第四节 无机非金属材料的结构
无机非金属材料ppt课件
05
CATALOGUE
无机非金属材料的未来发展趋 势与挑战
发展趋势
01
高性能陶瓷材料
由于其优异的性能，陶瓷材料在许多领域都有广泛的应用，如航空航天
、汽车、医疗等。未来，陶瓷材料的研究将更加深入，应用领域更加广
泛。
02
纳米无机非金属材料
纳米无机非金属材料由于其尺寸效应和量子效应，具有许多优异的性能
THANKS
感谢观看
。随着纳米科技的不断发展，纳米无机非金属材料的研究和应用也将得
到更广泛的推广。
03
绿色无机非金属材料
随着环保意识的不断提高，绿色无机非金属材料将成为未来研究的热点
。这类材料具有低能耗、低污染、高循环利用的特点，符合可持续发展
的要求。
挑战与问题
材料性能的提升
尽管陶瓷等无机非金属材料的性能已经有所提升，但是与金属材料相比，仍然存在一定的 差距。因此，提高无机非金属材料的性能是当前面临的一个重要挑战。
02
CATALOGUE
无机非金属材料的性质与用途
性质
01
02
03
04
一般性质
无机非金属材料具有较高的熔 点、硬度，良好的化学稳定性
，但脆性较大。
力学性质
无机非金属材料具有较高的抗 压强度、抗拉强度，耐磨性较
好，但韧性较差。
电学性质
无机非金属材料具有较好的绝 缘性能和导热性能。
光学性质
无机非金属材料具有较好的光 学性能，如透光性、反射性等
根据性质和用途，无机非金属材料可 分为陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料等 几大类。
无机非金属材料的重要性
无机非金属材料在国民经济发展中扮演着重要角色，特别是 在高技术领域，如航空航天、电子、新能源等领域具有不可 替代的作用。
无机非金属材料中的简单晶体结构
无机非金属材料中的简单晶体结构下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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无机非金属材料结构基础
5. AB2O4型晶体
• A代表二价金属离子，B代表三价金属离子
• 典型晶体是尖晶石MgAl2O4 • 结构中O2-可看成是立方紧密堆积，Mg2+充填于四面体空隙，Al3+充填 于八面体空隙 • 八面体之间以共棱方式、八面体与四面体之间以共顶方式相连
尖晶石的晶体结构以及结构中多面体的连接方式
§1.2.2 硅酸盐晶体结构
人面鱼纹彩陶盆 陕西半坡出土
雄伟的古建筑离不开陶瓷砖瓦
现代建筑离不开玻璃的装饰和采光
世界第一大坝—长江三峡大坝使用水泥将达 1.082×1010kg
新型陶瓷制成的人造骨
晶体结构特征
硅酸盐晶体的结构很复杂，其共同特点如下： • 硅酸盐结构中的Si4+间不存在直接的键，而Si4+与Si4+之间的连接是通 过O2-来实现的，如≡Si－O－Si≡键。
• 架状硅氧骨干中四面体连接的形式多种多样，但从其中往往可 以分割出某些形式的环、链等次一级的构筑单元。如方钠石的硅氧 骨架可看成由一系列四元环或六元环再连接而成；长石则可视为由 一系列四元环首先连成平行a轴的曲轴状双链,由后者再连接而成架 状硅氧骨干
配位数的大小与正负离子半径的比值有关 负离子按正八面体堆积，正负离子相互接触的必要条件： (2r-)2 +(2r-)2=(2r++2r-)2 即（r+/r-)2＋2(r+/r-)-1=0，求得r+/r-=0.414 按立方体形堆积时：r+/r-=0.732
4. 离子的极化 • 定义: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发生作用（吸引和排斥），因而 使离子的大小和形状发生改变，这种现象称为极化。每个离 子都具有自身被极化和极化周围离子的双重作用，前者称为 极化率，后者称为极化力。 • 离子极化对晶体结构有很大的影响，离子的极化作用，将引 起正负电荷重心的不重合，产生偶极。
无机非金属材料结构
一概述1.材料是人类社会所能接受的、可经济地制造有用物品的物质。
材料性能关系到材料的应用材料含义在于应用，材料的什么决定应用的概念和设计，决定了应用的基础——综合的性能决定最终产品的形态和应用……2.材料研究的核心问题：以材料的结构和性能为研究对象，并重点研究结构与材料性能之间的关系，为材料性能的改进和新材料的开发提供指导。
3材料结构层次：原子结构，晶体结构——功能材料密切相关；显微结构，微观组织——结构材料密切相关；宏观结构——复合材料相关；、4材料的电子结构——指材料中的电子分布和状态，它不同于单个的分子和原子的电子结构，因为这两者不是长程的完整的材料。
它是决定材料晶体结构的主要和本质原因。
5. 电子波动反映到原子中，为驻波。
