《材料科学基础省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料科学基础省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx（87页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、第二章第二章 固体中相结构固体中相结构在任一给定物质系统中，在任一给定物质系统中，含有同一化学成含有同一化学成份、同一原子聚集状态和性质均匀连续组份、同一原子聚集状态和性质均匀连续组成部分称为成部分称为相相phase。从结构上能够将从结构上能够将相分为固熔体、化合物、相分为固熔体、化合物、陶瓷晶体相、玻璃及分子相五类。陶瓷晶体相、玻璃及分子相五类。第1页2.1 固熔体固熔体Solid solution固熔体是固熔体是固态下一个组元固态下一个组元(熔质熔质)熔解于另熔解于另一个组元一个组元(熔剂熔剂)中中而形成新相，特点是固而形成新相，特点是固熔体熔体含有熔剂组元点阵类型。熔含有熔剂组元点阵类型
2、。熔质原子在质原子在熔熔剂中最大含量叫极限熔解度或固熔度，剂中最大含量叫极限熔解度或固熔度，通惯用摩尔分数表示。通惯用摩尔分数表示。按按熔熔质原子在点阵中位置分为质原子在点阵中位置分为置换固熔体置换固熔体和和间隙固熔体间隙固熔体；按；按熔熔解度大小分为解度大小分为无限固无限固熔体熔体和和有限固熔体有限固熔体；按各组元原子在点阵；按各组元原子在点阵中排列秩序性分为中排列秩序性分为无序固熔体无序固熔体和和有序固熔有序固熔体体。第2页第3页2.1.2 置换固熔体：影响置换固熔体原因很置换固熔体：影响置换固熔体原因很多，不一样元素间原子尺寸、化学亲和力多，不一样元素间原子尺寸、化学亲和力(电负性电负性
3、)、电子浓度和晶体结构等原因对、电子浓度和晶体结构等原因对固熔度都有显著影响。固熔度都有显著影响。Hume-Rothery三大经验定律三大经验定律：1 熔质原子相对半径差超出熔质原子相对半径差超出1415，则固，则固熔度熔度(摩尔分数摩尔分数)极为有限；极为有限；2 熔质和熔剂电化学性质要相近；熔质和熔剂电化学性质要相近；3 两个给定元素相互固熔度两个给定元素相互固熔度(摩尔分数摩尔分数)与各与各自原子价相关；自原子价相关；第4页2.1.2.1 原子尺寸原因：熔质和熔剂原子尺原子尺寸原因：熔质和熔剂原子尺寸差异越小越轻易形成置换固熔体，且固寸差异越小越轻易形成置换固熔体，且固熔度越大。熔度越大
4、。2.1.2.2 晶体结构原因：晶体结构原因：熔质和熔剂晶体结熔质和熔剂晶体结构类型相同是形成无限固熔体必要条件构类型相同是形成无限固熔体必要条件。同种间隙原子在面心立方中熔解度大于在同种间隙原子在面心立方中熔解度大于在体心立方中熔解度体心立方中熔解度。2.1.2.3 化学亲和力：熔质原子与熔剂原子化学亲和力：熔质原子与熔剂原子负电性相差越大，异种原子间亲和力越强，负电性相差越大，异种原子间亲和力越强，有利于增大固熔度。有利于增大固熔度。第5页2.1.2.4 电子浓度原因：合金中电子浓度原因：合金中两组元价电两组元价电子总数子总数e原子总数原子总数a之比称为之比称为电子浓度电子浓度c：c=e/
5、a=xu+(1-x)v (2-1)式中式中v和和u为熔质和熔剂原子价；为熔质和熔剂原子价；x为熔质摩为熔质摩尔分数。尔分数。试验发觉：试验发觉：不一样熔剂有各自确定电子浓不一样熔剂有各自确定电子浓度极限度极限，熔质元素原子价越高，一样数量，熔质元素原子价越高，一样数量熔质原子熔解时电子浓度增加越快，所以熔质原子熔解时电子浓度增加越快，所以其固熔度越小。其固熔度越小。(见表见表2-2)第6页-族元素在铜中极限固熔度族元素在铜中极限固熔度(摩尔分数摩尔分数)及电子浓度及电子浓度合金系合金系 理论极限固熔度理论极限固熔度 电子浓度电子浓度Cu-Zn(2)36 1.388Cu-Ga(3)18 1.40
6、0Cu-Ge(4)12 1.360Cu-Sn(4)12 1.276Cu-As(5)9 1.258第7页第8页2.1.3 间隙固熔体：原子半径小于间隙固熔体：原子半径小于0.1nm非非金属元素金属元素(H、N、C、P及及O等等)熔入熔剂金熔入熔剂金属晶体点阵间隙中形成间隙固熔体。属晶体点阵间隙中形成间隙固熔体。间隙间隙固熔体只能是有限固熔体固熔体只能是有限固熔体。2.1.4 有序固熔体：有序固熔体：固熔体有序是否取决于固熔体有序是否取决于同类原子同类原子A-A或异类原子或异类原子A-B间结合能相对间结合能相对大小大小。当同类原子结合能小于异类原子结。当同类原子结合能小于异类原子结合能时，形成部分
