材料科學基礎(chǔ)課件

材料科學基礎(chǔ)課件第1頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月寫在前面本PPT中列出的知識點都很重要紅色標出的是特別重要的本PPT作為教案的配合材料，較之教案更為精簡第2頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月第一章晶體結(jié)構(gòu)§1-1晶體學基礎(chǔ)§1-2晶體化學基本原理§1-3典型晶體結(jié)構(gòu)第3頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§1-1晶體學基礎(chǔ)材料性能決定因素：內(nèi)部微觀構(gòu)造。

固態(tài)材料分類：晶體與非晶體要關(guān)注二者的區(qū)別掌握材料性能，不根據(jù)外觀，必需從原子排列情況確定

第4頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§1-1晶體學基礎(chǔ)

一、空間點陣空間點陣和晶胞的概念晶胞的描述方法7種晶系、14種布拉菲點陣、晶族的概念關(guān)注晶體結(jié)構(gòu)與空間點陣區(qū)別與關(guān)聯(lián)

第5頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§1-1晶體學基礎(chǔ)

二、晶向指數(shù)和晶面指數(shù)晶向、晶面、晶向指數(shù)、晶面指數(shù)、晶向族、晶面族的概念關(guān)注六方晶系按兩種晶軸系所得指數(shù)的轉(zhuǎn)換：從(hkil)轉(zhuǎn)換成(hkl)：去掉i即可，反之：加上i=-(h+k)

[UVW]與[uvtw]間互換關(guān)系:U=u-t，V=v-t，W=w；u=(2U-V)，v=(2V-U)，t=-(u+v)，w=W

第6頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§1-1晶體學基礎(chǔ)

二、晶向指數(shù)和晶面指數(shù)晶帶與晶帶軸的概念關(guān)注

1、晶帶軸[uvw]與該晶帶的晶面(hkl)之間的關(guān)系：hu+kv+lw=02、任兩個不平行晶面的晶帶軸：(h1k1l1)和(h2k2l2)則有u=k1l2-k2l1，v=l1h2-l2h1，w=h1k2-h2k1第7頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§1-1晶體學基礎(chǔ)

二、晶向指數(shù)和晶面指數(shù)晶面間距的概念、特點關(guān)注晶面間距的計算正交晶系面間距計算式：立方晶系面間距計算式：注意：以上對簡單晶胞而言；復(fù)雜晶胞應(yīng)考慮層面增加的影響。如，在體心立方或面心立方晶胞中間有一層，故實際晶面間距應(yīng)為d001/2。第8頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§1-1晶體學基礎(chǔ)

三、晶體的對稱性宏觀和微觀對稱要素、點群、空間群、單形、聚形的概念的概念關(guān)注所有對稱要素歸納：第9頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§1-2晶體化學基本原理

一、電負性電負性的概念、分界化合物形成與電負性關(guān)系：兩元素電負性差別很小，鍵合為非極性共價鍵或金屬鍵；電負性差別增加，鍵合極性增加，傾向于離子性鍵合。

（純共價鍵合）Si

MgS

NaCl（離子鍵合）兩頭是極端（強極性特征）HF

HCl

HBr

HI（弱極性特征）大多數(shù)實際材料鍵合特點：幾種鍵合形式同時存在。第10頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§1-2晶體化學基本原理

二、晶體中的鍵型化學鍵的概念、種類，分子鍵的概念關(guān)注離子鍵、共價鍵、金屬鍵、范式鍵、氫鍵的特點、成鍵方式、強度、形成條件第11頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§1-2晶體化學基本原理

三、結(jié)合能和結(jié)合力原子結(jié)合為晶體的原因：原子結(jié)合起來后，體系能量降低結(jié)合能：分散原子結(jié)合成晶體過程中，釋放出的能量V原子間的吸引與排斥：吸引是長程力，源自異性電荷庫侖引力，遠距離時起主要作用；排斥是短程力，源自同性電荷間的庫侖力和原子實周圍電子氣相互重疊引起的排斥，十分接近時起主要作用。第12頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§1-2晶體化學基本原理

四、原子半徑

范德瓦耳斯半徑、共價半徑、離子半徑、金屬半徑的概念第13頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§1-3典型晶體結(jié)構(gòu)

