岩相学课件第一 二章

1、硅酸盐岩相学硅酸盐岩相学 邵国有邵国有 武汉理工大学出版社武汉理工大学出版社无机材料显微结构分析无机材料显微结构分析 周志朝等周志朝等 浙江大学出版社浙江大学出版社无机材料无机材料岩相学岩相学 韩秀丽韩秀丽 化学工业化学工业出版社出版社硅酸盐岩相学硅酸盐岩相学 冯铭芬冯铭芬 同济大学出版社同济大学出版社 参考书目参考书目考试方式考试方式: :闭卷，平时闭卷，平时2020，考试成绩，考试成绩8080p 本课程是无机非金属材料工程专业设置的一门专业选修课程选修课程。是一门研究无机材料显微结构的学科。p 通过本课程的学习 ，掌握结晶学、矿物岩石学、晶体光学等基础知识，学会利用光学显微镜鉴定矿物的基本

2、原理和方法，掌握耐火材料、陶瓷与水泥熟料和玻璃等无机非金属材料的典型显微结构特征。 无机材料显微结构分析的实际意义 制品制品显微结构显微结构显微结构在无机材料的研究、生产制造和制品的技术性能、应用效果之间起显微结构在无机材料的研究、生产制造和制品的技术性能、应用效果之间起着重要的核心作用着重要的核心作用 。 o无机材料的性能主要决定于制品的化学成分、矿物组成、宏观结构及显微化学成分、矿物组成、宏观结构及显微结构结构。其中物相组成，尤其是结晶矿物相组成和显微结构特征结晶矿物相组成和显微结构特征，是在化学成分确定后起着关键性作用的。因为显微结构是无机材料生产过程和工艺条件的直接记录，每个生产环节发

3、生的变化在显微结构上均有反映；o而制品的物相组成和显微结构特征，又直接影响甚至决定着制品的技术性能、质量、应用性状和效果。改变无机材料的生产工艺过程和条件，就获得具有不同显微结构的制品，制品的技术性能、使用性状和效果亦就不同o为了获得具有新技术需要的使用性能，可以通过显微结构的设计，选用合适的原料及工艺配方，采用特定的生产过程及工艺条件，通过试验和研究而获得需要的制品。o 显微结构的定义：显微结构的定义：在光学电子显微镜光学电子显微镜下分辨出的无机材料试样中所含相的种类及其数量，颗粒的形状、大小、分布取向和它们相互之间的综合特征，称为显微结构显微结构。o 无机材料显微结构分析的研究对象：无机材

4、料显微结构分析的研究对象：无机材料的各种半成品、成品、使用后残品。各种半成品、成品、使用后残品。o 无机材料显微结构分析的研究内容：无机材料显微结构分析的研究内容：1.物相组成的分析和鉴定2.显微结构特征的研究和测定物相组成的分析和鉴定物相组成的分析和鉴定o无机材料制品的组成相有结晶相、玻璃相玻璃相及气相。1）结晶相的鉴定）结晶相的鉴定 鉴定结晶相的方法，有偏光显微镜薄片法和油浸法、反光显微镜光片法、x射线衍射分析法、红外光谱分析法和探针微区分析法等。在进行显微结构分析时，主要是根据光学显微镜图像特征及其主要光学性质对矿物进行鉴定，其他分析方法通常只作为辅助的鉴定手段。2）固态非晶质相的分析固

5、态非晶质相的分析根据形成过程和结构特征不同分为：非晶态团粒、玻璃相非晶态团粒、玻璃相o 用光学显微镜只能研究非晶态团粒非晶态团粒外部形态、大小、分布、含量以及与其他相之间的关系等。最有效研究手段是采用电子显微镜对其内部构造进行的亚显微结构分析法。o 玻璃相玻璃相 由高温熔体冷凝而成的固态非晶质相由高温熔体冷凝而成的固态非晶质相称为玻璃相。称为玻璃相。玻璃相在制品中起着粘结及填充气孔和空隙的作用。用偏光显微镜可测定其含量、分布、析晶情况及与其他相之间的关系。3）气相的研究）气相的研究o 气相的存在与否以及气孔的形状、大小、含气相的存在与否以及气孔的形状、大小、含量、分布和气孔间连通情况等，对制品

