晶体结构及氧化铝晶体特点
氧化铝简介
氧化铝，又称三氧化二铝，分子量102，通常称为“铝氧”，是一种难溶于水的白色固体。
无臭。
无味。
质极硬。
易吸潮而不潮解。
两性氧化物，能溶于无机酸和碱性溶液中，几乎不溶于水及非极性有机溶剂。
相对密度(d204)4.0。
熔点约2000℃，俗称矾土。
英文别名：Aluminum oxide式量 101.96 amu导电性常温状态下不导电1.加热用氢氧化钠溶解矿石。
氧化铁不溶，二氧化硅溶解为硅酸根（Si(OH)62−），氧化铝溶解为铝酸根（Al(OH)4−）。
1.过滤，加酸处理，氢氧化铝沉淀出来，再过滤。
再由Hall-Heroult法转变为铝金属。
再由Hall-Heroult法转变为铝金属。
α型氧化铝在α型氧化铝的晶格中，氧离子为六方紧密堆积，Al3+对称地分布在氧离子围成的八面体配位中心，晶格能很大，故熔点、沸点很高．α型氧化铝不溶于水和酸，工业上也称铝氧，是制金属铝的基本原料；也用于制各种耐火砖、耐火坩埚、耐火管、耐高温实验仪器；还可作研磨剂、阻燃剂、填充料等；高纯的α型氧化铝还是生产人造刚玉、人造红宝石和蓝宝石的原料；还用于生产现代大规模集成电路的板基．γ型氧化铝γ型氧化铝是氢氧化铝在140-150℃的低温环境下脱水制得，工业上也叫活性氧化铝、铝胶．其结构中氧离子近似为立方面心紧密堆积，Al3+不规则地分布在由氧离子围成的八面体和四面体空隙之中．γ型氧化铝不溶于水，能溶于强酸或强碱溶液，将它加热至1200℃就全部转化为α型氧化铝．γ型氧化铝是一种多孔性物质，每克的内表面积高达数百平方米，活性高吸附能力强．工业品常为无色或微带粉红的圆柱型颗粒，耐压性好．在石油炼制和石油化工中是常用的吸附剂、催化剂和催化剂载体；在工业上是变压器油、透平油的脱酸剂，还用于色层分析；在实验室是中性强干燥剂，其干燥能力不亚于五氧化二磷，使用后在175℃以下加热6-8h还能再生重复使用．目前世界上用拜耳法生产的氧化铝要占到总产量的90%以上，氧化铝大部分用于制金属铝，用作其它用途的不到10%．电解氧化铝工业化大规模生产电解铝的主要工艺过程是一个熔盐电化学过程，用简单的化学式可表示如下：熔盐电解主反应：Al2O3+2C ——————→ 2Al+CO2↑+CO↑ （1）阳极960～990℃阴极副反应：AlF3+C→Al+CF3 （2）Na3AlF3+C →Al+NaF+CF4+F2 （3）NaF+C → Na+CF4 （4）β型氧化铝还有一种β-Al2O3，它有离子传导能力(允许Na通过)，以β-铝矾土为电解质制成钠－硫蓄电池。
氧化铝微观结构
氧化铝微观结构氧化铝是一种重要的陶瓷材料，具有广泛的应用领域。
了解氧化铝的微观结构对于深入理解其性质和应用具有重要意义。
从微观角度来看，氧化铝是由氧和铝元素组成的化合物。
氧化铝的晶体结构可以分为两种常见的形态，即α-Al2O3和γ-Al2O3。
其中，α-Al2O3是氧化铝的稳定相，呈现六方紧密堆积的晶体结构。
在α-Al2O3的晶体结构中，氧化铝的铝离子和氧离子按照一定的规律排列。
每个铝离子被六个氧离子包围，而每个氧离子则被三个铝离子包围。
这种紧密堆积的结构使得氧化铝具有高硬度、高熔点和良好的化学稳定性。
另一种常见的氧化铝晶体结构是γ-Al2O3。
γ-Al2O3是由α-Al2O3加热至高温后发生相变得到的。
γ-Al2O3的晶体结构为立方体，其铝离子和氧离子的排列方式与α-Al2O3有所不同。
