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grain boundary 晶界是结构相同而取向不同晶粒之间的界面。在晶界面上,原子排列从一个取向过渡到另一个取向,故晶界处原子排列处于过渡状态。 晶粒与晶粒之间的接触界面叫做晶界。

无机非金属材料

无机非金属材料是由微细粉料烧结而成

无机非金属材料是由微细粉料烧结而成的。在烧结时,众多的的微细颗粒形成大量的结晶中心。当它们发育成晶粒并逐渐长大到相遇时就形成晶界。因而无机非金属材料是由形状不规则和取向不同的晶粒构成的多晶体,多晶体的性质不仅由晶粒内部结构和它们的缺陷结构所决定,而且还与晶界结构、数量等因素有关。尤其在高技术领域内,要求材料具有细晶交织的多晶结构以提高机电性能。此时晶界在材料中所起的作用就更为突出。图4-13表示多晶体中晶尺寸与晶界所占晶体中体积百分数的关系。由图可见,当多晶体中晶粒平均尺寸为1um界占晶体总体积的1/2。显然在细晶材料中,晶界对材料的机、电、热和光等性质都有不可忽视作用。 凡结构相同而取向不同的晶体相互接触,其接触界面称为晶界。如果相邻晶粒不仅位向不同,而且结构、组成也不相同,即它们代表不同的两个相测其间界称为相界面或界面。由于原子(离子)间结合键的变化及结构畸变,相界面同样具有特殊的界面能,可以与晶界类同看待!

晶界的研究

由于晶界上两个晶粒的质点排列取向有一定的差异,两者都力图使晶界上的质点排列符合于自己的取向。当达到平衡时,晶界上的原子就形成某种过渡的排列,其方式如图4-14所示显然,晶界上由于原子排列不规则而造成结构比较疏松,因而也使晶界具有一些不同于晶粒的特性。晶界上原子排列较晶粒内疏松,因而晶界易受腐蚀(热侵蚀化学腐蚀)后,很易显露出来;由于晶界上结构疏松,在多晶体中,晶界是原子(离子)快速扩散的通道,并容易引起杂质原子(离子)偏聚,同时也使晶界处熔点低于晶粒;晶界上原子排列混乱,存在着许多空位、位错和键变形等缺陷,使之处于应力畸变状态。故能阶较高,使得晶界成为富态相变时代先成核的区域。利用晶界的一系列特性,通过控制晶界组成、结构和相态等来制造新型无机材料是材料科学工作者很感兴趣的研究领域。但是多晶体晶界尺度仅在0.lum以下,并非一般显微工能研究的。而要采用俄歇谱仪及离子探针等。由于晶界上成分复杂,因此对晶界的研究还有待深入。

晶界结构与分类

晶界的结构

有二种不同的分类方法,一种简单地按两个晶粒之间夹角的大小来分类。分成小角度晶界和大角度晶界。小角度晶界是相邻两个晶粒的原子排列铝合的角度很小,约2`~3`。两个晶粒间晶界由完全配合部分与失配部分组成。,界面处质点排列着一系列棱位图2-47。当一颗晶粒绕垂直晶粒界面的轴旋转微小角度,也能形成由螺旋位错构成的扭转小角度晶界。大角度晶界在多晶体中占多数,这时晶界上质点的排列已接近无序状态。另一种分类是根据晶界两边原子排列的连贯性来划分的。当界面两侧的晶体具有非常相似的结构和类似的取向,越过界面原子面是连续的。这样的界面称为共格晶界。例如,氢氧化镁加热分解成氧化镁,Mg(OH)2--》MgO+H2O,就形成这样的间界(见图4-15)。这种氧化物的氧离子密堆平面通过类似堆积的氢氧化物的平面脱氢而直接得到。因此当Mg(OH)。结构内有转变为MgO结构的畴出现时,则阴离子面是连续的。然而,两种结构的晶面间距彼此不同,分别为C1和C2,(C2-C1)/C1=Q被定义为品面间距的失配度。为了保个相或二个相发生弹性应变,或通过引入位错来达到。失配度Q是弹性应变的一个量弹性应变的存在,使系统的能量增大,系统能量与cQ2成正比,C为常数,系统能量与于图4-16。另一种类型的晶界称做半共格晶界如图4-17所示。在这种结构中,最简单的看只有晶面间距C1比较小的一个相发生应变。弹性应变可以成引入半个原子晶面进入应变相下降,这样就生成所谓界面位错。位错的引入、使在位错线附近发生局部的晶格畸变。显然晶体的能量也增加。

根据布鲁克(Brook)的理论

这个能量W可用式4-19表示根据(4-19)式计算的晶界能与岁的关系如图4-16中的虚线所示。由图可见,当形成共格晶界所产生的8增加到一定程度(如图中a与b的交点),如再共格相连,所产生的弹性应变能将大于引人界面位措所引起的能量增加,这对以半共格晶界相连比共格在能量上更趋于稳定但是上述种种界面位借的数目,不能无限制地增加,在图417中,晶体上部,每单位路皮诺要的附加半晶。数等于,一>-},位 式中:为失既反。bed民关基,学是剪切模虽,。是泊松比,户2去采,它表示当一个样品受,到张力作用而伸长时。厚友碎顶M、与长度(L)增加之比。A。一1+In(六十),ro是与位错线有关的一个长度。 错间伪距离*一orl,故d一ryry,因此 (4-20) 如果Bz0Q4则每隔d?5c2就必须括人一个附加半晶面,才能消除应变裆B一0.1时,每10个晶面就要插一个附加半晶项。在这样或有更大失配度的情况下,界面位错数大大超过了在典型陶瓷晶体中观察到的位错密度。因此,结构上相差很大的因相间的界面不可能是共格晶界,而与河邻晶体间必有畸变的原子排列。这样的间界称为非共格晶界。通过烧结得到的多晶体,绝大多数为这类晶界。在烧结过准中,有相同成分和相同结构的晶粒彼此取向不同,在这种情况下,所呈现的晶粒间界如图4。18所承。

晶界的“非品态”特性

由于这种晶界的“非品态”特性。因此很难估算它们的能量如果假设相邻晶粒的原子(离子)彼此无作用,那么每单位面积晶界的品界能将等于两晶粒的表面能之和。但是实际上两个相邻晶粒的表面层上的原子间的相互作用是很强的,并且可以认为在每个表面上的原子馆子)周围形成了一个完全的配位球,其差别在于此处的配位多面体是变了形的,并在某种程度上,这种配位多面体周围情况与.内部结构是不相同的。

多晶体的组织

在硅酸盐材料中,多晶体的组织变化发生在晶粒接触处即晶界上,晶界形状是由表面张力的相在关系决定的,晶界在多晶体中的形状、构造和分布称为晶界构形。为了便于讨论,我们仅仅分析二维的多品截面,并擅定晶界能是各向’同性的。如果两个颗粒间伪界面在高温下经过充分的时间使原子迁移或气相传质而达到平衡,形成了自、固,气界面如图4-19(A),根据界面张力平衡关系经过抛光的陶瓷表面在高孪陆?腥却?恚?诮缑婺艿淖饔孟拢?头?希?21)式的平衡关系。式中O角称为糟角。 如果是固一固一液系统,这在由液相烧结而得的多晶体是十分普遍的。如传统长石质瓷,镁质瓷等,这时晶界构形可以用图4-19(B)表示。此时界面张力平衡可以写成