第三章第四節(jié)-無(wú)機(jī)非金屬材料的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)-副本_第1頁(yè)
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文檔簡(jiǎn)介

3.4無(wú)機(jī)非金屬材料的組成與結(jié)構(gòu)3.4.1材料的一般分類(lèi)材料無(wú)機(jī)非金屬材料金屬材料Fe、Cu、Al、合金等

高分子材料:塑料、橡膠、纖維、涂料、粘合劑傳統(tǒng)無(wú)機(jī)非金屬材料新型無(wú)機(jī)非金屬材料水泥玻璃陶瓷等發(fā)光材料等高溫結(jié)構(gòu)陶瓷光導(dǎo)纖維一.傳統(tǒng)無(wú)機(jī)非金屬材料---硅酸鹽材料

以含硅物質(zhì)為原料經(jīng)加熱制成的制造工業(yè)-硅酸鹽工業(yè)

2、玻璃3、陶瓷4、耐火材料

1、水泥水泥玻璃陶瓷主要原料主要設(shè)備反應(yīng)條件反應(yīng)原理主要成分特性水泥、玻璃、陶瓷生產(chǎn)比較石灰石.粘土回轉(zhuǎn)爐高溫復(fù)雜的物理、化學(xué)變化3CaO·SiO22CaO·SiO23CaO·Al2O3水硬性石英.純堿石灰石玻璃熔爐高溫Na2CO3+SiO2==Na2SiO3+CO2CaCO3+SiO2===CaSiO3+CO2Na2SiO3CaSiO3SiO2玻璃態(tài)物質(zhì)粘土陶瓷窯高溫復(fù)雜的物理化學(xué)變化成分復(fù)雜抗氧化.酸堿.腐蝕耐高溫.絕緣7.陶瓷主要種類(lèi):土器:磚瓦(自然冷卻,F(xiàn)e2O3含量較多)(淋水冷卻,F(xiàn)e3O4、FeO較多)陶器:彩陶瓷器:碗盤(pán)茶具炻器:水缸、砂鍋②搪瓷不屬于陶瓷紅瓦青瓦

西周原始瓷尊唐三彩騎駝人俑唐三彩紅立馬課堂練習(xí)1.下列物質(zhì):①水泥②玻璃③陶瓷④水晶,其中屬于硅酸鹽工業(yè)產(chǎn)品的是(

)A只有①②B只有②④C全部D只有①②③D2.在玻璃、水泥工業(yè)生產(chǎn)中,都需要的原料是()。A.石灰石B.純堿

C.粘土D.石英A3.下列物質(zhì)屬于純凈物的是①水玻璃②水泥③玻璃④漂白粉⑤膽礬⑥氯水⑦液氯()A、①④

B、①⑤C、①⑤⑥

D、⑤⑦D4.與鋼化玻璃成分相同的是()A有色玻璃B普通玻璃

C石英玻璃D光學(xué)玻璃B5.熔融燒堿應(yīng)選用的儀器是:()

A、石英坩堝B、普通玻璃坩堝C、生鐵坩堝D、陶瓷坩堝C(一)新型無(wú)機(jī)非金屬材料1.傳統(tǒng)的硅酸鹽材料有什么優(yōu)、缺點(diǎn)?

優(yōu)點(diǎn):抗腐蝕、耐高溫;缺點(diǎn):質(zhì)脆、經(jīng)不起熱沖擊。

2.新型無(wú)機(jī)非金屬材料有哪些特性?

①承受高溫,強(qiáng)度高。

②具有光學(xué)特性。③具有電學(xué)特性。

④具有生物功能。

2、新型無(wú)機(jī)非金屬材料的特性1.能承受高溫、強(qiáng)度高。例如:氮化硅陶瓷在1200℃左右的高溫下,仍具有很高的強(qiáng)度,可用來(lái)制造汽輪機(jī)葉片、軸承、永久性模具等。2.具有電學(xué)特性,一些新型無(wú)機(jī)非金屬材料可以作為半導(dǎo)體、導(dǎo)體、超導(dǎo)體等,一些絕緣性材料常被用于集成電路的基板。3.具有光學(xué)特性。有些新型無(wú)機(jī)非金屬材料能發(fā)出各色的光,有的能透過(guò)可見(jiàn)光,有的能使紅外線(xiàn)、雷達(dá)射線(xiàn)穿過(guò)。處于高溫下的光導(dǎo)纖維4.具有生物特性。有些新型無(wú)機(jī)非金屬材料強(qiáng)度高、無(wú)毒、不溶于水,對(duì)人體組織有較好的適應(yīng)性,可直接植入人體內(nèi),用這類(lèi)材料制成的人造牙齒、人造骨骼,已被應(yīng)用在醫(yī)療上。人造關(guān)節(jié)兩種新型無(wú)機(jī)非金屬材料簡(jiǎn)介1、高溫結(jié)構(gòu)陶瓷