γ-Al2O3相对于α-Al2O3具有更高的比表面积和更好的催化性能，在催化剂和吸附剂等领域有广泛的应用。
除了晶体结构外，氧化铝的微观结构中还存在着晶界、孔隙和缺陷等微观特征。
晶界是相邻晶体之间的界面，常常由于晶体生长过程中的结晶方向变化或晶体之间的位向关系不匹配而形成。
晶界对氧化铝的物理性能和化学性能有重要影响，例如可以影响材料的导电性和机械强度。
孔隙是氧化铝中的空隙或空气通道，可以分为微孔、介孔和大孔等不同尺寸的孔隙。
孔隙的存在可以影响氧化铝的比表面积、吸附性能和机械性能等。
因此，在某些应用中，需要通过控制氧化铝的制备条件来调控孔隙结构，以满足特定的需求。
氧化铝微观结构中的缺陷也是一个重要的研究对象。
缺陷包括点缺陷、线缺陷和面缺陷等。
点缺陷是晶格中原子位置的缺失或替代，线缺陷是晶格中出现的一维位错，而面缺陷则是晶体表面的不完整性。
这些缺陷对氧化铝的热稳定性、导电性和光学性质等都会产生重要影响。
氧化铝的微观结构包括晶体结构、晶界、孔隙和缺陷等。
了解氧化铝的微观结构有助于深入理解其性质和应用。
未来的研究可以进一步探索氧化铝微观结构与性能之间的关系，以提高氧化铝的性能，并拓展其在各个领域的应用。
氧化铝结构
氧化铝结构氧化铝是一种很有用的金属材料，由于其独特的物理和化学性质，在航空、航天、电气和电子等行业有广泛的应用。
它是一种金属-非金属复合材料，有独特的结构特征。
在本文中，我们将重点介绍氧化铝结构特征。
氧化铝结构由三种不同形式的晶体具有高度按照正交正方体排列，细致分为不同类型晶体。
它们是α，β和γ的氧化铝。
α氧化铝晶体是结构最简单的形式之一，最常用的形式。
它的晶胞参数接近于正方形，晶胞边长为4.14，对称性为tetrahedral。
β氧化铝的晶胞参数与α氧化铝相同，但其结构变得更加复杂，其单位晶胞为rectangular。
γ氧化铝的晶胞参数最大，达到21.1，同时结构也比其他两个形式复杂得多。
氧化铝晶体表面具有由六角形氧化铝构成的环状立方相，其中氧原子以3:1的比例平衡存在，氧原子之间存在强烈的亲和力。
氧化铝晶体还具有强烈的介电性能，其介电常数接近6.0，介电强度接近2.9 x 10-6 N/m2。
此外，氧化铝晶体表面具有由氧原子、铝原子与氢原子构成的空间结构。
氢原子以H2O形式存在，当两个氧原子靠近时，它们会靠拢形成H2O结构，形成氢结合。
在这种情况下，氢原子通过氧化铝的正交正方体晶体结构形成空间结构，这就是氧化铝的晶体结构特征。
在热处理过程中，氧化铝可以形成多种不同的相，例如α、β、γ、δ和ε等。
这些相之间存在温度和温度变化趋势的协同性，即某一种温度梯度对应某一种相的结构。
按照温度的变化，氧化铝的晶体结构也会产生一定的变化，当温度升高时，晶胞结构会变大，弹性就会增大。
总之，氧化铝晶体结构具有多种特征，其中包括按照正交正方体排列，由α、β和γ类型晶体组成，具有强烈空间结构，介电性能和温度变化对其结构影响的特点。
氧化铝由于其独特的性质，在航空、航天、电气和电子等行业有广泛的用途，将继续受到广泛关注。
氧化铝晶体结构和表面性质的化验分析
氧化铝晶体结构和表面性质的化验分析摘要：氧化铝作为一种重要的材料，在诸多领域具有广泛的应用。
其晶体结构和表面性质对其性能和应用具有关键影响。
因此，对氧化铝的化验分析方法进行深入研究，以揭示其晶体结构和表面性质的信息，具有重要的科学和应用价值。
本文探讨了氧化铝晶体结构和表面性质的化验分析方法，介绍了X射线衍射、电子衍射、扫描电子显微镜、原子力显微镜、X射线光电子能谱和红外光谱等常用技术，并强调它们在研究氧化铝方面的应用。
