1、2019/2/6,1,Introduction to Materials,Introduction,材料概论,DJTU Materials Science & Engineering,2019/2/6,2,本节课的主要内容,3.1 晶体结构缺陷的类型3.2 物质的其它聚集形态3.3 材料的应用,DJTU Materials Science & Engineering,2019/2/6,3,本节课需要掌握的主要内容,掌握晶体结构类型，缺陷的基本概念、分类方法；掌握缺陷的类型、含义及其特点；了解缺陷在材料性能的改善、新型材料的设计、研究与开发中的意义；了解物质的其它聚集形态、材料的应用,DJTU
2、Materials Science & Engineering,2019/2/6,4,3.面缺陷（二维缺陷）,指在二维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列而产生的缺陷，即缺陷尺寸在二维方向上延伸，在第三维方向上很小。如晶界、表面、堆积层错、镶嵌结构等。面缺陷的取向及分布与材料的断裂韧性有关，对金属的塑性变形起着阻碍的作用,DJTU Materials Science & Engineering,3.1 晶体结构缺陷的类型,2019/2/6,5,晶体内部存在着大量的晶界和亚晶界。晶界和亚晶界实际上是一个原子排列不规则的区域，该处晶体的晶格处于畸变状态，能量高于晶粒内部，在常温下强度和硬度较高
3、，在高温下则较低，晶界容易被腐蚀等。,DJTU Materials Science & Engineering,晶界,DJTU Materials Science & Engineering,2019/2/6,6,倾斜晶界与扭转晶界,DJTU Materials Science & Engineering,2019/2/6,7,堆积层错,堆积层错(以下简称层错),指正常堆积顺序中引入不正常顺序堆积的原子面产生的一类面缺陷。 1. 以面心立方结构为例,当正常层序中抽走一原子层, 相应位置出现一个逆顺序堆层 ABCACABC 称抽出型(或内禀)层错； 2. 如果正常层序中插入一原子层，相应位置出现
4、两 个逆顺序堆层 ABCACBCAB 称插入型(或外禀)层错。,DJTU Materials Science & Engineering,2019/2/6,8,面心立方晶体中的抽出型层错(a)和插入型层错(b),这种结构变化，并不改变层错处原子最近邻的关系(包括配位数、键长、键角)，只改变次邻近关系，几乎不产生畸变，所引起的畸变能很小。层错是一种低能量的界面。,DJTU Materials Science & Engineering,2019/2/6,9,面心立方晶体中111面反映孪晶的110投影图,沿着孪晶界面，孪晶的两部分完全密合，最近邻关系不发生任何改变，只有次近邻关系才有变化，引入的原
5、子错排很小，称共格孪晶界面。孪晶界面的能量约为层错能之半。,共格晶面,DJTU Materials Science & Engineering,2019/2/6,10,金绿玉,twins,BeAl2O4,facet,macro-structures,DJTU Materials Science & Engineering,2019/2/6,11,4.体缺陷（三维缺陷）, 气 孔 Pores (如陶瓷) 影响光学、热学和机械性能 裂 纹 Cracks 影响机械性能 填隙物 Foreign inclusions 影响电学、机械和光学性能,短脉冲激光辐照下黑色素的裂纹,DJTU Materials
6、Science & Engineering,体缺陷：在三维尺寸较大，如气孔、裂纹、填隙物等。,2019/2/6,12,二、按缺陷产生的原因分类,1. 热缺陷 2. 杂质缺陷 3. 非化学计量缺陷 4. 其他原因，如电荷缺陷，辐照缺陷等,DJTU Materials Science & Engineering,2019/2/6,13,1.热缺陷,定义：热缺陷也称为本征缺陷，是指由热起伏的原 因所产生的空位或间隙质点(原子或离子)。类型： 弗仑克尔缺陷（Frenkel defect）肖特基缺陷（Schottky defect）热缺陷浓度与温度的关系：温度升高时，热缺陷浓 度呈指数规律增加。,DJT
