刚玉的晶体结构
氧化铝、刚玉蓝宝石的区别
氧化铝、刚玉、红宝石和蓝宝石虽然名称各异，其形态、硬度、性质、用途也不相同，贵贱更是相距甚远，但是它们的主要化学成份却完全相同，皆是氧化铝．一．氧化铝纯净的氧化铝是白色无定形粉末，俗称矾土，密度3.9-4.0g/cm3，熔点2050℃、沸点2980℃，不溶于水，氧化铝主要有α型和γ型两种变体，工业上可从铝土矿中提取．铝土矿（Al2O3·H2O和Al2O3·3H2O）是铝在自然界存在的主要矿物，将其粉碎后用高温氢氧化钠溶液浸渍，获得铝酸钠溶液；过滤去掉残渣，将滤液降温并加入氢氧化铝晶体，经长时间搅拌，铝酸钠溶液会分解析出氢氧化铝沉淀；将沉淀分离出来洗净，再在950-1200℃的温度下煅烧，就得到α型氧化铝粉末，母液可循环利用．此法由奥地利科学家拜耳（K．J．Bayer）在1888年发明，时至今日仍是工业生产氧化铝的主要方法，人称“拜耳法”．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％．二．刚玉自然界天然存在的α型氧化铝晶体叫做刚玉，常因含有不同的杂质而呈现不同的颜色．刚玉一般呈带蓝或带黄的灰色，有玻璃或金刚光泽，密度在3.9-4.1g/cm3，硬度8.8，仅次于金刚石和碳化硅，能耐高温．含有铁的氧化物的刚玉砂叫金刚砂，呈暗灰色、暗黑色，常作研磨材料，用于制各种研磨纸、砂轮、研磨石，也用于加工光学仪器和某些金属制品．因天然刚玉产量供不应求，工业上常将纯α型氧化铝粉末在高温电炉中烧结制成人造刚玉，也称电熔刚玉．它能耐1800℃以上的高温，是制造高级特殊耐火材料的原料，有高温下机械强度大，抗热震性好，抗侵蚀性强，热膨胀系数小等特点，用于制火箭发动机燃烧室内衬、喷咀，雷达天线保护罩，原子能反应堆材料，高级高频绝缘陶瓷，冶炼纯金属和合金的坩埚，高温发热原件，热电偶保护管，各种高温炉的炉衬等．人造刚玉还用于制精密仪表轴承和金属丝的拉丝模具．我国自1958年起就能产生人造刚玉了．三．红宝石和蓝宝石混有少量不同氧化物杂质的优质刚玉就是大名鼎鼎的红宝石和蓝宝石，是制作名贵首饰的材料，其微粒可制精密仪表和手表的轴承．红宝石是天然产的透明红色刚玉，颜色从淡玫瑰红至深胭脂红，有的还略带紫色色调，有的有星光，以呈鸽子血红色最具有商业价值．红色是晶体中含少量氧化铬之故．红宝石是宝石中的珍品，七月生辰石．红宝石英语为Ruby，源出拉丁语ruber意为红色，硬度为9，密度常为4g/cm3，有金刚光泽．天然红宝石重量达1克拉的不多，超过5克拉已属罕见，世界上每年开采的红宝石其中品质最优者仅占千分之一．世界天然红宝石迄今发现最大的重3450克拉产自缅甸，世界著名的巨大星光红宝石重138.7克拉，著名的鸽血红宝石重55克拉．世界红宝石最有名的产地是缅甸曼德拉的东北部，还有泰国、斯里兰卡、柬埔寨．1973年在非洲肯尼亚的恩干加，1978年在澳大利亚中部阿利斯波利，70年代末在巴基斯担的罕萨先后发现大型红宝石矿藏，以上发现被誉为70年代世界红宝石矿三大发现．我国红宝石主要产地为云南、青海，数量不多质量也不大理想．蓝宝石因其在自然界存在比红宝石数量要多，故早在公元前800年就被人类当作宝石．它也是天然的α型氧化铝晶体．