关键词：氧化铝；晶体结构；表面性质引言：氧化铝具有多种晶体结构，如α-Al2O3、γ-Al2O3、θ-Al2O3等，其晶格常数、晶胞结构和晶体缺陷直接关联着其物理、化学和电学特性。
此外，氧化铝的表面性质，如表面形貌、组成和化学状态，对其在催化、吸附、生物相容性等方面的性能起着决定性作用。
为了深入理解氧化铝的结构和性质，采用多种化验分析方法来揭示其细节是必要的。
一、氧化铝晶体结构的化验分析（一）X射线衍射分析X射线衍射分析是一种常用的技术，用于确定物质的晶体结构和晶格参数。
该方法利用入射X射线束与晶体中的原子相互作用产生衍射现象，通过测量和分析衍射图样，可以推断出晶体中原子的排列方式和晶格的几何参数。
在X射线衍射实验中，X射线源发射的X射线束经过样品后，衍射到不同角度的探测器上形成衍射图样。
通过对衍射图样的解析和模拟，可以得到样品的晶体结构信息，如晶格常数、晶胞体积、晶胞对称性等。
X射线衍射分析在材料科学、矿物学、生物化学等领域具有广泛应用，为研究物质的晶体结构和性质提供了重要的实验手段。
（二）电子衍射技术分析电子衍射技术是一种用于研究材料的晶体结构的强大工具，它利用高能电子束与物质相互作用并产生衍射现象，通过分析衍射图样可以揭示材料的晶体结构和晶格参数[1]。
电子衍射技术可以通过透射电子衍射和选区电子衍射两种方式进行实验。
在透射电子衍射实验中，电子束穿过样品并与样品中的原子相互作用，形成衍射图样。
最新晶体结构及氧化铝晶体特点
R l 2a13a2
因此，可以用 l1 a 1l2 a 2l3 a 3表示一个空间格子
即一组（l1、l2、l3）的取值表示一个格点，所有（l1、l2、l3） 可能取值的集合就表示一个空间格子，这个空间格子又称为 布喇菲格子。
晶体可以看成是布喇菲格子的每一个格点上放上基元构成的
2）将B层原子放在Ａ层四个原子的 间隙里，第二层的每个球和第一层的 四个球紧密相切，如图，按AB AB AB ….次序沿垂直于层面方向叠加起 来就得到体心立方。体心立方单元如 图所示
3）用原点表示原子的位置，即得到 体心立方格子
Li、Na、K、Rb、Cs、Fe等金属为典 型的具有体心立方晶格的金属
3、 面心立方
二维布喇菲格子
基矢
a1 a2
三维布喇菲格子 三维格子的重复单元是平行六面体 原胞对应体积最小的重复单元
基矢 a1 a2 a3
是原胞的三个边矢量
a3 a2 a1
晶胞
原胞是晶格的最小周期性单元，但是很多情况下原胞不 能反映晶格的对称性。因此，为了同时反映晶格的对称 性，往往会取较大的周期单元。结晶学中选取的单元称 为结晶学单胞，简称晶胞。
§1.2 晶体微观结构
1，基元
晶体可以由一种或多种原子（或离子）组成，它们构成晶体的基本结
构单元，称为基元。
2，晶格或点阵
晶体中的原子都是周期性地长程有序排列的，若把晶体内部的微粒看 成是几何学上的点，这些点按一定规则组成的空间格子称为晶格（或 点阵） 。
晶格
基元 +
晶格
晶体
常见的晶体的结构
1、 简单立方
例如面心立方晶格
原胞
a a1 2 ( j k)
a
a2
氧化铝
氧化铝氧化铝，又称三氧化二铝，俗称“矾土”。
是一种白色无定形粉状物。
与氧化铝有关的基本知识因氧化铝有不同的晶形，它可能属于不同的晶体类型：刚玉型晶体接近于原子晶体，其它晶型的基本上是离子晶体。
熔点为2050℃，沸点为3000℃，真密度为3.6g/cm。
它难溶于水，能溶解在熔融的冰晶石中。