6.现代材料结构和性能测量的重要原理和基础：X光衍射和电子显微技术——微观结构，磁性分布和能隙空间分布等等，其中大都以微观过程或性能直接体现了量子效应和作用……7.量子理论是解决电子结构的惟一工具。
是以能量的量子化和波函数概念为核心的，可依照薛定额方程确定的第一性原理分析方法。
二、晶体结构1晶体的特征：均匀性；各向异性；自发地形成多面体外形；晶体具有明显确定的熔点；晶体的对称性；晶体对X射线的衍射；2晶体的宏观特性是由晶体内部结构的周期性决定的,即晶体的宏观特性是微观特性的反映。
3晶体结构即晶体的微观结构，是指晶体中实际质点（原子、离子或分子）的具体排列情况4晶体与非晶体的最本质差别在于组成晶体的原子、离子、分子等质点是规则排列的（长程序），而非晶体中这些质点除与其最近邻外，基本上无规则地堆积在一起（短程序）。
晶体与非晶体之间的主要差别在于它们是否有三维长程点阵结构。
5晶体――原子或原子团、离子或分子在空间按一定规律呈周期性地排列构成的固体6固体分类(按结构)――晶体: 长程有序；非晶体: 不具有长程序的特点,短程有序；准晶体: 有长程取向性，而没有长程的平移对称性。
7在晶体中适当选取某些原子作为一个基本结构单元，这个基本结构单元称为基元，基元是晶体结构中最小的重复单元，基元在空间周期性重复排列就形成晶体结构。
无机非金属材料的非晶体结构课件
非晶体结构
非晶体结构是指原子或分子在三维 空间中没有长程有序的结构。
玻璃态
玻璃态是指物质在高温下熔融后快 速冷却形成的非晶体状态，具有短 程有序的结构。
无机非金属材料的非晶体结构类型
玻璃相
玻璃相是一种常见的无机非金属 材料的非晶体结构类型，由硅酸 盐、硼酸盐等组成，具有短程有
序的结构。
合材料等。
晶体和非晶体在传感器、电池和 太阳能电池等领域也具有不同的
应用前景。
晶体在药物载体、生物相容性和 生物医学成像等方面具有独特的 优势，而非晶体在这方面的应用
较少。
05 无机非金属材料的非晶体结构制备方法
CHAPTER
气相沉积法
物理气相沉积(PVD)
包括真空蒸发、溅射、离子束沉积等子方法。
复合材料制备
碳纤维增强树脂基复合材料
通过将碳纤维与非晶体结构的树脂基体进行复合，可以获得具有优异力学性能和耐腐蚀性的复合材料，广泛应用 于制造飞机、汽车和体育器材等。
玻璃纤维增强塑料复合材料
通过将玻璃纤维与非晶体结构的塑料基体进行复合，可以获得具有高强度、高韧性和耐冲击等特点的复合材料， 广泛应用于制造电子产品、汽车和建筑材料等。
化学合成法
定义
利用化学反应在溶液中合成非晶体结构材料。
特点
反应条件温和，易于实现工业化生产；可通过调节反应物浓度、溶剂种类、反 应温度等参数控制产品的结构和性能。
06 无机非金属材料的非晶体结构应用
CHAPTER
玻璃制造
玻璃纤维增强材料
通过将玻璃加热至高温熔融状态，然后迅速冷却，可以获得 具有非晶体结构的玻璃纤维增强材料。这种材料具有高强度 、高弹性模量和耐腐蚀性等特点，广泛用于航空航天、汽车 和建筑等领域。
无机非金属材料结构
§7 无机非金属材料结构7.1 金刚石型结构晶体中各原子以共价键结合，构成正四面体，键角是109度，如：C,Si, Ge等。
图2.36 金刚石晶格结构a：晶格结构；b：四面体配位7.2 硅酸盐结构这是陶瓷的主要结构，其结构基本单元是硅氧四面体。
按照硅氧四面体在空间的不同连接方式，硅酸盐结构可分为：（1）链状结构：该结构中硅氧四面体共有一个氧，连接成链状，如石棉纤维；图2.37 链状硅氧四面体a：单链；b：双链（2）层状结构：该结构中硅氧四面体连接成片状，许多片叠合在一起形成层状，层之间以分子间作用力结合，由于该作用力小而容易裂开，如滑石、云母等；图2.38 层状硅氧四面体a：立体图；b：投影图（3）网状结构：该结构中硅氧四面体在三维方向上相互结合，形成网状结构，如石英，由于结合力强而质地坚硬。
7.3 玻璃结构玻璃是由熔融体过冷而形成的非晶结构透明固体材料，在结构上具有长程无序、短程有序的特点，热力学上具有亚稳性，存在熔融态向玻璃态转变的渐变性。
关于玻璃结构的理论，主要有两种学说：（1）无规则网络学说：玻璃是由离子多面体构成，它们之间通过公共氧搭桥作三维无规则连续排列，形成空间网络结构；（2）晶子学说：认为玻璃是由晶子构成，晶子是与该玻璃成分一致的晶态化合物，但尺寸远小于一般的晶粒。
有关玻璃态的形成机制，尚待进一步的研究探讨。
图2.39 石英晶体与石英玻璃结构对比a：石英晶体；b：石英玻璃7.4 氧化物和非氧化物结构氧化物和非氧化物的结构主要取决于：a）阴阳离子的电荷（决定化学式）；b）阴阳离子的半径（决定阳离子周围最近邻阴离子的配位数）。
典型的结构有：（1）NaCl结构：又称岩盐型结构，属于立方晶系，面心立方点阵，是典型的离子晶体，氯离子形成密堆的面心立方晶格，钠离子占据其八面体间隙，如：NaCl,KCl,LiF,KBr,NaI,MgO,CaO,BaO等。
