislocation）。線缺陷的產(chǎn)生及運(yùn)動(dòng)與材料的韌性、脆性密切相關(guān)。(a)刃位錯(cuò)：位錯(cuò)線垂直于滑移方向(b)螺位錯(cuò)位：錯(cuò)線平行于

10、滑移方向7、熱缺陷：熱缺陷：熱缺陷亦稱為本征缺陷，是指由熱起伏的原因所產(chǎn)生的空位或間隙質(zhì)點(diǎn)（原子或離子）。類型:弗侖克爾缺陷（Frenkeldefect）和肖脫基缺陷（Schottkydefect）。熱缺陷濃度與溫度的關(guān)系:溫度升高時(shí)，熱缺陷濃度增加8、缺陷缺陷Vs性能：性能：缺陷會(huì)引起結(jié)構(gòu)變化結(jié)構(gòu)變化和性能變化性能變化。玻璃：氣泡、結(jié)石陶瓷：低應(yīng)力脆斷半導(dǎo)體：摻雜。金屬：機(jī)械強(qiáng)度、原子輸運(yùn)。9、點(diǎn)缺陷的平衡濃度：點(diǎn)缺陷的平衡濃度：?jiǎn)栴}

11、：無(wú)缺陷的完整晶體在熱力學(xué)上是最穩(wěn)定的？熱力學(xué)分析表明，在高于0K的任何溫度下，晶體最穩(wěn)定的狀態(tài)是含有一定濃度點(diǎn)缺陷的狀態(tài)。此濃度稱為點(diǎn)缺陷的平衡濃度。點(diǎn)缺陷是熱力學(xué)平衡的缺陷－在一定溫度下，晶體中總是存在著一定數(shù)量的點(diǎn)缺陷，這時(shí)體系的能量最低－具有平衡點(diǎn)缺陷的晶體比理想晶體在熱力學(xué)上更為穩(wěn)定。Why？?jī)蓚€(gè)方面看材料中點(diǎn)缺陷的存在：A：點(diǎn)缺陷存在→點(diǎn)陣畸變→內(nèi)能增加，自由能升高。B：點(diǎn)缺陷存在，原子排列規(guī)律性被破壞，原子排列混亂程度增加

12、，體系熵值增加，這一因素又使自由能降低。結(jié)果：在Gn曲線上出現(xiàn)了最低值，對(duì)應(yīng)的n值即為平衡空位數(shù)。10、平衡濃度平衡濃度：金屬晶體金屬晶體：Cv=exp(?GvRT)Cv：空位平衡濃度；Gv：空位的摩爾生成自由焓。G=HTSCv=C0exp(?HvRT)，C0=exp(?SvR)在相同溫度下間隙原子比空位平衡濃度小得多，通?？梢院雎圆挥?jì)。一般情況下，金屬晶體點(diǎn)缺陷主要指空位。離子晶體離子晶體：Cs=exp(?GsRT)Cs：肖脫基缺陷平

13、衡濃度；Gs：肖脫基缺陷（正負(fù)離子空位對(duì)）的摩爾生成自由焓。CF=exp(?GFRT)CF：弗倫克爾缺陷平衡濃度；GF：弗倫克爾缺陷的摩爾生成自由焓。11、過(guò)飽和點(diǎn)缺陷的形成：過(guò)飽和點(diǎn)缺陷的形成：具有平衡濃度的點(diǎn)缺陷——熱平衡缺陷。點(diǎn)缺陷濃度高于平衡濃度——過(guò)飽和點(diǎn)缺陷或非平衡缺陷。例如：高溫下停留平衡時(shí)晶體快速冷卻到較低溫度，晶體中的空位來(lái)不及移出晶體，造成晶體中的空位濃度超過(guò)這時(shí)的平衡值。過(guò)飽和缺陷的存在是一非平衡狀態(tài)，有恢復(fù)到平衡

14、態(tài)的熱力學(xué)趨勢(shì)，在動(dòng)力學(xué)上要到達(dá)平衡態(tài)還要一時(shí)間過(guò)程。獲得過(guò)飽和點(diǎn)缺陷方式獲得過(guò)飽和點(diǎn)缺陷方式：淬火、冷加工、輻照（高能粒子轟擊）12、點(diǎn)缺陷運(yùn)動(dòng)：點(diǎn)缺陷運(yùn)動(dòng)：較高能量質(zhì)點(diǎn)——間隙位——繼續(xù)運(yùn)動(dòng)——定向遷移——物質(zhì)傳遞運(yùn)動(dòng)?？瘴弧畛錁印恢眯纬尚碌目瘴弧瘴欢ㄏ蜻w移——反物質(zhì)傳遞方向。遷移、復(fù)合－濃度降低在點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，若間隙原子與空位相遇，則兩者都消失，這一過(guò)程稱為復(fù)合或湮滅。聚集－濃度升高－塌陷13、點(diǎn)缺陷對(duì)晶體性質(zhì)