6、的性量、分布和气孔间连通情况等，对制品的性能、质量及使用均有显著影响，有时起着决能、质量及使用均有显著影响，有时起着决定性作用。定性作用。 例如，气孔的存在将增大制品的介电损耗。降低抗电击穿强度、机械强度、透明度等性能；而含大量气孔甚至以气孔为主相的制品，又具有质轻、隔热、隔音、保温等特性。 第一章第一章 几何结晶学几何结晶学o 1.1 晶体及其性质一晶体的概念一晶体的概念 晶体是内部相同质点在三维空间成周期性重复排列的固晶体是内部相同质点在三维空间成周期性重复排列的固体，或者说晶体是具有体，或者说晶体是具有格子构造格子构造的固体。的固体。二二 空间格子空间格子o是表示晶体内部结构质点重复规律

7、的几何图形。o它不等于晶体内部具体质点的格子构造，而是从实际晶体内部抽象出来的无限的几何图形。空间格子有下列几种要素：空间格子有下列几种要素：1）结点）结点 为几何点（相当点）为几何点（相当点）2）行列）行列 结点在直线上排列结点在直线上排列（结点间距:行列中相同节点间的距离）3) 面网面网 结点在平面上分布结点在平面上分布面网密度：单位面网上内的结点数目面网间距：任意相邻面网的垂直距离 4）平行六面体）平行六面体:空间格子的最小单位。空间格子的最小单位。 在实际晶体中称为晶胞。三非晶质体三非晶质体o物质内部质点在三维空间不做规律排列，即不具有格子构造。例物质内部质点在三维空间不做规律排列，即

8、不具有格子构造。例如玻璃、塑料、沥青等。晶体与非晶体之间可以互相转化。如玻璃、塑料、沥青等。晶体与非晶体之间可以互相转化。四晶体的基本性质四晶体的基本性质o1）自限性：指晶体在适当条件下可以自发地形成几何多面体）自限性：指晶体在适当条件下可以自发地形成几何多面体的性质。的性质。o2）均一性：指晶体各个部分具有相同的性质。）均一性：指晶体各个部分具有相同的性质。o3）异向性：同一晶体在不同方向上性质有差异。）异向性：同一晶体在不同方向上性质有差异。o4）对称性：指晶体中相等的晶面、晶棱和角顶以及晶体物理）对称性：指晶体中相等的晶面、晶棱和角顶以及晶体物理化学性质在不同方向上或位置上作有规律的重复

9、出现。化学性质在不同方向上或位置上作有规律的重复出现。o5）最小内能）最小内能 是指在相同的热力学条件下，与同种化学成分的是指在相同的热力学条件下，与同种化学成分的非晶体、液体、气体相比较晶体的内能最小。非晶体、液体、气体相比较晶体的内能最小。o6）稳定性）稳定性 在相同的热力学条件下，具有相同化学成分的晶体在相同的热力学条件下，具有相同化学成分的晶体和非晶体相比，晶体是最稳定的。和非晶体相比，晶体是最稳定的。1.3 晶体宏观对称(重点)一一 对称的概念：对称的概念：是指物体相等部分有规律的重复是指物体相等部分有规律的重复。晶体是对称的。晶体是根据晶体是对称的。晶体是根据对称特点对称特点来进行

