资源预览内容
第1页 / 共293页
第2页 / 共293页
第3页 / 共293页
第4页 / 共293页
第5页 / 共293页
第6页 / 共293页
第7页 / 共293页
第8页 / 共293页
第9页 / 共293页
第10页 / 共293页
亲,该文档总共293页,到这儿已超出免费预览范围,如果喜欢就下载吧!
点击查看更多>>
资源描述
第1章材料引言1.1 复习笔记一、材料类型材料按其化学作用(或基本组成)分为金属材料、无机非金属材料、高分子材料(聚合物)和复合材料四大类。1. 金属材料(1) 金属材料的定义金属材料是指由元素周期表中的金属元素组成的材料。(2) 金属材料的分类 单质单质是指由一种金属元素构成的纯金属。 合金合金是指由两种或两种以上的金属元素,或金属元素与非金属元素形成的具有金属特性的新物质。a. 一次固溶体一次固溶体,又称端际固溶体,是指当合金的晶体结构保持溶剂组元,同时将外来组元引入晶体结构,占据主晶相质点位置一部分或间隙位置一部分后仍保持一个晶相的合金。b. 金属间化合物金属间化合物是指金属元素与其他金属元素或非金属元素之间形成的合金。2. 无机非金属材料(1) 无机非金属材料的定义无机非金属材料是指由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐等原料和(或)氧化物、氮化 物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物、卤化物等原料经一定的工艺制备而成的材料,是除金属材料、高分子材料以外所有材料的总称。(2) 无机非金属材料的分类 传统无机非金属材料传统无机非金属材料是指由SiO2及硅酸盐化合物为主要成分制成的材料,包括陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等。 新型无机非金属材料新型无机非金属材料是指用氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物以及各种无机非金属化合物经特殊的先进工艺制成的材料,主要包括先进陶瓷、非晶态材料、人工晶体、无机涂层、无机纤维等。3. 有机高分子材料(聚合物)(1) 高聚物的定义高聚物是指由一种或几种简单低分子化合物经聚合而组成的分子量很大的化合物。(2) 高聚物的分类 按材料的来源分为天然高分子材料和合成高分子材料。 按性能和用途分为橡胶、纤维、塑料和胶粘剂等。4. 复合材料复合材料的分类(1) 按基体材料分为金属基复合材料、陶瓷基复合材料、水泥、混凝土基复合材料、塑料基复合材料、橡胶基复合材料等。(2) 按增强剂形状分为粒子、纤维及层状复合材料。二、材料组成、结构、性质、工艺及其与环境的关系1材料的结构层次(1) 原子及电子结构;(2) 原子的空间排列;(3) 组织结构或相结构。2. 工程材料常见性质与性能材料性质(性能)包括热学、力学、光学、电学、磁学性质(性能)以及化学性质(性能)。3. 材料的加工工艺为了满足使用要求,材料必须进行适当的加工。加工制备过程对性能的影响,是通过对结构的改变实现的,典型的工程材料加工工艺如表1-1-1所示。表1-1-1 常见的材料加工工艺加工方式加工工艺铸造砂型、压铸、永久铸型、熔模铸造、连续铸造将液态金属浇入或注入固体模具中得到所要求的形状成型锻造、拉丝、深冲、弯曲一般在热状态下用高压力将尉体金属变形成为所需的形状金属材料连接气焊、接触焊、钎焊、氩弧焊、锡焊、扩散焊采用液态金属、变形或高压、高温将几块金属连接在一起机械加工车、钻、磨、切割用切削加工去掉多余金属,获得成品件粉末冶金先施加压力将金属粉末压制成需要的形状,然后进行高温加热,使微粒连接成整体陶瓷材料浇注包括上釉将液体固体的陶瓷泥浆浇注成所需的形状将固体陶瓷粉料或液体固体牯性陶瓷泥料压制成有用的压制挤压、压制、等静压成形形状烧结将压制可成的固体进行高温加热,使之粘连成块模制注模法,转移模塑法将热的甚至液态的聚合物压入模具中,使其具有所需形状聚合物成形旋压、挤压、真空成形将受热的聚台物强迫通过模孔或包裹在模胎上,以获得某种形状铸造包括渗透液体组分包围着另一种组分,以获得完整的复合材料复合材料成形连接胶粘剂牯接、爆炸连接、扩散连接用强力迫使一个软质组分围绕复合材料的第二个组分发生变形通过胶接、变形或高温过程将两种组分连接在一起压制和烧结将粉末状组分压制成形,然后加热使粉末连接在一起4. 