一、金屬晶體（一）晶體中的原子排列及典型金屬晶體結(jié)構(gòu)：最典型結(jié)構(gòu)、堆積特征、密排面、密排面上原子排列方式、晶格常數(shù)與原子半徑的關(guān)系、間隙

（二）晶體中原子間的間隙：八面體、四面體間隙、配位數(shù)、致密度的概念

關(guān)注計算第14頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§1-3典型晶體結(jié)構(gòu)

二、共價晶體典型結(jié)構(gòu)：單晶硅（金剛石、低于室溫時的C、Ge、Sn）結(jié)構(gòu)稱金剛石立方結(jié)構(gòu)(骨架狀，四原子近鄰)；As、Sb、Bi結(jié)晶成層狀結(jié)構(gòu)(片狀，三原子近鄰)；S、Se、Te螺旋鏈結(jié)構(gòu)（兩原子近鄰鍵合）成鍵強度：金剛石結(jié)構(gòu)成鍵強；層狀結(jié)構(gòu)層內(nèi)強，層間弱；鏈結(jié)構(gòu)鏈內(nèi)共價鍵，鏈間分子鍵第15頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§1-3典型晶體結(jié)構(gòu)

二、共價晶體其它重要結(jié)構(gòu)：閃鋅礦和纖鋅礦，有極性共價鍵，是共價晶體的兩種典型結(jié)構(gòu)方石英結(jié)構(gòu)：共價晶體SiO2的一種變體，立方ZnS結(jié)構(gòu)鱗石英結(jié)構(gòu)：共價晶體SiO2的一種變體，六方ZnS結(jié)構(gòu)第16頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§1-3典型晶體結(jié)構(gòu)

三、離子晶體負離子配位多面體：以正離子為中心，將周圍最近鄰配置的各負離子的中心連起來形成的多面體,負離子配位多面體的形狀正離子配位數(shù)：配置于正離子周圍的負離子數(shù)

三者之間關(guān)系：第17頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§1-3典型晶體結(jié)構(gòu)

三、離子晶體形成晶體結(jié)構(gòu)的泡林五規(guī)則

關(guān)注用規(guī)則分析結(jié)構(gòu)第18頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§1-3典型晶體結(jié)構(gòu)

四、硅酸鹽晶體硅酸鹽礦物結(jié)構(gòu)

關(guān)注計算

島狀硅酸鹽：

焦硅酸鹽：

環(huán)狀硅酸鹽：

鏈狀硅酸鹽：

層狀硅酸鹽：單鏈與環(huán)狀的區(qū)別：化學式中單鏈Si的數(shù)量是1或2；環(huán)狀是3以上第19頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§1-3典型晶體結(jié)構(gòu)

五、高分子晶體(一)高分子晶體的形成

基本形態(tài)、高分子材料特點、高分子結(jié)構(gòu)單元連接特點、結(jié)構(gòu)形態(tài)、結(jié)晶特性

(二)高分子晶體的形態(tài)

高分子晶體形貌：結(jié)晶高分子較多地具有球晶的形貌。一個球晶由沿半徑垂直方向的多層晶片組成。晶片內(nèi)是纓束狀晶區(qū)或折疊鏈晶區(qū)。晶片間是無定形的非晶區(qū)偏振光顯微鏡下聚乙烯球晶第20頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月第二章晶體的不完整性§2-1點缺陷§2-2位錯§2-3表面、界面結(jié)構(gòu)及不完整性

第21頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月第二章晶體的不完整性缺陷：晶體中偏離完整性的區(qū)域，即造成晶體點陣周期勢場畸變的一切因素晶體缺陷分類：(1)點缺陷（零維缺陷）。其特點是在X、Y、Z三個方向上的尺寸都很小(相當于原子的尺寸)；(2)線缺陷（一維缺陷）。其特點是在兩個方向上的尺寸很小，另一個方向上的尺寸相對很長；(3)面缺陷（二維缺陷）。其特點是在一個方向上的尺寸很小，另外兩個方向上的尺寸很大。第22頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§2-1點缺陷

一、點缺陷的類型（一）熱缺陷弗倫克爾缺陷：原子離開平衡位置后，擠到格子點的間隙中，形成間隙離子，而原來位置上形成空位，成對產(chǎn)生。肖特基缺陷：原子獲得較大能量，移到表面外新的位置上去，原來位置則形成空位，空位逐漸轉(zhuǎn)移到內(nèi)部，體積增加。第23頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§2-1點缺陷

