陶瓷晶体结构课件

1、 2.3 陶瓷的晶体结构 2.3 陶瓷的晶体结构一般可将材料分为有机和无机两大类，而无机材料又可分 为金属与非金属两大类；无机非金属材料： 主要包括：通常概念的陶瓷、玻璃、水 泥、和耐火材料 西方国家将无机非金属材料通称陶瓷；概述一般可将材料分为有机和无机两大类，而无机材料又可分 为金属陶瓷材料的发展经历了三次重大飞跃。从陶器发展到瓷器，是陶瓷发展史上的第一次重大飞跃；从传统陶瓷发展到先进陶瓷，是陶瓷发展史上的第二次重大飞跃；从先进陶瓷发展到纳米陶瓷是陶瓷发展史上的第三次重大飞跃。 陶瓷材料的发展经历了三次重大飞跃。 （1）特性 硬、脆、耐高温、耐腐蚀； （2）组织 由三相组成： 多晶相：硅酸

2、盐、氧化物、非氧化物，习惯以主要晶相命名； 玻璃相(非晶相)：低熔点、起粘结作用； 玻璃相的数量，随不同陶瓷而异，在固相烧结的瓷料中几乎不含玻璃相，在有液相参加烧结的陶瓷中则存在较多的玻璃相。 （1）特性 硬、脆、耐高温、耐腐蚀； 气相(气孔)：烧结前是开口孔、烧结后大多数转变闭孔。 一般陶瓷材料均不可避免地含有一定数量的气孔，通常的残留气孔量为 510(体积百分率)，气孔含量在各种陶瓷材料中差别很大，它可以在099之间变化。气孔的含量、形状、分布影响陶瓷材料的机械、热学、光学和电学等一系列性能。 气相(气孔)：烧结前是开口孔、烧结后大多数转变闭孔。（3）分类按其原料的来源不同可分为普通陶瓷（

3、传统陶瓷）和特种陶瓷（先进陶瓷）。普通陶瓷是以天然硅酸盐矿物为原料（粘土、长石、石英），经过原料加工、成型、烧结而成，因此又叫硅酸盐陶瓷。特种陶瓷，又称精细陶瓷，按其应用功能分类，可分为高强度、耐高温和复合结构陶瓷及电工电子功能陶瓷两大类。在陶瓷坯料中加入特别配方的无机材料，经过高温烧结成型，从而获得稳定可靠的防静电性能，成为一种新型特种陶瓷，通常具有一种或多种功能，如：电、磁、光、热、声、化学、生物等功能；以及耦合功能，如压电、热电、电光、声光、磁光等功能。（3）分类按其原料的来源不同可分为普通陶瓷（传统陶瓷）和特种总结：晶体与非晶体总结：晶体与非晶体空间点阵 布拉维格子空间点阵空间点阵复式

4、格子晶体结构空间点阵复式格子晶体结构陶瓷晶体结构课件最紧密堆积原理在密堆积结构中，每个球接触到同种球的个数为12个；密堆积结果形成2种方式：六方紧密堆积和立方紧密堆积；密堆积结果形成2种空隙：一种是由6个球形成的八面体空隙，一种是由4个球形成的四面体空隙。每个球周围有6个八面体空隙，对n个等大球体堆积系统，其八面体空隙总数为 ；每个球体周围有8 个四面体空隙，对n 个等大球体堆积系统，其四面体空隙总数为 。最紧密堆积原理在密堆积结构中，每个球接触到同种球的个数为12最密积结构FCC最密积结构FCC最密积结构HCP最密积结构HCP密积结构BCC密积结构BCC例：以NaCl晶胞为例，说明等径球面心

5、立方紧密堆积中的八面体和四面体空隙的位置和数量，并计算其空间利用率。例：以NaCl晶胞为例，说明等径球面心立方紧密堆积中的八面体例：MgO具有NaCl结构，根据O2-半径为0.140nm和Mg2+半径为0.072nm，计算球状离子所占据的空间分数（致密度），并计算MgO的密度。例：MgO具有NaCl结构，根据O2-半径为0.140nm和例 Si和Al原子的相对质量非常接近（分别为28.09和26.98），但SiO2和Al2O3的密度相差很大（分别为2.65g/cm3和3.96g/cm3）。试用晶体结构及鲍林规则说明密度相差大的原因。 例 Si和Al原子的相对质量非常接近（分别为28.09和2问

