材料科學基礎第13講-硅酸鹽及玻璃

硅酸鹽及玻璃(bōlí)2016-11-7精品PPT本課內容(nèiróng)1硅酸鹽概述(ɡàishù)2硅酸鹽化學組成3硅酸鹽晶體結構4重要硅酸鹽材料5玻璃精品PPT硅酸鹽概述(ɡàishù)1硅酸鹽的重要性：硅材料(cáiliào)2Si-O四面體3橋氧和非橋氧精品PPT硅材料(cáiliào)單晶硅、多晶硅、非晶硅二氧化硅：石英（光纖），白碳黑，硅膠硅酸鹽：黏土，高嶺土，蒙脫土，硅藻土，葉臘石，長石，滑石，沸石其他重要(zhòngyào)無機硅化合物：Si3N4,SiC有機硅材料精品PPT硅的一些(yīxiē)物理性質密度2.329g/cm3at300K熔點Tm=1687K=1414℃熱膨脹系數2.6×10-6/K導熱率κ=1.5w/cm.Kat300K表面張力885mJ/m2atTm能隙Eg=1.126eVat300K電子(diànzǐ)遷移率（mobility)1440cm2/V.S空穴遷移率484cm2/V.S精品PPTSi的化學性質(huàxuéxìngzhì)Si原子序數:N=14,M=28,電子構型：Ne3S23P2原子半徑(bànjìng)r=0.1176nmr(Si4+)=0.039nmSi-O鍵長0.157-0.172nm,平均0.162nm∠O-Si-O=98-122o，平均109o∠Si-O-Si=120-180o，平均140o精品PPTSi-O四面體Si精品PPT硅酸鹽晶體結構1島狀結構(jiégòu)：橄欖石Mg2SiO4等2環(huán)狀結構(jiégòu)：BaTiSi3O9,Be3Al2Si6O18等3鏈狀結構(jiégòu)：Na2SiO3,MgSiO3(輝石）等4層狀結構(jiégòu)：Al2Si2O5(OH)4（高嶺土）等5架狀結構(jiégòu)：SiO2等精品PPT硅氧四面體聯結(liánjié)形式形式組成單元O/Si原子比舉例孤立[SiO4]4-4橄欖石（Mg2SiO4）雙聯[Si2O7]6-3.5硅鈣石（Ca3Si2O7）環(huán)形[SinO3n]2n-3綠柱石（Be3Al2Si6O18）單鏈[SinO3n]n2n-3輝石(huīshí)族（Mg2Si2O6等）雙鏈[Si4O7]n6n-等2.75纖維蛇紋石(Mg6Si4O11(OH)6)層型[Si2O5]n2n-2.5高嶺石骨架[SiO2]n2石英精品PPTSi/O比類型(lèixíng)橋氧非橋氧Si/O比SiOnm-例島型041:4SiO44-二連體131:3.5Si2O76-環(huán)狀221:3Si3O96-鏈狀221:3(SiO3)n2n-層狀311:2.5(Si2O5)n2n-架狀401:2(SiO2)n精品PPT高嶺石分子式：Al2(OH)4[Si2O5]或Al2O3·2SiO2·2H2O化學(huàxué)結構式：（OH)3八面體層Al2O2,OH四面體層Si2O3精品PPT葉臘石分子式：Al2(OH)2Si4O10或Al2O3·4SiO2·H2O結構式：O3四面體層Si2O2,OH八面體層Al2O2,OH四面體層Si2O3精品PPT白云母分子式：KAl2(OH)2[AlSi3O10]或K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O結構式：層間離子(lízǐ)KO6四面體層Al,Si3O4,(OH)2八面體層Al4O4,(OH)2四面體層Al,Si3O6層間離子(lízǐ)K精品PPT石英(shíyīng)SiO2精品PPT方石英(shíyīng)精品PPT膠體(jiāotǐ)SiO2(白炭黑）精品PPT沸石分子篩天然沸石多孔物質的定義沸石基本結構(jiégòu)合成方法應用領域精品PPTA型分子篩結構(jiégòu)精品PPT輝沸石結構(jiégòu)精品PPT沸石的多孔性1932年,McBain提出分子篩概念。