硅酸鹽晶體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)課件

2.3陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)材料科學(xué)基礎(chǔ)主講徐敏虹2.3陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)材料科學(xué)基礎(chǔ)主講徐敏虹1

“陶瓷”是指所有以粘土為主要原料與其它天然礦物原料經(jīng)過(guò)粉碎、混煉、成形、燒結(jié)等過(guò)程而制成的各種制品。

1.陶瓷的概述日用陶瓷－餐具建筑陶瓷－地磚電瓷性能：耐高溫、耐磨、耐腐蝕、高硬度、高強(qiáng)度及其它特殊性能(壓電性、磁性和光學(xué)性能)，但脆性大2“陶瓷”是指所有以粘土為主要原料與其它天然礦物2.陶瓷的分類

結(jié)構(gòu)陶瓷主要是用于耐磨損、高強(qiáng)度、耐熱、耐熱沖擊、硬質(zhì)、高剛性、低熱膨脹性和隔熱等結(jié)構(gòu)陶瓷材料不同形狀的特種結(jié)構(gòu)陶瓷件32.陶瓷的分類結(jié)構(gòu)陶瓷主要是用于耐磨損、高強(qiáng)

功能陶瓷中包括電磁功能、光學(xué)功能和生物-化學(xué)功能等陶瓷制品和材料，此外還有核能陶瓷和其它功能材料等。電子絕緣件氧化鋯陶瓷光學(xué)導(dǎo)管4功能陶瓷中包括電磁功能、光學(xué)功能和生物-化學(xué)陶瓷的組成1.結(jié)晶相：主要組成相，由離子鍵或共價(jià)鍵結(jié)合而成，決定陶瓷的性能：高熔點(diǎn)、高耐熱性、高化學(xué)穩(wěn)定性、高絕緣性、高脆性。2

玻璃相：非晶態(tài)固體，將晶相粘結(jié)在一起，降低燒結(jié)溫度，抑制晶相晶粒長(zhǎng)大和填充氣孔。氣相：氣孔（5％－10％）。對(duì)性能的不利影響：增加脆性、降低強(qiáng)度、電擊穿強(qiáng)度降低，絕緣性能降低。對(duì)性能的有利影響：提高吸振性，使陶瓷密度減小5陶瓷的組成1.結(jié)晶相：主要組成相，由離子鍵或共價(jià)鍵結(jié)合而成，

黏土礦物－高嶺石鉀長(zhǎng)石石英陶瓷材料的制備工藝

原料配置→坯料成型→燒結(jié)→成品主要原料：黏土、石英、長(zhǎng)石6黏土礦物－高嶺石鉀長(zhǎng)石石英陶瓷材料的制備工2.3.2離子的晶體結(jié)構(gòu)離子晶體有關(guān)概念1.離子晶體：由正、負(fù)離子通過(guò)離子鍵按一定方式堆積起來(lái)而形成的。陶瓷大多數(shù)屬于離子晶體。2.離子半徑：從原子核中心到其最外層電子的平衡距離。對(duì)離子晶體，通常認(rèn)為晶體中相鄰的正負(fù)離子中心之間的距離作為正負(fù)離子半徑之和，即R0=R++R－。離子半徑大小的一般規(guī)律P70。

72.3.2離子的晶體結(jié)構(gòu)離子晶體有關(guān)概念73.配位數(shù)：最鄰近的異號(hào)離子數(shù)配位多面體：晶體中最鄰近的配位原子所組成的多面體。硅氧四面體和鋁氧八面體氧離子硅離子鋁離子83.配位數(shù)：最鄰近的異號(hào)離子數(shù)硅氧四面體和鋁氧八面體氧離子硅4.離子堆積離子晶體通常由負(fù)離子堆積成骨架，正離子按其自身大小居于相應(yīng)負(fù)離子空隙（負(fù)離子配位多面體）。其堆積方式主要有立方最密堆積、六方最密堆積、立方體心密堆積和四面體堆積等負(fù)離子配位多面體：離子晶體中與某一正離子成配位關(guān)系而鄰接的各負(fù)離子中心線所構(gòu)成的多面體94.離子堆積離子晶體通常由負(fù)離子堆積成骨架，正離子按其2.3.2.2離子晶體的結(jié)構(gòu)規(guī)則—鮑林規(guī)則