6、题：根据最紧密堆积原理，空间利用率越高，结构越稳定，金刚石结构的空间利用率很低（只有34.01%），为什么它也很稳定？注意：最紧密堆积原理的适用条件问题：注意：最紧密堆积原理的适用条件离子晶体结构与鲍林规则配位多面体规则电价规则多面体共顶、共棱、共面规则不同配位多面体连接规则节约规则离子晶体结构与鲍林规则配位多面体规则围绕每一正离子，形成一个负离子配位多面体，正负离子之间的间距取决于它们的半径之和，正离子的配位数则取决于它们的半径比。1 配位多面体规则阴离子成最紧密堆积，且相互接触，阳离子则无间隙地充填八面体空隙时，计算两者半径比之图解围绕每一正离子，1 配位多面体规则阴离子成最紧密堆积，且相

7、互阳离子配位数阴离子配位多面体的形状实例阳离子配位数阴离子配位实例2 静电价规则在一个稳定的晶体结构中，每一个负离子电荷数等于或近似等于相邻正离子分配给这个负离子的静电键强度的总和，其偏差1/4价。即：正电价等于负电价例：CaTiO3用途：1、判断晶体是否稳定。2、判断共用一个顶点的多面体的数目。请用电价规则解释Al3+置换Si4+时，通常不超过一半，否则结构将不稳定。2 静电价规则在一个稳定的晶体结构中，每一个负离子电荷数等于3 阴离子配位多面体的共顶、共棱、共面规则在一个配位结构中，共用棱，特别是共用面的存在会降低这个结构的稳定性。其中高电价、低配位的正离子的这种效应更为明显。1 0.58

8、 0.331 0.71 0.583 阴离子配位多面体的共顶、共棱、共面规则在一个配位结构中，4 不同配位多面体连接规则若晶体结构中含有一种以上的正离子，则高电价、低配位的多面体之间有尽可能彼此互不连接的趋势。因为一对正离子之间的互斥力按电价数的平方成正比增加，配位多面体中的正离子之间的距离随配位数的降低而减小。4 不同配位多面体连接规则若晶体结构中含有一种以上的正离子，5 节约规则在同一晶体中，组成不同的结构基元的数目趋向于最少。晶体结构的周期性和对称性，若组成不同的结构基元过多，则每个基元要形成各自的周期性和规则性，则它们之间就会相互干扰，不利于形成晶体结构。5 节约规则在同一晶体中，组成不

9、同的结构基元的数目趋向于最少例：1）画出O2-离子作面心立方堆积时，各四面体空隙和八面体空 隙的所在位置（以一个晶胞为结构基元表示出来）。2）计算四面体空隙数、八面体空隙数与O2-离子数之比。3）根据电价规则，在下面情况下，空隙内各需填入何种价数 的阳离子，并对每一种结构举出一个例子。 所有四面体空隙位置均填满； 所有八面体空隙位置均填满； 填满一半四面体空隙位置； 填满一半八面体空隙位置。例：例：分析NaCl晶体Na+ (radii=0.102 nm) ，Cl- (radii=0.181 nm)例：分析NaCl晶体Na+ (radii=0.102 nm)描述晶体结构的方法： 坐标系 球体紧密

10、堆积 配位多面体及其连接方式2.3.2.3 几种典型的晶体结构描述晶体结构的方法： 坐标系2.3.2.3 几种典型的晶体结坐标系坐标系 球体紧密堆积 球体紧密堆积 配位多面体及其连接方式 配位多面体及其连接方式 MX型结构 MX2型结构M2X型结构 M2X3型结构 MX3型和M2X5型结构 ABO3型结构 AB2O4型结构 无机化合物晶体结构 MX型结构无机化合物晶体结构一 MX型晶体结构结构类型实例CsCl型1.0000.732CsCl0.91CsBr0.84CsI 0.75NaCl型0.7320.414KF RbClPbBrSrSSrSeMgONaBrLiCl 1.000.820.760.