材料性能的环境效应(1) 温度;(2) 氧或其他气体环境;(3) 腐蚀性介质化学侵蚀;(4) 辐射;(5) 重力环境。三、材料的选择选用材料的时候应该遵循使用性能、工艺性能、经济性及环境协调性原则。1. 使用性能原则使用性能原则是指使用性能是材料在使用过程中,能够安全可靠地工作所必需具备的性能,包含材料的力学性能、物理性能和化学性能。2. 工艺性能原则工艺性能是指材料在不同的制造工艺条件下所表现出的承受加工的能力。3. 经济性选材原则在满足器件性能要求前提下,选材时应考虑材料的价格、加工费用和国家资源等情况,以降低产品成本。4. 环境协调性原则(1) 原材料获取、材料制备与加工、材料服役以及材料废弃等材料循环周期内,必须考虑环境负荷及环境协调性。(2) 原材料开采对资源造成的破坏应该降到最低程度,废弃材料应该最大限度地回收利用并进入材料的再循环圈。1.2 课后习题详解1.1 仔细观察一下白炽灯泡,会发现有多少种不同的材料每种材料需要何种热学、电学性质 答(1)构成白炽灯的材料有两种,分别为玻璃材料和金属材料。(2)白炽灯中的玻璃材料需要有很好的热容性耐高温性,而且热膨胀系数要小;白炽灯中的金属材料主要有灯丝和金属接口,灯丝需要耐高温且熔点高,接口处的金属需要有很好的导电性。1.2 为什么金属具有良好的导电性和导热性答金属具有良好的导电性和导热性的原因为金属中有大量可以自由移动的电子。自由电子对电流的阻碍作用弱,所以金属有良好的导电性;自由电子可以传递热量,所以金属有良好的导热性。1.3 为什么陶瓷、聚合物通常是绝缘体答陶瓷、聚合物通常是绝缘体是因为在陶瓷和聚合物中电子或者离子都被严重地束缚,没有可以自由流动的电子和传递电子的离子,所以它们通常是绝缘体。1.4 铝原子的质量是多少若铝的密度2.7g/cm3,计算1mm3中有多少原子答(1)铝的相对原子质量为27/mol,铝为面心立方结构,每个晶胞中有个铝原子,则铝原子的质量为274.48210-26kg(2)1mm3中铝的质量为m,由m/V得mV2.710311032.7106kg1mm3中铝原子的数量为n2.7106/4.48210266.0210191.5 为了防止碰撞造成扭折,汽车的挡板可由装甲制造,但实际应用中为何不如此设计说出至少三种理由。答实际应用中不用装甲制造汽车挡板的理由有(1) 用装甲制造汽车的挡板成本太高,不符合经济型选材原则;(2) 用装甲制造汽车挡板工艺复杂,不符合工艺性能原则;(3) 用装甲制造汽车挡板耗能耗材大,不符合环境协调性原则。1.6 描述不同材料常用的加工方法。答不同材料常用的加工方法如下()金属材料常用的加工方法有铸造、成型、连接、机械加工和冶金粉末;()陶瓷材料常用的加工方法有浇注、压制和烧结;()聚合物常用的加工方法有模制和成型;()复合材料常用的加工方法有铸造、成型、连接、压制和烧结。1.7 叙述金属材料的类型及其分类依据。答金属材料的类型及其分类依据为()由一种金属元素构成的单质(纯金属);()由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素构成的合金。合金又可分为固溶体和金属间化合物。1.8 试将下列材料按金属、陶瓷、聚合物或复合材料进行分类黄铜 钢筋 混凝土 橡胶 氯化钠 铅-锡焊料 沥青 环氧树脂 镁合金 碳化硅 混凝土 石墨 玻璃钢答金属黄铜,铅-锡焊料,镁合金;陶瓷碳化硅;聚合物橡胶沥青,环氧树脂; 复合材料钢筋混凝土,玻璃钢。