第二章 晶体结构(4)-硅酸盐晶体结构.ppt

第二章晶体结构 2 1结晶学基础知识2 2晶体化学基本原理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 5硅酸盐晶体结构 硅26 0wt 地壳中 铝7 45wt 氧49 130wt 优势矿物 硅酸盐铝硅酸盐 基本结构单元构造 基本结构单元之间连接 结构和性质上特征等 一 硅酸盐晶体组成表征 结构特点及分类 硅酸盐晶体化学组成复杂 常采用两种方法表征 氧化物表示法无机络盐表示法 结构式 氧化物表示法 按一定比例和顺序写出构成硅酸盐晶体所有氧化物 先1价碱金属氧化物 其次2价 3价金属氧化物 最后SiO2 如 钾长石化学式 K2O Al2O3 6SiO2 无机络盐表示法 按一定比例和顺序全部写出构成硅酸盐晶体所有离子 再用 将相关络阴离子括起 先是1价 2价金属离子 其次Al3 和Si4 最后O2 或OH 如 钾长石 K AlSi3O8 基本结构单元 SiO4 四面体 Si O Si键为夹角不等折线 一般145o左右 SiO4 每个顶点 即O2 最多为两个 SiO4 所共用 两相邻 SiO4 之间只能共顶而不能共棱或共面连接 SiO4 中心Si4 可部分被Al3 所取代 硅酸盐晶体结构特点 以不同Si O比对应基本结构单元 SiO4 之间不同结合方式 分为五种方式 岛状组群状链状层状架状对应Si O由1 4 1 2 结构趋于复杂 硅酸盐晶体分类方法 硅酸盐晶体结构类型与Si O比的关系 二 岛状结构 SiO4 以孤岛状存在 各顶点之间互不连接 每个O2 一侧与1个Si4 连接 另一侧与其它金属离子相配位使电价平衡 结构中Si O比为1 4 有 锆石英Zr SiO4 镁橄榄石Mg2 SiO4 蓝晶石Al2O3 SiO2 莫来石3Al2O3 2SiO2以及水泥熟料中 C2S C2S和C3S等 镁橄榄石Mg2 SiO4 结构 属斜方晶系 空间群Pbnm晶胞参数a 0 476nm b 1 021nm c 0 599nm晶胞分子数Z 4O2 近似于六方最紧密堆积排列 即ABAB 层序堆积 Si4 填充1 8四面体空隙 Mg2 填充1 2八面体空隙每个 SiO4 被 MgO6 隔开 呈孤岛状分布 镁橄榄石晶体结构 1 a 100 面上的投影图 b 001 面上的投影图 c 立体侧视图 镁橄榄石晶体结构 2 a 100 面上的投影图 镁橄榄石晶体结构 3 b 001 面上的投影图 镁橄榄石晶体结构 4 镁橄榄石结构中的同晶取代 1 Mg2 被Fe2 以任意比例取代 则形成橄榄石 FexMg1 x SiO4固溶体 2 若上图 b 中25 75的Mg2 被Ca2 取代 则形成钙橄榄石CaMgSiO4 3 若Mg2 全部被Ca2 取代 则形成 Ca2SiO4 即 C2S 其中Ca2 配位数为6 由于配位规则 在水中几乎为惰性注意 另一种岛状结构的水泥熟料矿物 Ca2SiO4 即 C2S 属单斜晶系 其中Ca2 有8和6两种配位 由于其配位不规则 化学性质活泼 能与水发生水化反应 镁橄榄石结构与性质的关系 1 结构中每个O2 同时和1个 SiO4 和3个 MgO6 相连接 其电价饱和 晶体结构稳定 2 Mg O键和Si O键均较强 则表现出较高硬度 熔点达到1890 是镁质耐火材料的主要矿物 3 结构中各个方向上键力分布较均匀 则无明显解理 破碎后呈现粒状 三 组群状结构 2个 3个 4个或6个 SiO4 通过共用氧相连接形成单独硅氧络阴离子团 有限硅氧四面体群 它们之间再通过其它金属离子连接 1 桥氧 或公共氧 非活性氧 有限四面体群中连接两个Si4 