材料科学与工程基础-无机非金属材料的组成与结构.ppt

材料科学与工程基础-无机非金属材料的组成与结构.ppt

《材料科学与工程基础-无机非金属材料的组成与结构.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料科学与工程基础-无机非金属材料的组成与结构.ppt（52页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

材料科学与工程基础材料科学与工程基础第五章第五章无机非金属材料的组无机非金属材料的组成与结构成与结构张青红张青红材料学院材料学院C172，电话，电话67792943，电子，电子邮件：

邮件：

无机非金属材料无机非金属材料?

无机非金属材料的历史与现状无机非金属材料的历史与现状.与有机材料与有机材料/金属材料的复合金属材料的复合.无机非金属材料中的有机化学问题无机非金属材料中的有机化学问题（制备与应用制备与应用）.Si（OR）4-（RO）3Si-OH+HO（SiOR）3-（RO）3Si-O-（SiOR）3无机仿生材料无机仿生材料5.1组成、结合键和结构特点组成、结合键和结构特点5.1.1无机非金属材料的组成无机非金属材料的种类最多，覆盖面最广。

从其化学无机非金属材料的种类最多，覆盖面最广。

从其化学组成来讲，除有机化合物及金属和金属合金外的所有组成来讲，除有机化合物及金属和金属合金外的所有物质所构成的材料均属于无机材料。

物质所构成的材料均属于无机材料。

Inorganicnonmetallicmaterials.主要有陶瓷主要有陶瓷Ceramics,玻璃玻璃glass,水泥水泥cement,耐火耐火材料材料firebrick/refractory，其主要化学组成均为硅酸，其主要化学组成均为硅酸盐盐Silicate类物质，其中陶瓷材料历史最为悠久，习惯类物质，其中陶瓷材料历史最为悠久，习惯上将无机非金属材料称为硅酸盐材料或陶瓷材料。

上将无机非金属材料称为硅酸盐材料或陶瓷材料。

11陶瓷材料简介陶瓷材料简介（11）分类）分类按用途可分为：

按用途可分为：

结构陶瓷（利用其力学性能）：

强度（叶片、活塞）、结构陶瓷（利用其力学性能）：

强度（叶片、活塞）、韧性（切削刀具）、硬度（研磨材料）。

韧性（切削刀具）、硬度（研磨材料）。

功能陶瓷（利用其物理性能）功能陶瓷（利用其物理性能）精细功能陶瓷：

导电、气敏、湿敏、生物、超导陶瓷等。

精细功能陶瓷：

导电、气敏、湿敏、生物、超导陶瓷等。

功能转换陶瓷：

压电、光电、热电、磁光、声光陶瓷等。

功能转换陶瓷：

压电、光电、热电、磁光、声光陶瓷等。

20世纪世纪40年以来，随着材料学和工程的发展，其范畴年以来，随着材料学和工程的发展，其范畴不断扩大，涌现高性能先进无机材料不断扩大，涌现高性能先进无机材料Advancedinorganicmaterials，包括结构陶瓷、复合材料、功，包括结构陶瓷、复合材料、功能陶瓷、半导体材料、新型玻璃、非晶态材料和人工能陶瓷、半导体材料、新型玻璃、非晶态材料和人工晶体等。

晶体等。

从组成上看，不再局限在硅酸盐，还包括其它含氧酸从组成上看，不再局限在硅酸盐，还包括其它含氧酸盐、氧化物、氮化物、碳与碳化物、硼化物、氟化物、盐、氧化物、氮化物、碳与碳化物、硼化物、氟化物、硫系化合物、硅、锗、硫系化合物、硅、锗、III-V族化合物、族化合物、II-VI族化合物族化合物等。

等。

形态与形状的多样化：

超微粉体、单晶和非晶材料、形态与形状的多样化：

超微粉体、单晶和非晶材料、纤维、晶须、薄膜、复合材料等。

纤维、晶须、薄膜、复合材料等。

对无机非金属材料的组成（化学组成和相组成）的控对无机非金属材料的组成（化学组成和相组成）的控制也有着越来越高的要求。

制也有着越来越高的要求。

5.1.2无机非金属材料的键合在无机非金属材料中，经常出现的键合形式为离子键、在无机非金属材料中，经常出现的键合形式为离子键、共价键、氢键、范德华键、及离子共价混合键，离共价键、氢键、范德华键、及离子共价混合键，离子共价范德华键等。

混合键的存在及键合的多样性是子共价范德华键等。

混合键的存在及键合的多样性是无机材料的显著特征。

无机材料的显著特征。

自然界中很多氧化物、氮化物、碳化物、硫化物和卤自然界中很多氧化物、氮化物、碳化物、硫化物和卤化物均是以离子键合而存在，但完全由离子键合的晶化物均是以离子键合而存在，但完全由离子键合的晶体极少，多数情况下仅是该类晶体具有很大程度的离体极少，多数情况下仅是该类晶体具有很大程度的离子键合。

