材料科学基础第13讲-硅酸盐及玻璃

硅酸盐及玻璃(bōlí)2016-11-7精品PPT本课内容(nèiróng)1硅酸盐概述(ɡàishù)2硅酸盐化学组成3硅酸盐晶体结构4重要硅酸盐材料5玻璃精品PPT硅酸盐概述(ɡàishù)1硅酸盐的重要性：硅材料(cáiliào)2Si-O四面体3桥氧和非桥氧精品PPT硅材料(cáiliào)单晶硅、多晶硅、非晶硅二氧化硅：石英（光纤），白碳黑，硅胶硅酸盐：黏土，高岭土，蒙脱土，硅藻土，叶腊石，长石，滑石，沸石其他重要(zhòngyào)无机硅化合物：Si3N4,SiC有机硅材料精品PPT硅的一些(yīxiē)物理性质密度2.329g/cm3at300K熔点Tm=1687K=1414℃热膨胀系数2.6×10-6/K导热率κ=1.5w/cm.Kat300K表面张力885mJ/m2atTm能隙Eg=1.126eVat300K电子(diànzǐ)迁移率（mobility)1440cm2/V.S空穴迁移率484cm2/V.S精品PPTSi的化学性质(huàxuéxìngzhì)Si原子序数:N=14,M=28,电子构型：Ne3S23P2原子半径(bànjìng)r=0.1176nmr(Si4+)=0.039nmSi-O键长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四面体Si精品PPT硅酸盐晶体结构1岛状结构(jiégòu)：橄榄石Mg2SiO4等2环状结构(jiégòu)：BaTiSi3O9,Be3Al2Si6O18等3链状结构(jiégòu)：Na2SiO3,MgSiO3(辉石）等4层状结构(jiégòu)：Al2Si2O5(OH)4（高岭土）等5架状结构(jiégòu)：SiO2等精品PPT硅氧四面体联结(liánjié)形式形式组成单元O/Si原子比举例孤立[SiO4]4-4橄榄石（Mg2SiO4）双联[Si2O7]6-3.5硅钙石（Ca3Si2O7）环形[SinO3n]2n-3绿柱石（Be3Al2Si6O18）单链[SinO3n]n2n-3辉石(huīshí)族（Mg2Si2O6等）双链[Si4O7]n6n-等2.75纤维蛇纹石(Mg6Si4O11(OH)6)层型[Si2O5]n2n-2.5高岭石骨架[SiO2]n2石英精品PPTSi/O比类型(lèixíng)桥氧非桥氧Si/O比SiOnm-例岛型041:4SiO44-二连体131:3.5Si2O76-环状221:3Si3O96-链状221:3(SiO3)n2n-层状311:2.5(Si2O5)n2n-架状401:2(SiO2)n精品PPT高岭石分子式：Al2(OH)4[Si2O5]或Al2O3·2SiO2·2H2O化学(huàxué)结构式：（OH)3八面体层Al2O2,OH四面体层Si2O3精品PPT叶腊石分子式：Al2(OH)2Si4O10或Al2O3·4SiO2·H2O结构式：O3四面体层Si2O2,OH八面体层Al2O2,OH四面体层Si2O3精品PPT白云母分子式：KAl2(OH)2[AlSi3O10]或K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O结构式：层间离子(lízǐ)KO6四面体层Al,Si3O4,(OH)2八面体层Al4O4,(OH)2四面体层Al,Si3O6层间离子(lízǐ)K精品PPT石英(shíyīng)SiO2精品PPT方石英(shíyīng)精品PPT胶体(jiāotǐ)SiO2(白炭黑）精品PPT沸石分子筛天然沸石多孔物质的定义沸石基本结构(jiégòu)合成方法应用领域精品PPTA型分子筛结构(jiégòu)精品PPT辉沸石结构(jiégòu)精品PPT沸石的多孔性1932年,McBain提出分子筛概念。