第三章第四节-无机非金属材料的结构基础--副本课件.ppt

1、u3.4 无机非金属材料的组成与结构材材料料无机非金无机非金属材料属材料金属材料金属材料 Fe、Cu、Al、合金等、合金等 高分子材料：塑料、橡胶、纤维高分子材料：塑料、橡胶、纤维、涂料、粘合剂涂料、粘合剂传统无机非金属材料传统无机非金属材料新型无机非金属材料新型无机非金属材料水泥水泥玻璃玻璃陶瓷等陶瓷等发光材料等发光材料等高温结构陶瓷高温结构陶瓷光导纤维光导纤维一一.传统无机非金属材料传统无机非金属材料-硅酸盐材料硅酸盐材料 以含硅物质为原料经加热制成的制造工业以含硅物质为原料经加热制成的制造工业-硅酸盐工业硅酸盐工业 2、玻璃、玻璃 3、陶瓷、陶瓷 4、耐火材料、耐火材料 1、水泥、水泥

2、水泥水泥玻璃玻璃陶瓷陶瓷主要原料主要原料主要设备主要设备反应条件反应条件反应原理反应原理主要成分主要成分特性特性水泥、玻璃、陶瓷生产比较水泥、玻璃、陶瓷生产比较石灰石石灰石.粘土粘土回转炉回转炉高温高温复杂的物复杂的物理、化学理、化学变化变化3CaOSiO22CaOSiO23CaOAl2O3水硬性水硬性石英石英. 纯碱纯碱石灰石石灰石玻璃熔炉玻璃熔炉高温高温NaNa2 2COCO3 3+SiO+SiO2 2= Na= Na2 2SiOSiO3 3+CO+CO2 2 CaCOCaCO3 3+SiO+SiO2 2= CaSiO= CaSiO3 3+CO+CO2 2Na2SiO3 CaSiO3 Si

3、O2玻璃态物质玻璃态物质粘土粘土陶瓷窑陶瓷窑高温高温复杂的物复杂的物理化学变理化学变化化成分复杂成分复杂抗氧化抗氧化.酸酸碱碱.腐蚀耐腐蚀耐高温高温.绝缘绝缘7.陶瓷主要种类：陶瓷主要种类：土土器：砖瓦器：砖瓦( (自然冷却，自然冷却，FeFe2 2O O3 3含量较多含量较多) )( (淋水冷却，淋水冷却，FeFe3 3O O4 4、FeOFeO较多较多) )陶器：陶器： 彩陶彩陶瓷器：瓷器：碗盘碗盘茶具茶具炻器：炻器：水缸、砂锅水缸、砂锅搪瓷不属于陶瓷搪瓷不属于陶瓷青瓦青瓦 西周原始瓷尊唐三彩骑驼人俑 唐三彩红立马1.下列物质：下列物质：水泥水泥 玻璃玻璃 陶瓷陶瓷 水晶，其中属于水晶，其

4、中属于硅酸盐工业产品的是硅酸盐工业产品的是 ( ) A 只有只有 B 只有只有 C 全部全部 D 只有只有D 2. 在玻璃、水泥工业生产中，都需要的原料在玻璃、水泥工业生产中，都需要的原料是（是（ ）。）。 石灰石石灰石 纯碱纯碱 粘土粘土 石英石英A3.下列物质属于纯净物的是下列物质属于纯净物的是水玻璃水玻璃 水泥水泥 玻玻璃璃 漂白粉漂白粉 胆矾胆矾 氯水氯水 液氯液氯 ( ) A、 B、 C、 D、D4.与钢化玻璃成分相同的是与钢化玻璃成分相同的是 ( ) A 有色玻璃有色玻璃 B 普通玻璃普通玻璃 C 石英玻璃石英玻璃 D 光学玻璃光学玻璃B5.熔融烧碱应选用的仪器是：熔融烧碱应选用的

5、仪器是： （ ） A、石英坩埚石英坩埚 B、普通玻璃坩埚普通玻璃坩埚 C、生铁坩埚生铁坩埚 D、陶瓷坩埚陶瓷坩埚C1传统的硅酸盐材料有什么优、缺点？传统的硅酸盐材料有什么优、缺点？ 优点：抗腐蚀、耐高温；优点：抗腐蚀、耐高温；缺点：质脆、经不起热冲击。缺点：质脆、经不起热冲击。 2新型无机非金属材料有哪些特性？新型无机非金属材料有哪些特性？ 承受高温，强度高。承受高温，强度高。 具有光学特性。具有光学特性。具有电学特性。具有电学特性。 具有生物功能。具有生物功能。 u1.能承受高温、强度高。能承受高温、强度高。例如：氮化硅陶瓷在例如：氮化硅陶瓷在1200左右的高温下，左右的高温下，仍具有很高的

6、强度，可用来制造汽轮机叶仍具有很高的强度，可用来制造汽轮机叶片、轴承、永久性模具等。片、轴承、永久性模具等。u2.具有电学特性，一些新型无机非金属材料具有电学特性，一些新型无机非金属材料可以作为半导体、导体、超导体等，一些可以作为半导体、导体、超导体等，一些绝缘性材料常被用于集成电路的基板。绝缘性材料常被用于集成电路的基板。u3.具有光学特性。有些新型无机非金属具有光学特性。有些新型无机非金属材料能发出各色的光，有的能透过可见材料能发出各色的光，有的能透过可见光，有的能使红外线、雷达射线穿过。光，有的能使红外线、雷达射线穿过。处于高温下的光导纤维u4. 具有生物特性。有些新型无机非金属具有生物

