3-3 无机非金属材料的结构和组成 Composition & Structure of Inorganic-nonmetalic Materials Simple Crystalline Structure compute the theoretical density Silicate Crystalline Structures and Noncrystalline Structure Ceramics Carbon and its Polymorphic Compounds

3-3无机非金属材料的结构和组成 3-3-1 组成和结合键 Chapter 3 Composition & Structure of Inorganic-nonmetalic Materials 3-3-1 组成和结合键 1.       组成 广义：除有机物和金属以外。 常见的陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料 组分components：硅酸盐类 氧化物类，氮、碳（不含H）。 2.       结合键 bonding type 离子键 正负离子、键强度高、紧密堆积、无 方向性， 金属氧化物，氧化镁、氧化铝 共价键 共用电子对、有方向性 如金钢石、 混合键（离子、共价），大多数。 混合键-----离子键和共价键之间的过渡。 元素电负性的大小， 。

3、离子半径与配位数 Ionic Radii and Coordination Number Table 3.3

Table 3.4

AX-TYPE CRYSTAL STRUCTURES AmXp-TYPE CRYSTAL STRUCTURES 3-3-2无机非金属材料中的简单晶体结构 Simple Crystalline Structure AX-TYPE CRYSTAL STRUCTURES AmXp-TYPE CRYSTAL STRUCTURES AmBnXp-TYPE CRYSTAL STRUCTURES Section 3.6

面心立方 四面体间隙数： 每晶胞： 8 每原子： 8 / 4 = 2 间隙大小（半径） =√3 a / 4 －R = 0.225R 八面体间隙数： 每晶胞： [1(体) + 1/4 × 12(棱)] = 4 每原子： 4 / 4 = 1 = a / 2 － R = 0.414R

体心立方 （bcc） 八面体间隙数： 四面体间隙数： 每晶胞： 每晶胞： [1/2 × 6 (面)+ 1/4 × 12(棱)] = 6 [4 × 1/2 × 6(面)] = 12 每原子： 6 / 2 = 3 每原子： 12 / 2 = 6 间隙大小（半径） 间隙大小（半径） = a /√2 － R = 0.633R <110> = √5 a / 4 －R = 0.291R = a / 2 － R = 0.154R <001>

AX AmXp AmBnXp

Table 3.5

几种典型晶体结构 1.单晶硅 立方晶系、 共价晶体、 sp3杂化， 8个原子

正负离子半径比 配位数 2.氯化钠与氯化铯 AX-TYPE Sodium chloride (Rock salt) and Cesium chloride 正负离子半径比 配位数 Na+/Cl- 0.524 6 正八面体配位 Cs+/Cl- 0.933 8 立方体配位 Figure 3.5 Figure 3.6

FIGURE 3.31

3. 氟化钙Fluorite (CaF2) AmXp-TYPE 12*1/4 6* 1/2 1 =8 Figure 3.8

面心立方ZnS S 配位数4、位于面心立方点上  4. 面心立方ZnS和六方ZnS 极性共价键Zn-S [ZnS4]4-  面心立方ZnS S 配位数4、位于面心立方点上 Zn 配位数4、位于四面体间隙 AX-TYPE Figure 3.7

六方ZnS

5. 钙钛矿晶体 CaTiO3 AmBnXp-TYPE 立方晶系 Ca2+ 立方体顶角 配位数12 位于八面体间隙 [TiO6]8-八面体 Ti4+八面体中心

6．尖晶石型晶体(MgAl2O4—AB2O4 ) O2- 面心立方密堆 立方晶系 A2+ 填充在四面体间隙 B3+ 填充在八面体间隙   单位晶胞包含8个分子，A8B16O32形成 64个四面体空隙、填充率1/8 32个八面体空隙、填充率1/2 A块中 A2+填充1/4的四面体间隙共2个、 4*2=8 B块中 B3+填充八面体间隙共4个、 4*4=16 (棱、心） 共棱小块的结构相同， 共面小块的结构不同

反尖晶石 B (AB) O4 Al (MgAl) O4 四面体间隙 八面体间隙 B)

Section 3.7 Calculation of Density n the number of formula units 1 within the unit cell AC the sum of the atomic weights of all cations in the formula unit AA the sum of the atomic weights of all anions in the formula unit VC the unit cell volume NA Avogadro’s number, 6.023 ×10 23 formula units/mol

EXAMPLE PROBLEM 3.6 On the basis of crystal structure, compute the theoretical density for sodium chloride. How does this compare with its measured density? SOLUTION n＝4， FCC lattices

experimental value ： 2.16 g/cm 3 .

