陶瓷材料的晶体结构
1.9 陶瓷材料的晶体相结构
• 可以是共价型的，价电子在很大程度上是共用的 ZnS是这类化合物的一个例子
2020/1/15
刘志勇 14949732@
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吉 首 大 学 物 理 与 机 电 工 程 学 院 JiShou University
AX型离子键结合陶瓷晶体
• AX化合物的特征 • A原子只被做为直接邻居的X原子所配位，X原子也只有A
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离子键结合的陶瓷晶体结构
如Al2O 3及Cr2O3，α-Fe2O3，Ti2O3，V2O3的结构 • Al2O3又称刚玉，工业中运用广泛，如刀具，火花塞、金刚砂磨轮，耐
Cl-
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AmXp型离子键结合的陶瓷晶体结构
• 并非所有的二元化合物都有相等的A原子和X原子 （离子）
• 如氟化钙（CaF2）型结构AX2的ZrO2及UO2， ThO2，CeO2以及Al2O3结构的Al2O3及Cr2O3，αFe2O3，Ti2O3，V2O3。CaF2型结构中A原子具有 面心立方点阵，X原子占据4个A原子之间的间隙 位置，相邻的X原子并不接触
酸泵和印刷线路的衬底的以及排气系统中催化剂支架的高温材料 Al2O3结构中O2－离子具有密排六方的结构，O2－位于密排六方的结点上， 为保持电荷平衡，三分之二的八面体间隙被Al3+离子占据 O2―与相邻的Al3+离子的原子间距很短，只有0.191nm，相互作用的键能 很高，因此熔点大于2000℃，硬度较高（莫氏硬度为9），能够抵抗大多 数的化学试剂腐蚀 Al2O3的低导电性和较高的热导率的结合使它能够用于各种电的用途中
23陶瓷晶体结构
nM
密度：
D M gO
N0 a3
4 24 .3 16 .0
6 . 02 10 23 0 . 424 10 - 7
3 . 51 g cm 3
例 Si和Al原子的相对质量非常接近（分别为28.09和26.98），但SiO2和Al2O3的 密度相差很大（分别为2.65g/cm3和3.96g/cm3）。试用晶体结构及鲍林规则说 明密度相差大的原因。
晶体结构的周期性和对称性，若组成不同的结构基元过 多，则每个基元要形成各自的周期性和规则性，则它们 之间就会相互干扰，不利于形成晶体结构。
例： 1）画出O2-离子作面心立方堆积时，各四面体空隙和八面体空
隙的所在位置（以一个晶胞为结构基元表示出来）。 2）计算四面体空隙数、八面体空隙数与O2-离子数之比。 3）根据电价规则，在下面情况下，空隙内各需填入何种价数
CaCeO3 BaCeO3 PbCeO3 BaPrO3 BaHfO3
YAlO3 KMgF3 LaAlO3 KNiF3 LaCrO3 KZnF3 LaMnO3 LaFeO3
℃ ℃ ℃ ℃ ℃ 三 8 方 0 斜5 方 正 1方 2 立 01方 4六 61 06 方 熔 12 体 相变 相 温 变 居 度 温 里 相 度 温 变 度 熔 温 点 度
S
iO
晶体中离子致密度
2
0 .00195 0 .5809 0 .5829 或 58 .29 %
同理：
A
l
2
O
晶
3
体
中
离
子
致
密
度
83 .62 %
问题：
根据最紧密堆积原理，空间利用率越高，结构越稳定，金 刚石结构的空间利用率很低（只有34.01%），为什么它 也很稳定？
陶瓷材料结构及性能分类新结构陶瓷材料科学基础
二、陶瓷材料的分类