7、U Materials Science & Engineering,2019/2/6,14,（1）弗仑克尔缺陷：在晶格热振动时，一些 能量较大的质点离开平 衡位置后，进入到间隙 位置，形成间隙质点， 而在原来位置上形成空 位。,DJTU Materials Science & Engineering,2019/2/6,15,弗仑克尔缺陷的特点：间隙质点与空位总是成对出现正离子弗仑克尔缺陷负离子弗仑克尔缺陷二者之间没有直接联系,DJTU Materials Science & Engineering,2019/2/6,16, 与晶体结构有很大关系 NaCl型晶体中间隙较小，不易产生弗仑克尔缺陷；
8、 萤石型结构中存在很大间隙位置，相对而言比较容 易生成间隙离子,弗仑克尔缺陷的影响因素：,DJTU Materials Science & Engineering,2019/2/6,17,（2）肖特基缺陷：正常格点上的质点，在热起伏过程中获得能量离开平衡位置迁移到晶体的表面，而在晶体内部正常格点上留下空位,DJTU Materials Science & Engineering,2019/2/6,18,肖特基缺陷的特点：肖特基缺陷的生成需要一个像晶界、位错或者表面之类的晶格排列混乱的区域 正离子空位和负离于空位按照分子式同时成对产生 伴随晶体体积增加,DJTU Materials Scienc
9、e & Engineering,2019/2/6,19,2. 杂质缺陷,定义：亦称为组成缺陷，是由外加杂质的引入所产生的缺陷。杂质原子进入晶体时，可以置换晶格中的原子，进入正常结点位置，生成置换型杂质原子，也可能进入本来就没有原子的间隙位置，生成间隙型杂质原子。这些缺陷统称为杂质缺陷,DJTU Materials Science & Engineering,杂质缺陷 (a) 置换型；(b )间隙型,2019/2/6,20,特征：如果杂质的含量在固溶体的溶解度范围内，则杂质缺陷的浓度与温度无关杂质缺陷对材料性能的影响在某些情况下，晶体中可溶入较大量其他物质，如制造固体氧化物燃料电池电解质材料，使
10、用810%（mol）Y2O3溶入ZrO2中，Y3+置换Zr4+，形成大量氧空位缺陷，可传导氧离子，从而起到离子导电作用。,DJTU Materials Science & Engineering,2019/2/6,21,3. 非化学计量缺陷,定义：指组成上偏离化学中的定比定律所形成的缺陷。它是由基质晶体与介质中的某些组分发生交换而产生。如AmBn: A:B = m:n 为整数比化合物 A:B m:n 为非整数比化合物 方铁矿(FeO)中，由于少量Fe3+的存在,产生Fe2+空位造成晶体缺陷,使晶体的实际组成范围为Fe0.89O到Fe0.96O 特点：其化学组成随周围气氛的性质及其分压大小而变化
11、，是一种半导体材料。,DJTU Materials Science & Engineering,2019/2/6,22,4. 其他原因，如电荷缺陷，辐照缺陷等,电荷缺陷：晶体中某些质点个别电子处于激发状态，有的离开原来质点，形成自由电子，在原来电子轨道上留下了电子空穴辐照缺陷：当金属受到高能粒子（中子、质子、氘核、粒子、电子等）辐照时，晶体中的原子将被击出，挤入晶格间隙中，由于被击出的原子具有很高的能量，因此还有可能发生连锁作用，在晶体中形成大量的空位和间隙原子,DJTU Materials Science & Engineering,2019/2/6,23,1-置换杂质缺陷 2-肖特基缺陷
12、3-间隙杂质缺陷 4-复合缺陷 5-弗仑克尔缺陷 6-置换杂质缺陷,DJTU Materials Science & Engineering,2019/2/6,24,3.2 物质的其它聚集形态,DJTU Materials Science & Engineering,一、非晶体,非晶态物质内部结构没有周期性特点，而是杂乱无章地排列，如：玻璃、松香、明胶等等。非晶体不具有晶体物质的共性，某些非晶态物质具有优良的性质。非晶体的宏观特征（1） 只有玻璃转化温度，无熔点。（2） 没有规则的多面体几何外型，可以制成玻璃体、丝、薄膜等特殊形态。（3） 物理性质各向同性。（4） 均匀性来源于原子无序分布的统