10、分类的。来进行分类的。二二 晶体的对称特点：晶体的对称特点：o所有晶体都是对称的；所有晶体都是对称的；o晶体的对称是有限的，遵循对称定律，且晶体在外形上只有晶体的对称是有限的，遵循对称定律，且晶体在外形上只有32种对称型；种对称型；o晶体在物理化学性质上也是对称的。晶体在物理化学性质上也是对称的。三三 晶体的对称操作和对称要素晶体的对称操作和对称要素 使物体的相等部分重复所进行的操作称为使物体的相等部分重复所进行的操作称为对称操作对称操作反反映、旋转、反伸等映、旋转、反伸等在进行对称操作时，所借助的几何要素（点、线、面）称在进行对称操作时，所借助的几何要素（点、线、面）称为为对称要素对称要素。

11、晶体在外形上可能存在的对称要素如下：晶体在外形上可能存在的对称要素如下：o 对称面（对称面（P）：通过晶体中心的假想平面，将晶体平分）：通过晶体中心的假想平面，将晶体平分为互为镜像的两个部分。为互为镜像的两个部分。（晶体中可以有或没有）（晶体中可以有或没有）o 相应的对称操作为对平面的反映相应的对称操作为对平面的反映在晶体上可以没有对称面，也可以有一个或几个。书写时9P 晶体上有对称面时，必定通过晶体的几何中心，并且垂直平分某些晶面、晶棱或包含某些晶棱。对称轴Ln ：通过晶体中心的一根假想直线，晶体绕此直线旋转一定角度后可使相等部分重复或复原。可以没有或同时可以没有或同时有几种有几种o 相应的

12、对称操作对称操作为绕直线旋转o 对称轴旋转一周重复的次数称为轴次n=360/基转角o 对称轴Ln,其中n为2、3、4、6。3L4不可能有5次或高于6次对称轴，它们不符合空间格子的规律。对称中心对称中心C：是晶体中心的一个假想的点，通过此是晶体中心的一个假想的点，通过此点，任意直线的等距离两端，必定找到对应的点。点，任意直线的等距离两端，必定找到对应的点。o 相应的对称操作为对一点的反伸相应的对称操作为对一点的反伸o 晶体中可以有或没有一个对称中心。晶体中可以有或没有一个对称中心。如有晶体上的晶面如有晶体上的晶面必然都是两两平行且相等。必然都是两两平行且相等。旋转反伸轴旋转反伸轴Lin：通过晶体

13、中心的假想直线，围绕：通过晶体中心的假想直线，围绕此直线旋转一定角度后，再对此直线上的一点反此直线旋转一定角度后，再对此直线上的一点反伸，可使相等部分重复或复原。伸，可使相等部分重复或复原。o 对称操作：对称操作：围绕一条直线旋转并对直线上的一点反伸o 晶体中的旋转反伸轴有晶体中的旋转反伸轴有Li1，Li2,Li3,Li4和和Li6，并且有，并且有如下规则如下规则:三三 晶体的三十二种对称型晶体的三十二种对称型o将晶体中的将晶体中的全部对称要素全部对称要素按照组合定理组按照组合定理组合起来，称为晶体的对称型。（合起来，称为晶体的对称型。（点群点群）o书写时，先写对称轴或旋转反伸轴，由高次到低次

14、的顺序，再写对称面、对称中心。例如： o晶体中共有32种对称型。(p12)四四 晶体的分类（重点）晶体的分类（重点）o晶体中共有32种对称型，把属于同一对称型的所有晶体归为一类，称为晶类32类。根据有无高次轴（大于等于L3）和高次轴多少，把这32个对称型划分为低，中、高级低，中、高级三个晶族，在各族中又根据对称特点划分为7个晶系。（书14页）对称型中无高次轴对称型中无高次轴(L3以上）为低级晶族以上）为低级晶族 三斜晶系：三斜晶系：无L2,无P 单斜晶系单斜晶系：L2或P不多于一个 斜方或称正交晶系斜方或称正交晶系： L2或P多于一个）只有一个高次轴为中级晶族只有一个高次轴为中级晶族四方或正方

