材料化學(xué)課件

Chapter1IntroductionChapter1

Introduction

緒論*1.1 材料與化學(xué)1.2 材料的分類1.3 材料化學(xué)的特點1.4 材料化學(xué)的在各個領(lǐng)域的應(yīng)用1.5 材料化學(xué)的主要內(nèi)容Chapter1Introduction本章內(nèi)容*Materials：Substanceshavingpropertieswhichmakethemusefulinmachinery,structures,devicesandproducts.Chapter1Introduction1.1材料與化學(xué)

MaterialsandChemistry——connectedwithfunctionand,throughthatfunction,utilities.*Distinguishbetween

ChemicalsandMaterialsChemicals：theutilityliesprimarilyintheirconsumption.Materials:canbeusedrepeatedlyorcontinuouslyforanapplicationthatdoesnotirreversiblyconvertthemtosomethingelse.Chapter1Introduction*MaterialsScience&Chemistry MaterialsScienceandChemistry

Atomic-molecularlevelinteractionMaterialsChemistry:Chemistryrelatedtostructure,properties,preparationandapplicationsofmaterials.

MacroscopicperspectiveChapter1Introduction*Developmentofmaterials材料的發(fā)展材料的發(fā)現(xiàn)、發(fā)展和應(yīng)用是人類文明的標(biāo)志。

材料的品種、質(zhì)量和產(chǎn)量，是直接衡量一個國家的科技和經(jīng)濟發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。Chapter1Introduction*①陶器制作：粘土及其它添加物，加熱燒結(jié)成較硬實體；人類社會結(jié)構(gòu)﹑生活形態(tài)的改變。②青銅器：金屬產(chǎn)物的工具﹑武器﹑農(nóng)具﹑禮器﹑祭器等取代泥制陶器；③金屬使用：常溫的剛強度，紅熱時可鍛煉成形性，熔融后的鑄造性。早期：三個時代Chapter1Introduction*Pottery→→Pottery新石器時期半山式菱形點紋壺新石器時期馬家窯式水紋彩陶缽Chapter1Introduction*ChinaChina康熙黃釉蓋罐

乾隆茶葉末六連瓶

Chapter1Introduction*唐三彩鴛鴦壺

一種低溫鉛釉的陶器，采用黃、綠、褐等色釉在器皿構(gòu)成花朵、斑點或不規(guī)則的幾何紋等，色彩斑斕的色釉裝飾。雖稱為三彩，實際上并不限于三種色彩，往往采用二次燒成法，第一次素?zé)瑴囟燃s在攝氏一千度左右，燒成坯胎；第二次在素胎上施釉，另行釉燒而溫度八百度。Chapter1Introduction*明掐絲琺瑯葫蘆式扁瓶

橘皮釉

Chapter1Introduction*→→Glass現(xiàn)代的水晶玻璃WarringStatesGlassEyeBeadsGlassChapter1Introduction*FigureofmaterialsdevelopmentChapter1Introduction*StoneAgeStoneageChapter1Introduction*MaterialsWoodStoneBonePotterythePaleolithicPeriod

theNeolithicAge

Table1-1DistinguishbetweenthePaleolithicPeriodandtheNeolithicAge

DistinguishbetweenthePaleolithicPeriodandtheNeolithicAgeChapter1Introduction*BronzeAgeBronzeageChapter1Introduction*含錫量1/6——韌性好——制造鐘鼎含錫量2/5——硬度高——制造刀斧CuSnPbZn第一個合金材料：銅錫合金（青銅）

結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系A(chǔ)lloyChapter1Introduction*中國古銅鏡CoppermirrorsChapter1Introduction*Coppermusicalinstrument戰(zhàn)國青銅編鐘

Chapter1Introduction*IronAgeIronAgeChapter1Introduction*Equations

煉鐵過程的化學(xué)Chapter1Introduction*鑄鐵鍛鐵鋼鐵依含碳量和雜質(zhì)多少鐵和碳的合金Alloysofiron&carbonChapter1Introduction*第八世紀(jì)的"Carolingian"劍東方曲劍"Persian"土耳其的"Damascus"劍日本劍的鋒口部份SwordsChapter1Introduction*早期：純粹憑經(jīng)驗工藝。近現(xiàn)代：

基本化學(xué)原理

物質(zhì)微結(jié)構(gòu)性能優(yōu)良而價值更高的材料高性能碳鋼和合金鋼鋼制品精煉工藝技術(shù)Chapter1Introduction*化學(xué)的發(fā)展往往導(dǎo)致材料技術(shù)的實質(zhì)性進步。在新材料的研發(fā)和材料工藝的發(fā)展中，化學(xué)一直擔(dān)當(dāng)著關(guān)鍵的角色。合成高分子（二十世紀(jì)初）納米材料（二十世紀(jì)80年代）Chapter1Introduction*Chapter1IntroductionMetallicMaterialsInorganicMaterialsPolymersComposites按組成、結(jié)構(gòu)特點分1.2材料的分類

ClassificationofMaterials*StructuralMaterials——主要利用材料的力學(xué)性能FunctionalMaterials——主要利用材料的物理和化學(xué)性能按使用性能分按用途分Classificationofmaterials導(dǎo)電材料、絕緣材料、生物醫(yī)用材料、航空航天材料、能源材料、電子信息材料、感光材料等等Chapter1Introduction*金屬材料（MetallicMaterials）金屬材料通常由一種或多種金屬元素組成，其特征是存在大量的離域電子，也就是說，這些電子并不鍵合在特定原子上。通常具有良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性、拋光表面的反光性、金屬光澤、延展性、塑性等。鋼材：在建筑、橋梁、設(shè)備等廣泛用作結(jié)構(gòu)材料。銅材：常常作為導(dǎo)電材料使用。新型金屬材料：如超塑性合金、形狀記憶合金、儲氫合金等。Chapter1Introduction*ExamplesChapter1Introduction*無機非金屬材料（InorganicMaterials）無機化合物材料：陶瓷、玻璃、水泥等。單質(zhì)材料：單晶硅、金剛石、石墨等。以陶瓷為主?？捎米鹘Y(jié)構(gòu)材料、光學(xué)材料、電子材料等。半導(dǎo)體材料：單晶硅、砷化鎵、磷化銦、磷化鎵等。用于制造集成電路、固態(tài)激光器、發(fā)光二極管、晶體管等。Chapter1Introduction*ArchitecturematerialsChapter1Introduction*高分子材料（Polymers）高分子是由碳、氫、氧、硅、硫等元素組成的分子量足夠高的有機化合物。天然高分子材料：木材、天然橡膠、棉花、動物皮毛等。合成高分子材料：塑料、合成橡膠和合成纖維。功能高分子材料：工程塑料、導(dǎo)電高分子、高分子半導(dǎo)體、光導(dǎo)電高分子、磁性高分子、光功能高分子、液晶高分子、高分子信息材料、生物醫(yī)用高分子材料、反應(yīng)性高分子、離子交換樹脂、高分子分離膜、高分子催化劑及高分子試劑等。Chapter1Introduction*(3)ShoesChapter1Introduction*復(fù)合材料（Composites）復(fù)合材料：由兩種或多種不同材料組合而成的材料。既保留原組分材料的特性，又具有原單一組分材料所無法獲得的或更優(yōu)異的特性。金屬材料、無機非金屬材料和高分子材料相互之間或同種材料之間均可復(fù)合形成復(fù)合材料。自然界的復(fù)合材料：例如樹木和竹子為纖維素和木質(zhì)素的復(fù)合體；動物骨骼則是由無機磷酸鹽和蛋白質(zhì)膠原復(fù)合而成。古老的復(fù)合材料：稻草增強粘土以及漆器（麻纖維和土漆復(fù)合而成）。傳統(tǒng)的復(fù)合材料：鋼筋混凝土，玻璃鋼。Chapter1Introduction*(6)Spaceflightmaterials首架復(fù)合材料飛機Chapter1Introduction*航空材料的主要要求是耐高溫、高比強、抗疲勞、耐腐蝕、長壽命和低成本。