因含有少量铁和钛杂质，颜色从很淡的蓝色至深靛蓝，尤以中等程度的蓝色最为珍贵．天然刚玉晶体中若含少量铁、钴呈绿色，含钒呈翠绿，含镍、镁呈黄色，含锰、铁呈褐色，这些有色刚玉一般也归入蓝宝石．蓝宝石的硬度、密度、类似红宝石，也有金刚光泽，少数有星光效果，它是九月生辰石．我国蓝宝石主要产地为山东省昌乐县和海南省文昌县，此外江苏、福建也有出产，虽然数量比红宝石要大，但质量也不甚理想．世界蓝宝石主要产自澳大利亚和斯里兰卡，两国约集中了世界蓝宝石资源的80％，其中澳大利亚就占60％，此外印度、缅甸、泰国、柬埔寨、马达加斯加、俄国、南非、美国也有出产．美国某博物馆藏有一颗重563克拉的印度星光蓝宝石，色泽稍暗淡，星光完美几乎无瑕疵．1984年在澳大利亚发现著名昆土兰星光蓝宝石，为历来发现的最大星光刚玉，原石重1156克拉，琢磨后重733克拉，呈椭圆形如鸡蛋，后为美国洛杉矶一家私人宝石公司所收藏．1996年下半年一批泰国宝石学家在非洲马达加斯加发现了迄今世界上最大的一串绿宝石．他们化了一周时间挖掘一块巨大的云母，在云母下面发现了一串绿宝石，共有127块，重达数十千克，价值5千万美元．泰国的曼谷是日前世界上最大的红、蓝宝石加工中心，宝石的改色、雕琢工艺技术水平居世界前茅，宝石加工业是该国的支柱产业．四．人造红宝石、蓝宝石1877年法国化学家弗雷米将纯氧化铝粉末、碳酸钾、氟化钡和少量重铬酸钾作原料，在坩埚中经高温熔融8天，获得小颗粒红宝石晶体，这是人造红宝石的开端．1885年在瑞士日内瓦出现一些品质优良的人造红宝石，据说是有天然红宝石碎片，加上增强红色的重铬酸钾等经高温熔融制成，和天然品性质相同．然而真正实现人工制造宝石并能投入规模化生产的要归功于法国化学家维尔纳叶．维尔纳叶在1891年发明火焰熔融法，并用该法试制人造宝石，成功后又用纯净的氧化铝试验．在高温马弗炉中用倒置的氢氧吹管进行试验，含有少量氧化铬的纯净氧化铝细末慢慢落入火焰中熔化，滴在基座上冷凝结晶．经过十年的努力，1904年维尔纳叶正式制造出了人造红宝石，以后火焰熔融法逐渐完善，生产出的红宝石和天然品几乎无差别．该法一直沿用到现代，至今仍是世界生产人造宝石的主要方法，人称“维尔纳叶法”。
离子化合物晶体结构
•正尖晶石材料：A为Mg2＋, Mn2＋, Fe2＋, Co 2＋, Cd2＋, Zn2＋, Ni2＋等，
B为Al3＋, Cr3＋, Fe3＋, Co3＋等
•反尖晶石材料：如铁氧体Fe3O4
化物晶体结构的一般规律
自学 要求：根据给定的晶体结构分析其结构特征 特点：负离子形成密堆结构，正离子占据其 间隙位置
ZrO2 氧化锆 Zirconia
• 常温下单斜相，1100℃以上 是四方相 • 近似的萤石型结构 • 高温陶瓷材料、固体电解质（燃料电池中使用）、 发热体等
(2) 金红石型结构 （TiO2） Rutile
• 简单正方（四方）点阵 • 两个Ti4＋：(0,0,0)、(½, ½, ½) 四个O2－：(u,u,0)、(1-u, 1-u, 0)、(½+u, ½-u, ½)、(½-u, ½+u, ½) u=0.31
典型的离子化合物的晶体结构
描述离子晶体结构的三种方法： 描述离子晶体结构的三种方法：
