硅酸盐晶体结构a
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2.6 硅酸盐晶体结构
相对氧化物晶体而言，硅酸盐晶体在组成上比 较复杂，结构上常含有各种各样的络阴离子团。因 此，了解这类结构时，将着眼点放在基本结构单元 的构造，基本结构单元之间的连接，以及由此所导 致的结构和性质上特征等。
材料科学基础 1/26
第二章 晶体结构
2.6.1 硅酸盐晶体的组成表征、结构特点及分类
材料科学基础 2/26
第二章 晶体结构
硅酸盐晶体结构的共同特点：
（1）结构中均有硅氧四面体单元，Si－O－Si键 是一条夹角不等的折线，约为145°左右。 （2）硅氧四面体每个顶点，最多只能为两个硅氧 四面体所共用。 （3）硅氧四面体共顶相连。 （4）硅氧四面体中心的Si4+可部分地被Al3+所取代， 其结构本身并不发生大的变化，即所谓同晶取代。 但晶体的性质中以发生很大的变化。
材料科学基础 23/26
第二章 晶体结构
β－石英属三方晶系，晶胞分子数为3，键角由150 °变 为137°，使六方Fra Baidu bibliotek系变为三方晶系。
β－石英的“压电效应”：某些晶体在机械力作用 下发生变形，使晶体内正负电荷中心相对位移而极 化，致使晶体两端表面出现符号相反的束缚电荷， 其电荷密度与应力成比例。这种由“压力”产生 “电”的现象称为正压电效应。反之，由电场使晶 体内部正负电荷中心位移，晶体产生形变的称为 “逆压是效应”。
结构中的离子转换现象，使其 具较高的阳离子交换能力。
材料科学基础 18/26
第二章 晶体结构
D、白云母
KAl2[AlSi3O10](OH)2单 斜晶系，分子数为2。复网 层结构，由两层硅氧四面 体层和夹在中间的水铝石 层所组成，Al-O八面体层 [AlO4(OH)2]。两相邻复网 层之间呈对称状态。因此， 两六节环处形成一个巨大 的空隙。
材料科学基础 5/26
第二章 晶体结构
B、镁橄榄石结构
斜方晶系，晶 胞分子数4，O 离子近似于六 方最紧密堆积 排列，硅离子 填于1/8四面体 空隙，镁离子 填于1/2 八面体 空隙。
材料科学基础 6/26
第二章 晶体结构
（2）组群状结构
材料科学基础 7/26
第二章 晶体结构
绿宝石Be3Al2[Si6O18]结构： 绿柱（宝）石 Be3Al2[Si6O18]结 构： 六方晶系，晶 胞数为2。其基 本单元为六节环。 Be离子处于四面 体空隙，同时连 接4个硅氧四面 体。Al离子处于 八面体空隙。
材料科学基础 20/26
第二章 晶体结构
材料科学基础 21/26
第二章 晶体结构
（A1）α－方石英
立方晶系，分子数＝8。硅位于晶胞顶点及面心，晶胞内部还 有4个硅，其位置相当于金刚石中C原子的位置。交替指向相反方 向的硅氧四面体组成六节环状的硅氧层。以3层为一个重复周期在 平行于（111）面的方向上平行叠放而形成的架状结构。
第二章 晶体结构
透辉石，CMS2，单斜晶系， a=0.971nm,b=0.889nm,c=0.524nm,β=105.37’。晶胞分子数为4。 硅氧单链平行于C轴方向伸展，链中硅氧四面体的奴役是一个 向上、一个向下交替排列。透辉石中Ca全部被Mg所取代，形 成斜方晶系的顽火辉石M2S2。 其结构较绿柱（宝）石紧密，具有良好的电绝缘性能，是电子 陶瓷和微晶玻璃的主要晶相。呈柱状、纤维状结晶习性。
材料科学基础 22/26
第二章 晶体结构
（A2）α－鳞石英
六方晶系，晶胞分子数为4。结构由交替指向相反方向的硅氧 四面体组成的六节环状的硅氧层平行于（0001）叠放而形成架状 结构。
它是硅质耐火材料的主要晶相。
（A3）α－石英
六方晶系，晶胞分子数 为3。结构中每个硅周 围有4个氧，空间取向 是2 个在硅上方、2个 在其下方。各四面体中 的离子排列于高度不同 的三层面上。硅－氧－ 硅键角为150度。
链与链之间 形成三维空间 连接成架状结 构。
材料科学基础 26/26
第二章 晶体结构
单纯。 21、懦夫
材料科学基础 4/26
第二章 晶体结构
(1)岛状结构
A、锆英石结构
