材料科学基础西交版材料科学基础西交版第二章材料的结构离子晶体和共价晶体的结构

1、2.4 离子(lz)晶体的结构 共三十页离子晶体(jngt)（ionic crystal）：由正、负离子通过离子键按一定方式堆积起来而形成的。 陶瓷大多数属于离子晶体。2.4.1 离子晶体(jngt)的主要特点 离子键结合，硬度高、强度高、熔点高、热膨胀系数较小,但脆性大。 良好的绝缘体：很难产生可自由运动的电子。 无色透明：离子的外层电子牢固地束缚在离子的外围，可见光的能量一般不足以使其外层电子激发，因而不吸收可见光。典型的离子晶体是无色透明的。 如： Al2O3主要以离子键结合。透明的Al2O3可作电炉的高温观测窗。共三十页2.4.2 离子半径.配位数.负离子配位多面体. 离子(lz)堆积

2、 1)离子半径（ionic radius）：从原子核中心到其最外层电子的平衡距离,是决定离子晶体结构类型(lixng)的一个重要的几何参数。 对离子晶体，通常将晶体中相邻的正负离子中心之间的距离作为正负离子半径之和， 即 R0= R+ + R 利用x射线可求得R0，然后再求R+和R 离子半径大小并非绝对，同一离子随着价态和配位数的变化而变化。共三十页2)配位数CN(coordination number) ：与某一考察 离子邻接的异号离子的数目。 正离子的配位数取决于正负离子的半径比R+/R- 根据不同的R+/R- ，正离子选取不同的配位数。常见的是4、6、8。（表2-6）3)负离子配位多面体

3、：离子晶体中与某一正离子成配位关系而邻接的各个负离子中心线所构成的多面体.4)离子的堆积：离子晶体通常由负离子堆积成骨架，正离子按其自身大小位于相应(xingyng)负离子空隙（负离子配位多面体）中。 堆积方式有:立方最密堆积、六方最密堆积、立方体心堆积、四面体堆积共三十页2.4.3 离子晶体的结构(jigu)规则鲍林规则 1)负离子配位(pi wi)多面体规则鲍林第一规则 这一规则符合最小内能原理。根据这一规则，描述和理解离子晶体结构时，将其视为由负离子配位多面体按一定方式连接而成，正离子处于配位多面体的中央。（图2-22）2)电价规则鲍林第二规则 正负离子电价平衡3)负离子多面体共用点、棱

4、、面的规则鲍林第三规则 共用点、棱、面,会降低结构稳定性共三十页2.4.4 典型离子(lz)晶体的结构1) AB型 (1) NaCl型 (2) CsCl型 (3) 立方(lfng)ZnS(闪锌矿)型 (4) 六方ZnS(纤锌矿)型2) AB2型(1) CaF2(萤石型) (2) TiO2(金红石)型 (3)SiO2(方晶石.方石英)型共三十页NaCl 型结构(jigu)Cl-构成面心立方点阵，Na+占据(zhnj)其全部八面体间隙举例：MgO、CaO 陶瓷八面体间隙：由6个面心原子所围成共三十页NaCl 型结构(jigu)Cl-构成面心立方(lfng)点阵，Na+占据其全部八面体间隙MgO、C

5、aO 陶瓷的应用：耐高温,抗金属、碱性熔渣腐蚀，可制成坩埚冶炼高纯度Fe、Mo、Cu、Mg等、浇注金属的铸模、高温热电偶保护套及高温炉衬材料共三十页NaCl 型结构(jigu)Cl-构成面心立方点阵(din zhn)，Na+占据其全部八面体间隙共三十页CsCl 型结构(jigu)Cl-构成(guchng)简单立方点阵，Cs+占据其立方体间隙举例：CsBr、CsI 共三十页闪锌矿（立方(lfng)ZnS） 型结构S-构成面心立方(lfng)点阵，Zn+交叉分布在四面体间隙四面体间隙:由一个顶点原子和三个面心原子围成举例：GaAs、AlP 共三十页纤锌矿（六方ZnS） 型结构(jigu)S-和Zn

6、+各自形成密排六方点阵(din zhn)穿插而成举例：ZnO、SiC共三十页CaF2 型结构(jigu)Ca2+ 构成(guchng)面心立方点阵，F- 占据其全部四面体间隙举例：ZrO2、ThO2陶瓷共三十页CaF2 型结构(jigu)ZrO2陶瓷的应用：1）呈弱酸性或惰性，热导率小，是理想的高温绝热材料，化学稳定性好，抗腐蚀，作特种耐火材料、定模材料、浇注口、熔炼铂、钯、铑等金属的坩埚；2）硬度高,可以制作冷成型工具，拉丝模、切削刀具、高尔夫球棍头等(碳纤维增强塑料制造高尔夫球棒)3）强度(qingd)高，韧性好，可用来制造发动机构件，如推杆、连杆、轴承、气缸内衬等 陶瓷的氧化锆增韧机制：

