材料科学基础（武汉理工大学，张联盟版）课后习题及答案 第三章

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˙˙

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，

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？

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 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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