15、晶系，四方或正方晶系，三方晶系三方晶系六方晶系六方晶系高次轴多于一个（有高次轴多于一个（有4个个L3）高级晶族（高级晶族（等轴晶系）等轴晶系）1.4晶体的理想形态o 对于属于同一对称型的晶体，可以具有不同的形态，例如: o 晶体的理想形态：晶体的理想形态：单形和聚形单形和聚形一一.单形单形单形是由对称要素联系起来的一组晶面的总和。单形是由对称要素联系起来的一组晶面的总和。同一单形中的晶面应该同形等大。单形共有47种（书1718页）。 低级晶族单形低级晶族单形(7个）个）中级晶族单形（中级晶族单形（25个）个） 高级晶族单形（高级晶族单形（15）二二.聚形聚形o 由两个或两个以上的单形的聚合称为

16、聚形。只有属于只有属于同一对称型同一对称型的单形才能聚合在一起形成聚形，出的单形才能聚合在一起形成聚形，出现在同一个晶体上。现在同一个晶体上。四方柱与四方双锥的聚形四方柱与四方双锥的聚形1.4晶体定向和结晶符号o晶体的定向：晶体的定向：在晶体上选择一个坐标系和确定轴单位。o晶轴晶轴:选择的交于晶体中心的三根适当的直线为坐标轴,称为 a,b,c (或x,y,z轴）o轴角：轴角：晶轴正端之间的交角（）o轴单位或轴率：轴单位或轴率：晶轴上的单位长度a,b,c和 a:b:co晶体常数：晶体常数：轴率a:b:c和轴角合称为晶体常数。o知道了轴角和轴单位就可以知道晶胞大小和形状；知道了轴角和轴率可以定出晶

17、胞形状。具有相同对称型和单型的两种聚形晶轴的选择原则o 应符合晶体本身的对称规律，首先选择对称轴，或对称面法线，或平行主要晶棱方向。o 尽可能使晶轴垂直或接近垂直，并使轴单位接近于相等，即90； abc各晶系晶轴的选择及晶体常数的特点（重点） （书23页)三 晶体的微观对称 宏观对称o晶体微观对称的主要特点：晶体微观对称的主要特点：在晶体的构造中，任何一个对称要素有无穷多个和它相同的对称要素。晶体微观对称除了宏观对称的要素外，出现了晶体宏观对称中不可能的对称操作：平移操作。晶体内部特有的对称要素有：1.平移轴平移轴：晶体内部构造中，任一行列方向都是一个平移轴，行列的结点间距即为平移轴的移距，无

18、穷多个平移轴的集合组成了平移群。2.滑移面滑移面3.螺旋轴螺旋轴 21；31；32；41；42；43；61；62；63；64；65 滑移面滑移面 螺旋轴螺旋轴四四 空间群和等效点系空间群和等效点系o 晶体结构中一切对称要素的组合称为晶体结构中一切对称要素的组合称为空间群空间群。晶体中共。晶体中共有有230种空间群。种空间群。o 晶体构造中，由一个起始点开始，通过空间群中各个对晶体构造中，由一个起始点开始，通过空间群中各个对称要素的作用，由此而重复出来的一系列点的总和称为称要素的作用，由此而重复出来的一系列点的总和称为一个一个等效点系等效点系。 第二章 矿物与岩石2.1矿物概述一 矿物的概念矿物

19、是地壳中的化学元素经过各种地质作用所矿物是地壳中的化学元素经过各种地质作用所形成的，并在一定的条件下相对稳定的形成的，并在一定的条件下相对稳定的单质单质或化合物或化合物；是岩石和矿石的组成单位。；是岩石和矿石的组成单位。矿物具有一定的几何形状、物理性质和化学性质的自然体自然体。目前的矿物有3000多种，在实验条件下或生成工艺过程中得到许多人工矿物，称为人造矿物或合成矿物。二.矿物的化学成分及化学式o 按照矿物的化学成分类型：1.单质单质o 这类矿物的元素主要以原子存在。2 化合物化合物o 由两种或两种以上的元素化合而成的矿物。1）简单化合物简单化合物如方铅矿Pbs,石盐和刚玉等。2）络合物络合

