材料科學(xué)與工程基礎(chǔ).顧宜.第三章第二講

1、3-3 無(wú)機(jī)非金屬材料的結(jié)構(gòu)和組成無(wú)機(jī)非金屬材料的結(jié)構(gòu)和組成Composition & Structure of Inorganic-nonmetalic MaterialsComposition & Structure of Inorganic-nonmetalic MaterialsSimple Crystalline Structurecompute the theoretical densitySilicate Crystalline Structures and Noncrystalline StructureCeramicsCarbon and its Polymo

2、rphic Compounds3-3無(wú)機(jī)非金屬材料的結(jié)構(gòu)和組成無(wú)機(jī)非金屬材料的結(jié)構(gòu)和組成Composition & Structure of Inorganic-nonmetalic Materials3-3-1 組成和結(jié)合鍵組成和結(jié)合鍵1. 組成組成 廣義：除有機(jī)物和金屬以外。 常見(jiàn)的陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料 組分組分components：硅酸鹽類 氧化物類，氮、碳（不含H）。2. 結(jié)合鍵結(jié)合鍵 bonding type 離子鍵離子鍵 正負(fù)離子、鍵強(qiáng)度高、緊密堆積、無(wú) 方向性， 金屬氧化物，氧化鎂、氧化鋁 共價(jià)鍵共價(jià)鍵 共用電子對(duì)、有方向性 如金鋼石、 混合鍵混合鍵（離子、共價(jià)），

3、大多數(shù)。 混合鍵-離子鍵和共價(jià)鍵之間的過(guò)渡。 元素電負(fù)性的大小，。 Chapter 33、離子半徑與配位數(shù)離子半徑與配位數(shù)Ionic Radii and Coordination NumberTable 3.3Table 3.43-3-2無(wú)機(jī)非金屬材料中的無(wú)機(jī)非金屬材料中的簡(jiǎn)單晶體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單晶體結(jié)構(gòu) Simple Crystalline StructureAX-TYPE CRYSTAL STRUCTURESAmXp-TYPE CRYSTAL STRUCTURESAmBnXp-TYPE CRYSTAL STRUCTURESSection 3.6 面心立方面心立方四面體間隙數(shù)四面體間隙數(shù)： 每晶胞：

4、 8 每原子： 8 / 4 = 2 間隙大?。ò霃剑╅g隙大?。ò霃剑?=3 a / 4 R = 0.225R八面體間隙數(shù)八面體間隙數(shù)： 每晶胞： 1(體) + 1/4 12(棱) = 4 每原子： 4 / 4 = 1 間隙大?。ò霃剑╅g隙大?。ò霃剑?= a / 2 R = 0.414R 體心立方體心立方 （bcc） 八面體間隙數(shù)：八面體間隙數(shù)： 四面體間隙數(shù)：四面體間隙數(shù)： 每晶胞： 每晶胞： 1/2 6 (面)+ 1/4 12(棱) = 6 4 1/2 6(面) = 12 每原子： 6 / 2 = 3 每原子： 12 / 2 = 6間隙大?。ò霃剑╅g隙大?。ò霃剑?間隙大?。ò霃剑╅g隙大小

5、（半徑） = a /2 R = 0.633R = 5 a / 4 R = 0.291R = a / 2 R = 0.154R AXAmXpAmBnXpTable 3.51.單晶硅單晶硅 立方晶系、 共價(jià)晶體、 sp3雜化， 8個(gè)原子幾種典型晶體結(jié)構(gòu)幾種典型晶體結(jié)構(gòu)2.氯化鈉與氯化銫氯化鈉與氯化銫 AX-TYPESodium chloride (Rock salt) and Cesium chloride 正負(fù)離子半徑比正負(fù)離子半徑比 配位數(shù)配位數(shù) Na+/Cl- 0.524 6 正八面體配位 Cs+/Cl- 0.933 8 立方體配位 Figure 3.5Figure 3.6FIGURE 3.

