บทที่ 4 โครงสร้างวัสดุ

ความไม่สมบูรณ์ผลึก 0 มิติ : ความบกพร่องแบบจุด (point defect) 1 มิติ : ความบกพร่องแบบเส้น (dislocation) 2 มิติ : ความบกพร่องที่รวมทั้งพื้นผิวภายนอกและขอบเกรนภายใน และยังรวมถึงความบกพร่องขนาดใหญ่ เช่น ฟองอากาศ รอยแตก และการเกาะกลุ่มของสารเจือปน

ความบกพร่องในลักษณะจุด (Point Defect) ความบกพร่องในลักษณะจุดนั้น เกิดขึ้นเนื่องจากสาเหตุที่สำคัญดังนี้ 1. อนุภาคหายไปจากตำแหน่งที่ควรมี จึงมีที่ว่างเกิดขึ้น เรียกว่าจุดว่าง (Vacancy) 2. มีอนุภาคชนิดอื่นเข้าไปแทรกอยู่ในตำแหน่งที่ควรเป็นที่ ว่าง (Interstitial Impurity Atom) 3. อนุภาคชนิดอื่นเข้าไปอยู่แทนที่อนุภาคเดิม (Substitutional Impurity Atom)

Point Defect : Vacancy เป็นความบกพร่องที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของอะตอม (vacancy) เมื่อได้รับพลังงานจากการเผาในกระบวนการผลิต vacancy : เกิดขึ้นเมื่ออะตอมหายไปจากตำแหน่งปกติ มักจะเกิดขึ้นเมื่อผลึกอยู่ในระหว่างการแข็งตัว (solidification) ที่อุณหภูมิสูง ที่อุณหภูมิห้อง จะพบ vacancy น้อย และจะเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น โดยเพิ่มขึ้นแบบ exponential http://www.soton.ac.uk/~engmats/xtal/deformation/vacancy.gif

nv = จำนวน vacancy/m3 n = จำนวน lattice point/m3 Q = พลังงานที่ใช้ในการสร้าง vacancy (J/mol) R = gas constance = 8.31 J/mol/K T = Temperature (K) ที่ thermal energy ใกล้เคียงกับ Tm จะทำให้เกิด vacancy 1 vacancy per 1000 lattice point

Point Defect : Interstitial Defect เกิดเมื่อมี extra atom เข้าไปแทรกอยู่ใน lattice structure Interstitial atom < atom located at lattice point และ > interstitial site ที่มันเข้าไปอยู่ ซึ่งจะทำให้ lattice ที่อยู่รอบๆ นั้น ถูกอัดและบิดเบี้ยวไป www.soton.ac.uk/.../deformation/introduction.htm

Point Defect : Substitutional Defect เกิดเมื่ออะตอมถูกแทนที่ด้วยอะตอมอื่น อยู่ในตำแหน่งเดิม ซึ่งอาจจะมีขนาดใหญ่กว่าอะตอมใน lattice ซึ่งจะทำให้อะตอมรอบๆ ถูกอัด หรือ อาจจะมีขนาดเล็กกว่า ซึ่งจะทำให้อะตอมรอบๆ ถูกดึง ซึ่งการเกิดแบบนี้จะเป็นการรบกวนอะตอมรอบๆ ส่วนใหญ่จะเกิดจากสิ่งเจือปน (impurities) www.soton.ac.uk/.../deformation/introduction.htm http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/dislocations/images/substitutional-solute.gif

Interstitialcy Defect เกิดเมื่ออะตอมที่เหมือนกัน (อยู่ในตำแหน่งปกติของ lattice point) ไปอยู่ในตำแหน่ง interstitial position เป็น defect ที่พบบ่อยใน lattice ที่มี low packing factor ความบกพร่องแบบนี้เป็นความบกพร่องที่เกิดจากอิออนเข้าไปอยู่ผิดที่โดยไปแทรกอยู่กับอิออนอื่น ซึ่งไม่ได้อยู่ในตำแหน่งที่ถูกต้องแต่ไป เบียดอยู่กับ อิออนอื่น เป็นเหตุให้ตำแหน่งของอิออนในผลึกบางส่วนบิดเบี้ยวไปจากรูปเดิม ความบกพร่องของผลึกแบบนี้เกิดขึ้นได้ง่ายมาก โดยเฉพาะอิออนของโลหะหรือเกิดจากผลึกของ ธาตุบางชนิดที่ไม่นำไฟฟ้า แต่เมื่อมีธาตุอื่น เป็นสารปลอมปนอยู่ด้วยกลับทำให้มีสมบัติเป็นสารกึ่งตัวนำ (Semiconductor) ได้

ความบกพร่องแบบเฟรนเคล (Frenkel Defect) Frenkel defect : พบเมื่อ อิออนกระโดดจาก normal lattice point ไปยังตำแหน่ง interstitial site ซึ่งทำให้เกิด vacancy https://www.chemistry.ohio-state.edu/~woodward/ch754/lect2003/ionic_cond_lect26.ppt http://www.gprecision.net/metallurgy-Defect-Crystals.html

ความบกพร่องแบบชอตต์กี (Schottky Defect) ความบกพร่องแบบนี้เป็นความไม่สมบูรณ์ที่เกิดจากอนุภาคที่เป็นอิออน บวกและอิออนลบหายไป เป็นจำนวนเท่า ๆ กัน ความไม่สมบูรณ์แบบ นี้ไม่ได้ทำให้อำนาจไฟฟ้าเกิดการเปลี่ยนแปลงแต่อย่างใด Schottky defect : พบในวัสดุที่ฟอร์มพันธะแบบอิออนิก โดยที่มี anion & cation หายไปจาก lattice เพื่อให้เกิด electrical neutrality มักจะพบในเซรามิก http://www.gprecision.net/metallurgy-Defect-Crystals.html https://www.chemistry.ohio-state.edu/~woodward/ch754/lect2003/ionic_cond_lect26.ppt www.bss.phy.cam.ac.uk/~amd3/teaching/A_Donald...

http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/dislocations/images/raft3.jpg

Dislocation เป็น linear imperfection มักจะเกิดในผลึกในขณะทีเกิด solidification ของวัสดุ หรือเมื่อวัสดุมีการเปลี่ยนรูป เกิดในวัสดุทุกชนิด มี 2 แบบ http://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/def_ge/kap_5/illustr/dislocation_3dim.jpg http://www.siliconfareast.com/screwdislocation.jpg

Screw Dislocation ข้อบกพร่องเชิงเส้นของผลึกซึ่งมีเบอร์เกอร์สเวกเตอร์ขนานกับแนวเส้นของดิสโลเคชัน http://www.material.science.sudeshnapaul.com/screw_dislocation.gif

Edge Dislocation www.klingereducational.com/index.php?p=produc...

http://courses. eas. ualberta. ca/eas421/diagramspublic/bergerslarge http://courses.eas.ualberta.ca/eas421/diagramspublic/bergerslarge.gif

http://www.roymech.co.uk/images10/mixed_dislocations.gif http://www.bss.phy.cam.ac.uk/~amd3/teaching/A_Donald/Crystalline_Solids_1.htm

ทิศทางที่ dislocation ขยับไป = slip direction ซึ่งเป็นทิศทางของ Burgers vector ของ Edge dislocations www.ic.arizona.edu/.../disclocation.html

www.tf.uni-kiel.de/.../backbone/r5_1_3.html

Surface defect http://www.scielo.br/img/revistas/mr/v6n2/16034f4.gif www.cartage.org.lb/.../Crystalline.htm