《陶瓷的晶體結構》課件

2.3陶瓷的晶體結構材料科學基礎主講徐敏虹1精選課件什么是陶？什么是瓷？陶器是用粘土（陶土）成型晾干后，用火燒出來的，是泥與火的結晶。早期陶器的燒制溫度較低，一般在600—800℃左右。

《彩陶魚紋盆》（馬家窯文化）《彩陶旋渦紋甕》精選課件瓷器是用瓷土燒制的器皿，是中國古代的一項偉大發(fā)明，燒結溫度提高到1200℃以上。什么是陶？什么是瓷？精選課件

“陶瓷”是指所有以粘土為主要原料與其它天然礦物原料經過粉碎、混煉、成形、燒結等過程而制成的各種制品。

1.陶瓷的概述日用陶瓷－餐具建筑陶瓷－地磚電瓷性能：耐高溫、耐磨、耐腐蝕、高硬度、高強度及其它特殊性能(壓電性、磁性和光學性能)，但脆性大精選課件絕緣子氧化鋁陶瓷坩堝精選課件2.陶瓷的分類

結構陶瓷主要是用于耐磨損、高強度、耐熱、耐熱沖擊、硬質、高剛性、低熱膨脹性和隔熱等結構陶瓷材料不同形狀的特種結構陶瓷件Si3N4軸承精選課件⑴氧化鋁陶瓷

氧化鋁陶瓷以Al2O3為主要成分,含有少量SiO2的陶瓷，又稱高鋁陶瓷。Al2O3化工、耐磨陶瓷配件Al2O3密封、氣動陶瓷配件單相Al2O3陶瓷組織3.3先進結構陶瓷精選課件碳化硅陶瓷用于制造火箭噴嘴、澆注金屬的喉管、熱電偶套管、爐管、燃氣輪機葉片及軸承，泵的密封圈、拉絲成型模具等。

SiC陶瓷件SiC軸承SiC陶瓷件3.3先進結構陶瓷精選課件

功能陶瓷中包括電磁功能、光學功能和生物-化學功能等陶瓷制品和材料，此外還有核能陶瓷和其它功能材料等。電子絕緣件氧化鋯陶瓷光學導管精選課件陶瓷的組成1.結晶相：主要組成相，由離子鍵或共價鍵結合而成，決定陶瓷的性能：高熔點、高耐熱性、高化學穩(wěn)定性、高絕緣性、高脆性。2

玻璃相：非晶態(tài)固體，將晶相粘結在一起，降低燒結溫度，抑制晶相晶粒長大和填充氣孔。氣相：氣孔（5％－10％）。對性能的不利影響：增加脆性、降低強度、電擊穿強度降低，絕緣性能降低。對性能的有利影響：提高吸振性，使陶瓷密度減小精選課件玻璃相的主要作用玻璃相是一種非晶態(tài)低熔物

在瓷坯體中起粘結作用，即把分散的結晶相粘結在一起降低燒成溫度，抑制晶體長大，阻止多晶轉變填充氣孔空隙，促使坯體致密化。精選課件氣相（氣孔）氣孔分為開口氣孔和閉口氣孔，在坯料燒成前大部分是開口氣孔，在燒成過程中開口氣孔消失或轉變?yōu)殚]口氣孔，氣孔率下降。還使陶瓷材料導熱率下降、介電損耗增大、抗電擊穿強度降低是應力集中的地方，并且有可能直接成為裂紋，這將使材料強度大大降低氣相還可使光線散射而降低陶瓷透明度

精選課件主要原料：

黏土礦物－高嶺石鉀長石石英粘土（它是以高嶺土結構Al2O3·2SiO2·2H2O為基礎的礦物，是多種含水的鋁硅酸鹽的混合體）、石英（無水SiO2或硅酸鹽）、長石（助熔劑原料，是堿金屬或堿土金屬的無水鋁硅酸鹽礦物，如鉀長石K2O·Al2O3·6SiO2、鈉長石Na2O·Al2O3·6SiO2）

精選課件陶瓷材料的制備工藝

原料配置→坯料成型→燒結→成品成型的目的是將坯料加工成一定形狀和尺寸的半成品，使坯料具有必要的強度和致密度，具體成型方法有可塑成型、注漿成型和壓制成型三種；干燥后的坯料進行高溫燒結的目的是通過一系列的物理化學變化，使坯件瓷化并獲得所要求的性能。

