实验讲义——无机材料科学基础部分

实验一、晶体结构分析（一）一、实验目的掌握14种空间格子的几何特征与球体密堆积理论，了解配位多面体的配置。

二、实验内容1．了解14种空间格子的几何形态，分析空间格子类型；2．熟悉密堆积理论，注意观察球体堆积时，周围空隙的类型、位置与数量情况；3．了解几种配位多面体的配置情况。

三、实验方法1．观察14种空间格子模型表征14种空间格子，用晶格常数α、β、γ和a、b、c；并判断其所属晶系。

2．观察球体密堆积模型用球体模型进行面心立方紧密堆积、六方紧密堆积和体心立方近似密堆积，分析球体周围空隙的类型、数目和位置分布。

观察分析面心立方紧密堆积、六方紧密堆积和体心立方近似密堆积的单位晶胞，注意其四、八面体空隙分布，判断其数量。

3．观察配位多面体模型模型四、实验报告1．绘制14种空间格子的几何形态，并用注明晶格常数的形式表示出所有14种空间格子；2．分析三种常见的球体堆积情况，绘制出其单位晶胞，画出其（111）、（110）（100）晶面原子排布图[ 密排六方需画出（0001）晶面 ]；3．分析体心立方与面心立方单位晶胞中四、八面体空隙的位置分布与数量，并绘图；4．对不同配位多面体绘图，讨论其临界半径比。

（注：在预习报告中要将14种空间格子的几何图形画好）实验一、晶体结构分析（二）一、实验目的掌握几种典型矿物的结构，了解晶胞的几何特征。

二、实验内容1．对照实际具体结构模型，熟悉金刚石、石墨、氯化钠、氯化铯、闪锌矿、纤锌矿、金红石、碘化镉、萤石、钙钛矿、尖晶石的晶体结构特征；2．观察层状和架状硅酸盐矿物的晶体结构模型的特点，注意观察高岭土、方石英的结构；3．标定萤石模型中所有质点的几何位置；4．组装一个晶体结构模型。

三、实验方法1．分析晶胞模型金刚石、石墨、氯化钠、氯化铯、闪锌矿、纤锌矿、金红石、碘化镉、萤石、钙钛矿、尖晶石均为一个单位晶胞，通过一个单位晶胞，分析晶胞所属空间格子类型及正负离子或原子所处的空间位置，对照模型，分析正负离子的配位数。

根据正负离子的分布，判断离子晶体中正离子所处的位置是四面体空隙还是八面体空隙。

2．观察硅酸盐结构模型在分析层状和架状硅酸盐矿物模型时，注意硅氧四面体的分布状态，注意公共氧及非公共氧的位置关系。

3．质点位置的标定首先，在所研究的晶胞的左后下方，设立坐标原点；然后计算晶胞中每一个占位质点的坐标（x、y、z），标定出所有占位质点的坐标。

4．组装模型用不同颜色的球体，代表不同种占位质点，组装成一个简单的晶体结构模型。

四、实验报告1．五个晶体结构的分析结果，绘制其单位晶胞投影图；2．萤石晶体结构模型中质点的位置标定；3．层状和架状硅酸盐晶体结构的分析结果；4．一个自己组装的晶体结构的说明及介绍、并绘图。

（注：在预习报告中将各晶胞图形画好）实验二泥浆性能的测定一、实验目的1．了解泥浆的稀释原理，如何选择稀释剂并确定其用量；2．掌握泥浆性能的测试方法及控制方法。

二、实验原理泥浆是陶瓷原料在水中的一种悬浮体。

在陶瓷材料的生产中，泥浆粘度与厚化度是否恰当，将影响球磨输送、储存、榨泥和上釉等生产工艺，特别是注浆成型时，将直接影响浇注制品的质量。

如何调节和控制泥浆的流动度和厚化度，对于满足生产需要，提高产品质量和生产效率，具有重要意义。

泥浆和釉浆在外力作用下产生流动时因存在着内部摩擦，使平行的浆层流动速度有差异，称这种特性为粘滞度，即粘度或称内摩擦系数。

粘度的倒数即为流动度。

泥浆的流动性能可用流动度、相对粘度和绝对粘度来表征。

工艺上泥浆的流动度是以一定体积的泥浆静置一定时间后从一定的流出孔流出的时间来表示。

粘度愈大，流动度愈小，即流动性愈差，反之则相反。

相对粘度即泥浆与水在同一温度下，流出同体积所需时间之比，可用涂-4粘度计测定泥浆的相对粘度。

泥浆的绝对粘度可以反应泥浆的真实粘度，用旋转粘度计测定。

旋转粘度计是靠一个微型的同步电机通过转轴带动转筒旋转，当转筒在被测液体中旋转时受到粘滞阻力作用而产生反作用力使电动机壳体偏转，电动机壳体与两根一正一反安装的金属游丝相连，壳体的转动使游丝产生扭矩。

