陶瓷材料结构.ppt
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1、无机非金属材料概论无机非金属材料概论C.1陶瓷结构陶瓷结构Chapter1陶瓷材料的结构陶瓷材料的结构本章要介绍的主要内容:本章要介绍的主要内容:陶瓷材料的键合特点陶瓷材料的键合特点典型的陶瓷材料晶体结构典型的陶瓷材料晶体结构离子型晶体的结构与性质;离子型晶体的结构与性质;陶瓷晶体结构的同质多象现象陶瓷晶体结构的同质多象现象陶瓷晶体结构中的缺陷陶瓷晶体结构中的缺陷硅酸盐晶体结构硅酸盐晶体结构玻璃结构玻璃结构无机非金属材料概论无机非金属材料概论C.1陶瓷结构陶瓷结构前言前言 1.材料结构的层次材料结构的层次结构:材料系统内各组成单元之间的相互联系和相互作结构:材料系统内各组成单元之间的相互联系和
2、相互作用方式。用方式。物质结构、显微结构决定影响陶瓷材料的各种基本性能以物质结构、显微结构决定影响陶瓷材料的各种基本性能以及制造陶瓷材料的基本工艺及制造陶瓷材料的基本工艺物质结构是指材料的化学结合键和晶体结构;物质结构是指材料的化学结合键和晶体结构;显微结构是指在光学显微镜或电子显微镜下所观察到显微结构是指在光学显微镜或电子显微镜下所观察到的组织结构的组织结构无机非金属材料概论无机非金属材料概论C.1陶瓷结构陶瓷结构显微结构包括:显微结构包括:相分布、晶粒尺寸和形状、气孔大小和分布、杂质缺陷及晶相分布、晶粒尺寸和形状、气孔大小和分布、杂质缺陷及晶界等。界等。因此,研究使用工程陶瓷材料,必须对有
3、关陶瓷结构的各种因此,研究使用工程陶瓷材料,必须对有关陶瓷结构的各种基本知识有所了解。基本知识有所了解。无机非金属材料的结构:无机非金属材料的结构:存在形式上:晶体、非晶体、孔结构、及其复杂的组合存在形式上:晶体、非晶体、孔结构、及其复杂的组合尺寸上:微观、亚微观、显微、宏观尺寸上:微观、亚微观、显微、宏观无机非金属材料概论无机非金属材料概论C.1陶瓷结构陶瓷结构金属材料内部组织结构:简单金属材料内部组织结构:简单晶体结构、多相、晶界、杂晶体结构、多相、晶界、杂质相极少;质相极少;无机非金属材料内部组织结构:无机非金属材料内部组织结构:复杂,复杂,why?无机非金属材料的结构:原子级结构,晶体
4、结构,非晶体结无机非金属材料的结构:原子级结构,晶体结构,非晶体结构,多相结构和孔结构构,多相结构和孔结构无机非金属材料概论无机非金属材料概论C.1陶瓷结构陶瓷结构1.1原子级结构原子级结构构成无机非金属材料的元素大约占元素表构成无机非金属材料的元素大约占元素表上所有元素的上所有元素的75,它几乎覆盖了所有的元素周期和元素,它几乎覆盖了所有的元素周期和元素族类。族类。无机非金属材料概论无机非金属材料概论C.1陶瓷结构陶瓷结构无机非金属材料最重要的组成元素的离子的特点:无机非金属材料最重要的组成元素的离子的特点:离子的尺离子的尺寸、配位数、极化性、电场强度和结合能寸、配位数、极化性、电场强度和结
5、合能相互之间差别很相互之间差别很大,这使由其构成的材料的基本组成单元呈现出多样化。大,这使由其构成的材料的基本组成单元呈现出多样化。原子或离子结合成化合物结构时,由于离子极化,即半径发原子或离子结合成化合物结构时,由于离子极化,即半径发生变化而形成多种配位多面体。生变化而形成多种配位多面体。何谓配位数(何谓配位数(z)?)?配位数配位数z:一个原子或离子邻近周围的同种原子或异号离子的个数一个原子或离子邻近周围的同种原子或异号离子的个数配位数配位数z依赖于依赖于r+:r-(阳离子(阳离子/阴离子)的比例,因而阴离子)的比例,因而无机非金属化合物并不被限制在一定的配位关系上,与金属无机非金属化合物
