材料科学基础第三章答案
更新时间:2024-01-04 00:56:01 阅读量: 教育文库 文档下载
第三章答案
3-2略。
3-2试述位错的基本类型及其特点。
解:位错主要有两种:刃型位错和螺型位错。刃型位错特点:滑移方向与位错线垂直,符号⊥,有多余半片原子面。螺型位错特点:滑移方向与位错线平行,与位错线垂直的面不是平面,呈螺施状,称螺型位错。
3-3非化学计量化合物有何特点?为什么非化学计量化合物都是n型或p型半导体材料? 解:非化学计量化合物的特点:非化学计量化合物产生及缺陷浓度与气氛性质、压力有关;可以看作是高价化合物与低价化合物的固溶体;缺陷浓度与温度有关,这点可以从平衡常数看出;非化学计量化合物都是半导体。由于负离子缺位和间隙正离子使金属离子过剩产生金属离子过剩(n型)半导体,正离子缺位和间隙负离子使负离子过剩产生负离子过剩(p型)半导体。
3-4影响置换型固溶体和间隙型固溶体形成的因素有哪些?
解:影响形成置换型固溶体影响因素:(1)离子尺寸:15%规律:1.(R1-R2)/R1>15%不连续。2.<15%连续。3.>40%不能形成固熔体。(2)离子价:电价相同,形成连续固熔体。(3)晶体结构因素:基质,杂质结构相同,形成连续固熔体。(4)场强因素。(5)电负性:差值小,形成固熔体。差值大形成化合物。
影响形成间隙型固溶体影响因素:(1)杂质质点大小:即添加的原子愈小,易形成固溶体,反之亦然。(2)晶体(基质)结构:离子尺寸是与晶体结构的关系密切相关的,在一定程度上来说,结构中间隙的大小起了决定性的作用。一般晶体中空隙愈大,结构愈疏松,易形成固溶体。(3)电价因素:外来杂质原子进人间隙时,必然引起晶体结构中电价的不平衡,这时可以通过生成空位,产生部分取代或离子的价态变化来保持电价平衡。 3-5试分析形成固溶体后对晶体性质的影响。
解:影响有:(1)稳定晶格,阻止某些晶型转变的发生;(2)活化晶格,形成固溶体后,晶格结构有一定畸变,处于高能量的活化状态,有利于进行化学反应;(3)固溶强化,溶质原子的溶入,使固溶体的强度、硬度升高;(4)形成固溶体后对材料物理性质的影响:固溶体的电学、热学、磁学等物理性质也随成分而连续变化,但一般都不是线性关系。固溶体的强度与硬度往往高于各组元,而塑性则较低
3-6说明下列符号的含义:VNa,VNa',VCl˙,(VNa'VCl˙),CaK˙,CaCa,Cai˙˙
1 / 9
解:钠原子空位;钠离子空位,带一个单位负电荷;氯离子空位,带一个单位正电荷;最邻
+-2+
近的Na空位、Cl空位形成的缔合中心;Ca占据K.位置,带一个单位正电荷;Ca原子位于
2+
Ca原子位置上;Ca处于晶格间隙位置。
3-7写出下列缺陷反应式:(l)NaCl溶入CaCl2中形成空位型固溶体;(2)CaCl2溶入NaCl
+
中形成空位型固溶体;(3)NaCl形成肖特基缺陷;(4)Agl形成弗伦克尔缺陷(Ag进入间隙)。
解:(1)NaCl(2)CaCl2
·
NaCa’+ClCl+VCl CaNa+2ClCl+VNa’
·
·
(3)OVNa’+VCl
·
(4)AgAgVAg’+Agi
3-8MgO的密度是3.58g/cm,其晶格参数是0.42nm,计算单位晶胞MgO的肖特基缺陷数。 解:设有缺陷的MgO晶胞的晶胞分子数为x,晶胞体积V=(4.20),x=ρVN0/M=3.96,单位晶胞的肖脱基缺陷数=4-x=0.04。
3-9MgO(NaCl型结构)和Li2O(反萤石型结构)均以氧的立方密堆为基础,而且阳离子都在这种排列的间隙中,但在MgO中主要的点缺陷是肖特基缺陷,而在Li2O中是弗伦克尔型,请解释原因。
解:Mg占据四面体空隙,Li占据八面体空隙。
3-10MgO晶体的肖特基缺陷生成能为84kJ/mol,计算该晶体1000K和1500K的缺陷浓度。
-3-2
(答:6.4×10,3.5×10)
解:n/N=exp(-E/2RT),R=8.314,T=1000k:n/N=6.4×10;T=1500k:n/N=3.5×10。 3-11非化学计量化合物FexO中,Fe/Fe=0.1,求FexO中的空位浓度及x值。(答:2.25×10-5
