陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)

關(guān)于陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)第1頁，共50頁，2022年，5月20日，14點58分，星期六2什么是陶？什么是瓷？陶器是用粘土（陶土）成型晾干后，用火燒出來的，是泥與火的結(jié)晶。早期陶器的燒制溫度較低，一般在600—800℃左右。

《彩陶魚紋盆》

（馬家窯文化）《彩陶旋渦紋甕》第2頁，共50頁，2022年，5月20日，14點58分，星期六3瓷器是用瓷土燒制的器皿，是中國古代的一項偉大發(fā)明，燒結(jié)溫度提高到1200℃以上。什么是陶？什么是瓷？第3頁，共50頁，2022年，5月20日，14點58分，星期六4

“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)過粉碎、混煉、成形、燒結(jié)等過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)，但脆性大第4頁，共50頁，2022年，5月20日，14點58分，星期六5絕緣子氧化鋁陶瓷坩堝第5頁，共50頁，2022年，5月20日，14點58分，星期六62.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Si3N4軸承第6頁，共50頁，2022年，5月20日，14點58分，星期六7⑴氧化鋁陶瓷

氧化鋁陶瓷以Al2O3為主要成分,含有少量SiO2的陶瓷，又稱高鋁陶瓷。Al2O3化工、耐磨陶瓷配件Al2O3密封、氣動陶瓷配件單相Al2O3陶瓷組織3.3先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷第7頁，共50頁，2022年，5月20日，14點58分，星期六8碳化硅陶瓷用于制造火箭噴嘴、澆注金屬的喉管、熱電偶套管、爐管、燃?xì)廨啓C(jī)葉片及軸承，泵的密封圈、拉絲成型模具等。

SiC陶瓷件SiC軸承SiC陶瓷件3.3先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷第8頁，共50頁，2022年，5月20日，14點58分，星期六9

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)管第9頁，共50頁，2022年，5月20日，14點58分，星期六10陶瓷的組成1.結(jié)晶相：主要組成相，由離子鍵或共價鍵結(jié)合而成，決定陶瓷的性能：高熔點、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，抑制晶相晶粒長大和填充氣孔。氣相：氣孔（5％－10％）。對性能的不利影響：增加脆性、降低強(qiáng)度、電擊穿強(qiáng)度降低，絕緣性能降低。對性能的有利影響：提高吸振性，使陶瓷密度減小第10頁，共50頁，2022年，5月20日，14點58分，星期六11玻璃相的主要作用玻璃相是一種非晶態(tài)低熔物

在瓷坯體中起粘結(jié)作用，即把分散的結(jié)晶相粘結(jié)在一起降低燒成溫度，抑制晶體長大，阻止多晶轉(zhuǎn)變填充氣孔空隙，促使坯體致密化。第11頁，共50頁，2022年，5月20日，14點58分，星期六12氣相（氣孔）氣孔分為開口氣孔和閉口氣孔，在坯料燒成前大部分是開口氣孔，在燒成過程中開口氣孔消失或轉(zhuǎn)變?yōu)殚]口氣孔，氣孔率下降。還使陶瓷材料導(dǎo)熱率下降、介電損耗增大、抗電擊穿強(qiáng)度降低是應(yīng)力集中的地方，并且有可能直接成為裂紋，這將使材料強(qiáng)度大大降低氣相還可使光線散射而降低陶瓷透明度

第12頁，共50頁，2022年，5月20日，14點58分，星期六13主要原料：

黏土礦物－高嶺石鉀長石石英粘土（它是以高嶺土結(jié)構(gòu)Al2O3·2SiO2·2H2O為基礎(chǔ)的礦物，是多種含水的鋁硅酸鹽的混合體）、石英（無水SiO2或硅酸鹽）、長石（助熔劑原料，是堿金屬或堿土金屬的無水鋁硅酸鹽礦物，如鉀長石K2O·Al2O3·6SiO2、鈉長石Na2O·Al2O3·6SiO2）

第13頁，共50頁，2022年，5月20日，14點58分，星期六14陶瓷材料的制備工藝

原料配置→坯料成型→燒結(jié)→成品成型的目的是將坯料加工成一定形狀和尺寸的半成品，使坯料具有必要的強(qiáng)度和致密度，具體成型方法有可塑成型、注漿成型和壓制成型三種；干燥后的坯料進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)的目的是通過一系列的物理化學(xué)變化，使坯件瓷化并獲得所要求的性能。

第14頁，共50頁，2022年，5月20日，14點58分，星期六15涂彩釉第15頁，共50頁，2022年，5月20日，14點58分，星期六162.3.2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.離子半徑：從原子核中心到其最外層電子的平衡距離。對離子晶體，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。