一、點缺陷的類型在晶體中，幾種缺陷可以同時存在，但通常有一種是主要的。一般說，正負離子半徑相差不大時，肖特基缺陷是主要的。兩種離子半徑相差大時弗倫克爾缺陷是主要的。(二)組成缺陷產(chǎn)生和類型第24頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§2-1點缺陷

一、點缺陷的類型(三)電荷缺陷產(chǎn)生(四)非化學計量結(jié)構(gòu)缺陷產(chǎn)生第25頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§2-1點缺陷

二、點缺陷的反應(yīng)與濃度平衡（一）熱缺陷第26頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§2-1點缺陷

二、點缺陷的反應(yīng)與濃度平衡(二)組成缺陷和電子缺陷(三)非化學計量缺陷與色心，關(guān)注計算1、負離子缺位，金屬離子過剩2、間隙正離子，金屬離子過剩3、間隙負離子，負離子過剩4、正離子空位，負離子過剩第27頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§2-2位錯

一、位錯的結(jié)構(gòu)類型刃型位錯、螺型位錯、混合型位錯的概念Burgers回路與位錯的結(jié)構(gòu)特征：Burgers矢量、位錯強度、Burgers回路概念位錯柏格斯矢量的守恒性

第28頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§2-2位錯

一、位錯的結(jié)構(gòu)類型位錯密度：在單位體積晶體中所包含的位錯線的總長度。第29頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§2-2位錯

二、位錯的應(yīng)力場(一)位錯的應(yīng)力場 刃型位錯：連續(xù)彈性介質(zhì)模型：設(shè)一內(nèi)半徑rc，外半徑R的無限長的空心彈性圓柱，圓柱軸與z軸重合。將它沿徑向切開至中心，將切面兩側(cè)沿x軸相對移動一個距離b，然后再粘合起來,畸變狀態(tài)與含正刃型位錯晶體相似，可通過它求出刃型位錯的應(yīng)力場

第30頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§2-2位錯

一、位錯的結(jié)構(gòu)類型螺型位錯：連續(xù)彈性介質(zhì)模型：彈性圓柱切開至中心，然后將切面兩側(cè)沿z軸相對移動b，再粘合起來，就得到沿z軸的螺型位錯模型

第31頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§2-2位錯

二、位錯的應(yīng)力場(二)位錯的應(yīng)變能與線張力刃型位錯、螺型位錯、混合型位錯應(yīng)變能的計算位錯線張力：位錯線長度增加一個單位時，晶體能量的增加

直線形位錯：T大約等于mb2

彎曲位錯線：正、負位錯在遠處會部分抵消，系統(tǒng)能量變化小于mb2

，常取

第32頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§2-2位錯

二、位錯的應(yīng)力場(三)位錯核心位錯核心錯排嚴重，不能再簡化為連續(xù)彈性體。以點陣模型解決

派—納(Peierls-Nabarro)模型：實際上是不完全的點陣模型。設(shè)晶體由被滑移面隔開的兩個半塊晶體組成。銜接處直接考慮原子間相互作用，內(nèi)部簡化成連續(xù)彈性介質(zhì)。

派-納模型中位錯的能量組成：兩部分。一是兩半晶體中的彈性應(yīng)變能（主要分布于位錯核心之外）；另一是滑移面兩側(cè)原子互作用能（錯排能）（基本集中于位錯核心范圍內(nèi)）第33頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§2-2位錯

三、位錯的運動位錯的運動方式：刃型位錯：滑移：位錯線沿著滑移面移動；攀移：位錯線垂直于滑移面的移動。螺型位錯：只作滑移第34頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§2-2位錯

三、位錯的運動(一)位錯的滑移三類位錯的滑移特性位錯滑移的驅(qū)動力：設(shè)想位錯受到一種力而運動（實際上位錯是一種原子組態(tài)，力是作用于晶體中的原子）。使位錯發(fā)生運動的力。稱為位錯運動的驅(qū)動力。注意：驅(qū)動力不必一定是外力，晶體內(nèi)部質(zhì)點、界面或其它位錯引起的應(yīng)力第35頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§2-2位錯

三、位錯的運動點陣阻力：源于晶格結(jié)構(gòu)的周期性，滑移面兩側(cè)原子之間的相互作用力派-納應(yīng)力：派-納模型，提出了為克服點陣阻力推動位錯前進所必須的滑移力和相應(yīng)的切應(yīng)力：第36頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§2-2位錯