7、特性。有些新型无机非金属材料强度高、无毒、不溶于水，对人体材料强度高、无毒、不溶于水，对人体组织有较好的适应性，可直接植入人体组织有较好的适应性，可直接植入人体内，用这类材料制成的人造牙齿、人造内，用这类材料制成的人造牙齿、人造骨骼，已被应用在医疗上。骨骼，已被应用在医疗上。人造关节u1、高温结构陶瓷、高温结构陶瓷 u a.氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷 高压钠灯高压钠灯氧化铝陶瓷（人造刚玉）氧化铝陶瓷（人造刚玉）主要特性主要特性高熔点；高熔点；高硬度；高硬度；可制成透可制成透明陶瓷；明陶瓷；无毒、不溶于水，强度无毒、不溶于水，强度高；高；对人体有较好的适应性对人体有较好的适应性 主要用途主要用途高级耐

8、火材料，刚玉球磨机；高压高级耐火材料，刚玉球磨机；高压钠灯的灯管、人造骨、人造牙、人钠灯的灯管、人造骨、人造牙、人造心瓣膜、人造关节等造心瓣膜、人造关节等b.氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷主要特主要特性性超硬度，耐磨损；超硬度，耐磨损；抗腐蚀，抗腐蚀，高温时也抗氧化；高温时也抗氧化；抗冷热冲击抗冷热冲击而不碎裂；而不碎裂；耐高温且不易传热耐高温且不易传热；本身具有润滑性本身具有润滑性 主要用主要用途途制造轴承、汽轮机叶片、机械密制造轴承、汽轮机叶片、机械密封环、永久性模具等机械构件。封环、永久性模具等机械构件。用于制造柴油机中发动机部件的用于制造柴油机中发动机部件的受热面等受热面等陶瓷轴承陶瓷轴承光导纤

9、维（光导纤维（二氧化硅二氧化硅）主要特性主要特性抗干扰性能好，不发生辐射；抗干扰性能好，不发生辐射；通讯质量好；通讯质量好；质量轻、耐腐蚀质量轻、耐腐蚀主要用途主要用途用于通讯外，还用于医疗、信息用于通讯外，还用于医疗、信息处理、遥测遥控等处理、遥测遥控等u4、下列哪些材料是新型无机材料、下列哪些材料是新型无机材料 u 氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷 氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷 碳化硅陶瓷碳化硅陶瓷 氮化铝陶瓷氮化铝陶瓷 氮化钛陶瓷氮化钛陶瓷 硅化硼陶瓷硅化硼陶瓷 二硅化铜陶瓷二硅化铜陶瓷 ( )uA B u C D 全部全部D3.4.2.1 无机非金属材料的无机非金属材料的组成与结合键组成与结合键 结合键结

10、合键化学键化学键物理键物理键离子键、共价键、金属键氢键、范德华力键无机非金属材料结构中，主要含有、和既含离子键又含共价键的混合价键。由此把晶体分成5种典型类型： 离子晶体、共价晶体（原子晶体）、金属晶体、分子晶体、氢键晶体。NaCl晶体结构中的离子键和晶胞结构1.离子键实质离子键实质 离子键：由正、负离子依靠静电库仑力而产生的键合。离子键：由正、负离子依靠静电库仑力而产生的键合。 离子晶体：质点之间主要依靠静电库仑力而结合的晶体。离子晶体：质点之间主要依靠静电库仑力而结合的晶体。 2. 典型离子晶体：典型离子晶体：金属元素同非金属元素的化合物：LiF、NaCl、GaF2二元金属氧化物：Na2O

11、、BaO、MgO三元或多元化合物：镁铝尖晶石 MgOAl2O3 锆钛酸铝 Pb2（ZrxTi1-x）O33. 离子键特性离子键特性（1）无方向性（2）无饱和性 单质Si：Si-Si键为共价键。1个4价Si原子，与其周围4个Si原子共享最外层的电子，从而使每个Si原子最外层获得8个电子。1对共有电子代表1个共价键，所以1个Si原子有4个共价键与邻近4个Si原子结合，形成四面体结构，其中共价键之间的夹角约为109。 单质Si结构中的共价键和晶胞结构u1. 共价键实质共价键实质 共价键：原子之间通过共用电子对或通过电子云重叠而产生的键合。 共价晶体或原子晶体：靠共价键结合的晶体。 u2.典型的共价晶

12、体：典型的共价晶体：第IV族元素C（金刚石），Si，Ge，Sn（灰锡）等的晶体，属金刚石结构。u3. 共价键特性共价键特性 有饱和性 有方向性 3.4.2.2晶体结构晶体结构一、典型无机化合物晶体的结构二、硅酸盐晶体结构7类晶系类晶系(syngonies)、14种种Bravais点阵点阵SyngoniesAxes (a,b,c)Angles（,）立方立方 cubic a=b=ca=b=ga=b=g=900四方四方 tetragonal a=bc=900六方六方 hexagonal a=bca=ba=b=900,g g1200三方三方 triagnoala=b=c (a=bc)a=b=ga=b=