3-3-3硅酸盐晶体结构 Silicate Crystalline Structures 结构基础 [SiO4]4-四面体，Si4+ 中心，O2- 顶。 两个邻近四面体之间共顶相连，不共棱或面。 Silicon-Oxygen Tetrahedron

排列方式5种： 络阴离子团 岛状：4个O，非桥氧原子。 [ SiO4 ]4- 联岛 [ Si2O7 ]6-

组群状：2个O，非桥氧原子，连成环状。 [ Si3O9 ]6-

层状： 1个O 2∞[ Si2O5 ]2- 架状: 0个O，如石英。 3∞[ SiO2 ]

Layered Silicates kaolinite clay.

粘土（高岭土） SiO2层 铝酸盐层

粘土加水

2：1型层状的硅酸盐矿物的晶体结构是由两层硅氧四面体之间夹着一层铝（镁）氧（羟基）八面体构成的晶层，晶层之间存在范德华力，晶层内的四面体和八面体可以有广泛的类质同象替代，如四面体中Si4+被Al3+,Ti4+,P5+替代，八面体中Al3+被Mg2+,Fe2+,Fe3+,Ni2+,Zn2+,Mn2+替代，从而使晶层带负电荷。水合阳子（Na+,K+,Ca2+,Mg2+）可占据层间域以电荷平衡。 各种有机阳离子（如烷基阳离子）可以通过离子交换反应来置换粘土矿物层间原有的水合阳离子，从而使通常亲水的粘土矿物表面疏水化，降低了表面能．改善了矿物与聚合物间相容性。

蒙脱土（Montmorillonite)是膨润土的有效成份， 其理论结构式为（1/2Ca,Na)x(Al2-xMgx)(Si4O10)(OH)4nH2O，属2：l型层状硅酸盐， 其四面体和八面体之间共用氧原子形成约0.96nm x100nm x100nm高度有序的准二维晶片。 晶胞表面积为2x0.515x0.89nm2,晶胞重（700-800）g/mol,比表面积高达（ 7 00～ 8 00)m2/g). 吸附阳离子有Na+,Ca2+,Mg2+等

1. 无机玻璃的组织结构 Texture 3-3-4无机非金属材料的非晶体结构 Noncrystalline Structure------Amorphous 1. 无机玻璃的组织结构 Texture 主要成份：SiO2、Na2O、K2O、CaO、MgO、Al2O3。 键合形式：离子键、共价键，及其混合键。 慢冷 结晶 形成： 熔体 急冷(粘度大) 无定形（玻璃结构），无规网络 network 无规网络与高分子不同 Section 3.20

固体为三维网状，无定形，加热熔融，反复使用。 硅酸盐熔体结构模型示意图

Silica Crystal Silica Glass 网体氧化物：SiO2, B2O3 , P2O5 , GeO 网体外氧化物：Na2O, K2O, CaO, BaO 中间体氧化物：MgO, ZnO, Al2O3 Silica Crystal Silica Glass 网络外体氧化物和中间体氧化物对玻璃结构的影响 二氧化硅网络结构示意图

石英玻璃 Y= 4 （Y—结构参数—桥氧原子的平均数） 硅酸盐玻璃 Y ≥2 R=5:2, X=1, Z=4, Y=3 SiO2%升高，共价键成分增多 膨胀系数降低——耐热玻璃 钢化玻璃 石英玻璃 Y= 4 （Y—结构参数—桥氧原子的平均数） 硅酸盐玻璃 Y ≥2 R=5:2, X=1, Z=4, Y=3 X+Y=Z X+Y/2=R X=2R-Z Y=2Z-2R 结构参数Y对玻璃性质的影响 玻璃组成 Y值 熔融温度，℃ 膨胀系数107 Na2O.2SiO2 3 1523 146 P2O5 1573 140 Na2O.SiO2 2 1323 220 Na2O.P2O5 1373 X 非桥氧 Y 桥氧 Z 氧 R 氧硅比  

