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第三章陶瓷的晶体结构§3.1离子（陶瓷）晶体中正、负离子的堆积方式一、陶瓷材料主要是离子化合物（部分兼有共价键）。典型的离子化合物应该是强正电性元素（如金属）和强负电元素（如氧、硫、卤素元素等）形成的化合物。二、正、负离子的堆积方式取决于以下两个因素：1.正、负离子的电荷大小2.正、负离子的相对大小配位数：一个正离子周围的最邻近的负离子数。材料科学基础离子晶体中稳定和不稳定的配位图形稳定稳定不稳定材料科学基础材料科学基础要求:•无机材料典型的晶体结构类型•晶胞分析和描述——晶系、基本格子、等同点分析、正负离子配位数（CN）、晶胞分子数z、质点坐标、四面体和八面体空隙数量、位置及被占据情况•同晶型典型物质及特性•熟记几个典型晶体结构图§3.2氧化物的晶体结构2.AB2型化合物结构1)萤石（CaF2）型结构2）金红石（TiO2）型结构3.ABO3型化合物结构钙钛矿型（CaTiO3）结构4.AB2O4型结构尖晶石结构反型尖晶石结构1.AB型化合物结构1）NaCl型结构2）CsCl型结构3）闪锌矿（立方ZnS）型结构4）纤锌矿（六方ZnS）型结构材料科学基础矿物名称：石盐。材料科学基础一、NaCI型结构材料科学基础图3-1NaCl晶体结构ClNa---Na+离子位于面心格子的结点位置上，CI—离子也位于另一套这样的格子上，后一个格子与前一个格子相距1/2晶棱的位移。结构描述：（1）立方晶系，a＝0.563nm，Z＝4（2）Na+CI—离子键，NaCI为离子晶体.（3）CN+＝CN-＝6（4）---CI—离子按立方最紧密堆积方式堆积，Na+离子充填于全部八面体空隙。---Na+离子的配位数是6，构成Na--CI八面体。NaCI结构是由Na--CI八面体以共棱的方式相连而成材料科学基础二、CsCl型结构立方晶系Pm3m空间群，a0＝0.411nm，Z＝1，立方原始格子，Cl-处于立方原始格子的八个角顶上，Cs＋位于立方体中心（立方体空隙），Cl-和Cs+的CN均为8。离子坐标：Cs+—½½½；Cl-—000属于CsCl型结构的晶体：CsBr、CsI、NH4Cl等材料科学基础化学式：CaF2材料科学基础三、萤石型结构晶体结构：立方晶系，a＝0.545nm，Z＝4材料科学基础空间格子：Ca2＋位于立方面心的结点位置，F－位于立方体内八个小立方体的中心，即Ca2＋按立方紧密堆积的方式排列，F－充填于全部四面体空隙中。配位数：CN＋＝8；CN－＝4多面体：简单立方体连接形式：〔CaF8〕之间以共棱形式连接晶胞组成：Ca2＋＝8×1/8＋6×1/2＝4；F－＝4＋4＝8性质：八面体空隙全部空着—空洞—负离子扩散属于萤石结构的晶体有：BaF2；PbF2；CeO2；ThO2；UO2；低温ZrO2（扭曲、变形）材料科学基础反萤石结构晶体结构：其结构与萤石完全相同，只是阴阳离子的位置完全互换，即阳离子占据的是F－的位置，阴离子占据的是Ca2＋的位置配位数：CN＋＝4；CN－＝8晶胞组成：阴离子＝8×1/8＋6×1/2＝4阳离子＝4＋4＝8属于反萤石结构的晶体有：Li2O；Na2O；K2O等材料科学基础化学式：β－ZnS材料科学基础四、闪锌矿型结构晶体结构：立方晶系，a＝0.540nm；Z＝4空间格子：立方面心格子，S2－离子呈立方最紧密堆积，位于立方面心的结点位置，Zn2＋离子交错地分布于1/8小立方体的中心，即1/2的四面体空隙中。结构投影图：（俯视图）用标高来表示，0－底面；25－1/4；50－1/2；75－3/4。（0－100；25－125；50－150是等效的）配位数：CN＋＝CN－＝4；极性共价键，配位型共价晶体。配位多面体：〔ZnS4〕四面体，在空间以共顶方式相连接属于闪锌矿型结构晶体有：β－SiC；GaAs；AlP；InSb等。