6、313. 氟化鈣氟化鈣Fluorite (CaF2) AmXp-TYPE F: 8* 1/8 12*1/4 6* 1/2 1 =8 Figure 3.8 4. 面心立方面心立方ZnS和六方和六方ZnS 極性共價(jià)鍵Zn-S ZnS44- 面心立方面心立方ZnS S 配位數(shù)4、位于面心立方點(diǎn)上 Zn 配位數(shù)4、位于四面體間隙 AX-TYPEFigure 3.7六方六方ZnS 5. 鈣鈦礦鈣鈦礦晶體 CaTiO3 AmBnXp-TYPE 立方晶系立方晶系 Ca2+ 立方體頂角 配位數(shù)12 O2- 面心 配位數(shù)6， Ti4+ 體心 配位數(shù)6 位于八面體間隙 TiO68-八面體 Ti4+八面體中心 6尖

7、晶石尖晶石型晶體(MgAl2O4AB2O4 ) O2- 面心立方密堆 立方晶系立方晶系 A2+ 填充在四面體間隙 B3+ 填充在八面體間隙 單位晶胞單位晶胞包含8個(gè)分子，A8B16O32形成 64個(gè)四面體空隙、填充率1/8 32個(gè)八面體空隙、填充率1/2 A塊塊中 A2+填充1/4的四面體間隙共2個(gè)、 4*2=8 B塊塊中 B3+填充八面體間隙共4個(gè)、 4*4=16 (棱、心棱、心） 共棱共棱小塊的結(jié)構(gòu)相同， 共面共面小塊的結(jié)構(gòu)不同反尖晶石反尖晶石 B (AB) O4 Al (MgAl) O4 四面體間隙四面體間隙 八面體間隙八面體間隙 n the number of formula unit

8、s 1 within the unit cellAC the sum of the atomic weights of all cations in the formula unitAA the sum of the atomic weights of all anions in the formula unitVC the unit cell volumeNA Avogadros number, 6.023 10 23 formula units/molCalculation of DensitySection 3.7EXAMPLE PROBLEM 3.6On the basis of cr

9、ystal structure, compute the theoretical density for sodium chloride. How does this compare with its measured density?SOLUTION n4， FCC latticesexperimental value ： 2.16 g/cm 3 .3-3-3硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu) Silicate Crystalline Structures 結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) SiO44-四面體四面體，Si4+ 中心，O2- 頂。 兩個(gè)鄰近四面體之間共頂共頂相連，不共棱或面。不共棱或面。 Silicon-O

10、xygen Tetrahedron排列方式排列方式5種： 絡(luò)陰離子團(tuán)絡(luò)陰離子團(tuán) 島狀島狀：4個(gè)O，非橋氧原子。 SiO4 4- 聯(lián)島 Si2O7 6- 組群狀組群狀：2個(gè)O，非橋氧原子，連成環(huán)狀。 Si3O9 6-鏈狀鏈狀： 2個(gè)O，線形。 單鏈 1 Si2O6 4- 雙鏈 1 Si4O11 6-層狀層狀： 1個(gè)O 2 Si2O5 2- 架狀架狀: 0個(gè)O，如石英。 3 SiO2 Layered Silicates kaolinite clay.粘土（高嶺土）粘土（高嶺土）SiO2層層 鋁酸鹽層鋁酸鹽層粘土加水粘土加水2：1型層狀的硅酸鹽礦物的晶體結(jié)構(gòu)是由兩層硅氧四型層狀的硅酸鹽礦物的晶體結(jié)構(gòu)

11、是由兩層硅氧四面體之間夾著一層鋁（鎂）氧（羥基）八面體構(gòu)成的面體之間夾著一層鋁（鎂）氧（羥基）八面體構(gòu)成的晶層，晶層之間存在范德華力，晶層內(nèi)的四面體和八晶層，晶層之間存在范德華力，晶層內(nèi)的四面體和八面體可以有廣泛的類質(zhì)同象替代，如四面體中面體可以有廣泛的類質(zhì)同象替代，如四面體中Si4+被被A l3 +, T i4 +, P5 +替 代 ， 八 面 體 中替 代 ， 八 面 體 中 A l3 +被被Mg2+,Fe2+,Fe3+,Ni2+,Zn2+,Mn2+替代，從而使晶層帶負(fù)替代，從而使晶層帶負(fù)電荷。水合陽(yáng)子（電荷。水合陽(yáng)子（Na+,K+,Ca2+,Mg2+）可占據(jù)層間域以）可占據(jù)層間域以電荷平