的氧 其电价已饱和 一般不再与其它正离子配位 2 非桥氧 或非公共氧 活性氧 只有一侧与Si4 相连接的氧 孤立的有限硅氧四面体群 双四面体 Si2O7 6 三节环 Si3O9 6 四节环 Si4O12 8 六节环 Si6O18 12 组群状结构中Si O比 2 7或1 3双四面体 硅钙石Ca3 Si2O7 铝方柱石Ca2Al AlSiO7 镁方柱石Ca2Mg Si2O7 三节环 蓝锥矿BaTi Si3O9 六节环 绿宝石Be3Al2 Si6O18 绿宝石Be3Al2 Si6O18 结构 六方晶系 空间群P6 mcc 晶胞参数 a 0 921nm c 0 917nm晶胞分子数Z 2 如图1 34 基本结构单元是由6个 SiO4 组成六节环 其中1个Si4 和2个O2 处在同一高度 环与环相叠 绿宝石晶胞在 0001 面上的投影 上半个晶胞 粗黑线六节环在上 标高100 细黑线六节环在下 标高50上下两层环错开30o 投影方向不重叠环与环之间通过Be2 和Al3 连接 绿宝石结构与性质的关系六节环内无其它离子存在 结构中存在大的环形空腔 有电价低 半径小离子 如Na 存在时 直流电场中表现出显著离子电导 交流电场中有较大介电损耗 当晶体受热时 质点热振动振幅增大 大空腔使晶体不会有明显膨胀 表现出较小的膨胀系数 结晶学方面 常呈现六方或复六方柱晶形 堇青石Mg2Al3 AlSi5O18 结构与性质绿宝石结构的六节环中有一个Si4 被Al3 取代 且环外正离子由 Be3Al2 变为 Mg2Al3 使电价平衡 由于正离子在环形空腔迁移阻力增大 故介电性质较绿宝石提高 性质 热学性能良好 但因其高频损耗大 不宜作无线电陶瓷 注意 1 有学者将绿宝石中 BeO4 归到硅氧骨架中 则绿宝石便属于架状硅酸盐矿物 化学式改写为Al2 Be3Si6O18 2 有学者提出堇青石是一种带有六节环和四节环的结构 化学式为Mg2 Al4Si5O18 四 链状结构 1 链的类型 重复单元与化学式 SiO4 通过桥氧相连接 形成向一维方向无限延伸的链 依照 SiO4 共用O2 数目不同 分为单链和双链 单链 每个 SiO4 通过共用2个顶点向一维方向无限延伸 按重复出现与第一个 SiO4 空间取向完全一致的周期不等 分为1节链 2节链 3节链 7节链等7种类型 2节链以 Si2O6 4 为结构单元无限重复 化学式为 Si2O6 n4n 双链 两条相同单链通过尚未共用的氧组成带状 2节双链以 Si4O11 6 为结构单元向一维方向无限伸展 化学式为 Si4O11 n6n 1 硅氧四面体所构成的链 a 单链结构 b 双链结构 c d e 为从箭头方向观察所得的投影图 2 单链结构类型 单链结构 辉石类硅酸盐矿物 如 透辉石CaMg Si2O6 顽火辉石Mg2 Si2O6 双链结构 角闪石类硅酸盐矿物 如 斜方角闪石 Mg Fe 7 Si4O11 2 OH 2透闪石Ca2Mg5 Si4O11 2 OH 2 无论单链或双链 由于链内结构牢固 链间通过其它金属阳离子连接 最常见的是Mg2 和Ca2 而金属阳离子与O2 之间的键比Si O键弱 容易断 则链状结构矿物总是形成柱状 针状 或纤维状解理 透辉石CaMg Si2O6 结构 单斜晶系 空间群C2 c 晶胞参数a 0 971nm b 0 889nm c 0 524nm 105o37 晶胞分子数Z 4 如图所示 Si2O6 单链平行于c轴方向伸展 两个重叠硅氧链分别以粗黑线和细黑线表示 单链之间依靠Ca2 Mg2 连接 Ca2 配位数为8 其中4个活性氧 4个非活性氧 Mg2 为6 6个均为活性氧 