a.氧化鋁陶瓷高壓鈉燈氧化鋁陶瓷氧化鋁陶瓷(人造剛玉)主要特性①高熔點(diǎn);②高硬度;③可制成透明陶瓷;④無(wú)毒、不溶于水,強(qiáng)度高;⑤對(duì)人體有較好的適應(yīng)性

主要用途高級(jí)耐火材料,剛玉球磨機(jī);高壓鈉燈的燈管、人造骨、人造牙、人造心瓣膜、人造關(guān)節(jié)等b.氮化硅陶瓷主要特性①超硬度,耐磨損;②抗腐蝕,高溫時(shí)也抗氧化;③抗冷熱沖擊而不碎裂;④耐高溫且不易傳熱;⑤本身具有潤(rùn)滑性

主要用途制造軸承、汽輪機(jī)葉片、機(jī)械密封環(huán)、永久性模具等機(jī)械構(gòu)件。用于制造柴油機(jī)中發(fā)動(dòng)機(jī)部件的受熱面等陶瓷軸承陶瓷機(jī)械零件B、光導(dǎo)纖維光導(dǎo)纖維(二氧化硅)主要特性①抗干擾性能好,不發(fā)生輻射;②通訊質(zhì)量好;③質(zhì)量輕、耐腐蝕主要用途用于通訊外,還用于醫(yī)療、信息處理、遙測(cè)遙控等4、下列哪些材料是新型無(wú)機(jī)材料①氧化鋁陶瓷②氮化硅陶瓷③碳化硅陶瓷④氮化鋁陶瓷⑤氮化鈦陶瓷⑥硅化硼陶瓷⑦二硅化銅陶瓷()A①②③B①③④⑤C①⑤⑥D(zhuǎn)全部D無(wú)機(jī)非金屬材料組成與結(jié)構(gòu)3.4.23.4.2.1無(wú)機(jī)非金屬材料的組成與結(jié)合鍵結(jié)合鍵化學(xué)鍵物理鍵離子鍵、共價(jià)鍵、金屬鍵氫鍵、范德華力鍵無(wú)機(jī)非金屬材料結(jié)構(gòu)中,主要含有離子鍵、共價(jià)鍵和既含離子鍵又含共價(jià)鍵的混合價(jià)鍵。由此把晶體分成5種典型類(lèi)型:離子晶體、共價(jià)晶體(原子晶體)、金屬晶體、分子晶體、氫鍵晶體。NaCl晶體結(jié)構(gòu)中的離子鍵和晶胞結(jié)構(gòu)一、離子鍵1.離子鍵實(shí)質(zhì)

離子鍵:由正、負(fù)離子依靠靜電庫(kù)侖力而產(chǎn)生的鍵合。離子晶體:質(zhì)點(diǎn)之間主要依靠靜電庫(kù)侖力而結(jié)合的晶體。2.典型離子晶體:金屬元素同非金屬元素的化合物:LiF、NaCl、GaF2二元金屬氧化物:Na2O、BaO、MgO三元或多元化合物:鎂鋁尖晶石MgOAl2O3

鋯鈦酸鋁Pb2(ZrxTi1-x)O33.離子鍵特性(1)無(wú)方向性(2)無(wú)飽和性單質(zhì)Si:Si-Si鍵為共價(jià)鍵。1個(gè)4價(jià)Si原子,與其周?chē)?個(gè)Si原子共享最外層的電子,從而使每個(gè)Si原子最外層獲得8個(gè)電子。1對(duì)共有電子代表1個(gè)共價(jià)鍵,所以1個(gè)Si原子有4個(gè)共價(jià)鍵與鄰近4個(gè)Si原子結(jié)合,形成四面體結(jié)構(gòu),其中共價(jià)鍵之間的夾角約為109°。單質(zhì)Si結(jié)構(gòu)中的共價(jià)鍵和晶胞結(jié)構(gòu)二、共價(jià)鍵1.共價(jià)鍵實(shí)質(zhì)