多功能化、復(fù)合化、精細化、智能化Chapter1Introduction*Examples波音公司開發(fā)之機體與復(fù)合材料

JChapter1Introduction*1.3材料化學(xué)的特點

CharacteristicsofMaterialsChemistry跨學(xué)科性：既是化學(xué)學(xué)科的一個次級學(xué)科，又是材料科學(xué)的一個分支。新材料的發(fā)展，往往源于其它科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的需求，這導(dǎo)致材料化學(xué)與物理學(xué)、生物學(xué)、藥物學(xué)等眾多學(xué)科緊密相連。材料合成與加工技術(shù)的發(fā)展不斷地對諸如生物技術(shù)、信息技術(shù)、納米技術(shù)等新興技術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)生巨大影響。通過分子設(shè)計和特定的工藝，可以使材料具備各種特殊性質(zhì)或功能，如高強度、特殊的光性能和電性能等，這些材料在現(xiàn)代技術(shù)中起著關(guān)鍵作用。Chapter1Introduction*材料化學(xué)是理論與實踐相結(jié)合的產(chǎn)物，這是它與固體化學(xué)的主要區(qū)別所在。材料通過實驗室的研究工作而得到深入的了解，從而指導(dǎo)材料的發(fā)展和合理使用。高性能、高質(zhì)量及低成本的材料只有通過工藝的不斷改進才能實現(xiàn)。材料變?yōu)槠骷虍a(chǎn)品要解決一系列工程技術(shù)問題，這都需要理論和實踐的結(jié)合，一方面用理論指導(dǎo)實踐，另一方面通過大量實踐使理論得到進一步發(fā)展。Chapter1Introduction*實踐性：生物醫(yī)藥領(lǐng)域生物相容性材料：例如設(shè)計特殊的金屬合金和聚合物涂層，以保護人體組織不與人工骨頭置換體或其他植入物相排斥;人造腎臟、血液氧合器、靜脈過濾器以及診斷化驗等;藥物、蛋白質(zhì)及基因的控制釋放。Chapter1Introduction1.4材料化學(xué)的在各個領(lǐng)域的應(yīng)用*芯片制造：光致抗蝕劑、化學(xué)氣相沉積法、等離子體刻蝕;信息存儲材料;光電子材料;光子晶體。Chapter1Introduction*電子信息領(lǐng)域

環(huán)境和能源領(lǐng)域清潔能源：光伏電池、太陽能電池、燃料電池等；可回收和可生物降解材料；環(huán)境友好材料結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域汽車和飛機：比以前更安全、輕便和省油；特種涂料：具有防腐、保護、美化或其它用途，可在結(jié)構(gòu)材料上使用；智能化的結(jié)構(gòu)材料：由各種具有不同功能或性能的材料組合而成Chapter1Introduction*Chapter1Introduction結(jié)構(gòu)

材料的結(jié)構(gòu)是指組成原子、分子在不同層次上彼此結(jié)合的形式、狀態(tài)和空間分布，包括原子與電子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)，相結(jié)構(gòu)、晶粒結(jié)構(gòu)、表面與晶界結(jié)構(gòu)、缺陷結(jié)構(gòu)等；在尺度上則包括納米以下、納米、微米、毫米及更宏觀的結(jié)構(gòu)層次。所有這些層次都影響產(chǎn)品的最終行為。單個原子結(jié)構(gòu)原子的空間排列相態(tài)結(jié)構(gòu)材料化學(xué)是關(guān)于材料的結(jié)構(gòu)、性能、制備和應(yīng)用的化學(xué)1.5材料化學(xué)的主要內(nèi)容*性能

性能是材料在一定的條件下對外部作用的反應(yīng)的定量表述。力學(xué)性能：材料的強度、延性和剛度。物理性能：電、磁、光、熱等。Chapter1Introduction制備

材料的合成與制備就是將原子、分子聚合起來并最終轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏卯a(chǎn)品的一系列連續(xù)過程。合成與制備是提高材料質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本和提高經(jīng)濟效益的關(guān)鍵，也是開發(fā)新材料、新器件的中心環(huán)節(jié)。*第一章緒論第二章材料的結(jié)構(gòu)第三章材料的性能第四章材料化學(xué)熱力學(xué)第五章材料的制備第六章金屬材料第七章無機非金屬材料第八章高分子材料第九章復(fù)合材料第十章納米材料基礎(chǔ)部分應(yīng)用部分本課程的結(jié)構(gòu)Chapter1Introduction*課程考核平時成績：30%期末考試成績：70%考試方式：閉卷或半開卷Chapter1Introduction*教學(xué)用書：曾兆華，楊建文編著.材料化學(xué).北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2008主要參考書目：楊興鈺.材料化學(xué)導(dǎo)論.武漢：湖北科學(xué)技術(shù)出版社，2003劉光華編著.現(xiàn)代材料化學(xué).上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，2000周達飛主編.材料概論.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001BrianS.Mitchell.AnIntroductiontoMaterialsEngineeringandScience.USA,JohnWiley&Sons,2004.WilliamD,CallisterJ.Materialsscienceandengineering:Anintroduction.5thEd.,USA,JohnWiley&Sons,1999SmithWF.Foundationsofmaterialsscienceandengineering.NewYork,McGraw-HillBookCo.,1992BradleyD.Fahlman.MaterialsChemistry.German,Springer,2007Chapter1Introduction*思考題什么是材料化學(xué)？其主要特點是什么？新石器時代的標(biāo)志是什么？材料與試劑的主要區(qū)別是什么？觀察一只燈泡，列舉出制造燈泡所需要的材料。材料按其組成和結(jié)構(gòu)可以分為哪幾類？簡述材料化學(xué)的主要內(nèi)容。Chapter1Introduction*49材料的結(jié)構(gòu)Chapter2