Ca2 负责 SiO4 底面间的连接 Mg2 负责顶点间的连接 若透辉石结构中的Ca2 全部被Mg2 取代 则形成斜方晶系的顽火辉石Mg2 Si2O6 透辉石结构 a 010 面上的投影 b 001 面上的投影 1 结构特征2节单链 结构单元 Si2O6 Z 4 a 图为 010 面 即a c面投影 硅氧链沿c轴发展 链与链之间通过Mg2 和Ca2 连接起来 链与链不直接结合 Mg2 和Ca2 在b轴方向重叠 现稍稍错开便于观察其位置 链中的四面体在b方向是一高一低排列呈锯齿状 即在 a 图中 SiO4 中的一个活性氧朝上朝下的重复排列 从 a 图和 b 图中可以看出 在沿a和b的方向上相邻的链上 SiO4 活性氧的所指向方向相反 且交替出现 2 Mg2 和Ca2 的配位8处Mg2 与2个25 2个 10 2个10的O2 配位 配位数为6 31处Ca2 与2个52 2个75 2个10 2个48的O2 配位 配位数为8 3 电价检验出现电价过饱和情况 如 52处非活性O2 与2个 SiO4 连接 又和1个 CaO8 配位 则 注意 有电价过饱和的O2 也会有电价不饱和的O2 图 b 上部顶朝下 SiO4 顶端的活性O2 同时与1个Si4 2个Mg2 1个Ca2 配位 则 图 b 上部顶朝上 SiO4 底部的活性O2 同时与1个Si4 1个Mg2 1个Ca2 配位 则 活性O2 平均电价 非活性O2 和活性O2 的电价平均值为 所以总电价是平衡的 4 结构与性质的关系 a 介电性质辉石类晶体比绿宝石类晶体紧密 则顽火辉石Mg2 Si2O6 锂辉石LiAl Si2O6 等均具有良好电绝缘性能 是高频无线电陶瓷和微晶玻璃的主要晶相 当结构中存在变价正离子时 则晶体又呈现显著电子电导 这与结构中局部电荷不平衡有关 b 键型与解理角的关系解理角面交角 透辉石为93 透闪石为56 由于结构中单链或双链造成 区分辉石类和角闪石类晶体的基本特征之一 由于Si O键强于Ca O和Mg O键 则破裂总发生在金属离子和O2 之间 Mg2 负责 SiO4 顶角与顶角之间联系 Ca2 负责 SiO4 底面和底面之间联系 由于Mg2 半径小 所以Mg O键强于Ca O键 即矿物受外力作用破坏时Ca O键将断裂 由于透辉石是单键 则其夹角为93 而角闪石式双键 则其夹角为56 透辉石和透闪石单位晶胞在 001 面上的投影 五 层状结构 1 层状结构的基本单元 化学式与类型每个 SiO4 通过3个桥氧连接 构成向二维方向伸展的六节环状硅氧层 无限硅氧四面体群 其中可取出一个矩形单元 Si4O10 4 则化学式 Si4O10 n4n 见图 层状结构硅氧四面体 a 立体图 b 投影图 活性氧电价由其它金属离子来平衡 一般为6配位的Mg2 或Al3 离子 同时水分子以OH 形式存在于这些离子周围 形成水铝石或水镁石层 根据活性氧空间取向不同 硅氧层分为 单网层 一层硅氧层所有活性氧均指向同一个方向 相当于一个硅氧层加上一个水铝 镁 石层 称为1 1层 复网层 两层硅氧层中活性氧交替地指向相反方向 相当于两个硅氧层中间加上一个水铝 镁 石层 称为2 1层 根据水铝 镁 石层中八面体空隙填充情况 结构又分为 三八面体型 八面体空隙全部被金属离子所占据二八面体型 2 3八面体空隙被填充结构中的水结构水 以OH 形式占据结点位置的水 需400 600 排除 排除时结构被破坏 结合水 以H2O形式进入层间的水 100 120 可排除 排除时结构不被破坏 1 层状结构硅酸盐晶体中硅氧四面体层和铝氧八面体层的连接方式 A 型 B 型 单网层及复网层的构成 单网层的构成 