材料科学基础第7讲 晶体学5-陶瓷晶体结构

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陶瓷材料的晶体结构

陶瓷材料的晶体结构

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

材料科学与工程基础第七章 陶瓷的结构与性能

材料科学与工程基础第七章 陶瓷的结构与性能
th 0.1E
断裂强度决定于陶瓷的化学成分和组织结构, 但同时也随外界条件(温度、应力等)的变 化而变化。陶瓷的强度随气孔率增加而按指 数规律下降。陶瓷的强度与晶粒尺寸的关系 符合H-P公式,即晶粒越细强度越高。晶界相 的成分、性质及数量对陶瓷强度有影响。晶 界上的晶相能起到阻止裂纹扩展并松弛裂纹 尖端应力场的作用。此外,通过复合的方法 也是强化的途径之一。
一、陶瓷材料的力学性能
1.陶瓷的弹性模量
表7-7 常见陶瓷的弹性模量
陶瓷材料 烧结氧化铝 热压Si3N4 烧结氧化铍
热压BN 热压B4C
石墨 烧结MgO 烧结MoSi2
E/GPa 366 320 310 83 290 9 210 407
陶瓷材料
烧结MgAl2O4 致密SiC 烧结TiC 烧结ZrO2 SiO2玻璃 莫来石瓷
橄榄石
尖晶石
尖晶石 (倒反)
配位 数 8:8
6:6
6:6 4:4 4:4 8:4 6:3 4:2 4:8 2:4 6:4 12:6:6 6:6:4
6:4:4
4:6:4
4:6:4
表7-1 陶瓷典型结构
阴离子 堆积方式
简单立方
阳离子位置 全部立方体空隙
立方密堆
全部八面体空隙
六方密堆 立方密堆 六方密堆 简单立方 畸变立方
四面体 立方密堆 体心立方 六方密堆 六方密堆 六方密堆
六方密堆
立方密堆
立方密堆
全部八面体孔隙
1/2四面体空隙 1/2四面体空隙 1/2立方体空隙 1/2八面体空隙
四面体空隙
全部四面体空隙
八面体空隙
2/3八面体空隙 1/4八面体空隙 2/3八面体空隙 1/2八面体空隙A 1/8四面体孔隙B 1/8四面体空隙A 1/2四面体孔隙B 1/8四面体空隙B 1/2八面体孔隙AB

陶瓷材料结构及性能分类新结构陶瓷材料科学基础

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。

《陶瓷晶体结构》PPT课件

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每 cm 3中 S i 4 和 O 2 -所占的体积为:
V Si4
cm 3
4 3
2 .64
10 22
0 .026
10 7
3
0 .00195
V O 2 - cm 3
4 3
5 .28 10 22
0 .138
10 7
3
0 .5809
S
iO
晶体中离子致密度
2
0 .00195 0 .5809 0 .5829 或 58 .29 %
0.58
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23
4 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。
因为一对正离子之间的互斥力按电价数的平方成正比增 加,配位多面体中的正离子之间的距离随配位数的降低 而减小。
ppt课件
24
5 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。
实例
2 静电价规则
在一个稳定的晶体结构中,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。
请用电价规则解释Al3+置换Si4+时, 即:正电价等于负电价
通常不超过一半,否则结构将不稳定。
静电价强度S
正离子电荷数Z 正离子的配位数n
负离子的电荷数Z
同理:
A
l2O晶3 Nhomakorabea体






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?

陶瓷材料的结构.pptx

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综上所述,金
属材料的成分、 工艺、组织结构 和性能之间有着 密切的关系。
图2-11 两种晶粒大小不同的纯铁示意图
第12页/共35页
2.2 高分子材料的结构与性能
• 2.2.1 高分子材料的结构 • 1.大分子链的构成 • (1)化学组成 • 组成大分子链的化学元素,主要是碳、氢、氧,
另外还有氮、氯、氟、硼、硅、硫等,其中碳 是形成大分子链的主要元素。 • 大分子链根据组成元素不同可分为三类,即碳 链大分子、杂链大第13分页/共子35和页 元素链大分子。
2.晶面与晶向
图2-2 立方晶格中的一些晶面
第2页/共35页
3.金属晶体的类 (型1)体心立方晶格 (2)面心立方晶格 (3)密排六方晶格
图2-3 体心立方晶胞
图2-4 面心立方晶胞
第3页/共35页
图2-5 密排六方晶胞
2.1.2 金属的实际晶体结构
1.单晶体和多晶体
图2-6 单晶体和多晶体结构示意图
图2-20 蠕变前、后分子构象变化示意图 ●应力松弛 如图2-21所示。
图2-21 应力松弛过程中分子构象变化示意图
第22页/共35页
●滞后与内耗 高聚物受周期性载荷时,产生 伸-缩的循环应变,如图2-22所示。
图2-22 橡胶在一个承载周期中的应力-应变曲线
第23页/共35页