StructureofMaterialsChapter2StructureofMaterials50化學(xué)組成組織結(jié)構(gòu)材料性能材料應(yīng)用合成與加工RelationshipChapter2StructureofMaterials51本章內(nèi)容2.1元素和化學(xué)鍵2.2晶體學(xué)基本概念2.3晶體材料的結(jié)構(gòu)2.4晶體缺陷2.5固溶體Chapter2StructureofMaterials52522.1元素和化學(xué)鍵元素及其性質(zhì)原子間的鍵合原子間的相互作用與鍵能Chapter2StructureofMaterials53元素單質(zhì)化合物材料532.1.1元素及其性質(zhì)53Chapter2StructureofMaterials54地球上一些元素的相對豐度元素相對豐度元素相對豐度氧(O)466,000氟(F)300硅(Si)277,200鍶(Sr)300鋁(Al)81,300鋇(Ba)250鐵(Fe)50,000鋯(Zr)220鈣(Ca)36,300鉻(Cr)200鈉(Na)28,300釩(V)150鉀(K)25,900鋅(Zn)132鎂(Mg)20,900鎳(Ni)80鈦(Ti)4,400鉬(Mo)15氫(H)1,400鈾(U)4磷(P)1,180汞(Hg)0.5錳(Mn)1,000銀(Ag)0.1硫(S)520鉑(Pt)0.005碳(C)320金(Au)0.005氯(Cl)314氦(He)0.003Chapter2StructureofMaterials5555周期表中各元素在室溫下的狀態(tài)Chapter2StructureofMaterials56——從氣態(tài)原子移走一個電子使其成為氣態(tài)正離子所需的

最低能量。同周期主族：從左至右，Z逐漸增大，I1也逐漸增大。稀有氣體I1最大。同周期副族：從左至右，Z增加不多，原子半徑減小緩慢，其I1增加不如主族元素明顯。同一主族：從上到下，Z增加不多，但原子半徑增加，所以I1由大變小。同一副族電離能變化不規(guī)則。第一電離能（FirstIonizationEnergy,I1）Chapter2StructureofMaterials57——氣態(tài)原子俘獲一個電子成為一價負(fù)離子時所產(chǎn)生的能量變化。形成陰離子時放出能量，則EA為正； 吸收能量則EA為負(fù)。EA的大小涉及核的吸引和核外電荷相斥兩個因素，故同一周期和同一族元素都沒有單調(diào)變化規(guī)律。大體上，同周期元素的電子親和勢從左到右呈增加趨勢（更負(fù)），而同族元素的電子親和勢變化不大。57電子親和勢（ElectronAffinity,EA）Chapter2StructureofMaterials58——衡量原子吸引電子能力的一個化學(xué)量同一周期的元素，從左到右電負(fù)性逐漸增大；同族元素電負(fù)性從上到下逐漸減小。電負(fù)性（Electronegativity）Chapter2StructureofMaterials59從左到右，有效核電荷逐漸增大，內(nèi)層電子不能有效屏蔽核電荷，外層電子受原子核吸引而向核接近，導(dǎo)致原子半徑減小。所以從左到右，原子半徑趨于減小。而從上到下，隨著電子層數(shù)的增加，原子半徑增大。對于離子來說，通常正離子半徑小于相應(yīng)的中性原子，負(fù)離子的半徑則變大。59原子及離子半徑（AtomicandIonicRadii）Chapter2StructureofMaterials電離能電子親和勢原子及離子半徑電負(fù)性60Chapter2StructureofMaterials61MetallicbondIonicbondCovalentbondHydrogenbondVanderWaalsbonding2.1.2原子間的鍵合Chapter2StructureofMaterials62（1）MetallicbondChapter2StructureofMaterials63Characteristic&properties高導(dǎo)電率和高導(dǎo)熱率不透明性金屬表面的高反射性延展性金屬鍵的特點金屬的特性電子的離域性鍵的球?qū)ΨQ性質(zhì)Chapter2StructureofMaterials64金屬鍵示意圖Chapter2StructureofMaterials65離子鍵的特點飽和性和無定向性離子化合物的特性配位數(shù)高、堆積致密

本質(zhì)上可以歸結(jié)于靜電引力（2）IonicbondChapter2StructureofMaterials66氯化鈉的離子鍵Chapter2StructureofMaterials67離子鍵CsCl結(jié)構(gòu)示意圖Chapter2StructureofMaterials68離子鍵的形成Chapter2StructureofMaterials69庫侖引力與離子間距離的關(guān)系Chapter2StructureofMaterials70離子間作用力與離子間距離的關(guān)系Chapter2StructureofMaterials71兩個原子共有最外殼層電子的鍵合（3）CovalentbondChapter2StructureofMaterials72共價鍵的特點方向性和飽和性

共價鍵晶體的特性

很高的熔點和硬度良好的光學(xué)特性不良的導(dǎo)電性Chapter2StructureofMaterials73Example共價鍵示意圖Chapter2StructureofMaterials74金剛石中的共價鍵Chapter2StructureofMaterials75金剛石的結(jié)構(gòu)Chapter2StructureofMaterials76甲烷的電子層結(jié)構(gòu)Chapter2StructureofMaterials77共價鍵的斷裂Chapter2StructureofMaterials78兩個條件

分子中必須含氫

另一個元素必須是顯著的非金屬元素有方向性（4）Hydrogenbond

Chapter2StructureofMaterials79水分子之間的氫鍵Chapter2StructureofMaterials80

電中性的分子之間的長程作用力JohannesDiderikVanderWaals1837–1923TheNobelPrizeinPhysics1910“forhisworkontheequationofstateforgasesandliquids”（5）VanderWaals

bondingChapter2StructureofMaterials81氬原子間的

范德華鍵形成示意圖Chapter2StructureofMaterials82碘晶體結(jié)構(gòu)示意圖Chapter2StructureofMaterials83范德華鍵范德華鍵分子鏈?zhǔn)芰瑒泳勐纫蚁?/p>

分子間的范德華鍵Chapter2StructureofMaterials84物理鍵化學(xué)鍵離子鍵共價鍵金屬鍵范德華鍵氫鍵ComparisonChapter2StructureofMaterials85類型作用力來源鍵合強弱形成晶體的特點離子鍵原子得、失電子后形成負(fù)、正離子，正負(fù)離子間的庫侖引力最強無方向性鍵、高配位數(shù)、高熔點、高強度、高硬度、低膨脹系數(shù)、塑性較差、固態(tài)不導(dǎo)電、熔態(tài)離子導(dǎo)電共價鍵相鄰原子價電子各處于相反的自旋狀態(tài)，原子核間的庫侖引力強有方向性鍵、低配位數(shù)、高熔點、高強度、高硬度、低膨脹系數(shù)、塑性較差、在熔態(tài)也不導(dǎo)電金屬鍵自由電子氣與正離子實之間的庫侖引力較強無方向性鍵、結(jié)構(gòu)密堆、配位數(shù)高、塑性較好、有光澤、良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性范德華鍵原子間瞬時電偶極矩的感應(yīng)作用最弱無方向性鍵、結(jié)構(gòu)密堆、高熔點、絕緣氫鍵氫原子核與極性分子間的庫侖引力弱

