材料科学基础完整版本

材料科学基础 TheFundamentals Elements Principles ofMaterialsScienceAnIntroductiontoMaterialsScience 主讲蔡珣戎咏华沈耀实验孟二扣李晓玲http 202 120 6 136 fms 前言Introduction 材料 Materials 是国民经济的物质基础 广义的材料包括人们的思想意识之外的所有物质 substance 材料无处不在 无处不有 我国材料的历史进程 Historicalperspective 漫长而又曲折的历程 石斧 湖北江陵楚墓出土越王勾践宝剑 古代科技名著 考工记 先秦 梦溪笔谈 宋代沈括 天工开物 明代宋应星 明代后 封建统治 帝国主义侵略束缚了材料的发展停滞状态解放后 材料科学受到重视和发展 被列为现代技术三大支柱之一 一整套材料体系门类全齐数量质量钢铁突破两亿七千万吨世界第一原子弹 氢弹 人造卫星 火箭 长征三号运载火箭在发射架上的图片 宝钢高炉 材料分类 ClassificationofMaterials 材料科学基础是研究材料的成分 组织结构与性能之间关系 材料的微观结构 MicrostructureofMaterials 决定材料性质最为本质的内在因素 组成材料各元素原子结构 原子间相互作用 相互结合 原子或分子在空间的排列 运动规律 以及原子集合体的形貌特征 第一章原子结构和键合AtomicStructureandInteratomicBonding 物质 Substance 是由原子 atom 组成在材料科学中 最为关心原子的电子结构原子的电子结构 原子间键合本质决定材料分类 金属陶瓷高分子材料性能 物化力学 1原子结构 AtomicStructure 一 物质的组成 SubstanceConstruction 物质由无数微粒 Particles 聚集而成分子 Molecule 单独存在保存物质化学特性dH2O 0 2nmM H2 为2M protein 为百万原子 Atom 化学变化中最小微粒 二 原子的结构 1879年J JThomson发现电子 electron 揭示了原子内部秘密1911年E Rutherford提出原子结构有核模型1913年N Bohr将Bohratomicmodel 描述原子中一个电子的空间和能量 可用四个量子数 quantumnumbers 表示 核外电子的排布 electronconfiguration 规律 三 元素周期表 periodicTableoftheElements 元素 Element 具有相同核电荷的同一类原子总称 共116种 核电荷数是划分元素的依据同位素 Isotope 具有相同的质子数和不同中子数的同一元素的原子元素有两种存在状态 游离态和化合态 FreeState CombinedForm 7个横行 Horizontalrows 周期 period 按原子序数 AtomicNumber 递增的顺序从左至右排列18个纵行 column 16族 Group 7个主族 7个副族 1个 族 1个零族 InertGases 最外层的电子数相同 按电子壳层数递增的顺序从上而下排列 原子序数 核电荷数周期序数 电子壳层数主族序数 最外层电子数零族元素最外层电子数为8 氦为2 价电子数 Valenceelectron 2原子间的键合 Bondingtypewithotheratom 一 金属键 Metallicbonding 典型金属原子结构 最外层电子数很少 即价电子 valenceelectron 极易挣脱原子核之束缚而成为自由电子 Freeelectron 形成电子云 electroncloud 金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属键 特点 电子共有化 既无饱和性又无方向性 形成低能量密堆结构 性质 良好导电 导热性能 延展性好 二 离子键 Ionicbonding 多数盐类 碱类和金属氧化物 特点 以离子而不是以原子为结合单元 要求正负离子相间排列 且无方向性 无饱和性 性质 熔点和硬度均较高 良好电绝缘体 三 共价键 covalentbonding 亚金属 C Si Sn Ge 聚合物和无机非金属材料实质 由二个或多个电负性差不大的原子间通过共用电子对而成 特点 饱和性配位数较小 