实验讲义——无机材料科学基础部分.doc

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、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(Na4P2O710H2O)等，电解质的用量一般为干坯料重量的0.30.5。（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0.20.6。（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200.0250.0g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3070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200.0250.0g（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，0.10.5ml）。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510min，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试样名称测定人测定日期试样处理流出100ml蒸馏水所需的时间/s编号试样加蒸馏水数/ml电解质粘度试验泥浆干基含水量/%流出100ml泥浆所需的时间/s相对粘度名称加入电解质数/ml电解质等于干样百分数/%12345（2）绝对粘度表1-2 绝对粘度测定记录表试样名称测定人测定日期试样处理泥浆含水量 /电解质名称电解质标准溶液浓度 /%编号电解质标准溶液用量 /mL转子因子K粘度计指针读数（）绝对粘度（3）厚化度表1-3 厚化度测定记录表试样名称测 定 人测定日期试样处理编 号100mL泥浆静置30s的流出时间tsm100mL泥浆静置30min的流出时间tss厚 化 度2数据处理（1）相对粘度的计算：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。（3）比较不同电解质的稀释曲线及不同电解质的作用，从而确定稀释作用良好的电解质及其最适宜的加入量。（4）绝对粘度的计算：式中：绝对粘度； 粘度计指针所指读数； K 转子的因子（5）厚化度的计算：tss/tsm式中 厚化度； tss样品静置30min流出100ml的时间，s； tsm 样品静置30s流出100ml试样的时间，s。六、注意事项1用电动搅拌机搅拌泥浆时，电动机转速和运转时间要保持一定。在启动搅拌机前，先将搅拌叶埋入泥浆中，以免泥浆飞溅。2泥浆从流出口流出时，勿使触及量瓶颈壁，否则需重作。3在静置30min和泥浆（或釉浆）温度超过30，每作一次，应洗一次粘度计流出口。4每测定一次粘度，应将量瓶洗净，烘干，或用无水乙醇除掉量瓶中剩余水分。5Na2CO3易在潮湿空气中变质为NaHCO3。后者使粘土发生凝聚作用，应注意防潮和检查。七、思考题1根据粘度电解质加入量曲线图，如何判断最适宜的电解质加入量？2比较不同电解质的加入量及其稀释效果？3电解质的稀释机理？实验三 差热分析一、实验目的1 了解差热分析的基本原理及仪器装置；2 学习使用差热分析的方法鉴定未知矿物。二、基本原理差热分析（DTA，differential thermal analysis）是研究相平衡与相变的动态方法中的一种，利用差热曲线的数据，工艺上可以确定材料的烧成制度及玻璃的转变与受控结晶等工艺参数，还可以对矿物进行定性、定量分析。差热分析的基本原理是：在程序控制温度下，将试样与参比物质在相同条件下加热或冷却，测量试样与参比物之间的温差与温度的关系，从而给出材料结构变化的相关信息。物质在加热过程中，由于脱水、分解或相变等物理化学变化，经常会产生吸热或放热效应。差热分析就是通过精确测定物质加热（或冷却）过程中伴随物理化学变化的同时产生热效应的大小以及产生热效应时的所对应的温度，来达到对物质进行定性或定量分析的目的。差热分析是把试样与参比物质（亦称惰性物质、标准物质或中性物质。参比物质在整个实验温度范围内不应该有任何热效应，其导热系数，比热等物理参数应尽可能与试样相同），置于差热电偶的热端所对应的两个样品座内，在同一温度场中加热。当试样加热过程中产生吸热或放热效应时，试样的温度就会低于或高于参比物质的温度，差热电偶的冷端就会输出相应的差热电势。如果试样加热过程中无热效应产生，则差热电势为零。通过检流计偏转与否来检测差热电势的正负，就可推知是吸热或放热效应。在与参比物质对应的热电偶的冷端连接上温度指示装置，就可检测 出物质发生物理化学变化时所对应的温度。