•坐标法：给出单位晶胞中各个原子的空间坐标 坐标法： 坐标法 如在NaCl晶体中，4个Cl－：[(0,0,0)、<1/2,1/2,0>] 4个Na＋：[<0,0,1/2>、(1/2,1/2,1/2)] •球体密堆法：阴离子紧密堆积，阳离子处于阴离子配 球体密堆法： 球体密堆法 位多面体的间隙之中 如NaCl晶体：Cl－按FCC密堆，Na＋处于全部的八面 体间隙 •配位多面体及其连接法：对于比较复杂的晶体，用这 配位多面体及其连接法： 配位多面体及其连接法 种方法有利于认识和理解晶体结构。 例如：在硅酸盐晶体结构中，经常采用这种方法， 但对结构简单的晶体，这种方法反而不一定方便。
【精品文章】刚玉的分类及应用大全
刚玉的分类及应用大全
随着太阳能硅晶片切割行业的兴起，传统超硬、耐高温材料之一的碳化硅顿时成为超级磨料明星。
因为金刚石微分生产的切割、磨削工具广泛的应用到五金、建筑陶瓷石材切割抛光等领域，也使得金刚石粉体被普通百姓所熟知。
而刚玉作为一种非常重要的磨料、耐高温粉体材料在普通人眼中却显得有些默默无闻甚至是有些陌生。
其实刚玉作为使用历史悠久的超硬、耐高温材料，至今仍然广泛的应用在各种工业领域中，发挥着重要的作用。
本文将简要的向读者介绍刚玉的种类及其特点，以期能够加深大家对刚玉家族各成员的认识。
α型氧化铝晶体叫做刚玉，常因含有不同的杂质而呈现不同的颜色．刚玉一般呈带蓝或带黄的灰色，有玻璃或金刚光泽，硬度仅次于金刚石和碳化硅，能耐高温。
自然界存在天然的刚玉，红宝石、蓝宝石就是天然刚玉。
工业生产使用的刚玉多数是人工合成的，随着加工工艺和参杂的其它元素成分的不同，刚玉可分为白刚玉、棕刚玉等多种类型。
下文将向大家介绍几种常见的刚玉种类及其特性。
1、白刚玉
白刚玉是以优质铝氧化粉为原料，白刚玉经电熔提炼结晶而成，纯度高、自锐性好、耐酸碱腐蚀、耐高温、热态性能稳定。
白刚玉硬度略高于棕刚玉，韧性稍低，纯度高、自锐性好、磨削能力强、发热量小、效率高、耐酸碱腐蚀、耐高温热稳定性好。
用白刚玉粒度砂制成磨具，适用于磨削高碳钢、高速钢及不锈钢等细粒度磨料，白刚玉还可以用于精密铸造和高级耐火材料。
第二章 晶体结构 - 2.3.7刚玉型晶体结构分析_6.15ZSQ
材料科学基础第 2 章2.3.7 刚玉型晶体结构分析23刚玉晶胞Al2O3（刚玉）晶体结构化学式Al2O3三方晶系，晶胞参数a0=0.514nm，α=55゜17′，Z=2晶体结构离子堆积情况O2-按六方紧密堆积排列，即ABAB…二层重复型，而Al3+填充于三分之二的八面体空隙，使化学式成为Al2O3。
23有缘学习更多驾卫星ｙｇｄ３０７６或关注桃报：奉献教育（店铺）在平行C轴方向上，每隔两个实心的充填Al3+的八面体就有一个空心的八面体，实心[AlO]八面体以共面相连。
6[AlO6]八面体层沿C轴方向共面相联23z 此时，两个较为靠近的铝离子之间产生了斥力，使铝离子并不处于八面体中心，而是稍有偏离， [AlO6]八面体稍有变形。