方向性 s电子除外 性质 熔点高 质硬脆 导电能力差 实质 金属原子带正电的正离子 Cation 非金属原子带负电的负离子 anion e 四 范德华力 Vanderwaalsbonding 包括 静电力 electrostatic 诱导力 induction 和色散力 dispersiveforce 属物理键 系次价键 不如化学键强大 但能很大程度改变材料性质 五 氢键 Hydrogenbonding 极性分子键存在于HF H2O NH3中 在高分子中占重要地位 氢原子中唯一的电子被其它原子所共有 共价键结合 裸露原子核将与近邻分子的负端相互吸引 氢桥介于化学键与物理键之间 具有饱和性 3高分子链 HighpolymerChain 近程结构 short rangeStructure 一 结构单元的化学组成 theChemistryofmerunits 1 碳链高分子聚乙烯 主链以C原子间共价键相联结加聚反应制得如聚乙烯 聚氯乙烯 聚丙烯 聚甲基丙稀酸甲酯 聚丙烯 2 杂链高分子涤纶 主链除C原子外还有其它原子如O N S等 并以共价键联接 缩聚反应而得 如聚对苯二甲酸乙二脂 涤纶 聚酯聚胺 聚甲醛 聚苯醚 聚酚等 3 元素有机高分子硅橡胶主链中不含C原子 而由Si B P Al Ti As等元素与O组成 其侧链则有机基团 故兼有无机高分子和有机高分子的特性 既有很高耐热和耐寒性 又具有较高弹性和可塑性 如硅橡胶 4 无机高分子二硫化硅聚二氯 氮化磷 主链既不含C原子 也不含有机基团 而完全由其它元素所组成 这类元素的成链能力较弱 故聚合物分子量不高 并易水解 二 高分子链结构单元的键合方式 bondingtape 1 均聚物结构单元键接顺序单烯类单体中除乙烯分子是完全对称的 其结构单元在分子链中的键接方法只有一种外 其它单体因有不对称取代 故有三种不同的键接方式 以氯乙烯为例 头 头 尾 尾 头 尾 双烯类高聚物中 则更复杂 除有上述三种 还依双键开启位置而不同 2 共聚物的序列结构 Copolymers 按结构单元在分子链内排列方式的不同分为 三 高分子链的结构 structure 不溶于任何溶剂 也不能熔融 一旦受热固化便不能改变形状 热固性 thermosetting 四 高分子链的构型 Molecularconfigurations 链的构型系指分子中原子在空间的几何排列 稳定的 欲改变之须通过化学键断裂才行 旋光异构体 stereoisomerism 由烯烴单体合成的高聚物在其结构单元中有一不对称C原子 故存在两种旋光异构单元 有三种排列方式 几何异构 Geometricalisomerism 双烯类单体定向聚合时 可得到有规立构聚合物 但由于含有双键 且双键不能旋转 从而每一双就可能有 顺式 反式 两种异构体之分 对于大分子链而言就有 称为几何异构 二甲基丁二烯 二甲基丁二烯 远程结构 Long rangeStructure 一 高分子的大小 MolecularSize 高分子的相对分子质量M不是均一的 具有多分散性平均相对分子质量 高分子链中重复单元数目称为聚合度 不仅影响高分子溶液和熔体的流变性质 对加工和使用也有很大影响 数均相对分子量 每链节的质量 对力学性能 起决定作用 二 高分子的形状 Molecularshape 主链以共价键联结 有一定键长d和键角 每个单键都能内旋转 Chaintwisting 故高分子在空间形态有mn 1 m为每个单键内旋转可取的位置数 n为单键数目 统计学角度高分子链取伸直 straight 构象几率极小 呈卷曲 zigzag 构象几率极大高分子链的总链长均方根 三 影响高分子链柔性的主要因素 themaininfluencingfactorsonthemolecularflexibility 高分子链能改变其构象的性质称为柔性 Flexibility 习题 第一章1 原子核外电子的空间位置和能量 应从哪几方面来进行描述 核外电子的排布应遵循哪些规律 2 用原子结构的知识 说明元素周期表里的 周期 和 族 是按什么划分的 对于同周期和同主族元素而言 元素的金属性和非金属性是怎么递变的 Ag和Au的电子结构类似 你认为何者较稳定 为什么 3 已知某元素原子序数为32 根据原子的电子结构知识 试指出它属于哪个周期 哪一族 是什么元素 4 原子间的结合键共有几种 其特点如何 5 铬的原子序数为24 