7、有序或完全有序固熔体。合能时，形成部分有序或完全有序固熔体。有序固熔体有确定化学成份有序固熔体有确定化学成份，可用化学式，可用化学式表示。表示。第9页第10页第11页Cu-Au合金中，当原子数之比等于合金中，当原子数之比等于1:1或或3:1时可分别形成时可分别形成Cu-Au和和Cu3-Au两种有序固两种有序固熔体，前者铜金原子分层位于熔体，前者铜金原子分层位于(001)面；后面；后者铜原子在晶胞面心，金原子在顶角。者铜原子在晶胞面心，金原子在顶角。当有序固熔体加热到某一临界温度时，将当有序固熔体加热到某一临界温度时，将转变为无序固熔体；而在迟缓冷却到这一转变为无序固熔体；而在迟缓冷却到这一温度
8、时，又可转变为有序固熔体。温度时，又可转变为有序固熔体。这一转变过程称为有序化，临界转变温度这一转变过程称为有序化，临界转变温度称为称为有序化温度有序化温度。第12页2.1.5 固熔体性能：固熔体性能：固熔体硬度和强度固熔体硬度和强度通常通常高于各单一元素，而塑性较低，这种现象高于各单一元素，而塑性较低，这种现象叫叫固熔强化固熔强化。其规律为：。其规律为：1)间隙式原子强化效果高于置换式原子，间隙式原子强化效果高于置换式原子，熔质与熔剂原子尺寸相差越大效果越显著。熔质与熔剂原子尺寸相差越大效果越显著。原因是原因是间隙式原子往往择优分布于位错线间隙式原子往往择优分布于位错线上，形成间隙原子上，形
9、成间隙原子“气团气团”，造成位错钉，造成位错钉扎而强化扎而强化。第13页2)一些含有没有序一些含有没有序-有序转变固熔体，其有序转变固熔体，其有有序态强度高于无序态强度。这种现象叫序态强度高于无序态强度。这种现象叫有有序强化序强化。其原因为：有序态中相邻原子为。其原因为：有序态中相邻原子为异种原子，异种原子，A-B键强于键强于A-A键。键。熔质原子引入还会引发固熔体一些物理性熔质原子引入还会引发固熔体一些物理性能发生改变。如熔质原子增加会引发材料能发生改变。如熔质原子增加会引发材料电阻率升高，且电阻值与温度关系不大。电阻率升高，且电阻值与温度关系不大。Fe-Cr-Al和和Cr-Ni电阻丝皆为固
10、熔体合金。电阻丝皆为固熔体合金。第14页2.2 金属间化合物金属间化合物金属与金属，或金属与类金属之间所形成金属与金属，或金属与类金属之间所形成化合物统称化合物统称金属间化合物金属间化合物。是高合金钢及。是高合金钢及高温合金、功效材料中主要组成相高温合金、功效材料中主要组成相。因为因为金属间化合物常处于相图中中间位置，金属间化合物常处于相图中中间位置，所以也称为所以也称为中间相中间相。其结构与熔剂结构不。其结构与熔剂结构不一样。一样。决定金属间化合物相结构主要原因有电负决定金属间化合物相结构主要原因有电负性、尺寸原因和电子浓度等。性、尺寸原因和电子浓度等。第15页金属间化合物中原子结合具金属间
11、化合物中原子结合具有很大程度金属性有很大程度金属性，故含有金属光泽、导电性和导热性。但其电子云故含有金属光泽、导电性和导热性。但其电子云分布并非完全均匀，存在一定方向性，故具分布并非完全均匀，存在一定方向性，故具有一有一定程度共价键特征定程度共价键特征，造成熔点升高及原子键合方，造成熔点升高及原子键合方向性。金属间化合物化学组成往往在一定化学成向性。金属间化合物化学组成往往在一定化学成份范围内改变，同时往往可固溶入化学性质相近份范围内改变，同时往往可固溶入化学性质相近其它元素。其它元素。金属间化合物可分为金属间化合物可分为结构金属间化合结构金属间化合结构金属间化合结构金属间化合物物物物和和功效
12、金属间化合物功效金属间化合物功效金属间化合物功效金属间化合物，前者主要使用其高温力，前者主要使用其高温力学性能，而后者主要使用其某种特殊物理或化学学性能，而后者主要使用其某种特殊物理或化学性能。性能。金属间化合物分为正常价化合物、电子化合物和金属间化合物分为正常价化合物、电子化合物和间隙化合物三大类。间隙化合物三大类。第16页2.2.1 正常价化合物：符合原子价规则化合正常价化合物：符合原子价规则化合物，在物，在AmBn中，正离子价电子数恰好使负中，正离子价电子数恰好使负离子含有稳定电子层结构：离子含有稳定电子层结构：mec=n(8-eA)(2-2)式中式中ec及及eA分别为非电离态正离子和负