离子键的特电是不具有方向性和饱和性，有子键合。

离子键的特电是不具有方向性和饱和性，有利于离子在空间作密堆积，因此离子晶体具有较大的利于离子在空间作密堆积，因此离子晶体具有较大的密度。

密度。

离子晶体以离子晶体以NaCl为例来说明。

为例来说明。

何为晶体何为晶体?

p52晶体是由原子晶体是由原子,离子或离子或分子在空间按一定规律分子在空间按一定规律周期性地重复排列构成周期性地重复排列构成的固体。

的固体。

晶体的主要性质晶体的主要性质:

1,具有规则的几何外形。

具有规则的几何外形。

2,呈现各向异性呈现各向异性,许多许多物理性质物理性质,如光学性质如光学性质,导电性导电性,热膨胀系数和热膨胀系数和机械强度等在不同的方机械强度等在不同的方向上测定时向上测定时,是各不相是各不相同的。

同的。

3,具有固定的熔点。

它具有固定的熔点。

它的内在奥秘就是晶面夹的内在奥秘就是晶面夹角守恒定律。

角守恒定律。

NaCl为立方结构，常称为岩盐相。

为立方结构，常称为岩盐相。

面心立方的氯离子和面心立方的纳离子，相互错位面心立方的氯离子和面心立方的纳离子，相互错位1/2（a+b+c）在空间相互穿插，依靠离子间静电引力键在空间相互穿插，依靠离子间静电引力键合而形成氯化钠离子晶体。

合而形成氯化钠离子晶体。

氯化钠离子晶体结构示意图氯化钠离子晶体结构示意图单位晶胞内离子位置图单位晶胞内离子位置图单位晶胞内硬球模型单位晶胞内硬球模型1，计算，计算NaCl的填充因子，离子半径：

的填充因子，离子半径：

Na+=0.102nm,Cl-=0.181nm2，计算，计算NaCl的密度，离子半径：

的密度，离子半径：

Na+=0.102nm,Cl-=0.181nm，Na的摩尔质量为的摩尔质量为22.99g/mol，Cl的摩尔质量为的摩尔质量为35.45g/mol。

通过离子半径的大小计算氯化钠的晶胞参数a计算其110方向单位纳米有多少过氯离子？

氯化铯离子晶体结构示意图氯化铯离子晶体结构示意图CsCl3，计算，计算CsCl的填充因子，已知的填充因子，已知Cs+=0.170nm,Cl-=0.181nm共价晶体即原子晶体。

共价晶体即原子晶体。

一些单质和许多具有三价或三价以上的元素，在一些单质和许多具有三价或三价以上的元素，在其晶体结构中是由电子共有所产生的力结合起来其晶体结构中是由电子共有所产生的力结合起来的。

共价键的特征是具有严格的方向性和饱和性，的。

共价键的特征是具有严格的方向性和饱和性，原子在空间的排布达不到密堆积程度，堆积效率原子在空间的排布达不到密堆积程度，堆积效率较低。

较低。

物性：

硬度高、密度较低、导电率低物性：

硬度高、密度较低、导电率低。

IV族的元素在以共价键成键时应该与具有四个与之成键的近邻原族的元素在以共价键成键时应该与具有四个与之成键的近邻原子，其中单晶硅最具代表性。

每个硅原子以自旋相反的电子对子，其中单晶硅最具代表性。

每个硅原子以自旋相反的电子对分别与四个最近邻的硅原子键合，硅原子的三维排列由这些具分别与四个最近邻的硅原子键合，硅原子的三维排列由这些具有方向性的共价键网络所决定。

同属有方向性的共价键网络所决定。

同属IVB族的族的C（金刚石结构）、（金刚石结构）、Ge、Sn的晶体，均具有硅晶体的立方结构模式，通常以金刚石的晶体，均具有硅晶体的立方结构模式，通常以金刚石立方结构进行命名。

立方结构进行命名。

VB族的族的As、Sb、Bi等生成晶体时，每个原子与等生成晶体时，每个原子与3个其它原子键个其它原子键合，由于孤对电子的存在，键角小于合，由于孤对电子的存在，键角小于120，形成带皱褶的层状，形成带皱褶的层状结构，层内是强共价键合，而层间的键合较弱。

结构，层内是强共价键合，而层间的键合较弱。

VIB族元素族元素S、Se、Te等生成晶时，每个原子与两个近邻原子相等生成晶时，每个原子与两个近邻原子相互共价键合，在空间形成有规律的排列，靠范德华力结合在一互共价键合，在空间形成有规律的排列，靠范德华力结合在一起。