1、按化学成分分类 可将陶瓷材料分为氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、 氮化物陶瓷及其它化合物陶瓷。
玻璃幕 墙 导电玻 璃
2、按使用的原材料分类
可将陶瓷材料分为普通陶瓷和特种陶瓷。
普通陶瓷以天然的岩石、 矿石、黏土等材料作原 料。 特种陶瓷采用人工合成 的材料作原料。 3、按性能和用途分类 可将陶瓷材料分为结构 陶瓷和功能陶瓷两类。
玻璃相结构特点：硅氧四面体组成不规则的空间 网, 形成玻璃的骨架。 玻璃相成分：氧化硅和其它氧化物
(三)、气相
气相是陶瓷内部残留的孔洞；成因复杂，影 响因素多。 陶瓷根据气孔率分致密陶瓷、无开孔陶瓷 和多孔陶瓷。 气孔对陶瓷的性能不利（多孔陶瓷除外） 气孔率：普通陶瓷5%～10％ 特种陶瓷5％以下 金属陶瓷低于0.5％。
（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： ①孤立状硅酸盐 ②复合状硅酸盐 ③环状或链状硅酸盐 ④层状硅酸盐 ⑤立体网络状硅酸盐
①孤立状硅酸盐（岛状结构单元）
其单元体(SiO44－） 互相独立，不发生相 互连接。 化学组成一般可以表 示为2RO· 2。 SiO 其中RO表示金属氧化 物如MgO、CaO、 FeO等。 具有这类结构的有橄 榄石和石榴石等。
AX化合物的特征是：A和X原子或离子 是高度有序的，属于这类结构的有： （1）CsCl型 （2）NaCl型 （3） ZnS闪锌矿型 （4）纤维锌矿型
（以下分别介绍）
（1）CsCl型 这种化合物的结构见图3-2。A原子（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。
陶瓷的微观结构
陶瓷的微观结构一、引言陶瓷是一种广泛应用于日常生活和工业领域的材料。
它具有许多优良的特性，如高硬度、耐高温、耐腐蚀等。
这些特性与陶瓷的微观结构密切相关。
本文将从微观层面解析陶瓷的结构特点，以增进对陶瓷材料的理解。
二、陶瓷的组成陶瓷通常由非金属元素的化合物组成，主要包括氧化物、碳化物、氮化物等。
其中，氧化物陶瓷最为常见，如氧化铝、氧化硅等。
这些化合物具有稳定的化学性质，为陶瓷材料赋予了优异的特性。
三、陶瓷的结晶结构陶瓷材料的结晶结构与其物理性质密切相关。
大多数陶瓷材料具有离子键或共价键，因此其结晶结构多为离子晶体结构或共价晶体结构。
1. 离子晶体结构离子晶体结构是由阳离子和阴离子通过离子键结合而成的晶体结构。
例如，氧化铝的结构就是由氧离子和铝离子构成的。
在这种结构中，阳离子通常占据晶体的中心位置，而阴离子则环绕其周围。
离子晶体结构的稳定性较高，因此具有较高的熔点和硬度。
2. 共价晶体结构共价晶体结构是由共价键连接的原子构成的晶体结构。
例如，硅化硅的结构就是由硅原子通过共价键连接而成的。
在这种结构中，原子通过共用电子进行连接，形成稳定的晶体结构。
共价晶体结构通常具有较高的熔点和较好的导电性能。
四、陶瓷的微观缺陷陶瓷材料中晶格缺陷的存在对其性能有着重要影响。
常见的陶瓷缺陷包括点缺陷、线缺陷和面缺陷。
1. 点缺陷点缺陷是晶体中原子位置的缺失或替代。
常见的点缺陷有空位、间隙原子和杂质原子。
这些点缺陷会导致陶瓷的导电性、热导率等性能发生变化。
2. 线缺陷线缺陷是晶体中沿一维方向的缺陷，如位错和脆性晶粒。
位错是晶体中原子排列的错位，会导致陶瓷的塑性变差。
脆性晶粒则是陶瓷中存在的较大晶粒，容易引起断裂。
3. 面缺陷面缺陷是晶体中沿二维方向的缺陷，如晶界和孪晶。
晶界是晶体中不同晶粒的交界面，对陶瓷的力学性能和导电性能有重要影响。
孪晶是晶体中形成的两个镜像对称的晶粒，容易导致陶瓷的脆性断裂。
五、陶瓷的微观结构与性能关系陶瓷材料的微观结构对其性能具有重要影响。
陶瓷材料的微观结构与力学性能
