无机非金属材料的组成、结构
无机非金属材料 课件-高一化学人教版(2019)必修第二册
Si + C === SiC
1.晶体硅
用途
高纯硅广泛应用于信息技术和新能源 技术领域。
利用其半导体性能可以制成计算机、 通讯设备和家用电器等的芯片，以及光伏 电站、人造卫星和电动汽车等的硅太阳能 电池。
2. 二氧化硅
沙子
石英砂
SiO2
玛 瑙
水
晶
2. 二氧化硅
高纯硅
① SiO2 + 2C 1800 0C ~ 2000 0C Si(粗) + 2CO↑ ② Si + 3HCl 300 0C SiHCl3 + H2
③ SiHCl3 + H2 1100 0C Si + 3HCl
1.晶体硅 2、晶体硅的物理性质
带有金属光泽的灰黑色固体，熔点高（1410℃）、硬度大 、有脆性。
用器皿、卫生洁具等 于高强度复合材料等
制混凝土，大量用于建 筑和水利工程
(1)硅酸盐结构较为复杂，大多难溶于水，化学性质稳定(√) (2)硅氧四面体中，硅原子与氧原子都是以共价键结合(√ ) (3)水泥与玻璃的共同原料是石灰石，水泥与陶瓷的共同原料是黏土(√ ) (4)陶瓷、玻璃、水泥的生产都需要在高温下进行(√ ) (5)玻璃和水泥生产中都发生复杂的物理和化学变化(√) (6)硅酸盐是由硅、氧和金属组成的混合物( × )
1.下列关于二氧化硅的叙述不正确的是 ( B )
①光导纤维主要成分是SiO2,故SiO2可以导电 ②能跟强碱反应, 但不能与水反应 ③SiO2的熔、沸点较低 ④既不是酸性氧化物, 又不是碱性氧化物 A.②和③ B.①③④ C.②和④ D.只有④
一、传统无机非金属材料——硅酸盐材料
【同济大学材料科学与工程学院】无机非金属材料的结构特征
立方ZnS
（1）AX型晶体 （六方ZnS型）
某些纤锌矿型结构的物质，由于结构中不存 在对称中心，使得晶体具有热释电性。
热释电效应：在热平衡条件下，电介质 因自发极化要产生表面束缚电荷，这种 电荷被来自空气中附集于电介质表面上 的自由电荷所补偿，其电不能显现出 来，，当温度发生变化，由温度变化引 起电介质的极化状态的改变不能及时被 来自电介质表面上的自由电荷所补偿， 使电介质对外显电性。Ps=p T（具 有自发极化的晶体）
晶体的热释性与其内部的自发极化有关，但 是这种晶体在常温与常压下被附着于晶体表 面的自由表面电荷所掩盖，只有当晶体加热 时才表现出来。故得其名。
热释电晶体可以用于红外探测器。
（2） AX2型晶体 （萤石型，CaF2）
AB2型化合物，
rc/ra>0.732（0.85）
配位数：8：4
Ca2+作立方紧密堆积，
（2）萤石的解理性
由于萤石结构中有一半的立方体空隙没有被 Ca2+填充，所以，在（111）面网上存在 着相互毗邻的同号离子层，其静电斥力将其 主要作用，导致晶体在平行于（111）面网 方向上容易发生解理，因此，萤石常呈八面 体解理。而NaCl晶体却无此性能。
（4）ABO3型晶体
（a）CaTiO3晶体结构；（b） CaTiO3晶体结构中配位多面体 的连接方式和Ca2+的12配位
三、 凝固的渐变性和可逆性
VQ
液体
过冷液体
A
B 由熔融态向玻璃态转
K
变的过程是可逆的与
M
F
渐变的，这与熔体的
E 玻璃态
晶体
C
结晶过程有明显区别。
D
Tg
TM
冷却速率会影响Tg大小，快冷时Tg较慢冷时高， K点在F点前。Fulda测出Na－Ca－Si玻璃：
5-3 无机非金属材料
富勒烯
富勒烯是由碳原子构成的 一系列笼形分子的总称，其中 的C60是富勒烯的代表物。C60的 发现为纳米科学提供了重要的 研究对象，开启了碳纳米材料 研究和应用的新时代。
(4) 硅的应用 半导体材料 集成电路、晶体管、硅整流器、太阳能电池等
3、二氧化硅
二氧化硅可用来生产光 导纤维。光导纤维的通信容 量大，抗干扰性能好，传输 的信号不易衰减，能有效提 高通信效率。
（1）、存在:
水晶
结晶形（石英晶体） 水晶 无色透明 玛瑙 彩色环带或层状
硅石