13、离子分别为非电离态正离子和负离子中价电子数。中价电子数。金属元素与周期表中金属元素与周期表中A,A,A组元素形组元素形成正常价化合物成正常价化合物。其稳定性与两组元电负其稳定性与两组元电负性差值大小相关。差值越大越稳定性差值大小相关。差值越大越稳定。第17页正常价化合物分子式只有正常价化合物分子式只有AB，A2B(或或AB2)两种。两种。常见结合类型常见结合类型为氯化钠型，氟化钙为氯化钠型，氟化钙型，闪锌矿型硫锌矿型。型，闪锌矿型硫锌矿型。NaCl结构是经典结构是经典离子结构，每种离离子结构，每种离子沿立方体棱边子沿立方体棱边交替排列，或看成交替排列，或看成是是由两种离子面心由两种离子面心立方
14、结构穿插而成立方结构穿插而成。第18页在在CaF2结构中，结构中，Ca+离子组成面心立方结离子组成面心立方结构，而构，而8个个F-离子位于该面心立方晶胞内离子位于该面心立方晶胞内8个四面体间隙中心。所以晶胞中个四面体间隙中心。所以晶胞中Ca+与与F-离子数离子数比值为比值为4:8，即，即1:2。所谓反所谓反CaF2结构就结构就是两种原子调换是两种原子调换结果。结果。第19页在在ZnS立方结构立方结构(闪锌矿闪锌矿)中，每个原子含有中，每个原子含有4个相邻异类原子，也是由两种原子各自面个相邻异类原子，也是由两种原子各自面锌立锌立方点阵穿插而方点阵穿插而成。若晶胞由成。若晶胞由同类原子组成，同类原
15、子组成，则为金刚石结则为金刚石结构。构。第20页六方六方ZnS(硫锌矿硫锌矿)结构中，每一个原子也含结构中，每一个原子也含有有4个相邻异类个相邻异类原子。两种原子各原子。两种原子各自组成密排六方结自组成密排六方结构，但彼此沿构，但彼此沿c轴方轴方向错开一个距离。向错开一个距离。本图只画了六方晶本图只画了六方晶胞胞1/3。第21页*注意：前面所讲四种正常价化合物都是惯用基本注意：前面所讲四种正常价化合物都是惯用基本结构例子，结构例子，它们本身不一定是金属间化合物它们本身不一定是金属间化合物。以正常价化合物形态存在金属间化合物，其晶体以正常价化合物形态存在金属间化合物，其晶体结构含有这四个例子中某
16、一个基本结构形式。结构含有这四个例子中某一个基本结构形式。如如NaCl型碳化物型碳化物 NaCl type carbide。通常也称。通常也称为立方为立方MC型碳化物型碳化物(如如TiC)，原子排列为，原子排列为NaCl型型面心立方点阵结构碳化物，属于间隙相，面心立方点阵结构碳化物，属于间隙相，C原子原子与金属原子原子比为与金属原子原子比为1：1，C原子与金属原子半原子与金属原子半径比小于径比小于0.59。实际晶体中碳原子往往存在一定。实际晶体中碳原子往往存在一定程度缺位。程度缺位。第22页*纳米碳化钛纳米碳化钛纳米碳化钛纳米碳化钛 TiC namopowder纳米碳化钛纯度高，粒径小，分布均
17、匀，比表面积大，表纳米碳化钛纯度高，粒径小，分布均匀，比表面积大，表面活性高，用于镀膜，制造器件，可提升硬度、熔点及化面活性高，用于镀膜，制造器件，可提升硬度、熔点及化学稳定性等。是一个很好耐熔耐磨材料。另外，纳米碳化学稳定性等。是一个很好耐熔耐磨材料。另外，纳米碳化钛含有良好导电性，可用作熔盐电解电极和电触头等导电钛含有良好导电性，可用作熔盐电解电极和电触头等导电材料。纳米碳化钛替换微米级碳化钛能够降低烧结温度，材料。纳米碳化钛替换微米级碳化钛能够降低烧结温度，提升烧结性能；用纳米碳化钛作为增强相，可有效提升金提升烧结性能；用纳米碳化钛作为增强相，可有效提升金属、陶瓷基体材料力学性能和导电性
18、能。属、陶瓷基体材料力学性能和导电性能。主要用途主要用途:纳米碳化钛主要用于：金属刀具、牙科材料表面涂层，起纳米碳化钛主要用于：金属刀具、牙科材料表面涂层，起到耐磨、耐腐蚀、提升硬度及仿金装饰作用，可替换金刚到耐磨、耐腐蚀、提升硬度及仿金装饰作用，可替换金刚石等昂贵材料。碳化钛也作为添加剂在钢铁工业中有所应石等昂贵材料。碳化钛也作为添加剂在钢铁工业中有所应用。用。第23页2.2.2 电子化合物：电子化合物：由由B族或过渡族金属族或过渡族金属元素与元素与B，A，A族元素形成金属化族元素形成金属化合物合物。不恪守化合价规律，晶格类型随化。不恪守化合价规律，晶格类型随化合物电子浓度而变。合物电子浓度
