材料科學基礎

材料科學基礎第一頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期六離子晶體中穩(wěn)定和不穩(wěn)定的配位圖形

穩(wěn)定穩(wěn)定不穩(wěn)定材料科學基礎第二頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期六材料科學基礎要求:

無機材料典型的晶體結構類型晶胞分析和描述——晶系、基本格子、等同點分析、正負離子配位數(shù)（CN）、晶胞分子數(shù)z、質(zhì)點坐標、四面體和八面體空隙數(shù)量、位置及被占據(jù)情況同晶型典型物質(zhì)及特性熟記幾個典型晶體結構圖

第三頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期六§3.2氧化物的晶體結構2.AB2型化合物結構

1)螢石（CaF2）型結構

2）金紅石（TiO2）型結構3.ABO3型化合物結構鈣鈦礦型（CaTiO3）結構4.AB2O4型結構尖晶石結構

反型尖晶石結構

1.AB型化合物結構1）NaCl型結構2）CsCl型結構3）閃鋅礦（立方ZnS）型結構4）纖鋅礦（六方ZnS）型結構材料科學基礎第四頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期六礦物名稱：石鹽。材料科學基礎一、NaCI型結構第五頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期六材料科學基礎圖3-1NaCl晶體結構

第六頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期六---Na+離子位于面心格子的結點位置上，CI—離子也 位于另一套這樣的格子上，后一個格子與前一個格 子相距1/2晶棱的位移。

結構描述：（1）立方晶系，a＝0.563nm，Z＝4（2）Na+CI—離子鍵，NaCI為離子晶體.（3）CN+

＝CN-

＝6（4）---CI—離子按立方最緊密堆積方式堆積，Na+離子充 填于全部八面體空隙。

---Na+離子的配位數(shù)是6，構成Na--CI八面體。NaCI 結構是由Na--CI八面體以共棱的方式相連而成材料科學基礎第七頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期六二、CsCl型結構立方晶系Pm3m空間群，a0＝0.411nm，Z＝1，立方原始格子，Cl-處于立方原始格子的八個角頂上，Cs＋位于立方體中心（立方體空隙），Cl-和Cs+的CN均為8。離子坐標：Cs+—?

?

?

；Cl-—000屬于CsCl型結構的晶體：CsBr、CsI、NH4Cl等材料科學基礎第八頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期六

化學式：

CaF2

材料科學基礎三、螢石型結構第九頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期六晶體結構：立方晶系，a＝0.545nm，Z＝4材料科學基礎第十頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期六空間格子：Ca2＋位于立方面心的結點位置，F(xiàn)－位于立方體 內(nèi)八個小立方體的中心，即Ca2＋按立方緊密堆積 的方式排列，F(xiàn)－充填于全部四面體空隙中。配位數(shù)：CN＋＝8；CN－＝4多面體：簡單立方體連接形式：〔CaF8〕之間以共棱形式連接晶胞組成：Ca2＋＝8×1/8＋6×1/2＝4；F－＝4＋4＝8性質(zhì)：八面體空隙全部空著—空洞—負離子擴散屬于螢石結構的晶體有：BaF2；PbF2；CeO2；ThO2；UO2；低溫ZrO2（扭曲、變形）材料科學基礎第十一頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期六

反螢石結構晶體結構：其結構與螢石完全相同，只是陰陽離子的位置完 全互換，即陽離子占據(jù)的是F－的位置，陰離子占 據(jù)的是Ca2＋的位置配位數(shù)：CN＋＝4；CN－＝8晶胞組成：陰離子＝8×1/8＋6×1/2＝4

陽離子＝4＋4＝8屬于反螢石結構的晶體有：Li2O；Na2O；K2O等材料科學基礎第十二頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期六

化學式：β－ZnS材料科學基礎四、閃鋅礦型結構第十三頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期六晶體結構：立方晶系，a＝0.540nm；Z＝4空間格子：立方面心格子，S2－離子呈立方最緊密堆積，位于 立方面心的結點位置，Zn2＋離子交錯地分布于1/8 小立方體的中心，即1/2的四面體空隙中。

第十四頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期六結構投影圖：（俯視圖）用標高來表示，0－底面；25－ 1/4；50－1/2；75－3/4。（0－100；25－ 125；50－150是等效的）配位數(shù)：

CN＋＝CN－＝4；極性共價鍵，配位型共價 晶體。配位多面體：

〔ZnS4〕四面體，在空間以共頂方式相連接屬于閃鋅礦型結構晶體有：

β－SiC；GaAs；AlP；InSb等。材料科學基礎第十五頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期六化學式：α－ZnS晶體結構：六方晶系；

a＝0.382nm；c＝0.625nm；Z＝2材料科學基礎五、纖鋅礦型結構第十六頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期六