无定形——硅藻土
玛瑙
SiO2是自然界中沙子、石英的主要成分。结 晶的二氧化硅叫石英；天然二氧化硅叫硅石。
一、 硅酸盐材料
2、传统无机非金属材料 原料 工业设备
水泥 条件
石膏的作用 混凝土
黏土和石灰石 水泥回转窑 高温煅烧 调节水泥硬化速率 水泥、沙子和碎石等与水混合
二、 新型无机非金属材料
（一）硅和二氧化硅 1、 硅元素的存在与结构
含量
存在 存在形态
地壳中 居第_二__位
__氧__化__物___ _和__硅__酸__盐___
原子结构 示意图
周期表中位置
第__三__周__期_、 第__Ⅳ__A__族_
2、单质硅化学性质：常温下硅单质的化学性质不活泼 （1）常温下 只和F2 、HF、强碱反应
Si + 2F2 === SiF4
Si + 4 HF === SiF4 + 2H2
Si + 2NaOH + H2O ===Na2SiO3 + 2H2
无机非金属材料
无机非金属材料（1）主讲：黄冈中学优秀化学教师汪响林一、传统硅酸盐材料1、传统硅酸盐材料简介(1）含义：在材料家族里，有一类非常重要的材料叫做无机非金属材料。
最初无机非金属材料主要是指硅酸盐材料，所以硅酸盐材料也称为传统无机非金属材料.像陶瓷、玻璃、水泥等材料及它们的制品在我们日常生活中随处可见.由于这些材料的化学组成多属硅酸盐类，所以一般称为硅酸盐材料。
（2）原料:传统硅酸盐材料一般是以黏土（主要成分为）、石英（主要成分为SiO2）、钾长石（主要成分为）和钠长石（主要成分为）等为原料生产的。
(3)结构和性质特点:这些原料中一般都含有硅氧四面体——结构单元。
由于硅氧四面体结构的特殊性，决定了挂酸盐材料大多具有稳定性强、硬度高、熔点高、难溶于水、绝缘、耐腐蚀等特点。
2、陶瓷(1)原料：黏土（2)设备：窑炉（3)工序:混合→成型→干燥→烧结→冷却→陶瓷器（4）原理：高温下，复杂的物理化学变化。
（5)种类:土器、瓷器、炻器等.(6）彩釉：烧制前，在陶瓷制品胚体表面涂一些含金属及其化合物的釉料，在烧结过程中因窑内空气含量的变化而发生不同的氧化还原反应，即产生表面光滑、不渗水且色彩丰富的一层彩釉。
彩釉中的金属元素烧制时空气用量与彩釉颜色空气过量空气不足黄、红、褐、黑蓝、绿黄绿红紫、褐褐、黑褐黄、绿、褐蓝绿蓝、淡蓝蓝（7）特性：抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘、易成型等许多优点。
3、玻璃(1）原料：纯碱、石灰石、石英砂(2）设备：玻璃熔炉（3）工序：原料粉碎→加热熔融→澄清→成型→缓冷→玻璃（4)原理:高温下，复杂的物理化学变化。
主要反应:(5）种类及特性：种类特性用途普通玻璃在较高温度下易软化窗玻璃、玻璃器皿等石英玻璃膨胀系数小、耐酸碱、强度大、滤光化学仪器、高压水银灯、紫外灯罩等光学玻璃透光性好、有折光性和色散性眼镜、照相机、显微镜和望远用透镜等玻璃纤维耐腐蚀、耐高温、不导电、隔热、防虫蛀玻璃钢、宇航服、光导、通信材料钢化玻璃耐高温、耐腐蚀、高强度、抗震裂运动器材、汽车、火车用窗玻璃等有色玻璃蓝色（含）、红色（含）、紫色(含）、绿色（含）、普通玻璃的淡绿色（含二价铁)4、水泥(1)原料:黏土、石灰石、辅助原料(2）设备：水泥回转窑（3)工序：原料研磨得生料→生料煅烧得熟料→再配以适量辅料(石膏、高炉矿渣、粉煤灰等）→研磨成细粉→水泥(4)原理:复杂的物理化学变化。
无机非金属材料知识点
无机非金属材料知识点一、重要概念1、无机非金属材料①以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、硼化物以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成的材料。
②是除有机高分子材料和金属材料以外的所有材料的统称。
2、陶瓷①从制备上开看，陶瓷是由粉状原料成型后在高温作用下硬化而形成的制品。
②从组分上来看，陶瓷是多晶、多相（晶相、玻璃相和气相）的聚集体。