13、计性规律，无晶 界。,2019/2/6,25,非晶态固体包括非晶态电介质、非晶态半导体、非晶态金属。它们有特殊的物理、化学性质。例如金属玻璃（非晶态金属）比一般（晶态）金属的强度高、弹性好、硬度和韧性高、抗腐蚀性好、导磁性强、电阻率高等。这使非晶态固体有多方面的应用。它是一个正在发展中的新的研究领域，近年来得到迅速发展。,DJTU Materials Science & Engineering,2019/2/6,26,二、准晶体,准晶体指准周期性晶体材料的简称，是1984年科学家发现的一种新的物质聚集形态。一种介于晶体和非晶体之间的固体。准晶体具有完全有序的结构，然而又不具有晶体所应有的平移对
14、称性，因而可以具有晶体所不允许的宏观对称性。,DJTU Materials Science & Engineering,2019/2/6,27,准晶中的原子分布有严格的位置序，但位置序无周期性，即没有周期性平移对称关系，在准晶材料中存在不符合传统晶体学的五次、八次、十二次对称轴。,非晶体学点对称操作 （5次、8次、10次、12次）,DJTU Materials Science & Engineering,2019/2/6,28,准晶从结构角度看是一种新的物质形态，但 实际上它们仅在特定的金属合金中形成，是成分范围较窄的金属间化合物。 准晶体的发现一方面极大地深化了我们对晶体学、衍射物理和凝聚态
15、物理的认识。另一方面，准晶体的各种独特性质使准晶体具有潜在的应用价值。,DJTU Materials Science & Engineering,2019/2/6,29,1 液晶的发现2 液晶的分类3 液晶显示器的优点,三、液晶,DJTU Materials Science & Engineering,2019/2/6,30,1. 液晶的发现,1888年，奥地利植物学家莱尼茨尔在做加热胆甾醇苯甲酸脂结晶的实验时发现：在145.5摄氏度时，结晶凝结成浑浊粘稠的液体，加热到178.5摄氏度时,形成了透明的液体德国物理学家莱曼用偏光显微镜观察时，发现这种材料有双折射现象，他阐明了这一现象并提出了“液
16、晶”这一学术用语,DJTU Materials Science & Engineering,2019/2/6,31,液晶材料,液晶的发现已经有100多年的历史，但近20年来才获得了快速的发展。这是因为液晶材料的光电效应被发现。因而被应用在低电压和轻薄短小的显示组件上。目前液晶材料已被广泛应用于计算机显示屏，电子表，手机，计算器等电子产品上，成为显示工业不可或缺的重要材料。,DJTU Materials Science & Engineering,2019/2/6,32,生活中的液晶显示材料,DJTU Materials Science & Engineering,2019/2/6,33,2.
17、液晶的分类方法,（1） 按照液晶的形成条件分类（2） 按照分子排列的形式和有序性分类,DJTU Materials Science & Engineering,2019/2/6,34,（1） 按照液晶的形成条件分类,采用降温的方法,即将熔融的液体降温，当降温到一定程度后分子的取向有序化，从而获得液晶态,有机分子溶解在溶剂中，使溶液中溶质的浓度增加，溶剂的浓度减小，有机分子的排列有序而获得液晶,熔致液晶,热致液晶,DJTU Materials Science & Engineering,2019/2/6,35,构成液晶态的结构单元,棒状分子盘状分子由长链或盘状分子连接而成的柔性长链聚合物由双亲分
18、子自组装而成的膜,DJTU Materials Science & Engineering,2019/2/6,36,向列型：分子倾向于沿特定的方向排列，存在长程的有序分子的质心位置分布却是杂乱无章的，不存在长程的位置序表现出液体的特征，具有流动性,DJTU Materials Science & Engineering,（2） 按照分子排列的形式和有序性分类,2019/2/6,37,胆甾型：在胆甾相中，长型分子是扁平的，依靠端基的相互作用，依次平行排列成层状。它们的长轴在平面上，相邻两层间分子长轴的取向规则地扭转在一起，角度的变化呈螺旋型。,DJTU Materials Science & E