图2-23可以看出高聚物的变形特点。A点为 初始状态,B点为屈服点,C点为断裂点。
第25页/共35页
陶瓷的典型组织结构包括: 晶体相(莫来石和石英) 玻璃相 气相
1.晶体相
(1)硅酸盐
硅酸盐基本结构具有以下特点: ①构成硅酸盐的基本单元为硅氧四面 体结构,如图2-24所示; ②硅氧四面体只能通过共用顶角而相 互结合; ③ Si4+通过 O2-结合, Si—O—Si 的结合键在氧上的键角接近于145° ; ④稳定的硅酸盐结构中,硅氧四面体 采取最高空 间维数互相结合; ⑤硅氧四面体采取比较紧密的结构结 合; ⑥同一结构中硅氧四面体最多只相差 1个氧原子。

陶瓷晶体结构

陶瓷晶体结构

纳米陶瓷晶体结构
纳米陶瓷晶体结构是未来研究的重要方向之 一,通过控制纳米陶瓷晶体的尺寸和形貌, 可以获得具有优异性能的陶瓷材料,如高强
度、高韧性、高耐磨性等。
提高陶瓷晶体结构的性能
要点一
优化制备工艺
通过优化陶瓷材料的制备工艺,如采用先进的烧结技术、 热处理工艺等,可以提高陶瓷晶体结构的致密度、纯度和 结晶度,从而提高其力学性能和物理性能。
要点二
掺杂改性
通过掺杂改性方法,向陶瓷材料中添加适量的杂质元素或 第二相,可以改善其力学性能、热学性能和电学性能等, 以满足不同领域的应用需求。
陶瓷晶体结构在其他领域的应用
能源领域
陶瓷晶体结构在能源领域具有广 泛的应用前景,如用于制造高效 能电池、燃料电池和热电转换器 件等。
环保领域
陶瓷晶体结构具有优异的耐腐蚀、 耐高温和化学稳定性等特点,可 用于制造高效过滤器、气体分离 膜和催化剂载体等环保器件。
03
陶瓷发动机
具有高耐火性和高温强度,可用 于制造炉具、坩埚和耐火材料等。
具有高硬度、高耐磨性和耐高温 性,可用于制造切削刀具和铣刀 等。
采用耐高温、高强度的陶瓷材料 制作发动机零件,能够提高发动 机性能和燃油效率。
06 未来展望
新型陶瓷晶体结构的探索
探索新型陶瓷晶体结构
随着科技的发展,新型陶瓷晶体结构不断涌 现,如氮化硼、碳化硅等,这些新型陶瓷晶 体结构具有更高的硬度、耐高温和化学稳定 性等优点,为材料科学和工程领域提供了新 的选择。
共价键和离子键是陶瓷材料中最常见的键合方式,它们对材料
03
的硬度、熔点和电导率等性质有显著影响。
晶体结构中的缺陷
01
晶体结构中的缺陷是指偏离理想晶体结构的部分。

陶瓷材料的结构


亚稳态非晶体
在特定条件下通过高能球磨或化学气 相沉积制备而成,具有较高的能量状 态,但稳定性低于玻璃态非晶体。
非晶体结构对陶瓷材料性能的影响
力学性能
非晶体结构使陶瓷材料表现出各 向同性的力学性能,具有较高的
硬度和良好的耐磨性。
热学性能
非晶体结构使陶瓷材料具有较低的 热导率和较宽的热膨胀系数范围, 有利于隔热和抗热震性能。
理和化学性质。
晶体结构可以通过X射线衍射技 术进行测定和表征。
晶体结构的基本要素包括晶格、 晶胞、原子或分子的位置等。
陶瓷材料的晶体结构类型
氧化物陶瓷
碳化物陶瓷
以金属氧化物为主要成分,如氧化铝、氧 化锆等,具有较高的熔点和硬度。
以碳化物为主要成分,如碳化硅、碳化钛 等,具有高强度和耐磨性。
氮化物陶瓷
陶瓷材料的晶体结构中可能存在 的缺陷,如空位、位错、晶界等, 这些缺陷会影响陶瓷的力学性能
和电学性能。
陶瓷材料的强化机制
相变增韧
某些陶瓷材料在受到外力作用时,会发生相变,产生微裂纹或增 韧相,吸收能量,从而提高材料的韧性。
颗粒增强
通过在陶瓷基体中添加增强颗粒,如碳化物、氮化物等,提高材料 的强度、韧性和耐磨性。
化学稳定性
非晶体结构使陶瓷材料具有较好的 化学稳定性和抗氧化性能,能够抵 抗酸、碱、盐等腐蚀性介质的侵蚀。
04
陶瓷材料的显微结构
显微结构的基本概念
显微结构是指材料在显微镜下 观察到的组织结构和形貌特征, 包括晶粒大小、晶界、气孔等。
显微结构决定了陶瓷材料的性 能,如力学性能、热性能、电 性能等。
与晶体材料不同,非晶体材料不具有周期性重复的晶格结构,其原子或分子的排列 呈现各向同性。