3、玻璃①狭义：熔融物在冷却过程中不发生结晶的无机物质②一般：若某种材料显示出典型的经典玻璃所具有的各种特征性质，则不管其组成如何都可称为玻璃（具有玻璃转变温度Tg）。
玻璃转变温度：热膨胀系数和比热等物理性质的突变温度。
具有Tg的非晶态材料都是玻璃。
4、水泥凡细磨成粉末状，加入适量水后，可成为塑性浆体，既能在空气中硬化，又能在水中硬化，并能将砂、石、钢筋等材料牢固地胶结在一起的水硬性胶凝材料，通称为水泥。
5、耐火材料耐火度不低于1580℃的无机非金属材料6、复合材料复合材料是两种或两种以上物理、化学性质不同的物质组合而成的一种新的多相固体材料。
通过复合效应获得原组分所不具备的性能。
可以通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联，从而获得更优秀的性能。
二、陶瓷知识点1、陶瓷制备的工艺步骤原材料的制备→坯料的成型→坯料的干燥→制品的烧成或烧结2、陶瓷的天然原料①可塑性原料：黏土质陶瓷成瓷的基础（高岭石、伊利石、蒙脱石）②弱塑性原料：叶蜡石、滑石③非塑性原料：减塑剂：石英助熔剂：长石3、坯料的成型的目的将坯料加工成一定形状和尺寸的半成品，使坯料具有必要的机械强度和一定的致密度4、陶瓷的成型方法①可塑成型：在坯料中加入水或塑化剂，制成塑性泥料，然后通过手工、挤压或机加工成型；（传统陶瓷）②注浆成型：将浆料浇注到石膏模中成型③压制成型：在金属模具中加较高压力成型；（特种陶瓷）5、烧结将初步定型密集的粉块（生坯）高温烧成具有一定机械强度的致密体。
固相烧结：烧结发生在单纯的固体之间液相烧结：有液相参与，加助溶剂产生液相好处：降低烧结温度，促进烧结6、陶瓷的组织结构：晶相、玻璃相、气相①晶相：陶瓷的主要组成；分为主晶相和次晶相②玻璃相：玻璃相对陶瓷的机械强度、介电性能、耐热性等不利，不能成为陶瓷的主导组成部分。
无机非金属材料ppt课件
类型：陶瓷、玻璃、水泥 （1）陶瓷 ·主要原料：黏土 ·主要成分：含水的铝硅酸盐，成分复杂
（2）玻璃 ·主要原料：纯碱(Na2CO3)、石灰石(CaCO3)、石英砂(SiO2) ·主要成分：Na2SiO3、CaSiO3和SiO2
高温
Na2CO3+SiO2===Na2SiO3+CO2↑
高温
CaCO3 +SiO2===CaSiO3 + CO2↑
二、新型无机非金属材料
1、硅和二氧化硅
根据元素周期表中硅的位置，思考： 为什么硅能成为应用最为广泛的半导体材料？
第三周期、第IV A族
①硅的存在与性质：
硅在自然界以硅酸盐和氧化物的形式存在
硅酸盐矿石
玛瑙（ SiO2 ）
水晶（ SiO2 ）
高温下，硅能与氧气反应生成SiO2，与氯气反应生成 SiCl4 。
（3）碳纳米材料
碳纳米材料是近年来人们十分关注的一类新型无机非金属 材料，主要包括富勒烯、碳纳米管、石墨烯等，在能源、信息、 医药等领域有着广阔的应用前景。
注：碳纳米材料、金刚石、石墨都是碳的同素异形体， 它们因结构不同(碳原子排列方式不同)而具有不同性质。
——富勒烯
富勒烯是由碳原子构成的 一系列笼形分子的总称，其中 的C60是富勒烯的代表物。C60的 发现为纳米科学提供了重要的 研究对象，开启了碳纳米材料 研究和应用的新时代。
③
。
②二氧化硅的性质：
（1）物理性质: 二氧化硅硬度大、熔点高，不溶于水
（2）化学性质:
酸性氧化物：SiO2＋2NaOH=== Na2SiO3＋H2O ；
具有氧化性：SiO2＋2C
Si＋2CO↑；
特 性 ：SiO2＋4HF=== SiF4↑＋2H2O。
无机非金属材料的分类和晶体结构
通过对其分类的探讨，可以更加深入地了解无机非金属材料的多样性以及它们在不同领域中的应用。
掌握晶体结构的基本知识
晶体结构决定了材料的物理和化学性质，因此掌握晶体结构的基本知识对于理解无机非金属材料的性 能和应用具有重要意义。
汇报范围
无机非金属材料的分类
包括氧化物、硅酸盐、碳酸盐、硫化物等不同类 型的无机非金属材料。