四方晶系，晶胞参数 a=0.661nm,c=0.601nm，晶 胞分子数为4。硅氧四面体 之间以Zr4+连接，每一个 Zr4+填充在8个O2－离子之 间。其中与4个O2－之距离 为0.215nm，与另外4个是 0.229nm。锆英石具有较 高的耐火度，可作耐火材 料。
白云母中硅氧四面体中 硅被铝取代，层间有K离子 进入以平衡其负电荷。不 易被交换。
层状结构导致片状结构。
材料科学基础 19/26
第二章 晶体结构
（5）架状结构
α－方石英中，两个的硅氧四面体之间相当于以共用氧为 中心处于对称中心状态。在α－鳞石英中，两个的共顶的硅氧 四面体之间相当于有一对称面。在α－石英中，相当于在α方 石英的基础上，使硅－氧－硅键由180度转变为150度。由于这 三种石英中硅氧四面体的连接方式不同，因此，它们之间的转 变属于重建性转变。
Al2[Si4O10](OH)8.nH2O。单斜 晶系。单位晶胞中分子数为2。
蒙脱石具有复网层结构，由两 层硅氧四面体层和夹在中间的水 铝石层所组成。理论上其呈电中 性，层间靠分子间力结合。实际 上，由于结构中铝可被镁，产生 负电荷（约－0.33e ）,因而，在复 网层间有斥力，使略带正电性的 水化正离子易于进入层间；与此 同时，水分子的进入，使之膨胀。
可分为1：1层和2：1型两类。
根据水铝（镁）石层中八面体空隙的填充情 况，结构又可分为三八面体型和二八面体型。
材料科学基础 12/26
第二章 晶体结构
材料科学基础 13/26
第二章 晶体结构
A、滑石Mg3[Si4O10](OH)2的结构
滑石属单斜晶系，晶胞参数a=0.525nm, b=0.910nm, c=1.881nm,β=100°；结构属复网层 结构。（OH）－位于六节环中心，Mg位于硅与 （OH）－形成的三角形的中心，但高度不同。两 个硅氧层的活性氧指向相反，中间通过镁氢氧层 连接，形成滑石结构的复网层。水镁石层中Mg2+ 的形成［MgO4(OH)2］八面体。
高岭石的基本结构单元是由硅氧层和水 铝石层构成的单网层，见右图。铝配位数为6， 其中有2个氧离子，4个OH－，形成 ［AlO2(OH)4］八面体。这两个O2－把水铝石 层和硅氧层连接起来。
层间以氢键结合
材料科学基础 16/26
第二章 晶体结构
材料科学基础 17/26
第二章 晶体结构
C、蒙脱石的结构
材料科学基础 11/26
第二章 晶体结构
（4）层状结构
层状结构是每个硅氧四面体通过3个桥氧连接，在二维 方向伸展的六节环状的硅氧层。化学式可写为［Si4O11］n4n-。 按照硅氧层中活性氧的空间取向不同，硅氧层分为两类：单 网层和复网层
单网层：所有活性氧指向同一方向；
复网层：两层硅氧层中的活性氧交替地指向相 反方向。
材料科学基础 8/26
第二章 晶体结构
结构中六节环中其他离子存在，使晶体一结构中存在大 的环形空腔。当有电价低、半径小的离子存在时，在直流电场 中，晶体会表现出显著的离子电导，在交流电场中会有较大的 介电损耗；当晶体受热时，质点热振动的振幅增大，大的空腔 使晶体不会有明显膨胀。
堇青石M2A2S5绿柱石型结构，但六节环中有1个Si被 Al所取代，增加一个负电荷，环外的正离子由原绿柱石中 的Be3Al2相应地变为Mg2Al3，使晶体的电价得以平衡。此 时，正离子在环形空腔迁移阻力增大，故其介电性能有所 改善。作为陶瓷热性能良好。
材料科学基础 9/26
第二章 晶体结构
（3）链状结构 硅氧四面体通过共用的氧离子相连接，形成向一 维方向无限延伸的链。按共顶的数目不同，分为单链 和双链。每个硅氧四面体通过共用两个顶点向一维方 向无限延伸形成单链，化学式可写为［Si2O6］n4n-。 双链：［Si4O11］n6n-
材料科学基础 10/26
用化学式表示时，通常有两种方法：
（1）氧化物方法：把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4价二氧化硅；
（2）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中括号［］括起来即 可。先1、2价金属离子、其次是3、4价离子、 最是O2－或OH－。
材料科学基础 24/26
第二章 晶体结构