19、ngineering,2019/2/6,38,近晶型：棒状分子相互平行地排列成层状结构，分子的长轴与层面垂直在层内，分子的排列具有二维有序性，分子的质心位置排列则是无序的，分子只能在本层内活动在层间具有一维平移序，层间可以相互滑移,DJTU Materials Science & Engineering,2019/2/6,39,第一，液晶本身不发光，而是利用外部光源来发光的。但这并不意味着非用外光源不可。利用太阳发出的自然光和室内的一般照明光都可进行显示。这和电子学显示装置的概念相比，有根本的不同。作为显示元件，液晶新的意义恐怕就在这里。第二，作为显示元件用的液晶，其厚度可做成几十微米以下，这
20、对显示装置来说是很合适的。这表明，液晶具有作薄型电视接收显示材料的良好性能。而且由于它是液态，原则上其大小是没有限制的，要多大就可以多大。故它可作为大屏幕显示装置。,DJTU Materials Science & Engineering,3. 液晶显示器的优点,2019/2/6,40,具体来说，在实际应用中，某些向列型液晶，在电场作用下，光的反射率或透射率会发生变化，与此相反，胆甾型液晶加上电场时可使光有选择的反射或透射，故可显示彩色图象。而且这种液晶颜色随温度变化，所以也用来显示热分布图。,LG,DJTU Materials Science & Engineering,2019/2/6,4
21、1,常见的三种液晶显示器,TN-LCD(扭曲向列型液晶显示器）：TwistedNematic-LCD 常用于电子手表，计算器,DJTU Materials Science & Engineering,2019/2/6,42,常见的三种液晶显示器,STN-LCD(超扭曲向列型液晶显示器）Super TwistedNematic-LCD 常用于手机显示屏,游戏机屏,DJTU Materials Science & Engineering,2019/2/6,43,常见的三种液晶显示器,TFT-LCD(薄膜型液晶显示器）：Thin Film Transistor-LCD常用于液晶显示屏，数码照相机,D
22、JTU Materials Science & Engineering,2019/2/6,44,四、等离子体,等离子体实际上是一个物理概念。物质有固体、液体和气体三态，而等离子体是电离的气体，由大量自由电子和离子以及中性粒子组成，是物质的一种特殊的聚集态。因此，又被称为物质的第四态或等离子态。就电气技术而言，它指的是一种拥有离子、电子和核心粒子的不带电的离子化物质，包括有带电粒子：电子、正离子、负离子和不带电的粒子：气体原子、分子、受激原子、亚稳原子等。,DJTU Materials Science & Engineering,2019/2/6,45,1). 天然等离子体宇宙中99%的物质是以
23、等离子体状态存在的, 如 恒星星系、星云，地球附近的闪电、极光、电离层 等。如太阳本身就是一个灼热的等离子体火球。2). 人工等离子体 如：日光灯、霓虹灯中的放电等离子体。等离子体炬（焊接、新材料制备、消除污染） 中的电弧放电等离子体。气体激光器及各种气体放电中的电离气体。,DJTU Materials Science & Engineering,2019/2/6,46,气体的电子得到足够大的能量后即被电离，这种电子具有较大的动能，以较高的速度在气体中运动。电子在运动过程中与其他粒子会产生碰撞，使更多的中性粒子电离;同时，带相反电荷的两种离子结合形成中性原子即复合现象。在复合过程中，电子将能量
24、以光的形式放出来，即产生发光。,DJTU Materials Science & Engineering,等离子体发光的基本原理：,2019/2/6,47,等离子体发光材料除了可以作为彩色壁挂电视，信息处理终端装置的显示板等显示设备外，由于等离子发光具有高亮度、长寿命等优点，其发光材料还可用于照明，如氖灯、氙灯等，所以是一类有巨大市场前景的发光材料。,DJTU Materials Science & Engineering,2019/2/6,48,2019/2/6,49,PDP模块发光、显示原理,Plasma Display Panel （等离子显示屏）PDP主要利用电极加电压、惰性气体游离产
25、生的紫外光激发荧光粉发光制成显示屏。 PDP显示屏的每个发光单元工作原理类似于霓虹灯。每个灯管加电后就可以发光。显示屏由两层玻璃叠合、密封而成。当上下玻璃板之间的电极，施加一定电压、电极触电点火后，电极表面会产生放电现象，使显示单元内的气体游离产生紫外光，紫外光UV激发荧光粉产生可见光。一个像素包括红、绿、蓝三个发光单元，三基色原理，组合形成256色光。,DJTU Materials Science & Engineering,2019/2/6,50,PDP显示屏,42”VGA显示屏：852X480（X3个红、绿、蓝像素单元），122，6880个灯泡。,显示屏正面,DJTU Materials