它共有四种同位素 4 31 的Cr原子含有26个中子 83 76 含有28个中子 且2 38 含有30个中子 试求铬的原子量 6 铂的原子序数为78 它在5d电子亚层中只有9个电子 并且在5f电子亚层中没有电子 试从原子结构来决定出Pt的价数 7 右下图绘出三类材料 金属 离子晶体和以范德瓦尔键结合的材料之能量 距离曲线 试指出它们代表何种材料 8 简述高分子链结构 包括近程结构和远程结构 热塑性和热周期性树脂的特点 E 第二章固体结构 SolidStructure 金的AFM照片 1晶体学基础 BasisFundamentalsofcrystallography 晶体结构的基本特征 原子 或分子 离子 在三维空间呈周期性重复排列 periodicrepeatedarray 即存在长程有序 long rangeorder 性能上两大特点 固定的熔点 meltingpoint 各向异性 anisotropy 一 晶体的空间点阵 Spacelattice 1 空间点阵的概念将晶体中原子或原子团抽象为纯几何点 阵点latticepoint 即可得到一个由无数几何点在三维空间排列成规则的阵列 空间点阵 spacelattice 特征 每个阵点在空间分布必须具有完全相同的周围环境 surrounding 2 晶胞 Unitecells 代表性的基本单元 最小平行六面体 smallrepeatentities 选取晶胞的原则 选取的平行六面体应与宏观晶体具有同样的对称性 平行六面体内的棱和角相等的数目应最多 当平行六面体的棱角存在直角时 直角的数目应最多 在满足上条件 晶胞应具有最小的体积 简单晶胞 初级晶胞 只有在平行六面体每个顶角上有一阵点复杂晶胞 除在顶角外 在体心 面心或底心上有阵点 3 晶系与布拉菲点阵 CrystalSystemandBravaisLattice 七个晶系 14个布拉菲点阵 底心单斜 简单三斜 简单单斜 底心正交 简单正交 面心正交 体心正交 简单菱方 简单六方 简单四方 体心四方 简单立方 体心立方 面心立方 4 晶体结构与空间点阵 二 晶向指数和晶面指数 MillerIndicesofCrystallographicDirectionandPlanes 1 阵点坐标 求法 1 确定坐标系2 过坐标原点 作直线与待求晶向平行 3 在该直线上任取一点 并确定该点的坐标 x y z 若某一坐标值为负 则在其上加一负号 4 将此值化成最小整数u v w并加以方括号 uvw 即是 代表一组互相平行 方向一致的晶向 2 晶向指数 Orientationindex 求法 1 在所求晶面外取晶胞的某一顶点为原点o 三棱边为三坐标轴x y z2 以棱边长a为单位 量出待定晶面在三个坐标轴上的截距 若某一截距为负 则在其上加一负号 3 取截距之倒数 并化为最小整数h k l并加以圆括号 hkl 即是 代表一组互相平行的晶面 指数相同符号相反晶面互相平行 晶面族 hkl 晶体学等价的晶面总合 3 晶面指数 IndicesofCrystallographicPlane 4 六方晶系指数 Indicesofhexagonalcrystalsystemorhexagonalindices 三坐标系四轴坐标系a1 a2 ca1 a2 a3 c 120 120 120 5 晶带 Crystalzone 所有相交于某一晶向直线或平行于此直线的晶面构成一个 晶带 crystalzone 此直线称为晶带轴 crystalzoneaxis 所有的这些晶面都称为共带面 晶带轴 nvw 与该晶带的晶面 hkl 之间存在以下关系hu kv lw 0 晶带定律凡满足此关系的晶面都属于以 hkl 为晶带轴的晶带 6 晶面间距 Interplanarcrystalspacing 两相邻平行晶面间的垂直距离 晶面间距 用dhkl表示从原点作 hkl 晶面的法线 则法线被最近的 hkl 面所交截的距离即是 上述公式仅适用于简单晶胞 对于复杂晶胞则要考虑附加面的影响 fact当 hkl 不为全奇 偶数时 有附加面 通常低指数的晶面间距较大 而高指数的晶面间距则较小 bcc当h k l 奇数时 有附加面 六方晶系 立方晶系 点群 pointgroup 晶体中所有点对称元素的集合根据晶体外形对称性 共有32种点群空间群 spacegroup 晶体中原子组合所有可能方式根据宏观 