三、位錯的運動(二)位錯攀移位錯攀移特征：與滑移不同，位錯攀移時伴隨物質(zhì)遷移，需擴散實現(xiàn)。需要熱激活，比滑移需要更大的能量。另外，易在多余半原子面邊緣產(chǎn)生曲折單位長度位錯線所受的化學攀移力：單位長度位錯線所受的彈性攀移驅(qū)動力： 第37頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§2-2位錯

四、位錯與缺陷的相互作用(一)位錯之間的相互作用

1、位錯間的彈性相互作用：位錯的彈性應(yīng)力場間發(fā)生的干涉和相互作用，將影響到位錯的分布和運動

2、位錯塞積：許多位錯被迫堆積在某種障礙物前，它們來自同一位錯源，具相同的柏格斯矢量，障礙物如晶界

3.位錯反應(yīng):位錯之間的相互轉(zhuǎn)化。譬如一分為二或兩合為一，第38頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§2-2位錯

四、位錯與缺陷的相互作用(二)位錯與點缺陷的相互作用位錯與溶質(zhì)原子的相互作用能

史諾克(Snoek)氣團

柯垂耳(Cottrell)氣團

電學相互作用

化學相互作用

空位、間隙原子和位錯的互相轉(zhuǎn)化

第39頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§2-2位錯

五、位錯源與位錯增殖（一）位錯的來源位錯產(chǎn)生(二)位錯的增殖弗蘭克一瑞德(Frank-Read)源

弗蘭克-瑞德源需要施加的應(yīng)力

弗蘭克-瑞德源開動的臨界應(yīng)力

雙交滑移增殖機構(gòu)

單點源

第40頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§2-3表面、界面結(jié)構(gòu)及不完整性

一、晶體的表面(一)表面力場固體表面力

分子間引力主要來源

(二)晶體表面狀態(tài)表面能

第41頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§2-3表面、界面結(jié)構(gòu)及不完整性

一、晶體的表面(三)晶體表面的不均勻性完美晶格結(jié)構(gòu)的晶體表面：分成兩種類型：緊密堆積表面：表面平坦，沒有波折，所有的原子距離該表面的平行平面的距離都相等不緊密堆積的表面：即臺階式的表面，表面有波折。第42頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§2-3表面、界面結(jié)構(gòu)及不完整性

二、晶界

(一)晶界幾何晶界分類：根據(jù)位向差(

)的不同，晶界分為兩類：(1)小角度晶界-兩相鄰晶粒的位向差約小于10

；(2)大角度晶界-兩晶粒間的位向差較大，一般大于10

以上。

(二)小角度晶界傾側(cè)晶界

位錯間距

第43頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§2-3表面、界面結(jié)構(gòu)及不完整性

二、晶界不對稱傾側(cè)晶界扭轉(zhuǎn)晶界一般小角度晶界：旋轉(zhuǎn)軸和界面可任意取向，由刃型和螺型位錯組合構(gòu)成。晶界能：晶界上原子排列畸變，增高的能量。主要來自位錯能量（位錯密度又決定于晶粒間的位向差），隨位向差增加而增大，僅適用于

<15

。式中為常數(shù)，A取決于位錯中心的原子錯排能第44頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§2-3表面、界面結(jié)構(gòu)及不完整性

二、晶界(三)大角度晶界“重合位置點陣”模型

(四)晶界能 晶界能：金屬多晶體的晶界一般為大角度晶界，金屬大角度晶界能約在0.25～1.0J/m2范圍內(nèi)，與晶粒之間的位向差無關(guān)，大體上為定值。(五)孿晶界第45頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§2-3表面、界面結(jié)構(gòu)及不完整性

二、晶界孿晶面

共格孿晶界

非共格孿晶界

孿晶形成與堆垛層錯的關(guān)系

孿晶面界面能

(六)晶界的特性晶界的特性

第46頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月第三章固溶體§3-1影響固溶度的因素§3-2固溶體各論第47頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月第三章固溶體固溶體