描述晶胞大小的参数，包括边长、夹 角等，与晶体性质密切相关。
晶胞
晶格中最小重复单元，代表晶体结构 的基本特点。晶胞的选取应遵循体积 小、反映晶体对称性的原则。
晶体结构的描述方法
X射线衍射法
利用X射线在晶体中的衍 射现象，通过分析衍射
图谱确定晶体结构。
中子衍射法
利用中子在晶体中的衍 射现象，可确定轻元素 的位置和氢键等结构信
2023 WORK SUMMARY
无机非金属材料的分 类和晶体结构
演讲人：
日期：
REPORTING
目录
• 引言 • 无机非金属材料的分类 • 晶体结构基础 • 无机非金属材料的晶体结构类型 • 无机非金属材料的性能与晶体结构的关系 • 无机非金属材料的制备与加工技术
PART 01
引言
目的和背景
氧化还原性
晶体中的原子或离子的电子构型影响其氧化还原性。具有不稳定电 子构型的原子或离子容易发生氧化还原反应。
催化活性
某些晶体结构具有特殊的催化活性，如沸石分子筛等。这些晶体的特 殊结构使得它们能够作为催化剂加速化学反应的进行。
力学性能与晶体结构的关系
硬度
01
晶体结构中的化学键类型和强度决定硬度。共价键和离子键较
以氧化铝为主要成分的陶瓷，具 有高硬度、高熔点、耐磨损等特
无机非金属材料复习提纲
1.什么是无机非金属材料：由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、等原料和〔或〕氧化物、氮化物、碳化物等原料经一定的工艺制备而成的材料，是除金属材料、高分子材料以外所有材料的总称，与广义的陶瓷材料有等同的含义。
陶瓷，玻璃，水泥，耐火材料2.无机非金属材料构造中，主要含有离子键、共价键和既含离子键又含共价键的混合价键。
离子键：由正、负离子依靠静电库仑力而产生的键合无方向性无饱和性共价键：原子之间通过共用电子对或通过电子云有饱和性有方向性3．NaCl型构造：阴、阳离子以离子键结合，为离子晶体。
Cl-按立方最严密堆积方式堆积，Na＋充填于全部八面体空隙中，八面体之间共棱〔共用两个顶点〕连接，阴、阳离子配位数均为6。
4．CsCl型构造.：立方晶系，Z＝1，立方原始格子，Cl-处于立方原始格子的八个角顶上，Cs＋位于立方体中心〔立方体空隙〕， Cl-和Cs+的均为8。
CsBr、CsI、NH4Cl等5．CaF2〔萤石〕型构造：Ca2+作立方严密堆积，F-充填于全部四面体空隙，八面体空隙全部空着，因此在八个F-之间存在有较大的空洞，为F-的扩散提供条件。
BaF2、PbF2等6．硅酸盐表示法：氧化物方法：即把构成硅酸盐晶体的所有氧化物按一定的比例和顺序全部写出来，先是1价的碱金属氧化物，其次是2价、3价的金属氧化物，最后是SiO2。
例如，钾长石的化学式写为 K2O·Al2O3·6SiO2；无机络盐表示法：把构成硅酸盐晶体的所有离子按照一定比例和顺序全部写出来，再把相关的络阴离子用 [ ]括起来。
先是1价、2价的金属离子，其次是Al3+和Si4+，最后是O2-或OH—。
如钾长石为 K[AlSi3O8]。
7．硅酸盐构造根本特点：〔1〕构成硅酸盐晶体的根本构造单元[SiO4]四面体。
Si-O-Si键是一条夹角不等的折线，一般在145o左右。
〔2〕[SiO4]四面体的每个顶点，即O2-离子最多只能为两个[SiO4]四面体所共用。
无机非金属材料百科
目录一.传统陶瓷 (2)1.定义 (2)2.特点 (2)3.分类 (2)4.原料 (2)5.工艺 (2)二．新型陶瓷材料 (3)1.特性 (3)2.结构陶瓷 (3)3.功能陶瓷 (3)4.生物陶瓷 (4)5.透明陶瓷 (4)6.智能材料 (4)三．水泥cement (5)1.定义 (5)2.性能 (5)3.分类 (5)4.硅酸盐水泥 (5)5.特种水泥和新型水泥 (5)四．玻璃 (7)1.组分构成 (7)2.主要原料 (7)3.生产工艺 (7)4.特种玻璃 (7)一.传统陶瓷1.定义用化合物粉末通过成型和高温烧结而成的具有高硬度和高脆性等的多晶固体材料。
