材料科学基础二第五章2填隙型固溶体课件.ppt

1、5.5 填隙型固溶体 n填隙型固溶体是由于外来的杂质质点进入晶体的间隙位置形成的。n影响填隙型固溶体形成的因素u杂质质点大小l添加的原子越小，越易形成固溶体。u基质晶体的结构l一般晶体中空隙越大，结构越疏松，就越易形成固溶体。u电价因素l填隙型固溶体，可通过生成空位或产生部分置换来维持结构中的电中性。Li2TiO3形成固溶体：2CaF3FiCaYF2F+F+Y 2 413LiTiOxxLi2O过量时：（0 x 0.08）2 413LiTiOxxTiO2过量时：（0 x 0.09）n例子u形成填隙型固溶体的能力主要与外来原子的尺寸及主晶体结构中间隙的大小有关。MgO：四面体间隙 金红石：1/2八

2、面体间隙 沸石：六元环窗口 形成填隙式固溶体的可能性和固溶度大小的顺序：沸石金红石TiO2MgO固溶体与铁电和压电陶瓷n电极化的概念u在电场作用下，电介质材料不是以载流子传输方式传递电场的作用和影响，而是在体内或表面感生出一定量的电荷，这种现象称作电极化。n电极化的微观机制 u电子位移极化l原子或离子的电子云发生畸变，正负电荷重心发生了相对位移，产生了电偶极矩。P=EP：电极化强度；E：电场强度；：电极化率u离子位移极化 l晶体中的正负离子发生相对位移，产生电偶极矩。u固有电偶极的取向极化 l极性分子体系中的固有电偶极矩沿电场方向排列，表现出宏观电极化现象。u空间电荷极化l由于晶体中存在缺陷（

3、间隙离子或空位等），在电场作用下，材料中的离子可以通过这些缺陷发生长程迁移，产生极化。n热释电效应 u指晶体的自发极化随温度而变化的现象。n铁电体u如果晶体中存在着自发极化，并且这种极化的方向能随着外界电场而改变，这样的晶体就称为铁电体。u铁电晶体中存在有电畴，电畴是晶体中自发极化方向排列一致的小区域。电畴之间的取向是随机的。在外电场的作用下，可使多电畴转变为单电畴。u铁电材料例子：四方（铁电）立方（顺电）BaTiO3n铁电体特性u电滞回线 非铁电体（a）和铁电体（b）的极化特性曲线u顺电-铁电相变l当温度下降时，材料在居里温度从非铁电相转变为铁电相。u临界特性 l在居里温度或相变温度附近出现

4、物理性质的异常。u“老化”现象l在没有外加机械应力和电场以及温度变化的情况下，铁电性能等会随时间而逐渐退化。n反铁电体l其结构相当于两个相等而极化方向相反的亚晶格交错而成。相邻亚晶格之间沿相反方向极化，因此宏观上不具有净的自发极化强度，也不具有铁电体那样的电滞回线。n 压电效应u压电晶体受到机械力作用时，在一定方向的表面上产生束缚电荷，且其电荷密度大小与所加应力大小呈线性关系，这种由机械能转换成电能的现象，称为正压电效应。u在压电晶体上施加电场，晶体不仅可以产生电极化，同时还会发生形变，这种效应是压电效应的逆过程，常称作逆压电效应。n压电陶瓷材料的应用u声纳 u弯曲型换能器 u声频空气换能器

5、l直接将电能转换为声音或将声音转换为电能。u压电高压发生器l利用正压电效应将机械能转换成电能，形成高压。u压电滤波器 u压电陶瓷变压器5.6 置换型固溶体生成机制 n等价置换固溶体 232322(1-)3Al O+(1-)Cr OAl CrOxxxx23Cr O23CrOAl O2Al+3O 23Al O23AlOCr O2Ar+3O 22(1)(1)3 BaO(1)CaO TiO(1)SnO Ba CaTi SnOxxyyxxyy异价不等数置换固溶体：空位机构 u引入比主晶体低价的阳离子，造成阴离子空位。u引入比主晶体高价的阳离子，造成阳离子空位。2ZrOZrOOCaOCa+V+O MgO2

6、3MgMgOAl O2Al+V+3O异价不等数置换固溶体：填隙机构 u高价阳离子置换低价阳离子，造成阴离子填隙。u低价阳离子置换高价阳离子，造成阳离子填隙。23Y O2YOi2ZrO2Zr+3O+O 2ZrOZrOi2CaOCa+2O+Ca 异价等数置换固溶体：变价机构 u形成固溶体的金属元素能够发生变价，通过变价的方式，来满足电中性条件。2TiO252TiTiO21V O(s)+2TiO(s)2V+2Ti+8O+O(g)2 2TiO25TiO21V O(s)2V+4O+O(g)+2e2 NiO22NiNiO1Li O(s)+2NiO(s)+O(g)2Li+2Ni+4O2 NiO22NiO1L

7、i O(s)+O(g)2Li+2O+2h2 异价等数置换固溶体：补偿机构 u引入高价和低价相互补的阳离子。u置换主晶体中的两种不同的阳离子。u双重置换固溶体 2TiO2325TiTiOAl O+V O2Al+2V+8O 3BaTiO225BaTiOLi O+Nb O2Li+2Nb+6O(Ca1xNax)(Al2xSi2+x)O8n无序固溶体l各组元质点的分布是随机的、无规则的。n有序固溶体l各组元质点的分布分别按照各自的晶格点阵进行排列，整个固溶体就是由各组元的分点阵组成的复杂点阵，此类结构也称超点阵或超结构。（a）一般固溶体 （b）AuCu3有序结构 （c）AuCu有序结构(a)完全无序 (

8、b)偏聚 (c)部分有序 (d)完全有序形成固溶体后对晶体性质的影响形成固溶体后对晶体性质的影响n固溶强化固溶强化u定义l通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化。u例子l纯铜的b为220 MPa,硬度为40 HB。加入1%镍形成固溶体后,强度升至390 MPa,硬度升至70 HB。u固溶强化的规律l间隙式溶质原子的强化效果一般要比置换式溶质原子更显著。l溶质和溶剂原子尺寸相差越大或固溶度越小，固溶强化越显著。n稳定晶格，抑制晶型转变稳定晶格，抑制晶型转变uCaO、Y2O3等固溶到ZrO2中uPbTiO3与PbZrO3 反应生成Pb(ZrxTi1-x)O3 n活化晶格活化晶格 uAl2O3熔点很高（2050），若加入TiO2，可使烧结温度下降到1600左右。n对材料物理性质的影响对材料物理性质的影响u电学、磁学、光学性能电学、磁学、光学性能等。