固溶度

中間相

固溶體分類

溶體的有序和無序分類

有限和無限固溶體分類

第48頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§3-1影響固溶度的因素

一、休姆-羅瑟里(Hume-Rothery)規(guī)律 固溶體固溶度的一般規(guī)律：

1、尺寸因素:當尺寸因素不利時，固溶度很??；

2、化學親和力:穩(wěn)定中間相（和組元的化學親和力有關(guān)）會使一次固溶體的固溶度下降（中間相自由能曲線低）；

3、電子濃度:電子濃度（價電子數(shù)和原子數(shù)的比值）影響固溶度和中間相穩(wěn)定性，（溶質(zhì)價為v，溶劑價為V）。還有適用于某些合金系的“相對價效應(yīng)”，即高價元素在低價中的固溶度大第49頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§3-1影響固溶度的因素

二、尺寸因素尺寸與溶解度關(guān)系

維伽定律

靜位移

尺寸因素對固溶度的影響

15%規(guī)律

寬容系數(shù)

第50頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§3-1影響固溶度的因素

三、電價因素電子濃度與溶解度

極限電子濃度與晶體結(jié)構(gòu)類型

固溶限度與平均族數(shù)

離子價對固溶體的影響

第51頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§3-1影響固溶度的因素

四、電負性因素化學親和力對固溶體溶解度的影響

化學親和力與固溶度

達肯經(jīng)驗規(guī)律

場強與固溶度

第52頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§3-2固溶體各論

一、置換固溶體三類固溶體的區(qū)分方法固溶體的計算確定關(guān)注結(jié)構(gòu)相容與置換

尺寸因素分析

第53頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§3-2固溶體各論

二、間隙固溶體間隙固溶體 在金屬中：溶質(zhì)元素是半徑小于1A的一些非金屬元素。即氫、硼、碳、氮、氧等間隙形狀、大小與溶解度：間隙元素小間隙大，溶解度相對較大，但與具體情況有關(guān)。

-Fe中溶入碳原子，八面體間隙0.535A，碳0.77A，點陣畸變，溶解度受限，(1148

C)僅2.11wt%，約相當于9.2atm%；

-Fe中，雖四面體間隙大于八面體間隙，但尺寸仍遠小于碳，溶解度極小。且測定表明，碳在

-Fe八面體間隙中 在無機非金屬材料中：可利用的空隙較多。面心立方結(jié)構(gòu)的MgO，四面體空隙可利用；TiO2中還有八面體空隙可利用；CaF2結(jié)構(gòu)中則有配位為八的較大空隙存在第54頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§3-2固溶體各論

三、有序固溶體（一）短程有序-微觀不均勻性1、無序分布

2、偏聚狀態(tài)

3、有序分布

短程有序

“短程序參數(shù)”

短程序參數(shù)

第55頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§3-2固溶體各論

三、有序固溶體(二)長程有序長程有序

長程序參數(shù)

長程序和短程序的不同

第56頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§3-2固溶體各論

四、固溶體的理論分析與計算

固溶體中的缺陷、固溶體的密度及晶格參數(shù)

關(guān)注計算1、生成置換型固溶體時的缺陷反應(yīng)計算（其中

為CaO的溶入摩爾數(shù)）2、生成填隙型固溶體時的缺陷反應(yīng)計算（其中

為CaO的溶入摩爾數(shù)）第57頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§3-2固溶體各論

五、中間相中間相

金屬中間相特點

金屬間化合物

中間相分類

第58頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§3-2固溶體各論

五、中間相（一）電子化合物電子相

(二)間隙相間隙相

間隙相的晶體結(jié)構(gòu)

(三)間隙化合物間隙化合物

間隙化合物的晶體結(jié)構(gòu)

間隙化合物固溶體

第59頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§3-2固溶體各論

五、中間相(四)拓撲密堆相拓撲密堆相：由兩種大小不同的原子構(gòu)成的一類中間相。大小原子通過適當配合構(gòu)成空間利用率和配位數(shù)都很高的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，配位數(shù)可達12、14、15及16。具有拓撲學特點拓撲密堆相類型：有Cr3Si型相(Cr3Si、Nb3Sn、Nb3Sb等)，拉弗斯(Laves)相(MgCu2、MgZn2、MgNi2等)，

相(Fe7W6、Fe7Mo6等)，R相(Cr18Mo31Co)，P相(Crl8Ni40Mo42)，

相(FeCr、FeV、FeW、FeMo、CrCo、MoCo、WCo等)等等。第60頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月第四章非晶態(tài)固體