压电效应产生的机理与方位：如图。 在使用压电晶体时，为了获得良好的压电性， 须根据实际要求，切割出相应方位的晶片。
材料科学基础 25/26
第二章 晶体结构
B、长石的结构
长石的基本结构单元：由［TO4］四面体连接成 四节环，其中2个四面体顶角向上，2个向下；四节 环中的四面体共顶方式连接成曲轴状的链。
由于电价饱和，滑石晶体具有良好的片状解 理特性，并具有油腻感。
铝取代上述镁时，形成叶蜡石 Al2[Si4O10](OH)2结构，性质与滑石相似。
材料科学基础 14/26
第二章 晶体结构
材料科学基础 15/26
第二章 晶体结构
B、高岭石Al4[Si4O10](OH)8
高岭石是一种主要的粘土矿物，属三斜 晶系，晶胞分数Z＝1。
材料科学基础 3/26
第二章 晶体结构
qq个性签名哲理内涵 1、走路快一点，脚步大一点；心事少 一点， 情绪好 一 点。 2、走别人的路，让别人无路可走！！ ！ 3、只有经历，才能看清世界的黑与 白，才能不断成熟。 4、真正懂得生活的人，只会怀念往 昔，绝 不会拿 往昔来 填 充现在。 5、真正的快乐来源于宽容和帮助 。 6、这个世界上最公平的事就是每个 人都会死。 7、有些事情笑着说出来的前提是你哭 够了。 8、选择的路即使后悔了 ，也没有退路了。 9、幸福的遐想，是照耀梦境的星光。 美好的 祝福， 是我心 中 最美最动人的歌！ 10、所谓没有时间，是因为没有很好地 利用它 。 11、时光教会 了我万事藏于心不表于情。 12、失败者没资格哭没资格伤心没资 格难过 没资格 怨 恨。 13、生命如自助餐厅，要吃什么菜自己 选择。 14、社会犹如一条船，每个人 都要有掌舵的准备。 15、若什么都不舍弃，便什么都不能 获取。 16、日子久了， 自然而然就开始质疑事件的真实存在 性，然 后以为 的就变 成真的 了。 17、人可以 输，但不可以躲。 18、人，可以无傲气，但不可以无傲骨 。 19、请不要说我聪明 ，我只是笨的不明显。 20、青春奋不顾身，成熟理性坚定 ，长大 后遗失 了原有 的
相对氧化物晶体而言，硅酸盐晶体在组成上比 较复杂，结构上常含有各种各样的络阴离子团。因 此，了解这类结构时，将着眼点放在基本结构单元 的构造，基本结构单元之间的连接，以及由此所导 致的结构和性质上特征等。
材料科学基础 1/26
第二章 晶体结构
2.6.1 硅酸盐晶体的组成表征、结构特点及分类
材料科学基础 2/26
第二章 晶体结构
硅酸盐晶体结构的共同特点：
（1）结构中均有硅氧四面体单元，Si－O－Si键 是一条夹角不等的折线，约为145°左右。 （2）硅氧四面体每个顶点，最多只能为两个硅氧 四面体所共用。 （3）硅氧四面体共顶相连。 （4）硅氧四面体中心的Si4+可部分地被Al3+所取代， 其结构本身并不发生大的变化，即所谓同晶取代。 但晶体的性质中以发生很大的变化。
材料科学基础 23/26
第二章 晶体结构
β－石英属三方晶系，晶胞分子数为3，键角由150 °变 为137°，使六方Fra Baidu bibliotek系变为三方晶系。
β－石英的“压电效应”：某些晶体在机械力作用 下发生变形，使晶体内正负电荷中心相对位移而极 化，致使晶体两端表面出现符号相反的束缚电荷， 其电荷密度与应力成比例。这种由“压力”产生 “电”的现象称为正压电效应。反之，由电场使晶 体内部正负电荷中心位移，晶体产生形变的称为 “逆压是效应”。
结构中的离子转换现象，使其 具较高的阳离子交换能力。
材料科学基础 18/26
第二章 晶体结构
D、白云母
KAl2[AlSi3O10](OH)2单 斜晶系，分子数为2。复网 层结构，由两层硅氧四面 体层和夹在中间的水铝石 层所组成，Al-O八面体层 [AlO4(OH)2]。两相邻复网 层之间呈对称状态。因此， 两六节环处形成一个巨大 的空隙。
材料科学基础 5/26
第二章 晶体结构
B、镁橄榄石结构
斜方晶系，晶 胞分子数4，O 离子近似于六 方最紧密堆积 排列，硅离子 填于1/8四面体 空隙，镁离子 填于1/2 八面体 空隙。
材料科学基础 6/26
第二章 晶体结构
（2）组群状结构
材料科学基础 7/26
第二章 晶体结构