微观对称元素在三维空间的组合 可能存在230种空间群 分属于32种点群 三 晶体的对称性crystallinesymmetrysymmetrizationofcrystals若干个相同部分假想的几何要素 变换重合复原对称性 晶体的基本性质对称性元素 symmetryelements 四 极射投影Stereographicprojection极射投影原理 principle 参考球 极点 极射面 大图 基图Wulff网 wullfnet 经线 纬线 2 等分 沿基圆读数 只有两极点位于吴氏经线或赤道上才能正确度量晶面 晶向间夹角标准投影 以某个晶面 投影面作出极射投影图 001 五 倒易点阵 Reciprocallattice 布拉格方程 n 2dsin 寻求一种新的点阵 抽象 使其每一阵点对应着实际点阵中的一定晶面 而且既能反映该晶面的取向 又能反映其晶面间距 晶体点阵 正点阵 三个基矢a b c与其相应的倒易点阵的基矢a b c 之间的关系如下 a b c 与a b c的关系示意图 习题 1 标出出面心立方晶胞中 111 面上各点的坐标 320 112 面及 110 011 112 211 方向2 计算立方晶系 包括简单立方 面心立方 体心立方 d 345 和六方晶系d 1122 的晶面间距3 作出立方晶系 111 晶面族的所有晶面4 为什么密排六方结构属于简单六方点阵 画出 1012 2111 面和 1120 2111 方向5 正交点阵中画出以 001 为晶带轴的所有晶面 2金属的晶体结构 CrystalStructureofMetals 体心立方点阵 面心立方点阵 密排六方点阵 表2 5三种典型金属结构的晶体学特点 晶胞中的原子数 Numberofatomsinunitcell 点阵常数 latticeparameter a c原子半径 atomicradius R配位数 coordinationnumber N 致密度 Efficiencyofspacefilling 轴比 axialratio c a 堆垛 Stacking 密排结构 close packedcrystalstructure 最密排面 close packedplaneofatoms fcc 111 ABCABCABC hcp 0001 ABABABAB 间隙 Interstice 四 八面体间隙 fcc hcp间隙为正多面体 且八面体和四面体间隙相互独立bcc间隙不是正多面体 四面体间隙包含于八面体间隙之中 tetrahedraloctahedral interstice 图2 32面心立方结构中的间隙 图2 33体心立方结构中的间隙 图2 34密排六方结构中的间隙 多晶型转变 allotropictransformation 同素异构转变 一 固溶体Solidsolution固溶体 溶质原子 soluteatom 溶入基体 matrix 中所形成的均匀结晶相 晶体结构保持基体金属的结构 置换固溶体Substitutionalsolidsolution 间隙固溶体Interstitialsolidsolution 按溶质原子位置分固溶体 3合金的相结构PhaseconstitutionofAlloys 第一类固溶体primarysolidsolution 第二类固溶体secondarysolidsolution 按溶剂 solvent 类别分 1 置换固溶体Substitutionalsolidsolution溶质原子置换了部分的溶剂原子影响溶解度的因素 组元的晶体结构crystalstructureofcomponents晶体结构相同是组元之间形成无限固溶体的必要条件 原子尺寸因素thesizefactoreffect r 14 15 才有可能形成溶解度较大甚至无限固溶的固溶体 化学亲和力 电负性因素 theelectrochemicaleffect在不形成化合物的条件下 电负性差值增大 溶解度增大在形成化合物的条件下 电负性差值增大 溶解度减小 电子浓度 原子价因素 therelativevalencyeffect合金中各组元的价电子总和 e 与组元的原子数总和 a 之比 V v分别为溶剂 溶质原子价 NbMoRhPd56910 溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体 间隙固溶体溶质原子 