滑石Mg3 Si4O10 OH 2的结构 单斜晶系 空间群C2 c 复网层结构 晶胞参数a 0 525nm b 0 910nm c 1 881nm 100o 如图所示 滑石的结构 a 001 面上的投影 b 图 a 结构的纵剖面图 OH 位于六节环中心 Mg2 位于Si4 与OH 形成的三角形中心 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 形成复网层复网层平行排列形成滑石结构水镁石层中Mg2 配位数为6 形成 MgO4 OH 2 八面体 其中全部八面体空隙被Mg2 所填充 属三八面体型结构 结构与性质的关系 复网层中每个活性O2 同时与3个Mg2 相连接 电价饱和 OH 中氧的电价也饱和 则复网层内为电中性 层与层之间靠微弱分子力结合 致使层间易相对滑动 则具有良好片状解理 并有滑腻感 离子取代现象 用2个Al3 取代滑石中的3个Mg2 则形成二八面体型的叶蜡石Al2 Si4O10 OH 2结构 Al3 占据2 3八面体空隙 叶蜡石同样具有良好片状解理和滑腻感 晶体加热时结构变化 都含有OH 加热时产生脱水效应 滑石斜斜顽火辉石 Mg2 Si2O6 叶蜡石莫来石3Al2O3 2SiO2 滑石和叶蜡石都是玻璃和陶瓷工业重要原料滑石 用于制备绝缘 介电性能良好的滑石瓷和堇青石瓷叶蜡石 常用作硼硅质玻璃中引入Al2O3的原料 高岭石Al2O3 2SiO2 2H2O的结构 即Al4 Si4O10 OH 8 高岭石是一种主要粘土矿物 属三斜晶系 空间群C1 晶胞参数a 0 514nm b 0 893nm c 0 737nm 91o36 104o48 89o54 晶胞分子数Z 1 结构如图 基本结构单元 SiO4 层 水铝石层 单网层 Al3 配位数为6 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 水铝石层中 Al3 占据2 3八面体空隙 属二八面体型结构 高岭石的结构 1 高岭石的结构 2 b 010 面上的投影 a 001 面上的投影 显示出硅氧层的六节环及各离子的配位信息 c 100 面上的投影 显示出单网层中Al3 填充2 3八面体空隙 d 100 面上的投影 显示出单网层的构成 d 结构与性质的关系 单网层中O2 电价饱和 即层内为电中性 则层间只能靠物理键结合 片状解理 水铝石层OH 与硅氧层O2 相接触 层间氢键结合 氢键结合比分子间力强 水分子不易进入单网层之间 无加水膨胀性 也无滑腻感 不易发生同晶取代 阳离子交换容量较低 质地较纯 熔点较高 蒙脱石 微晶高岭石 的结构 蒙脱石是一种粘土类矿物 属单斜晶系 空间群C2 ma 理论化学式为Al2 Si4O10 OH 2 nH2O 晶胞参数a 0 515nm b 0 894nm c 1 520nm 90o 单位晶胞中Z 2 实际化学式为 Al2 xMgx Si4O10 OH 2 Nax nH2O 式中x 0 33 晶胞参数a 0 532nm b 0 906nm c的数值随含水量而变化 无水时c 0 960nm 蒙脱石具有复网层结构 两层 SiO4 层 水铝石层 理论上复网层内呈电中性 层间靠分子间力结合 实际上 由于结构中Al3 可被Mg2 取代 使复网层并不呈电中性 带有少量负电荷 一般为 0 33e 也可有很大变化 因而复网层之间有斥力 使略带正电性的水化正离子易于进入层间 与此同时 水分子也易渗透进入层间 使晶胞c轴膨胀 随含水量变化 由0 960nm变化至2 140nm 则蒙脱石又称为膨润土 蒙脱石的结构 结构中的离子置换现象 