各種結(jié)合鍵主要特點比較Chapter2StructureofMaterials86實際材料中的結(jié)合鍵Chapter2StructureofMaterials87吸引能（attractiveenergy，EA）：源于原子核與電子云間的靜電引力離子：m=1分子：m=6排斥能（repulsiveenergy，ER）：源于兩原子核之間以及兩原子的電子云之間相互排斥惰性氣體離子核外層電子構(gòu)型n惰性氣體離子核外層電子構(gòu)型nHe1s25Kr3d104s24p610Ne2s22p67Xe4d105s25p612Ar3s23p69總勢能（potentialenergy）：吸引能與排斥能之和n：排斥指數(shù)2.1.3原子間的相互作用與鍵能（1）勢能阱（PotentialEnergyWell）Chapter2StructureofMaterials勢能阱示意圖勢能阱鍵長r0——平衡鍵合距離。較深的勢能阱表示原子間結(jié)合較緊密，其對應(yīng)的材料就較難熔融，并具有較高的彈性模量和較低的熱膨脹系數(shù)。88Chapter2StructureofMaterials11/27/20237:21:54PM89形成正負(fù)離子所需能量離子鍵形成過程中的總勢能：

在平衡位置的勢能E0

89（2）鍵能計算Chapter2StructureofMaterials例：NaCl的鍵能計算離子形成能吸引能EA,0類比，可得：排斥能ER,0鍵能E0推導(dǎo)？90Chapter2StructureofMaterials912.2.1晶體與非晶體非晶體固態(tài)物質(zhì)原子或分子聚集狀態(tài)不同

晶體2.2晶體學(xué)基本概念Chapter2StructureofMaterials92Concepts長程有序Long-rangeorder晶體非晶體原子或原子團、離子或分子在空按一定規(guī)律呈周期性地排列構(gòu)成原子、分子或離子無規(guī)則地堆積在一起所形成長程無序Long-rangedisorder短程有序short-rangeorderChapter2StructureofMaterials93ComparisonComparison方石英石英玻璃石英凝膠2θ(°)衍射強度CurveofX-rayDiffractionChapter2StructureofMaterials942.2.2TransformationTransformationJ晶態(tài)非晶態(tài)？Chapter2StructureofMaterials95晶態(tài)與非晶態(tài)之間的轉(zhuǎn)變非晶態(tài)所屬的狀態(tài)屬于熱力學(xué)亞穩(wěn)態(tài)，所以非晶態(tài)固體總有向晶態(tài)轉(zhuǎn)化的趨勢，即非晶態(tài)固體在一定溫度下會自發(fā)地結(jié)晶，轉(zhuǎn)化到穩(wěn)定性更高的晶體狀態(tài)。通常呈晶體的物質(zhì)如果將它從液態(tài)快速冷卻下來也可能得到非晶態(tài)。Chapter2StructureofMaterials96晶體結(jié)構(gòu)的幾個基本概念周期性：同一種質(zhì)點在空間排列上 每隔一定距離重復(fù)出現(xiàn)。周期：任一方向排在一直線上的相 鄰兩質(zhì)點之間的距離。晶格（lattice）：把晶體中質(zhì)點的中心用直線聯(lián)起來構(gòu)成的 空間格架。結(jié)點（latticepoints）：質(zhì)點的中心位置?？臻g點陣（spacelattice）：由這些結(jié)點構(gòu)成的空間總體。晶胞（unitcell）：構(gòu)成晶格的最基本的幾何單元。2.2.2

晶格、晶胞和晶格參數(shù)Chapter2StructureofMaterials97結(jié)點結(jié)點Chapter2StructureofMaterials98a、b、c:確定晶胞大小

、

、

:確定晶胞形狀晶格常數(shù)晶胞的三條棱的長度a、b和c就是點陣沿這些方向的周期，這三條棱就稱為晶軸。晶胞晶胞UnitCellChapter2StructureofMaterials99Lattice&actualcrystalstrcture空間點陣和實際晶體結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系（a）、（c）為空間點陣（b）、（d）為實際晶體Chapter2StructureofMaterials100晶系特征空間點陣對稱元素三斜Triclinica

b

c

簡單三斜(無轉(zhuǎn)軸)既無對稱軸也無對稱面單斜Monoclinica

b

ca==90°;

90°簡單單斜;底心單斜一個二次旋轉(zhuǎn)軸,鏡面對稱正交Orthorhombica

b

ca==

=90°簡單正交;底心正交;體心正交;面心正交三個互相垂直的二次旋轉(zhuǎn)軸菱方Rhombohedrala=b=ca=

=

90°斜方一個三次旋轉(zhuǎn)軸四方Tetragonala=b

ca==

=90°簡單四方;體心四方一個四次旋轉(zhuǎn)軸六角Hexagonala=b

ca==90°;

=120°六角一個六次旋轉(zhuǎn)軸立方Cubica=b=ca=

=

=90°簡單立方;體心立方;面心立方四個三次旋轉(zhuǎn)軸7個晶系和14種空間點陣類型1002.2.3

晶系（crystalsystems）Chapter2StructureofMaterials簡單菱方簡單立方簡單六方簡單四方101Chapter2StructureofMaterials底心單斜簡單單斜簡單三斜102Chapter2StructureofMaterials簡單正交面心立方面心正交103Chapter2StructureofMaterials體心立方體心四方體心正交104Chapter2StructureofMaterials1052.2.4

晶向指數(shù)和晶面指數(shù)晶面（crystallographicplanes）：——晶體點陣在任何方向上分解為相互平行的結(jié)點平面稱為晶面，即結(jié)晶多面體上的平面。晶向（crystallographicdirections）：——點陣可在任何方向上分解為相互平行的直線組（晶列），晶列所指方向就是晶向。Chapter2StructureofMaterials106晶列晶面簇晶列和晶面簇Chapter2StructureofMaterials107將坐標(biāo)原點選在OP的任一結(jié)點O點，把OP的另一結(jié)點P的坐標(biāo)經(jīng)等比例化簡后按X、Y、Z坐標(biāo)軸的順序?qū)懺诜嚼ㄌ朳]內(nèi)，則[uvw]即為OP的晶向指數(shù)。晶向指數(shù)（crystallographicdirectionindices）的確定：晶向指數(shù)與晶面指數(shù)：國際上統(tǒng)一采用密勒指數(shù)（Millerindices）來進行標(biāo)定。Chapter2StructureofMaterials108A:[110]B:[111]C:？晶向指數(shù)實例Chapter2StructureofMaterialsPROBLEM:Drawthefollowingdirection vectorsincubicunitcells:a.[100]and[110]b.[112]c.d.a109Chapter2StructureofMaterials110SolutionChapter2StructureofMaterials111用（hkl）來表示一組平行晶面，稱為晶面指數(shù)。數(shù)字hkl是晶面在三個坐標(biāo)軸（晶軸）上截距（r,s,t)的倒數(shù)的互質(zhì)整數(shù)比。晶面指數(shù)（crystallographicplaneindices

）的確定：Chapter2StructureofMaterials晶面A：r、s、t=1、1、1，其倒數(shù)為1、1、1，則晶面指數(shù)記為（111）晶面B，r、s、t=1、2、

