第四节 无机非金属材料的结构

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绪论

第一章第一章 工程材料的分工程材料的分类类及性能 第二章第二章 材料的材料的结结构 第三章第三章 材料制材料制备备的基本知的基本知识识 第四章第四章 二元相二元相图图及应用 第五章第五章 材料的材料的变变形 第六章第六章 钢的热处热处理理 第七章第七章 工业用钢 第八章第八章 铸铁 第九章第九章 有色金有色金属属及其合金 第十章第十章 常用非金常用非金属属材料 第十一章第十一章 工程材料的工程材料的选选用 第四节 无机非金属材料的结构

一、陶瓷材料的结构特点

对工程师来说，陶瓷包括种类繁多的物质，例如玻璃、砖、石头、混凝土、磨料、搪瓷、介

磁性材料、高温耐火材料和许多其它材料。所有这些材料的共同特征是：它们是金属和非金

合物由离子键和共价键结合在一起。陶瓷材料的显微组织由晶体相、玻璃相和气相组成，而且很大，分布也不够均匀。

与金属相比，陶瓷相的晶体结构比较复杂。由于这种复杂性以及其原子结合键强度较大，所以

例如，正常冷却速率的玻璃没有充分时间使其重排为复杂的晶体结构，所以它在室温下可长

二、陶瓷晶体

1． AX型陶瓷晶体

AX型陶瓷晶体是最简单的陶瓷化合物，它们具有数量相等的金属原子和非金属原子。它们可以

如MgO，其中两个电子从金属原子转移到非金属原子，而形成阳离子（Mg3+）和阴离子（O2－）是共价型，价电子在很大程度上是共用的。硫化锌（ZnS）是这类化合物的一个例子。

AX化合物的特征是：A原子只被作为直接邻居的X原子所配位，且X原子也只有A原子作为第一或离子是高度有序的，在形成AX 化合物时，有三种主要的方法能使两种原子数目相等，且有如

位。属于这类结构的有：

（1）CsCl型

这种化合物的结构见图2-25。A原子（或离子）位于8个X原子的中心，X原子（或离子）也处但应该注意的是，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

子晶格相对平移a/2，到达彼此的中心位置而形成。 重庆大学精品课程－工程材料

图2-25 CsCl型陶瓷的结构

（2）NaCl型

NaCl型的结构是：阴离子为面心立方点阵；而阳离子位于其晶胞和棱边的中心。其原子排列情

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图2-26 NaCl型陶瓷的结构

（3）ZnS（闪锌矿型）和非立方型

这类结构原子排列比较复杂，形成的陶瓷材料很硬很脆。属于闪锌矿型结构的陶瓷材料有ZnS 非立方型结构的陶瓷材料有FeS、MnTe、ZnO、NiAs等。

2． AmXp型陶瓷晶体

（1）萤石（CaF2）型结构与逆萤石型结构

这类结构中金属原子具有面心立方点阵，非金属原子占据所有的四面体间隙位置。萤石结构PrO2、U O2、ZrO2、NpO2、P u O2、AmO2等。它们的特点是金属离子半径大于氧离子半径，所以金或密排六方结构，而小的氧离子则填充间隙。

（2）刚玉（Al2O3）结构

这种结构的氧离子具有密排六方的排列，阳离子占据八面体间隙的三分之二。具有这种结构Fe2O3、Cr2O3、Ti2O3、V2O3、G a2O3、Rh2O3等。

三、硅酸盐化合物

许多陶瓷材料都包含硅酸盐，一方面是因为硅酸盐丰富和便宜，另一方面则是因为它们具有在独特性能。

1． 硅酸盐四面体单元

硅酸盐的基本结构单元为 (SiO4)4－ 四面体，如图2-27所示。其中，四面体的顶角上有四个间隙位置上有一个Si4+。将四面体连接在一起的力包含离子键和共价键；因此，四面体的结

论是离子键或共价键机制，每个四面体的氧原子外层只有7个电子而不是8个。

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图2-27硅氧四面体结构

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

其单元体(SiO4)4－互相独立，不发生相互连接，化学组成一般可以表示为2R O·SiO2。其中MgO、CaO、FeO等，但表达式中以氧为基准（即取氧为1，若为Al2O3，则应写成Al2/3O）。具有石和石榴石等。

（2）复合状硅酸盐

由两个(SiO4)4－单元体连接在一起，形成(Si2O7)6－离子，其化学组成为3R O·2SiO2。属于石、Ca2MgSi2O7等。

（3）球状和链状硅酸盐

它是在n个 (SiO3)2－ 即(SiO3)n2n－ 中，四面体的两个顶点分别相互共有，形成各种球状酸盐结构的化学组成可以表示为R O·SiO2。具有这类结构的硅酸盐有顽火辉石Mg2(Si2O6)、

角闪石(O H)2Ca2Mg5(Si4O11)2等。

（4）层状硅酸盐

此类结构中，四面体具有三个共有顶点，构成了二维网络的层状结构。化学组成可以表示为矿物具有这种结构。

（5）立体网络状硅酸盐

若硅氧四面体中的四个顶点均共有，则形成立体网络结构，具有这类结构的硅酸盐有石英、L iAlSi2O5等。

四、玻璃相

玻璃是非晶态材料，由熔融的液体凝固获得，其比容随温度的变化与晶体不同。试验表明，体时，在结晶温度Tm比容急剧降低，这表明结构发生了质的变化；但当形成非晶态玻璃时，近比容变化率虽发生了变化，但并不出现比容随温度降低而急剧降低的现象。材料能否形成玻料凝固点的粘度和冷却速度有关。SiO2等氧化物的粘度很高，所以容易形成玻璃。

五、气相

气体是烧结的陶瓷坯体中常见的组分。陶瓷中的气孔有开放气孔和封闭气孔两种。陶瓷材料的对体积（气孔率）来表示，它是衡量陶瓷材料质量的重要标志。开放气孔和封闭气孔在材料中真气孔率；开放气孔的相对体积称为显气孔率。气孔使陶瓷的强度降低，电性能变坏。

（本章完）

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