13、g900 (a=ba=b=900,g g1200)正交正交 orthorhombica bc=900单斜单斜 monoclinicabc=900三斜三斜 triclinicabc900 u四面体空隙四面体空隙：在等大球：在等大球体的最紧密堆积中体的最紧密堆积中,由由4个球体所围成的空隙。个球体所围成的空隙。 u八面体空隙八面体空隙:在等大球体的在等大球体的最紧密堆积中最紧密堆积中,把组成层间把组成层间空隙的球心连起来空隙的球心连起来,由由6个球个球体所围成的空隙。体所围成的空隙。 四面体空隙和八面体空隙fccfccbccbcc一一金刚石结构金刚石结构二二石墨结构石墨结构三三NaCl型结构型结构

14、四四CsCl型结构型结构五五闪锌矿型结构闪锌矿型结构六六纤锌矿型结构纤锌矿型结构七七萤石型结构萤石型结构八八金红石型结构金红石型结构九九碘化镉型结构碘化镉型结构十十. 刚玉型结构刚玉型结构十一十一. 钙钛矿型结构钙钛矿型结构十二十二. 尖晶石型结构尖晶石型结构n化学式化学式C；晶体结构为立方晶系晶体结构为立方晶系Fd3m，面心立方格子，面心立方格子，a00.356nm；碳原子位于面心立方的所有结点位置和交碳原子位于面心立方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；每个晶胞中原子数替分布在立方体内四个小立方体中心；每个晶胞中原子数Z8，每个碳原子周围都有每个碳原子周围都有4个碳，之间形

15、成共价键。个碳，之间形成共价键。n与其结构相同的有与其结构相同的有硅、锗、灰锡、合成立方氮化硼等硅、锗、灰锡、合成立方氮化硼等n性质：性质： 硬度最大、具半导体性能、极好的导热性硬度最大、具半导体性能、极好的导热性n石墨（石墨（C），），六方晶系，六方晶系，P63mmc，a0=0.146nm，c0=0.670nm，每个晶胞中原子数每个晶胞中原子数Z=4 。n结构表现为结构表现为碳原子呈层状碳原子呈层状排列排列。层内碳原子呈六方。层内碳原子呈六方环状排列，每个碳原子与环状排列，每个碳原子与三个相邻碳原子之间的距三个相邻碳原子之间的距离均为离均为0.142nm；层间距离层间距离为为0.335nm。

16、层内为共价键，层内为共价键，层间为分子键相连层间为分子键相连。n石盐化学式石盐化学式NaCl，立方晶系，立方晶系，Fm3m，立方面心格子，立方面心格子，a00.563nm，单位晶胞中的单位晶胞中的“分子分子”数数Z4。n阴、阳离子以离子键结合，为离子晶体。阴、阳离子以离子键结合，为离子晶体。Cl-按立方最紧密按立方最紧密堆积方式堆积，堆积方式堆积，Na充填于全部八面体空隙中，八面体之间充填于全部八面体空隙中，八面体之间共棱（共用两个顶点）连接，阴、阳离子共棱（共用两个顶点）连接，阴、阳离子配位数均为配位数均为6。n立方晶系立方晶系Pm3m空间群，空间群，a00.411nm，Z1，立方原始立方原

17、始格子，格子，Cl-处于立方原始格子的八个角顶上，处于立方原始格子的八个角顶上，Cs位于立方位于立方体中心（立方体空隙），体中心（立方体空隙）， Cl-和和Cs+的的CN均为均为8。n属于属于CsCl型结构的晶体：型结构的晶体：CsBr、CsI、NH4Cl等等n立方晶系立方晶系F 3m，a00.540nm，Z4，面心立方格子，面心立方格子，S2-位于立方面心位于立方面心的结点位置，而的结点位置，而Zn2+交错地分布于立交错地分布于立方体内的方体内的1/8小立方体的中心。小立方体的中心。n阴、阳离子的阴、阳离子的CN均为均为4，若把，若把S2-看看成立方最紧密堆积，则成立方最紧密堆积，则Zn2+

18、充填于充填于1/2的四面体空隙中。的四面体空隙中。n属于闪锌矿型结构的晶体：属于闪锌矿型结构的晶体：b b-SiC, GaAs, AlP, InSb等等六方晶系,空间群P63mc，a0=0.382nm，c0=0.625nm，Z=2；阳离子和阴离子的配位数都是4 ；S2-按六方最紧密堆积排列，Zn2+充填于1/2的四面体空隙中。属于纤锌矿型结构的晶体有：属于纤锌矿型结构的晶体有：BeO、ZnO、AIN等等Z=6Z=2立方晶系，空间群立方晶系，空间群Fm3m，a0 = 0.545nm，Z4；Ca2+位于立方面心的结点上，位于立方面心的结点上，F-位于立方体内八个小立方体位于立方体内八个小立方体中心