負(fù)離子配位多面體規(guī)則符合最小內(nèi)能原理電價(jià)規(guī)則負(fù)離子多面體共用頂、棱、面的規(guī)則共用點(diǎn)、棱、面,會(huì)降低結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不同種類正離子多面體間連接規(guī)則節(jié)約規(guī)則同種正離子和同種負(fù)離子的結(jié)合方式應(yīng)最大限度地趨于一致.102.3.2.2離子晶體的結(jié)構(gòu)規(guī)則—鮑林規(guī)則負(fù)離子配位多面1、鮑林第一規(guī)則——配位多面體規(guī)則在離子晶體中，圍繞每一陽(yáng)離子，形成一個(gè)陰離子配位多面體，陰陽(yáng)離子的間距決定于它們的半徑之和，陽(yáng)離子的配位數(shù)則取決于它們的半徑之比。如：NaCl6，氯八面體111、鮑林第一規(guī)則——配位多面體規(guī)則在離子晶體中，圍繞每一2、鮑林第二規(guī)則——靜電價(jià)規(guī)則在一個(gè)穩(wěn)定的離子晶體結(jié)構(gòu)中，每一個(gè)負(fù)離子的電價(jià)等于或近似等于相鄰正離子分配給他的靜電鍵強(qiáng)度的總和。122、鮑林第二規(guī)則——靜電價(jià)規(guī)則在一個(gè)穩(wěn)定的離子晶體結(jié)構(gòu)中應(yīng)用一：判斷晶體結(jié)構(gòu)是否穩(wěn)定應(yīng)用二：判斷（確定）共用一個(gè)頂點(diǎn)的八面體的數(shù)目如：NaCl晶體如：[SiO4]、[AlO6]、[MgO6]13應(yīng)用一：判斷晶體結(jié)構(gòu)是否穩(wěn)定應(yīng)用二：判斷（確定）共用一個(gè)頂點(diǎn)3、鮑林第三規(guī)則——多面體共頂、共棱、共面規(guī)則在配位結(jié)構(gòu)中，兩個(gè)陰離子多面體以共棱，特別是共面方式存在時(shí)，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性便降低。143、鮑林第三規(guī)則在配位結(jié)構(gòu)中，兩個(gè)陰離子多面體以共棱，特別1515例：島狀鎂橄欖石（Mg2SiO4）4、鮑林第四規(guī)則——不同配位多面體連接規(guī)則在一個(gè)含有不同陽(yáng)離子的晶體中，電價(jià)高而配位數(shù)小的那些陽(yáng)離子特別傾向于共角連接。16例：島狀鎂橄欖石（Mg2SiO4）4、鮑林第四規(guī)則——不5、鮑林第五規(guī)則——節(jié)約規(guī)則在一個(gè)晶體結(jié)構(gòu)中，本質(zhì)不同的結(jié)構(gòu)組元的種類傾向于最少數(shù)目。不同尺寸的離子和多面體很難有效地堆積在一起175、鮑林第五規(guī)則——節(jié)約規(guī)則在一個(gè)晶體結(jié)構(gòu)中，本質(zhì)不同的2.3.2.3幾種典型的晶體結(jié)構(gòu)(1)CsCl型(2)NaCl型1.