当游丝的力矩与粘滞阻力矩达到平衡时，与电动机壳体相联接的指针便在刻度盘上指出某一数值，此数值与转筒所受粘滞阻力成正比，绝对粘度就以刻度读数乘上转筒因子来表示。

浆体在剪切速率不变的条件下，剪切应力随时间减少的性能称为触变性，陶瓷工艺学上以溶胶和凝胶的恒温可逆变化或震动之则获得流动性，静置之则重新稠化的现象表征触变性或稠化性。

触变性以稠化度或厚化度表示，等于泥浆在粘度计中静置30min后的流出时间对静置30s后的流出时间之比值。

本实验主要测量泥浆的绝对粘度与厚化度。

泥浆的流动度与厚化度，取决于泥料的配方组成，即所用粘土原料的矿物组成与性质，泥浆的颗粒分散和配制方法、水分含量和温度及使用电解质的种类。

实践证明，电解质对泥浆流动性等性能的影响是很大的，即使在含水量较少的泥浆内加入适量电解质后，也能得到像含水量多时或更大的流动度。

因此，调节和控制泥浆流动度和厚化度的常用方法是选择适宜的电解质，并确定其加入量。

在粘土水系统中，粘土粒子带负电，因而粘土粒子在水中能吸附阳离子形成胶团。

一般天然粘土粒子上吸附着各种盐的Ca2＋、Mg2＋、Fe3＋、Al3＋阳离子，其中以Ca2＋为最多。

在粘土系统中，粘土粒子还大量吸附H＋。

在未加电解质时，由于H＋离子半径小，电荷密度大，与带负电的粘土粒子作用力大，易进入胶团吸附层，中和粘土粒子的大部分电荷，使相邻粒子间的同性电荷减少，斥力减小，以至于粘土粒子易于粘附凝聚，而使流动性变差。

Ca2＋以及其他高价离子等，由于其电价高（与一价阳离子相比）与粘土粒子间的静电引力大，易进入胶团吸附层，因而产生与上述一样的结果，使流动性变差。

如果加入电解质，这种电解质的阳离子离解程度大，且所带的水膜较厚，而与粘土粒子间的作用不很大，大部分仅进入胶团的扩散层，使扩散加厚，电动电位增大，粘土粒子间排斥力增大，故增加泥浆的流动性。

泥浆的最大稀释度（最低粘度）与其电动电位的最大值相适应。

若加入过量的电解质，泥浆中这种电解质的阳离子浓度过高，含有较多的阳离子进入胶团的吸附层，中和粘土胶团的负电荷，从而使扩散层变薄，电动电位下降，粘土胶粒不易移动，使泥浆粘度增加，流动性下降，所以电解质的加入量应有一定的范围。

阴离子对稀释作用也有影响。

1．用于稀释泥浆的电解质必须具备三个条件：（1）具有水化能力强的一价阳离子，如Na＋等；（2）能直接离解或水解而提供足够的OH－，使分散系统呈碱性；（3）能与粘土中有害离子发生交换反应，生成难溶的盐类或稳定的络合物。

2．生产中常用的稀释剂可分为三类（1）无机电解质，如水玻璃、碳酸钠、六偏磷酸钠(NaPO4)6、焦磷酸钠(Na4P2O7·10H2O)等，电解质的用量一般为干坯料重量的0.3％～0.5％。