绿宝石Be3Al2[Si6O18]结构： 绿柱（宝）石 Be3Al2[Si6O18]结 构： 六方晶系，晶 胞数为2。其基 本单元为六节环。 Be离子处于四面 体空隙，同时连 接4个硅氧四面 体。Al离子处于 八面体空隙。
材料科学基础 20/26
第二章 晶体结构
材料科学基础 21/26
第二章 晶体结构
（A1）α－方石英
立方晶系，分子数＝8。硅位于晶胞顶点及面心，晶胞内部还 有4个硅，其位置相当于金刚石中C原子的位置。交替指向相反方 向的硅氧四面体组成六节环状的硅氧层。以3层为一个重复周期在 平行于（111）面的方向上平行叠放而形成的架状结构。
第二章 晶体结构
透辉石，CMS2，单斜晶系， a=0.971nm,b=0.889nm,c=0.524nm,β=105.37’。晶胞分子数为4。 硅氧单链平行于C轴方向伸展，链中硅氧四面体的奴役是一个 向上、一个向下交替排列。透辉石中Ca全部被Mg所取代，形 成斜方晶系的顽火辉石M2S2。 其结构较绿柱（宝）石紧密，具有良好的电绝缘性能，是电子 陶瓷和微晶玻璃的主要晶相。呈柱状、纤维状结晶习性。
材料科学基础 22/26
第二章 晶体结构
（A2）α－鳞石英
六方晶系，晶胞分子数为4。结构由交替指向相反方向的硅氧 四面体组成的六节环状的硅氧层平行于（0001）叠放而形成架状 结构。
它是硅质耐火材料的主要晶相。
（A3）α－石英
六方晶系，晶胞分子数 为3。结构中每个硅周 围有4个氧，空间取向 是2 个在硅上方、2个 在其下方。各四面体中 的离子排列于高度不同 的三层面上。硅－氧－ 硅键角为150度。
链与链之间 形成三维空间 连接成架状结 构。
材料科学基础 26/26
第二章 晶体结构
单纯。 21、懦夫
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第二章 晶体结构
(1)岛状结构
A、锆英石结构
四方晶系，晶胞参数 a=0.661nm,c=0.601nm，晶 胞分子数为4。硅氧四面体 之间以Zr4+连接，每一个 Zr4+填充在8个O2－离子之 间。其中与4个O2－之距离 为0.215nm，与另外4个是 0.229nm。锆英石具有较 高的耐火度，可作耐火材 料。
白云母中硅氧四面体中 硅被铝取代，层间有K离子 进入以平衡其负电荷。不 易被交换。
层状结构导致片状结构。
材料科学基础 19/26
第二章 晶体结构
（5）架状结构
α－方石英中，两个的硅氧四面体之间相当于以共用氧为 中心处于对称中心状态。在α－鳞石英中，两个的共顶的硅氧 四面体之间相当于有一对称面。在α－石英中，相当于在α方 石英的基础上，使硅－氧－硅键由180度转变为150度。由于这 三种石英中硅氧四面体的连接方式不同，因此，它们之间的转 变属于重建性转变。
Al2[Si4O10](OH)8.nH2O。单斜 晶系。单位晶胞中分子数为2。
蒙脱石具有复网层结构，由两 层硅氧四面体层和夹在中间的水 铝石层所组成。理论上其呈电中 性，层间靠分子间力结合。实际 上，由于结构中铝可被镁，产生 负电荷（约－0.33e ）,因而，在复 网层间有斥力，使略带正电性的 水化正离子易于进入层间；与此 同时，水分子的进入，使之膨胀。
可分为1：1层和2：1型两类。
根据水铝（镁）石层中八面体空隙的填充情 况，结构又可分为三八面体型和二八面体型。
材料科学基础 12/26
第二章 晶体结构
材料科学基础 13/26
第二章 晶体结构
A、滑石Mg3[Si4O10](OH)2的结构
滑石属单斜晶系，晶胞参数a=0.525nm, b=0.910nm, c=1.881nm,β=100°；结构属复网层 结构。（OH）－位于六节环中心，Mg位于硅与 （OH）－形成的三角形的中心，但高度不同。两 个硅氧层的活性氧指向相反，中间通过镁氢氧层 连接，形成滑石结构的复网层。水镁石层中Mg2+ 的形成［MgO4(OH)2］八面体。
高岭石的基本结构单元是由硅氧层和水 铝石层构成的单网层，见右图。铝配位数为6， 其中有2个氧离子，4个OH－，形成 ［AlO2(OH)4］八面体。这两个O2－把水铝石 层和硅氧层连接起来。
层间以氢键结合