由于晶格中可发生多种离子置换 使蒙脱石的组成常与理论化学式有出入 其中硅氧四面体层内的Si4 可以被Al3 或P5 等取代 这种取代量有限 八面体层 即水铝石层 中的Al3 可被Mg2 Ca2 Fe2 Zn2 或Li 等所取代 取代量可以从极少量到全部被取代 结构与性质关系 蒙脱石复网层之间靠微弱的分子力作用 因此呈良好的片状解理 且晶粒细小 所以也称之为微晶高岭石 蒙脱石晶胞c轴长度随含水量而变化 甚至空气湿度的波动也能导致c轴参数的变化 所以晶体易于膨胀或压缩 加水膨胀 加热脱水并产生较大收缩 一直干燥到脱去结构水之前 其晶格结构不会被破坏 随层间水进入的正离子使复网层电价平衡 它们易于被交换 使矿物具有很高的阳离子交换能力 由于蒙脱石易发生同晶取代 因而质地不纯 熔点较低 伊利石K1 1 5Al4 Si7 6 5Al1 1 5O20 OH 4结构 伊利石属于单斜晶系 C2 c空间群 晶胞参数a 0 520nm b 0 900nm c 1 000nm 角尚无确切值 晶胞分子数Z 2 伊利石也是复网层结构 和蒙脱石不同的是Si O四面体中大约的Si4 被Al3 离子所取代 为平衡多余的负电荷 结构中将近有1 1 5个K 进入结构单位层之间 K 处于上下两个硅氧四面体六节环的中心 相当于结合成配位数为12的K O配位多面体 因此层间的结合力较牢固 这种阳离子不易被交换 白云母KAl2 AlSi3O10 OH 2的结构 属单斜晶系 空间群C2 c 晶胞参数a 0 519nm b 0 900nm c 2 004nm 95o11 Z 2 其结构如图1 42所示 图中重叠的O2 已稍行移开 白云母属于复网层结构 复网层由两个硅氧层及其中间的水铝石层所构成 连接两个硅氧层的水铝石层中的Al3 之配位数为6 形成 AlO4 OH 2 八面体 由图1 42 a 可以看出 两相邻复网层之间呈现对称状态 因此相邻两硅氧六节环处形成一个巨大的空隙 白云母的结构 a 100 面上的投影 b 010 面上的投影 结构与性质关系 白云母结构与蒙脱石相似 但因其硅氧层中有1 4的Si4 被Al3 取代 复网层不呈电中性 所以 层间有K 进入以平衡其负电荷 K 的配位数为12 呈统计地分布于复网层的六节环的空隙间 与硅氧层的结合力较层内化学键弱得多 故云母易沿层间发生解理 可剥离成片状 1 2个Al3 被3个Mg2 取代 形成金云母KMg3 AlSi3O10 OH 2 用F 取代OH 得到人工合成的氟金云母KMg3 AlSi3O10 F2 作绝缘材料使用时耐高温达1000 而天然的仅600 2 用 Mg2 Fe2 代替Al3 形成黑云母K Mg Fe 3 AlSi3O10 OH 2 3 用 Li Fe2 取代1个Al3 得锂铁云母KLiFe2 Al AlSi3O10 OH 2 结构中的离子取代 4 若2个Li 取代1个Al3 同时 AlSi3O10 中的Al3 被Si4 取代 则形成锂云母Kli2Al Si4O10 OH 2 5 如果K 被Na 取代 形成钠云母 若K 被Ca2 取代 同时硅氧层内有1 2的Si4 被Al3 取代 则成为珍珠云母CaAl2 Al2Si2O10 OH 2 由于Ca2 连接复网层较K 牢固 因而珍珠云母的解理性较白云母差 云母类矿物的用途 合成云母作为一种新型材料 在现代工业和科技领域用途很广 云母陶瓷具有良好的抗腐蚀性 耐热冲击性 机械强度和高温介电性能 可作为新型的电绝缘材料 云母型微晶玻璃具有高强度 耐热冲击 可切削等特性 广泛应用于国防和现代工业中 六 架状结构 架状结构中硅氧四面体的每个顶点均为桥氧 硅氧四面体之间共顶连接 形成三维 