1.9 Al2O3陶瓷既牢固又坚硬且耐磨,为什么不用Al2O3制造铁锤答不用Al2O3制造铁锤的原因为材料的选择不仅要符合它的使用性能原则,而且要兼顾它的工艺性能原则和经济性原则,相比金属材料,Al2O3制造铁锤的工艺复杂,而且生产成本很高,所以不用Al2O3制造铁锤。1.3 名校考研真题详解一、填空题按照材料的化学组成,可以将材料分为 , , 和 四大类。华中科技大学2007研【答案】无机非金属材料;金属材料;高分子材料;复合材料【解析】无机非金属材料主要是某些元素的氧化物、碳化物、卤化物、硼化物以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等组成的材料;金属材料基本都是合金、掺杂改变金属性能;高分子材料是起步最晚,但发展最快的一种材料,主要是以高分子化合物为基础的材料;复合材料由两种或多种材料复合而成,不再是单一的一种材料,通常具有很好的性能和广泛的应用。二、选择题1. 最难以形成非晶态结构的是()。上海交通大学2005研 A陶瓷B金属C聚合物【答案】B【解析】因为金属结构简单,难以阻止其结晶过程,所以金属为一般为晶态,只有在急速冷却的条件下,才可以形成非晶态。而聚合物结构复杂,最易形成非晶态。2. 碳化硅材料的硬度()中国科学技术大学2010研 A比金刚石大B比石英大C比Al2O3小【答案】B【解析】碳化硅材料的硬度介于刚玉和金刚石之间,机械强度大于刚玉,小于金刚石,大于石英。硅氧键的键长大于硅碳键,所以硅氧键的键能小于硅碳键,因而碳化硅材料的硬度大于石英。3. 在金属、陶瓷和高分子中最易结晶的是()。上海交通大学2007研 A高分子B陶瓷C金属【答案】C【解析】金属的流动性最好,导热系数高,易于形核,而且由于其结构简单,容易形成有序结构, 因此金属最易结晶。第2章晶体结构2.1 复习笔记一、结晶学基础1. 空间点阵(1) 晶体的定义晶体是指由离子、原子或分子按一定的空间结构排列所组成的固体。(2) 晶体的特点 晶体的质点在空间的分布具有周期性和对称性; 晶体具有规则的外形。(2) 选取结晶学单元的条件 单元应能充分表示出晶体的对称性; 单元的三条相交边棱应尽可能相等,或相等的数目尽可能地多; 单元的三棱边的夹角要尽可能地构成直角; 单元的体积应尽可能地小。(3) 布拉菲点阵结构特征布拉菲点阵结构的特征如图表2-1-1所示。表2-1-1 布拉菲点阵结构特征2. 结晶学指数(1) 晶面晶面是指在晶体点阵中可在任一方向上分解为相互平行的结点平面。(2) 晶面指数晶面指数是指在结晶学中用来表示一组平行晶面的指数,用(hkl)表示。(3) 晶面族晶面族是指在对称性高的晶体中,原子排列状况相同且并不平行的两组以上的晶面。(4) 晶面族指数晶面族指数是指晶面族中最简便的晶面指数,用符号hkl表示。(5) 晶向指数晶向指数是指结晶学中用来表示晶体点阵方向的指数,用uvw表示。(6) 晶向族指数晶向族指数是指晶体中原子排列周期相同的所有晶向为一个晶向族,用uvw表示。3. 晶向与晶面的关系在立方晶系中,同指数的晶向与晶面相互垂直,也就是说hkl晶向是hkl晶面的法向。4. 晶带轴定理(1) 晶带轴的定义晶带轴是指同时平行所有晶面的某一晶向。(2) 不同晶系的晶面间距不同晶系的晶面间距如表2-1-2所示。表2-1-2 不同晶系的晶面间距(3) 晶带轴定理晶带轴定理是指同一个晶带的晶面的晶面指数和晶面间距可能不同,但它们都与晶带轴平行。当晶带轴的指数为uvw时,晶带中任何晶面指数(hkl)都能符合关系式hukvlw0。二、晶体中质点的结合力与结合能1. 晶体中质点间的结合力(1) 离子键 离子键的定义离子键是指由正、负离子依靠静电库仑力而产生的键合。 离子键的特点离子键没有方向性和饱和性。(2) 共价键 共价键的定义共价键是指由原子之间通过共用电子对或通过电子云重叠而产生的键合。 共价键的特点共价键具有方向性和饱和性。(3) 金属键 金属键的定义金属键是指失去最外层电子的原子核和自由电子组成的电子云之间的静电库仑力而产生的结合。 