2.特点●相组成：景相，玻璃相，气相。
●结合键：离子键，共价键，混合键。
●高硬，高脆，高耐磨，高熔点，低导热性，耐高温，耐腐蚀。
3.分类●氧化物陶瓷，碳化物陶瓷，氮化物陶瓷，其他。
●普通陶瓷，特种陶瓷。
●结构陶瓷，功能陶瓷。
4.原料●主料：黏土+长石+石英矿●辅料：白云石（CaCO3·MgCO3三方晶系），方解石（CaCO3三方晶系），菱镁矿（MgCO3），石灰岩（CaCO3三方晶系），滑石（3MgO·4SiO2·H2O三斜晶系），蛇纹石（3MgO·2SiO2·2H2O），硅灰石（CaO·SiO2针状晶系），透辉石（CaO·MgO·2SiO2单斜晶系），磷灰石。
5.工艺原料处理——制胚料——成型——制釉施釉——干燥——烧成●制坯：粉碎——淘洗——沉淀——练泥——陈腐●成型：可塑成型，注浆成型，压制成型。
●制釉施釉：釉：硅酸盐，形成陶瓷表面玻璃质薄层。
有Li2O,Na2O,K2O,PbO,CaO,MgO等。
配方要求：适应坯体性能及烧制工艺要求，热膨胀系数接近。
形成：原料分解——化合——熔化及凝固。
二．新型陶瓷材料1.特性耐高温，高强度；电学特性；光学特性；生物特性。
2.结构陶瓷●氧化物陶瓷◆氧化铝（α-Al2O3）陶瓷（人造刚玉），用做陶瓷管。
无机非金属材料
无定形碳中石墨层的大小，随制造不同工业用途的品种和工艺而异。例如， 用作橡胶填充剂的炭黑及个纳米，层间距离接近石墨晶体中的数值，约为 340pm，碳纤 维中的石墨层呈卷曲状，沿纤维轴方向延伸。煤的结构很复杂，由于生成的条件 不同，石墨化程度不同，氢、氧、氮等的含量差异很大，结构的差异也很大。
石墨晶体由层型分子堆积而成，层间作用力微弱，是石墨能形成多种多样的 石墨夹层化合物的内部结构根源。也使石墨的许多物理性质具有鲜明的各向异 性。在力学性质上，和层平行的方向有完整的解理性，层间易于滑动，所以很软， 是良好的固体润滑剂，是制作铅笔的好材料。层型分子内的离域π键结构，使石 墨具有优良的导电性，是制作电极的良好材料。 3. 球碳
1985 年至 1990 年，科学界出现了不少有关富勒烯结构及其物理、化学性质 的研究论文。但是，实验上确认C60富勒烯结构则是 1990 年以后的事情。当时 Kraatschmer W和Huffman改变了传统的C60制备方法，他们通过在氦气氛中蒸发 石墨的方法成功地获得较纯的宏观数量的C60和C70，并用红外光谱、X射线衍射 以及后来的核磁共振、扫描隧道显微镜(STM)，使C60分子的结构已完全得到确认， 如图 4.3-4 所示，它是由二十面体截去十二个顶角而得到的。碳原子占据的 60 个顶点位于一个半径为 0.355 nm的球面上。它含有两种不等价的化学键，分别称 为单键与双键，键长分别为 145 pm和 140 pm，所有的五元环均由单键构成，而 六元环由单键和双键交替构成。这些单、双键既不是石墨那样的sp2杂化，也不 像金刚石那样的sp3杂化，而是介于二者之间。
无机非金属材料
无机非金属材料百科名片无机非金属材料是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、硼化物以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成的材料。
是除有机高分子材料和金属材料以外的所有材料的统称。
无机非金属材料的提法是20世纪40年代以后,随着现代科学技术的发展从传统的硅酸盐材料演变而来的。
无机非金属材料是与有机高分子材料和金属材料并列的三大材料之一。
目录成分结构应用领域传统工艺无机非金属材料的分类发展历史材料特性生产工艺展望成分结构在晶体结构上,无机非金属的晶体结构远比金属复杂，并且没有自由的电子。
具有比金属键和纯共价键更强的离子键和混合键。
这种化学键所特有的高键能、高键强赋予这一大类无机非金属材料材料以高熔点、高硬度、耐腐蚀、耐磨损、高强度和良好的抗氧化性等基本属性,以及宽广的导电性、隔热性、透光性及良好的铁电性、铁磁性和压电性。