26、 Science & Engineering,2019/2/6,51,Operation condition of AC PDP: bistable mode of ON/OFF,等离子显示屏的组成、结构特征,DJTU Materials Science & Engineering,2019/2/6,52,PDP像素放电、发光单元结构,DJTU Materials Science & Engineering,2019/2/6,53,PDP 如何发光形成图形,DJTU Materials Science & Engineering,2019/2/6,54,DJTU Materials Scien
27、ce & Engineering,PDP 如何发光形成图形,2019/2/6,55,DJTU Materials Science & Engineering,PDP 如何发光形成图形,2019/2/6,56,DJTU Materials Science & Engineering,PDP 如何发光形成图形,2019/2/6,57,Plasma Display（PDP）各子场显示方式,DJTU Materials Science & Engineering,2019/2/6,58,DJTU Materials Science & Engineering,2019/2/6,59,DJTU Mate
28、rials Science & Engineering,2019/2/6,60,DJTU Materials Science & Engineering,2019/2/6,61,DJTU Materials Science & Engineering,2019/2/6,62,DJTU Materials Science & Engineering,2019/2/6,63,DJTU Materials Science & Engineering,2019/2/6,64,DJTU Materials Science & Engineering,2019/2/6,65,DJTU Materials
29、Science & Engineering,2019/2/6,66,1992,日本中村修二, 利用蓝宝石基板GaN外延实现LED光源井喷式发展；LED发光二极管，电能转化为可见光，固态半导体器件，近十年获普遍应用；LED电源、吸顶灯、隧道灯、仓库灯、高棚灯、汽车灯、电视、手机显示器、广告屏幕。,LED新光源概况 （第四代光源）,2019/2/6,67,超纯Al2O3原料-在长晶设备中生成蓝宝石单晶-掏棒得到蓝宝石晶棒-切割成晶片后得到晶片-再对晶片进行外延镀膜和生长-即得到用于LED发光材料的发光二极管,蓝宝石晶体、晶棒、晶片,2019/2/6,68,蓝宝石级高纯氧化铝粉体,2019/2/6,
30、69,一、 材料的选择： 材料的主要功能及结构 材料的强度、耐磨性、耐腐蚀性、传导性等 制造和加工工艺条件 使用条件如压力、温度等 环境因素 成本 能否循环利用和节能,DJTU Materials Science & Engineering,3.3 材料的应用,2019/2/6,70,一种材料取代另一种的原因主要有性能、 经济性及生态等因素。例如：汽车车身最初是木材，后来更多使 用金属及有机聚合物，这是因为：更加舒适减少湿度的影响生产线单一化安全性增强,DJTU Materials Science & Engineering,2019/2/6,71,DJTU Materials Science
31、 & Engineering,弯曲强度f,= 3FL/2bd2,2019/2/6,72,DJTU Materials Science & Engineering,三点弯曲测试,2019/2/6,73,f = 3FL/2bd2,DJTU Materials Science & Engineering,三点弯曲测试,f 弯曲强度，帕 F 施加外力，牛顿 L 支点间距，米 b 横截面宽度，米 d 横截面高度，米,E = L3F/4bd3,E弹性模量,2019/2/6,74,二、新材料在汽车上的应用,1 新型金属材料 2 陶瓷材料 3 摩擦材料 4 汽车用复合材料,DJTU Materials Sci