金属键的特点金属键没有方向性和饱和性。(4) 范德华键 范德华键的定义范德华键是指通过“分子力”而产生键合。 分子力的类型分子力包括葛生力、德拜力、伦敦力。(5) 氢键 氢键的定义氢键是指氢原子同时与两个电负性很大而原子半径较小的原子相结合所形成的键。 氢键的特点氢键具有饱和性。2. 晶体的结合力与结合能(1) 结合力一般性质 两个原子间的相互作用势能表达式为式中r为两个原子间的距离,A、B、m、n皆为大于零的常数,第一项为库仑引力能,第二项为泡利排斥能。 原子间的相互作用原子间的相互作用如图2-1-1所示。(a)相互作用势能和原子间距的关系(b)相互作用力和原子间距之间的关系图2-1-1(2) 离子晶体晶格能 离子晶体晶格能的定义离子的晶格能是指1mol离子晶体中的正负离子,由于相互远离的气态结构合成离子晶体时所释放出的能量。 马德隆常数的计算公式为式中A称为马德隆常数,是一个仅与晶体结构有关的常数。三、晶体中质点的堆积1. 最紧密堆积原理与最紧密堆积方式(1) 最紧密堆积原理最紧密堆积原理是指按照晶体中质点的结合应遵循势能最低的原则,从球体堆积的几何角度来看, 球体堆积的密度越大,系统的势能越低,晶体越稳定。(2) 最紧密堆积方式 六方最紧密堆积六方最紧密堆积是指球体在空间中按照ABAB的层序来堆积。 面心立方最紧密堆积面心立方最紧密堆积是指球体在空间中按照ABCABC的层序来堆积。 最紧密堆积中的空隙a最紧密堆积中系统空隙数n个等径球最紧密堆积时,整个系统四面体空隙数为2n个,八面体空隙数为n个。b空间利用率空间利用率是指晶胞中原子体积与晶胞体积比值。2. 内在因素对晶体结构的影响(1) 质点的相对大小 离子半径主要取决于最外层电子的分布,对于等电子离子来说,离子半径还与作用于其上的有效电荷成反比,因此单价离子半径r1的表达式为式中C为由外层电子主量子数所决定的一个常数;Z为原子序数;S为屏蔽常数。 通过求得的单价离子半径r1可以求出多价离子半径rm的表达式为式中m为离子的价数;n为玻恩指数。(2) 配位数与配位多面体 配位数配位数是指一个原子(或离子)周围同种原子(或异号离子)的数目,用CN来表示。 配位多面体配位多面体是指晶体结构中,使与某一原子或离子成配位关系的各个原子或异号离子的中心连线所构成的几何多面体。 比值的意义从 比值就可以确定正离子的配位数及其配位多面体的结构。(3) 离子极化 极化极化是指在离子紧密堆积时,带电荷的离子所产生的电场,必然要对另一个离子的电子云产生吸引或排斥作用,使之发生变形的现象。 极化对晶体结构产生的影响a. 极化会导致离子间距离缩短,离子配位数降低;b. 变形的电子云相互重叠,使键性由离子键向共价键过度,最终使晶体结构类型发生变化。3外在因素对晶体结构的影响(1) 同质多晶与类质同晶 同质多晶同质多晶是指化学组成相同的物质,在不同的热力学条件下形成具有不同结构的晶体。 类质多晶类质多晶是指化学组成相似或相近的物质,在相同的热力学条件下形成具有相同结构的晶体。(2) 同质多晶转变 同质多晶转变的定义同质多晶转变是指当外界条件改变到一定程度时,为在新的条件下建立新的平衡,各变体之间发生结构上的转变。 同质多晶转变的分类a. 位移性转变位移性转变是指转变前后结构差异小,转变时并不打开任何键或改变最邻近的配位数,只是原子的位置发生少许位移,使次级配位有所改变的转变。b. 重建性转变重建性转变是指转变前后结构差异大,必须破坏原子间的键,形成一个具有新键结构的转变。四、单质晶体结构单质晶体是指同种元素组成的晶体,包括金属晶体、共价晶体和分子晶体。1. 金属晶体的结构(1) 常见金属晶体结构常见的金属晶体结构有面心立方、体心立方和密排六方。(2) 金属键的结构特征及金属的特性 金属或合金在组成上不遵守定比或倍比定律; 金属或合金在力学性能上表现出良好的塑性和延展性。2. 非金属元素单质的晶体结构(1) 惰性气体元素的晶体结构由于惰性气体原子外层为满电子构型,他们之间并不形成化学键,惰性气体在低温下形成的晶体为A1(面心立方)型或A3(六方密堆)型结构。