精選課件涂彩釉精選課件2.3.2離子的晶體結構離子晶體有關概念1.離子晶體：由正、負離子通過離子鍵按一定方式堆積起來而形成的。陶瓷大多數屬于離子晶體。2.離子半徑：從原子核中心到其最外層電子的平衡距離。對離子晶體，通常認為晶體中相鄰的正負離子中心之間的距離作為正負離子半徑之和，即R0=R++R－。離子半徑大小的一般規(guī)律P70。

精選課件3.配位數：最鄰近的異號離子數配位多面體：晶體中最鄰近的配位原子所組成的多面體。硅氧四面體和鋁氧八面體氧離子硅離子鋁離子精選課件4.離子堆積離子晶體通常由負離子堆積成骨架，正離子按其自身大小居于相應負離子空隙（負離子配位多面體）。其堆積方式主要有立方最密堆積、六方最密堆積、立方體心密堆積和四面體堆積等精選課件4.離子堆積負離子配位多面體：離子晶體中與某一正離子成配位關系而鄰接的各負離子中心線所構成的多面體精選課件2.3.2.2離子晶體的結構規(guī)則—鮑林規(guī)則

負離子配位多面體規(guī)則符合最小內能原理電價規(guī)則負離子多面體共用頂、棱、面的規(guī)則共用點、棱、面,會降低結構穩(wěn)定性不同種類正離子多面體間連接規(guī)則節(jié)約規(guī)則同種正離子和同種負離子的結合方式應最大限度地趨于一致.精選課件1、鮑林第一規(guī)則——配位多面體規(guī)則在離子晶體中，圍繞每一陽離子，形成一個陰離子配位多面體，陰陽離子的間距決定于它們的半徑之和，陽離子的配位數則取決于它們的半徑之比。如：NaCl6，氯八面體精選課件2、鮑林第二規(guī)則——靜電價規(guī)則在一個穩(wěn)定的離子晶體結構中，每一個負離子的電價等于或近似等于相鄰正離子分配給他的靜電鍵強度的總和。精選課件3、鮑林第三規(guī)則——多面體共頂、共棱、共面規(guī)則在配位結構中，兩個陰離子多面體以共棱，特別是共面方式存在時，結構的穩(wěn)定性便降低。精選課件精選課件例：島狀鎂橄欖石（Mg2SiO4）4、鮑林第四規(guī)則——不同配位多面體連接規(guī)則在一個含有不同陽離子的晶體中，電價高而配位數小的那些陽離子特別傾向于共角連接。精選課件5、鮑林第五規(guī)則——節(jié)約規(guī)則在一個晶體結構中，本質不同的結構組元的種類傾向于最少數目。不同尺寸的離子和多面體很難有效地堆積在一起精選課件2.3.2.3幾種典型的晶體結構(1)CsCl型(2)NaCl型1.

AB型(3)立方ZNS(閃鋅礦)型：(4)

六方ZNS(纖鋅礦)型：(1)CaF2(螢石型)2.AB2型(2)TiO2(金紅石)型(3)β－SiO2(方晶石.方石英)型3.A2B型(1)赤銅礦結構(2)反螢石結構（K2O）精選課件4.A2B3型(1)α－Al2O3(2)A、B、C型稀土化合物5.AB3型WO36.A2B5型V2O57.ABO3型(1)CaTiO3(鈣鈦礦、灰鈦礦)型(2)CaCO3(方解石)型、三方晶系6.AB2O4型尖晶石(MgAl2O4)精選課件1）AB型結構NaCl型結構，其化學式為NaCl，晶體結構為立方晶系。氯化鈉是一種立方面心格子。其中陰離子按立方最緊密方式堆積，陽離子填充于全部的八面體空隙中，陰、陽離子的配位數都為6。精選課件閃鋅礦型結構，如立方ZnS，為立方晶系,ZnS是面心立方格子，陰離子位于立方面心格子的節(jié)點位置，而陽離子交錯分布于立方體內的1/8小立方體的中心。陽離子的配位數是4，陰離子的配位數也是4。立方ZnS六方ZnS精選課件（2）AB2型結構螢石結構，CaF2,結構屬于立方晶系，陽離子位于立方面心的節(jié)點位置上，陰離子則位于立方體內8個小立方體的中心。陽離子的配位數位8，而陰離子的的配位數為4。精選課件（3）A2B3型結構剛玉型結構，屬于三方晶系。陰離子按六方緊密堆積排列，而陽離子填充于2/3的八面體空隙，因此陽離子的分布必須有一定的規(guī)律，其原則就是在同一層和層與層之間，陽離子之間的距離應保持最遠，這是符合于鮑林規(guī)則的。