AB型(3)立方ZNS(閃鋅礦)型：(4)

六方ZNS(纖鋅礦)型：(1)CaF2(螢石型)2.AB2型(2)TiO2(金紅石)型(3)β－SiO2(方晶石.方石英)型3.A2B型(1)赤銅礦結(jié)構(gòu)(2)反螢石結(jié)構(gòu)（K2O）182.3.2.3幾種典型的晶體結(jié)構(gòu)(1)4.A2B3型(1)α－Al2O3(2)A、B、C型稀土化合物5.AB3型WO36.A2B5型V2O57.ABO3型(1)CaTiO3(鈣鈦礦、灰鈦礦)型(2)CaCO3(方解石)型、三方晶系6.AB2O4型尖晶石(MgAl2O4)194.A2B3型(1)α－Al2O3191）AB型結(jié)構(gòu)NaCl型結(jié)構(gòu)，其化學(xué)式為NaCl，晶體結(jié)構(gòu)為立方晶系。氯化鈉是一種立方面心格子。其中陰離子按立方最緊密方式堆積，陽(yáng)離子填充于全部的八面體空隙中，陰、陽(yáng)離子的配位數(shù)都為6。201）AB型結(jié)構(gòu)20閃鋅礦型結(jié)構(gòu)，如立方ZnS，為立方晶系,ZnS是面心立方格子，陰離子位于立方面心格子的節(jié)點(diǎn)位置，而陽(yáng)離子交錯(cuò)分布于立方體內(nèi)的1/8小立方體的中心。陽(yáng)離子的配位數(shù)是4，陰離子的配位數(shù)也是4。立方ZnS六方ZnS21閃鋅礦型結(jié)構(gòu)，如立方ZnS，為立方晶系,ZnS是面心立方格子（2）AB2型結(jié)構(gòu)螢石結(jié)構(gòu)，CaF2,結(jié)構(gòu)屬于立方晶系，陽(yáng)離子位于立方面心的節(jié)點(diǎn)位置上，陰離子則位于立方體內(nèi)8個(gè)小立方體的中心。陽(yáng)離子的配位數(shù)位8，而陰離子的的配位數(shù)為4。22（2）AB2型結(jié)構(gòu)22（3）A2B3型結(jié)構(gòu)剛玉型結(jié)構(gòu)，屬于三方晶系。陰離子按六方緊密堆積排列，而陽(yáng)離子填充于2/3的八面體空隙，因此陽(yáng)離子的分布必須有一定的規(guī)律，其原則就是在同一層和層與層之間，陽(yáng)離子之間的距離應(yīng)保持最遠(yuǎn)，這是符合于鮑林規(guī)則的。

23（3）A2B3型結(jié)構(gòu)232.3.3硅酸鹽的晶體結(jié)構(gòu)

硅酸鹽的結(jié)構(gòu)組成：都是由硅氧四面體作為骨架組成。

硅酸鹽晶體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：(1)構(gòu)成的基本結(jié)構(gòu)單元是由Si和O組成的[SiO4]4-四面體。(2)每個(gè)O最多只能為兩個(gè)[SiO4]4-四面體所(3)[SiO4]四面體可以獨(dú)立地在結(jié)構(gòu)中存在，也可以通過(guò)[SiO4]4-共用四面體頂點(diǎn)連接(4)[SiO4]4-中Si－O－Si結(jié)合鍵不是一條直線,呈145o夾角。242.3.3硅酸鹽的晶體結(jié)構(gòu)硅酸鹽的結(jié)構(gòu)組成：都是由硅氧硅酸鹽的分類（掌握）

1.孤島狀硅酸鹽：[

SiO4]4-以孤立狀存在。如鎂橄欖石Mg2SiO4，鋯英石ZrSiO4等2.組群狀硅酸鹽：由[SiO4]4-通過(guò)共用氧(橋氧)相生成2、3、4或者6個(gè)硅氧組群。綠寶石