沿z轴方向八面体空隙中Al3+偏离中心位置23(0001)方向[AlO6]八面体共棱成层底面方向每两个铝氧八面体共棱连接，中间有一个空隙23α-Al 2O 3的结构中铝离子的三种不同排列法（a ）刚玉型结构中正离子的排列，（b ）在 面上的投影第13层和第一层重复23α－Al2O3中的氧与铝的排列次序可写成：O A Al D O B Al E O A Al F O B Al D O A Al E O B Al F O A Al D…… 13层间距离最远23结构相同的物质FeTiO 3、MgTiO 3α-Fe 2O 3、Cr 2O 3、Ti 2O 3、V 2O 3等性能与用途①性能②用途熔点高，达2050℃，莫氏硬度9级，这与Al-O键的牢固性有关。
生产刚玉莫来石陶瓷，氧化铝陶瓷，高频无线电陶瓷，高温耐火材料的原料。
23。
第二章 晶体结构 3【精选】
1). 萤石结构CaF2
立方晶系：a＝0.545 nm r ＋/r－＝0.975
[FCa4]
[CaF8]
• Ca2＋按面心立方密堆积，F－填充全部四面体空 • C隙N（Ca2＋）＝8, CN (F－)=4
• 晶体结构可以看成面心立方格子Ca2＋一套，F －两套穿插而成。
结构较为开放：Ca2＋尺寸与F-相近，故Ca2＋被撑 开，空隙较大，且Ca2＋数目比F-少一半， Ca2＋与空 隙交错排列，故晶胞中心孔隙很大
LiNbO3
(c)
图1-24 刚玉结构，钛铁矿结构及LiNbO3结构对比示 意图
在刚玉结构中，氧离子的排列为六方密堆积 HCP结构，其中八面体空隙的2/3被铝离子占据，将 这些铝离子用两种阳离子置换有两种方式。第一种 置换方式是：置换后Fe层和Ti层交替排列构成钛铁 矿结构，属于这种结构的化合物有MgTiO3、 MnTiO3、FeTiO3、CoTiO3、LiTaO3等。第二种置 换方式是：置换后在同一层内一价和五价离子共存， 形成LiNbO3或LiSbO3结构。
三、A2X3型结构
刚玉（-Al2O3）型结构
刚玉，即-Al2O3，天然-Al2O3单晶体称为 白宝石，其中呈红色的称为红宝石（ruby），呈 兰色的称为蓝宝石（sapphire）。刚玉属于三方晶 系，空间群Rc。以原子层的排列结构和各层间的 堆积顺序来说明其结构。
图1-23 刚玉（-Al2O3） 型结构
对于理想的单晶体而言，如果不存在外电场时， 单位晶胞中的正负电荷中心不重合，具有一定的固有 偶极矩，称为自发极化。由于晶体的周期性，单位晶 胞的固有偶极矩自发地在同一方向上整齐排列，使晶 体出现极性而处于自发极化状态。
实际晶体，即使是单晶体，内部或多或少总存在 缺陷，使得单位晶胞的固有偶极矩不可能在整个晶体 范围内整齐排列，晶体内存在着一系列自发极化方向 不同的区域。自发极化方向相同的晶胞组成的小区域 称为电畴 。
棕刚玉和金刚砂其他磨料的区别分析
棕刚玉和金刚砂其他磨料的区别分析首先，棕刚玉和金刚砂在外观上有一些明显的区别。
棕刚玉在颜色上呈现出褐色，晶体呈珠状结构，常见的有单晶、多晶和成贝状的结构。
而金刚砂则呈黑色或灰黑色，常见的有叶状、条状和块状的结构。
通过外观可以初步区分两者，但需要进一步通过物理性质和磨削性能进行分析。
其次，棕刚玉和金刚砂在物理性质上也有一些区别。
首先是硬度。
棕刚玉的硬度较高，达到了9 Mohs硬度，而金刚砂的硬度稍低，大约在9至9.3 Mohs硬度之间。
高硬度使棕刚玉在磨削过程中不易磨损，能够更长时间地保持磨削效果。
其次是密度。