11、730.660.590.500.43SrOBaSBaSeRbICaSLiFCaTeMgSe0.960.820.750.680.620.590.500.41BaOCaONaFKBrKICaSeMgSLiBr0.960.800.740.680.610.560.490.40RbFCaFKClBaTeSrTeNaClNaILiF0.890.800.730.680.600.540.440.35ZnS型0.4140.225MgTeBeTe0.370.17BaO0.26BeS0.20BeSe0.18一 MX型晶体结构结构类型实例CsCl型1.0000.731. NaCl晶体1. NaCl晶体2. CsCl晶

12、体Calculate the ionic packing factor fro CsCl. Ionic radii are Cs+ =0.170 nm and Cl- = 0.181 nm.问题：格子构造？密堆积情况？单位晶胞内含CsCl的数目？2. CsCl晶体Calculate the ionic p3. 立方ZnS晶体(闪锌矿)晶胞结构 (001)面上的投影 ZnS4分布及连接3. 立方ZnS晶体(闪锌矿)晶胞结构 SZn平行六面体晶胞4. 六方ZnS晶体(纤锌矿)SZn平行六面体晶胞4. 六方ZnS晶体(纤锌矿)陶瓷晶体结构课件二 MX2型晶体结构萤石晶胞结构图FCa1. CaF2晶体

13、问题：格子构造？密堆积情况？单位晶胞内含CaF2的数目？二 MX2型晶体结构萤石晶胞结构图FCa1. CaF2晶体问从空间格子看，CaF2结构由一套Ca2+离子的面心立方格子和2套F-离子的面心立方格子相互穿插而成。从空间格子看，CaF2结构由一套Ca2+离子的面心立方格子和2. 金红石晶体结构金红石结构中Ti-O八面体链的排列TiO整个结构由2套Ti4+的简单四方格子和4套O2_的简单四方格子相互穿插而成。问题：格子构造？密堆积情况？单位晶胞内含TiO2的数目？2. 金红石晶体结构金红石结构中Ti-O八面体链的排列TiO三 M2X3型晶体结构三 M2X3型晶体结构-Al2O3中的Al+的三种

14、不同排列方式空隙Al3+-Al2O3中的Al+的三种不同排列方式空隙Al3+四 ABO3型晶体结构问题：求解Ca、Ti和O的配位数？密堆积情况？求解O2-离子的配位多面体？单位晶胞内含CaTiO3的数目？钙钛矿晶体结构CaTiO四 ABO3型晶体结构问题：钙钛矿晶体结构CaTiO钙钛矿晶体结构中配位多面体的连接和Ca离子配位数为12的情况钙钛矿晶体结构中配位多面体的连接氧化物(1+5)氧化物(2+4)氧化物(3+3)氧化物(1+2)NaNbO3KNbO3NaWO3CaTiO3SrTiO3BaTiO3PbTiO3CaZrO3SrZrO3BaZrO3PbZrO3CaSnO3BaSnO3CaCeO3

15、BaCeO3PbCeO3BaPrO3BaHfO3YAlO3LaAlO3LaCrO3LaMnO3LaFeO3KMgF3KNiF3KZnF3钙钛矿型晶体结构氧化物(1+5)氧化物氧化物(3+3)氧化物(1+2)NaN铁电体铁电体铁电体顺电体顺电体铁电体铁电体铁电体顺电体顺电体五 AB2O4型晶体结构尖晶石晶胞结构五 AB2O4型晶体结构尖晶石晶胞结构尖晶石多面体连接方式尖晶石多面体连接方式负离子堆积方式与晶体结构类型负离子堆积方式正负离子配位数正离子占据的空隙位置结构类型实例立方密堆积6:6 MX全部八面体NaCl型NaCl、MgO、CaO、BaO立方密堆积4:4 MX四面体闪锌矿型ZnS、CdS

16、、SiC立方密堆积4:8 M2X全部四面体反萤石型Li2O、Na2O、K2O立方密堆积(4+4):4 MX2 四面体萤石型CaF2、ThO2、CeO2、ZrO2扭曲了的立方密堆积6:3 MX2 八面体金红石型TiO2、PbO2、VO2、MnO2六方密堆积12:6:6 ABO3 八面体(B)钙钛矿型CaTiO3、BaTiO3、PbZrO3立方密堆积4:6:4 AB2O41/8 四面体(A) 八面体(B)尖晶石型MgAl2O4、FeAl2O4、ZnAl2O4立方密堆积4:6:4 B(AB)O4 1/8 四面体(B) 八面体(AB)反尖晶石型FeMgFeO4、Fe3+Fe2+Fe3+O4六方密堆积4

