材料科學(xué)與工程基礎(chǔ).顧宜.第三章第二講

3-3無機非金屬材料的結(jié)構(gòu)和組成

Composition&StructureofInorganic-nonmetalicMaterialsComposition&StructureofInorganic-nonmetalicMaterialsSimpleCrystallineStructurecomputethetheoreticaldensitySilicateCrystallineStructuresandNoncrystallineStructureCeramicsCarbonanditsPolymorphicCompounds3-3無機非金屬材料的結(jié)構(gòu)和組成Composition&StructureofInorganic-nonmetalicMaterials3-3-1組成和結(jié)合鍵1.

組成廣義：除有機物和金屬以外。常見的陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料

組分components：硅酸鹽類氧化物類，氮、碳（不含H）。2.

結(jié)合鍵bondingtype

離子鍵正負(fù)離子、鍵強度高、緊密堆積、無方向性，金屬氧化物，氧化鎂、氧化鋁

共價鍵共用電子對、有方向性如金鋼石、

混合鍵（離子、共價），大多數(shù)。混合鍵-----離子鍵和共價鍵之間的過渡。元素電負(fù)性的大小，。Chapter33、離子半徑與配位數(shù)IonicRadiiandCoordinationNumberTable3.3Table3.43-3-2無機非金屬材料中的簡單晶體結(jié)構(gòu)

SimpleCrystallineStructureAX-TYPECRYSTALSTRUCTURESAmXp-TYPECRYSTALSTRUCTURESAmBnXp-TYPECRYSTALSTRUCTURESSection3.6面心立方四面體間隙數(shù)：每晶胞：8每原子：8/4=2間隙大?。ò霃剑?√3a/4－R=0.225R八面體間隙數(shù)：每晶胞：[1(體)+1/4×12(棱)]=4每原子：4/4=1

間隙大小（半徑）=a/2－R=0.414R體心立方（bcc）八面體間隙數(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?/p>

間隙大小（半徑）=a/√2－R=0.633R<110>=√5a/4－R=0.291R=a/2－R=0.154R<001>AXAmXpAmBnXpTable3.51.單晶硅立方晶系、共價晶體、sp3雜化，8個原子幾種典型晶體結(jié)構(gòu)2.氯化鈉與氯化銫

AX-TYPESodiumchloride(Rocksalt)andCesiumchloride

正負(fù)離子半徑比配位數(shù)Na+/Cl-0.5246正八面體配位Cs+/Cl-0.9338立方體配位

Figure3.5Figure3.6FIGURE3.313.氟化鈣Fluorite(CaF2)AmXp-TYPEF:8*1/812*1/46*1/21=8

Figure3.8

4.

面心立方ZnS和六方ZnS

極性共價鍵Zn-S[ZnS4]4-

面心立方ZnSS配位數(shù)4、位于面心立方點上Zn配位數(shù)4、位于四面體間隙

AX-TYPEFigure3.7六方ZnS

5.

鈣鈦礦晶體CaTiO3AmBnXp-TYPE

立方晶系Ca2+立方體頂角配位數(shù)12O2-面心配位數(shù)6，

Ti4+體心配位數(shù)6位于八面體間隙

[TiO6]8-八面體Ti4+八面體中心

6．尖晶石型晶體(MgAl2O4—AB2O4)

O2-面心立方密堆

立方晶系

A2+

填充在四面體間隙

B3+填充在八面體間隙

單位晶胞包含8個分子，A8B16O32形成

64個四面體空隙、填充率1/8

32個八面體空隙、填充率1/2

A塊中A2+填充1/4的四面體間隙共2個、4*2=8

B塊中B3+填充八面體間隙共4個、4*4=16(棱、心）

共棱小塊的結(jié)構(gòu)相同，

共面小塊的結(jié)構(gòu)不同反尖晶石B(AB)O4Al(MgAl)O4

四面體間隙八面體間隙

nthenumberofformulaunits1withintheunitcellAC

thesumoftheatomicweightsofallcationsintheformulaunitAA

thesumoftheatomicweightsofallanionsintheformulaunitVC

theunitcellvolumeNA

Avogadro’snumber,6.023×1023formulaunits/molCalculationofDensitySection3.7EXAMPLEPROBLEM3.6Onthebasisofcrystalstructure,computethetheoreticaldensityforsodiumchloride.Howdoesthiscomparewithitsmeasureddensity?SOLUTIONn＝4，F(xiàn)CClatticesexperimentalvalue：2.16g/cm3.3-3-3硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)SilicateCrystallineStructures結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)[SiO4]4-四面體，Si4+中心，O2-頂。兩個鄰近四面體之間共頂相連，不共棱或面。