19、；中心；Ca2+的的CN8，F-的的CN4；Ca2+作立方紧密堆积作立方紧密堆积 ，F-充填于全部四面体空隙，充填于全部四面体空隙，八面八面体空隙全部空着体空隙全部空着，因此在八个，因此在八个F-之间存在有较大的空洞，之间存在有较大的空洞，为为F-的扩散提供条件。的扩散提供条件。q类似晶体：类似晶体：BaF2、PbF2、SnF2、CeO2、ThO2、UO2等等v反萤石结构反萤石结构：晶体结构与萤石完：晶体结构与萤石完全相同，只是阴、阳离子全相同，只是阴、阳离子 位置完位置完全互换。如全互换。如Li2O、Na2O、K2O等。等。n四方晶系，四方晶系，P42/mnm ，a0=0.459nm，c0=

20、0.296nm，Z=2；nTi4+位于四方原始格子结点位置，位于四方原始格子结点位置，体中心体中心Ti4+不属此四方原不属此四方原始格子始格子，而自成另一套四方原始格子，因为这两个，而自成另一套四方原始格子，因为这两个Ti4+周围周围环境不同，不能成为四方体心格子，环境不同，不能成为四方体心格子，O2-处于特定位置；处于特定位置；n TiTi4+4+的配位数为的配位数为6 6，O O2-2-的配位的配位数为数为3 3。 nTi-OTi-O八面体以共棱方式排成链状，晶胞中心的链和四角的八面体以共棱方式排成链状，晶胞中心的链和四角的TiTiO O八面体链的排列方向相差八面体链的排列方向相差9090

21、 n链与链之间是链与链之间是Ti-OTi-O八面体以共顶相连八面体以共顶相连n还可以把还可以把O O2-2-看成近似六方紧密堆积，看成近似六方紧密堆积，而而TiTi4+4+位于位于1/21/2的八面体空隙中的八面体空隙中n属于金红石结构的晶体有：属于金红石结构的晶体有：SnO2；PbO2；MnO2；MoO2； WO2；MnF2； MgF2；VO2n三方晶系，空间群三方晶系，空间群P m ，a0=0.424nm，c0=0.684nm，Z=1；nCd2+占有六方原始格子的结点位置，占有六方原始格子的结点位置，I-交叉分布于三个交叉分布于三个Cd2+的三角形中心的上、下方；的三角形中心的上、下方；

22、Cd2+的配位数是的配位数是6，上下，上下各各3个个I- ， I-配位数是配位数是3，3个个Cd2+处于同一边，因此，该结处于同一边，因此，该结构相当于两层构相当于两层I-离子夹一层离子夹一层Cd2+ ，构成复合层。层间由范，构成复合层。层间由范德华力相连，是一种较典型的层状结构，层间范德华力较德华力相连，是一种较典型的层状结构，层间范德华力较弱，而呈现弱，而呈现（0001）的解理；层内则由于极化作用，）的解理；层内则由于极化作用，CdI之间是具有离子键性质的共价键，键力较强。之间是具有离子键性质的共价键，键力较强。3n类似晶体有：类似晶体有：Ca（OH）2；Mg（OH）2；CaI2；MgI2

23、等。等。Cd2+I-n三方晶系，空间群三方晶系，空间群 ，a0=0.517nm，a a=5517，Z=2cR3nO2-按六方紧密堆积排列按六方紧密堆积排列 ，形成，形成ABABAB重复规律，重复规律，Al3+填填充于充于2/3的八面体空隙，的八面体空隙，Al3+的的分布原则符合鲍林规则：分布原则符合鲍林规则：在同在同一层和层与层之间，一层和层与层之间，Al3+之间之间的距离应保持最远。的距离应保持最远。nAl2O3中的氧与铝的排列次序可写成：中的氧与铝的排列次序可写成： OAAlDOBAlEOAAlFOBAlDOAAlEOBAlFOAAlD 13层层 n属于刚玉型结构的晶体：属于刚玉型结构的晶

24、体： Fe2O3、Cr2O3、Ti2O3、V2O3、FeTiO3 ；MgTiO3等等n钙钛矿结构的通式为钙钛矿结构的通式为ABO3，其中A代表二价（或一价）金属离子：Ca2+, Ba2+, Pb2+ ，B代表四价（或五价）金属离子：Ti4+, Zr4+。nCaTiO3在高温时为立方晶系（理想结构），Pm3m，a00.385nm，Z1；600以下为斜方晶系PCmm。nCa2+占有立方面心的角顶位置，占有立方面心的角顶位置，O2-占有面心位置，可看成占有面心位置，可看成Ca2+ 和和O2- 共共同组成立方紧密堆积，同组成立方紧密堆积，Ti4+充填于充填于1/4的八面体空隙中，位于立方体中心，的八面

25、体空隙中，位于立方体中心， Ti4+ 的的CN6， Ca2+的的CN12。AB2O4型化合物中最重要的一种结构是型化合物中最重要的一种结构是尖晶石结构：尖晶石结构： n立方晶系立方晶系 ，Fd3m，a0=0.808nm，Z=8nO2-按立方紧密堆积排列，二价离子按立方紧密堆积排列，二价离子A充填充填1/8 四面体空隙，四面体空隙，三价离子三价离子B充填充填1/2八面体空隙八面体空隙正型尖晶石结构正型尖晶石结构。n八面体间共棱相连，八面体与四面体间是共顶相连。八面体间共棱相连，八面体与四面体间是共顶相连。n反型尖晶石结构：反型尖晶石结构：二价二价阳离子充填八面体空隙，阳离子充填八面体空隙，三价阳