（2）能生成保护胶体的有机酸盐类，如腐植酸钠、单宁酸钠、柠檬酸钠，松香皂等，用量一般为0.2％～0.6％。

（3）聚合电解质，如聚丙烯酸盐、羧甲基纤维素、木质素磺酸盐、阿拉伯树胶。

稀释泥浆的电解质，可单独使用或几种混合使用，其加入量必须适当。

若过少则稀释作用不完全，过多反而引起凝聚。

适当的电解质加入量与合适的电解质种类，对于不同粘土必须通过实验来确定。

一般电解质加入量控制在不大于0.5％（对于干料而言）的范围内。

采用复合电解质时，还需注意加入顺序对稀释效果的影响，当采用Na2CO3与水玻璃或Na2CO3和单宁酸钠复合时，都应先加入Na2CO3，后加水玻璃或单宁酸钠。

在选择电解质，并确定各电解质的最适宜用量时，一般是将电解质加入粘土泥浆中，并测该泥浆的流动度。

对泥浆胶体，流动度用相对粘度来表示，即测定泥浆与水在同一温度下，流出同一体积所需流出的时间之比来表示。

三、仪器设备涂-4粘度计、NDJ-79型旋转粘度计、分析天平、普通天平、电动搅拌机、滴定管、秒表、量筒、泥浆杯、玻璃棒、铁架。

四、实验步骤1．配制电解质标准溶液：配制浓度为5％或10％的Na2CO3、水玻璃（Na2SiO3）和腐植酸钠等不同电解质的标准溶液。

电解质应在使用时配制。

尤其是水玻璃极易吸收空气中CO2而降低稀释效果；Na2CO3也必须保存在干燥的地方，以免在空气中变成NaHCO3，而使泥浆凝聚。

2．粘土试样须经磨细、风干、过100目筛。

3．泥浆需水量的测定：称200.0～250.0g粘土试样（准确至0.1），用滴定管加入蒸馏水，充分拌和至泥浆开始呈流动性为止，记录加水量V0（准确至0.1ml）。

不同粘土的需水量波动于30％～70％之间。

4．电解质用量初步实验：在呈微动的泥浆中，以滴定管仔细将配好的电解质溶液滴入，并不断拌和，记下泥浆呈明显稀释时电解质的加入量。

5．选择电解质用量：在编好号的5只泥浆杯中，各称取泥样200.0～250.0g（准确至0.1g）。

各加一定水量调至微微流动。

根据初步石英所加电解质的量，选择电解质加入量的范围，其间隔为一定（可由大至小，0.1～0.5ml）。

5只泥浆杯中加入的电解质溶液量不同，但杯中总液体体积相等。

调和后，用小型电动搅拌机搅动5～10min，用粘度计测定流动度，所选择电解质浓度范围应包括使泥浆获得最大稀释的合适用量。

6．相对粘度的测定：将粘度计清洗干净，置于平台上，调节水平，把烧杯放在粘度计下面的中央。

堵住粘度计的流出口，将制备好的试样搅拌均匀（可用小型搅拌机搅拌5min），倒入粘度计容器中，静置30s，打开开关同时启动秒表，当泥浆断流时，立即关秒表，记下时间，重复三次，取平均值。

按上述步骤测定相同条件下，流出100ml蒸馏水所需的时间。

7．绝对粘度的测定：调整好仪器至水平位置，选择适宜的转子装上旋转粘度计，将搅拌好的泥浆装入测试仪器内，开启电机开关待指针稳定后读数，所得数值乘以转子的因子即为绝对粘度值（单位为mPaS）。

当指针所指数值低于10格时，调换大一号的转子。

8．确定最适宜电解质：用上述方法测定其他电解质对该粘土的稀释作用，比较泥浆获得最大稀释时的相对粘度，电解质的用量及泥浆获得一定流动度的最低含水量。

9．厚化度的测定：将稀释好的泥浆倒入涂-4粘度计中，测定静置30s和30min中后流出100ml泥浆所需时间的比值。

五、实验记录与数据处理1．实验记录（1）相对粘度：记录泥浆与水在同一温度下流出同一体积所需的时间，于表1-1。

表1-1相对粘度测定记录表（2）绝对粘度表1-2 绝对粘度测定记录表（3）厚化度2．数据处理（1）相对粘度的计算：水相对粘度＝t ts 30式中：t30s——泥浆静止30s后，从粘度计中流出100ml所需的时间，s；t水——水从粘度计中流出100ml所需的时间，s。

（2）根据泥浆相对粘度与电解质加入量（以毫克当量数/100g的干粘土为单位）的关系绘成曲线，再根据转折点判断最适宜电解质加入量。