，其倒數(shù)為1、1/2和0，化為互質(zhì)的整數(shù)比為2:1:0，則晶面指數(shù)記為（210）晶面C：晶面過原點（0，0，0），沿y軸平移一個晶格參數(shù)（平移后代表同一晶面）使其在y軸截距為-1，則r、s和t分別為

、-1和

，其倒數(shù)為0、-1和0，則晶面指數(shù)記為，其中的負(fù)號寫在數(shù)字上面。112Chapter2StructureofMaterials113應(yīng)該是(632)晶面指數(shù)示例Chapter2StructureofMaterials？1/r=3,1/s=3/2,1/t=1截距倒數(shù)r=1/3,s=2/3,t=1截距互質(zhì)整數(shù)6,3,2(632)晶面指數(shù)114Chapter2StructureofMaterials115——具有相同密勒指數(shù)的兩個相鄰平行晶面之間的距離。用dhkl表示對于正交晶系：2.2.5

晶面間距

（interplanarspacing）Chapter2StructureofMaterials11/27/20237:21:54PM116116立方晶體的晶面間距：Chapter2StructureofMaterials1172.2.6間隙Chapter2StructureofMaterials118各種間隙Chapter2StructureofMaterials119J各種間隙Chapter2StructureofMaterials1201.材料中的結(jié)合鍵有哪幾種？它們對材料的特性有何影響？2.簡要回答晶體和非晶體的區(qū)別和轉(zhuǎn)化。QuizChapter2StructureofMaterials1212.3.1金屬晶體2.3.2離子晶體2.3.3硅酸鹽結(jié)構(gòu)2.3晶體材料的結(jié)構(gòu)Chapter2StructureofMaterials122金屬材料合金多晶體、固溶體、金屬間化合物、中間相等金屬單質(zhì)金屬晶體2.3.1金屬晶體Chapter2StructureofMaterials123A1型最密堆積（面心立方）和A3型最密堆積（六方）A2型密堆積（體心立方）金屬晶體的堆積模型Chapter2StructureofMaterials124bccfcchcp演示Chapter2StructureofMaterials125CoordinationNumberAtomicPackingFactor

125金屬晶體的結(jié)構(gòu)Chapter2StructureofMaterials126(1)bcc（1）bccbody-centeredcubicstructure堿金屬、α-Fe

、難熔金屬（V，Nb，Ta，Cr，Mo，W）等Chapter2StructureofMaterials127a：晶格單位長度R：原子半徑單位晶胞原子數(shù)n

=2bccChapter2StructureofMaterials128(2)fcc（2）fccface-centeredcubicstructureAl，Ni，Pb，Pd，Pt，貴金屬以及奧氏體不銹鋼等

Chapter2StructureofMaterials129fccn=4Chapter2StructureofMaterials130(3)hcp（3）hcphexagonalclose-packedstructureα-Ti，α-Co，α-Zr，Zn，Mg等

Chapter2StructureofMaterials131hcpn=6Chapter2StructureofMaterials132Geometryparameters表2-7.常見晶體結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)StructureCNnξbcc820.68fcc1240.74hcp1260.74Chapter2StructureofMaterials133Inorganicnonmetalliccrystalmaterials2.3.2離子晶體離子鍵：無方向性，也無飽和性離子晶體：緊密堆積結(jié)構(gòu)限制：（1）正負(fù)離子半徑不等；（2）同號之間排斥Chapter2StructureofMaterials

離子晶體結(jié)構(gòu)與鮑林規(guī)則

（Pauling’sRules）鮑林第一規(guī)則──在離子晶體中，正離子周圍形成一個負(fù)離子多面體，正負(fù)離子之間的距離取決于離子半徑之和，正離子的配位數(shù)取決于離子半徑比。（a）穩(wěn)定結(jié)構(gòu)（b）穩(wěn)定結(jié)構(gòu)（c）不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)134Chapter2StructureofMaterials正負(fù)離子半徑比配位數(shù)堆積結(jié)構(gòu)<0.15520.155～0.22530.225～0.41440.414～0.73260.732～1.0008~1.00012135正負(fù)離子半徑比與配位數(shù)及負(fù)離子堆積結(jié)構(gòu)的關(guān)系Chapter2StructureofMaterials136負(fù)離子八面體空隙容納正離子時的半徑比計算Chapter2StructureofMaterials例：已知K+和Cl-的半徑分別為0.133nm和0.181nm，試分析KCl的晶體結(jié)構(gòu)，并計算堆積系數(shù)。解：晶體結(jié)構(gòu)：因為r+/r-=0.133/0.181=0.735，其值處于0.732和1.000之間，所以正離子配位數(shù)應(yīng)為8，處于負(fù)離子立方體的中心（見表2-6）。也就是屬于下面提到的CsCl型結(jié)構(gòu)。堆積系數(shù)計算：每個晶胞含有一個正離子和一個負(fù)離子Cl-，晶格參數(shù)a0可通過如下計算得到：a0=2r++2r-=2(0.133)+2(0.181)=0.628nma0=0.363nm2r++2r-137Chapter2StructureofMaterials靜電鍵強（bondstrengt）：正離子的形式電荷與其配位數(shù) 的比值。為保持電中性，負(fù)離子所獲得的總鍵強應(yīng)與負(fù)離子的電荷數(shù)相等。例：在CaTiO3結(jié)構(gòu)中，Ca2+、Ti4+、O2-離子的配位數(shù)分別為12、6、6。O2-離子的配位多面體是[OCa4Ti2]，則O2-離子的電荷數(shù)為4個2/12與2個4/6之和即等于2，與O2-離子的電價相等，故晶體結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的。138鮑林第二規(guī)則——在離子的堆積結(jié)構(gòu)中必須保持局域的電中性。

(Localelectricalneutralityismaintained)Chapter2StructureofMaterials139鮑林第三規(guī)則——穩(wěn)定結(jié)構(gòu)傾向于共頂連接

(Corners,ratherthanfacesoredges,tendtobesharedinstablestructures)在一個配位結(jié)構(gòu)中，共用棱，特別是共用面的存在會降低這個結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。其中高電價，低配位的正離子的這種效應(yīng)更為明顯。當(dāng)采取共棱和共面聯(lián)連接，正離子的距離縮短，增大了正離子之間的排斥，從而導(dǎo)致不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。例如兩個四面體，當(dāng)共棱、共面連接時其中心距離分別為共頂連接的58%和33%Chapter2StructureofMaterials例：在鎂橄欖石結(jié)構(gòu)中，有[SiO4]四面體和[MgO6]八面體兩種配位多面體，但Si4+電價高、配位數(shù)低，所以[SiO4]四面體之間彼此無連接，它們之間由[MgO6]八面體所隔開。140鮑林第四規(guī)則──若晶體結(jié)構(gòu)中含有一種以上的正離子，則高電價、低配位的多面體之間有盡可能彼此互不連接的趨勢Chapter2StructureofMaterials例如，在硅酸鹽晶體中，不會同時出現(xiàn)[SiO4]四面體和[Si2O7]雙四面體結(jié)構(gòu)基元，盡管它們之間符合鮑林其它規(guī)則。如果組成不同的結(jié)構(gòu)基元較多，每一種基元要形成各自的周期性、規(guī)則性，則它們之間會相互干擾，不利于形成晶體結(jié)構(gòu)。141鮑林第五規(guī)則──同一結(jié)構(gòu)中傾向于較少的組分差異，也就是說，晶體中配位多面體類型傾向于最少。Chapter2StructureofMaterials