質(zhì)點坐標：

S2－：000；2/31/31/2Zn2＋：00u； 2/31/3（u－1/2）空間格子：

S2－按六方緊密堆積排 列 Zn2＋充填于1/2的四面 體 空隙，形成六方格子。配位數(shù)：CN＋＝CN－＝4多面體：〔ZnS4〕四面體共頂連接鍵型：Zn、S為極性共價鍵屬纖鋅礦型結構的晶體有：

BeO；ZnO；AlN等。材料科學基礎第十七頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期六

化學式：TiO2晶體結構：四方晶系，a＝0.459nm；c＝0.296nm；Z＝2材料科學基礎六、金紅石型結構第十八頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期六格子類型：四方原始格子。Ti4＋位于結點位置，體心的屬另一 套格子。O2－處在一些特殊位置上，質(zhì)點坐標：Ti4＋：000；1/21/21/2；

O2－

:uu0;(1-u)(1-u)0;(1/2+u)(1/2-u)1/2;(1/2-u)(1/2+u)1/2

材料科學基礎第十九頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期六晶體結構：O2－可看成是變形 六方密堆積，Ti4＋ 離子填充1/2的八面 體空隙配位數(shù)：CN＋＝6；CN－＝3多面體：〔TiO6〕八面體連接方式：Ti－O八面體以共 棱方式連接成鏈， 鏈與鏈之間以共頂 方式相連。與金紅石結構相同的晶體有： SnO2；PbO2； MnO2；MoO2； WO2；MnF2； MgF2；VO2材料科學基礎第二十頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期六

化學式：通式AB2O3；MgAl2O4材料科學基礎七、尖晶石型結構第二十一頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期六晶體結構：立方晶系，a＝0.808nm，Z＝8空間格子：O2-是按立方密堆積的形式排列。二價離子A充 填1/8四面體空隙，三價離子B充填于1/2八面 體空隙（正尖晶石結構）。多面體：〔MgO4〕、〔AlO6〕八面體之間是共棱相連， 八面體與四面體之間是共頂相連。材料科學基礎第二十二頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期六

反尖晶石結構：

結構中二價陽離子與三價陽離子充填的空隙 類型相反，即形成了反尖晶石結構?？捎镁?體場理論來解釋。材料科學基礎反尖晶石型結構第二十三頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期六決定結構的因素：正型與反型由陽離子的八面體的擇位能來 決定。用途：廣泛應用的是鐵氧體磁性材料，同時在陶 瓷顏料中也常用到。海碧：CoAl2O4

合成溫度：1200℃

孔雀藍：〔（Co、Zn）0（Cr、Al）2O3〕

合成溫度：1300℃鉻鋁桃紅：〔ZnO、（Al、Cr）2O3〕

合成溫度：1200℃材料科學基礎第二十四頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期六

材料科學基礎八、鈣鈦礦型結構第二十五頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期六鈣鈦礦結構的通式為ABO3,以CaTiO3為例討論其結構:

Ca2+O2-Ti4+材料科學基礎第二十六頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期六配位關系的分析:可以看出:Ca的CN=12Ti的CN=6O的CN=2+4=6材料科學基礎第二十七頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期六結構的描述（1）鈣鈦礦在高溫時屬立方晶系，在降溫時，通過某個特定 溫度后將產(chǎn)生結構的畸變使立方晶格的對稱性下降.（2）

CaTiO3為離子晶體（3）

Ca的CN=12Ti的CN=6O的CN=2+4=6（4）

CaTiO3的結構可看成有和半徑較大的離子共同組成立方 緊密堆積，離子充填于1/4的八面體空隙中。其Z=4（5）結點坐標為：

Ca2+

000，001，010，100，110，011，101，111

O2-

01/21/2，1/201/2，1/21/20，11/21/2，1/211/2 ，1/21/21

Ti4+

1/21/21/2（6）立方面心格子材料科學基礎第二十八頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期六九、金剛石結構化學式C；晶體結構為立方晶系Fd3m，立方面心格子，a0＝0.356nm；碳原子位于立方面心的所有結點位置和交替分布在立方體內(nèi)四個小立方體中心；每個晶胞中原子數(shù)Z＝8，每個碳原子周圍都有4個碳，之間形成共價鍵。與其結構相同的有硅、鍺、灰錫、合成立方氮化硼等性質(zhì)：