非晶態(tài)固體：原子在空間排布沒有長程序的固體 非晶態(tài)固體范疇：玻璃、非晶態(tài)金屬及非晶態(tài)半導體等 結(jié)構(gòu)是認識和研究物質(zhì)的基礎(chǔ)，然而，非晶態(tài)固體的結(jié)構(gòu)比晶體要復(fù)雜得多。第61頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月第四章非晶態(tài)固體§4-1非晶態(tài)固體的特征與表述§4-2非晶態(tài)半導體§4-3非晶態(tài)金屬§4-4玻璃§4-5非晶態(tài)高分子第62頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§4-1非晶態(tài)固體的特征與表述

一、非晶態(tài)固體的結(jié)構(gòu)特征非晶態(tài)固體的微結(jié)構(gòu)

無序態(tài)的類型

雙體相關(guān)函數(shù)

第63頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§4-1非晶態(tài)固體的特征與表述

二、非晶態(tài)固體的結(jié)構(gòu)表征函數(shù)（一）徑向分布函數(shù)RDF原子徑向分布函數(shù)

約化徑向分布函數(shù)

(二)結(jié)構(gòu)描述參數(shù)結(jié)構(gòu)精確描述參量

第64頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§4-1非晶態(tài)固體的特征與表述

三、非晶態(tài)固體的短程序短程序分類

（一）化學短程序（CSRO）

化學短程序

化學短程序參數(shù)

(二)幾何短程序(GSRO)與局域結(jié)構(gòu)參數(shù)Voronoi多面體

Voronoi多面體的指數(shù)(Fi)描述

Voronoi多面體與配位數(shù)及局域原子體積

第65頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§4-2非晶態(tài)半導體

一、非晶半導體的結(jié)構(gòu)模型結(jié)構(gòu)原子間的幾何關(guān)系定義

幾何短程有序GSRO

幾何短程序局域結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.非晶態(tài)固體內(nèi)的流體靜壓力P

2.VonMises切應(yīng)力

3.與近鄰原子的球?qū)ΨQ性發(fā)生橢圓偏離的度量參數(shù)

第66頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§4-2非晶態(tài)半導體

一、非晶半導體的結(jié)構(gòu)模型蝕狀組態(tài)和交錯組態(tài)

非晶半導體結(jié)構(gòu)模型

微晶模型

非晶子模型

連續(xù)無規(guī)網(wǎng)絡(luò)模型(CRN)

描述非晶半導體的兩類參量：一類是局域原子團，由短程有序參數(shù)確定；另一類參量表征局域原子團互連成網(wǎng)絡(luò)的拓撲特點。第67頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§4-2非晶態(tài)半導體

二、非晶半導體的微結(jié)構(gòu)硅和鍺的結(jié)構(gòu)

III-V族結(jié)構(gòu)

硫系非晶半導體結(jié)構(gòu)

a-Si:H薄膜結(jié)構(gòu)

a-Si:H的兩相結(jié)構(gòu)模型

第68頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§4-3非晶態(tài)金屬

一、非晶態(tài)金屬和合金的結(jié)構(gòu)模型微晶、非晶團模型及偏離

硬球無規(guī)密堆模型(DRPHS)

局域短程序特征的描述

Bernal空洞

Voronoi多面體

硬球無規(guī)密堆的（僅僅）五種不同Bernal空洞

硬球無規(guī)密堆模型中的Voronoi多面體

第69頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§4-3非晶態(tài)金屬

一、非晶態(tài)金屬和合金的結(jié)構(gòu)模型Gaske1l的過渡金屬－類金屬多面體模型——三棱柱多面體非晶結(jié)構(gòu)中的局域結(jié)構(gòu)單元與晶體的差別

非晶體最近鄰分布的Voronoi多面體

第70頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§4-3非晶態(tài)金屬

二、非晶態(tài)金屬的微結(jié)構(gòu)非晶態(tài)材料的微結(jié)構(gòu)

非晶態(tài)材料中的局域晶場

（一）幾何微結(jié)構(gòu)非晶態(tài)金屬的幾何微結(jié)構(gòu)

非晶態(tài)金屬中的應(yīng)力與微結(jié)構(gòu)

(二)化學微結(jié)構(gòu)非晶態(tài)金屬的化學微結(jié)構(gòu)

(三)磁各向異性與微結(jié)構(gòu)第71頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§4-4玻璃