（2）CsCl结构：属于立方晶系，简单立方点阵，铯离子处于氯离子的正六面体间隙位置，如：CsCl,LiHg,LiAl,MgTl等。
无机非金属材料的分类和晶体结构
25 0 ,1 0 0
75 50
C
0 ,1 0 0
图3-1 金刚石的晶胞图和投影图
结构与性能的关系
性能：最切割材料
磨料及钻井用钻头
集成电路中散热片
高温半导体材料
同类型结构的物质有： • 硅、锗、灰锡（-Sn） • 立方氮化硼（c-BN）：
硬度仅次于金刚石，但热稳定性远高于 金刚石，对铁系金属元素有较大的化学稳 定性。用以制造的磨具，适于加工既硬又 韧的材料，如高速钢、工具钢、模具钢、 轴承钢、镍和钴基合金、冷硬铸铁等。
1．金刚石结构
IV族元素，立方晶系， Fd3m空间群，a＝0.356nm； 面心立方结构：C原子分布于八个角顶和六
个面心，四个C原子交叉地位于4条体对角 线的1/4、3/4处。每个C原子周围都有四个 碳，共价键连接，配位数为4。
0 ,1 0 0
50
0 ,1 0 0
A
75 50
25
B
0 ,1 0 0 50
图3-2 石墨晶体结构（虚线范围为单位晶胞）
结构与性能的关系
石墨： 润滑性 （中低温固体润滑剂 ） 良好的导电性 （高温发热体 ） 硬度低，易加工 在惰性气氛中熔点很高（高温坩埚 ）
六方氮化硼 （h-BN）：
h-BN与石墨是等电子体，有白色石墨之称。 有良好的润滑性，电绝缘性导热性和耐化学腐蚀 性，具有中子吸收能力。化学性质稳定，对所有 熔融金属化学呈惰性，成型制品便于机械加工， 有很高的耐湿性。
硅酸盐晶体中，一个[SiO4] 顶点的O2-还可以 和另一个[SiO4] 相连接（2个配位多面体共用一 个顶点），或者和另外3个[MgO6] 相连接（4个配 位多面体共用一个顶点），即可使O2-电价饱和。
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热解法制备的无机非金属材料有炭黑、石墨、碳纤维等。
热解法制备无机非金属材料的缺点是制备出的无机非金属材料结构不够致密，性能不够优异。
烧结法是一种将粉末状的物质加热到高温状态，使其发生物理和化学变化，最终形成致密化块状无机非金属材料的方法。
热膨胀系数
无机非金属材料的热膨胀系数差异较大，有些材料在加热时膨胀较小，适用于高温或温度变化较大的环境。
电导率与绝缘性：大多数无机非金属材料具有较高的绝缘性能，是良好的电绝缘材料。例如，陶瓷、玻璃和某些特种水泥可用于高压电器和电子设备的绝缘结构。
折射率与光学常数
无机非金属材料的折射率较高，决定了它们在光学仪器、光纤通讯和照明系统等领域的应用价值。不同材料的光学常数（如折射率、消光系数和色散等）决定了它们在特定波长范围内的光学行为。
烧结法制备无机非金属材料的优点是制备出的无机非金属材料结构致密，性能优异。
烧结法制备无机非金属材料的缺点是制备过程需要高温条件，能耗较高，同时制备出的无机非金属材料尺寸较小。
烧结法制备的无机非金属材料有陶瓷、玻璃、耐火材料等。
无机非金属材料的性能特点
硬度
韧性
强度与断裂韧性
疲劳性能
无机非金属材料的硬度通常较高，具有较好的耐磨性和耐压性能。例如，陶瓷材料具有极高的硬度，广泛用于切割工具、磨料和轴承等领域。
A
B
D
C
化学气相沉积法
利用化学反应产生气体，在气体的扩散和迁移过程中，通过化学反应生成无机非金属材料。
溶胶-凝胶法
将无机盐或金属醇盐溶解在合适的溶剂中，经过水解、缩聚等化学反应，形成稳定的溶胶，再经干燥、烧结固化制备无机非金属材料。
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绪论
第一章第一章 工程材料的分工程材料的分类类及性能 第二章第二章 材料的材料的结结构 第三章第三章 材料制材料制备备的基本知的基本知识识 第四章第四章 二元相二元相图图及应用 第五章第五章 材料的材料的变变形 第六章第六章 钢的热处热处理理 第七章第七章 工业用钢 第八章第八章 铸铁 第九章第九章 有色金有色金属属及其合金 第十章第十章 常用非金常用非金属属材料 第十一章第十一章 工程材料的工程材料的选选用 第四节 无机非金属材料的结构
一、陶瓷材料的结构特点
对工程师来说，陶瓷包括种类繁多的物质，例如玻璃、砖、石头、混凝土、磨料、搪瓷、介
磁性材料、高温耐火材料和许多其它材料。
所有这些材料的共同特征是：它们是金属和非金
合物由离子键和共价键结合在一起。
陶瓷材料的显微组织由晶体相、玻璃相和气相组成，而且很大，分布也不够均匀。
与金属相比，陶瓷相的晶体结构比较复杂。
由于这种复杂性以及其原子结合键强度较大，所以
例如，正常冷却速率的玻璃没有充分时间使其重排为复杂的晶体结构，所以它在室温下可长
二、陶瓷晶体