IUPAC关于多孔物质(wùzhì)的分类:<2nmmicropore2-50nmmesopore>50nmmacropore精品PPT沸石分类(fēnlèi)1按来源：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）全硅分子筛5）磷酸铝分子筛(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)丝光沸石Mordenite(Na8Al8Si40O96·24H2O)钠沸石Natrolite(Na2Al2Si3O10·2H2O)辉沸石Stilbite(NaCa2Al5Si13O36·14H2O)方钠石Sodalite(Na6Al6O24·2NaCl)精品PPT人造(rénzào)沸石A型分子筛Linde-A，结构式缩写(suōxiě)符号LTAX-型分子筛Linde-X，FAUY-型分子筛Linde-Y，FAUZSM-5分子筛，MFI分子式NanAlnSi96-nO192·16H2O,n<27Zeolite-β,MFIZSM-11等精品PPT精品PPT沸石合成(héchéng)开始用高温高压(>200℃,10MPa),结果不理想1930s,英国科学家RBarrer和JSameshima开始研究,至1948年合成出天然(tiānrán)不存在的沸石1950sUCC(UnitedCarbideCompany)的Milton和Breck发展了沸石合成法:在温和的水热条件下(约100℃和常压)合成了A型沸石.1961年,Barrer和Denny首次将有机季铵盐阳离子引入合成体系中,合成了高硅铝比的沸石精品PPTA型沸石合成(héchéng)(LTA)Na12[(AlO2)12(SiO2)12]27H2O13.5g铝酸钠固体(含约40%Al2O3,33%Na2O,27%H2O)和25gNaOH在电磁搅拌下被溶解在300mL水中,加热溶解.在激烈搅拌下,将铝酸钠溶液加入到热的硅酸钠溶液(14.2gNa2SiO3•9H2O溶解在200mL水中).加热反应液至90,并搅拌反应2-5小时后结束.过滤,水洗,干燥,可得到1-2微米的白色粉末.X射线测定(cèdìng)纯度等.精品PPTY型沸石合成(héchéng)(FAU)Na56[(AlO2)56(SiO2)136]250H2O13.5g铝酸钠和10g氢氧化钠在电磁搅拌下溶解在70mL水中,在激烈搅拌下,将铝酸钠溶液加入到盛有100g硅溶胶(含30%SiO2)的聚丙烯瓶中,成化1-2天后,在95晶化2-3天,完成.过滤(guòlǜ).水洗,干燥,得产品精品PPTZSM-5合成(héchéng)(Na,TPA)3[(AlO2)3(SiO2)93]16H2O将铝酸钠溶液(0.9g铝酸钠和5.9g氢氧化钠溶在50g水中)和模板(múbǎn)剂溶液(8.0g四丙基溴化铵TPABr和6.2g96%硫酸溶在100g水中),同时加入到盛有60g硅溶胶(含30%SiO2)聚丙烯塑料瓶中,激烈摇动使凝胶均匀化.在95晶化10-14天.过滤,水洗,干燥,得到ZSM-5原粉.精品PPT沸石分子筛应用(yìngyòng)吸附作用，作干燥剂，吸附水,干燥天然气,干燥裂化气,干燥化学溶剂等分离作用:空气分离制备氧气和氮气;二甲苯异构体分离;介孔材料作为色谱柱填料(tiánliào)。纯化作用:除去天然气中的CO2及硫化物,在低温空气分离中除去CO2,作催化剂及催化剂载体作离子交换剂，洗涤添加剂等利用多孔结构，作微电极,新化学电源,太阳能转化材料,量子点和量子线,光电器件,敏感元件其它应用:造纸填料(tiánliào),动物饲料,水泥添加剂等精品PPT玻璃(bōlí)的应用门窗玻璃器皿玻璃光学玻璃(guāngxuébōlí)光导纤维精品PPT玻璃(bōlí)化学组成网络形成元素：Si,B,P,Ge网络改善元素：Ba,Ca,K,Li,Na,Mg。存在于网络间的空隙(kòngxì)中。常用氧化物添加，如BaO,CaO,K2O,Li2O,Na2O,MgO.介入元素：Al,Pb,Ti,Zn。可以进入网络，但不形成网络。也用氧化物Al2O3,PbO,TiO2,ZnO加入。着色剂：Cd(红），Co（蓝），Cr（绿）,Cu（青蓝），Fe（棕），Mn（品红）。是杂质元素，也存在于网络间隙。精品PPT常用(chánɡyònɡ)玻璃组成(%wt)SiO2Na2OB2O3Al2O3CaOK2OMgO石英(shíyīng)100窗7215103瓶7315110