硅酸盐材料是无机非金属材料的主要分支之一，硅酸盐材料是陶瓷的主要组成物质。
应用领域无机非金属材料品种和名目极其繁多,用途各异,因此,还没有一个统一而完善的无机非金属材料分类分类方法。
通常把它们分为普通的(传统的)和先进的(新型的)无机非金属材料两大类。
传统的无机非金属材料是工业和基本建设所必需的基础材料。
如水泥是一种重要的建筑材料;耐火材料与高温技术,尤其与钢铁工业的发展关系密切;各种规格的平板玻璃、仪器玻璃和普通的光学玻璃以及日用陶瓷、卫生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷和电瓷等与人们的生产、生活休戚相关。
它们产量大,用途广。
其他产品,如搪瓷、磨料(碳化硅、氧化铝)、铸石(辉绿岩、玄武岩等)、碳素材料、非金属矿(石棉、云母、大理石等)也都属于传统的无机非金属材料。
新型无机非金属材料是20世纪中期以后发展起来的,具有特殊性能和用途的材料。
它们是现代新技术、新产业、传统工业技术改造、现代国防和生物医学所不可缺少的物质基础。
主要有先进陶瓷(advanced ceramics)、非晶态材料(noncrystal material〉、人工晶体〈artificial crys-tal〉、无机涂层(inorganic coating)、无机纤维(inorganic fibre〉等。
无机非金属材料
•
在晶体结构上,无机非金属材料的元素 结合力主要为离子键、共价键或离子-共价 混合键。这些化学键所特有的高键能、高键 强赋予这一大类材料以高熔点、高硬度、耐 腐蚀、耐磨损、高强度和良好的抗氧化性等 基本属性,以及宽广的导电性、隔热性、透 光性及良好的铁电性、铁磁性和压电性。
2.分类
无 机 非 金 属 材 料
但是，由于天然金刚石非常少，远远不能满 足生产和科研的需要。科学家们通过对石墨和金 金 刚石同素异形体结构的研究，指出了在一定条件 刚 下使石墨转化为金刚石的可能性。 石 1955年，美国首先用石墨合成出金刚石，这 锯 片 是材料合成领域的一项重大成就。 目前，世界上用石墨合成金刚石的研究发展 很快，我国在这方面的研究也在飞速发展，许多 城市都建有人造金刚石的工厂和研究所，以满足 生产发展的需要。
(3)人造宝石
红宝石和蓝宝石的主要成分都是Al2O3（刚 玉）。 红宝石呈现红色是由于其中混有少量含铬化 合物；
而蓝宝石呈蓝色则是由于其中混有少量含钛 化合物。
1900年，科学家曾用氧化铝熔融后加入少量 氧化铬的方法，制出了质量为2g-4g的红宝石。 现在，已经能制造出大到10g的红宝石和蓝宝石。
（6）超导材料
超导材料是一类在低温下（ 23.2K 或更低温度下） 电阻可以完全消失的材料。用超导材料做成导线，电阻几乎 为零，可以实现远距离无损耗输电；超导材料可以产生极强 的磁场，用于制造磁悬浮列车；用超导材料制成的发电机将 会比现有的发动机输出功率高 100 倍以上。由于超导现象发 生在很低的温度下，使其应用受到很大的限制，因此寻找研 制在较高临界温度下具有超导特性的材料成为近30年来科学 家研究的重要课题。 1986 年 ， 瑞 士 的 IBM 公 司 实 验 室 的 JGBendnorz 和 KAMtiller首先在高温氧化物超导体的研究中取得了决定性 的突破。在通式为AxByCuzOw（A＝La，Y„„；B＝Ba，Sr„„ 等）的钙钛矿结构的体系中，获得了临界温度Tc达35K的超导 体，因此他们获得了1987年诺贝尔物理奖。1987年，美国休 斯敦大学的朱经武小组、中科院物理研究所赵忠贤等发现了 临界温度Tc为90K的Y－Ba－Cu－O材料，实现了在液氧（77K） 中的超导性。
33 无机非金属材料的结构和组成材料科学基础
3-3-2无机非金属材料中的简单晶体结构 Simple Crystalline Structure
属于无机非金属材料范畴的物质种类繁多，形式各异。