3.鏈狀硅酸鹽：由[SiO4]4-通過(guò)橋氧的連接在一維方向伸長(zhǎng)成單鏈或雙鏈、鏈與鏈間為正離子鏈結(jié)。輝石

25硅酸鹽的分類（掌握）1.孤島狀硅酸鹽：[SiO4]44.層狀硅酸鹽：由[SiO4]4-四面體某個(gè)面在平面內(nèi)以共用頂點(diǎn)的方式連接成六角對(duì)稱的二維結(jié)構(gòu),多為二節(jié)單層。當(dāng)活性氧與其它負(fù)離子一起與金屬正離子組成八面體層,就與四面體構(gòu)成雙層結(jié)構(gòu)?；自颇?.骨架狀硅酸鹽：由[SiO4]4-四面體連成無(wú)限六元環(huán)狀,層中未飽合和交替指向上或向下,把這樣的層疊置起來(lái)使兩個(gè)為一個(gè)公共氧所代替。石英264.層狀硅酸鹽：由[SiO4]4-四面體某個(gè)面在平面內(nèi)以共用27272828292930301、概念同質(zhì)多晶：化學(xué)組成相同的物質(zhì)，在不同的熱力學(xué)條件下，結(jié)晶成為兩種以上結(jié)構(gòu)不同的晶體的現(xiàn)象。由此而產(chǎn)生的化學(xué)組成相同、結(jié)構(gòu)不同的晶體稱為變體。類質(zhì)同晶：化學(xué)組成相似的不同化合物，具有相同晶體結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象。2.3.4同質(zhì)多晶現(xiàn)象（掌握）311、概念同質(zhì)多晶：化學(xué)組成相同的物質(zhì)，在不同例如：石墨金剛石32例如：石墨金剛石322、多晶轉(zhuǎn)變根據(jù)多晶轉(zhuǎn)變前后晶體結(jié)構(gòu)變化和轉(zhuǎn)變速度的情況不同，分為：位移性轉(zhuǎn)變：質(zhì)點(diǎn)間位移、鍵長(zhǎng)、鍵角的調(diào)整，轉(zhuǎn)變速度快（高低溫型轉(zhuǎn)變）。重建型轉(zhuǎn)變：舊鍵的破壞，新鍵的形成，轉(zhuǎn)變速度慢。332、多晶轉(zhuǎn)變根據(jù)多晶轉(zhuǎn)變前后晶體結(jié)構(gòu)變化和轉(zhuǎn)變速度的34342.3.5晶態(tài)與玻璃結(jié)構(gòu)

與晶體在三維空間有序的排列不同，非晶是長(zhǎng)程無(wú)序的。即在較大距離上結(jié)構(gòu)無(wú)周期性，但近程(幾個(gè)?內(nèi))結(jié)構(gòu)是有序的。無(wú)機(jī)非晶態(tài)：無(wú)機(jī)玻璃、凝膠、非晶態(tài)半導(dǎo)體、無(wú)定形碳以及合金玻璃。玻璃：具有玻璃轉(zhuǎn)換點(diǎn)的非晶態(tài)固體。短程有序，長(zhǎng)程無(wú)序352.3.5晶態(tài)與玻璃結(jié)構(gòu)與晶體在三維空間有序的排玻璃的結(jié)構(gòu)1.晶子學(xué)說(shuō)

玻璃是由無(wú)數(shù)晶子組成，晶子是帶有晶格變形的有序排列小區(qū)域，他們分散在無(wú)定形中，并且從晶子到無(wú)定形的過(guò)渡是逐步完成的。意義：玻璃結(jié)構(gòu)的微觀不均勻性和近程有序現(xiàn)象。36玻璃的結(jié)構(gòu)1.晶子學(xué)說(shuō)361.無(wú)規(guī)則網(wǎng)絡(luò)學(xué)說(shuō)

玻璃的結(jié)構(gòu)與相應(yīng)的晶體結(jié)構(gòu)相似，同樣形成連續(xù)的三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。但玻璃的網(wǎng)絡(luò)與晶體的網(wǎng)絡(luò)不同，玻璃的網(wǎng)絡(luò)是不規(guī)則的、非周期性。意義：解釋玻璃的各向同性、內(nèi)部性質(zhì)的均勻性、成分變化是其性能變化的連續(xù)性等現(xiàn)象371.無(wú)規(guī)則網(wǎng)絡(luò)學(xué)說(shuō)37玻璃的生成條件及性質(zhì)（了解）玻璃的生成條件黏度：表征流體中兩流體層相對(duì)位移時(shí)，內(nèi)摩擦力大小