它是铝电解生产中的主要原料，化学反应方程式为：2Al2O3=4Al+3O2。
工业上可从铝土矿中提取，化学方程式：溶解：将铝土矿溶于NaOH:Al2O3+2NaOH=2NaAlO2+H2O,过滤：除去残渣氧化铁，铝硅酸钠等酸化：向滤液中通入CO2.NaAlO2+CO2+H2O=Al(OH)3+NaHCO3.过滤，灼烧Al(OH)32Al(OH)3=Al2O3+3H2O.注释：电解时为使氧化铝融熔温度减低，在其中添加冰晶石电解：2Al2O3=4Al+3O2。
它有四种同素异构体β－氧化铝δ－氧化铝γ－氧化铝α－氧化铝，主要有α型和γ型两种变体，α型氧化铝熔点、沸点很高，不溶于水和酸，工业上也称铝氧，是制金属铝的基本原料；也用于制各种耐火砖、耐火坩埚、耐火管、耐高温实验仪器；还可作研磨剂、阻燃剂、填充料等；高纯的α型氧化铝还是生产人造刚玉、人造红宝石和蓝宝石的原料；还用于生产现代大规模集成电路的板基．γ型氧化铝是氢氧化铝在140-150℃的低温环境下脱水制得，工业上也叫活性氧化铝、铝胶．γ型氧化铝不溶于水，能溶于强酸或强碱溶液，将它加热至1200℃就全部转化为α型氧化铝．γ型氧化铝活性高吸附能力强，耐压性好．在石油炼制和石油化工中是常用的吸附剂、催化剂和催化剂载体；在工业上是变压器油、透平油的脱酸剂，还用于色层分析；在实验室是中性强干燥剂，其干燥能力不亚于五氧化二磷，使用后在175℃以下加热6-8h还能再生重复使用．我们所熟知的纯净的金属铝与空气中的氧气所生成的一层致密的氧化铝薄膜便是α型氧化铝。
我们所熟知的红宝石、蓝宝石的主成份也为氧化铝，但因为其它杂质而呈现不同的色泽。
氧化铝晶型
γ-Al2O3、η-Al2O3、κ-Al2O3、χ-Al2O3、θ-Al2O3、α-Al2O3
、ρ-Al2O3和无定形相，共8种晶相。
ρ-Al2O3是结晶度最差，常温有胶结性能，500度后转变为γ-Al2O3，1000度后全变为α-Al2O3。
α-Al2O3在常温与高温都是稳定相。
即平时的刚玉材料的主晶相。
α-Al2O3也叫煅烧氧化铝,具有熔点高、硬度大、绝缘性能强、耐磨性好、化学性质稳定等特点。
广泛用于耐火材料、绝缘器材、集成电路基板、磨料磨具、陶瓷材料等许多领域。
α型氧化铝不溶于水和酸，工业上也称铝氧，是制金属铝的基本原料；也用于制各种耐火砖、耐火坩埚、耐火管、耐高温实验仪器；还可作研磨剂、阻燃剂、填充料等；。
氧化铝ppt课件
下仍能保持其性能不变；
水系流延成形 Al2O3陶瓷基片，利用非水系
（2 ）高强度 ，在很大压力梯度操作 流延成形可以制备表面光滑 、平整、致密
下 ， 不会被压缩或产生蠕变，机械性能好；度高的Al2O3陶瓷基片，但在制备工艺中，
（3 ）化学稳定性好 ，能耐强酸强碱 基片的烧结温度高、耗能大。 因此可以在
氧化铝陶瓷基片
Al2O3陶瓷膜在净化工业用水加工、海
Al2O3陶瓷基片具有机械强度高、绝缘
水淡化、气体分离、催化反应等方面都具有 性好、避光性高等优良性能，广泛用于多层
大量的应用，陶瓷膜与有机高分子膜相比： 布线陶瓷基片、电子封装及高密度封装基片。
（1 ）耐高温 、热稳定性好 ，在高温
目前 ， 在工业应用中大部分都采用非
了氮化硅基陶瓷刀具材料及ZrO2相变增韧陶瓷刀具材料，80年代后期
到90年代，发展了晶须增韧陶瓷刀具材料。
增韧 Al2O3陶 瓷 刀 具 是 指 在 Al2O3基 体 中 添 加 增韧
或增强材料。 目前常用的增韧方法有：ZrO2相变增韧、晶须增韧、
第二相颗粒弥散增韧等。
.