起。

石墨的结构、碳纳米管的结构？

石墨的结构、碳纳米管的结构？

在无机矿物中，经常出现混合键合的情况，即晶体结在无机矿物中，经常出现混合键合的情况，即晶体结构中即存在共价键，又存在离子键，甚至范德华键。

构中即存在共价键，又存在离子键，甚至范德华键。

此时，已很难将该晶体归结为共价晶体或离子晶体。

此时，已很难将该晶体归结为共价晶体或离子晶体。

白云母白云母KAl2AlSi3O10（OH,F）2和滑石和滑石Mg3Si2O52（OH）2同属层状结构硅酸盐。

白云母层内同属层状结构硅酸盐。

白云母层内为共价结构，层间由为共价结构，层间由K+离子键合，其键合形式为典型离子键合，其键合形式为典型的共价离子键合；而在滑石结构中，层内为共价键的共价离子键合；而在滑石结构中，层内为共价键合及包含合及包含OH-、二价、三价正离子的离子键合，层间、二价、三价正离子的离子键合，层间却为范德华力，其键合形式为典型的离子却为范德华力，其键合形式为典型的离子-共价共价-范德范德华混合键华混合键。

如何判断键合的性质？

如何判断键合的性质？

混合键合与组成化合物的元素的电负性相关。

混合键合与组成化合物的元素的电负性相关。

离子键合的离子键合的MgO中，离子键比例占中，离子键比例占84%，共价结合，共价结合16%。

共价晶体。

共价晶体SiC中仍然有中仍然有18%的离子性结合的离子性结合。

晶体离子性比例/%晶体离子性比例/%晶体离子性比例/%Si0.00CdS0.69AgCl0.86Ge0.00InAs0.36MgO0.84SiC0.18InSb0.32MgS0.79ZnO0.62GaAs0.31LiF0.92ZnS0.62GaSb0.26NaCl0.94ZnSe0.63CuI0.75RbF0.96CdO0.79CuBr0.74表表5-1二元晶体中离子性结合键的比例二元晶体中离子性结合键的比例5.2无机非金属材料的简单晶体结构无机非金属材料晶体结构中基本粒子间的键合来讲，无机非金属材料晶体结构中基本粒子间的键合来讲，包含了离子键、共价键、氢键和范德华键；而从其晶包含了离子键、共价键、氢键和范德华键；而从其晶体结构中基本粒子的空间排布来看，则涉及到晶体结体结构中基本粒子的空间排布来看，则涉及到晶体结构中所有的构中所有的7个晶系（立方晶系、四方晶系、正交晶个晶系（立方晶系、四方晶系、正交晶系、三方晶系、六方晶系、单斜晶系及三斜晶系）。

系、三方晶系、六方晶系、单斜晶系及三斜晶系）。

绝大多数无机化合物由两种或两种以上的元素组成，绝大多数无机化合物由两种或两种以上的元素组成，除涉及晶体结构的七个基本晶系外，还包括不同质点除涉及晶体结构的七个基本晶系外，还包括不同质点空间点阵的相互嵌合，这将使无机材料的晶体结构趋空间点阵的相互嵌合，这将使无机材料的晶体结构趋于复杂化。

于复杂化。

简单晶体结构简单晶体结构单晶硅单晶硅（共价晶体共价晶体）氯化钠与氯化铯氯化钠与氯化铯（立方晶系立方晶系,离子晶体离子晶体）面心立方面心立方ZnS和六方和六方ZnS结构结构（共价晶体共价晶体）钙钛矿晶体结构钙钛矿晶体结构（立方晶系立方晶系）尖晶石晶体结构尖晶石晶体结构（立方晶系立方晶系）反尖晶石晶体结构反尖晶石晶体结构（立方晶系立方晶系）阴离子的阴离子的堆积堆积M和和O的配位的配位数数阴离子位阴离子位置置结构名结构名称称举例举例立方密堆立方密堆6:

6MO全部八面全部八面体间隙体间隙岩盐岩盐NaCl,KCl,LiF,KBr,MgO,CaO,SrO,BaO,CdO,VO,MnO,FeO,CoO,NiO立方密堆立方密堆4:

4MO四面体四面体间隙间隙闪锌矿闪锌矿ZnS,BeO,SiC立方密堆立方密堆4:

8MO全部八面全部八面体间隙体间隙反萤石反萤石Li2O,Na2O,K2O,Rb2O,一些硫化物一些硫化物四变了的四变了的立方密堆立方密堆8:

3MO八面体八面体间隙间隙金红石金红石TiO2,GeO2,SnO2,TbO2,VO2,NbO2,TeO2,MnO2,RhO2,OsO2,Ir