R 0 1nm 如 HBCNO0 0460 0970 0770 0710 060溶剂元素大多为过渡族元素有限固溶体溶解度与溶剂元素的晶格类型密切相关C在 Fe bcc 0 0218wt Fe fcc 2 11wt 2 间隙固溶体Interstitialsolidsolution 短程有序参数 B周围出现A原子的几率大于其它原子倾向于以异类原子为邻 B周围出现A原子的几率小于其它原子倾向于以同类原子为邻 3 有序固溶体Orderedsolidsolution 长程有序固溶体 LongRangeOrder 超结构 superlattice superstructure 超结构的结构类型fccCuAu 型385 以下形成CuAu 型385 410 以下形成 b bccFe AlCuZn c hcpMg Cd Cu3Au 型390 有序化 长程有序参数 或 P A 或B 原子正确位置上出现A B 原子几率 完全有序时P 1S 1 最大值完全无序时P XAS 1 0 1 温度升高 原子热运动提高 S降低2 冷却速度Tc以上温度快速冷却 无序3 合金成分例 对CuAu合金Cu Au 3 1或1 1时完全有序 有序化影响因数 4 固溶体的性质Propertiesofthesolidsolution 点阵畸变点阵常数间隙原子 固溶强化HV 物理化学性能 电极电位 有序化影响 HV磁性 中间相 两组元A和B组成合金时 除了形成以A为基或以B为基的固溶体外 还可以形成晶体结构与A B两组元均不相同的新相 由于它们在二元相图的位置是位于中间 故通常把这些相称为中间相 金属化合物 metallicCompounds 金属间化合物 IntermetallicCompounds 二中间相IntermediatePhase 中间相的特征 具有不同于组元的晶体结构可用化学分子式表示但并不一定符合化合价规律原子间的结合方式 金属键 其他键 混合 具有金属性 1 正常价化合物 electrochemicalcompounds M 族元素按化学上的正常原子价规律形成成分可用分子式来表示 Mg2Pb Mg2Sn Mg2Ge Mg2Si 如CuZn Fe3C 负电性差愈大 化合物愈稳定 愈趋于离子键结合负电性差愈小 化合物愈不稳定 愈趋于金属键结合 A2B 或AB2 A3B2 NaCl或ZnS结构 反CaF2或CaF2结构 反M2O3型结构 2 电子化合物electroncompoundsHume Rottery 对应于同类分子式的离子化合物结构特点 凡具有相同电子浓度 则相的晶体结构类型相同 不符合化合价规律 但也可用分子式表示原子间结合以金属键为主 具有明显的金属性 3 原子尺寸因素化合物SizefactorCompounds 1 间隙相和间隙化合物InterstitialPhaseandCompounds 过渡族金属 C H N O B r 0 1nm a 间隙相InterstitialPhase 简单晶体结构fcc hcp 非金属原子进入四面体间隙 非金属原子进入八面体间隙 非金属原子填满密堆结构 fcc和hcp 八面体间隙 非金属原子填满密堆结构 fcc和hcp 四面体间隙 在fcc中非金属原子占据一个八面体间隙 在hcp中非金属原子占据一半八面体间隙 未填满 b 间隙化合物InterstitialCompounds 复杂的晶体结构 M3C 如Fe3C 渗碳体 Cementite 每个晶胞原子数16个 12个Fe 4个C Fe Fe呈金属键 Fe C即有金属键也有离子键M7C3 如Cr7C3M23C6 如Cr23C6M6C 如Fe3W3C Fe4W2C 属正交晶系a 4 524 b 5 089 c 6 743 2 拓扑密堆相Topologicalclose packedphase由两种大小不同的原子所构成的一类中间相 其中大小原子通过适当的配合构成空间利用率和配位数很高的复杂结构 具有拓扑学特点 a 结构特点大小原子的适当配合 由四面体间隙组成的晶体点阵 配位数可以达12 14 15及16 配位多面体 把晶体点阵中一个原子周围最近邻原子的中心彼此用直线连接起来所构成的多面体特点 凸出的面 呈三角形 每个顶角至少连接五个三角形 20面体 30棱边 24面体 36棱边 26面体 39棱边 28面体 42棱边 原子密堆层TCP相可以看作由两种排列不同的原子层相间地组成密集层状结构 