陶瓷材料的微观结构与力学性能陶瓷材料在现代工业生产中扮演着重要的角色，具有许多独特的性质和应用。
然而，要研究和了解陶瓷材料的力学性能，首先需要理解其微观结构对这些性能的影响。
在研究微观结构时，首先要考虑的是陶瓷材料的晶体结构。
陶瓷材料通常由一种或多种无机化合物组成，这些化合物在形成晶粒时会以特定的排列方式堆积在一起。
晶体结构的不同将直接影响到陶瓷材料的物理和力学性能。
例如，陶瓷材料的硬度与晶体结构的紧密程度有关。
一般来说，晶体结构越紧密的材料，其硬度也越高。
这是因为紧密的结构能够抵抗外界力的压迫，使材料不容易被损坏。
在陶瓷材料中，氧化物晶体结构的硬度一般比非氧化物晶体结构的硬度要高，这种差异主要归因于晶体结构中氧的参与。
另一个与微观结构相关的重要参数是晶界。
晶界是两个晶粒之间的界面区域，其结构和性质在陶瓷材料中起着重要的作用。
晶界的存在不仅影响材料的力学性能，还会影响其电学、化学性质等。
晶界的特点和晶粒大小、形状密切相关。
一般来说，晶界越多，晶体的塑性就会越好。
这是因为晶界在陶瓷材料中能够提供位错运动的路径，使材料能够变形而不破裂。
除了晶体结构和晶界，陶瓷材料的孔隙率也是影响其力学性能的重要参数。
孔隙率是指材料中存在的孔隙的体积占总体积的比例。
孔隙率越高，材料的密度越低，从而强度越低。
这是因为孔隙是弱点，容易在受力作用下形成裂纹和断裂。
因此，为了提高陶瓷材料的力学性能，降低孔隙率是非常重要的。
最后，要论述陶瓷材料的力学性能，不能忽视其微观结构与应力的关系。
陶瓷材料在受力作用下会发生断裂，这一现象与晶体结构和晶界的应力分布密切相关。
例如，在压缩应力作用下，晶粒间的互相挤压可以抵消一部分应力，从而提高材料的强度。
然而，如果应力过大，容易引起晶粒的移动和破裂，导致材料的脆性断裂。
综上所述，陶瓷材料的微观结构对其力学性能有着重要影响。
晶体结构的紧密度、晶界的存在与否、孔隙率以及微观结构与应力的关系都是影响陶瓷材料力学性能的重要因素。
陶瓷物理知识点总结
陶瓷物理知识点总结陶瓷物理知识点总结导言陶瓷是一种广泛应用于许多领域的材料，具有优越的物理性能和化学稳定性。
本文将介绍陶瓷的物理知识点，包括结构、导电性、热性能和光学特性等方面。
通过深入了解陶瓷的物理性质，我们能更好地理解其应用和制备过程。
一、陶瓷的结构陶瓷的结构是指其由离子、分子或原子组成的晶体结构。
陶瓷一般具有离子晶体和共价晶体两种结构类型。
离子型陶瓷由阴阳离子组成，如氧化物陶瓷。
共价型陶瓷由共价键连接的原子组成，如碳化硅陶瓷。
这两种结构类型决定了陶瓷的物理性质。
二、陶瓷的导电性陶瓷是一种绝缘体，其导电性很低。
这是由于陶瓷的结构中存在大量的离子或共价键，并且这些离子或键在晶格中排列得十分有序，使得电子很难在陶瓷中移动。
因此，陶瓷在电绝缘、绝缘体、电介质和电绝缘等方面有着广泛的应用。
三、陶瓷的热性能陶瓷具有较好的热性能，具体表现在以下几个方面。
首先，陶瓷的热导率较低，表明它是一种良好的绝热材料。
其次，陶瓷能够承受高温环境，具有较高的熔点，稳定性好。
此外，陶瓷的热膨胀系数相对较低，能够抵抗温度梯度引起的热应力，具有较好的抗热冲击性能。
四、陶瓷的光学特性陶瓷在光学方面有着广泛的应用，主要体现在以下几个方面。
首先，陶瓷具有高透明性，可以作为透明窗户或透镜材料使用。
其次，陶瓷对于不同波长的光有不同的吸收、散射和反射特性，具有选择性吸收和选择性反射的功能。
此外，陶瓷还可以通过调整成分和结构来改变其光学性质，实现特定的光学功能。
五、其他物理性质除了上述介绍的几个主要物理性质之外，陶瓷还具备其他特殊的物理性质。
例如，陶瓷具有较高的硬度和刚性，能够抵抗磨损和外力影响。
此外，陶瓷的化学惰性好，不易被化学物质侵蚀。