(2) 休谟偌瑟瑞规则休谟偌瑟瑞规则是指如果某非金属元素的原子能以单键与其他原子共价结合形成单质晶体,则每个原子周围共价单键的数目为8减去元素所在周期表的族数(m)。五、无机化合物结构1. AX型结构(1) NaCl型结构NaCl型结构如图2-1-2所示。 离子的堆积方式结构中Cl离子作面心立方最紧密堆积,Na离子填充全部的八面体空隙。 配位数配位数均为6。 配位多面体配位多面体有NaCl6、ClNa6。 晶体结构结构是由Na离子和Cl离子各一套面心立方格子沿晶胞边棱方向位移1/2晶胞长度穿插而成。 晶胞分子数晶胞分子数是4。图2-1-2 NaCl型结构(2) CsCl型结构 离子的堆积方式结构中正负离子均作简单立方堆积。 配位数配位数均为8。 配位多面体配位多面体有CsCl8、ClCs8。 晶体结构晶体结构由正负离子各一套简单立方格子沿晶胞的体对角线位移l/2体对角线长度穿插而成。 晶胞分子数晶胞分子数是1。(3) 立方ZnS型结构立方ZnS型结构如图2-1-3所示。 离子的堆积方式结构中S2离子作面心立方堆积,Zn2离子交错地填充于8个小立方体的体心。 配位数配位数均为4。 配位多面体配位多面体有ZnS4、SZn4。 晶体结构晶体结构是由Zn2和S2离子各一套面心立方格子沿体对角线方向位移1/4体对角线长度穿插而成。 晶胞分子数晶胞分子数是4。(a)晶胞结构(b)(001)面上的投影图2-1-3 闪锌矿结构(4) 六方ZnS型结构六方ZnS型结构如图2-1-4所示。 离子的堆积方式结构中S2作六方最紧密堆积,Zn2占据四面体空隙的1/2。 配位数配位数均为4。 配位多面体配位多面体有ZnS4、SZn4。 晶体结构晶体结构由Zn2和S2各一套六方格子穿插而成。 晶胞分子数六方柱晶胞中ZnS晶胞分子数为6,平行六面体晶胞中晶胞分子数为2。 热释电性及声电效应a. 热释电性的定义热释电性是指某些像六方ZnS型的晶体,由于加热使整个晶体温度变化,结果在与该晶体c轴垂直方向的一端出现正电荷,在相反的一端出现负电荷的性质。b. 声电效应声电效应是指通过半导体进行声电相互转换的现象。(a)六方柱晶胞(b)平行六面体晶胞图2-1-4 纤锌矿结构2. AX2型结构AX2型结构主要有萤石(CaF2)型、金红石(TiO2)型。(1) 萤石(CaF2)型结构萤石(CaF2)型结构如图2-1-5所示。 离子的堆积方式Ca2作面心立方堆积,F填充在八个小立方体的体心。 配位数Ca2离子的配位数是8,F离子的配位数是4。 配位多面体配位多面体有CaF8、FCa4。 晶体结构晶体结构由一套Ca2离子的面心立方格子和2套F离子的面心立方格子相互穿插而成。 晶胞分子数晶胞分子数是4。 萤石结构的解理性由于萤石结构中有一半的立方体空隙没有被Ca2填充,所以,在111面网方向上存在着相互毗邻的同号离子层,其静电斥力将起主要作用,导致晶体在平行于111面网的方向上易发生解理,因此萤石常呈八面体解理。图2-1-5 萤石型结构 反萤石型结构反萤石型结构是指晶体结构中正负离子位置刚好与萤石结构中的相反。(2) 金红石(TiO2)型结构金红石(TiO2)型结构如图2-1-6所示。 离子的堆积方式O2离子作变形的六方最紧密堆积,Ti4离子在晶胞顶点及体心位置。 配位数Ti4离子的配位数是6,O2离子的配位数是3。 配位多面体配位多面体有TiO6、OTi3。 晶体结构晶体结构可以看作是由2套Ti4的简单四方格子和4套O2的简单四方格子相互穿插而成。 晶胞分子数晶胞分子数是2。图2-1-6 金红石结构3. ABO3型结构(1) 电光效应电光效应是指对晶体施加电场时,晶体的折射率发生变化的效应。(2) 钙钛矿型结构钙钛矿型结构如图2-1-7所示。 离子的堆积方式结构中Ca2和O2离子一起构成FCC堆积,Ca2位于顶角,O2位于面心,Ti4位于体心。 配位数Ca2离子的配位数是12,Ti4离子的配位数是6,O2离子的配位数是6。 