棕刚玉的密度大约在3.9至4.1g/cm³之间，金刚砂的密度大约在 3.2至 3.5g/cm³之间。
相同体积下，棕刚玉的质量更大，因此在磨削过程中其粒子的冲击力更大。
再次，棕刚玉和金刚砂的磨削性能有一些差异。
首先是磨削力。
由于棕刚玉的硬度更高，因此在磨削过程中其粒子对工件的冲击力更大，磨削效率更高。
其次是磨削速度。
由于金刚砂的硬度较低，因此其磨削速度更快，可以更快地去除工件表面的材料。
然而，由于金刚砂的磨削速度快，在磨削过程中容易产生较大的热量，从而导致工件表面的变形和裂纹，因此对一些对表面光洁度有要求的材料来说，使用金刚砂磨削会不太适合。
此外，两者还存在一些其他的区别。
棕刚玉具有较好的耐磨性和耐酸碱性，可以适用于较粗糙的磨削和研磨工作。
金刚砂则具有优良的导热性和导电性能，适用于对高温散热要求较高的工作场景。
在使用过程中，棕刚玉更容易得到较高的切削面质量，而金刚砂则更适合用于基材的去毛刺和去垢。
综上所述，棕刚玉和金刚砂在外观、物理性质和磨削性能等方面存在一些差异。
在选择使用时，应根据具体的工作环境、要求和工件材料的特性来选择合适的磨料，以充分发挥其磨削效果和工作效率。
无机材料科学基础第二章-晶体结构-第6节(3)
CaO静电键强度与MgO相同，但晶体结构疏松，不稳定，易水 化。因为Ca2+离子半径大，使O2-离子的立方密堆积紧密程度变 松。 CaO 的晶格能为3469KJ/mol ，熔点2560 ℃。
6
2、CsCl型
r+/r- = 0.93（大于0.732）
CsCl晶体为Pm3m空间群（立方原始格子）； a0=0.411nm； Cl-按简立方形式堆积，位于立方体的8个角顶上；Cs+填充在立方体 中心。 Cl-、Cs+的配位数均为8；单位晶胞中的分子数Z=1；
r+/r- = 0.102/0.181=0.56 （0.414～0.732）
3
②球体紧密堆积方法：Cl-按面心立方紧密堆积，Na+填入 全部八面体空隙（Na︰Cl=1︰1）； ③配位多面体及其连接方式：[NaCl6]八面体以共棱方式 连接，该描述方法适宜于复杂晶体结构。
NaCl中的正八面体结构
4
属于NaCl型结构的晶体很多，表2-7所示。
按离子堆积分析， O2-按变 形的六方密堆积， Ti4+只填 充了O2-所形成的八面体空隙 的一半（Ti︰O=1 ︰2）。
16
晶胞中质点的坐标为：Ti4+（000），（1/2 1/2 1/2）；
O2-（uu0），（(1-u) (1-u) 0），（(1/2+u)(1/2-u)1/2），
1号点 2号点 4号点 3号点
单位晶胞中质点的坐标如图所示。 属于CsCl结构的晶体有CsBr、CsI、NH4Cl 等。
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3、闪锌矿（立方ZnS）型结构（共价晶体）
闪锌矿为Fm3m 空间群， a0=0.540nm。面心立方格子，S=按立方 紧密堆积，Zn2+交错处于八分之一小立方体中心，占据四面体空 隙的一半； 质点坐标及投影图如图所示。
无机材料硬度
无机材料硬度硬度是用来描述物质抵抗外力的能力的一个重要指标。
在无机材料中，硬度是衡量材料抵抗划伤或穿透的能力。
无机材料的硬度与其晶体结构、原子间键合方式以及晶格缺陷等因素密切相关。