12、衡。電荷平衡。 各種有機(jī)陽(yáng)離子（如烷基陽(yáng)離子）可以通過(guò)離子交換各種有機(jī)陽(yáng)離子（如烷基陽(yáng)離子）可以通過(guò)離子交換反應(yīng)來(lái)置換粘土礦物層間原有的水合陽(yáng)離子，從而使反應(yīng)來(lái)置換粘土礦物層間原有的水合陽(yáng)離子，從而使通常親水的粘土礦物表面疏水化，降低了表面能改通常親水的粘土礦物表面疏水化，降低了表面能改善了礦物與聚合物間相容性。善了礦物與聚合物間相容性。蒙脫土（蒙脫土（Montmorillonite)是膨潤(rùn)土的有效成份，其 理 論 結(jié) 構(gòu) 式 為 （ 1 / 2 C a , N a )x( A l2 -xMgx)(Si4O10)(OH)4nH2O，屬2：l型層狀硅酸鹽，其四面體和八面體之間共用氧原子形成約0.

13、96nm x100nm x100nm高度有序的準(zhǔn)二維晶片。晶胞表面積為2x0.515x0.89nm2,晶胞重（700-800）g/mol,比表面積高達(dá)（ 7 00 8 00)m2/g).吸附陽(yáng)離子有Na+,Ca2+,Mg2+等3-3-4無(wú)機(jī)非金屬材料的無(wú)機(jī)非金屬材料的非晶體結(jié)構(gòu)非晶體結(jié)構(gòu) Noncrystalline Structure-Amorphous 1. 無(wú)機(jī)玻璃無(wú)機(jī)玻璃的組織結(jié)構(gòu)組織結(jié)構(gòu) Texture 主要成份主要成份：SiO2、Na2O、K2O、CaO、MgO、Al2O3。 鍵合形式鍵合形式：離子鍵、共價(jià)鍵，及其混合鍵。 慢冷 結(jié)晶 形成： 熔體 急冷(粘度大) 無(wú)定形（玻璃結(jié)構(gòu)

14、），無(wú)規(guī)網(wǎng)絡(luò) network無(wú)規(guī)網(wǎng)絡(luò)與高分子不同無(wú)規(guī)網(wǎng)絡(luò)與高分子不同Section 3.20固體為三維網(wǎng)狀，無(wú)定形，加熱熔融，反復(fù)使用。硅酸鹽熔體結(jié)構(gòu)模型示意圖硅酸鹽熔體結(jié)構(gòu)模型示意圖二氧化硅網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖二氧化硅網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖 網(wǎng)絡(luò)外體氧化物和中間體氧化網(wǎng)絡(luò)外體氧化物和中間體氧化物對(duì)玻璃結(jié)構(gòu)的影響物對(duì)玻璃結(jié)構(gòu)的影響Silica Crystal Silica Glass網(wǎng)體氧化物：網(wǎng)體氧化物：SiO2, B2O3 , P2O5 , GeO網(wǎng)體外氧化物：網(wǎng)體外氧化物：Na2O, K2O, CaO, BaO中間體氧化物：中間體氧化物：MgO, ZnO, Al2O3 SiO2%升高，共價(jià)鍵成分增多膨

15、脹系數(shù)降低耐熱玻璃鋼化玻璃石英玻璃 Y= 4 （Y結(jié)構(gòu)參數(shù)結(jié)構(gòu)參數(shù)橋氧原子的平均數(shù)橋氧原子的平均數(shù)）硅酸鹽玻璃 Y 2 結(jié)構(gòu)參數(shù)結(jié)構(gòu)參數(shù)Y對(duì)玻璃性質(zhì)的影響對(duì)玻璃性質(zhì)的影響玻璃組成玻璃組成Y值值熔融溫度，熔融溫度，膨脹系數(shù)膨脹系數(shù)107 7Na2O.2SiO231523146P2O531573140Na2O.SiO221323220Na2O.P2O521373220 X+Y=ZX+Y/2=RX=2R-ZY=2Z-2RX 非橋氧非橋氧Y 橋氧橋氧Z 氧氧R 氧硅比氧硅比R=5:2, X=1, Z=4, Y=3 2. 凝膠及凝膠材料凝膠及凝膠材料 gel (1) 凝膠的特性凝膠的特性 無(wú)流動(dòng)性、 有