二元離子晶體結(jié)構(gòu)

很多無機化合物晶體都是基于負(fù)離子（X）的準(zhǔn)緊密堆積，而金屬正離子（M）置于負(fù)離子晶格的四面體或八面體間隙。CsCl型結(jié)構(gòu)巖鹽型結(jié)構(gòu)閃鋅礦型結(jié)構(gòu)螢石和反螢石型結(jié)構(gòu)金紅石型結(jié)構(gòu)142Chapter2StructureofMaterialsCsCl型結(jié)構(gòu)rCs/rCl=0.170nm/0.181nm=0.94

（0.732～1.000）負(fù)離子按簡單立方排列；正離子處于立方體的中心，同樣形成正離子的簡單立方陣列；正負(fù)離子的配位數(shù)都是8；每個晶胞中有1個負(fù)離子和1個正離子。實例：CsCl,CsBr,CsI143Chapter2StructureofMaterials巖鹽型結(jié)構(gòu)（RocksaltStructure）rNa/rCl=0.102/0.181=0.56

（0.414~0.732）負(fù)離子按面心立方排列；正離子處于八面體間隙位，同樣形成正離子的面心立方陣列；正負(fù)離子的配位數(shù)都是6。

也稱為NaCl型結(jié)構(gòu)實例：NaCl,KCl,LiF,KBr,MgO,CaO,SrO,BaO,CdO,VO,MnO,FeO,CoO,NiO144Chapter2StructureofMaterials閃鋅礦型結(jié)構(gòu)（ZincBlendeStructure）也稱為ZnS型結(jié)構(gòu)。正負(fù)離子配位數(shù)均為4，負(fù)離子按面心立方排列，正離子填入半數(shù)的四面體間隙位（面心立方晶格有8個四面體空隙，其中4個填入正離子），同樣形成正離子的面心立方陣列，正負(fù)離子的面心立方互相穿插。其結(jié)果是每個離子與相鄰的4個異號離子構(gòu)成正四面體實例：ZnS,BeO,SiCr+/r-=0.33145Chapter2StructureofMaterials螢石和反螢石型結(jié)構(gòu)

（FluoriteandAntifluoriteStructures）反螢石型結(jié)構(gòu)：負(fù)離子按面心立方排列，正離子填入全部的四面體間隙位中，即每個面心立方晶格填入8個正離子。正負(fù)離子的配位數(shù)分別為4和8，正負(fù)離子的比例為2:1實例：Li2O,Na2O,K2O,Rb2O,硫化物；146Chapter2StructureofMaterials螢石型結(jié)構(gòu)：反螢石型結(jié)構(gòu)中的正負(fù)離子位置互換。正負(fù)離子的配位數(shù)分別為8和4，正負(fù)離子比例為1:2。實例：螢石：ThO2,CeO2,PrO2,UO2,ZrO2,HfO2,NpO2,PuO2,AmO2,CaF2,BaF2,PbF2半徑較大的4價正離子氧化物和半徑較大的2價正離子氟化物的晶體傾向于形成這種結(jié)構(gòu)。147Chapter2StructureofMaterials148FluorsparChapter2StructureofMaterials結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系CaF2與NaCl的性質(zhì)對比：F－半徑比Cl－小，Ca2+半徑比Na+稍大，綜合電價和半徑兩因素，螢石中質(zhì)點間的鍵力比NaCl中的鍵力強，反映在性質(zhì)上，螢石的硬度為莫氏4級，熔點1410℃，密度3.18，水中溶解度0.002；而NaCl熔點808℃，密度2.16，水中溶解度35.7。CaF2晶體結(jié)構(gòu)中，8個F-之間形成的八面體空隙都沒有被填充，成為一個“空洞”，結(jié)構(gòu)比較開放，有利于形成負(fù)離子填隙，也為負(fù)離子擴散提供了條件。立方ZrO2屬螢石型結(jié)構(gòu)，具有氧離子擴散傳導(dǎo)的機制，在900~1000℃間O2-電導(dǎo)率可達0.1S/cm。

149Chapter2StructureofMaterials金紅石型結(jié)構(gòu)（RutileStructure）在金紅石晶體中，O2-離子為變形的六方密堆，Ti4+離子在晶胞頂點及體心位置，O2-離子在晶胞上下底面的面對角線方向各有2個，在晶胞半高的另一個面對角線方向也有2個。Ti4+離子的配位數(shù)是6，形成[TiO6]八面體。O2-離子的配位數(shù)是3，形成[OTi3]平面三角單元。晶胞中正負(fù)離子比為1:2。實例：TiO2,GeO2,SnO2,PbO2,VO2,NbO2,TeO2,MnO2,RuO2,OsO2,IrO2

r+/r-=0.48150Chapter2StructureofMaterials

多元離子晶體結(jié)構(gòu)負(fù)離子通過緊密堆積形成多面體，多面體的空隙中填入超過一種正離子鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)尖晶石型結(jié)構(gòu)151Chapter2StructureofMaterials常見的多離子晶體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)名稱負(fù)離子堆積結(jié)構(gòu)正負(fù)離子配位數(shù)比正離子位置關(guān)系化學(xué)式實例鈣鈦礦立方密堆12:6:61/4八面體（B）ABX3CaTiO3,SrTiO3,SrSnO3,SrZrO3,SrHfO3,BaTiO3尖晶石立方密堆4:6:41/8四面體（A）1/2八面體（B）AB2X4FeAl2O4,ZnAl2O4,MgAl2O4反尖晶石立方密堆4:6:41/8四面體（B）1/2八面體（A,B）B(AB)X4FeMgFeO4,MgTiMgO4鈦鐵礦六方密堆6:6:42/3八面體（A,B）ABX3FeTiO3,NiTiO3,CoTiO3橄欖石六方密堆6:4:41/2八面體（A）1/8四面體（B）A2BX4Mg2SiO4,Fe2SiO4152Chapter2StructureofMaterials鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)（PerovskiteStructure）化學(xué)通式為ABX3，其中A是二價（或一價）金屬離子，B是四價（或五價）金屬離子，X通常為O，組成一種復(fù)合氧化物結(jié)構(gòu)。負(fù)離子（O2-）按簡單立方緊密堆積排列，較大的正離子A（這里為Ca2+）在8個八面體形成的空隙中，被12個O2-包圍，而較小的正離子B（這里為Ti4+）在O2-的八面體中心，被6個O2-包圍。153Chapter2StructureofMaterials尖晶石型結(jié)構(gòu)（SpinelStructure）化學(xué)通式為AB2O4型，屬于復(fù)合氧化物，其中A是二價金屬離子如Mg2+、Mn2+、Fe2+、Co2+、Ni2+、Zn2+、Cd2+等，B是三價金屬離子如Al3+、Cr3+、Ga3+、Fe3+、Co3+等。負(fù)離子O2-為立方緊密堆積排列，A離子填充在四面體空隙中，配位數(shù)為4，B離子在八面體空隙中，配位數(shù)為6。154Chapter2StructureofMaterials2.3.3硅酸鹽結(jié)構(gòu)