本文将介绍几种常见的无机材料的硬度特性。
1. 金刚石金刚石是目前已知最硬的物质，其硬度达到了10级，是自然界中仅次于石墨的第二种碳同素异形体。
金刚石具有非常强的碳原子间共价键，使得其晶体结构非常稳定。
这种结构使得金刚石具有优异的硬度，能够用于制作高硬度切削工具和磨料。
2. 刚玉刚玉是氧化铝(Al2O3)的一种晶体形态，也是一种非常硬的无机材料。
其硬度约为9级，仅次于金刚石。
刚玉的硬度主要来自于其晶体结构中的铝离子和氧离子之间的离子键。
刚玉在工业中广泛应用，例如用于制作砂纸、砂轮和陶瓷刀具等。
3. 碳化硅碳化硅是一种具有非常高硬度的陶瓷材料，其硬度可达到9级。
碳化硅具有特殊的晶体结构，其中硅原子与碳原子以共价键形式相连，构成了非常稳定的晶体结构。
碳化硅的硬度使得其广泛应用于高温、高压和摩擦等恶劣环境下的材料制备。
4. 氮化硼氮化硼是一种具有高硬度的无机材料，其硬度约为9级。
氮化硼的晶体结构中包含硼原子和氮原子，它们之间以共价键相连。
氮化硼具有优异的热导性和化学稳定性，因此被广泛应用于高温材料和切削工具等领域。
5. 硬质合金硬质合金是由金属碳化物粉末和金属粉末通过粉末冶金工艺制备而成的一种具有高硬度的材料。
硬质合金的硬度主要来自于金属碳化物颗粒的高硬度。
硬质合金具有优异的耐磨性和高硬度，常用于制作刀具、钻头和模具等。
总结：无机材料的硬度是由其晶体结构、原子间键合方式和晶格缺陷等因素决定的。
金刚石、刚玉、碳化硅、氮化硼和硬质合金是常见的具有高硬度的无机材料。
它们的硬度不仅使它们在工业领域中得到广泛应用，同时也为科学研究和技术创新提供了重要的基础材料。
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刚玉的晶体结构
刚玉是一种非常硬的矿物，它的硬度仅次于钻石。
它的晶体结构对
于研究者来说非常有趣。
下面将详细介绍刚玉的晶体结构。
1. 什么是刚玉的晶体结构？
刚玉的化学式为Al2O3，它的晶体结构是六方最密堆积结构。
在这种
结构中，每个Al3+离子都被六个氧离子包围，每个氧离子又被两个铝
离子包围。
这种结构具有很高的对称性，对于刚玉的物理和化学性质
都有很大的影响。
2. 刚玉的晶体结构是如何形成的？
刚玉的晶体结构是由铝和氧原子组成的。
在高温和高压下，铝和氧原
子会形成氧化铝（Al2O3）的化合物，然后通过长时间的结晶过程形成
刚玉晶体。
刚玉晶体在自然界中很少见，主要是通过人工合成的方式
得到。
3. 刚玉的晶体结构对其性质有什么影响？
刚玉由于晶体结构的特殊性质，具有极高的硬度、耐磨性和耐腐蚀性。
它也是一种高温稳定化合物，能够承受高温和高压下的极端环境。
这
些特性使刚玉在机械、电子、化工等领域有着广泛的应用。
4. 如何研究刚玉的晶体结构？
为了研究刚玉的晶体结构，研究者通常使用X射线衍射技术。
这种技术可以通过测量经过晶体的X射线经过衍射后的位移和强度，来确定晶体中原子的位置和晶体结构。
这些信息可以帮助研究者理解刚玉的结构和性质。
总之，刚玉的晶体结构对于其硬度和化学性质具有重大影响。
通过研究刚玉的晶体结构，研究者可以更好地理解和改进其应用和性能。