19、而变。电子浓度为电子浓度为3/2时呈时呈体心立方结构体心立方结构(相相)；电子浓度为电子浓度为21/13时呈时呈复杂立方结构复杂立方结构(相相)；电子浓度为电子浓度为21/12时为时为密排六方结构密排六方结构(相相)；表表2-3列出部分经典电子化合物。列出部分经典电子化合物。第24页电子浓度为电子浓度为3/2相，受原子尺寸、溶质原相，受原子尺寸、溶质原子价和温度等原因影响，还可能展现子价和温度等原因影响，还可能展现复杂复杂立方立方-Mn(相相)结构结构或或密排六方结构密排六方结构(相相)。普通说来，普通说来，B族元素价越高，尺寸原因族元素价越高，尺寸原因(异异类原子半径差类原子半径差)越小，温
20、度越低，越不利于越小，温度越低，越不利于形成形成相，而越利于形成相，而越利于形成相和相和相。相。电子化合物是电子化合物是以化合物为基体以化合物为基体固熔体固熔体。电子化合物中电子化合物中以金属键为主以金属键为主，所以，所以有显著有显著金属特征金属特征。第25页尺寸原因、温度对形成相影响举例尺寸原因、温度对形成相影响举例：1 CuGa低温时为密排六方结构低温时为密排六方结构(相相)，中，中高温时为体心立方结构高温时为体心立方结构(相相)；2|RCu-RGe|RCu-Rsi|，Cu5Ge只有密排六只有密排六方结构方结构(相相)，而，而Cu5Si有体心立方结构有体心立方结构(相相)和复杂立方结构和复
21、杂立方结构(相相)两种。两种。第26页*拓扑密排相拓扑密排相 topological close-packed phase(TCP phase)晶体结构主要取决于原子尺寸原因、原子排列符合拓扑学晶体结构主要取决于原子尺寸原因、原子排列符合拓扑学(只研究图形各部分位置相对次序，而不考虑它们尺寸大只研究图形各部分位置相对次序，而不考虑它们尺寸大小几何学小几何学)规律含有高度密排晶体结构一类金属间化合物，规律含有高度密排晶体结构一类金属间化合物，由两类不一样大小原子所组成，原子配位数均大于或等于由两类不一样大小原子所组成，原子配位数均大于或等于12，最高可达，最高可达16。主要包含。主要包含相、相、
22、Laves 相、相、相、相、相等。相等。相相:phase副族元素以及副族元素以及副族副族Mn元素与元素与、副族元素形成一副族元素形成一类金属间化合物，含有正方晶体结构（类金属间化合物，含有正方晶体结构（c/a0.52），每个），每个晶胞有晶胞有30个原子，不一样原子配位数在个原子，不一样原子配位数在12至至15之间，其之间，其化学组成式普通为化学组成式普通为AB或或AxBy（x、y数值相对较为靠近）。数值相对较为靠近）。普通含有很高硬度，在钢中出现时往往造成显著脆化倾向。普通含有很高硬度，在钢中出现时往往造成显著脆化倾向。第27页*Laves 相相:laves phase 化学组成式为化学组成
23、式为AB2且因为且因为A、B原子半径差异可形成高度密原子半径差异可形成高度密排晶体结构一类金属间化合物排晶体结构一类金属间化合物，A、B原子半径理论比值原子半径理论比值为为1.225，实际比值则在，实际比值则在1.051.68之间，含有三种类型晶之间，含有三种类型晶体结构：体结构：MgCu2型复杂立方点阵；型复杂立方点阵；MgZn2型复杂六方点阵；型复杂六方点阵；MgNi2型复杂六方点阵。每个晶胞均含有型复杂六方点阵。每个晶胞均含有24个原子，其中个原子，其中大原子大原子8个，小原子个，小原子16个，大原子配位数为个，大原子配位数为16，小原子配，小原子配位数为位数为12。有序相有序相:ord
24、ered phase性质介于有序固熔体和化合物之间过渡状态一类金属间化性质介于有序固熔体和化合物之间过渡状态一类金属间化合物。一些在高温下含有短程有序固溶体，当其成份靠近合物。一些在高温下含有短程有序固溶体，当其成份靠近一定原子比（如一定原子比（如AB、AB2、AB3）时，在低于一定临界温）时，在低于一定临界温度下，将转变为长程有序固度下，将转变为长程有序固 熔体，即有序相，也称为超结熔体，即有序相，也称为超结构。主要包含以面心立方结构为基构。主要包含以面心立方结构为基Cu3Au型、型、CuAu型、型、CuPt型有序相，以体心立方结构为基型有序相，以体心立方结构为基CuZn型、型、Fe3Al型
25、型有序相，以密排六方结构为基有序相，以密排六方结构为基Ni3Sn型有序相。型有序相。第28页2.2.3 间隙化合物：间隙化合物：通常由过渡族金属原子通常由过渡族金属原子(M)与与原子半径很小非金属原子原子半径很小非金属原子(X)C、N、B、H等组成，等组成，后者处于化合物晶格间隙中后者处于化合物晶格间隙中。金属原子排列成密排结构（面心立方或六方）或金属原子排列成密排结构（面心立方或六方）或稍有畸变密排结构（复杂密排结构）并稍有畸变密排结构（复杂密排结构）并依然保持依然保持金属键结合金属键结合，非金属元素原子往往存在于其间隙非金属元素原子往往存在于其间隙位置且与金属原子之间存在共价键结合位置且与