不同的物质，产生热效应的温度范围不同，差热曲线的形状亦不相同（如图2-1所示）。把试样的差热曲线与相同实验条件下的已知物质的差热曲线作比较，就可以定性地确定试样的矿物组成。差热曲线的峰（谷）面积的大小与热效应的大小相对应，根据热效应的大小，可对试样作定量估计。三、实验仪器实验器材 差热分析装置如图2-2所示。主要由加热炉、差热电偶、样品座及差热信号和温度的显示仪表等所组成。加热炉依据测量的温度范围不同，有低温型（8001000 以下），中温型（1200以上）和高温型（14001600以下）三种。差热电偶是把材质相同的两个热电偶的相同极连接在一起，另外两个极作为差热电偶的输出极输出差热电势。差热分析仪是将差热分析装置中的样品室，温度显示，差热信号采集及记录全部自动化的一种分析仪器。依据组合方式的不同，仪器有DTA-TG型和DTA-DSC（differential scanning calorimetry）型，有的综合差热分析还可以同时测定加热过程中材料的热膨胀、收缩、比热等。 图2-2 差热分析装置示意图 图2-3 差热曲线（示例）电压表；电流表R1、R2检流计回路中串联电阻箱1和2四、实验步骤1按图2-2所示，检查装置的连接情况。2打开差热仪各单元电源，将差热仪预热20分钟后再开启电炉电源。3将试样与中性物质（-Al2O3）分别放在对应的样品座内，样品装填密度应该相同。4设置温控参数，根据空白曲线的升温速率（一般大约10min-1）升温。5观察并打印差热曲线，测试完毕后断开各单元电源6注意事项 （1）升温前开启电炉水冷系统； （2）坩锅中试样不宜加的太多，以免加热时溢出，污染容器和影响差热曲线形貌； （3）对比分析用的试样，其测试条件必须保持完全一致； （4）炉内若可使用气氛，可根据实验要求通入气氛； （5）测试完毕，电炉应冷却到300以下方能停止循环水系统。五、数据记录及处理1根据绘制出的差热曲线（如图2-3所示），标注差热曲线峰谷的起始、终止、峰值温度及外延起始温度；2根据所测矿物差热曲线的峰谷温度、数目、形状及大小解释每个峰谷产生的原因，进而初步鉴定所测矿物为何种物相，常见粘土类矿物的差热曲线示于图2-1中。附：影响热分析的因素1加热速率加热速率显著影响热效应在差热曲线上的位置，如图2-4 所示。不同的加热速率，其差热曲线的形态、特征及反应出现的温度范围有明显的不同。一般加热速率增快，热峰（谷）变得尖而窄，形态拉长，反应出现的温度滞后。加热速率慢时，热峰（谷）变得宽而矮，形态扁平，反应出现的温度超前。2热传导物质的热导率对差热曲线的形状和峰谷的面积有很大影响。因此，要求样品与中性物质的热传导系数相近。如果两者热传导系数和热容相差较大，即使样品没有发生热效应，由于导热性不同而产生温度差，导致差热曲线的基线不成一根水平线。所以，粘土与硅酸盐物质选用煅烧过的氧化铝或刚玉粉。对于碳酸盐，则选用灼烧过的氧化镁。3样品的物理状态 图2-4 加热速率对高岭石脱水的影响（1）颗粒度 粉末试样颗粒度的大小，对产生热峰的温度范围和曲线形状有直接影响。一般来说，颗粒度愈大，热峰产生的温度愈高，范围愈宽，峰形趋于扁而宽。反之，热效应温度偏低，峰形尖而窄。试样细度一般过4900孔cm2筛较好。（2）试样的质量 一般用少量试样可得到较明显的热峰。试样太多，由于热传导迟缓使相近的两峰易合并在一起。通常用0.2g左右，可以得到较好灵敏度。（3）试样的形状和堆积 试样堆积最理想的方式是将粉状试样堆积成球形，从热交换观点看，球形试样可以没有特殊损失。为方便起见，可取试样直径与高度相等的圆柱体代替。试样的堆积密度与中性物质一致，否则，在加热过程中，因导热不同会引起差热曲线的基线偏移。六、思考题1和静态方法相比较，差热分析这种动态方法有什么优缺点？2影响差热曲线峰谷温度变化的因素有哪些？在利用标准差热曲线来进行物相鉴定时，主要的鉴定依据是什么？实验四 淬冷法研究相平衡一、实验目的1 了解相平衡与温度的关系；2 掌握用静态法淬冷法研究相平衡的实验方法及其优缺点；3 掌握浸油试片的制作方法及显微镜的使用，验证Na2O-SiO2系统相图。二、实验原理一个多相系统的平衡状态是暂时的，有条件的。当系统的温度、压力或组成发生变化时，该系统的相平衡也将随着变化，直到在新的条件下达到新的平衡状态为止。由于绝大部分硅酸盐熔融物粘度高，相变慢，系统很难达到平衡，因此，常用淬冷法研究其相平衡。淬冷法是把试样放在高温炉中，让炉温升至所要的测定温度。保温一定时间，直到试样达到平衡状态为止。然后将高温下的试样在水浴（或汞浴、油浴）中进行突然冷却（即淬冷），这样可以保持试样高温时的平衡状态不变，以便在室温下进行观察。淬冷后的样品在偏光显微镜下进行鉴定。若淬冷样品中全为各向同性的玻璃相，则可以断定，系统所在研究的温度下为熔融的液相，即状态点处在液相线上方。若淬冷试样全部为晶体，则系统