《陶瓷晶体结构》PPT课件.ppt
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1、 2.3 陶瓷的晶体结构陶瓷的晶体结构一一般般可可将将材材料料分分为为有有机机和和无无机机两两大大类类,而而无无机机材材料料又又可可分分 为金属与非金属两大类;为金属与非金属两大类;无机非金属材料:无机非金属材料:主要包括:通常概念的陶瓷、玻璃、水主要包括:通常概念的陶瓷、玻璃、水 泥、和耐火材料泥、和耐火材料 西方国家将无机非金属材料通称陶瓷;西方国家将无机非金属材料通称陶瓷;概述概述陶瓷材料陶瓷材料的发展经历了三次重大飞跃。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
2、第二次重大飞跃;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。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。(1)特性)特性 硬、脆、耐高温、耐腐硬、脆、耐高温、耐腐蚀蚀;(2)组织组织 由三相由三相组组成:成:多多晶晶相相:硅硅酸酸盐盐、氧氧化化物物、非非氧氧化化物物,习习惯惯以以主主要要晶晶相相命命名;名;玻璃相玻璃相(非晶相非晶相):低熔点、起粘:低熔点、起粘结结作用;作用;玻玻璃璃相相的的数数量量,随随不不同同陶陶瓷瓷而而异异,在在固固相相烧烧结结的的瓷瓷料料中中几几乎乎不不含含玻玻璃璃相相,在在有有液液相相
3、参参加加烧烧结结的的陶陶瓷瓷中中则则存存在在较较多多的的玻玻璃相。璃相。气相气相(气孔气孔):烧结前是开口孔、烧结后大多数转变闭孔。:烧结前是开口孔、烧结后大多数转变闭孔。一一般般陶陶瓷瓷材材料料均均不不可可避避免免地地含含有有一一定定数数量量的的气气孔孔,通通常常的的残残留留气气孔孔量量为为 510(体体积积百百分分率率),气气孔孔含含量量在在各各种种陶陶瓷瓷材材料料中中差差别别很很大大,它它可可以以在在099 之之间间变变化化。气气孔孔的的含含量量、形形状状、分分布布影影响响陶陶瓷瓷材材料料的的机机械械、热热学学、光光学学和和电电学学等一系列性能。等一系列性能。(3)分类)分类按按其其原原
4、料料的的来来源源不不同同可可分分为为普普通通陶陶瓷瓷(传传统统陶陶瓷瓷)和和特特种种陶陶瓷瓷(先先进进陶瓷)。陶瓷)。普普通通陶陶瓷瓷是是以以天天然然硅硅酸酸盐盐矿矿物物为为原原料料(粘粘土土、长长石石、石石英英),经经过过原原料加工、成型、烧结而成,因此又叫硅酸盐陶瓷料加工、成型、烧结而成,因此又叫硅酸盐陶瓷。特特种种陶陶瓷瓷,又又称称精精细细陶陶瓷瓷,按按其其应应用用功功能能分分类类,可可分分为为高高强强度度、耐耐高高温温和和复复合合结结构构陶陶瓷瓷及及电电工工电电子子功功能能陶陶瓷瓷两两大大类类。在在陶陶瓷瓷坯坯料料中中加加入入特特别别配配方方的的无无机机材材料料,经经过过高高温温烧烧结
5、结成成型型,从从而而获获得得稳稳定定可可靠靠的的防防静静电电性性能能,成成为为一一种种新新型型特特种种陶陶瓷瓷,通通常常具具有有一一种种或或多多种种功功能能,如如:电电、磁磁、光光、热热、声声、化化学学、生生物物等等功功能能;以以及及耦耦合合功功能能,如如压压电电、热热电电、电光、声光、磁光等功能。电光、声光、磁光等功能。总结:晶体与非晶体晶体与非晶体晶体与非晶体晶体与非晶体空间点阵空间点阵空间点阵空间点阵 布拉维格子布拉维格子布拉维格子布拉维格子空间点阵空间点阵空间点阵空间点阵复式格子复式格子复式格子复式格子晶体结构最紧密堆积原理最紧密堆积原理最紧密堆积原理最紧密堆积原理u在密堆在密堆积结积
6、结构中,每个球接触到同种球的个数构中,每个球接触到同种球的个数为为12个;个;u密堆密堆积结积结果形成果形成2种方式:六方种方式:六方紧紧密堆密堆积积和立方和立方紧紧密堆密堆积积;u密密堆堆积积结结果果形形成成2种种空空隙隙:一一种种是是由由6个个球球形形成成的的八八面面体体空空隙隙,一一种种是是由由4个个球球形形成成的的四四面面体体空空隙隙。每每个个球球周周围围有有6个个八八面面体体空空隙隙,对对n个个等等大大球球体体堆堆积积系系统统,其其八八面面体体空空隙隙总总数数为为 ;每每个个球球体体周周围围有有8 个个四四面体空隙,面体空隙,对对n 个等大球体堆个等大球体堆积积系系统统,其四面体空隙
7、,其四面体空隙总总数数为为 。最最密密积积结结构构FCC最最密密积积结结构构HCP密密积积结结构构BCC例:以例:以NaCl晶胞晶胞为为例,例,说说明等径球面心立方明等径球面心立方紧紧密堆密堆积积中的八中的八面体和四面体空隙的位置和数量,并面体和四面体空隙的位置和数量,并计计算其空算其空间间利用率。利用率。例:例:MgO具有具有NaCl结结构,根据构,根据O2-半径半径为为0.140nm和和Mg2+半径半径为为0.072nm,计计算算球状离子所占据的空球状离子所占据的空间间分数(致密度),并分数(致密度),并计计算算MgO的密度。的密度。例例 Si和和Al原原子子的的相相对对质质量量非非常常接
8、接近近(分分别别为为28.09和和26.98),但但SiO2和和Al2O3的的密密度度相相差差很很大大(分分别别为为2.65g/cm3和和3.96g/cm3)。试试用用晶晶体体结结构构及及鲍鲍林林规规则则说说明明密度相差大的原因。密度相差大的原因。问题:问题:根根据据最最紧紧密密堆堆积积原原理理,空空间间利利用用率率越越高高,结结构构越越稳稳定定,金金刚刚石石结结构构的的空空间间利利用用率率很很低低(只只有有34.01%),为为什什么么它它也很稳定?也很稳定?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配位多面体规则电价规则电价规则多面体共顶、共棱、共面规则多面体共顶、共