3.氧化铝的应用
多通道管式陶瓷膜元件
CaO • Al2O3
-Al2O3
Al2O3有很多种晶型，目前发现的在十二种以上，其中 常见的有 、、、、、等。其中是高温稳定晶型， 其它均为不稳定的过渡晶型，在高温下可以转变为相。
.
1.氧化铝的结构与性质
图：-Al2O3晶体结构
-Al2O3为刚玉结构，属于三方晶系。正负 离子配位数为6:4，在三次轴平面内O2-作近似六 方密排（A-B-A-B），而Al3+则位于氧的八面体 间隙（在两氧离子层之间），填充三分之二八面 体间隙。
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非晶体：粒子在空间中无长程序排列形成的固体
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Be O 晶体 23
Be O 玻璃 23
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2、晶体的宏观特征
自范性：
晶体物质在适当的结晶条件下，都能自发的成长为单晶体，发育良好的单 晶体均以平面作为它与周围物质的界面，而呈现出凸多面体。 本质是晶体中粒子微观空间里呈现周期性的有序排列的宏观表象。
r rr r R ll1 a 1l2 a 2l3 a 3
l 、l 、l 为一组整数 123
例如
--
R rl 2a r13a r2
因此，可以用
l1a r1l2 表a r 示2一 个l空3间a r格3子
即一组（l 、l 、l ）的取值表示一个格点，所有（l 、l 、l ）可能取值的集合就表示一个空
晶胞的边在晶轴方向，边长等于该方向上的一个周期，代表晶胞三个边的矢量称为晶胞基矢，
用 、 、 表示，这
av 三个矢量的长度a、b和c实际上就是所谓的晶格常数。
v b
cv
--
在一些情况下，晶胞就是原胞
例如简单立方晶格
原胞
aaavvv132
r avi aj
v ak
晶胞
r ar
r avi
b aj
cr
1）原子球ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ铺在平面上，任意一个球都与六个球相切，每三个相切的
球的中心构成一等边三角形，且每个球的周围有六个空隙，这样构成一 原子层，计为Ａ原子层。
2）类似排列形成另一原子层，计为Ｂ原子层。
3）将B层的球放在Ａ层相间的3个空隙里，B层每个球和A层三个 球紧密相切，如图。
4）按AB AB AB ….次序沿垂直于层面方向叠加起来就得到六角密 排结构
6、闪锌矿结构
和金刚石结构相似，所不同的是，在立方体顶角和面心处的原子与体内原子分别属于不同 的元素。
许多重要的化合物半导体，如InSb、ZnS、GaAs、InP等均是闪锌矿结构。
--
晶格周期性的描述
1、晶格周期性的描述 晶格的共同特点是具有周期性，可以用原胞和基矢来描述这一周期性
原胞 一个晶格中最小的周期性单元（重复单元） 二维布喇菲格子 原胞，由相邻的四个原子构成的面积最小的平 行四边形
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晶体结构
&氧化铝晶体结构简介
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§1.1 晶体的宏观特征 §1.2 晶格的微观结构及常见的晶体结构 §1.3 晶格周期性的描述 §1.4 典型晶体结构的原胞和晶胞 §1.5 晶向&晶面及标记 §1.6 七大晶系&14种原胞 §1.7 氧化铝晶体结构简介
§1.1 晶体的宏观特征
1、晶体与非晶体
晶面角守恒：
对于一定类型的晶体来说，不论外形如何，其外表的晶面间总有一特性的 夹角。 a,b面，b,c面，a,c面三个夹角分别为141o47’，120o00’，113o08’
晶体外形图
几种不同外形的石英晶体