配位多面体配位多面体有TiO6、OTi2Ca4、CaO12。 钙钛矿结构中两种阳离子半径rA、rB与氧离子半径rO之间满足下面的关系式(a)钙钛矿型晶胞结构(b)反映Ca2配位晶胞结构(c)TiO6八面体连接图2-1-7(3) 铁电晶体铁电晶体是指具有自发极化且在外电场作用下具有电滞回线的晶体。(4) 自发极化自发极化是指不存在外电场时,单位晶胞中的正负电荷中心不重合,具有一定的固有电偶极矩的现象。 自发极化产生的必要条件离子位移后固定在新位置上的力大于位移后的恢复力,氧八面体以共顶方式连接构成氧高价阳离子直线。 自发极化与结构的关系氧八面体空隙越大,中心阳离子半径越小,电价越高,晶体越容易产生自发极化。 自发极化与温度的关系温度的改变会引起晶体中离子热振动能量的变化,当外界温度低于居里温度时晶体发生自发极化, 否则,晶体不能发生自发极化。 钛酸钙不存在自发极化现象的原因氧八面体空隙比钛离子小得多,钛离子位移后恢复力很大,无法在新位置上固定下来,因此不会出现自发极化现象。(5) 居里温度居里温度是指铁电体从自发极化状态过渡到非自发极化状态时的临界温度。4. AB2O4型(尖晶石)结构(1) 晶体结构图尖晶石结构的晶体结构图如图2-1-8所示。 (a)A块构成晶胞结构(b)A块(Mg2)、B块(Al3)离子的堆积图2-1-8 尖晶石结构(2) 晶体结构 离子的堆积方式结构中O2作面心立方最紧密堆积,Mg2填充在四面体空隙,Al3离子占据八面体空隙。 晶胞的结构尖晶石晶胞可看作是8个小块交替堆积而成。小块中质点排列有两种情况,分别以A块和B块来表示。 晶胞分子数晶胞分子数是8。 晶胞中空隙个数64个四面体空隙和32个八面体空隙。 晶胞中空隙占有率Mg2离子占据四面体空隙的1/8,Al3离子占据八面体空隙的1/2。(3) 正反尖晶石正尖晶石是指在尖晶石结构中,A离子占据四面体空隙,B离子占据八面体空隙。反尖晶石是指在尖晶石结构中,B离子占据四面体空隙,A离子占据八面体空隙。5无机化合物结构与鲍林规则(1) 鲍林第一规则配位多面体规则在离子晶体中,在正离子周围形成一个负离子多面体,正负离子之间的距离取决于离子半径之和, 正离子的配位数取决于离子半径比。(2) 鲍林第二规则电价规则在一个稳定的离子晶体结构中,每一个负离子电荷数等于或近似等于相邻正离子分配给这个负离子的静电键强度的总和,其偏差1/4价。 静电强度与负离子电荷数的计算公式 电价规则的用途a. 判断晶体是否稳定;b. 判断共用一个顶点的多面体的数目。(3) 鲍林第三规则多面体共顶、共棱、共面规则在一个配位结构中,共用棱,特别是共用面的存在会降低这个结构的稳定性。其中高电价、低配位的正离子的这种效应更为明显。(4) 鲍林第四规则不同配位多面体连接规则若晶体结构中含有一种以上的正离子,则高电价、低配位的多面体之间有尽可能彼此互不连接的趋势。(5) 鲍林第五规则节约规则在同一晶体中,组成不同的结构基元的数目趋向于最少。六、硅酸盐晶体结构1硅酸盐晶体的组成表征、结构特点及分类(1) 硅酸盐晶体的表达方式 氧化物方法氧化物方法是指把构成硅酸盐晶体的所有氧化物按一定的比例和顺序全部写出来。 无机络盐表示法无机络盐表示法是指把构成硅酸盐晶体的所有离子按照一定比例和顺序全部写出来,再把相关的络阴离子用中括号括起来即可。(2) 硅酸盐晶体的结构特点 结构中Si4离子位于O2离子形成的四面体中心,构成硅酸盐晶体的基本结构单元SiO4四面体。Si-O-Si键是一条夹角不等的折线,一般在145左右; SiO4四面体的每个顶点,即O2离子最多只能为两个SiO4四面体所共用; 两个相邻的SiO4四面体之间只能共顶而不能共棱或共面连接; SiO4四面体中心的Si4离子可部分地被Al3所取代,取代后结构本身并不发生大的变化。2岛状结构(1) 岛状结构的定义岛状结构是指结构中SiO4四面体以孤岛状存在,它们之间通过其他正离子的配位多面体来连接。(2) 锆英石ZrSiO4结构 晶系类型锆英石的晶系类型为四方晶系。 