材料科學基礎西交版材料科學基礎西交版第二章材料的結構離子晶體和共價晶體的結構

1、2.4 離子(lz)晶體的結構 共三十頁離子晶體(jngt)（ionic crystal）：由正、負離子通過離子鍵按一定方式堆積起來而形成的。 陶瓷大多數(shù)屬于離子晶體。2.4.1 離子晶體(jngt)的主要特點 離子鍵結合，硬度高、強度高、熔點高、熱膨脹系數(shù)較小,但脆性大。 良好的絕緣體：很難產(chǎn)生可自由運動的電子。 無色透明：離子的外層電子牢固地束縛在離子的外圍，可見光的能量一般不足以使其外層電子激發(fā)，因而不吸收可見光。典型的離子晶體是無色透明的。 如： Al2O3主要以離子鍵結合。透明的Al2O3可作電爐的高溫觀測窗。共三十頁2.4.2 離子半徑.配位數(shù).負離子配位多面體. 離子(lz)堆積

2、 1)離子半徑（ionic radius）：從原子核中心到其最外層電子的平衡距離,是決定離子晶體結構類型(lixng)的一個重要的幾何參數(shù)。 對離子晶體，通常將晶體中相鄰的正負離子中心之間的距離作為正負離子半徑之和， 即 R0= R+ + R 利用x射線可求得R0，然后再求R+和R 離子半徑大小并非絕對，同一離子隨著價態(tài)和配位數(shù)的變化而變化。共三十頁2)配位數(shù)CN(coordination number) ：與某一考察 離子鄰接的異號離子的數(shù)目。 正離子的配位數(shù)取決于正負離子的半徑比R+/R- 根據(jù)不同的R+/R- ，正離子選取不同的配位數(shù)。常見的是4、6、8。（表2-6）3)負離子配位多面體

3、：離子晶體中與某一正離子成配位關系而鄰接的各個負離子中心線所構成的多面體.4)離子的堆積：離子晶體通常由負離子堆積成骨架，正離子按其自身大小位于相應(xingyng)負離子空隙（負離子配位多面體）中。 堆積方式有:立方最密堆積、六方最密堆積、立方體心堆積、四面體堆積共三十頁2.4.3 離子晶體的結構(jigu)規(guī)則鮑林規(guī)則 1)負離子配位(pi wi)多面體規(guī)則鮑林第一規(guī)則 這一規(guī)則符合最小內(nèi)能原理。根據(jù)這一規(guī)則，描述和理解離子晶體結構時，將其視為由負離子配位多面體按一定方式連接而成，正離子處于配位多面體的中央。（圖2-22）2)電價規(guī)則鮑林第二規(guī)則 正負離子電價平衡3)負離子多面體共用點、棱

4、、面的規(guī)則鮑林第三規(guī)則 共用點、棱、面,會降低結構穩(wěn)定性共三十頁2.4.4 典型離子(lz)晶體的結構1) AB型 (1) NaCl型 (2) CsCl型 (3) 立方(lfng)ZnS(閃鋅礦)型 (4) 六方ZnS(纖鋅礦)型2) AB2型(1) CaF2(螢石型) (2) TiO2(金紅石)型 (3)SiO2(方晶石.方石英)型共三十頁NaCl 型結構(jigu)Cl-構成面心立方點陣，Na+占據(jù)(zhnj)其全部八面體間隙舉例：MgO、CaO 陶瓷八面體間隙：由6個面心原子所圍成共三十頁NaCl 型結構(jigu)Cl-構成面心立方(lfng)點陣，Na+占據(jù)其全部八面體間隙MgO、C

5、aO 陶瓷的應用：耐高溫,抗金屬、堿性熔渣腐蝕，可制成坩堝冶煉高純度Fe、Mo、Cu、Mg等、澆注金屬的鑄模、高溫熱電偶保護套及高溫爐襯材料共三十頁NaCl 型結構(jigu)Cl-構成面心立方點陣(din zhn)，Na+占據(jù)其全部八面體間隙共三十頁CsCl 型結構(jigu)Cl-構成(guchng)簡單立方點陣，Cs+占據(jù)其立方體間隙舉例：CsBr、CsI 共三十頁閃鋅礦（立方(lfng)ZnS） 型結構S-構成面心立方(lfng)點陣，Zn+交叉分布在四面體間隙四面體間隙:由一個頂點原子和三個面心原子圍成舉例：GaAs、AlP 共三十頁纖鋅礦（六方ZnS） 型結構(jigu)S-和Zn

6、+各自形成密排六方點陣(din zhn)穿插而成舉例：ZnO、SiC共三十頁CaF2 型結構(jigu)Ca2+ 構成(guchng)面心立方點陣，F(xiàn)- 占據(jù)其全部四面體間隙舉例：ZrO2、ThO2陶瓷共三十頁CaF2 型結構(jigu)ZrO2陶瓷的應用：1）呈弱酸性或惰性，熱導率小，是理想的高溫絕熱材料，化學穩(wěn)定性好，抗腐蝕，作特種耐火材料、定模材料、澆注口、熔煉鉑、鈀、銠等金屬的坩堝；2）硬度高,可以制作冷成型工具，拉絲模、切削刀具、高爾夫球棍頭等(碳纖維增強塑料制造高爾夫球棒)3）強度(qingd)高，韌性好，可用來制造發(fā)動機構件，如推桿、連桿、軸承、氣缸內(nèi)襯等 陶瓷的氧化鋯增韌機制：