一、玻璃結(jié)構(gòu)理論（一）玻璃結(jié)構(gòu)的無規(guī)網(wǎng)絡(luò)學說氧化物玻璃結(jié)構(gòu)

形成穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)滿足的四條規(guī)則玻璃的無規(guī)則網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

氧化物玻璃中的三種氧化物類型

(二)玻璃結(jié)構(gòu)的微晶子學說列別捷夫晶子觀點

蘭德爾微晶學說

第72頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§4-4玻璃

一、玻璃結(jié)構(gòu)理論玻璃結(jié)構(gòu)的微晶學說

無規(guī)則網(wǎng)絡(luò)學說與微晶學說比較統(tǒng)一的看法

(三)常見玻璃的微觀結(jié)構(gòu)1、硅酸鹽玻璃橋氧與網(wǎng)絡(luò)的關(guān)系

“逆性玻璃”

2、硼酸鹽玻璃：3、磷酸鹽玻璃：第73頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§4-4玻璃

二、玻璃的轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變溫度區(qū)

轉(zhuǎn)變溫度范圍微觀過程

轉(zhuǎn)變溫度范圍附近的結(jié)構(gòu)變化情況

“假想溫度”

第74頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§4-4玻璃

三、玻璃化的條件（一）熱力學與動力學條件玻璃的不穩(wěn)（亞穩(wěn)）性

玻璃的穩(wěn)定存在

容積分率

玻璃形成能力的判斷——三T圖

在時間t內(nèi)單位體積的結(jié)晶VL/V

玻璃生成的主要動力學因素

第75頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§4-4玻璃

三、玻璃化的條件(二)結(jié)晶化學條件陰離子集團對玻璃形成的影響

化學鍵性質(zhì)對玻璃的形成的影響

化學鍵強度的影響

第76頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§4-5非晶態(tài)高分子

一、非晶態(tài)高分子的結(jié)構(gòu)模型

(一)無規(guī)線團模型

理論基礎(chǔ)是高分子溶液理論

非晶態(tài)高分子無規(guī)線團模型

高分子的自由體積

(二)局部有序模型高分子的兩種結(jié)構(gòu)單元

粒子相與粒間相的形態(tài)

第77頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§4-5非晶態(tài)高分子

二、玻璃化轉(zhuǎn)變

玻璃化轉(zhuǎn)變

玻璃化轉(zhuǎn)變時的特性變化

自由體積理論

自由體積與溫度及熱膨脹的關(guān)系

高彈態(tài)在某溫度T時的自由體積

玻璃態(tài)自由體積狀態(tài)

第78頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月第五章固體材料中的質(zhì)點運動與遷移§5-1晶格中原子的運動與擴散§5-2擴散機制及影響擴散的因素第79頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§5-1晶格中原子的運動與擴散

一、熱缺陷的運動、產(chǎn)生與復(fù)合擴散現(xiàn)象的本質(zhì)

1、通過填隙途徑遷移

2、通過空位的機構(gòu)而遷移

第80頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月

§5-1晶格中原子的運動與擴散

二、基本擴散定律——菲克定律關(guān)注計算（一）穩(wěn)態(tài)擴散——菲克第一定律（二）非穩(wěn)態(tài)擴散——菲克第二定律第81頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§5-1晶格中原子的運動與擴散

三、擴散系數(shù)（一）自擴散系數(shù)擴散系數(shù)

擴散的宏觀現(xiàn)象

擴散系數(shù)與原子遷移的關(guān)系

遷移頻率

實際擴散系數(shù)（對極稀的fcc結(jié)構(gòu)的間隙固溶體）

自擴散系數(shù)

第82頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§5-1晶格中原子的運動與擴散

三、擴散系數(shù)(二)偏擴散系數(shù)偏擴散系數(shù)

偏擴散系數(shù)的熱力學分析：例如CoO和NiO二元系統(tǒng)的擴散

(三)交互擴散系數(shù)——達肯方程1.克根達爾(Kirkendall)效應(yīng)

2、達肯(Darken)公式

第83頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§5-2擴散機制及影響擴散的因素

一、擴散機制（一）空位擴散空位擴散機制

實現(xiàn)空位擴散的兩個條件

原子跳動頻率

擴散系數(shù)D

（二）間隙擴散間隙擴散機制

稀薄間隙固溶體間隙原子的擴散系數(shù)