连接方式结构中SiO4四面体孤立存在,它们之间依靠Zr4离子连接,每一个Zr4离子填充在8个O2离子之间。(3) 镁橄榄石Mg2SiO4结构 晶体类型镁橄榄石的晶体类型为斜方晶系。 连接方式aO2离子近似于六方最紧密堆积排列; bSi4离子填于四面体空隙,占据该空隙的1/8; cMg2离子填于八面体空隙,占据该空隙的1/2;d每个SiO4四面体被MgO6八面体所隔开,呈孤岛状分布; e每个O2离子同时和1个SiO4和3个MgO6相连接。 结构与性质的关系由于结构中各个方向上键力分布比较均匀,所以镁橄榄石结构没有明显的解离,破碎后呈现粒状。3组群状结构(1) 组群状结构的基础知识 组群状结构的定义组群状结构是指2个、3个、4个或6个SiO4四面体通过共用氧相连接形成单独的硅氧络阴离子团。 桥氧的定义桥氧是指有限四面体群中连接两个Si4离子的氧。 非桥氧的定义非桥氧是指只有一侧与Si4离子相连接的氧。(2) 绿宝石 结构 晶系类型绿宝石的晶系类型为六方晶系。 晶胞分子数晶胞分子数为2。 连接方式a. 基本结构单元是由6个SiO4四面体组成的六节环;b. 六节环中的1个Si4和2个O2处在同一高度,环与环相叠起来; c环与环之间通过Be2和Al3离子连接;dBe2和Al3离子配位体分别是BeO4四面体和AlO6八面体; eBeO4四面体和AlO6八面体共棱连接。 绿宝石结构膨胀系数小的原因绿宝石结构的六节环内没有其他离子存在,使晶体结构中存在大的环形空腔,晶体受热时,质点热振动的振幅增大,大的空腔使晶体不会有明显的膨胀,因而表现出较小的膨胀系数。(3) 镁方柱石结构 晶系类型镁方柱石的晶系类型为四方晶系。 晶胞分子数晶胞分子数为2。 连接方式a. 该结构为硅氧双四面体群结构;b. 双四面体群之间通过Mg2和Ca2离子连接;cMg2位于O2形成的四面体之中,而Ca2位于8个O2形成的多面体之中。4链状结构(1) 链状结构的基础知识 链的定义链是指由硅氧四面体通过共用的氧离子相连接,形成向一维方向无限延伸的结构。 链的分类链可分为单链和双链。 链的结构单元和化学式a. 单链结构为 ,化学式为 ;b. 双链结构单元为 ,化学式为 。(2) 透辉石 结构 晶系类型透辉石的晶系类型为单斜晶系; 晶胞分子数晶胞分子数为4。 连接方式a. 硅氧单链之间依靠Ca2、Mg2连接;bCa2的配位数为8,其中4个活性氧,4个非活性氧。Mg2的配位数为6,其中6个均为活性氧; cCa2主要负责链中硅氧四面体底面间的连接,Mg2主要负责四面体顶点之间的连接。(3) 透辉石结构和性质的关系 结构中离子堆积及结合越紧密则电绝缘性能越好; 结构中存在变价正离子时,晶体会呈现显著的电子电导; 由于链内的Si-O键要比链间的M-O键(M一般为6个或8个O2离子所包围的正离子)强得多,因此晶体具有解离性; 由于链的构成以及链间结合方面的差异,导致透辉石和透闪石的解理角不同。5. 层状结构(1) 层状结构的基础知识 层状结构定义层状结构是指每个硅氧四面体通过3个桥氧连接,构成向二维方向伸展的六节环状的硅氧层。 层状结构的基本单元和化学式层状结构的基本单元 ,化学式为 。 硅氧层的结构特点a. 单网层结构中,硅氧层的所有活性氧均指向同一个方向;b. 复网层结构中,两层硅氧层中的活性氧交替地指向相反方向。 三八面体型三八面体型是指水铝(镁)石层中金属离子占据八面体全部空隙。 二八面体型二八面体型是指水铝(镁)石层中金属离子占据八面体空隙的2/3。(2) 滑石 的结构 晶系类型滑石的晶系类型为单斜晶系。 连接方式a. 晶体结构属于复网层结构;b. OH位于六节环中心,Mg2位于Si4与OH形成的三角形的中心,但高度不同; c两个硅氧层的活性氧指向相反,中间通过镁氢氧层连接,形成滑石结构的复网层; d水镁石层中Mg2的配位数为6,形成 八面体;e八面体空隙被Mg2所填充,滑石结构属于三八面体型结构。 