7、相變特性共三十頁CaF2 型結構(jigu)Ca2+ 構成面心立方點陣，F(xiàn)- 占據(jù)其全部(qunb)四面體間隙共三十頁金紅石（TiO2）型結構(jigu)O2- 構成稍有變形(bin xng)的密排立方點陣，Ti4+ 占據(jù)一半八面體間隙共三十頁Al2O3型結構(jigu)P60 例題Al2O3（剛玉）：刀具、砂輪、磨料、軸承。 坩堝、電爐(dinl)爐膛、高溫觀察窗、火箭、導彈的雷達天線保護罩共三十頁2.5 共價晶體(jngt)的結構 共價晶體：由同種非金屬元素的原子或異種元素的原子以共價鍵結合成的無限大分子。共價晶體特點：1.由于共價鍵的飽和性和方向性，共價晶體中的原子配位數(shù)比離子晶體和金屬

8、晶體中的小。2.共價鍵的結合力比離子鍵強，故具有更高的硬度、強度、脆性(cuxng)、熔點、沸點；更低的揮發(fā)性，結構也更穩(wěn)定。3.導電能力差，因共用電子不能自由運動。典型共價晶體：金剛石、ZnS（AB型）、SiO2（AB2型）三種。共三十頁2.5 共價晶體(jngt)的結構 典型共價晶體：金剛石、ZnS（AB型）、SiO2（AB2型）三種(sn zhn)。 金剛石結構： Si、Ge、-Sn共三十頁2.5 共價(n ji)晶體的結構 典型共價(n ji)晶體：ZnS晶型：AB型（如：SiC陶瓷）SiO2晶型：AB2型 共三十頁2.5 共價(n ji)晶體的結構 金剛石的應用：天然(tinrn)金

9、剛石： 高品位：首飾，鉆石 低品位：工業(yè)用寶石的主要成分：Al2O3水晶的主要成份：SiO2共三十頁人造(rnzo)金剛石的合成 主要原料：石墨(shm)、觸媒（Fe、Co、Ni） 高壓下，石墨層間距被壓縮，高溫下，碳原子振動加劇，高溫高壓下，使得石墨層與層之間相對應的原子有規(guī)律的上下靠近，在層與層間建立起垂直于層方向的共價鍵，并且有規(guī)律的扭曲，石墨層扭曲成金剛石結構。 P177 圖5-48共三十頁2.5 共價晶體(jngt)的結構 金剛石的應用：金剛石磨具：砂輪(樹脂、金屬、陶瓷結合劑)，加工硬質合金、超硬復合片、玻璃陶瓷、寶石等金剛石鋸切工具(gngj)：鋸片(粗顆粒單晶金剛石),用于混凝

10、土、耐火材料、大理石、花崗巖等切割金剛石刀具：玻璃刀，超精密刀具，用于電子儀器工業(yè)中的硅片切割和加工，砷化鎵等新型半導體材料的加工，碳硅微晶玻璃的加工等金剛石鉆頭：地質勘探中、石油工業(yè)中金剛石的特殊用途共三十頁 金剛石的應用(yngyng) 共三十頁 金剛石的應用(yngyng) 共三十頁本節(jié)的基本(jbn)要求 1.典型離子晶體(jngt)、共價晶體(jngt)的結構（一般了解）2.離子晶體、共價晶體的性能特點共三十頁本章(bn zhn)小結 一.基本概念和術語 1.晶體結構、空間點陣、晶格、晶胞、點陣常數(shù)、晶系(七個)，布拉菲點陣(14種) 、晶面指數(shù)、晶向指數(shù)、晶面間距、晶帶定理 2.

11、fcc、bcc、hcp晶格、晶胞原子數(shù)、原子半徑、配位數(shù)、致密度、八面體間隙、四面體間隙、最密排面、最密排方向、晶粒、晶界、各向同性與各向異性、多晶體與單晶體、多晶型性、多晶型性轉變 3. 合金、相、組元、組織(顯微、宏觀) 、固溶體、中間相、間隙(置換)固溶體、有(無)序固溶體、有(無)限固溶體、間隙相、間隙化合物、電子(dinz)濃度、電子(dinz)化合物、正常價化合物、超結構 4.離子晶體、共價晶體共三十頁二.掌握以下內(nèi)容 1、晶面指數(shù)和晶向指數(shù)的確定 2、三種典型晶體結構的特征(包括(boku)：晶胞形狀、晶胞中原子的位置、晶胞原子數(shù)、晶格常數(shù)與原子半徑、配位數(shù)、致密度、密排面和密排

12、方向的指數(shù)，八面體(四面體)間隙尺寸、原子的堆垛方式) 3、固溶體的分類、特點和性質，影響固溶體固溶度的因素；中間相的類型和特點。 4、離子晶體、共價晶體的性能特點。共三十頁間隙固溶體與間隙化合物：固溶體與中間相（性能不同）間隙相與間隙化合物：間隙相結構簡單，間隙化合物結構復雜間隙相由過渡族金屬與H、O、C、N、B組成(z chn)；而間隙化合物由過度族金屬與C組成。間隙固溶體與間隙相：都是由過渡族金屬與H、O、C、N、B組成，H、O、C、N、B溶入金屬晶體間隙中；間隙固溶體屬于固溶體，而間隙相屬于中間相（性能不同）。補充(bchng)題簡述間隙固溶體、間隙相和間隙化合物兩兩之間的區(qū)別。共三十頁內(nèi)容摘要2.4 離子晶體的結構。利用x射線可求得