材料科學與工程基礎.顧宜.第三章第二講

3-3無機非金屬材料的結構和組成

Composition&StructureofInorganic-nonmetalicMaterialsComposition&StructureofInorganic-nonmetalicMaterialsSimpleCrystallineStructurecomputethetheoreticaldensitySilicateCrystallineStructuresandNoncrystallineStructureCeramicsCarbonanditsPolymorphicCompounds3-3無機非金屬材料的結構和組成Composition&StructureofInorganic-nonmetalicMaterials3-3-1組成和結合鍵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.

結合鍵bondingtype

離子鍵正負離子、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?；旌湘I-----離子鍵和共價鍵之間的過渡。元素電負性的大小，。Chapter33、離子半徑與配位數IonicRadiiandCoordinationNumberTable3.3Table3.43-3-2無機非金屬材料中的簡單晶體結構

SimpleCrystallineStructureAX-TYPECRYSTALSTRUCTURESAmXp-TYPECRYSTALSTRUCTURESAmBnXp-TYPECRYSTALSTRUCTURESSection3.6面心立方四面體間隙數：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：每晶胞：[1(體)+1/4×12(棱)]=4每原子：4/4=1

間隙大?。ò霃剑?a/2－R=0.414R體心立方（bcc）八面體間隙數：四面體間隙數：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?。ò霃剑?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構2.氯化鈉與氯化銫

AX-TYPESodiumchloride(Rocksalt)andCesiumchloride

正負離子半徑比配位數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4、位于面心立方點上Zn配位數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12O2-面心配位數6，

Ti4+體心配位數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）

共棱小塊的結構相同，

共面小塊的結構不同反尖晶石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，FCClatticesexperimentalvalue：2.16g/cm3.3-3-3硅酸鹽晶體結構SilicateCrystallineStructures結構基礎[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：絡陰離子團

島狀：4個O，非橋氧原子。[SiO4]4-

聯島[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構是由兩層硅氧四面體之間夾著一層鋁（鎂）氧（羥基）八面體構成的晶層，晶層之間存在范德華力，晶層內的四面體和八面體可以有廣泛的類質同象替代，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，從而使晶層帶負電荷。水合陽子（Na+,K+,Ca2+,Mg2+）可占據層間域以電荷平衡。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，其理論結構式為（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（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構NoncrystallineStructure------Amorphous1.

無機玻璃的組織結構

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。慢冷結晶形成：熔體急冷(粘度大)無定形（玻璃結構），無規(guī)網絡network無規(guī)網絡與高分子不同Section3.20固體為三維網狀，無定形，加熱熔融，反復使用。硅酸鹽熔體結構模型示意圖二氧化硅網絡結構示意圖

網絡外體氧化物和中間體氧化物對玻璃結構的影響SilicaCrystalSilicaGlass網體氧化物：SiO2,B2O3,P2O5,GeO網體外氧化物：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降低——耐熱玻璃鋼化玻璃石英玻璃Y=4（Y—結構參數—橋氧原子的平均數）硅酸鹽玻璃Y≥2結構參數Y對玻璃性質的影響玻璃組成Y值熔融溫度，℃膨脹系數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)

凝膠的結構線性排列網狀結構（板棒搭接）線性大分子---微晶區(qū)線性大分子---化學交聯---網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.

顯微結構（組織結構）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狀結構，包裹在晶粒周圍，起黏結作用，含量15~35%——排列無規(guī)則（燒結時形成）。作用：將分散的晶粒粘結在一起。降低燒結溫度擬制晶體長大，以及填充氣孔空隙等。

氣相:燒結中殘留氣體（氣孔）。影響性能。保留氣相，則比重小，絕熱。3-3-6碳化合物及其結構CarbonanditsPolymorphicCompounds

1.石墨Graphite碳的同素異構體六方晶體——粒晶幾到幾十微米的片狀結構。

結構示意圖：面內C-C1.42埃，共價結合

層間C-C3.40埃，物理鍵合

應用：潤滑、導電。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結構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）空氣中預氧化200~300C環(huán)化