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第二章 晶体结构
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第二章 晶体结构
C、蒙脱石的结构
材料科学基础 11/26
第二章 晶体结构
（4）层状结构
层状结构是每个硅氧四面体通过3个桥氧连接，在二维 方向伸展的六节环状的硅氧层。化学式可写为［Si4O11］n4n-。 按照硅氧层中活性氧的空间取向不同，硅氧层分为两类：单 网层和复网层
单网层：所有活性氧指向同一方向；
复网层：两层硅氧层中的活性氧交替地指向相 反方向。
材料科学基础 8/26
第二章 晶体结构
结构中六节环中其他离子存在，使晶体一结构中存在大 的环形空腔。当有电价低、半径小的离子存在时，在直流电场 中，晶体会表现出显著的离子电导，在交流电场中会有较大的 介电损耗；当晶体受热时，质点热振动的振幅增大，大的空腔 使晶体不会有明显膨胀。
堇青石M2A2S5绿柱石型结构，但六节环中有1个Si被 Al所取代，增加一个负电荷，环外的正离子由原绿柱石中 的Be3Al2相应地变为Mg2Al3，使晶体的电价得以平衡。此 时，正离子在环形空腔迁移阻力增大，故其介电性能有所 改善。作为陶瓷热性能良好。
材料科学基础 9/26
第二章 晶体结构
（3）链状结构 硅氧四面体通过共用的氧离子相连接，形成向一 维方向无限延伸的链。按共顶的数目不同，分为单链 和双链。每个硅氧四面体通过共用两个顶点向一维方 向无限延伸形成单链，化学式可写为［Si2O6］n4n-。 双链：［Si4O11］n6n-
材料科学基础 10/26
用化学式表示时，通常有两种方法：
（1）氧化物方法：把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4价二氧化硅；
（2）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中括号［］括起来即 可。先1、2价金属离子、其次是3、4价离子、 最是O2－或OH－。
材料科学基础 24/26
第二章 晶体结构
压电效应产生的机理与方位：如图。 在使用压电晶体时，为了获得良好的压电性， 须根据实际要求，切割出相应方位的晶片。
材料科学基础 25/26
第二章 晶体结构
B、长石的结构
长石的基本结构单元：由［TO4］四面体连接成 四节环，其中2个四面体顶角向上，2个向下；四节 环中的四面体共顶方式连接成曲轴状的链。
由于电价饱和，滑石晶体具有良好的片状解 理特性，并具有油腻感。
铝取代上述镁时，形成叶蜡石 Al2[Si4O10](OH)2结构，性质与滑石相似。
材料科学基础 14/26
第二章 晶体结构
材料科学基础 15/26
第二章 晶体结构
B、高岭石Al4[Si4O10](OH)8
高岭石是一种主要的粘土矿物，属三斜 晶系，晶胞分数Z＝1。
材料科学基础 3/26
第二章 晶体结构
qq个性签名哲理内涵 1、走路快一点，脚步大一点；心事少 一点， 情绪好 一 点。 2、走别人的路，让别人无路可走！！ ！ 3、只有经历，才能看清世界的黑与 白，才能不断成熟。 4、真正懂得生活的人，只会怀念往 昔，绝 不会拿 往昔来 填 充现在。 5、真正的快乐来源于宽容和帮助 。 6、这个世界上最公平的事就是每个 人都会死。 7、有些事情笑着说出来的前提是你哭 够了。 8、选择的路即使后悔了 ，也没有退路了。 9、幸福的遐想，是照耀梦境的星光。 美好的 祝福， 是我心 中 最美最动人的歌！ 10、所谓没有时间，是因为没有很好地 利用它 。 11、时光教会 了我万事藏于心不表于情。 12、失败者没资格哭没资格伤心没资 格难过 没资格 怨 恨。 13、生命如自助餐厅，要吃什么菜自己 选择。 14、社会犹如一条船，每个人 都要有掌舵的准备。 15、若什么都不舍弃，便什么都不能 获取。 16、日子久了， 自然而然就开始质疑事件的真实存在 性，然 后以为 的就变 成真的 了。 17、人可以 输，但不可以躲。 18、人，可以无傲气，但不可以无傲骨 。 19、请不要说我聪明 ，我只是笨的不明显。 20、青春奋不顾身，成熟理性坚定 ，长大 后遗失 了原有 的