26、金属原子之间存在共价键结合。间隙化。间隙化合物形成主要由原子间相互尺寸原因来决定，钢合物形成主要由原子间相互尺寸原因来决定，钢中通常出现碳化物、氮化物、硼化物等均属于间中通常出现碳化物、氮化物、硼化物等均属于间隙化合物。隙化合物。RX/RM0.59且且(RX-RM)/RM15%时，即时，即使两种固熔体结构相同，相互间熔解度也使两种固熔体结构相同，相互间熔解度也是很小。是很小。表表2-4为钢中常见间隙相。为钢中常见间隙相。第31页2.2.3.2 复杂间隙化合物：主要是铬、锰、复杂间隙化合物：主要是铬、锰、铁、钴碳化物以及铁硼化物等。在合金钢铁、钴碳化物以及铁硼化物等。在合金钢中常见有中常见有M3
27、C型型(Fe3C),M7C3型型(Cr7C3),M23C6型型(Cr23C6)和和M6C型型(Fe3W3C)等。在这些化合物中，金属原子常被另一等。在这些化合物中，金属原子常被另一个金属原子取代。个金属原子取代。复杂间隙化合物结构复杂，一个晶胞常包复杂间隙化合物结构复杂，一个晶胞常包含几十到几百个原子。含几十到几百个原子。第32页2.2.4 金属间化合物特征：极高硬度、较高金属间化合物特征：极高硬度、较高熔点，但塑性很差。其原因是化合物中含熔点，但塑性很差。其原因是化合物中含较多离子键和共价键成份。较多离子键和共价键成份。绝大多数工程材料都将金属间化合物作为绝大多数工程材料都将金属间化合物作为
28、第二相来强化合金第二相来强化合金。有色金属惯用正常价化合物和多数电子化有色金属惯用正常价化合物和多数电子化合物来强化，如：青铜合物来强化，如：青铜(铜锡合金铜锡合金)；铝硅；铝硅合金等。合金等。简单间隙化合物惯用于硬质合金及合金钢，简单间隙化合物惯用于硬质合金及合金钢，如：如：WC；TiC；Fe3C等。等。第33页有些金属间化合物含有许多特殊理化性质，有些金属间化合物含有许多特殊理化性质，如电学性质如电学性质(NiCr电阻丝电阻丝)、磁学性质、磁学性质(硅钢硅钢片片)、声学性质、声学性质(GaAs)、电子发射性质、电子发射性质(LaB6)、催化性质、催化性质(V2O5)、化学稳定性、化学稳定性
29、(不不锈钢锈钢)、热稳定性、热稳定性(invar,铁镍合金铁镍合金)和高温和高温强度强度(TiAl)等，其中很多已被用作功效材等，其中很多已被用作功效材料而在开发应用。料而在开发应用。第34页2.3 陶瓷晶体相陶瓷晶体相晶体相是陶瓷基本相，也称主晶相，它决晶体相是陶瓷基本相，也称主晶相，它决定着陶瓷基本理化性能。定着陶瓷基本理化性能。陶瓷以离子晶体和共价晶体为主，其中陶瓷以离子晶体和共价晶体为主，其中氧氧化物结构和硅酸盐结构是最主要两类结构化物结构和硅酸盐结构是最主要两类结构。共同特点为：共同特点为：1 结合键为离子键或共价键。结合键为离子键或共价键。2 能够用准确分子式表示确定成份。能够用准
30、确分子式表示确定成份。3 含有经典非金属性质。含有经典非金属性质。第35页2.3.1 氧化物结构：分为氧化物结构：分为AB型，型，AB2型，型，A2B3型，型，ABO3型和型和AB2O4型五种。型五种。2.3.1.1 AB型型：以：以NaCl结构，闪锌矿结构，闪锌矿blende(立方立方ZnS)结构和硫锌矿结构和硫锌矿(六方六方ZnS)结构为代表。结构为代表。2.3.1.2 AB2型型：以萤石：以萤石fluorite(CaF2)为代为代表，面心立方结构。金红石表，面心立方结构。金红石rutile(TiO2)也也是比较常见一个。体心正方或体心四方结是比较常见一个。体心正方或体心四方结构，构，氧原
31、子填入四面体间隙。氧原子填入四面体间隙。第36页第37页2.3.1.3 A2B3型型：刚玉：刚玉corundum(-Al2O3)是其主要代表，简单六方结构，氧原子组是其主要代表，简单六方结构，氧原子组成密排六方面，成密排六方面，Al3+位于其八面体间隙位于其八面体间隙(图图2-7)。2.3.1.4 ABO3型型：钙钛矿：钙钛矿perovskite(CaTiO3)为其经典代表。简单立方点阵或由为其经典代表。简单立方点阵或由两个简单立方点阵穿插而成，其中一个由两个简单立方点阵穿插而成，其中一个由O2-组成，另一个由组成，另一个由Ca2+组成，较小组成，较小Ti4+位于位于八面体间隙。八面体间隙。第