从其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；
从其晶体结构中基本粒子的空间排布来看，则涉及到晶体 结构中所有7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）。
3-3-3 硅酸盐晶体结构 Silicate Crystalline Structures
结构基础 [SiO4]4-四面体，Si4+ 中心，O2- 顶。 硅极易与氧形成牢固的键合，与氧结合后，成为硅氧烷聚合 物和硅酸盐矿物的基础。 由于氧的电负性大于硅，所以Si－O键具有极性，电子偏向 氧原子，故Si原子上产生正电荷。 两个邻近四面体之间通常共顶相连，偶尔共棱，从不共面。
六方ZnS由一套简单六方的S原子格子和一套简单六方的Zn 原子格子，在a、b轴上重合，c轴上错位5/8穿插配置而成。
4. 钙钛矿晶体 CaTiO3
标准钙钛矿晶体结构属于立方晶系，单位晶胞包含一个分子单 位，其中：
Ca2+ 立方体顶角 配位数12 （与O2-相键合） O2- 面心 配位数6（分别与4个Ca2＋和2个Ti4＋相键合） Ti4+ 体心 配位数6（与O2-相键合）
Silicon-Oxygen Tetrahedron
• 硅酸盐是含氧盐矿物中品种最多的一类 矿物，根据硅氧四面体与相邻硅氧四面 体共顶情况，衍变成不同结构的络阴离 子团，在空间排列而形成岛状结构、环 状结构、链状结构、层状结构和架状结 构5个亚类的硅酸盐结构形式。
孤岛状结构：硅氧四面体间不共顶，相互不联接而各自孤立存在，此时络阴 离子团以[ SiO4 ]4- 形式存在。
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离子晶体性质 1) 离子键结合力很大，故离子晶体结构非常稳定，反映在
宏观性质上，离子晶体的熔点高，硬度大，热膨胀系数小; 2) 离子晶体若发生相对移动，将失去电平衡，离子键被破
坏，故离子晶体多为脆性; 3) 离子键中很难产生可以自由运动的电子，则离子晶体都
是很好的绝缘体; 4) 大多数离子晶体对可见光透明，在远红外区有一特征吸
收峰——红外光谱特征。
2) 共价键
共价键实质 共价键：原子之间通过共用电子对或通过电子云重叠而产
生的键合。 共价晶体或原子晶体：靠共价键结合的晶体。 典型的共价晶体：第IV族元素C（金刚石），Si，Ge，Sn
（灰锡）等的晶体，属金刚石结构。 共价键特性
有饱和性 有方向性
单质Si：Si－Si键为共价键。1个4价Si原子，与其周围4个 Si原子共享最外层的电子，从而使每个Si原子最外层获得8 个电子。1对共有电子代表1个共价键，所以1个Si原子有4个 共价键与邻近4个Si原子结合，形成四面体结构，其中共价 键之间的夹角约为109o。
元素间电负性相差越小 结合为共价性的键倾向越大
C.1 陶瓷结构
无机非金属材料概论
C.1 陶瓷结构
无机非金属材料概论
电负性：衡量价电子被正原子实吸引的程度。
2.3 非金属单质晶体结构
同种元素组成的晶体称为单质晶体。
一、惰性气体元素的晶体
惰性气体在低温下形成的晶体为A1（面心立方）型或 A3（六方密堆）型结构。由于惰性气体原子外层为满电子 构型，它们之间并不形成化学键，低温时形成的晶体是靠 微弱的没有方向性的范德华力直接凝聚成最紧密堆积的A1 型或A3型分子晶体。
典型氢键晶体：冰（H2O）、 铁电材料 磷酸二氢钾（KH2PO4）
C.1 陶瓷结构
无机非金属材料概论
6).实际陶瓷材料的结合键：处于以上所述的键之间，存在许 多中间类型。
键的离子性程度可用电负性作半经验性的估计 电负性：衡量价电子被正原子实吸引的程度。
元素间电负性相差越大 结合为离子性的键倾向越大
无机非金属材料概论
C.1 陶瓷结构
无机非金属材料概论
氢键 Schematic representation of hydrogen bonding in hydrogen fluoride (HF).