共價(jià)鍵:原子之間通過(guò)共用電子對(duì)或通過(guò)電子云重疊而產(chǎn)生的鍵合。共價(jià)晶體或原子晶體:靠共價(jià)鍵結(jié)合的晶體。

2.典型的共價(jià)晶體:第IV族元素C(金剛石),Si,Ge,Sn(灰錫)等的晶體,屬金剛石結(jié)構(gòu)。3.共價(jià)鍵特性

有飽和性有方向性3.4.2.2晶體結(jié)構(gòu)一、典型無(wú)機(jī)化合物晶體的結(jié)構(gòu)二、硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)7類(lèi)晶系(syngonies)、14種Bravais點(diǎn)陣SyngoniesAxes(a,b,c)Angles(α,β,γ)立方cubic

a=b=ca=b=g=900四方tetragonal

a=b≠cα=β=γ=900六方

hexagonal

a=b≠ca=b=900,g=1200三方triagnoala=b=c(a=b≠c)a=b=g≠900(a=b=900,g=1200)正交orthorhombica≠b≠cα=β=γ=900單斜monoclinica≠b≠cα=β=900≠γ三斜triclinica≠b≠cα≠β≠γ≠900

四面體空隙:在等大球體的最緊密堆積中,由4個(gè)球體所圍成的空隙。

八面體空隙:在等大球體的最緊密堆積中,把組成層間空隙的球心連起來(lái),由6個(gè)球體所圍成的空隙。

四面體空隙和八面體空隙fccfccbccbcc金剛石結(jié)構(gòu)石墨結(jié)構(gòu)NaCl型結(jié)構(gòu)CsCl型結(jié)構(gòu)閃鋅礦型結(jié)構(gòu)纖鋅礦型結(jié)構(gòu)螢石型結(jié)構(gòu)金紅石型結(jié)構(gòu)碘化鎘型結(jié)構(gòu)十.剛玉型結(jié)構(gòu)十一.鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)十二.尖晶石型結(jié)構(gòu)一、典型無(wú)機(jī)化合物晶體的結(jié)構(gòu)一、金剛石結(jié)構(gòu)化學(xué)式C;晶體結(jié)構(gòu)為立方晶系Fd3m,面心立方格子,a0=0.356nm;碳原子位于面心立方的所有結(jié)點(diǎn)位置和交替分布在立方體內(nèi)四個(gè)小立方體中心;每個(gè)晶胞中原子數(shù)Z=8,每個(gè)碳原子周?chē)加?個(gè)碳,之間形成共價(jià)鍵。與其結(jié)構(gòu)相同的有硅、鍺、灰錫、合成立方氮化硼等性質(zhì):硬度最大、具半導(dǎo)體性能、極好的導(dǎo)熱性二、石墨結(jié)構(gòu)石墨(C),六方晶系,P63/mmc,a0=0.146nm,c0=0.670nm,每個(gè)晶胞中原子數(shù)Z=4。結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為碳原子呈層狀排列。層內(nèi)碳原子呈六方環(huán)狀排列,每個(gè)碳原子與三個(gè)相鄰碳原子之間的距離均為0.142nm;層間距離為0.335nm。層內(nèi)為共價(jià)鍵,層間為分子鍵相連。三、NaCl型結(jié)構(gòu)石鹽化學(xué)式NaCl,立方晶系,F(xiàn)m3m,立方面心格子,a0=0.563nm,單位晶胞中的“分子”數(shù)Z=4。陰、陽(yáng)離子以離子鍵結(jié)合,為離子晶體。Cl-按立方最緊密堆積方式堆積,Na+充填于全部八面體空隙中,八面體之間共棱(共用兩個(gè)頂點(diǎn))連接,陰、陽(yáng)離子配位數(shù)均為6。四、CsCl型結(jié)構(gòu)立方晶系Pm3m空間群,a0=0.411nm,Z=1,立方原始格子,Cl-處于立方原始格子的八個(gè)角頂上,Cs+位于立方體中心(立方體空隙),Cl-和Cs+的CN均為8。屬于CsCl型結(jié)構(gòu)的晶體:CsBr、CsI、NH4Cl等五、β-ZnS(閃鋅礦)型結(jié)構(gòu)立方晶系F3m,a0=0.540nm,Z=4,面心立方格子,S2-位于立方面心的結(jié)點(diǎn)位置,而Zn2+交錯(cuò)地分布于立方體內(nèi)的1/8小立方體的中心。陰、陽(yáng)離子的CN均為4,若把S2-看成立方最緊密堆積,則Zn2+充填于1/2的四面體空隙中。屬于閃鋅礦型結(jié)構(gòu)的晶體:-SiC,GaAs,AlP,InSb等六、α-ZnS(纖鋅礦)型結(jié)構(gòu)六方晶系,空間群P63mc,a0=0.382nm,c0=0.625nm,Z=2;陽(yáng)離子和陰離子的配位數(shù)都是4;S2-按六方最緊密堆積排列,Zn2+充填于1/2的四面體空隙中。屬于纖鋅礦型結(jié)構(gòu)的晶體有:BeO、ZnO、AIN等Z=6Z=2七、CaF2(螢石)型結(jié)構(gòu)立方晶系,空間群Fm3m,a0=0.545nm,Z=4;Ca2+位于立方面心的結(jié)點(diǎn)上,F(xiàn)-位于立方體內(nèi)八個(gè)小立方體中心;Ca2+的CN=8,F(xiàn)-的CN=4;Ca2+作立方緊密堆積,F(xiàn)-充填于全部四面體空隙,八面體空隙全部空著,因此在八個(gè)F-之間存在有較大的空洞,為F-的擴(kuò)散提供條件。類(lèi)似晶體:BaF2、PbF2、SnF2、CeO2、ThO2、UO2等反螢石結(jié)構(gòu):晶體結(jié)構(gòu)與螢石完全相同,只是陰、陽(yáng)離子位置完全互換。如Li2O、Na2O、K2O等。八、TiO2(金紅石)型結(jié)構(gòu)四方晶系,P42/mnm,a0=0.459nm,c0=0.296nm,Z=2;Ti4+位于四方原始格子結(jié)點(diǎn)位置,體中心Ti4+不屬此四方原始格子,而自成另一套四方原始格子,因?yàn)檫@兩個(gè)Ti4+周?chē)h(huán)境不同,不能成為四方體心格子,O2-處于特定位置;