材料的晶体结构与陶瓷材料

材料的晶体结构与陶瓷材料材料的晶体结构是指材料中原子、分子、离子等微观粒子排列的方式和规律。

晶体结构对材料的性质和性能有着重要的影响,尤其对陶瓷材料而言更为关键。

本文将着重探讨材料的晶体结构与陶瓷材料之间的关系。

1. 晶体结构的基本概念材料的晶体结构是指原子、离子、分子等微观粒子在空间中的排列方式和规律。

晶体结构可以分为晶格和晶胞两个层次。

晶格是晶体中原子或离子排列的规则重复模式,而晶胞则是晶格的最小重复单元。

晶体结构的四个基本特征是周期性、连续性、有序性和几何规则性。

2. 晶体结构与陶瓷材料的关系陶瓷材料是一类重要的工程材料,其主要成分为无机化合物。

陶瓷材料的性能很大程度上受其晶体结构的影响。

晶体结构的稳定性和有序性决定了陶瓷材料的硬度、抗热性、导热性等性能。

3. 陶瓷的常见晶体结构类型陶瓷材料的晶体结构可以分为多种类型,其中最常见的有以下几种:3.1 离子晶体结构离子晶体是由正离子和负离子按照一定比例排列而成的晶体结构。

离子晶体的结构稳定,常见的离子晶体结构有NaCl型、CsCl型、ZnS型等。

这些结构稳定性高,其硬度和抗热性较好,因此被广泛应用于电子、磁性、光电等领域。

3.2 共价晶体结构共价晶体是由一对或多对原子通过共用电子而形成的晶体结构。

共价晶体结构稳定性较好,同时具有较高的硬度和热稳定性。

例如,金刚石便是一种典型的共价晶体,其硬度非常高,被广泛应用于磨料和切削工具。

3.3 非晶体结构非晶体结构是指没有长程有序的晶体结构,而是具有高度无序性和随机性的结构。

陶瓷材料中的玻璃便是一种非晶体结构,其特点是透明、易于成型和加工。

非晶体结构的热膨胀系数较大,容易熔融,但其强度较低。

4. 晶体结构与陶瓷材料性能的关系材料的性能往往与其晶体结构密切相关。

晶体结构的稳定性和有序性决定了材料的硬度、强度、导热性等性能。

例如,离子晶体由于其有序排列的结构,具有较高的硬度和抗热性,因此广泛应用于高温材料和耐磨材料领域。

材料 陶瓷的晶体结构


硅酸盐的晶体结构
(3)按第三规则, [SiO4]4-四面体中未饱和的氧离子和金属正离子结合后, 可以相互独立地在结构中存在,或者可以通过共用四面体顶点彼此连接成 单链、双链或成层状、网状的复杂结构,但不能共棱和共面连接,且同一 类型硅酸盐中, [SiO4]四面体间的连接方式一般只有一种。
(4)[SiO4]4-四面体中的Si-O-Si结合键通常并不是一条直线,而是呈键角为 145的折线。
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典型的离子晶体结构
八个立方亚晶胞 每个亚晶胞4个八面体间隙 8个四面体间隙
尖晶石的单位晶胞
MgAl2O4结构中的小单元
Ca 结构符号 E21 Pearson符号cP5
Ca
对电压材料是重要
钙钛矿型结构 (a)晶胞结构 (b)配位多面体的连接和Ca2+配位数为12的情况
硅酸盐的晶体结构
硅酸盐的结构主要由三部分组成,一部分 是由硅和氧按不同比例组成的各种负离 子团,称为硅氧骨干,这是硅酸盐的基 本结构单元,另外两部分为硅氧骨干以 外的正离子和负离子。因此,硅酸盐晶 体结构的基本特点可归纳如下: (1)构成硅酸盐的基本结构单元是硅和氧 组成的
属于孤岛状硅酸盐结构的矿物有镁橄榄石Mg2SiO4,铁橄榄 石Fe2SiO4 ,实际10%Mg2+被Fe2+取代--- (Mg,Fe)2SiO4
镁橄榄石结构在(100)面投影图
3双四面体结构单元硅酸盐:由2个[SiO4]4-通 过共用氧(桥氧)相生成
长黄石 Ca2MgSi2O7
硅酸盐的晶体结构
正离子周围的负离子可以通过变形使配位数 增大
Ce2+/O2- = 0.080nm/0.140nm = 0.57 配位数6---实际是8