骨架 结构 作为骨架的硅氧结构单元的化学式为 SiO2 n 其中Si O为1 2 当硅氧骨架中Si被Al取代时 结构单元化学式可写成 AlSiO4 或 AlSi3O8 其中 Al Si O仍为1 2 此时 由于结构中有剩余负电荷 一些电价低 半径大的正离子 如K Na Ca2 Ba2 等 会进入结构中 典型的架状结构有石英族晶体 化学式为SiO2 以及一些铝硅酸盐矿物 如霞石Na AlSiO4 长石 Na K AlSi3O8 方沸石Na AlSi2O6 H2O等矿物 1 石英族晶体的结构 SiO2晶体具有多种变体 常压下可分为三个系列 石英 鳞石英和方石英 其转变关系如下 位移性转变 同一系列 即纵向 之间转变 如 石英和 石英之间转变 不涉及晶体结构中键的破裂和重建 仅是键长 键角的调整 转变迅速且可逆 重建性转变 不同系列 即横向 之间的转变 如 石英和 鳞石英 鳞石英和 方石英之间转变 都涉及键的破裂和重建 转变速度缓慢 石英的三个主要变体 石英 鳞石英 方石英 其结构差别在于硅氧四面体之间的连接方式不同 见图 方石英 两个共顶硅氧四面体以共用O2 为中心处于中心对称状态 Si O Si键角为180o 鳞石英 两个共顶硅氧四面体之间相当于有一对称面 Si O Si键角为180o 石英 相当于在 方石英结构基础上 使Si O Si键角由180o转变为150o 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 硅氧四面体的连接方式 1 方石英结构 方石英属立方晶系 空间群Fd3m 晶胞参数a 0 713nm 晶胞分子数Z 8 结构如图所示 其中Si4 位于晶胞顶点及面心 晶胞内部还有4个Si4 其位置相当于金刚石中C原子的位置 它是由交替地指向相反方向的硅氧四面体组成六节环状的硅氧层 不同于层状结构中的硅氧层 该硅氧层内四面体取向的一致的 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 叠放时 两平行的硅氧层中的四面体相互错开60o 并以共顶方式对接 共顶的O2 形成对称中心 如图所示 方石英冷却到268 会转变为四方晶系的 方石英 其晶胞参数a 0 497nm c 0 692nm 2 5硅酸盐晶体结构 方石英的结构 方石英的硅氧层的平行叠放 从体对角线方向观察 显示出以3层为周期的平行堆积 方石英的硅氧层的平行叠放 从体对角线方向观察 显示出以3层为周期的平行堆积 2 鳞石英的结构 鳞石英属六方晶系 空间群P63 mmc 晶胞参数a 0 504nm c 0 825nm 晶胞分子数Z 4 其结构如图所示 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 面叠放而形成架状结构 平行叠放时 硅氧层中的四面体共顶连接 并且共顶的两个四面体处于镜面对称状态 Si O Si键角是180o 对于 鳞石英 有的认为属于斜方晶系 晶胞参数a 0 874nm b 0 504nm c 0 824nm 而有的认为属于单斜晶系 参数为a 1 845nm b 0 499nm c 2 383nm 105o39 鳞石英的结构 方石英和 鳞石英中硅氧四面体的不同连接方式对比 3 石英的结构 石英属六方晶系 空间群P6422或P6222 晶胞参数a 0 496nm c 0 545nm 晶胞分子数Z 3 石英在 0001 面上的投影如图所示 结构中每个Si4 周围有4个O2 空间取向是2个在Si4 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 