Ti4+的配位數(shù)為6,O2-的配位數(shù)為3。Ti-O八面體以共棱方式排成鏈狀,晶胞中心的鏈和四角的Ti-O八面體鏈的排列方向相差90°

鏈與鏈之間是Ti-O八面體以共頂相連還可以把O2-看成近似六方緊密堆積,而Ti4+位于1/2的八面體空隙中屬于金紅石結(jié)構(gòu)的晶體有:SnO2;PbO2;MnO2;MoO2;WO2;MnF2;MgF2;VO2九、CdI2(碘化鎘)型結(jié)構(gòu)三方晶系,空間群Pm,a0=0.424nm,c0=0.684nm,Z=1;Cd2+占有六方原始格子的結(jié)點(diǎn)位置,I-交叉分布于三個(gè)Cd2+的三角形中心的上、下方;Cd2+的配位數(shù)是6,上下各3個(gè)I-

,I-配位數(shù)是3,3個(gè)Cd2+處于同一邊,因此,該結(jié)構(gòu)相當(dāng)于兩層I-離子夾一層Cd2+

,構(gòu)成復(fù)合層。層間由范德華力相連,是一種較典型的層狀結(jié)構(gòu),層間范德華力較弱,而呈現(xiàn)∥(0001)的解理;層內(nèi)則由于極化作用,Cd-I之間是具有離子鍵性質(zhì)的共價(jià)鍵,鍵力較強(qiáng)。類(lèi)似晶體有:Ca(OH)2;Mg(OH)2;CaI2;MgI2等。Cd2+I-十、α-Al2O3(剛玉)型結(jié)構(gòu)三方晶系,空間群,a0=0.517nm,=55°17′,Z=2O2-按六方緊密堆積排列,形成ABABAB……重復(fù)規(guī)律,Al3+填充于2/3的八面體空隙,Al3+的分布原則符合鮑林規(guī)則:在同一層和層與層之間,Al3+之間的距離應(yīng)保持最遠(yuǎn)。α-Al2O3中的氧與鋁的排列次序可寫(xiě)成:

OAAlDOBAlEOAAlFOBAlDOAAlEOBAlFOAAlD……13層屬于剛玉型結(jié)構(gòu)的晶體:

α-Fe2O3、Cr2O3、Ti2O3、V2O3、FeTiO3

;MgTiO3等十一、CaTiO3(鈣鈦礦)型結(jié)構(gòu)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的通式為ABO3,其中A代表二價(jià)(或一價(jià))金屬離子:Ca2+,Ba2+,Pb2+,B代表四價(jià)(或五價(jià))金屬離子:Ti4+,Zr4+。CaTiO3在高溫時(shí)為立方晶系(理想結(jié)構(gòu)),Pm3m,a0=0.385nm,Z=1;600℃以下為斜方晶系PCmm。Ca2+占有立方面心的角頂位置,O2-占有面心位置,可看成Ca2+

和O2-

共同組成立方緊密堆積,Ti4+充填于1/4的八面體空隙中,位于立方體中心,Ti4+

的CN=6,Ca2+的CN=12。十二、MgAl2O4(尖晶石)型結(jié)構(gòu)AB2O4型化合物中最重要的一種結(jié)構(gòu)是尖晶石結(jié)構(gòu):立方晶系,F(xiàn)d3m,a0=0.808nm,Z=8O2-按立方緊密堆積排列,二價(jià)離子A充填1/8四面體空隙,三價(jià)離子B充填1/2八面體空隙——正型尖晶石結(jié)構(gòu)。八面體間共棱相連,八面體與四面體間是共頂相連。反型尖晶石結(jié)構(gòu):二價(jià)陽(yáng)離子充填八面體空隙,三價(jià)陽(yáng)離子一半充填四面體空隙,另一半充填八面體空隙中。二、硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)(一)硅酸鹽晶體的表示法

氧化物方法無(wú)機(jī)絡(luò)鹽表示法氧化物方法:即把構(gòu)成硅酸鹽晶體的所有氧化物按一定的比例和順序全部寫(xiě)出來(lái),先是1價(jià)的堿金屬氧化物,其次是2價(jià)、3價(jià)的金屬氧化物,最后是SiO2。例如,鉀長(zhǎng)石的化學(xué)式寫(xiě)為K2O·Al2O3·6SiO2;無(wú)機(jī)絡(luò)鹽表示法:把構(gòu)成硅酸鹽晶體的所有離子按照一定比例和順序全部寫(xiě)出來(lái),再把相關(guān)的絡(luò)陰離子用[]括起來(lái)。先是1價(jià)、2價(jià)的金屬離子,其次是Al3+和Si4+,最后是O2-或OH—。如鉀長(zhǎng)石為K[AlSi3O8]。(二)硅酸鹽結(jié)構(gòu)基本特點(diǎn)(1)構(gòu)成硅酸鹽晶體的基本結(jié)構(gòu)單元[SiO4]四面體。Si-O-Si鍵是一條夾角不等的折線(xiàn),一般在145o左右。(2)[SiO4]四面體的每個(gè)頂點(diǎn),即O2-離子最多只能為兩個(gè)[SiO4]四面體所共用。(3)兩個(gè)相鄰的[SiO4]四面體之間只能共頂而不能共棱或共面連接。(4)[SiO4]四面體中心的Si4+離子可部分地被Al3+

所取代。[SiO4]的作用——鏈接。硅氧四面體[SiO4]硅酸鹽晶體化學(xué)式中不同的Si/O比對(duì)應(yīng)基本結(jié)構(gòu)單元之間的不同結(jié)合方式。X射線(xiàn)結(jié)構(gòu)分析表明,硅酸鹽晶體中[SiO4]四面體的結(jié)合方式有島狀、組群狀、鏈狀、層狀和架狀等五種方式。硅酸鹽晶體也分為相應(yīng)的五種類(lèi)型,其對(duì)應(yīng)的Si/O由1/4變化到1/2,結(jié)構(gòu)變得越來(lái)越復(fù)雜,見(jiàn)表1。(三)硅酸鹽結(jié)構(gòu)的分類(lèi)表1硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)類(lèi)型與Si/O比的關(guān)系1.島狀結(jié)構(gòu)[SiO4]以孤島狀存在,各頂點(diǎn)之間互不連接,每個(gè)O2-一側(cè)與1個(gè)Si4+連接,另一側(cè)與其它金屬離子相配位使電價(jià)平衡。結(jié)構(gòu)中Si/O比為1:4。有:鋯石英Zr[SiO4]、鎂橄欖石Mg2[SiO4]、藍(lán)晶石Al2O3·SiO2、莫來(lái)石3Al2O3·2SiO2以及水泥熟料中-C2S、-C2S和C3S等。2.組群狀2個(gè)、3個(gè)、4個(gè)或6個(gè)[SiO4]通過(guò)橋氧相連接形成單獨(dú)硅氧絡(luò)陰離子團(tuán)(有限硅氧四面體群),它們之間再通過(guò)其它金屬離子連接。

