1.9 陶瓷材料的晶体相结构

Cl-
2020/1/15
刘志勇 14949732@qq.com
10
吉 首 大 学 物 理 与 机 电 工 程 学 院 JiShou University
AmXp型离子键结合的陶瓷晶体结构
• 并非所有的二元化合物都有相等的A原子和X原子 （离子）
• 如氟化钙（CaF2）型结构AX2的ZrO2及UO2， ThO2，CeO2以及Al2O3结构的Al2O3及Cr2O3，αFe2O3，Ti2O3，V2O3。CaF2型结构中A原子具有 面心立方点阵，X原子占据4个A原子之间的间隙 位置，相邻的X原子并不接触
2020/1/15
刘志勇 14949732@qq.com
11
吉 首 大 学 物 理 与 机 电 工 程 学 院 JiShou University
离子键结合的陶瓷晶体结构
如Al2O 3及Cr2O3，α-Fe2O3，Ti2O3，V2O3的结构 • Al2O3又称刚玉，工业中运用广泛，如刀具，火花塞、金刚砂磨轮，耐
1.16.1 离子键结合的陶瓷晶体结构
• 离子键结合的陶瓷晶体中，两种异号离子半径比值决定了 配位数，配位数直接影响晶体结构，如表所示
配位数 2 3 4 6 8
表 间隙 线性 三角形 四面体间隙 四面体间隙 立方体间隙
结构的配位数 半径比 0~0.15 0.155~0.225 0.225~0.414 0.414~0.732 0.732~1.00
原子作为第一邻居。所以A和X原子或离子是高度有序的 • 形成AX化合物时，使两种原子数目相等而且具有如上所
述的有序配位的三种方法（原型）
CN=8的CsCl型 CN=6的NaCl型 CN=4的ZnS型
2020/1/15
刘志勇 14949732@qq.com
8
吉 首 大 学 物 理 与 机 电 工 程 学 院 JiShou University
AX型离子键结合陶瓷晶体结构
CsCl具有简单立方的原子排列 NaCl、ZnS具有面心立方的排列
NaCl可以看成由两个面心立方点阵 穿插而成的超点阵，将Na+和Cl－ 看成一个集合体，即一个结点， 此结构则为FCC结构，单胞离子 数为4个Na+和4个Cl－
CsCl（NaCl、ZnS）的原子排列
2020/1/15
子，而形成阳离子Mg2+和阴离子O2－
• 可以是共价型的，价电子在很大程度上是共用的 ZnS是这类化合物的一个例子
2020/1/15
刘志勇 பைடு நூலகம்4949732@qq.com
7
吉 首 大 学 物 理 与 机 电 工 程 学 院 JiShou University
AX型离子键结合陶瓷晶体
• AX化合物的特征 • A原子只被做为直接邻居的X原子所配位，X原子也只有A
陶瓷的键合方式决定着陶瓷的力学、物理、 化学性能，陶瓷比相应的金属或聚合物更 硬，对变形具有更大的抗力，而往往缺乏 塑性
某些陶瓷的介电性、半导体性和磁学特性对 设计或利用电子线路器件特别有用
2020/1/15
刘志勇 14949732@qq.com
4
吉 首 大 学 物 理 与 机 电 工 程 学 院 JiShou University
2020/1/15
刘志勇 14949732@qq.com
6
吉 首 大 学 物 理 与 机 电 工 程 学 院 JiShou University
AX型离子键结合陶瓷晶体结构
最简单的陶瓷化合物具有数量相等的金属原子和非金属原子 • 可以是离子型化合物 • 如MgO，其中两个电子从金属原子转移到非金属原
陶瓷的晶体结构分类
• 离化子物键结合的陶瓷：MgO，ZrO2，CaO，Al2O3 等金属氧 • 共价键结合陶瓷：SiC，Si3N4，纯SiO2高温相
2020/1/15
刘志勇 14949732@qq.com
3
吉 首 大 学 物 理 与 机 电 工 程 学 院 JiShou University
陶瓷材料
刘志勇 14949732@qq.com
9
吉 首 大 学 物 理 与 机 电 工 程 学 院 JiShou University
离子键结合的陶瓷晶体结构---NaCl型
NaCl可以看成由两个面心立方点阵穿插而成的超点阵
将Na+和Cl-看成一个集合
体，即一个结点，此结构
Na+
则为FCC结构，单胞离子
数为4个Na+和4个Cl-
2020/1/15
刘志勇 14949732@qq.com
2
吉 首 大 学 物 理 与 机 电 工 程 学 院 JiShou University
陶瓷的晶体结构
陶瓷的晶体结构特征 • 晶体结构复杂，原子排列不紧密 • 配位数低 • 没有大量自由电子
• 晶体相是陶瓷基本相，决定陶瓷的力学、物理、化学性能
吉 首 大 学 物 理 与 机 电 工 程 学 院 JiShou University
陶瓷材料的晶体相结构
• 陶瓷材料是金属元素和非金属元素的化合 而成的物相，如Al2O3，无机玻璃、粘土制 品，Pb（Zr、Ti）O3压电材料等，金属氧 化物是最常见的，有几百种化合物
陶瓷化合物在热和化学环境中比它的组元更 为稳定；如作为化合物的Al2O3就比单独的Al 和O更为稳定
酸泵和印刷线路的衬底的以及排气系统中催化剂支架的高温材料 Al2O3结构中O2－离子具有密排六方的结构，O2－位于密排六方的结点上， 为保持电荷平衡，三分之二的八面体间隙被Al3+离子占据 O2―与相邻的Al3+离子的原子间距很短，只有0.191nm，相互作用的键能 很高，因此熔点大于2000℃，硬度较高（莫氏硬度为9），能够抵抗大多 数的化学试剂腐蚀 Al2O3的低导电性和较高的热导率的结合使它能够用于各种电的用途中
2020/1/15
刘志勇 14949732@qq.com
5
吉 首 大 学 物 理 与 机 电 工 程 学 院 JiShou University
离子键结合的陶瓷晶体结构
离子化合物结构与正常价化合物基本相同 结合键主要为离子键 有一定比例的共价键 有确定的成分，可用准确分子式表示
• 1.AX型陶瓷晶体 • 2.AmXp型陶瓷晶体 • 3.复杂化合物： a）AmBnXp型结构； b）固溶体 • 4.硅酸盐
2020/1/15
刘志勇 14949732@qq.com
1
吉 首 大 学 物 理 与 机 电 工 程 学 院 JiShou University
陶瓷材料的晶体相结构
• 比它们的相应组元包含更为复杂的原子配 位，陶瓷的晶体中没有大量自由电子，电 子通过共价键与相邻原子共有，或通过电 子转移而形成离子键,形成以离子键为主的 离子晶体（MgO，Al2O3）或共价键为主的 共价晶体（SiC，Si3N4）