1、 材料科学基础 第三章材料的晶态结构及有序化 材料科学基础 12 MgAl2O4 尖晶石 型结构 材料科学基础 通式 AB2O4A 二价离子B 三价离子 两种正离子的总价数必须等于8 材料科学基础 立方晶系立方面心格子Fd3m空间群ao 0 808nmz 8 材料科学基础 O2 立方紧密堆积Mg2 充在1 8V4Al3 充在1 2V8 材料科学基础 材料科学基础 材料科学基础 正尖晶石 二价离子占据V4三价离子占据V8 Al2O3的结构和尖晶石相似 材料科学基础 反尖晶石 一半三价离子与二价离子互换位置一半三价离子占据V4二价离子 另一半三价离子占据V8化学式B AB O4 材料科学基础 结构
2、与性质镁铝尖晶石是一种陶瓷材料的晶相在一些耐火材料中也常存在这种晶相反尖晶石则是一类氧化物铁氧体磁性材料 磁铁矿Fe3O4 Fe2 Fe23 O4 材料科学基础 12种典型晶体结构归纳表3 12负离子堆积方式与晶体结构类型 材料科学基础 3 5 2硅酸盐晶体结构 材料科学基础 1 硅酸盐结构的一般特点及分类 材料科学基础 1 特点 基本结构单元 SiO4 四面体Si O平均距离0 160nm r r 电负性差 1 7Si O键并非纯离子键结合相当高共价键成分离子键和共价键约各占一半 材料科学基础 每一个氧最多只能被两个 SiO4 所共有 SiO4 可以相互孤立地存在或通过共顶相互连接 不共棱
3、不共面 结构不稳定性 材料科学基础 O Si O的结合键不是一条直线 而是一折线 145 除了硅和氧以外 还含有其他阳离子多达50多种 其结构十分复杂 材料科学基础 SiO4 基本结构单元相互连接方式所决定 岛状组群状链状层状架状O Si比值表征 SiO4 之间的连接程度与结构类型 2 分类 材料科学基础 桥氧 Ob 当 SiO4 通过某个顶角的氧相互连接时 这个氧就被称作桥氧 非桥氧 Onb 或自由氧 如果 SiO4 某个顶角的氧与其他阳离子连接 则这个氧就被称作非桥氧 材料科学基础 表3 13硅酸盐晶体的结构类型 材料科学基础 材料科学基础 单链 双链 材料科学基础 2 层状和架状硅酸盐晶
4、体结构 材料科学基础 层状硅酸盐晶体结构 材料科学基础 SiO4 通过3个顶角上的氧 在二维平面内延伸形成硅氧四面体层 在层内 SiO4 之间形成六元环状 另外一个顶角共同朝一个方向 结构特点 材料科学基础 在层内 SiO4 顶角上的氧的价键已经饱和 而另一个顶角上的氧是自由氧 价键尚未饱和 需要与其他阳离子 如Mg2 Al3 Fe3 Fe2 等 连接 这些其他离子所形成的配位多面体 八面体 也要构成六元环状 材料科学基础 2种连接方式 如果八面体以共棱方式相连 但O2 只被2个正离子所共用 这种八面体称为二八面体 即只有2 3八面体空隙被正离子填充 AlO6 就属此种情况 材料科学基础 如果
5、八面体以共棱方式相连 但O2 被3个正离子所共用 这种八面体称为三八面体 即全部八面体空隙都被正离子填充 MgO6 就属此种情况 材料科学基础 不管是二八面体还是三八面体 八面体层网络中仍有一些O2 不能与Si4 配位 活性氧 因而剩余电价就要由H 来平衡 所以层状结构中都有OH 出现 材料科学基础 两层型 1 1型 1层 SiO4 1层 AlO6 MgO6 相互交替排列而成三层型 2 1型 两层 SiO4 层间夹一层 AlO6 MgO6 而形成 整个硅酸盐结构就是以这两层或者三层作为单元 重复堆积而成 材料科学基础 每两层或每三层单元内质点之间是化学键结合 很牢固 而单元层之间是依靠分子键或
6、者氢键结合 结合力较弱 很容易沿层间解理 或者在层间渗入水分子 材料科学基础 离子取代现象 SiO4 中的Si4 被Al3 等取代 八面体层中Al3 也可能被Mg2 或Fe2 等取代造成电价不平衡 必然在单元层之间进入其他低价阳离子 如Na K 等 以保持电中性 材料科学基础 阳离子交换性质如果某阳离子在层间结合力较弱 就有可能被其他浓度高或者结合力更强的阳离子所交换 材料科学基础 某些层状矿物还有另外一个特点 就是单元层之间结合力很弱 容易渗入大量水分子 蒙脱石 材料科学基础 1 高岭石 1 1型 SiO4 AlO6 材料科学基础 化学式 Al4 Si4O10 OH 8或Al2O3 2SiO
7、2 2H2O三斜晶系C1空间群ao 0 5139nm bo 0 8932nm co 0 7371nm 91 36 104 48 89 54 z 1 材料科学基础 离子取代很少化学组成比较纯净单元层间不容易渗入水分子阳离子容量小 材料科学基础 图3 37高岭石晶体结构 材料科学基础 Pauling静电价规则验证结构稳定性 材料科学基础 2 蒙脱石 2 1型 SiO4 AlO6 SiO4 材料科学基础 化学式 Al2O3 4SiO2 H2O nH2O或Al2 Si4O10 OH 2 nH2O单斜晶系C2 m空间群ao 0 523nm bo 0 906nm co可变z 2 材料科学基础 图3 38蒙
8、脱石晶体结构 材料科学基础 易发生离子取代作用 Al3 被Mg2 取代为了平衡电价 M 或M2 进入取代后实际化学式 MgxAl2 x Si4O10 OH 2 Mx nH2O 材料科学基础 阳离子交换容量大在一定条件下 层间阳离子M 或M2 容易被交换出来 材料科学基础 膨润性每三层之间结合力弱 很容易渗入水分子 使c轴晶胞参数出现随着渗入水量而变化的现象 因而被称作膨润土 材料科学基础 蒙脱石特性阳离子交换容量大c轴可膨胀 材料科学基础 3 滑石 2 1型 SiO4 MgO6 SiO4 材料科学基础 化学式 3MgO 4SiO2 H2O或Mg3 Si4O10 OH 2单斜晶系C2 c空间群a
9、o 0 526nm bo 0 910nm co 1 881nm 100 材料科学基础 图3 39滑石晶体结构 材料科学基础 滑石晶体单元层间依靠分子力结合 所以具有很好的片状解理 滑腻感很强爽身粉的主要原料可用作高分子材料的填料滑石瓷是一种以滑石为主要原料 电性能优良的高频装置瓷 材料科学基础 架状硅酸盐晶体结构 材料科学基础 结构特征 SiO4 四个顶角氧都与相邻的 SiO4 共有 SiO4 排列成具有三维空间的网络结构 材料科学基础 石英多晶转变 材料科学基础 如果变体之间的转变不涉及晶体结构中键的破裂和重建 转变时质点只需稍作位移 键角稍作调整 转变过程迅速 这种转变称为位移型转变 材料科学基础 如果变体之间的转变涉及键的破裂和重建 过程比较缓慢 这种转变称为重建型转变 材料科学基础 材料科学基础 石英3个主要变体 石英 鳞石英 方石英 材料科学基础 结构差别 SiO4 连接方式不同 石英没有对称中心 键角150 鳞石英有对称平面 键角180 方石英有对称中心 键角180 材料科学基础 长石 架状结构长石族矿物种类多熔点较低常被用作助溶剂成分 材料科学基础