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
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－）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。
AX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
位。
属于这类结构的有：
（1）CsCl型
这种化合物的结构见图2-25。
A原子（或离子）位于8个X原子的中心，X原子（或离子）也处但应该注意的是，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
子晶格相对平移a/2，到达彼此的中心位置而形成。
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图2-25 CsCl型陶瓷的结构
（2）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。
其原子排列情
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图2-26 NaCl型陶瓷的结构
（3）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 非立方型结构的陶瓷材料有FeS、MnTe、ZnO、NiAs等。
2． AmXp型陶瓷晶体
（1）萤石（CaF2）型结构与逆萤石型结构
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PrO2、U O2、ZrO2、NpO2、P u O2、AmO2等。
它们的特点是金属离子半径大于氧离子半径，所以金或密排六方结构，而小的氧离子则填充间隙。
（2）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Fe2O3、Cr2O3、Ti2O3、V2O3、G a2O3、Rh2O3等。
三、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，如图2-27所示。
其中，四面体的顶角上有四个间隙位置上有一个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
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。
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图2-27硅氧四面体结构
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
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 O·SiO2。
其中MgO、CaO、FeO等，但表达式中以氧为基准（即取氧为1，若为Al2O3，则应写成Al2/3O）。
具有石和石榴石等。
（2）复合状硅酸盐
由两个(SiO4)4－单元体连接在一起，形成(Si2O7)6－离子，其化学组成为3R O·2SiO2。
属于石、Ca2MgSi2O7等。
（3）球状和链状硅酸盐
它是在n个 (SiO3)2－ 即(SiO3)n2n－ 中，四面体的两个顶点分别相互共有，形成各种球状酸盐结构的化学组成可以表示为R O·SiO2。
具有这类结构的硅酸盐有顽火辉石Mg2(Si2O6)、
角闪石(O H)2Ca2Mg5(Si4O11)2等。
（4）层状硅酸盐
此类结构中，四面体具有三个共有顶点，构成了二维网络的层状结构。
化学组成可以表示为矿物具有这种结构。
（5）立体网络状硅酸盐
若硅氧四面体中的四个顶点均共有，则形成立体网络结构，具有这类结构的硅酸盐有石英、L iAlSi2O5等。
四、玻璃相
玻璃是非晶态材料，由熔融的液体凝固获得，其比容随温度的变化与晶体不同。
试验表明，体时，在结晶温度Tm比容急剧降低，这表明结构发生了质的变化；但当形成非晶态玻璃时，近比容变化率虽发生了变化，但并不出现比容随温度降低而急剧降低的现象。
材料能否形成玻料凝固点的粘度和冷却速度有关。
SiO2等氧化物的粘度很高，所以容易形成玻璃。
五、气相
气体是烧结的陶瓷坯体中常见的组分。
陶瓷中的气孔有开放气孔和封闭气孔两种。
陶瓷材料的对体积（气孔率）来表示，它是衡量陶瓷材料质量的重要标志。
开放气孔和封闭气孔在材料中真气孔率；开放气孔的相对体积称为显气孔率。
气孔使陶瓷的强度降低，电性能变坏。
（本章完）
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