5）氢键
氢键：氢原子同时和两个电负性很大而 原子半径较小的原子（O，F，N等）相结合 所形成的键，是一种特殊形式的物理键，也具 有饱和性。
• 化学组成：
������ 金属和非金属元素（O、C、N等，通常为O） 的氧化物、碳化物、氮化物、氢氧化物等以不 同的方式组合（不含C-H-O链）。几乎涉及周 期表上所有元素。
• 键合结构：
������ 离子键、共价键以及离子-共价混合键
无机非金属材料主要特点
熔点高 硬度高 强度高 耐高温 耐腐蚀 一般为脆性材料
耐磨损 耐氧化 绝缘性好 脆性大 弹性模量大 化学稳定性好
2.2 晶体化学基本原理
一、 晶体中质点间的结合力与结合能
1. 晶体中质点间的结合力
离子键 （ionic bond） 化学键 共价键 （covalent bond）
金属键 （metallic bond） 物理键 范德华键（Van der Waals bond）
单质Si结构中的共价键与晶胞结构
C.1 陶瓷结构
无机非金属材料概论
C.1 陶瓷结构
无机非金属材料概论
3） 金属键
金属键实质 金属键：是元素失去最外层电子（价电子）后变成
带正电的离子和自由电子组成的电子云之间的静电库 仑力而产生的结合。
金属晶体：靠金属键结合的晶体。 典型金属晶体：第I、II族及过渡金属元素的晶体。 金属键特性 无方向性 无饱和性
滑动并造成很大变形，所以分子晶体熔点、硬度都
很低。
典型非极性分子晶体：惰性元素在低温下所形
成的晶体，是透明的绝缘体，熔点极低。如
Ne
Ar
Kr
Xe
－249℃ －189℃ －156℃ －112℃
典型极性分子晶体： HCl，H2S等在低温下形成 的晶体。
C.1 陶瓷结构
无机非金属材料概论
C.1 陶瓷结构
氢键（hydrogen bond）
由此把晶体分成5种典型类型：
离子晶体、共价晶体（原子晶体）、金属晶体、
分子晶体、氢键晶体。
1）离子键
离子键实质 离子键：由正、负离子依靠静电库仑力而产
生的键合。 离子晶体：质点之间主要依靠静电库仑力而
结合的晶体。 典型离子晶体：第I族碱金属元素和第VII族
卤族元素结合成的晶体，如NaCl，CsCl等。
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4）范德华键（分子键）
分子键实质 范德华键（分子键）：是通过“分子力”而产生的键合。 分子力包括三种力：
a) 极性分子中的固有偶极矩产生的力； b) 感应偶极矩产生的力，即极性分子和非极性分子之间的作用力； c) 非极性分子中的瞬时偶极矩产生的力。
分子晶体性质 分子晶体结合力很小，在外力作用下，易产生
NaCl晶体结构中的离子键与晶胞结构
离子键特性 a) 无方向性 离子核外电荷分布为球形对称，因此在各方向上都可与相反
电荷离子相吸引。 b) 无饱和性 一个离子可以同时和几个异号离子相结合。 例如，NaCl晶体中，每个C1-离子周围都有6个Na＋离子，每
个 Na＋离子也有6个C1-离子等距离排列。Na＋离子和C1-离子在 空间三个方向上不断延续就形成了NaCl离子晶体。
金属元素最外层电子一般为1~2个， 组成晶体时每个原子的最外层电子都不 再属于某个原子，而为所有原子所共有， 因此可以认为在结合成金属晶体时，失 去了最外层电子的正离子“沉浸”在由 价电子组成的电子云中。
金属键结合力主要是正离子和电子云 之间的静电库仑力，对晶体结构没有特 殊的要求，只要求排列最紧密，这样势 能最低，结合最稳定。
第二章无机非金属材料 晶体结构
2.3 无机非金属单质晶体结构 2.4 无机化合物晶体结构 2.5 硅酸盐晶体结构 2.6 玻璃结构陶瓷ຫໍສະໝຸດ 古瓷欣赏 返回粉彩瓷
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3.1无机非金属材料概述
• 什么是无机非金属材料？
无机非金属材料是指以某些元素的氧化物、碳 化物、氮化物、卤素化合物、硼化物以及硅酸 盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成的材 料。