这些特殊的物理性质使得陶瓷在实际应用中起到重要的作用。
结论陶瓷作为一种特殊的材料，具备许多独特的物理性质，包括结构、导电性、热性能和光学特性等方面。
了解这些物理知识点，可以更好地理解陶瓷的应用和制备过程。
常见的三种晶格类型
常见的三种晶格类型晶格是一种以点阵组成的物质结构，是物质最基本的结构单元。
晶体的晶格类型是晶体结构的重要组成部分，是晶体结构的决定性因素。
在晶体的晶格类型中，最常见的有三种，分别是立方晶体结构、六方晶体结构和四方晶体结构。
立方晶体结构是最常见的晶格类型之一。
它由八个原子单元构成，每个原子单元都位于立方体的六条边的中心点上。
这种晶格类型具有良好的热稳定性，被广泛用于金属材料。
例如，铜、铅、铝等大多数金属材料的晶体结构都是立方晶体结构。
六方晶体结构是另一种常见的晶格类型，它是由一个六边形的中心点和六个顶点的单元构成的。
这种晶格类型具有良好的光学性质，被广泛用于玻璃和有机光学材料。
例如，石英、硅、水晶等都具有六方晶体结构。
最后，四方晶体结构是一种常见的晶格类型。
它由四个原子单元构成，每个原子单元都位于四方体的四个角的中心点上。
这种晶格类型的稳定性比立方晶体结构要差，但是它能够控制材料的硬度，被广泛用于陶瓷材料。
例如，氧化钛、氧化锆、氧化钴等大多数陶瓷材料的晶体结构都是四方晶体结构。
总而言之，立方晶体结构、六方晶体结构和四方晶体结构是最常见的晶格类型，它们各有不同的性能和特点，被广泛应用于各种材料。
它们所拥有的性能和优势，往往决定了材料的特点和性能，因此，晶格类型的选择是了解材料性能的重要环节。
此外，晶体结构也受到其他参数的影响，包括晶体尺寸、层厚度和原子排布等。
这些参数受材料的成分、晶体形状、环境温度等因素的影响，它们也可以影响材料的性能。
因此，研究和探索材料晶体结构和物理特性之间的关系，对材料的开发和应用具有重要意义。
综上所述，立方晶体结构、六方晶体结构和四方晶体结构是最常见的三种晶格类型，它们各自具有不同的特点和性质，能够影响材料的性能和特点，为材料的应用和开发提供重要参考。
陶瓷的晶体结构
O-
O-
O-
O- Si
§3.4 硅酸盐的晶体结构
三、岛状结构单元： 硅酸根（SiO44-)四面体通过与其他正离子连接在一起，就形成 了岛状或孤立状的硅酸盐结构，又称原硅酸盐。 橄榄石族的一系列化合物，如Mg2SiO4镁橄榄石，属于此类。 四、双四面体结构单元： 硅酸根（ SiO44-)四面体通过共用一个或更多的O2-离子连接在 一起时，可能的联结方式很多，最简单的就是两个四面体共用 一个顶角。如黄长石（Ca2MgSi2O7）。
方面心的 结点位置，Zn2＋离子交错地分布于1/ห้องสมุดไป่ตู้ 小立方体 的中心，即1/2 的四面体空隙中。
配位数：CN＋＝CN－＝4；极性共价键，配位型共价晶体。 配位多面体： 〔ZnS4〕四面体，在空间以共顶方式相连接 属于闪锌矿型结构晶体有：CdS；β－SiC；GaAs；InAs；AlP；
ZnSe；InSb等。
O的CN=2+4=6
Ca2+ O2- Ti 4+
§3.4 硅酸盐的晶体结构
一、硅酸盐的应用 1.玻璃；2.硅酸盐水泥；3.陶瓷；4.电绝缘材料；5.焊条药皮；6. 耐火材料、粘结剂等 二、硅酸盐的基本结构单元
硅酸根（SiO44-)四面体： Si-O键的性质：共价键和离子键大约各占一半。
硅酸根（SiO44-)四面体
Na+离子充填于八面体空隙。
Cl
Na
--- NaCl结构是由Na-- Cl八面体以共棱的方 式相连而成。
NaCl 晶体结构
--- Na+ 离子位于面心格子的结点位置上， Cl—也位于另一套相同 的格子上，两格子于相距1/2晶棱的位移。
(2)萤石型结构