材料科学基础化学式：α－ZnS晶体结构：六方晶系；a＝0.382nm；c＝0.625nm；Z＝2材料科学基础五、纤锌矿型结构质点坐标：S2－：000；2/31/31/2Zn2＋：00u；2/31/3（u－1/2）空间格子：S2－按六方紧密堆积排列Zn2＋充填于1/2的四面体空隙，形成六方格子。配位数：CN＋＝CN－＝4多面体：〔ZnS4〕四面体共顶连接键型：Zn、S为极性共价键属纤锌矿型结构的晶体有：BeO；ZnO；AlN等。材料科学基础化学式：TiO2晶体结构：四方晶系，a＝0.459nm；c＝0.296nm；Z＝2材料科学基础六、金红石型结构格子类型：四方原始格子。Ti4＋位于结点位置，体心的属另一套格子。O2－处在一些特殊位置上，质点坐标：Ti4＋：000；1/21/21/2；O2－:uu0;(1-u)(1-u)0;(1/2+u)(1/2-u)1/2;(1/2-u)(1/2+u)1/2材料科学基础晶体结构：O2－可看成是变形六方密堆积，Ti4＋离子填充1/2的八面体空隙配位数：CN＋＝6；CN－＝3多面体：〔TiO6〕八面体连接方式：Ti－O八面体以共棱方式连接成链，链与链之间以共顶方式相连。与金红石结构相同的晶体有：SnO2；PbO2；MnO2；MoO2；WO2；MnF2；MgF2；VO2材料科学基础化学式：通式AB2O3；MgAl2O4材料科学基础七、尖晶石型结构晶体结构：立方晶系，a＝0.808nm，Z＝8空间格子：O2-是按立方密堆积的形式排列。二价离子A充填1/8四面体空隙，三价离子B充填于1/2八面体空隙（正尖晶石结构）。多面体：〔MgO4〕、〔AlO6〕八面体之间是共棱相连，八面体与四面体之间是共顶相连。材料科学基础反尖晶石结构：结构中二价阳离子与三价阳离子充填的空隙类型相反，即形成了反尖晶石结构。可用晶体场理论来解释。材料科学基础反尖晶石型结构决定结构的因素：正型与反型由阳离子的八面体的择位能来决定。用途：广泛应用的是铁氧体磁性材料，同时在陶瓷颜料中也常用到。海碧：CoAl2O4合成温度：1200℃孔雀蓝：〔（Co、Zn）0（Cr、Al）2O3〕合成温度：1300℃铬铝桃红：〔ZnO、（Al、Cr）2O3〕合成温度：1200℃材料科学基础材料科学基础八、钙钛矿型结构钙钛矿结构的通式为ABO3,以CaTiO3为例讨论其结构:Ca2+O2-Ti4+材料科学基础配位关系的分析:可以看出:Ca的CN=12Ti的CN=6O的CN=2+4=6材料科学基础结构的描述（1）钙钛矿在高温时属立方晶系，在降温时，通过某个特定温度后将产生结构的畸变使立方晶格的对称性下降.（2）CaTiO3为离子晶体（3）Ca的CN=12Ti的CN=6O的CN=2+4=6（4）CaTiO3的结构可看成有和半径较大的离子共同组成立方紧密堆积，离子充填于1/4的八面体空隙中。其Z=4（5）结点坐标为：Ca2+000，001，010，100，110，011，101，111O2-01/21/2，1/201/2，1/21/20，11/21/2，1/211/2，1/21/21Ti4+1/21/21/2（6）立方面心格子材料科学基础九、金刚石结构化学式C；晶体结构为立方晶系Fd3m，立方面心格子，a0＝0.356nm；碳原子位于立方面心的所有结点位置和交替分布在立方体内四个小立方体中心；每个晶胞中原子数Z＝8，每个碳原子周围都有4个碳，之间形成共价键。与其结构相同的有硅、锗、灰锡、合成立方氮化硼等性质：硬度最大、具半导体性能、极好的导热性十、石墨结构石墨（C），六方晶系，P63／mmc，a0=0.146nm，c0=0.670nm，每个晶胞中原子数Z=4。结构表现为碳原子呈层状排列。层内碳原子呈六方环状排列，每个碳原子与三个相邻碳原子之间的距离均为0.142nm；层间距离为0.335nm。层内为共价键，层间为分子键相连。