9、棱、共面规则不同配位多面体连接规则不同配位多面体连接规则节约规则节约规则围绕每一正离子,围绕每一正离子,形形成成一一个个负负离离子子配配位位多多面面体体,正正负负离离子子之之间间的的间间距距取取决决于于它它们们的的半半径径之之和和,正正离离子子的的配配位位数数则取决于它们的半径比。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,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阳离子配位数阳离子配位数阴离子配位阴离子配位多面体的形状多面体的形状实例2 静电价规则在在一一个个稳稳定定
10、的的晶晶体体结结构构中中,每每一一个个负负离离子子电电荷荷数数等等于于或或近近似似等等于于相相邻邻正离子分配给这个负离子的静电键强度的总和,其偏差正离子分配给这个负离子的静电键强度的总和,其偏差1/41/4价价。即:正电价等于负电价即:正电价等于负电价例:CaTiO3用途:用途:1、判断晶体是否稳定。、判断晶体是否稳定。2、判断共用一个顶点的多面体的数目。、判断共用一个顶点的多面体的数目。请用电价规则解释请用电价规则解释Al3+置换置换Si4+时,时,通常不超过一半,否则结构将不稳定。通常不超过一半,否则结构将不稳定。3 阴离子配位多面体的共顶、共棱、共面规则在在一一个个配配位位结结构构中中,
11、共共用用棱棱,特特别别是是共共用用面面的的存存在在会会降降低低这这个个结结构构的的稳稳定性。其中高电价、低配位的正离子的这种效应更为明显。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 0.331 0.71 0.584 不同配位多面体连接规则若若晶晶体体结结构构中中含含有有一一种种以以上上的的正正离离子子,则则高高电电价价、低低配配位位的多面体之间有尽可能彼此互不连接的趋势。的多面体之间有尽可能彼此互不连接的趋势。因因为为一一对对正正离离子子之之间间的的互互斥斥力力按按电电价价数数的的平平方方成成正正比比增增加加,配配位位多多面面体体中中的的正正离离子子之之间间的的距距离离随
12、随配配位位数数的的降降低低而减小。而减小。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。在同一晶体中,组成不同的结构基元的数目趋向于最少。晶晶体体结结构构的的周周期期性性和和对对称称性性,若若组组成成不不同同的的结结构构基基元元过过多多,则则每每个个基基元元要要形形成成各各自自的的周周期期性性和和规规则则性性,则则它它们们之间就会相互干扰,不利于形成晶体结构。之间就会相互干扰,不利于形成晶体结构。例:例:1)画画出出O2-离离子子作作面面心心立立方方堆堆积积时时,各各四四面面体体空空隙隙和和八八面面体体空空 隙的所在位置(以一个晶胞为结构基元表示出来)。隙的所在位置(以一个晶胞
13、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)计算四面体空隙数、八面体空隙数与O2-离子数之比。离子数之比。3)根根据据电电价价规规则则,在在下下面面情情况况下下,空空隙隙内内各各需需填填入入何何种种价价数数 的阳离子,并对每一种结构举出一个例子。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;所有四面体空隙位置均填满;所有八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;填满一半四面体空隙位置;填满一半八面体空隙位置。填满一半八面体空隙位置。例:分析例:分析NaCl晶体晶体Na+(radii=0.102 nm),Cl-(radii=0.18
14、1 nm)描述晶体结构的方法:描述晶体结构的方法: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2.3.2.3 几种典型的晶体结构几种典型的晶体结构坐标系坐标系 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型结构型结构 MX2型结构型结构M2X型结构型结构 M2X3型结构型结构 MX3型和型和M2X5型结构型结构 ABO3型结构型结构 AB2O4型结构型结构 无机化合物晶体结构无机化合物晶体结构一一 MX型晶体结构型晶体结构结构类型结构类型实例实例CsCl型型1.0000.732 CsCl0.91CsBr0.84CsI 0.
15、75NaCl型型0.7320.414KF RbClPbBrSrSSrSeMgONaBrLiCl 1.000.820.760.730.660.590.500.43SrOBaSBaSeRbICaSLiFCaTeMgSe0.960.820.750.680.620.590.500.41BaOCaONaFKBrKICaSeMgSLiBr0.960.800.740.680.610.560.490.40RbFCaFKClBaTeSrTeNaClNaILiF0.890.800.730.680.600.540.440.35ZnS型型0.4140.225MgTeBeTe0.370.17BaO0.26BeS0.20
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