CaF2：立方晶系，a＝0.545nm，Z＝4 空间格子：简单立方体，Ca2＋位于立方面心结点，F－位于立方体
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主要特征
8.63
无方向性，高配位数，
7.94
低温不导电，高温离子
7.20
导电
6.90
1.37 1.68 3.87 3.11
1.63 1.11 0.931 0.852
方向性，低配位数，纯 金属低温导电率很小
陶瓷无材方料向的性，化高学配键位？数，
密度高，导电性高，塑 性好
0.020 0.078
低熔点、沸点压缩系数 大，保留分子性质
原子对价电子的束缚强弱。
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陶瓷的晶体结构
First ionization energies as a function of atomic number
C原子的电离能(eV) I1: 11.260 I2: 24.383 I3: 47.887 I4: 64.492 I5: 392.077 I6: 489.981
0.52 0.30
结合力高于无氢键分子
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陶瓷的晶体结构
2.1 离子晶体的结构规则—鲍林规则
陶瓷化合物的结合键：离子键与共价键混合。 金属正离子与非金属离子组成的化合物通常不是纯粹的 离子化合物，性质不能只用离子键来解释。
离子键的比例取决于组成元素的电负性差，电负性相差 越大，离子键比例越高。
鲍林给电负性下的定义为“电负性是元素的原子在化合物中吸 引电子能力的标度”。
元素电负性数值越大，表示其原子在化合物中吸引电子的能力 越强；反之，电负性数值越小，相应原子在化合物中吸引电子 的能力越弱（稀有气体原子除外）。
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陶瓷的晶体结构
2.1 离子晶体的结构规则—鲍林规则 原子负电性的概念：
Si
134
P
75
S
205
Cl
343
Ar
-35
K
45
Ca -156
52.9 <0 44
120 74 200.4 348.7 <0 48.4 <0
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陶瓷的晶体结构
2.1 离子晶体的结构规则—鲍林规则 原子负电性的概念：
莱纳斯·卡尔·鲍林于1932年引入电负性的概念，标志原子得失 电子能力的物理量，综合表示原子对电子束缚能力的强弱。
✓ 离子键 ✓ 共价键 ✓ 范德瓦斯键（静电力） ✓ 金属键 ✓ 中间键型
陶瓷的晶体结构
2.1 离子晶体的结构规则—鲍林规则
结合键类型 离子键
共价键
金属键
分子键(范德华键) 氢键
实例
LiCl NaCl KCl RbCl
金刚石 Si Ge Sn
Li Na K Rb
Ne Ar
H2O HF
结合能 ev/mol
陶瓷的晶体结构
陶瓷的晶体结构
Q1：为什么要学习晶体结构？
材料的性能是由其组织结构决定的。 组织结构就是其内部原子的 排列方式。
陶瓷的晶体结构
Q2：你们印象中的晶体结构？
①
简单立方
面心立方
体心立方
②
简单四方
体心四方
③
简单正交 底心正交 面心正交 体心正交
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陶瓷的晶体结构
元素 电离能 元素 电离能
电离能
Na 5.138
K 4.339
Mg 7.644
Ca 6.111
Al 5.984
Ga 6.00
Si 8.149
Ge 7.88
（单位：eV）
P
S
Cl
10.55 As