滑石晶体的解理性复网层内是电中性的,层与层之间只能依靠较弱的分子间力来结合,致使层间易相对滑动,所有滑石晶体具有良好的片状解理特性,并具有滑腻感。 活性氧的电价饱和原因复网层中每个活性氧同时与3个Mg2相连接,从Mg2处获得的静电键强度为 从Si4处 也获得1价,故活性氧的电价饱和。(3) 高岭石 的结构 晶系类型高岭石的晶系类型为三斜晶系。 晶胞分子数晶胞分子数为1。 连接方式a. 基本结构单元是由硅氧层和水铝石层构成的单网层; bAl3配位多面体为 ;c水铝石层中,Al3占据八面体空隙的 结构与性质的关系a. 单网层中O2的电价是电中性的,高岭石的层间只能靠物理键来结合,容易解理成片状的小晶体;b. 单网层之间靠氢键结合,水分子不易进入单网层,晶体含水。(4) 蒙脱石(微晶高岭石)的结构 晶系类型蒙脱石的晶系类型为单斜晶系。 连接方式a. 蒙脱石具有复网层结构,由两层硅氧四面体层和夹在中间的水铝石层所组成; b结构中Al3可被Mg2取代,使复网层并不呈电中性,带有少量负电荷;c复网层之间有斥力,使略带正电性的水化正离子易于进入层间;晶胞c轴膨胀,随含水量变化。 结构与性质的关系a. 由于蒙脱石晶胞c轴长度随含水量而变化,所以晶体易于膨胀或压缩;b. 随层间水进入的正离子使复网层电价平衡,它们易于被交换,使矿物具有很高的阳离子交换能力。(5) 白云母 的结构 晶系类型白云母的晶系类型为单斜晶系。 连接方式a. 白云母属于复网层结构,复网层由两个硅氧层及其中间的水铝石层所构成; b连接两个硅氧层的水铝石层中的Al3配位数为6,形成 八面体; c两相邻复网层之间呈现对称状态,相邻两硅氧六节环处形成一个巨大的空隙;d硅氧层中 的Si4被Al3取代,复网层不呈电中性,层间有K进入以平衡其负电荷。 云母的解理性K呈统计地分布于复网层的六节环的空隙,与硅氧层的结合力较层内化学键弱得多,故云母易沿层间发生解理,可剥离成片状。6. 架状结构(1) 架状结构的基础知识 架状结构定义架状结构是指其结构中硅氧四面体的每个顶点均为桥氧,硅氧四面体之间以共顶方式连接,形成三维“骨架”结构。 架状结构重复单元及化学式架状结构的重复单元为SiO2,作为骨架的硅氧结构单元的化学式为 。(2) 石英的结构 石英族晶体结构的分类SiO2晶体具有多种变体,常压下可分为三个系列石英、鳞石英和方石英。 石英族晶体结构与性质的关系SiO2结构中Si-O键的强度很高,键力分别在三维空间比较均匀,因此SiO2晶体的熔点高、硬度大、 化学稳定性好,无明显解理。 -石英与-石英的结构a. -石英属六方晶系,空间群P6422或P6222;晶胞参数a0.496nm,c0.545nm;晶胞分子数Z3;b. -石英属三方晶系,空间群P3221或P3121;晶胞参数a0.491nm,c0.540nm;晶胞分子数Z3。 压电效应a. 正压电效应是指由“压力”产生“电”的现象。b. 逆压电效应是指如果具有压电效应的晶体置于外电场中,电场使晶体内部正负电荷中心位移, 导致晶体产生形变,这种由“电”产生“机械形变”的现象。c. 压电效应是指正压电效应和逆压电效应的统称。(3) 长石的结构 长石的分类长石类硅酸盐分为正长石系和斜长石系两大类。 钾长石的结构高温型钾长石(即透长石)属单斜晶系,空间群C2/m;晶胞参数n0.856nm,b1.303nm,c0.718nm,11559;晶胞分子数Z4。 钠长石的结构钠长石属三斜晶系,空间群Cl;晶胞参数a0.814nm,b1.279nm,c0.716nm,9419,11634,8739。七、高分子材料结构1. 高分子材料基础知识(1) 高分子材料定义高分子是指其分子主链上的原子都直接以共价键连接,且链上的成键原子都共享成键的化合物。(2) 高分子材料特征高分子具有同分异构、几何异构和旋光异构等众多的结构特点。(3) 高分子材料结构高分子材料结构是指组成高分子的不同尺度的结
点击显示更多内容>>
收藏 下载该资源
网站客服QQ:89258806
冰点文库版权所有
经营许可证编号: 鄂ICP备14012071号-5