;0.956)
3+
2+
-3
-2
3
3
解:Fe2O32FeFe+3OO+VFe’’
·
y 2y y
Fe
3+2y
Fe
2+1-3y
O,
2 / 9
X=1-y=1-0.0435=0.9565,Fe0.9565O
[VFe’’]===2.22×10
-2
3-12非化学计量缺陷的浓度与周围气氛的性质、压力大小相关,如果增大周围氧气的分压.非化学计量化合物Fe1-xO及Zn1+xO的密度将发生怎么样的变化?增大还是减小?为什么? 解:Zn(g)
Zni+e’
·
Zn(g)+1/2O2=ZnO Zni+e’+1/2O2[ZnO]=[e’]
·
ZnO
∴PO2[Zni]
·
ρ
·
O2(g)OO+VFe’’+2h
·
k=[OO][VFe’’][h]/PO21/2=4[OO][VFe’’]3/PO21/2 [VFe’’]∝PO1/6,
2-
∴PO2[VFe’’]ρ
3-13对于刃位错和螺位错,区别其位错线方向、伯氏矢量和位错运动方向的特点。
解:刃位错:位错线垂直于线平行于位错运动方向。
位错线垂直于位错运动方向;螺位错:位错线平行于位错
3-14图3-1是晶体二维图形,内含有一个正刃位错和一个负刃位错。 (1)围绕两个位错伯格斯回路,最后得伯格斯矢量若干? (2)围绕每个位错分别作伯氏回路,其结果又怎样?
3 / 9
解:略。
3-15有两个相同符号的刃位错,在同一滑移面上相遇,它们将是排斥还是吸引? 解:排斥,张应力重叠,压应力重叠。
3-16晶界对位错的运动将发生怎么样的影响?能预计吗? 解:晶界对位错运动起阻碍作用。
3-17晶界有小角度晶界与大角度晶界之分,大角度晶界能用位错的阵列来描述吗? 解:不能,在大角度晶界中,原子排列接近于无序的状态,而位错之间的距离可能只有1、2个原子的大小,不适用于大角度晶界。
3-18从化学组成、相组成考虑,试比较固溶体与化合物、机械混合物的差别。
固溶体 以原子尺寸“溶解”形成原因 生成 相数 化学计量 化学组成 均匀单相 不遵守定比定律 不确定 少化学组成 以AO溶质溶解在B2O3溶剂中为例:
比较项 固溶体 化合物 机械混合物 有几种混合物就有多确定 多相 单相均匀 遵守定比定律 粉末混合 原子间相互反映生成 机械混合物 化合物 4 / 9
化学组成 相组成 (x=0~2) 均匀单相 AB2O4 单相 AO+B2O3 两相有界面 3-19试阐明固溶体、晶格缺陷和非化学计量化合物三者之间的异同点,列出简明表格比较。 解:固溶体、晶格缺陷、非化学计量化合物都是点缺陷,是晶体结构缺陷,都是单相均匀的
固体,结构同主晶相。热缺陷——本征缺陷;固溶体——非本征缺陷;
分类 肖特基 热缺陷 弗伦克尔 大小,电负无限,有限,搀杂 固溶体 性,电价, 置换,间隙 溶解 结构 热起伏 T>0k MMMi·· 形成原因 形成条件 O缺陷反应 ++ 化学式 溶解度、缺陷浓度 MX 只受温度控制 MX 无:受温度控制 有:搀杂量<固溶度受温度控制 搀杂量>固溶度受固溶度控制 Fe1-xO [h]∝[[[]∝]∝]∝·阳缺 非化学阴间 计量化阳间 合物 阴缺 氛性质和 压力变化 环境中气 UO2+x Zn1+xO TiO2-X 3-20在面心立方空间点阵中,面心位置的原子数比立方体项角位置的原子数多三倍。原子B溶入A晶格的面心位置中,形成置换型固溶体,其成分应该是A3B呢还是A2B?为什么? 解:略。
3-21Al2O3在MgO中形成有限固溶体,在低共熔温度1995℃时.约有18wt%Al2O3溶入MgO
3+
中,假设MgO单位晶胞尺寸变化可忽略不计。试预计下列情况的密度变化。1)Al为填隙
3+
离子;2)Al为置换离子。 解:(a)Al为填隙离子:
3+
缺陷反应为: (1)
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- 答案
- 第三章
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