32、38页第39页2.3.1.5 AB2O4型型：这类化合物中最主要一：这类化合物中最主要一个为尖晶石个为尖晶石spinel(MgAl2O4)结构。面心立结构。面心立方点阵，特点为：方点阵，特点为：1 Mg2+形成金刚石结构；形成金刚石结构；2 在金刚石四面体间隙中有在金刚石四面体间隙中有4个密堆氧原子，个密堆氧原子，也形成四面体，全部氧四面体取向都相同；也形成四面体，全部氧四面体取向都相同；3 中心没有中心没有Mg2+氧四面体四个面上有氧四面体四个面上有Al3+离离子。子。第40页第41页2.3.2 硅酸盐结构硅酸盐结构structure of silicates特特点及分类点及分类硅酸盐结构中
33、起决定作用是硅氧间结合键，硅酸盐结构中起决定作用是硅氧间结合键，它是了解硅酸盐结构基础。它是了解硅酸盐结构基础。2.3.2.1 硅酸盐结构特点：基本硅酸盐结构特点：基本结构单元为结构单元为SiO4四面体，硅原子位于氧原子四面体中四面体，硅原子位于氧原子四面体中间间，硅氧之间距离为，硅氧之间距离为0.160nm，小于硅氧，小于硅氧半径之和半径之和(0.042+0.14=0.182nm)，说明，说明硅硅氧键含有共价键成份氧键含有共价键成份，所以，所以SiO4四面体结四面体结合牢靠且呈合牢靠且呈-1价。价。第42页第43页四面体中每一个氧原子最多只能被两个四面体中每一个氧原子最多只能被两个SiO4四
34、面体共有，此时氧原子最外层电子数四面体共有，此时氧原子最外层电子数为为8，结构最稳定。，结构最稳定。SiO4四面体也能够经过共顶连接形成多重四面体也能够经过共顶连接形成多重四面体配位群，四面体配位群，连接两个四面体氧原子称连接两个四面体氧原子称为为氧桥氧桥。硅酸盐结构中硅离子与氧原子既可形成硅硅酸盐结构中硅离子与氧原子既可形成硅氧四面体，也可形成双重四面体单元：硅氧四面体，也可形成双重四面体单元：硅氧八面体氧八面体(Si2O7)6-。第44页2.3.2.2 硅酸盐结构分类硅酸盐结构分类按硅氧四面体在空间组合情况，将硅酸盐按硅氧四面体在空间组合情况，将硅酸盐分为岛状。链状，层状和骨架状四类。分为
35、岛状。链状，层状和骨架状四类。(1)岛状硅酸盐岛状硅酸盐：含有限硅氧团。：含有限硅氧团。1)含孤立有限硅氧团硅酸盐：硅氧四面体含孤立有限硅氧团硅酸盐：硅氧四面体对外呈对外呈-4价，可与其它正离子键合而到达价，可与其它正离子键合而到达饱和，形成由单个四面体组成稳定结构，饱和，形成由单个四面体组成稳定结构，如：镁橄榄石如：镁橄榄石forsterite(Mg2SiO4),锆石锆石英英(ZrSiO4)等。等。第45页第46页镁橄榔石是镁橄榔石瓷中主晶相，电学性镁橄榔石是镁橄榔石瓷中主晶相，电学性能好，膨胀系数高，抗热冲击性差。因能好，膨胀系数高，抗热冲击性差。因Mg2+与与Fe2+和和Mn2+离子半径
36、相差不大，所以离子半径相差不大，所以可相互置换而形成固熔体。可相互置换而形成固熔体。镁橄榔石中氧离子排列靠近密排六方结构，镁橄榔石中氧离子排列靠近密排六方结构，堆垛次序为堆垛次序为ABABSi4+位于位于HCP四面体间四面体间隙中，隙中，Mg2+位于位于HCP八面体间隙中。每一八面体间隙中。每一个四面体都有一个面平行于个四面体都有一个面平行于(0001)，每一，每一个四面体近邻都对称分布个四面体近邻都对称分布3个镁离子，个镁离子，镁橄镁橄榔石布拉菲点阵为简单正交榔石布拉菲点阵为简单正交。第47页2)含成对有限硅氧团和环状有限硅氧团硅含成对有限硅氧团和环状有限硅氧团硅酸盐：硅氧四面体可孤立存在，
37、也可成对酸盐：硅氧四面体可孤立存在，也可成对连接或连成环状。连接或连成环状。第48页(2)链状硅酸盐链状硅酸盐：由大量硅氧四面体共顶连：由大量硅氧四面体共顶连接而形成一维结构。分单链和双链两类，接而形成一维结构。分单链和双链两类，单链基本结构为一个硅氧四面体；双链结单链基本结构为一个硅氧四面体；双链结构基本单元为四个硅氧四面体，其中构基本单元为四个硅氧四面体，其中Si4+排排成六角形，氧离子数为成六角形，氧离子数为11。分子式为。分子式为Si4O116-。单链结构又能够按一维方向周期性分成单链结构又能够按一维方向周期性分成1节节链，链，2节链，节链，3节链，节链，4节链，节链，5节链和节链和7