Silicate

Structure基本結(jié)構(gòu)單元：硅氧四面體[SiO4]四面體連接方式：共頂連接非橋氧nonbridgingoxygen橋氧bridgingoxygen155Chapter2StructureofMaterials156Silicatestructure硅酸鹽結(jié)構(gòu)類型島狀

鏈狀層狀網(wǎng)架狀156Chapter2StructureofMaterials157157硅酸鹽結(jié)構(gòu)示意圖Chapter2StructureofMaterials158島狀結(jié)構(gòu)島狀硅酸鹽（IslandSilicates）[SiO4]4-四面體以孤島狀存在，無橋氧，結(jié)構(gòu)中O/Si比值為4。每個O2-一側(cè)與1個Si4+連接，另一側(cè)與其它金屬離子相配位使電價平衡。鋯石英Zr[SiO4]鎂橄欖石Mg2[SiO4]藍晶石Al2O3·SiO2水泥熟料中的

-C2S、

-C2S和C3S158Chapter2StructureofMaterials159鎂橄欖石Mg2SiO4的理想結(jié)構(gòu)159鎂橄欖石Chapter2StructureofMaterials160斜方晶系晶胞參數(shù)a=0.476nm，b=1.021nm，c=0.599nm晶胞分子數(shù)Z=4O2-離子近似于六方最緊密堆積排列Si4+離子填于四面體空隙的1/8Mg2+離子填于八面體空隙的1/2每個[SiO4]四面體被[MgO6]八面體所隔開呈孤島狀分布鎂橄欖石結(jié)構(gòu)鎂橄欖石Mg2[SiO4]結(jié)構(gòu)160Chapter2StructureofMaterials161(100)面上的投影圖(001)面上的投影圖立體側(cè)視圖鎂橄欖石結(jié)構(gòu)161Chapter2StructureofMaterials162結(jié)構(gòu)中的同晶取代鈣橄欖石CaMgSiO4結(jié)構(gòu)中的同晶取代鎂橄欖石中的Mg2+可以被Fe2+以任意比例取代，形成橄欖石（FexMg1-x）SiO4固溶體。162Chapter2StructureofMaterials163結(jié)構(gòu)中每個O2-離子同時和1個[SiO4]和3個[MgO6]相連接，O2-的電價飽和，晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。結(jié)構(gòu)中各個方向上鍵力分布比較均勻，橄欖石結(jié)構(gòu)沒有明顯的解理，破碎后呈現(xiàn)粒狀。Mg-O鍵和Si-O鍵都比較強，鎂橄欖石表現(xiàn)出較高的硬度，熔點達到1890oC，是鎂質(zhì)耐火材料的主要礦物。163結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系Chapter2StructureofMaterials164每個[SiO4]四面體含有兩個橋氧時，可形成環(huán)狀和單鏈狀結(jié)構(gòu)的硅酸鹽，此時O/Si比值為3。也可以形成雙鏈結(jié)構(gòu)，此時橋氧的數(shù)目為2和3相互交錯，O/Si比值為2.75。

164環(huán)狀和鏈狀硅酸鹽（RingandChainSilicates）Chapter2StructureofMaterials165綠寶石結(jié)構(gòu)綠寶石Be3Al2[Si6O18]結(jié)構(gòu)（環(huán)狀）六方晶系晶胞參數(shù)a=0.921nm，c=0.917nm晶胞分子數(shù)Z=2綠寶石的基本結(jié)構(gòu)單元是由6個[SiO4]4-四面體組成的六節(jié)環(huán)，六節(jié)環(huán)中的1個Si4+和2個O2-處在同一高度，環(huán)與環(huán)相疊起來。圖中粗黑線的六節(jié)環(huán)在上面，標(biāo)高為100，細黑線的六節(jié)環(huán)在下面，標(biāo)高為50。上下兩層環(huán)錯開30o，投影方向并不重疊。環(huán)與環(huán)之間通過Be2+和Al3+離子連接。165Chapter2StructureofMaterials166綠寶石晶胞在（0001）面上的投影（上半個晶胞）166Chapter2StructureofMaterials167綠寶石結(jié)構(gòu)的六節(jié)環(huán)內(nèi)沒有其它離子存在，使晶體結(jié)構(gòu)中存在大的環(huán)形空腔。當(dāng)有電價低、半徑小的離子（如Na+）存在時，在直流電場中，晶體會表現(xiàn)出顯著的離子電導(dǎo)，在交流電場中會有較大的介電損耗；當(dāng)晶體受熱時，質(zhì)點熱振動的振幅增大，大的空腔使晶體不會有明顯的膨脹，因而表現(xiàn)出較小的膨脹系數(shù)。167結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系Chapter2StructureofMaterials168單斜晶系晶胞參數(shù)a=0.971nm，b=0.889nm，c=0.524nm

=105o37’，晶胞分子數(shù)Z=4硅氧單鏈[Si2O6]平行于c軸方向伸展，圖中兩個重疊的硅氧鏈分別以粗黑線和細黑線表示。單鏈之間依靠Ca2+、Mg2+連接，Ca2+的配位數(shù)為8，Mg2+為6。Ca2+負(fù)責(zé)[SiO4]底面間的連接，Mg2+負(fù)責(zé)頂點間的連接。168透輝石CaMg[Si2O6]結(jié)構(gòu)（鏈狀）Chapter2StructureofMaterials169（010）面上的投影（001）面上的投影169透輝石結(jié)構(gòu)Chapter2StructureofMaterials170層狀結(jié)構(gòu)層狀結(jié)構(gòu)（SheetSilicates）當(dāng)每個[SiO4]含有3個橋氧時，可形成層狀硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)，O/Si比值為2.5。[SiO4]通過3個橋氧在二維平面內(nèi)延伸形成硅氧四面體層，在層內(nèi)[SiO4]之間形成六元環(huán)狀，另外一個頂角共同朝一個方向170Chapter2StructureofMaterials171滑石和葉臘石滑石葉蠟石171Chapter2StructureofMaterials172單斜晶系晶胞參數(shù)a=0.525nm，b=0.910nm，c=1.881nm