16、彈性和強(qiáng)度 有機(jī)和無(wú)機(jī) (2) 凝膠的結(jié)構(gòu)凝膠的結(jié)構(gòu) 線性排列 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（板棒搭接） 線性大分子-微晶區(qū) 線性大分子-化學(xué)交聯(lián)-網(wǎng)狀 剛性凝膠 彈性凝膠 （3）凝膠材料凝膠材料 水硬性-水泥 氣硬性-石膏3-3-5陶瓷陶瓷 Ceramics 1. 類型類型 多晶多相聚集體（金屬、類金屬與非金屬）特種陶瓷特種陶瓷（金屬氧化物） 陶器 硅酸鹽陶瓷硅酸鹽陶瓷 跖器 瓷器 2. 顯微結(jié)構(gòu)（組織結(jié)構(gòu)）顯微結(jié)構(gòu)（組織結(jié)構(gòu)）Texture晶相晶相（晶界）：晶粒，影響性能的主要因素玻璃相玻璃相：由離子多面體短程有序而長(zhǎng)程無(wú)序排列而成的三維網(wǎng)狀 結(jié)構(gòu)，包裹在晶粒周?chē)?，起黏結(jié)作用，含量1535% 排列無(wú)規(guī)則（燒結(jié)

17、時(shí)形成）。作用：將分散的晶粒 粘結(jié)在一起。降低燒結(jié)溫度擬制晶體長(zhǎng)大，以及填充 氣孔空隙等。 氣相氣相: 燒結(jié)中殘留氣體（氣孔）。 影響性能。保留氣相，則比重小，絕熱。3-3-6碳化合物及其結(jié)構(gòu)碳化合物及其結(jié)構(gòu) Carbon and its Polymorphic Compounds 1. 石墨石墨 Graphite 碳的同素異構(gòu)體碳的同素異構(gòu)體六方晶體粒晶幾到幾十微米 的片狀結(jié)構(gòu)。 結(jié)構(gòu)示意圖： 面內(nèi)C-C 1.42埃，共價(jià)結(jié)合 層間C-C 3.40埃，物理鍵合 應(yīng)用：潤(rùn)滑、導(dǎo)電。人造石墨：焦油膠粘劑，石油焦炭成型后，粘接，在2000C以上的高溫下處理制成石墨。2。 炭黑炭黑 Carbon b

18、lack炭黑幾個(gè)（3-7個(gè)）芳香組縮合碳環(huán)平面重疊而成的微晶體。顏料和填料，輪胎補(bǔ)強(qiáng)天然氣、油脂等高含碳量有機(jī)化合物進(jìn)行不完全燒潔（碳沒(méi)有完全氧化）。3 . 碳纖維碳纖維 Carbone Fiber 結(jié)構(gòu)的基本單元為石墨層片結(jié)構(gòu)的基本單元為石墨層片。亂層石墨微晶，微晶（頭-頭）連接形成碳纖維。制備： 原料： PAN纖維 粘膠纖維 瀝青纖維 （主要） 空氣中 預(yù)氧化 200300C環(huán)化 碳化（惰性氣體）脫氫 石墨化 石墨晶體 4、金剛石金剛石：鉆石， Diamond碳同素異構(gòu)體碳同素異構(gòu)體，立方晶系晶胞中8個(gè)碳原子，sp3雜化 高硬度 物理性能天然金剛石金剛石薄膜硬 度，kgf/mm2100009000-10000體積模量，Gpa440-590楊氏模量，Gpa1200接近天然金剛石熱 導(dǎo) 率，W/cm.K (300K)201020縱波聲速，m/s18000密 度，g/cm33.62.83.5折 射 率 (590nm)2.412.4透 光 性225nm25m接近天然金剛石電 阻 率，.cm101610