26、离子一半充填四面三价阳离子一半充填四面体空隙，另一半充填八面体空隙，另一半充填八面体空隙中。体空隙中。氧化物方法氧化物方法无机络盐表示法无机络盐表示法氧化物方法氧化物方法：即把构成硅酸盐晶体的所有氧化物：即把构成硅酸盐晶体的所有氧化物按一定的比例和顺序全部写出来，先是按一定的比例和顺序全部写出来，先是1价的碱金属氧化价的碱金属氧化物，其次是物，其次是2价、价、3价的金属氧化物，最后是价的金属氧化物，最后是SiO2。例如例如，钾长石的化学式写为，钾长石的化学式写为 K2OAl2O36SiO2； 无机络盐表示法无机络盐表示法：把构成硅酸盐晶体的所有离子：把构成硅酸盐晶体的所有离子按照一定比例和顺序

27、全部写出来，再把相关的络阴离子按照一定比例和顺序全部写出来，再把相关的络阴离子用用 括起来。先是括起来。先是1价、价、2价的金属离子，其次是价的金属离子，其次是Al3+和和Si4+，最后是最后是O2-或或OH。如钾长石为如钾长石为 KAlSi3O8。u（1）构成硅酸盐晶体的）构成硅酸盐晶体的基本结构单元基本结构单元SiO4四面体。四面体。Si-O-Si键是一条键是一条夹角不等的折线，一般在夹角不等的折线，一般在145o左右。左右。u（2）SiO4四面体的每个顶点，即四面体的每个顶点，即O2-离子最多只能为两个离子最多只能为两个SiO4四面四面体所共用。体所共用。u（3）两个相邻的）两个相邻的S

28、iO4四面体之间只能共顶而不能共棱或共面连接。四面体之间只能共顶而不能共棱或共面连接。u（4）SiO4四面体中心的四面体中心的Si4+离子可部分地被离子可部分地被Al3+ 所取代。所取代。硅氧四面体硅氧四面体SiO4硅酸盐晶体化学式中不同的硅酸盐晶体化学式中不同的Si/O比对应基本结构比对应基本结构单元之间的不同结合方式。单元之间的不同结合方式。X射线结构分析表明，硅酸射线结构分析表明，硅酸盐晶体中盐晶体中SiO4四面体的结合方式有四面体的结合方式有岛状、组群状、链岛状、组群状、链状、层状和架状状、层状和架状等五种方式。硅酸盐晶体也分为相应的等五种方式。硅酸盐晶体也分为相应的五种类型，其对应的

29、五种类型，其对应的Si/O由由1/4变化变化到到1/2，结构变得越，结构变得越来越复杂，见来越复杂，见表表1。 uSiO4 以孤岛状存在，各顶点之间互不连接，每个O2-一侧与1个Si4+连接，另一侧与其它金属离子相配位使电价平衡。结构中Si/O比为1:4。u有：锆石英ZrSiO4、镁橄榄石Mg2SiO4、蓝晶石Al2O3SiO2、莫来石3Al2O32SiO2以及水泥熟料中g-C2S、b-C2S和C3S等。 u2个、3个、4个或6个SiO4 通过相连接形成单独硅氧络阴离子团（有限硅氧四面体群），它们之间再通过其它金属离子连接。 u（1）桥氧（或公共氧、非活性氧）：有限四面体）桥氧（或公共氧、非活

30、性氧）：有限四面体群中连接两个群中连接两个Si4+的氧，其电价已饱和，一般不再的氧，其电价已饱和，一般不再与其它正离子配位。与其它正离子配位。u（ 2）非桥氧（或非公共氧、活性氧）：只有一）非桥氧（或非公共氧、活性氧）：只有一侧与侧与Si4+相连接的氧。相连接的氧。概念：孤立的有限硅氧四面体群u组群状结构中Si/O比：2:7或1:3 u双四面体：硅钙石Ca3Si2O7 铝方柱石 Ca2AlAlSiO7 镁方柱石Ca2MgSi2O7 u三节环：蓝锥矿BaTiSi3O9 u六节环：绿宝石Be3Al2Si6O18u SiO4通过桥氧相连接，形成向一维方向无限延伸的链。 依照SiO4共用O2-数目不同

31、，分为单链和双链。每个SiO4通过共用2个顶点向一维方向无限延伸。两条相同单链通过尚未共用的氧组成带状。（a）单链结构；（b）双链结构；（c）（d）（e）为从箭头方向观察所得的投影 u每个SiO4通过3个桥氧连接，构成向二维方向伸展的六节环状硅氧层（无限硅氧四面体群），其中可取出一个矩形单元Si4O104-，则化学式：Si4O10n4n-。 层状结构硅氧四面体层状结构硅氧四面体 （a）立体图）立体图（b）投影图）投影图u架状结构中硅氧四面体的每个顶点均为桥氧，硅氧四面体之间共顶连接，形成三维“骨架”结构。作为骨架的硅氧结构单元的化学式为SiO2n，其中Si/O为1 2。 架状u填充晶粒间隙、粘