32、ence & Engineering,2019/2/6,75,1. 新型金属材料,非晶态合金它将熔化的金属急骤冷却生成一种无结晶构造的固态金属。具有较强的抗拉强度，用来作轮胎帘线，实现轮胎的轻量化。非晶钛合金耐腐蚀、耐磨性好，用来制造悬架弹簧。 形状记忆合金形状记忆合金在室温下非常柔软，极易变形，具有形状记忆功能。首先将其制成某一形状，并记住这一原始形状，然后施以变形呈另一形状，经加热再自行恢复到原来的形状，即所谓的形状记忆效应。典型的形状记忆合金是NiTi合金。在车辆上常用的为Ti50Ni50，它可用来制造风扇自动离合器、轮胎防滑钉、雾灯罩自动开闭装置、手动变速器、电磁阀、散热器护栅活门等。
33、如图2所示为发动机冷却风扇离合器。,DJTU Materials Science & Engineering,2019/2/6,76,形状记忆合金制作的发动机冷却风扇离合器,DJTU Materials Science & Engineering,典型的形状记忆合金是NiTi合金。在车辆上常用的为Ti50Ni50，它可用来制造风扇自动离合器、轮胎防滑钉、雾灯罩自动开闭装置、手动变速器、电磁阀、散热器护栅活门等。如右图所示为发动机冷却风扇离合器。,2019/2/6,77, 减振合金随着对车辆品质的要求越来越严格，对降低噪声、振动的要求也越来越高。减振合金的种类有灰口铸铁、12Cr钢、Cr-A1-
34、Mo-Fe、Cu-A1-Mn、Ti-Ni等。 粉末金属在车辆上应用的范围包括皮带轮、水泵叶轮、制动器、变速器、同步器盘、正时齿轮、万向节、离合器片、减振器活塞、连杆、气门、导管、凸轮轴、挺杆等。德国宝马汽车公司已将粉末金属精密铸造连杆作为轿车和摩托车发动机的标准件；美国克莱斯勒汽车公司在新型的2.0 L和2.4 L发动机上使用了粉末金属连杆。,DJTU Materials Science & Engineering,1. 新型金属材料,2019/2/6,78,2 陶瓷材料, 陶瓷在汽车上的最早应用是制造火花塞。现代汽车中，陶瓷用于制作各种传感器，如爆振传感器、氧传感器、温度传感器等；也可以用于
35、替代金属材料制作发动机和热交换器零件。近年来，一些特种陶瓷被用于制作发动机部件或整机、气体涡轮部件等，可以达到提高热效率、降低能耗、减轻自重的目的。,DJTU Materials Science & Engineering,2019/2/6,79,3. 摩擦材料,摩擦材料是一种以摩擦为主要功能、兼有结构性能要求的复合材料。汽车用摩擦材料主要是用于制造制动摩擦片和离合器片。这些摩擦材料主要采用石棉基摩擦材料，随着对环保和安全的要求越来越高，逐渐出现了半金属型摩擦材料、复合纤维摩擦材料、陶瓷纤维摩擦材料。由于摩擦材料在汽车上主要用于制造制动系和传动系的零件，要求有足够高的而且稳定的摩擦系数和较好的
36、耐磨性,DJTU Materials Science & Engineering,2019/2/6,80,4. 汽车用复合材料, 纤维增强塑料（FRP）FRP是Fiber Reinforced Plastic的缩写，基体是 塑料，总称。常用的FRP是玻璃纤维和高级碳纤 维、合成纤维(如Kevlar)等.在汽车上主要用于变速杆、车顶篷等内部饰件和发动机盖、发 动机壳体过滤器等及其附件。 纤维增强金属（FRM）FRM是金属基复合材料之一，近来陶瓷系粒子或片、晶须增强的金属复合材料的应用已占相 当比例，主要用于活塞、连杆、气缸体等。,DJTU Materials Science & Engineering,2019/2/6,81,（一）随着大量新材料，如高分子材料、复合材料等的迅速发展，为现代汽车的发展提供了必要的条件。复合材料、陶瓷材料、特殊用途材料(耐蚀、耐高温、隔光、隔热材料等)的用量呈增长趋势。 （二）新材料的发现不等于能应用于实际，有很多看来诱人如金属的非晶态、高温超导等，需要进一步完善生产工艺，才能得到广泛应用。（三）新材料的研究开发与产业化，有赖于高技术的发展而高技术又以新材料基础和先导，因此新材料与高技术相辅相成。,DJTU Materials Science & Engineering,