主层系由三角形 四边形 六边形组成起来的网状结构 系由原子半径较小组元构成的密堆层 次层则由较大原子组成并分布于主层的大空隙中 由小原子组成三维配位多面体的中心位置 网格结构可用如下符号表示 36 63 3 6 3 6 32 4 3 4 典型分子式AB2理论上原子半径比且一定晶体结构对应着一定的电子浓度 对高度合金化不锈耐热钢 铁基高温合金和Ni基高温合金中均有发现 呈针状析出于基体 对性能通常不利 但在Mg合金中它是重要的强化相 b TCP相举例 Lavers相 LavesPhase MgCu2 MgZn2 MgNi2复杂立方复杂六方复杂六方 如 相 SigmaPhase 存在于过渡族金属元素组成的合金中 其分子式为AB或AxBy 复杂四方结构 c a 0 52 每个晶胞有30个原子在Ni基高温合金 NiCr不锈钢 耐热钢中均有发现 呈片状 硬而脆 使塑性恶化 习题 1 归纳总结三种典型的金属晶体结构的晶体学特性2 试证明理想密排六方结构的轴比c a 1 6333 试导出fcc和bcc的八面体间隙和四面体间隙大小计算式4 Cu具有fcc结构 其密度为8 9 103Kg m3 相对原子质量为63 546 求铜的原子半径 5 a 按晶体的刚球模型 若球的直径不变 当Fe从fcc转变为bcc时 计算其体积膨胀多少 b 经x射线衍射测定 在912 时 Fe的a 0 2892nm Fe的a 0 3633nm 计算从 Fe转变为 Fe时 其体积膨胀为多少 与a 相比 说明其差别原因 6 根据下表所给之值 确定哪一种金属可以作为溶质与Ti形成溶解度较大的固溶体 7 Cu Zn及Cu Sn组成固溶体最多可含多少百分比的Zn或Sn 若Cu中已溶入10 Zn at 最多还可以固溶多少Sn 8 试对比分析间隙固溶体与间隙相形成条件的异同 结构与性能的特点 这类晶体是以正离子 cation 负离子 anions 为结合单元 即依靠正 负离子之间的库仑作用结合 例如NaCl晶体Na Cl 为单元结合成的 陶瓷材料 Ceramics 的晶体结构 大多属离子晶体 部分则为共价晶体 离子键没有方向性和饱和性离子晶体的配位数也较高典型结构有四种 AB AB2 A2B3 AB2O4 4 离子晶体结构IonicCrystal 典型的离子晶体 1 Pauling第一规则 负离子配位多面体规则在离子晶体中 正离子 cations 的周围形成一个负离子 anions 配位多面体 正负离子间的平衡距离取决于离子半径之和 而正离子的配位数则取决于正负离子的半径比 r r 0 0 1550 155 0 2550 255 0 4140 414 0 7320 732 11配位数2346812形状哑铃状三角形四面体八面体立方体立方八面体2 Pauling第二规则 电价规则 离子晶体的结构规则Pauling运用离子键理论 在实验基础上总结了如下规则 3 Pauling第三规则 负离子多面体共用顶 棱和面规则在一个配位结构中 共用棱特别是共用面的存在 结构稳定性降低 对电价高 配位数低的正离子 此效应尤为显著 4 Pauling第四规则 不同种类正离子多面体间连接规则在含多种正负离子的离子晶体中 电价高 配位数低的正离子配位多面体间 尽量互不结合5 Pauling第五规则 节约规则同一晶体同种正离子与同种负离子的结合方式应最大限度的趋于一致 一 NaCl SodiumChloride 型结构RockSaltstructure由Na 和Cl 各自组成的两个fcc叠加而成的 其中一个不动 而另一个fcc的所有阵点都相对于第一个点阵平移一个点阵矢量 每个Na 被6个Cl 所包围 反之亦然 即配位数为6 每个原胞中只含一个NaCl分子 属于这类结构的还有KCl LiF PbS 氧化物 MgO CaO BaO CdO MnO FeO CoO NiO 氮化物 TiN NaN ScN CrN ZrN 碳化物 TiC等 二 荧石 CaF2 型结构FluoriteCrystalStructure属fcc晶格 a 0 545nm Ca2 处在立方体的顶角和各面心位置 形成fcc结构 F 填充了全部的四面体空隙 构成了 FCa4 四面体 若F 作简单立方堆积 Ca2 填于半数的立方体空隙中 则构成 CaF8 立方体 Ca2 配位数为8 立方体之间共棱连接 即Ca2 构成一套完整的面心立方格子 F 构成了两套fcc格子 