2. 凝胶及凝胶材料 gel (1)       凝胶的特性 无流动性、 有弹性和强度 有机和无机 (2)       凝胶的结构 线性排列 网状结构（板棒搭接） 线性大分子---微晶区 线性大分子---化学交联---网状 刚性凝胶 弹性凝胶 （3）凝胶材料 水硬性------水泥 气硬性------石膏

3-3-5陶瓷 Ceramics 特种陶瓷（金属氧化物） 陶器 硅酸盐陶瓷 跖器 瓷器 2. 显微结构（组织结构）Texture 1.  类型 多晶多相聚集体（金属、类金属与非金属） 特种陶瓷（金属氧化物） 陶器 硅酸盐陶瓷 跖器 瓷器 2. 显微结构（组织结构）Texture 晶相（晶界）：晶粒，影响性能的主要因素 玻璃相：由离子多面体短程有序而长程无序排列而成的三维网状 结构，包裹在晶粒周围，起黏结作用，含量15~35% ——排列无规则（烧结时形成）。作用：将分散的晶粒 粘结在一起。降低烧结温度拟制晶体长大，以及填充 气孔空隙等。 气相: 烧结中残留气体（气孔）。 影响性能。保留气相，则比重小，绝热。

Carbon and its Polymorphic Compounds 1. 石墨 Graphite 3-3-6碳化合物及其结构 Carbon and its Polymorphic Compounds 1. 石墨 Graphite 碳的同素异构体 六方晶体——粒晶几到几十微米 的片状结构。 结构示意图： 面内C-C 1.42埃，共价结合   层间C-C 3.40埃，物理键合   应用：润滑、导电。 人造石墨：焦油胶粘剂，石油焦炭成型后，粘接，在2000C以上的高温下处理制成石墨。

2。 炭黑 Carbon black 炭黑——几个（3---7个）芳香组缩合碳环平面重叠而成的微晶体。 颜料和填料，轮胎补强 天然气、油脂等高含碳量有机化合物进行不完全烧洁（碳没有完全氧化）。

3 . 碳纤维 Carbone Fiber 结构的基本单元为石墨层片。 乱层石墨微晶，微晶（头---头）连接形成碳纤维。 制备： 原料： PAN纤维 粘胶纤维 沥青纤维 （主要） 空气中 预氧化 200~300C环化 碳化（惰性气体）脱氢   石墨化 石墨晶体

Diamond 碳同素异构体，立方晶系 晶胞中8个碳原子，sp3杂化 高硬度 物理性能 天然金刚石 金刚石薄膜 硬 度，kgf/mm2 10000 9000-10000 体积模量，Gpa 440-590 ―― 杨氏模量，Gpa 1200 接近天然金刚石 热 导 率，W/cm.K (300K) 20 10－20 纵波声速，m/s 18000 密 度，g/cm3 3.6 2.8－3.5 折 射 率 (590nm) 2.41 2.4 透 光 性 225nm－25μm 电 阻 率，Ω.cm 1016 ≥1012 禁带宽度，eV 5.5  4、金刚石：钻石， Diamond 碳同素异构体，立方晶系 晶胞中8个碳原子，sp3杂化 高硬度  

5、C60：巴基球，富勒烯，Fullerenes Rohlfing等人1984年发现， Kroto等人1996年获诺贝尔化学奖 碳同素异构体 60（或70）个碳原子组成的空心圆球，如同足球， 12个正五边形，20个正六边形 的32面体 1.455埃 1.391埃 直径约7.1---10 埃 球体进入晶格， a=14.17埃

6、 碳纳米管： 巴基管 Buck Tube 碳同素异构体 全部由碳六边形组成的中空管，单层与多层（同轴套） 图 直径， 0.6（10个六边形围成）---几十纳米 长度， 10------1000纳米