材料中的晶体结构(精品).ppt

2.材料中的晶体结构材料中的晶体结构n在晶体结构中，一般将原子或离子看成具有一定大小的球体。球体间作紧密堆积。等大球体、不等大球体n原子（离子）有效半径：2.1纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构典型金属的晶体结构典型金属的晶体结构n面心立方（面心立方（A1或或f.c.c）n体心立方（体心立方（A2或或b.c.c）n密排六方（密排六方（A3或或h.c.p）面心立方面心立方 f.c.c体心立方体心立方 b.c.c密排六方密排六方 h.c.p点阵常数 晶胞的棱边长度a、b、c，原子半径为r，则na afccfcc rna abccbcc rna ahchcp 2r (c/a=1.633)晶胞原子数NnN的概念：n计算方法：nNfcc=4 Nbcc=2 Nhcp=6配位数CN和致密度K nCNf.c.c 12 nCNb.c.c 8 nCNh.c.p 12（c/a1.633）nKf.c.c 74 Kb.c.c 68 Kh.c.p 74 （c/a=1.633）间隙n四面体间隙、八面体间隙：n在分析晶体结构的间隙时，要明确间隙的种类、大小、位置、数目。间隙的种类间隙的大小f.c.c结构中的间隙f.c.c结构中的间隙n正八面体间隙 位置：数目：大小：正四面体间隙 位置：数目：大小：b.c.c结构中的间隙b.c.c结构中的间隙n扁八面体间隙 位置：数目：大小：n四面体间隙 位置：数目：大小：h.c.p结构中的间隙h.c.p结构中的间隙n对于c/a1.633，在原子半径相同条件下间隙大小与f.c.c相同。n只是间隙中心的位置有所不同。原子的堆垛方式 h.c.p中 0001的堆垛顺序：ABAB f.c.c中 111的堆垛顺序：ABCABC 多晶型（同素异构）转变多晶型（同素异构）转变n概念：n特点：2.2离子晶体的结构（1）离子半径n有效半径：n离子半径的大小并非绝对的，同一离子随着价态和配位数的变化而变化。（2）配位数CNn涉及正负离子。n正、负离子的配位数多少与离子半径之比有关 r+/r-。（3）配位多面体n配位多面体：n配位多面体是离子晶体的基本结构单元。n了解晶体结构：r+/r-CN(+)配位多面体配位多面体 结构特结构特点点（3）配位多面体离子晶体的结构规则离子晶体的结构规则 鲍林规则鲍林规则n鲍林提出了五条规则，成功地解释了大多数离子晶体结构，其规则也就是决定结构单元自身特性及结构单元之间连接方式地规则。(1)第一规则 负离子配位多面体规则n内容：nr 0r+r-r+/r-CN（+）(2)第二规则 静电价规则n 内容：n静电键强度 S=Z/n n离子配位数与电价关系：(3)第三规则 连接规则（能量规则）n内容：n一般规律：四面体，连接；八面体，连接；立方体，连接。（3）第三规则(4)第四规则 连接规则n 内容：n多种阳离子存在，其配位多面体尽可能互不相连，若连，共 。(5)第五规则 节省规则n内容：n在一个均匀结构中，不同 的配位多面体很难有效地堆积在一起。典型的离子晶体结构 对晶体结构的描述通常使用以下三种方法：（1）NaCl型 （AB型）n晶体结构 晶系n点阵类型 立方nCN（+）CN（-）nZ 4 （1）NaCl型n配位多面体为 面体（1）NaCl型描述：八面体以 方式连接而成。Cl按 密堆积，Na位于 间隙中。（1）NaCl型n属于NaCl型结构的晶体有：n不同的是晶体的 参数不相同。（2）CsCl型（AB型）n晶体结构n点阵类型nCN（+）CN（-）nZ 1 n配位多面体为（2）CsCl型n描述：立方体以 连接。Cl按 堆积，Cs占据 间隙。n属于CsCl型结构的晶体有：（3）ZnS（闪锌矿）型 （AB型）n晶体结构n点阵类型 nCN（+）CN（-）nZ 4 （3）闪锌矿型n配位多面体为（3）闪锌矿型n描述：见书 属于闪锌矿型结构的晶体有：（4）ZnS （纤锌矿）型 （六方ZnS）（AB型）n晶体结构n点阵类型nCN（+）CN（-）nZ 2 n配位多面体（4）纤锌矿型n描述：n属于纤锌矿型结构的晶体有：（5）CaF2（萤石）型 （AB2型）n晶体结构n点阵类型 nCN（+）CN（-）n Z 4（5）萤石型n配位多面体为（5）萤石型n萤石结构中，存在 机制。n反萤石结构：n属于萤石型结构的晶体有：n属于反萤石结构的晶体有：（6）TiO2（金红石）型（AB2型）n晶体结构n点阵类型nCN（+）CN（-）nZ 2（6）金红石型n配位多面体为（6）金红石型n描述：n属于金红石型结构的晶体有：（7）Al2O3（刚玉）型 （A2B3型）n刚玉晶体属nCN（+）CN（-）nZ 2n配位多面体为（7）刚玉型n考虑电价平衡，八面体间隙正离子只占2/3。