6、并不被限制在一定的配位关系上,与金属相比,其晶体构造一般更加复杂。相比,其晶体构造一般更加复杂。无机非金属材料概论无机非金属材料概论C.1陶瓷结构陶瓷结构 键键物质结构中质点之间的结合力物质结构中质点之间的结合力键有四种类型:金属键、离子键、共价键、分子键(范德瓦键有四种类型:金属键、离子键、共价键、分子键(范德瓦尔斯力尔斯力、氢键)、氢键)在纯无机非金属材料中不存在金属键在纯无机非金属材料中不存在金属键在无机非金属材料中存在着什么键呢?在无机非金属材料中存在着什么键呢?答案是:极化键答案是:极化键(离子键离子键)、非极化键、非极化键(共价键共价键)和分子键和分子键无机非金属材料概论无机非金属
7、材料概论C.1陶瓷结构陶瓷结构1.离子键离子键:正、负离子间的静电引力。正、负离子间的静电引力。2.共价键:电子共享共价键:电子共享3.分子键:电荷极化而获得微弱的引力。分子键:电荷极化而获得微弱的引力。VanderWaalsbondHydrogenbond氢键氢键陶瓷材料的结合键陶瓷材料的结合键离子键离子键共价键共价键分子键分子键无机非金属材料概论无机非金属材料概论C.1陶瓷结构陶瓷结构无机非金属材料概论无机非金属材料概论C.1陶瓷结构陶瓷结构无机非金属材料概论无机非金属材料概论C.1陶瓷结构陶瓷结构无机非金属材料概论无机非金属材料概论C.1陶瓷结构陶瓷结构无机非金属材料概论无机非金属材料概
8、论C.1陶瓷结构陶瓷结构离子键离子键Schematic representation of ionic bonding in sodium chloride(NaCl).无机非金属材料概论无机非金属材料概论C.1陶瓷结构陶瓷结构共价键共价键 Schematic representation of covalent bonding in a molecule of methane(CH4).无机非金属材料概论无机非金属材料概论C.1陶瓷结构陶瓷结构无机非金属材料概论无机非金属材料概论C.1陶瓷结构陶瓷结构无机非金属材料概论无机非金属材料概论C.1陶瓷结构陶瓷结构无机非金属材料概论无机非金属材料概
9、论C.1陶瓷结构陶瓷结构无机非金属材料概论无机非金属材料概论C.1陶瓷结构陶瓷结构无机非金属材料概论无机非金属材料概论C.1陶瓷结构陶瓷结构氢键氢键 Schematic representation of hydrogenbonding in hydrogen fluoride(HF).无机非金属材料概论无机非金属材料概论C.1陶瓷结构陶瓷结构无机非金属材料概论无机非金属材料概论C.1陶瓷结构陶瓷结构无机非金属材料概论无机非金属材料概论C.1陶瓷结构陶瓷结构4.实际陶瓷材料的结合键:处于以上所述的键之间,存在许多实际陶瓷材料的结合键:处于以上所述的键之间,存在许多中间类型。中间类型。键的离子性
10、程度可用电负性作半经验性的估计键的离子性程度可用电负性作半经验性的估计电负性:衡量价电子被正原子实吸引的程度。电负性:衡量价电子被正原子实吸引的程度。元素间电负性相差越大元素间电负性相差越大结合为离子性的键倾向越大结合为离子性的键倾向越大元素间电负性相差越小元素间电负性相差越小结合为共价性的键倾向越大结合为共价性的键倾向越大无机非金属材料概论无机非金属材料概论C.1陶瓷结构陶瓷结构无机非金属材料概论无机非金属材料概论C.1陶瓷结构陶瓷结构无机非金属材料概论无机非金属材料概论C.1陶瓷结构陶瓷结构电负性:衡量价电子被正原子实吸引的程度。电负性:衡量价电子被正原子实吸引的程度。无机非金属材料概论无