IUPAC關于多孔物質(wùzhì)的分類:<2nmmicropore2-50nmmesopore>50nmmacropore精品PPT沸石分類(fēnlèi)1按來源：天然沸石和人造沸石2按成份(chéngfèn)：1）低硅沸石Si/Al≦22）中硅沸石2<Si/Al≦53）高硅沸石Si/Al>54）全硅分子篩5）磷酸鋁分子篩(AlPO)精品PPT一些(yīxiē)天然沸石菱沸石Chabazite(CaAl2Si4O12·6H2O)八面(bāmiàn)沸石Faujasite(Na13Ca11Mg9K2Al55Si137O384·235H2O)片沸石Heulandite(CaAl2Si7O18·6H2O)絲光沸石Mordenite(Na8Al8Si40O96·24H2O)鈉沸石Natrolite(Na2Al2Si3O10·2H2O)輝沸石Stilbite(NaCa2Al5Si13O36·14H2O)方鈉石Sodalite(Na6Al6O24·2NaCl)精品PPT人造(rénzào)沸石A型分子篩Linde-A，結構式縮寫(suōxiě)符號LTAX-型分子篩Linde-X，FAUY-型分子篩Linde-Y，FAUZSM-5分子篩，MFI分子式NanAlnSi96-nO192·16H2O,n<27Zeolite-β,MFIZSM-11等精品PPT精品PPT沸石合成(héchéng)開始用高溫高壓(>200℃,10MPa),結果不理想1930s,英國科學家RBarrer和JSameshima開始研究,至1948年合成出天然(tiānrán)不存在的沸石1950sUCC(UnitedCarbideCompany)的Milton和Breck發(fā)展了沸石合成法:在溫和的水熱條件下(約100℃和常壓)合成了A型沸石.1961年,Barrer和Denny首次將有機季銨鹽陽離子引入合成體系中,合成了高硅鋁比的沸石精品PPTA型沸石合成(héchéng)(LTA)Na12[(AlO2)12(SiO2)12]27H2O13.5g鋁酸鈉固體(含約40%Al2O3,33%Na2O,27%H2O)和25gNaOH在電磁攪拌下被溶解在300mL水中,加熱溶解.在激烈攪拌下,將鋁酸鈉溶液加入到熱的硅酸鈉溶液(14.2gNa2SiO3?9H2O溶解在200mL水中).加熱反應液至90,并攪拌反應2-5小時后結束.過濾,水洗,干燥,可得到1-2微米的白色粉末.X射線測定(cèdìng)純度等.精品PPTY型沸石合成(héchéng)(FAU)Na56[(AlO2)56(SiO2)136]250H2O13.5g鋁酸鈉和10g氫氧化鈉在電磁攪拌下溶解在70mL水中,在激烈攪拌下,將鋁酸鈉溶液加入到盛有100g硅溶膠(含30%SiO2)的聚丙烯瓶中,成化1-2天后,在95晶化2-3天,完成.過濾(guòl(fā)ǜ).水洗,干燥,得產品精品PPTZSM-5合成(héchéng)(Na,TPA)3[(AlO2)3(SiO2)93]16H2O將鋁酸鈉溶液(0.9g鋁酸鈉和5.9g氫氧化鈉溶在50g水中)和模板(múbǎn)劑溶液(8.0g四丙基溴化銨TPABr和6.2g96%硫酸溶在100g水中),同時加入到盛有60g硅溶膠(含30%SiO2)聚丙烯塑料瓶中,激烈搖動使凝膠均勻化.在95晶化10-14天.過濾,水洗,干燥,得到ZSM-5原粉.精品PPT沸石分子篩應用(yìngyòng)吸附作用，作干燥劑，吸附水,干燥天然氣,干燥裂化氣,干燥化學溶劑等分離作用:空氣分離制備氧氣和氮氣;二甲苯異構體分離;介孔材料作為色譜柱填料(tiánliào)。純化作用:除去天然氣中的CO2及硫化物,在低溫空氣分離中除去CO2,作催化劑及催化劑載體作離子交換劑，洗滌添加劑等利用多孔結構，作微電極,新化學電源,太陽能轉化材料,量子點和量子線,光電器件,敏感元件其它應用:造紙?zhí)盍?tiánliào),動物飼料,水泥添加劑等精品PPT玻璃(bōlí)的應用門窗玻璃器皿玻璃光學玻璃(guāngxuébōlí)光導纖維精品PPT玻璃(bōlí)化學組成網絡形成元素：Si,B,P,Ge網絡改善元素：Ba,Ca,K,Li,Na,Mg。存在于網絡間的空隙(kòngxì)中。常用氧化物添加，如BaO,CaO,K2O,Li2O,Na2O,MgO.介入元素：Al,Pb,Ti,Zn。可以進入網絡，但不形成網絡。也用氧化物Al2O3,PbO,TiO2,ZnO加入。著色劑：Cd(紅），Co（藍），Cr（綠）,Cu（青藍），Fe（棕），Mn（品紅）。是雜質元素，也存在于網絡間隙。精品PPT常用(chánɡyònɡ)玻璃組成(%wt)SiO2Na2OB2O3Al2O3CaOK2OMgO石英(shíyīng)100窗7215103瓶7315110