材料化学-无机非金属材料(结构)

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1、非金属材料1第一节概述第二节非金属材料的结构第三节陶瓷第四节玻璃第五节水泥第六节耐火材料CONTENTS2非金属材料一般指无机非金属陶瓷材料，主要包括晶体、陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等。陶瓷材料有广义和狭义之分，广义陶瓷即指无机非金属陶瓷材料，狭义陶瓷包括传统陶瓷和精细陶瓷。第一节概述3传统陶瓷——以粘土（塑性组分），长石（熔剂组分），石英（惰性组分）等天然矿物为原料，经粉碎、混合、磨细、成型、干燥、烧成等工序制成的产品。特种陶瓷——近代发展的新型陶瓷，所用原料，生产工艺，化学成分，产品性能及用途等均有别于传统陶瓷，以人工合成化合物为原料制备，用于技术和工程领域，如电子信息、

2、能源、机械、化工、动力、生物、航天航空和其它高新技术领域。4无机非金属材料的基本属性化学健主要是离子键、共价健以及它们的混合键；硬而脆、韧性低、抗压不抗拉、对缺陷敏感；熔点高，具有优良的耐高温和化学稳定性；一般自由电子数目少、导热性和导电性较小；耐化学腐蚀性好；耐磨损。5第二节非金属材料的结构1、陶瓷材料的结构特点（1）陶瓷材料的组成与结合键陶瓷是金属和非金属元素组成的化合物。当含有一种以上的化合物时，其晶体结构可能变得非常复杂。陶瓷晶体是以离子键和共价键为主要结合键，一般为两种以上的不同键合的混合形式。6陶瓷材料离子键和共价键的混合比化合物LiFMgOAl2O3SiO2Si

3、3N4SiCSi电负性3.02.32.01.71.20.70离子键比例/%8973635130110共价键比例/%1127374970891007陶瓷材料由晶相、玻璃相、气相组成。晶相是陶瓷材料的主要组成相，决定陶瓷材料的物理化学特性。玻璃相是非晶态低熔点固体相，起粘结晶相，填充气孔，降低烧结温度等作用。气相和气孔是陶瓷材料在制备过程中不可避免留下的。气孔率增大，陶瓷材料的致密度降低，强度和硬度下降。若玻璃相分布在主晶相界面，在高温下陶瓷材料的强度下降，易发生塑性变形。对陶瓷烧结体进行热处理，使晶界玻璃相重结晶或进入晶相成为固熔体，可显著提高陶瓷材料在高温时的强度。（2）陶瓷

4、材料的显微结构82、非金属材料的晶体结构（1）AX型陶瓷晶体AX型陶瓷晶体是最简单的陶瓷化合物，它们具有数量相等的金属原子和非金属原子。它们可以是离子型化合物，如MgO，其中两个电子从金属原子转移到非金属原子，而形成阳离子（Mg3+）和阴离子（O2-）。AX化合物也可以是共价型，价电子在很大程度上是共用的。硫化锌（ZnS）是这类化合物的一个例子。9AX化合物的特征是：A原子只被作为直接邻居的X原子所配位，且X原子也只有A原子作为第一邻居。因此A和X原子或离子是高度有序的，在形成AX化合物时，有三种主要的方法能使两种原子数目相等，且有如上所述的有序配位。10（a）CsCl型A原

5、子（或离子）位于8个X原子的中心，X原子（或离子）也处于8个A原子的中心。但应该注意的是，这种结构并不是体心立方的。确切的说，它是简单立方的，它相当于把简单立方的A原子和X原子晶格相对平移a/2，到达彼此的中心位置而形成。11（b）NaCl型NaCl型的结构是：阴离子为面心立方点阵；而阳离子位于其晶胞和棱边的中心。12（c）ZnS（闪锌矿型）和非立方型这类结构原子排列比较复杂，形成的陶瓷材料很硬很脆。属于闪锌矿型结构的陶瓷材料有ZnS、BeO、SiC等；属于非立方型结构的陶瓷材料有FeS、MnTe、ZnO、NiAs等。13（2）AmXp型陶瓷晶体（a）萤石（CaF2）型结构与

6、逆萤石型结构这类结构中金属原子具有面心立方点阵，非金属原子占据所有的四面体间隙位置。萤石结构的氧化物有CeO2、PrO2、UO2、ZrO2、NpO2、PuO2、AmO2等。它们的特点是金属离子半径大于氧离子半径，所以金属离子呈面心立方或密排六方结构，而小的氧离子则填充间隙。14（b）刚玉（Al2O3）结构这种结构的氧离子具有密排六方的排列，阳离子占据八面体间隙的三分之二。具有这种结构的氧化物有Al2O3、Fe2O3、Cr2O3、Ti2O3、V2O3、Ga2O3、Rh2O3等。153、硅酸盐化合物许多陶瓷材料都包含硅酸盐，一方面是因为硅酸盐丰富和便宜，另一方面则是因为它们具有在

7、工程上有用的某些独特性能。（1）硅酸盐四面体单元硅酸盐的基本结构单元为(SiO4)4-四面体。其中，四面体的顶角上有四个O2-，四面体的中间间隙位置上有一个Si4+。将四面体连接在一起的力包含离子键和共价键；因此，四面体的结合很牢固。但是，不论是离子键或共价键机制，每个四面体的氧原子外层只有7个电子而不是8个。16硅氧四面体结构17（2）硅酸盐化合物的几种类型按照连接方式划分，硅酸盐化合物可以分为以下几种类型：（a）孤立状硅酸盐其单元体(SiO4)4－互相独立，不发生相互连接，化学组成一般可以表示为2R