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解理性：晶体受外力作用时，具有沿某一个或几个特定晶面劈裂的性质。如云母很容易沿自然层状结构平行方
晶格
--
基元 +
晶格
晶体
--
常见的晶体的结构
1、 简单立方
1）将原子球在一个平面内按正方排列形成 原子层
2）将原子层按图所示沿垂直层面方向叠 加起来就得到简单立方结构，其最小的重 复结构单元如图
3）用原点表示原子的位置，即得到简单立 方格子
原子层 原子层 原子层
最小单元
简单立方 格子
--
--
2、 体心立方
v ak
--
而在另一些情况下，晶胞不是原胞
例如面心立方晶格
av1
a 2
(
v j
v k)
原胞
av2
a 2
v (i
v k)
晶胞
av3
a 2
v (i
v j)
arr
r avi
b aj
cr
v ak
2、晶格周期性的描述格矢 任意两个格点间的位移矢量，即格矢量，简称格矢 对于简单格子，一旦基矢被确定，则任一原子A的位置可由下列格矢表示
向劈为平面，这些劈裂面称为解理面。
各向异性：晶体的物理性质随观测方向而变化的现象。包括压电性质、光学性质、磁学性质及热学性质等。
如石墨的电导率沿晶体不同方向测时，数值不同。
均匀性：晶体的宏观性质不随内部位置的变化而异。 对称性：晶体的宏观性质在不同方向有规律地重复出现的现象。
最低内能：从气态、液态、非晶态到晶态都要放热。反方向的变化都要吸热。表明晶体内能最小，因此晶体最稳
Li、Na、K、Rb、Cs、Fe等金属为典型的具有体心立方晶 格的金属
--
3、 面心立方
1）面心立方晶体的原胞和简单立方相似，所不同的是，除 立方体顶角上有原子外，在立方体的六个面的中心还有六个 原子。
2）用原点表示原子的位置，即得到面心立方格子
Cu、Al、Ni等具有面心立方结构。
--
4、 六角密排结构
5）用原点表示原子的位置，即得到六角密积格子
A B
Be、Mg、Zn、Cd等具有六角密排晶格结构。
5、 金刚石结构
金刚石由碳原子构成，其结构可以看成是由面心立方结构演变而来的，即：在一个面心立方原 胞的基础上在体内再额外加四个原子，体内四个原子分别位于四个空间对角的1/4处。
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面心立方
金刚石
重要的半导体材料，如Ge、Si等，都有四个价电子，其晶体结构和金刚石相同
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基矢 原胞的边矢量
二维布喇菲格子
基矢
rr a1 a2
三维布喇菲格子
三维格子的重复单元是平行六面体
原胞对应体积最小的重复单元
是基原矢胞的三a r1 个边矢量a r2
r a3
r a3
r a2
r
a1
--
晶胞
原胞是晶格的最小周期性单元，但是很多情况下原胞不能反映晶格的对称性。因此， 为了同时反映晶格的对称性，往往会取较大的周期单元。结晶学中选取的单元称为 结晶学单胞，简称晶胞。
1）原子球按正方形式铺开形成一原子层，计为Ａ原子 层，类似排列形成另一原子层，计为Ｂ原子层
2）将B层原子放在Ａ层四个原子的间隙里，第二层的每 个球和 第一层的四个球 紧密相切 ，如图， 按 AB AB AB ….次序沿垂直于层面方向叠加起来就得到体心立方。 体心立方单元如图所示
3）用原点表示原子的位置，即得到体心立方格子
定。
熔点固定：当加热晶体到某一特定的温度是，晶体开始熔化，且在熔化过程中保持温度不变，直至晶体全部溶化
后，温度才又开始上升。。
§1.2 晶体微观结构
1，基元 晶体可以由一种或多种原子（或离子）组成，它们构成晶体的基本结构单元，称为基元。
2，晶格或点阵
晶体中的原子都是周期性地长程有序排列的，若把晶体内部的微粒看成是几何学上的点，这些点按一定 规则组成的空间格子称为晶格（或点阵） 。