38、节链。节链。第49页第50页第51页第52页有限硅氧团和链状硅酸盐矿举例：有限硅氧团和链状硅酸盐矿举例：镁橄榄石：镁橄榄石：Mg2SiO4 单一四面体单一四面体硅钙石：硅钙石：Ca3Si2O7 成对四面体成对四面体绿柱石绿柱石davidsonite：Be3Al2Si6O18 六节单环六节单环顽火辉石顽火辉石protobastite：Mg2Si2O6 链状硅酸盐链状硅酸盐硅辉石硅辉石bustamite：Ca3Si3O9 链状硅酸盐链状硅酸盐蓝晶石蓝晶石kyanite：Al2O/SiO4链状硅酸盐链状硅酸盐3:2莫莱石：莫莱石：AlAl1.25Si0.75O4.875链状硅酸盐链状硅酸盐2:1莫莱
39、石：莫莱石：AlAl1.4Si0.6O4.8链状硅酸盐链状硅酸盐第53页(3)层状硅酸盐层状硅酸盐：由大量底面在同一平面硅：由大量底面在同一平面硅氧四面体经过在该平面上共顶连接而形成氧四面体经过在该平面上共顶连接而形成含有六角对称二维结构。这种结构基元分含有六角对称二维结构。这种结构基元分子式为子式为Si4O104-，所以一个层面可表示为，所以一个层面可表示为Si4O10n4n-1。基元尺寸为基元尺寸为a=0.520nm,b=0.90nm，此值，此值也是大多数层状硅酸盐点阵常数范围。也是大多数层状硅酸盐点阵常数范围。第54页第55页层状硅酸盐举例：层状硅酸盐举例：高岭土：高岭土：Al2(OH)
40、4/Si2O5叙永石：叙永石：Al2(OH)4/Si2O5nH2O滑石：滑石：Mg3(OH)2/Si4O10白云母：白云母：KAl2(OH)2/AlSi3O10第56页(4)骨架状硅酸盐骨架状硅酸盐：也称网络状硅酸盐，由：也称网络状硅酸盐，由硅氧四面体在空间形成三维网络结构。硅氧四面体在空间形成三维网络结构。硅石硅石(SiO2)为其主要代表，有三种同素异构为其主要代表，有三种同素异构体：体：石英石英 870C 鳞石英鳞石英 1470C 方石英方石英 熔体熔体在方石英中，硅氧四面在方石英中，硅氧四面体体Si4+组成金刚石结组成金刚石结构，而硅氧四面体经过构，而硅氧四面体经过氧离子彼此相接，形成氧
41、离子彼此相接，形成空间网格空间网格(或骨架或骨架)。第57页熔融硅石经过快冷可得到石英玻璃，它硬熔融硅石经过快冷可得到石英玻璃，它硬度高，热膨胀系数小，黏度高，惯用于制度高，热膨胀系数小，黏度高，惯用于制造耐高温试验容器。假如再加入其它氧化造耐高温试验容器。假如再加入其它氧化物，则得到通常使用玻璃。物，则得到通常使用玻璃。如：如：普通玻璃加硅，钠普通玻璃加硅，钠(钾钾)，钙，镁；，钙，镁；玻璃纤维加硼等。玻璃纤维加硼等。第58页表表2-7 普通工业玻璃类型和特点普通工业玻璃类型和特点 主要组元质量分数主要组元质量分数/10-2用途用途 SiO2 Na2O CaO Al2O3 B2O3 MgO
42、特点特点窗窗 72 14 10 1 2 长寿命长寿命建筑板材建筑板材 73 13 13 1 长寿命长寿命容器容器 74 15 5 1 4 易加工易加工,耐蚀耐蚀灯泡灯泡 74 16 5 1 2 易加工易加工纤维纤维 54 16 14 10 4 柔软柔软耐热玻璃耐热玻璃 81 4 2 12 热稳定热稳定石英玻璃石英玻璃 99 热张率热张率极低极低第59页*例题例题2.3.1 石英石英(SiO2)密度为密度为2.65Mg/m3.(1)1m3中有多少中有多少Si原子与原子与O原子原子?(2)当当Si与与O半径分半径分别为别为0.038nm与与0.114nm时时,其堆积密度其堆积密度堆积密度堆积密度为
43、多少为多少?解解:(1)1m3中含中含SiO2(即即Si):nSi=2.65106/(28.1+216)/(6.021023)=2.6451028个个,于是于是:nO=2nSi=5.291028个个(2)假设原子为球形假设原子为球形,则则1m3中中:VSi=(2.6451028)4(0.03810-9)3/3=0.006m3VO=(5.291028)4(0.11410-9)3/3=0.328m3故故:堆积密度堆积密度=VSi+VO=0.334 第60页2.4 玻璃相：玻璃相：从液态凝固下来，显微结构与从液态凝固下来，显微结构与液态相同液态相同(非晶态非晶态)固体固体。形成玻璃相条件形成玻璃相条
44、件是：是：1 熔体黏度高，熔体黏度高，2 冷却速度快。冷却速度快。熔体黏度大，则流体层间内摩擦力大，降熔体黏度大，则流体层间内摩擦力大，降温固化时原子迁移困难，难以形成晶体；温固化时原子迁移困难，难以形成晶体；冷却速度很快冷却速度很快(1051010K/s)时，有些平时时，有些平时极难形成非晶态结构物质也会玻璃化。如极难形成非晶态结构物质也会玻璃化。如铁基非晶磁性材料。铁基非晶磁性材料。非晶态合金也称为金属玻璃。非晶态合金也称为金属玻璃。第61页第62页关于玻璃态学说有各种。关于玻璃态学说有各种。无规网络学说无规网络学说认认为：为：玻璃态与晶态结构是相同玻璃态与晶态结构是相同，都是由离，都是由