陶瓷的晶体结构共52页文档

陶瓷的晶体结构
6













7、翩翩新 来燕,双双入我庐 ,先巢故尚在,相 将还旧居。
8













9、 陶渊 明( 约 365年 —427年 ),字 元亮, (又 一说名 潜,字 渊明 )号五 柳先生 ,私 谥“靖 节”, 东晋 末期南 朝宋初 期诗 人、文 学家、 辞赋 家、散

28、知之者不如好之者,好之者不如乐之者。——孔子

29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵得上武器的精良。——达·芬奇

30、意志是一个强壮的盲人,倚靠在明眼的跛子肩上。——叔本华
谢谢!
52
文 家 。汉 族 ,东 晋 浔阳 柴桑 人 (今 江西 九江 ) 。曾 做过 几 年小 官, 后辞 官 回家 ,从 此 隐居 ,田 园生 活 是陶 渊明 诗 的主 要题 材, 相 关作 品有 《饮 酒 》 、 《 归 园 田 居 》 、 《 桃花 源 记 》 、 《 五 柳先 生 传 》 、 《 归 去来 兮 辞 》 等 。
1
0
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
















26、要使整个人生都过得舒适、愉快,这是不可能的,因为人类必须具备一种能应付逆境的态度。——卢梭

27、只有把抱怨环境的心情,化为上进的力量,才是成功的保证。——罗曼·罗兰
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陶瓷晶体结构
2016-10-17
陶瓷晶体
• • • • • 1) AX组成:NaCl型, CsCl型, ZnS型 2) AX2组成: CaF2型, TiO2型, SiO2型 3) AmXn组成: α-Al2O3型, 4) ABX3组成: CaTiO3型 5) AB2X4组成: MgAl2O4型
鲍林规则
CaTiO3型(钙钛矿型)
• 1)晶体结构图 • 2)重要材料:BaTiO3, SrTiO3, LaAlO3, PbTiO3, LiNbO3等。 • 3)晶体结构分析
MgAl2O4(尖晶石型)
• 1)晶体结构图 • 2)重要材料:Fe3O4, ZnFe2O4, MnFe2O4等。 • 3)晶体结构分析
TiO2型(金红石型或锐钛矿型)
• 1)晶体结构图 • 2)重要材料:TiO2, PbO2, SnO2, MnO2, RuO2等。 • 3)晶体结构分析
SiO2
• 1)晶型说明 • 2)方石英晶体结构
α-Al2O3(刚玉型)
• 1)晶体结构图 • 2)重要材料:α-Al2O3, α-Cr2O3, αFe2O3等。 • 3)晶体结构分析
• 1)半径比规则 。 • 2)电价规则。电中性规则。 • 3)多面体连接规则1:晶体中多面体共点、 线、面连接规则。 • 4)多面体连接规则2:多正离子晶体中, 高价正离子多面体尽量不连接。 • 5)结构基元中组成最少规则。
NaCl型岩盐型)
• 1)晶体结构图 • 2)重要材料:MgO等氧化物, TiC等碳化物, TiN等氮化物。 • 3)晶体结构分析
ZnS型
• 1)晶体结构图:α-ZnS(闪锌矿型),βZnS(纤锌矿型) • 2)重要材料:属于α-ZnS型:SiC, BN, GaAs, GaP等。属于β-ZnS的:AgI, ZnO, BeO, CdS, AlN, GaN等。 • 3)晶体结构分析
CaF2型(萤石型)
• 1)晶体结构图 • 2)重要材料:CaF2, ZrO2, CeO2, ThO2。 • 3)晶体结构分析
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