硬度最大、具半導體性能、極好的導熱性第二十九頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期六十、石墨結構石墨（C），六方晶系，P63／mmc，a0=0.146nm，c0=0.670nm，每個晶胞中原子數(shù)Z=4。結構表現(xiàn)為碳原子呈層狀排列。層內(nèi)碳原子呈六方環(huán)狀排列，每個碳原子與三個相鄰碳原子之間的距離均為0.142nm；層間距離為0.335nm。層內(nèi)為共價鍵，層間為分子鍵相連。第三十頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期六性質(zhì)：碳原子有一個電子可以在層內(nèi)移動，類似于金屬中的自由電子，平行層的方向具良好導電性；硬度低，易加工；熔點高；有潤滑感。石墨與金剛石的化學組成相同，結構不同，這種現(xiàn)象稱為同質(zhì)多晶現(xiàn)象，石墨和金剛石是碳的兩種同質(zhì)多象變體。人工合成的六方氮化硼與石墨結構相同。第三十一頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期六(1)發(fā)現(xiàn)：1985年，科學家用激光束照射石墨得灰色氣體，用有機溶劑萃取得n﹤200的大量簇分子，含60個碳的分子比較多。(2)合成：將幾十伏的電流電壓加在兩根碳棒上，當兩根碳棒距離很小時，就會產(chǎn)生電弧放電導致短路，產(chǎn)生的碳煙中含有大量的C60,再用有機溶劑萃取碳煙。材料科學基礎十一、足球烯第三十二頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期六(3)結構：籠狀分子，固態(tài)時是分子晶體，每個碳原子只跟相鄰的三個碳原子形成共價鍵，60個碳原子構成球形，共32面體，包括12個五邊形，20個六邊形。材料科學基礎第三十三頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期六第三十四頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期六(4)性質(zhì)：C60

摻雜鉀、銣等有超導性，超導起始溫度達到18K。北大和科學院合作制得Rb3C60，超導起始溫度高達28K，領先于世界先進水平。(5)成果：最大的足球烯單晶的直徑僅為6mm，浙江大學的科學家制取直徑為1.3㎝的高品質(zhì)單晶，走在世界前列。

1996年的諾貝爾授予羅伯特、克羅特和斯莫利等三位科學家，表彰他們有關富勒烯的發(fā)現(xiàn)、制備和性質(zhì)研究。材料科學基礎第三十五頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期六(1)、發(fā)現(xiàn)：知道了C60的制備以后，人們的注意力全部集中在觀察碳灰上，而日本科學家飯島澄男卻仔細觀察了放電后在陽極上產(chǎn)生的沉淀物，是他意外發(fā)現(xiàn)了鈉米碳管。材料科學基礎十二、鈉米碳管第三十六頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期六(2)、什么是鈉米碳管？

石墨有層狀結構，可以看作是由原子紙一層一層堆疊而成。若將一層或幾層這樣的原子紙卷成圓筒形狀，就是鈉米碳管。中科院解思深教授制得0.5nm碳管，麻省理工學院秦祿昌博士制得最小的鈉米碳管0.4nm。乘座電梯上太空(3)、應用前景廣泛材料科學基礎第三十七頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期六第三十八頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期六§3.3硅酸鹽的晶體結構一、硅酸鹽的應用1.玻璃2.硅酸鹽水泥3.地磚4.陶瓷5.電絕緣材料6.焊條藥皮7.耐火材料科學基礎第三十九頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期六

硅酸根（SiO44-)四面體：Si-O鍵的性質(zhì)，共價鍵和離子鍵大約各占一半。O-O-O-O-Si二、硅酸鹽的基本結構單元材料科學基礎第四十頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期六

硅酸根（SiO44-)四面體硅酸根（Si2O6-)雙四面體

材料科學基礎第四十一頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期六§3.3硅酸鹽的晶體結構三、島狀結構單元：硅酸根（SiO44-)四面體通過與其他正離子連接在一起，就形成了島狀或孤立狀的硅酸鹽結構，又稱原硅酸鹽。橄欖石族的一系列化合物屬于此類。Mg2SiO4鎂橄欖石就是其中之一。四、雙四面體結構單元：硅酸根（SiO44-)四面體通過共用一個或更多的O2-離子連接在一起時，可能的聯(lián)結方式很多，最簡單的就是兩個四面體共用一個頂角。黃長石就是一個例子。材料科學基礎第四十二頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期六§3.3硅酸鹽的晶體結構五、環(huán)狀結構單元：當硅酸根（SiO44-)四面體有兩個頂角的氧離子為相鄰的兩個硅酸根四面體共有時，就會形成環(huán)狀結構單元。六、