32、结晶粒，使材料致密填充晶粒间隙、粘结晶粒，使材料致密。u降低烧成温度，改善工艺性能，抑制晶粒长大降低烧成温度，改善工艺性能，抑制晶粒长大。固体材料结构固体材料结构 晶态：原子周期规整排列（长程有序） 非晶态： 原子无规则排列（短程有序）玻璃和非金属在各种无机材料中，一般都含有一定数量的玻璃相。3.4.2.3 非晶体结构非晶体结构一、各一、各 向向 同同 性性二、二、 介稳性介稳性四、四、 由熔融态向玻璃态转化时，物理、由熔融态向玻璃态转化时，物理、 化学性质随温度变化的连续性化学性质随温度变化的连续性三、三、 状态转化的渐变性状态转化的渐变性和可逆性和可逆性u门捷列耶夫门捷列耶夫：与金属合金类

33、似，没有固定化学组成：与金属合金类似，没有固定化学组成的无定形物质。微晶子学说的无定形物质。微晶子学说u哈里阿森哈里阿森: 无规网络学说无规网络学说u泰曼泰曼：过冷液体。：过冷液体。u索克曼索克曼：基本结构单元是具有一定化学组成的分子：基本结构单元是具有一定化学组成的分子聚合体。聚合体。u前苏联学者列别捷夫前苏联学者列别捷夫1921年提出年提出u-u实验依据实验依据 1. 折射率折射率-温度曲线温度曲线学说要点学说要点2. 钠硅双组分玻璃的钠硅双组分玻璃的X射线散射强度曲线射线散射强度曲线3. 红外反射光谱红外反射光谱u 玻璃由无数的玻璃由无数的“晶子晶子”组成。所谓组成。所谓“ 晶子晶子”不

34、同于一般微晶，而是带有不同于一般微晶，而是带有晶格变形晶格变形的有序区的有序区域，它分散于无定形的介质中，并且域，它分散于无定形的介质中，并且“ 晶子晶子”到介质的过渡是逐渐完成的，两者之间无明显到介质的过渡是逐渐完成的，两者之间无明显界线。界线。/sin1、未加热、未加热2、618保温保温1小时小时3、800保温保温10分钟分钟(670保温保温20小时小时)27Na2O73SiO2的的x射线散射强度曲线射线散射强度曲线 第一峰：是石英玻璃衍射的主峰与晶体石英特征峰一致。第二峰：是Na2O-SiO2玻璃的衍射主峰与偏硅酸钠晶体的特征峰一致。在钠硅玻璃中，上述两个峰均同出现。SiO2的含量增加，

35、第一峰明显，第二峰减弱；Na2O含量增加，第二峰强度增加。 钠硅玻璃中同时存在钠硅玻璃中同时存在方石英晶子和偏硅酸方石英晶子和偏硅酸钠晶子，而且随钠晶子，而且随成分和制备成分和制备条件而变。条件而变。提高温提高温度或保温时间延长衍射主峰清晰，强度增大，度或保温时间延长衍射主峰清晰，强度增大，说明晶子长大。但玻璃中方石英晶子与方石英说明晶子长大。但玻璃中方石英晶子与方石英晶体相比有变形。晶体相比有变形。结结 论论石英玻璃和石英晶体结构模型SiO4有着严格的规则排列SiO4排列是无序的、缺乏对称性和周期性的重复。（b）石英玻璃网络结构）石英玻璃网络结构（a）石英晶体网络结构）石英晶体网络结构石英晶

36、体的网络结构如图（石英晶体的网络结构如图（a）所示，）所示，它是由硅氧四面体结构单元无数次有它是由硅氧四面体结构单元无数次有规则的重复形成的，是规则的重复形成的，是长程有序的结构长程有序的结构。石英玻璃的网络结构如图（石英玻璃的网络结构如图（b）所示，）所示，它的基本结构单元也是硅氧四面体，但它的基本结构单元也是硅氧四面体，但却组成却组成了无规则的网络结构了无规则的网络结构。（1）瓦伦对玻璃的）瓦伦对玻璃的x-衍射图衍射图瓦伦认为石英玻璃和方石英中原子间距大致一致。峰值的存在并不说明晶体的存在。石英玻璃中没有象硅胶一样的小角度衍射，说明它是一种密实体，结构中没有不连续的离子或空隙。实验表明实验

37、表明：玻璃物质主要部分不玻璃物质主要部分不可能以方石英晶体的可能以方石英晶体的形式存在，而每个原形式存在，而每个原子的周围原子配位对子的周围原子配位对玻璃和方石英来说都玻璃和方石英来说都是一样的。是一样的。 2、学说要点：、学说要点： (1)形成玻璃的物质与相应的晶体类似，形成相形成玻璃的物质与相应的晶体类似，形成相似的三维空间网络。似的三维空间网络。 (2)这种网络是由离子多面体通过桥氧相连，向这种网络是由离子多面体通过桥氧相连，向三维空间无规律的发展而构筑起来的。三维空间无规律的发展而构筑起来的。 (3)电荷高的网络形成离子位于多面体中心，半电荷高的网络形成离子位于多面体中心，半径大的变性