第16頁，共50頁，2022年，5月20日，14點58分，星期六173.配位數(shù)：最鄰近的異號離子數(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第17頁，共50頁，2022年，5月20日，14點58分，星期六184.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第18頁，共50頁，2022年，5月20日，14點58分，星期六194.離子堆積負(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)成的多面體第19頁，共50頁，2022年，5月20日，14點58分，星期六202.3.2.2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)能原理電價規(guī)則負(fù)離子多面體共用頂、棱、面的規(guī)則共用點、棱、面,會降低結(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.第20頁，共50頁，2022年，5月20日，14點58分，星期六211、鮑林第一規(guī)則——配位多面體規(guī)則在離子晶體中，圍繞每一陽離子，形成一個陰離子配位多面體，陰陽離子的間距決定于它們的半徑之和，陽離子的配位數(shù)則取決于它們的半徑之比。如：NaCl6，氯八面體第21頁，共50頁，2022年，5月20日，14點58分，星期六222、鮑林第二規(guī)則——靜電價規(guī)則在一個穩(wěn)定的離子晶體結(jié)構(gòu)中，每一個負(fù)離子的電價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。第22頁，共50頁，2022年，5月20日，14點58分，星期六233、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，兩個陰離子多面體以共棱，特別是共面方式存在時，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性便降低。第23頁，共50頁，2022年，5月20日，14點58分，星期六24第24頁，共50頁，2022年，5月20日，14點58分，星期六25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)則在一個含有不同陽離子的晶體中，電價高而配位數(shù)小的那些陽離子特別傾向于共角連接。第25頁，共50頁，2022年，5月20日，14點58分，星期六265、鮑林第五規(guī)則——節(jié)約規(guī)則在一個晶體結(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第26頁，共50頁，2022年，5月20日，14點58分，星期六272.3.2.3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）第27頁，共50頁，2022年，5月20日，14點58分，星期六284.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)第28頁，共50頁，2022年，5月20日，14點58分，星期六291）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，陽離子填充于全部的八面體空隙中，陰、陽離子的配位數(shù)都為6。第29頁，共50頁，2022年，5月20日，14點58分，星期六30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)點位置，而陽離子交錯分布于立方體內(nèi)的1/8小立方體的中心。陽離子的配位數(shù)是4，陰離子的配位數(shù)也是4。立方ZnS六方ZnS第30頁，共50頁，2022年，5月20日，14點58分，星期六31（2）AB2型結(jié)構(gòu)螢石結(jié)構(gòu)，CaF2,結(jié)構(gòu)屬于立方晶系，陽離子位于立方面心的節(jié)點位置上，陰離子則位于立方體內(nèi)8個小立方體的中心。陽離子的配位數(shù)位8，而陰離子的的配位數(shù)為4。第31頁，共50頁，2022年，5月20日，14點58分，星期六32（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，而陽離子填充于2/3的八面體空隙，因此陽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。

第32頁，共50頁，2022年，5月20日，14點58分，星期六332.3.3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：(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O最多只能為兩個[SiO4]4-四面體所(3)[SiO4]四面體可以獨立地在結(jié)構(gòu)中存在，也可以通過[SiO4]4-共用四面體頂點連接(4)[SiO4]4-中Si－O－Si結(jié)合鍵不是一條直線,呈145o夾角。第33頁，共50頁，2022年，5月20日，14點58分，星期六34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-通過共用氧(橋氧)相生成2、3、4或者6個硅氧組群。綠寶石

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

第34頁，共50頁，2022年，5月20日，14點58分，星期六354.層狀硅酸鹽：由[SiO4]4-四面體某個面在平面內(nèi)以共用頂點的方式連接成六角對稱的二維結(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)?；?，白云母5.骨架狀硅酸鹽：由[SiO4]4-四面體連成無限六元環(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使兩個為一個公共氧所代替。石英第35頁，共50頁，2022年，5月20日，14點58分，星期六36組群狀結(jié)構(gòu)

第36頁，共50頁，2022年，5月20日，14點58分，星期六37第37頁，共50頁，2022年，5月20日，14點58分，星期六38第38頁，共50頁，2022年，5月20日，14點58分，星期六39第39頁，共50頁，2022年，5月20日，14點58分，星期六401、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）第40頁，共50頁，2022年，5月20日，14點58分，星期六41例如：石墨金剛石第41頁，共50頁，2022年，5月20日，14點58分，星期六422、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)點間位移、鍵長、鍵角的調(diào)整，轉(zhuǎn)變速度快（高低溫型轉(zhuǎn)變）。在金屬材料中，位移型相變稱為馬氏體相變。這種相變是非擴(kuò)散型的，只要通過母相結(jié)構(gòu)的剪切就可以得到新相第42頁，共50頁，2022年，5月20日，14點58分，星期六43重建型轉(zhuǎn)變：舊鍵的破壞，新鍵的形成，轉(zhuǎn)變速度慢。在金屬材料中，位移型相變稱為馬氏體相變。這種相變是非擴(kuò)散型的，只要通過母相結(jié)構(gòu)的剪切就可以得到新相第43頁，共50頁，2022年，5月20日，14點58分，星期六44第44頁，共50頁，2022年，5月20日，14點58分，星期六452.3.5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，非晶是長程無序的。即在較大距離上結(jié)構(gòu)無周期性，但近程(幾個?