45、离子多面体子多面体(基元基元)组成空间网格。在晶态结组成空间网格。在晶态结构中，空间网格呈规律性排列，但在玻璃构中，空间网格呈规律性排列，但在玻璃态空间网格中，多面体排列无规律。态空间网格中，多面体排列无规律。第63页第64页2.5 分子相分子相指以分子为结构基元一个聚集状态。指以分子为结构基元一个聚集状态。高分子高分子是相对分子质量尤其大是相对分子质量尤其大(5000)有机有机化合物总称，也叫聚合物或高聚物化合物总称，也叫聚合物或高聚物。以分子结构差异可分为线形聚合物和网型以分子结构差异可分为线形聚合物和网型聚合物；以受热行为差异可分为聚合物；以受热行为差异可分为热塑性聚热塑性聚合物合物和和
46、热固性聚合物热固性聚合物。第65页2.5.1 大分子及其组成大分子及其组成2.5.1.1 巨大分子及相对分子质量：巨大分子及相对分子质量：相对分相对分子质量大于子质量大于5000称为称为高分子高分子。它是由一个。它是由一个或几个简单低分子物质重复连接而成长链或几个简单低分子物质重复连接而成长链状物质，长度可达几百微米以上，故常称状物质，长度可达几百微米以上，故常称为分子链。其中结构相同为分子链。其中结构相同基本单元叫基本单元叫链节链节。链节结构和成份代表高分子化合物结构和链节结构和成份代表高分子化合物结构和成份。成份。第66页第67页第68页一个大分子链所含链节数称为一个大分子链所含链节数称为
47、聚合度聚合度。所。所以一个大分子相对分子质量以一个大分子相对分子质量M应该是其链节应该是其链节相对分子质量相对分子质量m乘以聚合度乘以聚合度n:M=nm高分子化合物中每一个大分子链节数并不高分子化合物中每一个大分子链节数并不完全相同，因而相对分子质量数不等，普完全相同，因而相对分子质量数不等，普通用平均相对分子质量来表示。通用平均相对分子质量来表示。高分子化合物性能及稳定性随分子大小不高分子化合物性能及稳定性随分子大小不一样而改变。一样而改变。第69页第70页2.5.1.2 高分子合成高分子合成高分子由单体聚合而成，其过程称为高分高分子由单体聚合而成，其过程称为高分子合成；其反应称为聚合反应，
48、分加聚反子合成；其反应称为聚合反应，分加聚反应和缩聚反应两种。应和缩聚反应两种。(1)加聚反应加聚反应：将一个或各种单体加成聚合：将一个或各种单体加成聚合成高分子，成高分子，没有副产物没有副产物，聚合物与单体成，聚合物与单体成份相同。份相同。加聚反应前提是单体有不饱和键加聚反应前提是单体有不饱和键。方便在。方便在外部条件作用下形成多个新单键，使单体外部条件作用下形成多个新单键，使单体经过单键逐一连接而成为聚合物。经过单键逐一连接而成为聚合物。第71页乙烯单体乙烯单体CH2=CH2在在101.3MPa，200C条条件下打开双键，进行加聚反应，生成聚乙件下打开双键，进行加聚反应，生成聚乙烯烯:nC
49、H2=CH2 加聚加聚 CH2-CH2n反应单体只有一个时叫反应单体只有一个时叫均加聚均加聚反应反应，简称，简称均聚均聚，产物叫均聚物；，产物叫均聚物；反应单体是两种及反应单体是两种及以上时称为以上时称为共加聚共加聚反应反应，简称，简称共聚共聚，产物，产物叫共聚物。叫共聚物。第72页(2)缩聚反应缩聚反应：将一个或各种单体经过反应：将一个或各种单体经过反应生成聚合物，生成聚合物，同时排出一些低分子同时排出一些低分子(水，氨，水，氨，醇，卤化氢等醇，卤化氢等)反应。生成物叫缩聚物，成反应。生成物叫缩聚物，成份与单体不一样。份与单体不一样。缩聚反应单体应是多基团低分子化合物缩聚反应单体应是多基团低
50、分子化合物，其反应基团普通为官能团其反应基团普通为官能团(-OH,-NO2,-NH2,-CHO,-COOH,C=O等等)，或者是离子，游离基，络合基团等。或者是离子，游离基，络合基团等。缩聚分均缩聚和共缩聚两种。缩聚分均缩聚和共缩聚两种。第73页均缩聚均缩聚是两种以上相同或不一样反应基团是两种以上相同或不一样反应基团同一个单体缩聚同一个单体缩聚，其产物叫均缩聚物。如，其产物叫均缩聚物。如尼龙尼龙6由氨基已酸或已内酰胺经缩聚反应生由氨基已酸或已内酰胺经缩聚反应生成：成：nNH2(CH2)5COOH 均缩聚均缩聚 H NH(CH2)5CO nOH+(n-1)H2O第74页共缩聚共缩聚是两种以上含不