11、机非金属材料概论C.1陶瓷结构陶瓷结构1.2陶瓷材料的晶体结构陶瓷材料的晶体结构基本概念:晶体基本概念:晶体固体无机非金属材料的基本状态是结晶态。固体无机非金属材料的基本状态是结晶态。结晶态结晶态是热力学稳定状态,结晶态固体称为晶体,其内部质点是热力学稳定状态,结晶态固体称为晶体,其内部质点(离子、原子、原子集团离子、原子、原子集团)在三维空间周期排列或者说是在三维空间周期排列或者说是晶格阵点规则排列。晶格阵点规则排列。对应于每一个晶体构造,都可以从几何的角度抽象出一个对应于每一个晶体构造,都可以从几何的角度抽象出一个相应的空间格子。整个空间格子可以看作是平行六面体相应的空间格子。整个空间格子
12、可以看作是平行六面体在三维空间平行而毫无间隙地堆叠而成。单位平行六面在三维空间平行而毫无间隙地堆叠而成。单位平行六面体是晶体结构在三维空间的最小重复单位。体是晶体结构在三维空间的最小重复单位。无机非金属材料概论无机非金属材料概论C.1陶瓷结构陶瓷结构1.2陶瓷材料的晶体结构陶瓷材料的晶体结构一、基本结构一、基本结构二、密排结构的点阵间隙二、密排结构的点阵间隙1.3代表性晶体结构代表性晶体结构一、一、MX结构结构二、二、MX2结构结构三、三、M2X结构结构四、四、M2X3结构结构五、含有两种以上阳离子的氧化物结构五、含有两种以上阳离子的氧化物结构1.4硅酸盐晶体结构硅酸盐晶体结构1.5其它陶瓷晶
13、体结构其它陶瓷晶体结构无机非金属材料概论无机非金属材料概论C.1陶瓷结构陶瓷结构1.2陶瓷材料的晶体结构陶瓷材料的晶体结构一、基本结构一、基本结构v面心立方结构面心立方结构FCC(face-centeredcubic)v密排六方结构密排六方结构HCP(hexagonalclosepacked)v体心立方结构体心立方结构BCC(body-centeredcubic)FCC、HCP为密堆积方式为密堆积方式无机非金属材料概论无机非金属材料概论C.1陶瓷结构陶瓷结构无机非金属材料概论无机非金属材料概论C.1陶瓷结构陶瓷结构无机非金属材料概论无机非金属材料概论C.1陶瓷结构陶瓷结构无机非金属材料概论无机
14、非金属材料概论C.1陶瓷结构陶瓷结构无机非金属材料概论无机非金属材料概论C.1陶瓷结构陶瓷结构无机非金属材料概论无机非金属材料概论C.1陶瓷结构陶瓷结构晶向指数的确定晶向指数的确定无机非金属材料概论无机非金属材料概论C.1陶瓷结构陶瓷结构晶向指数的确定晶向指数的确定无机非金属材料概论无机非金属材料概论C.1陶瓷结构陶瓷结构代表性晶面及其指数的确定代表性晶面及其指数的确定无机非金属材料概论无机非金属材料概论C.1陶瓷结构陶瓷结构代表性晶面及其指数的确定代表性晶面及其指数的确定无机非金属材料概论无机非金属材料概论C.1陶瓷结构陶瓷结构六方晶体的晶面与晶向指数的确定六方晶体的晶面与晶向指数的确定无机
15、非金属材料概论无机非金属材料概论C.1陶瓷结构陶瓷结构二、密排结构的点阵间隙二、密排结构的点阵间隙两种:两种:6个原子围成的个原子围成的八面体间隙八面体间隙4个原子围成的个原子围成的四面体间隙四面体间隙v在陶瓷晶体点阵结构中大多数是由大离子构成基本点阵,在陶瓷晶体点阵结构中大多数是由大离子构成基本点阵,而小离子填充其间隙位置。而小离子填充其间隙位置。v因此八面体间隙和四面体间隙有着重要意义。因此八面体间隙和四面体间隙有着重要意义。一般而言,一般而言,rArC,故阴离子的堆积方式决定晶体的基故阴离子的堆积方式决定晶体的基本结构形式,其间隙位置填充着阳离子。本结构形式,其间隙位置填充着阳离子。配位
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