9.87
10.357 Se
9.750
13.01 Br
11.84
Ar 15.755
Kr 13.996
在一个周期内从左到右，电离能不断增加。电离能的大小可用来度量
Q2：你们印象中的晶体结构？
在晶胞不同位置的原子由不同数目的晶胞分享：
① 顶角原子→ 1/8
② 棱上原子→ 1/4
③ 面上原子→ 1/2
④ 晶胞内部→ 1
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陶瓷的晶体结构
Q3：陶瓷（硅酸盐）的晶体结构知多少？
绿宝石的化学式是 Be3A12(Si6018)。 晶体结构属于六方 晶系；基本结构单 元是六个硅氧四面 体形成的六节环。 这些六节环之间靠 Al3+和Be2+离子连 接。
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鲍林标度电负性表
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2.1 离子晶体的结构规则—鲍林规则
Q1：为什么同周期元素从左到右电负性增强？
意义：电负性反映了原子间的成键能力和成键类 型。
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Q3：陶瓷（硅酸盐）的晶体结构知多少？
非晶Com态panSy iLOogo2
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2.1 离子晶体的结构规则—鲍林规则 2.2 几种典型的晶体结构 2.3 硅酸盐的晶体结构
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陶瓷的晶体结构
2.1 离子晶体的结构规则—鲍林规则 Q1：原子间的键？
莱纳斯·卡尔·鲍林于1932年引入电负性的概念，标志原子得失 电子能力的物理量，综合表示原子对电子束缚能力的强弱。
鲍林给电负性下的定义为“电负性是元素的原子在化合物中吸 引电子能力的标度”。
元素电负性数值越大，表示其原子在化合物中吸引电子的能力 越强；反之，电负性数值越小，相应原子在化合物中吸引电子 的能力越弱（稀有气体原子除外）。
原子半径的减小而增大。
电子亲和能
（单位：kJ/mol）
元素 理论值
实验值 元 素 理论值 实验值
H 72.776 72.9
He -21
<0
Li
59.8
59.8
Be 240
<0
B
29
23
C
113
122
N
-58
0±20
O
120
141
F 312—325 322
Ne -29
<0
Na
52
Mg -230
Al
48
陶瓷的晶体结构
陶瓷的晶体结构
亲和能(affinity energy) ：
一个中性原子获得一个电子成为负离子时所放出的能量，称为亲和能
（affinity energy）。亲和过程不能看成是电离过程的逆过程。第一次电离
过程是中性原子失去一个电子变成＋1价的离子，其逆过程是＋1价离子获
得一个电子称为中性原子。下表是部分原子的亲和能。电子亲和能一般随
思考：什么是元素的电负性？
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2.1 离子晶体的结构规则—鲍林规则
电离能（ionization energy） ： 使 原 子 失 去 一 个 电 子 所 必 需 的 能 量 称 为 原 子 的 电 离 能 （ ionization
energy）。从原子中移去第一个电子所需要的能量称为第一电离能。从 ＋1价离子中再移去一个电子所需要的能量为第二电离能。第二电离能 一定大于第一电离能。下表是两个周期原子的第一电离能实验值。