38、离子，在网络空隙中统计分布，径大的变性离子，在网络空隙中统计分布，对于每一个变价离子则有一定的配位数。对于每一个变价离子则有一定的配位数。 (4)氧化物要形成玻璃必须具备氧化物要形成玻璃必须具备四个四个条件：条件： A、每个每个O最多与两个网络形成离子相连。最多与两个网络形成离子相连。 B、多面体中阳离子的配位数多面体中阳离子的配位数 4。 C、多面体共点而不共棱或共面。多面体共点而不共棱或共面。 D、多面体至少有多面体至少有3个角与其它相邻多面体共用。个角与其它相邻多面体共用。 两种假说各具优缺点，两种观点正在逐两种假说各具优缺点，两种观点正在逐步靠近。统一的看法是步靠近。统一的看法是晶子假

39、说着重于晶子假说着重于玻璃结构的微不均匀和玻璃结构的微不均匀和 有序性有序性。 无规则网络学说着重于无规则网络学说着重于玻璃结构的无玻璃结构的无序、连续、均匀和统计性序、连续、均匀和统计性。它们各自能解释玻璃的一些性质变化规律。它们各自能解释玻璃的一些性质变化规律。u1. 炭黑 各种炭黑的差异主要在表面积（或粒子大小）、聚集体形态、粒子和聚集体的质量分布和化学组成等方面。 u表面积表面积u用来鉴别和分类命名炭黑的重要性质之一。表面积用气相或液相吸附法测得。最经典的测定方法是低温氮吸附法（即BET法）。由于氮分子相对较小,可进入炭黑微孔之中，该法测得的结果表征炭黑的总表面积。近年来研究成功大分子

40、吸附法（如CTAB），因大分子不能进入微孔，其测定结果表征炭黑的外表面积，即“光滑”表面积。大多数橡胶用炭黑是无孔的,所以BET测定结果和CTAB测定结果是一致的。对某些色素用炭黑，这两种表面积测定结果的差，即表征炭黑的粗糙度或孔隙度。另一种测定方法吸碘法也广泛用于生产控制和产品分类，其特点是简单快速，但测定结果受炭黑表面氧化程度的影响。 u结构结构u炭黑的第二个重要性质。炭黑的结构取决于聚集体尺寸、形状以及每个聚集体的粒子数和平均质量。上述这些特性均影响聚集体的堆积状态和粉末的空隙容积。通常，炭黑的结构用DBP（dibutyl phthalate，邻苯二甲酸二丁酯）吸油值表示。炭黑在 170

41、MPa下压缩4次后的DBP值，习惯上称为压缩吸油值或24M4DBP值。压缩吸油值更真实地反映炭黑聚集体在胶料中的状态。 u2. 石墨u 石墨是碳质元素结晶矿物，它的结晶格架为六边形层状结构。每一网层间的距离为3.40Å，同一网层中碳原子的间距为142Å。属六方晶系，具完整的层状解理。解理面以分子键为主，对分子吸引力较弱，故其天然可浮性很好。 u石墨与金刚石、碳60、碳纳米管等都是碳元素的单质，它们互为同素异形体。 性质：u 石墨质软，黑灰色；有油腻感，可污染纸张。硬度为12，沿垂直方向随杂质的增加其硬度可增至35。比重为1923。比表面积范围集中在1-20m2/g，在隔

42、绝氧气条件下，其熔点在3000以上，是最耐温的矿物之一。 它能导电、导热。 u自然界中纯净的石墨是没有的，其中往往含有SiO2、Al2O3、FeO、CaO、P2O5、CuO等杂质。这些杂质常以石英、黄铁矿、碳酸盐等矿物形式出现。此外，还有水、沥青、CO2、H2、CH4、N2等气体部分。因此对石墨的分析，除测定固定碳含量外，还必须同时测定挥发分和灰分的含量。 u石墨由于其特殊结构，而具有如下特殊性质：u u1） 耐高温型：石墨的熔点为385050，沸点为4250，即使经超高温电弧灼烧，重量的损失很小，热膨胀系数也很小。石墨强度随温度提高而加强，在2000时，石墨强度提高一倍。 u2） 导电、导热

43、性：石墨的导电性比一般非金属矿高一百倍。导热性超过钢、铁、铅等金属材料。导热系数随温度升高而降低，甚至在极高的温度下，石墨成绝热体。 石墨能够导电是因为石墨中每个碳原子与其他碳原子只形成3个共价键,每个碳原子仍然保留1个自由电子来传输电荷。 u3） 润滑性：石墨的润滑性能取决于石墨鳞片的大小，鳞片越大，摩擦系数越小，润滑性能越好。 u4） 化学稳定性：石墨在常温下有良好的化学稳定性，能耐酸、耐碱和耐有机溶剂的腐蚀。 u5） 可塑性：石墨的韧性好，可碾成很薄的薄片。 u6） 抗热震性：石墨在常温下使用时能经受住温度的剧烈变化而不致破坏，温度突变时，石墨的体积变化不大，不会产生裂纹。 u3. 碳纤