最上一层用粗线表示 其次一层用细线表示 最下方一层以虚线表示 石英结构中存在6次螺旋轴 围绕螺旋轴的Si4 离子 在 0001 面上的投影可连接成正六边形 根据螺旋轴的旋转方向不同 石英有左形和右形之分 其空间群分别为P6422和P6222 石英中Si O Si键角为150o 石英在 0001 面上的投影 石英属三方晶系 空间群P3221或P3121 晶胞参数a 0 491nm c 0 540nm 晶胞分子数Z 3 石英是 石英的低温变体 两者之间通过位移性转变实现结构的相互转换 两结构中的Si4 在 0001 面上的投影示于图1 48 在 石英结构中 Si O Si键角由 石英中的150o变为137o 这一键角变化 使对称要素从 石英中的6次螺旋轴转变为 石英中的3次螺旋轴 围绕3次螺旋轴的Si4 在 0001 面上的投影已不再是正六边形 而是复三角形 见图1 49 b 石英也有左 右形之分 a 石英 b 石英中Si4 在 0001 面上的投影 a 石英 b 石英中硅氧四面体在 0001 面上的投影 结构于性质的关系 SiO2结构中Si O键的强度很高 键力分别在三维空间比较均匀 因此SiO2晶体的熔点高 硬度大 化学稳定性好 无明显解理 且由于结构中存在较大空隙 表现出热膨胀系数小 密度小 石英的压电效应 正压电效应 directpiezoelectriceffect 由 压力 产生 电 的现象 即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 逆压电效应 conversepiezoelectriceffect 由 电 产生 机械形变 的现象 即具有压电效应的晶体置于外电场中 电场使晶体内部正负电荷中心位移 导致晶体产生形变 正压电效应和逆压电效应统称为压电效应 产生压电效应的条件 晶体结构中无对称中心 根据转动对称性 晶体分为32个点群 在无对称中心的21个点群中 除O 432点群外 有20种点群具有压电效应 在20种压电晶体中又有10种具有热释电效应 pyroelectriceffect 晶体的压电性质与自发极化性质都是由晶体的对称性决定的 存在对称中心的晶体受外力时 正负电荷中心不会分离 因而没有压电性 由于晶体的各向异性 压电效应产生的方向 电荷的正负等都随晶体切片的方位而变化 如图 a 显示无外力作用时 晶体中正负电荷中心是重合的 整个晶体中总电矩为零 图 b 表明 在垂直方向对晶体施加压力时 晶体发生变形 使正电荷中心相对下移 负电荷中心相对上移 导致正负电荷中心分离 使晶体在垂直于外力方向的表面上产生电荷 上负 下正 图 c 显示出晶体水平方向受压时 在平行于外力的表面上产生电荷的过程 此时 电荷为上正下负 石英中压电效应产生的机理及方位关系 无外力作用时 晶体中正负电荷中心是重合的 整个晶体中总电矩为零 垂直方向对晶体施加压力时 晶体发生变形 使正电荷中心相对下移 负电荷中心相对上移 导致正负电荷中心分离 使晶体在垂直于外力方向的表面上产生电荷 上负 下正 晶体水平方向受压时 在平行于外力的表面上产生电荷的过程 此时 电荷为上正下负 由此可见 压电效应是由于晶体在外力作用下发生变形 正负电荷中心产生相对位移 使晶体总电矩发生变化造成的 因此 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 压电晶体的应用 压电材料在宇航 电子 激光 计算机 微波 能源等领域得到广泛应用 目前主要用作压电振子和压电换能器 前者主要利用振子本身的谐振特性 要求压电 介电 弹性等性能的