7、相变特性共三十页CaF2 型结构(jigu)Ca2+ 构成面心立方点阵，F- 占据其全部(qunb)四面体间隙共三十页金红石（TiO2）型结构(jigu)O2- 构成稍有变形(bin xng)的密排立方点阵，Ti4+ 占据一半八面体间隙共三十页Al2O3型结构(jigu)P60 例题Al2O3（刚玉）：刀具、砂轮、磨料、轴承。 坩埚、电炉(dinl)炉膛、高温观察窗、火箭、导弹的雷达天线保护罩共三十页2.5 共价晶体(jngt)的结构 共价晶体：由同种非金属元素的原子或异种元素的原子以共价键结合成的无限大分子。共价晶体特点：1.由于共价键的饱和性和方向性，共价晶体中的原子配位数比离子晶体和金属

8、晶体中的小。2.共价键的结合力比离子键强，故具有更高的硬度、强度、脆性(cuxng)、熔点、沸点；更低的挥发性，结构也更稳定。3.导电能力差，因共用电子不能自由运动。典型共价晶体：金刚石、ZnS（AB型）、SiO2（AB2型）三种。共三十页2.5 共价晶体(jngt)的结构 典型共价晶体：金刚石、ZnS（AB型）、SiO2（AB2型）三种(sn zhn)。 金刚石结构： Si、Ge、-Sn共三十页2.5 共价(n ji)晶体的结构 典型共价(n ji)晶体：ZnS晶型：AB型（如：SiC陶瓷）SiO2晶型：AB2型 共三十页2.5 共价(n ji)晶体的结构 金刚石的应用：天然(tinrn)金

9、刚石： 高品位：首饰，钻石 低品位：工业用宝石的主要成分：Al2O3水晶的主要成份：SiO2共三十页人造(rnzo)金刚石的合成 主要原料：石墨(shm)、触媒（Fe、Co、Ni） 高压下，石墨层间距被压缩，高温下，碳原子振动加剧，高温高压下，使得石墨层与层之间相对应的原子有规律的上下靠近，在层与层间建立起垂直于层方向的共价键，并且有规律的扭曲，石墨层扭曲成金刚石结构。 P177 图5-48共三十页2.5 共价晶体(jngt)的结构 金刚石的应用：金刚石磨具：砂轮(树脂、金属、陶瓷结合剂)，加工硬质合金、超硬复合片、玻璃陶瓷、宝石等金刚石锯切工具(gngj)：锯片(粗颗粒单晶金刚石),用于混凝

10、土、耐火材料、大理石、花岗岩等切割金刚石刀具：玻璃刀，超精密刀具，用于电子仪器工业中的硅片切割和加工，砷化镓等新型半导体材料的加工，碳硅微晶玻璃的加工等金刚石钻头：地质勘探中、石油工业中金刚石的特殊用途共三十页 金刚石的应用(yngyng) 共三十页 金刚石的应用(yngyng) 共三十页本节的基本(jbn)要求 1.典型离子晶体(jngt)、共价晶体(jngt)的结构（一般了解）2.离子晶体、共价晶体的性能特点共三十页本章(bn zhn)小结 一.基本概念和术语 1.晶体结构、空间点阵、晶格、晶胞、点阵常数、晶系(七个)，布拉菲点阵(14种) 、晶面指数、晶向指数、晶面间距、晶带定理 2.

11、fcc、bcc、hcp晶格、晶胞原子数、原子半径、配位数、致密度、八面体间隙、四面体间隙、最密排面、最密排方向、晶粒、晶界、各向同性与各向异性、多晶体与单晶体、多晶型性、多晶型性转变 3. 合金、相、组元、组织(显微、宏观) 、固溶体、中间相、间隙(置换)固溶体、有(无)序固溶体、有(无)限固溶体、间隙相、间隙化合物、电子(dinz)浓度、电子(dinz)化合物、正常价化合物、超结构 4.离子晶体、共价晶体共三十页二.掌握以下内容 1、晶面指数和晶向指数的确定 2、三种典型晶体结构的特征(包括(boku)：晶胞形状、晶胞中原子的位置、晶胞原子数、晶格常数与原子半径、配位数、致密度、密排面和密排

12、方向的指数，八面体(四面体)间隙尺寸、原子的堆垛方式) 3、固溶体的分类、特点和性质，影响固溶体固溶度的因素；中间相的类型和特点。 4、离子晶体、共价晶体的性能特点。共三十页间隙固溶体与间隙化合物：固溶体与中间相（性能不同）间隙相与间隙化合物：间隙相结构简单，间隙化合物结构复杂间隙相由过渡族金属与H、O、C、N、B组成(z chn)；而间隙化合物由过度族金属与C组成。间隙固溶体与间隙相：都是由过渡族金属与H、O、C、N、B组成，H、O、C、N、B溶入金属晶体间隙中；间隙固溶体属于固溶体，而间隙相属于中间相（性能不同）。补充(bchng)题简述间隙固溶体、间隙相和间隙化合物两两之间的区别。共三十页内容摘要2.4 离子晶体的结构。利用x射线可求得