它们在体对角线1 4和3 4处互相穿插而成 属CaF2型结构的化合物有ThO2 CeO2 UO2等 ZrO2可以看成是扭曲的CaF2型结构 三 氯化铯型结构CesiumChlorideStructureCs 和Cl 各自组成简单立方 套配而成的复式简单立方点阵 而不是体心立方点阵 在CsCl结构的一个晶胞中只包含一个基元 一个CsCl分子 故其晶胞即为原胞 属于CsCl型结构的还有TlBr TlI等 四 Al2O3 刚玉 型结构属三方晶系 菱方 O 处于密排六方结构的结点上 而Al 则位于八面体空隙中 只填满空隙的2 3 因此 每三个相邻的八面体空隙 有一个是空着的 还要求铝离子之间的间距最大 每一个Al 被6个O 所包围 而每一个O 同时被四个铝氧八面体 AlO6 所共有 配位数6 4 属于刚玉型结构的化合物有 Fe2O3 Cr2O3 Ga2O3 图 Al2O3的结构 a 晶体结构 b 密堆积模型 离子晶体依靠较强的静电库仑力而结合 故结构甚为稳固 它的结合能通常比较大 约为800kJ mol 离子晶体结合稳定性导致它具有导电性差 熔点高 硬度高和膨胀系数小等特点 大多数离子晶体对可见光是透明的 但在远红外区域则有特征吸收峰 ABO3 CaTiO3 钙钛矿 型结构CaCO3 方解石 型结构 图 钙钛矿型结构 a 晶胞结构 b 配位多面体的连接和Ca2 配位数为12的情况 图 尖晶石的单位晶胞 AB2O4 MgAl2O4尖晶石 Spinel 五 硅酸盐 Silicate 晶体结构 基本特点 基本结构单元 SiO4 4 四面体Silicon oxygentetrahedron每个O2 最多只能为两个 SiO4 4 四面体所共有可共用四面体顶点彼此连接成单链 双链或成层状 网状复杂结构 不能共棱和共面连接 且同一类硅酸盐中 SiO4 4 四面体间连接只有1种 SiO4 4 四面体中的Si O Si结合键通常呈键角为145 的折线 图 SiO4 4 四面体 按 SiO4 4 的不同组合分为1 孤岛状硅酸盐特点 SiO4 4 以孤立态存在 即 SiO4 4 只通过与其他正离子连接 而使化合物达到饱和 可以是单一四面体 成对或环状四面体Mg2 SiO4 镁橄榄石 forsterite 2 组群状硅酸盐特点 通过共用氧而连接成2个 3个 4个或6个硅氧组群 图 孤立的有限硅氧四面体群的各种形状 3 链状硅酸盐特点 通过桥氧在一维方向伸展或单链或双链 图 链状硅酸盐结构 a 单链 b 双链 4 层状硅酸盐特点 SiO4 4 的某一面在平面内以共用顶点方式连接成六角对称的二维结构即层状结构 5 架状硅酸盐特点 每个 SiO4 4 四面体中的氧离子全部都被共用 SiO4 4 四面体连成无限六元环状 图 层状硅酸盐中的四面体 5 共价晶体结构CovalentCrystal周期表中 族元素C Si Ge Sn的晶体属于共价晶体结构 共价键结合 其特点是共用价电子使原子的外壳层满足稳定的8个电子 故在共价晶体中 符合8 N原则 N为该原子的价电子数 具有饱和性 一 金刚石结构碳的价电子数为4 按8 N规则 其配位数为8 4 4复杂立方晶体结构该结构可视为两个面心立方晶胞沿体对角线相对位移1 4长度穿插而成 碳原子在胞内除按fcc排列之外 在相当于fcc内四个四面体间隙位置处还各有一个碳原子 故每个晶胞内原子数为8 a 共价键 b 晶胞 c 底面上的投影图 金刚石结构 二 SiO2结构高温时呈面心立方结构 在单胞中每一硅原子被4个氧原子所包围 而每个氧原子则介于两个硅原子之间 起着搭桥作用连接着两个四面体 SiO2在空间形成网络结构 单胞共有24个原子 8个Si4 16个O2 简化成面心立方点阵时每一阵点包含6个原子 4O2 2Si4 在SiC晶体结构与金刚石结构相同 只不过Si原子取代了复杂立方晶体结构中位于四面体间隙中的C原子 图 第VA族元素As Sb Bi的晶体结构 三 A A族的亚金属如砷 As 碲 Te 等根据配位数8 N规则 相邻原子以共价键结成链状或层状排列结构 而各层或链之间则以金属键或范德华键结合 As Sb Bi的晶体结构属菱方结构 A7 配位数为3 5 聚合物晶态结构PolymerCrystalStructure 聚集态结构 晶态结构 非晶态 无定形 结构 特点 聚合物晶态总是包含一定量的非晶相 聚集态结构不仅与大分子链本身的结构有关 而且强