精選課件2.3.3硅酸鹽的晶體結構

硅酸鹽的結構組成：都是由硅氧四面體作為骨架組成。

硅酸鹽晶體的結構特點：(1)構成的基本結構單元是由Si和O組成的[SiO4]4-四面體。(2)每個O最多只能為兩個[SiO4]4-四面體所(3)[SiO4]四面體可以獨立地在結構中存在，也可以通過[SiO4]4-共用四面體頂點連接(4)[SiO4]4-中Si－O－Si結合鍵不是一條直線,呈145o夾角。精選課件硅酸鹽的分類（掌握）

1.孤島狀硅酸鹽：[

SiO4]4-以孤立狀存在。如鎂橄欖石Mg2SiO4，鋯英石ZrSiO4等2.組群狀硅酸鹽：由[SiO4]4-通過共用氧(橋氧)相生成2、3、4或者6個硅氧組群。綠寶石

3.鏈狀硅酸鹽：由[SiO4]4-通過橋氧的連接在一維方向伸長成單鏈或雙鏈、鏈與鏈間為正離子鏈結。輝石

精選課件4.層狀硅酸鹽：由[SiO4]4-四面體某個面在平面內以共用頂點的方式連接成六角對稱的二維結構,多為二節(jié)單層。當活性氧與其它負離子一起與金屬正離子組成八面體層,就與四面體構成雙層結構。滑石，白云母5.骨架狀硅酸鹽：由[SiO4]4-四面體連成無限六元環(huán)狀,層中未飽合和交替指向上或向下,把這樣的層疊置起來使兩個為一個公共氧所代替。石英精選課件組群狀結構

精選課件精選課件精選課件精選課件1、概念同質多晶：化學組成相同的物質，在不同的熱力學條件下，結晶成為兩種以上結構不同的晶體的現象。由此而產生的化學組成相同、結構不同的晶體稱為變體。類質同晶：化學組成相似的不同化合物，具有相同晶體結構的現象。2.3.4同質多晶現象（掌握）精選課件例如：石墨金剛石精選課件2、多晶轉變根據多晶轉變前后晶體結構變化和轉變速度的情況不同，分為：位移性轉變：質點間位移、鍵長、鍵角的調整，轉變速度快（高低溫型轉變）。在金屬材料中，位移型相變稱為馬氏體相變。這種相變是非擴散型的，只要通過母相結構的剪切就可以得到新相精選課件重建型轉變：舊鍵的破壞，新鍵的形成，轉變速度慢。在金屬材料中，位移型相變稱為馬氏體相變。這種相變是非擴散型的，只要通過母相結構的剪切就可以得到新相精選課件精選課件2.3.5晶態(tài)與玻璃結構

與晶體在三維空間有序的排列不同，非晶是長程無序的。即在較大距離上結構無周期性，但近程(幾個?內)結構是有序的。無機非晶態(tài)：無機玻璃、凝膠、非晶態(tài)半導體、無定形碳以及合金玻璃。玻璃：具有玻璃轉換點的非晶態(tài)固體。短程有序，長程無序精選課件玻璃的結構1.晶子學說

玻璃是由無數晶子組成，晶子是帶有晶格變形的有序排列小區(qū)域，他們分散在無定形中，并且從晶子到無定形的過渡是逐步完成的。意義：玻璃結構的微觀不均勻性和近程有序現象。精選課件1.無規(guī)則網絡學說

玻璃的結構與相應的晶體結構相似，同樣形成連續(xù)的三維空間網絡結構。但玻璃的網絡與晶體的網絡不同，玻璃的網絡是不規(guī)則的、非周期性。意義：解釋玻璃的各向同性、內部性質的均勻