性质：碳原子有一个电子可以在层内移动，类似于金属中的自由电子，平行层的方向具良好导电性；硬度低，易加工；熔点高；有润滑感。石墨与金刚石的化学组成相同，结构不同，这种现象称为同质多晶现象，石墨和金刚石是碳的两种同质多象变体。人工合成的六方氮化硼与石墨结构相同。(1)发现：1985年，科学家用激光束照射石墨得灰色气体，用有机溶剂萃取得n﹤200的大量簇分子，含60个碳的分子比较多。(2)合成：将几十伏的电流电压加在两根碳棒上，当两根碳棒距离很小时，就会产生电弧放电导致短路，产生的碳烟中含有大量的C60,再用有机溶剂萃取碳烟。材料科学基础十一、足球烯(3)结构：笼状分子，固态时是分子晶体，每个碳原子只跟相邻的三个碳原子形成共价键，60个碳原子构成球形，共32面体，包括12个五边形，20个六边形。材料科学基础(4)性质：C60掺杂钾、铷等有超导性，超导起始温度达到18K。北大和科学院合作制得Rb3C60，超导起始温度高达28K，领先于世界先进水平。(5)成果：最大的足球烯单晶的直径仅为6mm，浙江大学的科学家制取直径为1.3㎝的高品质单晶，走在世界前列。1996年的诺贝尔授予罗伯特、克罗特和斯莫利等三位科学家，表彰他们有关富勒烯的发现、制备和性质研究。材料科学基础(1)、发现：知道了C60的制备以后，人们的注意力全部集中在观察碳灰上，而日本科学家饭岛澄男却仔细观察了放电后在阳极上产生的沉淀物，是他意外发现了钠米碳管。材料科学基础十二、钠米碳管(2)、什么是钠米碳管？石墨有层状结构，可以看作是由原子纸一层一层堆叠而成。若将一层或几层这样的原子纸卷成圆筒形状，就是钠米碳管。中科院解思深教授制得0.5nm碳管，麻省理工学院秦禄昌博士制得最小的钠米碳管0.4nm。乘座电梯上太空(3)、应用前景广泛材料科学基础§3.3硅酸盐的晶体结构一、硅酸盐的应用1.玻璃2.硅酸盐水泥3.地砖4.陶瓷5.电绝缘材料6.焊条药皮7.耐火材料科学基础硅酸根（SiO44-)四面体：Si-O键的性质，共价键和离子键大约各占一半。O-O-O-O-Si二、硅酸盐的基本结构单元材料科学基础硅酸根（SiO44-)四面体硅酸根（Si2O6-)双四面体材料科学基础§3.3硅酸盐的晶体结构三、岛状结构单元：硅酸根（SiO44-)四面体通过与其他正离子连接在一起，就形成了岛状或孤立状的硅酸盐结构，又称原硅酸盐。橄榄石族的一系列化合物属于此类。Mg2SiO4镁橄榄石就是其中之一。四、双四面体结构单元：硅酸根（SiO44-)四面体通过共用一个或更多的O2-离子连接在一起时，可能的联结方式很多，最简单的就是两个四面体共用一个顶角。黄长石就是一个例子。材料科学基础§3.3硅酸盐的晶体结构五、环状结构单元：当硅酸根（SiO44-)四面体有两个顶角的氧离子为相邻的两个硅酸根四面体共有时，就会形成环状结构单元。六、链状结构单元：如果环状结构单元包含无穷多四面体时，就彼岸成无限伸长的链状结构单元。七、当每个硅酸根（SiO44-)四面体同一平面的三个顶角的氧离子分别为相邻四面体共有时，就会形成层状结构单元。材料科学基础环状结构单元材料科学基础链状结构单元材料科学基础层状结构单元材料科学基础§3.4二氧化硅的晶体结构•当硅酸根（SiO44-)四面体的四个顶角的氧原子为相邻四面体共有时，就形成了SiO2网络，即二氧化硅。材料科学基础二氧化硅与信息材料1.物理性质：2.化学性质：熔点高(1723℃)，沸点高(2230℃)，硬度大，纯净的二氧化硅是无色透明的固体，不导电，难溶于一般的溶剂（如水或有机溶剂等）SiO2+2NaOH==Na2SiO3+H2OSiO2+CaO===CaSiO3高温氧原子二氧化硅的结构硅原子（属于酸性氧化物）①与碱反应②与碱性氧化物反应材料科学基础二氧化硅石英（石英沙）水晶玛瑙石英玻璃常见物质材料科学基础硅铁硅铁5材料科学基础石英及制品石英制品6材料科学基础水晶及制品材料科学基础水晶制品6玛瑙玛瑙6材料科学基础光学玻璃材料科学基础