20、物 由阳离子和一种络阴离子化合而成的矿物。如方解石CaCO3,硬石膏CaSO4,正长石 K AlSi3O8 3） 复化合物复化合物 由两种或两种以上的阳离子和阴离子或者络阴离子组成的化合物。如白云石（Ca,Mg) CO32矿物的化学式p 实验式实验式：表示矿物化学成分中各组分之间数量比的化学式。例如：正长石（KAlSi3O8),(K2O.Al2O3.6SiO2)p 结构式结构式： 也叫晶体化学式。既可表示矿物组成元素的种类和数量比，也可表示原子在结构中的相互关系 。正长石：KAlSi3O8,白云母KAl2AlS3O8OH2,石膏CaSO4.2H2O三 .矿物化学成分和结构的变化o 1.类质同象

21、代替在矿物晶体形成的过程中，晶体的某种质点的位置，被类似的质点占据，只是稍微改变其晶格常数，而不改变晶体的结构类型。如铁闪锌矿（ZnS）中Zn2位置可被Fe2代替（Zn,Fe）S，两者晶格类型相同，晶格常数稍有变化，前者呈浅褐色，后者呈黑色。具有类质同象的晶体，很象是两种固体的均匀混合物，因此又称“固溶体”。o类质同象三个基本条件：1）互相替换的离于或原于半径相等或相近；）互相替换的离于或原于半径相等或相近；2）互相替换的离子类型）互相替换的离子类型(或极化性质或极化性质)相似，相似，3）互相替换离子的总电价应相等。）互相替换离子的总电价应相等。类质同象根据质点替换程度不同，可分为：类质同象根

22、据质点替换程度不同，可分为：o 完全类质同象完全类质同象构成类质同象替换关系的两种质点(或组分)，可以任意量任意量互相代替，以至于完全代替。o 不完全类质同象不完全类质同象构成类质同象替换关系的两种质点(或组分)，不能以任意量代替，而是在有限有限范围内以不同比例替换。o 等价类质同象等价类质同象o 异价类质同象异价类质同象2 2 同质异象同质异象 3 胶体吸附胶体吸附四.矿物中的水1吸附水吸附水2.结晶水结晶水3. 沸石水沸石水4.结构水结构水5. 层间水层间水吸附水是以中性水分子中性水分子的形式吸附于矿物表面或缝隙中的水，它不参加矿物的晶体结构。吸附水含量不固定，加热到一定的温度(10011

23、0)即可全部放出。 结晶水是以中性水分子的形式存在于矿物晶格中特定位置上的水。结晶水在晶格中结合牢固，所以失水温度较高，不超过600，通常为100200。存在于沸石族矿物中的中性水分子。水占据了结构中大的空洞和孔道，位置不十分固定，一般在80400时逸出晶格不变，脱水后可重新吸水。以OH或H3O等离子形式存在于矿物中的水占据晶格位置 6001000失去。层间水是以中性水分子的形式存在于某些层状硅酸盐晶格构造层之间的水。水的含量不定，受交换阳离子的种类和环境、温度、湿度的控制。五 矿物的自然形态o 1 矿物单体的形态o 一向延伸（柱状、针状、纤维状）o 二向延伸（板状、片状、鳞片状）o 三向延伸（等轴状、颗粒状）2 矿物规则连生体形态o大多呈两个或两个的晶体自然地连结在一起。这种现象称为晶体连生。 晶体的连生o 不规则连生：连生在一起的晶体，与晶体构造无任何规律性联系，个体相互处于任意位置。这类不规则连生晶体在自然界有着广泛的分布。o 规则连生：连生的晶体单体间依晶体构造某些特点有规律地连结。晶体的规则连生主要有三种现象：平行连晶、双晶、浮生o 两个或两个以上的同种晶体彼此间以平行而两个或两个以上的同种晶体彼此间以平行而