nAl3离子的分布有一定规律。n属于刚玉型结构的晶体有：（8）复合氧化物结构n CaTiO3 钙钛矿 （ABO3）n MgAl2 O4 尖晶石 （AB2 O4）CaTiO3 钙钛矿n晶体结构 立方晶系(高温时)nZ=4nCa2+面心立方的角顶 CN（Ca2+）12nO2-面心立方的面心 CN（O2-）6 nTi4+填充1/4八面体间隙 CN（Ti4+）6 钙钛矿 钙钛矿n存在大的正离子n大的正离子、负离子一起形成密堆结构，小的正离子填充空隙nA是2价离子、B是4价离子；A是1价离子、B是5价离子；MgAl2 O4 尖晶石n晶体结构 立方晶系nZ=8nO2-作立方紧密堆积，面心立方格子n二价阳离子A填充于1/8四面体间隙n三价阳离子B填充于1/2八面体间隙MgAl2 O4 尖晶石MgAl2 O4尖晶石n八面体共棱连接，八面体与四面体共顶连。MgAl2 O4 尖晶石n正型尖晶石n反型尖晶石nA是2价离子、B是3价离子；A是4价离子、B是2价离子。方解石（方解石（CaCOCaCO3 3）型结构）型结构u三方晶系 uNaCl晶格演变而成u还可以文石结构（正交晶系）存在。金刚石结构n结构特点nCN 4n与金刚石结构相同的有：金刚石结构石墨的结构石墨的结构u六方晶系u碳原子成层状排列。u每一层中碳原子成六方环状排列，每个碳原子与三个相邻碳原子之间的距离相等，碳原子之间是共价键。u层与层之间的碳原子以分子键相连。2.4硅酸盐晶体结构n硅酸盐晶体是构成地壳的主要矿物。n硅酸盐晶体种类繁多，是陶瓷、耐材、水泥、玻璃等工业的主要原料。硅酸盐晶体的结构特点n硅酸盐晶体中，除了Si和O以外，组成中还有：各种阳离子 附加阴离子 结晶水和吸附水n硅酸盐晶体的结构是非常复杂的。硅酸盐晶体的结构特点n基本结构单元是：nSi4+离子之间不存在直接的键，键的连接是通过O2-离子实现的。Si-O-Si或Si-O-M-O-Si键 硅酸盐晶体的结构特点n氧桥：n硅氧四面体最多可形成4个氧桥。n硅酸盐结构中的Al3离子与O2离子即可形成铝氧四面体，也可形成铝氧八面体。硅酸盐结构分类n按照SiO4在空间的组合情况，将其分为：岛状、组群状、链状、层状、架状结构。（1）岛状结构nSiO4以孤立状态存在，之间没有共用的氧。nSi:O n典型的硅酸盐有：镁橄榄石(Mg2Si2O4)、锆英石(ZrSiO4)（2）组群状结构nSiO4通过共用氧（桥氧）相连，形成2、3、4、6个硅氧四面体组群。n组群之间由其它阳离子按一定的配位形式连接。（2）组群状结构（2）组群状结构n双四面体 Si:O=1:3.5 三方环、四方环、六方环 Si:O=1:3 n典型硅酸盐有：Si:O=1:3.5 硅钙石(Ca3Si2O7)镁方柱石(Ca2MgSi2O7)Si:O=1:3 绿宝石 Be3Al2 Si6O18 堇青石 Al3(Mg,Fe)2 Si5AlO18（3）链状结构n大量SiO4通过桥氧共顶连接成在一维方向无限延伸的链n链与链之间通过其它阳离子按一定配位关系连接起来n有两种形式：（3）链状结构n n Si:O1:3n Si:O1:2.75（3）链状结构n单链SiO4彼此共用两个顶点，连接成无限长链。四面体其余2个氧离子仍具有-1价（活性氧），与链间的金属阳离子相维系。n典型为辉石族矿物：透辉石 CaMg Si2O6 顽火辉石 Mg2 Si2O6（3）链状结构n双链是由两个单链平行连接而成，或者看成是单链通过一个镜面反映成双而得。n典型为角闪石族矿物：透闪石 Ca2Mg5 Si4O112(OH)2（4）层状结构n底面在同一个平面的SiO4，通过在平面上共顶连接而成的具有六角对称的SiO4层。nSi:O1:2.5n自由氧一般和2价、3价阳离子相连，构成八面体。n八面体有两种方式连成六边形网络：二八面体、三八面体：n层状结构中晶体化学组成中都有（OH)离子出现。（4）层状结构n层状结构基本单元应包括硅氧层和含有氢氧的八面体层。n连接方式：1:1型（两层型）：1层四面体1层八面体 2:1型（三层型）：2层四面体1层八面体（4）层状结构n典型具有一个方向的极完全解理的片状硅酸盐矿物：2:1型 滑 石 Mg3 Si4O10(OH)2 叶蜡石 Al2 Si4O10(OH)2 白云母 K Al2 AlSi3O10(OH)2 1:1型 蛇纹石 Mg6 Si4O10(OH)8 高岭石 Al4 Si4O10(OH)8（5）架状结构（网络状）nSiO4的4个角顶都与相邻的SiO4连接，构成三维空间连续延伸的网络结构。n每个SiO4四面体的O离子全部都被共用。nSi:O1:2（5）架状结构n当结构中出现Al3取代Si 4时，会有剩余负电荷，将有其它阳离子进入结构。n典型的长石族：钾长石 K AlSi3O8 钙长石 Ca Al2Si2O8