=100o172滑石Mg3[Si4O10](OH)2的結(jié)構(gòu)Chapter2StructureofMaterials173OH－位于六節(jié)環(huán)中心，Mg2+位于Si4+與OH－形成的三角形的中心，但高度不同；兩個硅氧層的活性氧指向相反，中間通過鎂氫氧層連接，形成復(fù)網(wǎng)層。復(fù)網(wǎng)層平行排列即形成滑石結(jié)構(gòu);水鎂石層中Mg2+的配位數(shù)為6，形成[MgO4(OH)2]八面體，其中全部八面體空隙被Mg2+所填充，滑石結(jié)構(gòu)屬于三八面體型結(jié)構(gòu)。173Chapter2StructureofMaterials174（001）面上的投影縱剖面圖174滑石結(jié)構(gòu)示意圖Chapter2StructureofMaterials175用2個Al3+取代滑石中的3個Mg2+，則形成二八面體型結(jié)構(gòu)（Al3+占據(jù)2/3的八面體空隙）的葉蠟石Al2[Si4O10]（OH）2結(jié)構(gòu)。同樣，葉蠟石也具有良好的片狀解理和滑膩感。175離子取代現(xiàn)象Chapter2StructureofMaterials176滑石和葉蠟石中都含有OH－，加熱時會產(chǎn)生脫水效應(yīng)。滑石脫水后變成斜頑火輝石

-Mg2[Si2O6]，葉蠟石脫水后變成莫來石3Al2O3·2SiO2。都是玻璃和陶瓷工業(yè)的重要原料，滑石可以用于生成絕緣、介電性能良好的滑石瓷，葉蠟石常用作硼硅質(zhì)玻璃中引入Al2O3的原料。176晶體加熱時結(jié)構(gòu)的變化Chapter2StructureofMaterials177復(fù)網(wǎng)層中每個活性氧同時與3個Mg2+相連接，從Mg2+處獲得的靜電鍵強度為3×2/6=1，從Si4+處也獲得1價，故活性氧的電價飽和。同理，OH－中的氧的電價也是飽和的，所以，復(fù)網(wǎng)層內(nèi)是電中性的。層與層之間只能依靠較弱的分子間力來結(jié)合，致使層間易相對滑動，滑石晶體有良好的片狀解理特性和滑膩感。177結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系Chapter2StructureofMaterials178TheKaoliniteGroup高嶺石族TheKaoliniteGroup四面體片與八面體片通過共用氧原子結(jié)合成一個晶片，晶片間以氫鍵相連，水化時基本不膨脹。Chapter2StructureofMaterials179高嶺石的結(jié)構(gòu)高嶺石Al2O3·2SiO2·2H2O的結(jié)構(gòu)

(Al4[Si4O10](OH)8)三斜晶系，晶胞參數(shù)a=0.514nm，b=0.893nm，c=0.737nm，

=91o36’，

=104o48’，

=89o54’,晶胞分子數(shù)Z=1179Chapter2StructureofMaterials180基本結(jié)構(gòu)單元是由硅氧層和水鋁石層構(gòu)成的單網(wǎng)層，單網(wǎng)層平行疊放；Al3+配位數(shù)為6，2個是O2-，4個是OH-，形成[AlO2(OH)4]八面體，正是這兩個O2-把水鋁石層和硅氧層連接起來。水鋁石層中，Al3+占據(jù)八面體空隙的2/3。180Chapter2StructureofMaterials181高嶺石的結(jié)構(gòu)181Chapter2StructureofMaterials182根據(jù)電價規(guī)則計算出單網(wǎng)層中O2-的電價是平衡的，即理論上層內(nèi)是電中性的，所以，高嶺石的層間只能靠物理鍵來結(jié)合，這就決定了高嶺石也容易解理成片狀的小晶體。但單網(wǎng)層在平行疊放時水鋁石層OH-與硅氧層的O2-相接觸，故層間靠氫鍵來結(jié)合。由于氫鍵結(jié)合比分子間力強，所以，水分子不易進入單網(wǎng)層之間，晶體不會因為水含量增加而膨脹。182結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系Chapter2StructureofMaterials183網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)石英結(jié)構(gòu)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(架狀)183Chapter2StructureofMaterials184184Chapter2StructureofMaterials185石英的結(jié)構(gòu)硅氧四面體在（0001）面上的投影185Chapter2StructureofMaterials186SiO2結(jié)構(gòu)中Si-O鍵的強度很高，鍵力分別在三維空間比較均勻，因此SiO2晶體的熔點高、硬度大、化學(xué)穩(wěn)定性好，無明顯解理。186結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系Chapter2StructureofMaterials187當(dāng)[SiO4]四面體中的4個氧全部為橋氧時，四面體將連接成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。[SiO4]網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中的Si4+可以部分地被Al3+取代，剩余的負(fù)電荷由其它正離子（如Li+、Na+、K+、Ca2+）平衡。

鈉長石(albite，NaAlSi3O8)、鈣長石(anorthite，CaAl2Si2O8)、鋰霞石(eucryptite，LiAlSiO4)和正長石(orthoclase，KAlSi3O8)都屬于這種結(jié)構(gòu)，其中O/(A1+Si)為2。

187架狀硅酸鹽（NetworkedSilicates）Chapter2StructureofMaterials188長石的結(jié)構(gòu)長石的結(jié)構(gòu)長石類硅酸鹽分為正長石系和斜長石系兩大類正長石系：鉀長石K[AlSi3O8]；鋇長石Ba[Al2Si2O8]

斜長石系：鈉長石Na[AlSi3O8]；鈣長石Ca[Al2Si2O8]188Chapter2StructureofMaterials189透長石晶體結(jié)構(gòu)透長石晶體結(jié)構(gòu)189Chapter2StructureofMaterials190透長石晶體結(jié)構(gòu)190Chapter2StructureofMaterials191三斜晶系晶胞參數(shù)a=0.814nm，b=1.279nm，c=0.716nm

=94o19’，

=116o34’，

=87o39’鈉長石的結(jié)構(gòu)191Chapter2StructureofMaterials192鈉長石結(jié)構(gòu)在（001）面上的投影192Chapter2StructureofMaterials193與透長石比較，鈉長石結(jié)構(gòu)出現(xiàn)輕微的扭曲，左右不再呈現(xiàn)鏡面對稱。扭曲作用是由于四面體的移動，致使某些O2-環(huán)繞Na+更為緊密，而另一些O2-更為遠離。晶體結(jié)構(gòu)從單斜變?yōu)槿?。高溫鈉長石中Na+的配位數(shù)平均為8，低溫鈉長石中，Na+的配位數(shù)為7。

193Chapter2StructureofMaterials194長石結(jié)構(gòu)的曲軸狀鏈間有較大的空隙，半徑較大的陽離子位于空隙時，配位數(shù)較大，配位多面體較規(guī)則，能撐起骨架，使對稱性提高到單斜晶系；半徑較小的陽離子位于空隙時，配位多面體不規(guī)則，致使骨架折陷，對稱性降為三斜晶系。透長石與鈉長石結(jié)構(gòu)差異的原因194Chapter2StructureofMaterials195在曲軸狀鏈中，Al3+取代Si4+后，Al3+、Si4+分布的有序-無序性也會影響結(jié)構(gòu)的對稱性和軸長。當(dāng)Al3+、Si+離子在鏈中的四面體位完全無序分布時，晶體具有單斜對稱，如透長石的c=0.72nm；而當(dāng)Al