44、维u 碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维的微观结构类似人造石墨，是乱层石墨结构。 u碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的79倍，抗拉弹性模量为2300043000Mpa亦高于钢。因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。材料的比强度愈高，则构件自重愈小，比模量愈高，则构件的刚度愈大，从这个意义上已预示了碳纤维在工程的广阔应用前景 。 u 碳纤维是含碳量高于90的无机高分子

45、纤维 。其中含碳量高于99的称石墨纤维。碳纤维的轴向强度和模量高，无蠕变，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小，耐腐蚀性好，纤维的密度低，X射线透过性好。但其耐冲击性较差，容易损伤，在强酸作用下发生氧化，与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。因此，碳纤维在使用前须进行表面处理。 u4. 金刚石 金刚石的化学式-N个C,金刚石是原子晶体,一块金刚石是一个巨分子,N个C的聚合体.只能用它的结构式表示. 金刚石矿物晶体构造属等轴晶系同极键四面体型构造。碳原子位于四面体的角顶及中心，具有高度的对称性。单位晶胞中碳原子间以同极键相连结，距离为1.54?(10-10m）。

46、常见晶形有八面体、菱形十二面体、立方体、四面体和六八面体等。 金刚石莫氏硬度为10，显微硬度为98 654.9MPa（100060kg/mm2），绝对硬度大于石英的1000倍，大于刚玉的150倍。 矿物性脆，贝壳状或参差状断口，在不大的冲击力下会沿晶体解理面裂开，具有平行八面体的中等或完全解理，平行十二面体的不完全解理。矿物质纯，密度一般为3 470-3 560kg/m3。 u摩氏硬度10，新摩氏硬度15，显微硬度10000kg/mm2，显微硬度比石英高1000倍，比刚玉高150倍。金刚石硬度具有方向性，八面体晶面硬度大于菱形十二面体晶面硬度，菱形十二面体晶面硬度大于六面体晶面硬度。 u依照摩

47、氏硬度标准(Mohs hardness scale)共分10级，钻石(金刚石)为最高级第10级；如小刀其硬度约为5.5、铜币约为3.5至4、指甲约为2至3、玻璃硬度为6。 u等级1 滑石 u等级2 石膏 u等级3 方解石 u等级4 萤石 u等级5 磷灰石 u等级6 正长石 u等级7 石英 u等级8 黄玉 u等级9 刚玉 u等级10 钻石 u金刚石的光学性质金刚石的光学性质u(1) 光学鉴定之亮度（Brilliance）金刚石因为具有极高的反射率，其反射临界角较小，全反射的范围宽，光容易发生全反射，反射光量大，从而产生很高的亮度。 u(2) 闪烁（Scintillation）金刚石的闪烁就是闪光

48、，即当金刚石或者光源 、 观察者相对移动时其表面对于白光的反射和闪光。无色透明、结晶良好的八面体或者曲面体聚形钻石，即使不加切磨也可展露良好的闪烁光。 u(3) 色散或出火（Dispersion or fire）金刚石多样的晶面象三棱镜一样，能把通过折射 、反射和全反射进入晶体内部的白光分解成白光的组成颜色红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫等色光。 u(4) 光泽（Luster）刚石出类拔萃般坚硬的、平整光亮的晶面或解理面对于白光的反射作用特别强烈，而这种非常特征的反光作用就叫作金刚光泽 u5. 富勒烯 富勒烯（Fullerene) 又称巴基球，是一种碳的同素异形体。任何由碳一种元素组成，以球状，椭圆

49、状，或管状结构存在的物质，都可以被叫做富勒烯。富勒烯与石墨结构类似，但石墨的结构中只有六元环，而富勒烯中可能存在五元环。1985年Robert Curl等人制备出了C60。1989年，德国科学家Huffman和Kraetschmer的实验证实了C60的笼型结构，从此物理学家所发现的富勒烯被科学界推向一个崭新的研究阶段。富勒烯的结构和建筑师Fuller的代表作相似，所以称为富勒烯。u富勒烯是一种新发现的工业材质， 它的特性： 1.硬度比钻石还硬 2.轫度(延展性)比钢强100倍 3.它能导电，导电性比铜强，重量只有铜的六分之一 4.它的成分是碳，所以可从废弃物中提炼 u可想像我们的未来生活中将有

50、“无金属电线”“富勒烯(非金属)钢筋的建筑物” “富勒烯防弹背心”“富勒烯汽车壳”. u6. 碳纳米管u 富勒烯是于1985年发现的继金刚石和石墨之后碳元素的第三种晶体形态。其中柱状或管状的分子又叫做碳纳米管或巴基管。u 碳纳米管的硬度与金刚石相当，却拥有良好的柔韧性，可以拉伸。目前在工业上常用的增强型纤维中，决定强度的一个关键因素是长径比，即长度和直径之比。目前材料工程师希望得到的长径比至少是20:1，而碳纳米管的长径比一般在1000:1以上，是理想的高强度纤维材料。2000年10月，美国宾州州立大学的研究人员称，碳纳米管的强度比同体积钢的强度高100倍，重量却只有后者的1/6到1/7。碳纳