17、:4 MX 四面体纤锌矿型ZnS、ZnO、SiC六方密堆积6:4 M2X32/3 八面体刚玉型-Al2O3、-Fe2O3、Cr2O3简单立方8:8 MX全部立方体空隙CsCl型CsCl、CsBr、CsI负离子堆积方式与晶体结构类型负离子堆积方式正负离子配位数正离2.3.3 硅酸盐晶体结构2.3.3 硅酸盐晶体结构硅酸盐化学式的写法硅酸盐化学式的写法结构中Si4+离子位于O2-离子形成的四面体中心，构成硅酸盐晶体的基本结构单元SiO4四面体。SiOSi键是一条夹角不等的折线，一般在145左右；SiO4的每个顶点，即O2-最多只能为两个SiO4所共用（?）；两个相邻的SiO4间只能共顶而不能共棱或

18、共面连接（?）；同晶取代（硅氧间的距离是否一致?）。硅酸盐晶体结构特点结构中Si4+离子位于O2-离子形成的四面体中心，构成硅酸盐硅酸盐晶体的结构类型结构类型SiO44- 共用O2- 离子数形状络阴离子Si/O比实例岛状0四面体SiO44-1:4镁橄榄石 Mg2SiO4镁铝石榴石 Al2Mg3SiO43组群状12双四面体三节环四节环六节环Si2O76-Si3O96-Si4O126-Si6O186-2:71:3硅钙石 Ca3Si2O7蓝锥矿 BaTiSi3O9斧石 Ca2Al2(Fe,Mn)BO3Si4O12(OH)2绿宝石 Ba3Al2Si6O18链状22，3单链双链Si2O64-Si4O11

19、6-1:34:11透辉石 CaMgSi2O6透闪石 Ca2Mg5Si4O112(OH)2层状3平面层Si4O104-4:10滑石 Mg3Si4O10(OH)2架状4骨架SiO20AlSi3O81-AlSiO41-1:2石英 SiO2钾长石 KAlSi3O8方钠石 NaAlSiO44/3H2O硅酸盐晶体的结构类型结构类型SiO44- 共用形状络阴离镁橄榄石橄榄石族矿物中的一种，斜方晶系，化学式 Mg2SiO4，常含有2FeOSiO2和少量的Na、K和Al的氧化物的混合物。纯镁橄榄石晶体为无色透明体，加热时体积变化很小，耐火度大于1710，可不经煅烧直接做耐火骨料。1.岛状结构镁橄榄石橄榄石族矿物

20、中的一种，斜方晶系，化学式 Mg2镁橄榄石晶体（100面投影）镁橄榄石晶体（100面投影）2.组群状结构2.组群状结构绿宝石是铍-铝硅酸盐矿物。化学式：Be3Al2Si6O18。一般为六方柱形晶体，呈现的颜色一般多为各种绿色。如淡蓝色的（叫海蓝宝石），深绿色的（叫祖母绿），金黄色的（叫金绿柱石），粉红色的（叫铯绿柱石）等。绿宝石是铍-铝硅酸盐矿物。化学式：Be3Al2Si6O绿宝石晶体结构（0001面投影）两个六节环错开30绿宝石晶体结构（0001面投影）两个六节环错开303.链状结构3.链状结构陶瓷晶体结构课件透辉石化学式为CaMg(Si2O6)，晶体属单斜晶系的单链硅酸盐矿物。外观呈灰白色

21、，烧后洁白，是一种非常接近理论成分，有害杂质和烧失量极低的优质透辉石。透辉石是陶瓷常用原料，辉石应用于日用瓷釉中，综合了滑石和方解石的优点，不仅可以提高釉面的光泽度，半透明性和平整度。而且可降低瓷釉的烧成温度，扩大烧成范围。透辉石化学式为CaMg(Si2O6)，晶体属单斜晶系的单透闪石化学式为Ca2Mg5(Si8O22)(OH)2，晶体属单斜晶系的双链硅酸盐矿物。是组成软玉的主要矿物，用做雕刻工艺品、饰物。透闪石化学式为Ca2Mg5(Si8O22)(OH)2，晶透辉石晶体结构单链结构透辉石晶体结构单链结构链状结构与性质的关系链状结构与性质的关系4.层状结构硅氧四面体层结构4.层状结构硅氧四面体层结构层状结构硅酸盐晶体中硅氧四面体层和铝氧八面体层的连接方式1:1型2:1型层间结合水层状结构硅酸盐晶体中硅氧四面体层和铝氧八面体层的连接方式1:MgO4(OH)2SiO4SiO4MgO4(OH)2SiO4SiO4高岭石结构SiO4AlO2(OH)4