Silicon-OxygenTetrahedron排列方式5種：絡(luò)陰離子團

島狀：4個O，非橋氧原子。[SiO4]4-

聯(lián)島[Si2O7]6-

組群狀：2個O，非橋氧原子，連成環(huán)狀。[Si3O9]6-鏈狀：2個O，線形。單鏈1∞[Si2O6]4-

雙鏈1∞[Si4O11]6-層狀：1個O2∞[Si2O5]2-

架狀:0個O，如石英。3∞[SiO2]

LayeredSilicateskaoliniteclay.粘土（高嶺土）SiO2層鋁酸鹽層粘土加水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)的四面體和八面體可以有廣泛的類質(zhì)同象替代，如四面體中Si4+被Al3+,Ti4+,P5+替代，八面體中Al3+被Mg2+,Fe2+,Fe3+,Ni2+,Zn2+,Mn2+替代，從而使晶層帶負(fù)電荷。水合陽子（Na+,K+,Ca2+,Mg2+）可占據(jù)層間域以電荷平衡。各種有機陽離子（如烷基陽離子）可以通過離子交換反應(yīng)來置換粘土礦物層間原有的水合陽離子，從而使通常親水的粘土礦物表面疏水化，降低了表面能．改善了礦物與聚合物間相容性。蒙脫土（Montmorillonite)是膨潤土的有效成份，其理論結(jié)構(gòu)式為（1/2Ca,Na)x(Al2-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0.96nmx100nmx100nm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)（700～800)m2/g).吸附陽離子有Na+,Ca2+,Mg2+等3-3-4無機非金屬材料的非晶體結(jié)構(gòu)NoncrystallineStructure------Amorphous1.

無機玻璃的組織結(jié)構(gòu)

Texture

主要成份：SiO2、Na2O、K2O、CaO、MgO、Al2O3。

鍵合形式：離子鍵、共價鍵，及其混合鍵。慢冷結(jié)晶形成：熔體急冷(粘度大)無定形（玻璃結(jié)構(gòu)），無規(guī)網(wǎng)絡(luò)network無規(guī)網(wǎng)絡(luò)與高分子不同Section3.20固體為三維網(wǎng)狀，無定形，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物對玻璃結(jié)構(gòu)的影響SilicaCrystalSilicaGlass網(wǎng)體氧化物：SiO2,B2O3,P2O5,GeO網(wǎng)體外氧化物：Na2O,K2O,CaO,BaO中間體氧化物：MgO,ZnO,Al2O3SiO2%升高，共價鍵成分增多膨脹系數(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)—橋氧原子的平均數(shù)）硅酸鹽玻璃Y≥2結(jié)構(gòu)參數(shù)Y對玻璃性質(zhì)的影響玻璃組成Y值熔融溫度，℃膨脹系數(shù)107Na2O.2SiO231523146P2O531573140Na2O.SiO221323220Na2O.P2O521373220

X+Y=ZX+Y/2=RX=2R-ZY=2Z-2RX非橋氧Y橋氧Z氧R氧硅比R=5:2,X=1,Z=4,Y=32.

凝膠及凝膠材料gel(1)

凝膠的特性無流動性、有彈性和強度有機和無機(2)

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）凝膠材料水硬性------水泥氣硬性------石膏3-3-5陶瓷Ceramics

1.

類型多晶多相聚集體（金屬、類金屬與非金屬）特種陶瓷（金屬氧化物）陶器硅酸鹽陶瓷跖器瓷器2.

顯微結(jié)構(gòu)（組織結(jié)構(gòu)）Texture晶相（晶界）：晶粒，影響性能的主要因素玻璃相：由離子多面體短程有序而長程無序排列而成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，包裹在晶粒周圍，起黏結(jié)作用，含量15~35%——排列無規(guī)則（燒結(jié)時形成）。作用：將分散的晶粒粘結(jié)在一起。降低燒結(jié)溫度擬制晶體長大，以及填充氣孔空隙等。

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)CarbonanditsPolymorphicCompounds

1.石墨Graphite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-C1.42埃，共價結(jié)合

層間C-C3.40埃，物理鍵合

應(yīng)用：潤滑、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Carbonblack炭黑——幾個（3---7個）芳香組縮合碳環(huán)平面重疊而成的微晶體。顏料和填料，輪胎補強天然氣、油脂等高含碳量有機化合物進行不完全燒潔（碳沒有完全氧化）。3.碳纖維CarboneFiber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200~300C環(huán)化