(1)橋氧(或公共氧、非活性氧):有限四面體群中連接兩個(gè)Si4+的氧,其電價(jià)已飽和,一般不再與其它正離子配位。(2)非橋氧(或非公共氧、活性氧):只有一側(cè)與Si4+相連接的氧。概念:孤立的有限硅氧四面體群組群狀結(jié)構(gòu)中Si/O比:2:7或1:3雙四面體:硅鈣石Ca3[Si2O7]

鋁方柱石Ca2Al[AlSiO7]

鎂方柱石Ca2Mg[Si2O7]三節(jié)環(huán):藍(lán)錐礦BaTi[Si3O9]六節(jié)環(huán):綠寶石Be3Al2[Si6O18]3.鏈狀結(jié)構(gòu)

[SiO4]通過(guò)橋氧相連接,形成向一維方向無(wú)限延伸的鏈。依照[SiO4]共用O2-數(shù)目不同,分為單鏈和雙鏈。單鏈:每個(gè)[SiO4]通過(guò)共用2個(gè)頂點(diǎn)向一維方向無(wú)限延伸。雙鏈:兩條相同單鏈通過(guò)尚未共用的氧組成帶狀。(a)單鏈結(jié)構(gòu);(b)雙鏈結(jié)構(gòu);(c)(d)(e)為從箭頭方向觀察所得的投影4.層狀結(jié)構(gòu)每個(gè)[SiO4]通過(guò)3個(gè)橋氧連接,構(gòu)成向二維方向伸展的六節(jié)環(huán)狀硅氧層(無(wú)限硅氧四面體群),其中可取出一個(gè)矩形單元[Si4O10]4-,則化學(xué)式:[Si4O10]n4n-。層狀結(jié)構(gòu)硅氧四面體

(a)立體圖(b)投影圖5.架狀結(jié)構(gòu)架狀結(jié)構(gòu)中硅氧四面體的每個(gè)頂點(diǎn)均為橋氧,硅氧四面體之間共頂連接,形成三維“骨架”結(jié)構(gòu)。作為骨架的硅氧結(jié)構(gòu)單元的化學(xué)式為[SiO2]n,其中Si/O為1∶2。架狀玻璃相的作用:填充晶粒間隙、粘結(jié)晶粒,使材料致密。降低燒成溫度,改善工藝性能,抑制晶粒長(zhǎng)大。固體材料結(jié)構(gòu)

晶態(tài):原子周期規(guī)整排列(長(zhǎng)程有序)

非晶態(tài):原子無(wú)規(guī)則排列(短程有序)——玻璃和非金屬在各種無(wú)機(jī)材料中,一般都含有一定數(shù)量的玻璃相。3.4.2.3非晶體結(jié)構(gòu)玻璃的通性一、各向同性二、介穩(wěn)性四、由熔融態(tài)向玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化時(shí),物理、化學(xué)性質(zhì)隨溫度變化的連續(xù)性三、狀態(tài)轉(zhuǎn)化的漸變性和可逆性玻璃相的結(jié)構(gòu)——有多種結(jié)構(gòu)理論門(mén)捷列耶夫:與金屬合金類(lèi)似,沒(méi)有固定化學(xué)組成的無(wú)定形物質(zhì)。微晶子學(xué)說(shuō)哈里阿森:

無(wú)規(guī)網(wǎng)絡(luò)學(xué)說(shuō)泰曼:過(guò)冷液體。索克曼:基本結(jié)構(gòu)單元是具有一定化學(xué)組成的分子聚合體。目前,微晶子學(xué)和無(wú)規(guī)網(wǎng)絡(luò)學(xué)被人們普遍接受。一、微晶學(xué)說(shuō)前蘇聯(lián)學(xué)者列別捷夫1921年提出-實(shí)驗(yàn)依據(jù)1.折射率-溫度曲線(xiàn)學(xué)說(shuō)要點(diǎn)2.鈉硅雙組分玻璃的X射線(xiàn)散射強(qiáng)度曲線(xiàn)3.紅外反射光譜學(xué)說(shuō)要點(diǎn):

玻璃由無(wú)數(shù)的“晶子”組成。所謂“晶子”不同于一般微晶,而是帶有晶格變形的有序區(qū)域,它分散于無(wú)定形的介質(zhì)中,并且“晶子”到介質(zhì)的過(guò)渡是逐漸完成的,兩者之間無(wú)明顯界線(xiàn)。1、未加熱2、618℃保溫1小時(shí)3、800℃保溫10分鐘(670℃保溫20小時(shí))27Na2O-73SiO2的x射線(xiàn)散射強(qiáng)度曲線(xiàn)

第一峰:是石英玻璃衍射的主峰與晶體石英特征峰一致。第二峰:是Na2O-SiO2玻璃的衍射主峰與偏硅酸鈉晶體的特征峰一致。在鈉硅玻璃中,上述兩個(gè)峰均同出現(xiàn)。SiO2的含量增加,第一峰明顯,第二峰減弱;Na2O含量增加,第二峰強(qiáng)度增加。

鈉硅玻璃中同時(shí)存在方石英晶子和偏硅酸鈉晶子,而且隨成分和制備條件而變。提高溫度或保溫時(shí)間延長(zhǎng)衍射主峰清晰,強(qiáng)度增大,說(shuō)明晶子長(zhǎng)大。但玻璃中方石英晶子與方石英晶體相比有變形。結(jié)論二、無(wú)規(guī)則網(wǎng)絡(luò)學(xué)石英玻璃和石英晶體結(jié)構(gòu)模型[SiO4]有著嚴(yán)格的規(guī)則排列[SiO4]排列是無(wú)序的、缺乏對(duì)稱(chēng)性和周期性的重復(fù)。(b)石英玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(a)石英晶體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)石英晶體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖(a)所示,它是由硅氧四面體結(jié)構(gòu)單元無(wú)數(shù)次有規(guī)則的重復(fù)形成的,是長(zhǎng)程有序的結(jié)構(gòu)。石英玻璃的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖(b)所示,它的基本結(jié)構(gòu)單元也是硅氧四面體,但卻組成了無(wú)規(guī)則的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。1、實(shí)驗(yàn)依據(jù)(1)瓦倫對(duì)玻璃的x-衍射圖瓦倫認(rèn)為石英玻璃和方石英中原子間距大致一致。峰值的存在并不說(shuō)明晶體的存在。石英玻璃中沒(méi)有象硅膠一樣的小角度衍射,說(shuō)明它是一種密實(shí)體,結(jié)構(gòu)中沒(méi)有不連續(xù)的離子或空隙。實(shí)驗(yàn)表明:玻璃物質(zhì)主要部分不可能以方石英晶體的形式存在,而每個(gè)原子的周?chē)优湮粚?duì)玻璃和方石英來(lái)說(shuō)都是一樣的。

2、學(xué)說(shuō)要點(diǎn):

(1)形成玻璃的物質(zhì)與相應(yīng)的晶體類(lèi)似,形成相似的三維空間網(wǎng)絡(luò)。

(2)這種網(wǎng)絡(luò)是由離子多面體通過(guò)橋氧相連,向三維空間無(wú)規(guī)律的發(fā)展而構(gòu)筑起來(lái)的。

(3)電荷高的網(wǎng)絡(luò)形成離子位于多面體中心,半徑大的變性離子,在網(wǎng)絡(luò)空隙中統(tǒng)計(jì)分布,對(duì)于每一個(gè)變價(jià)離子則有一定的配位數(shù)。

(4)氧化物要形成玻璃必須具備四個(gè)條件:

A、每個(gè)O最多與兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)形成離子相連。

B、多面體中陽(yáng)離子的配位數(shù)≤4。

C、多面體共點(diǎn)而不共棱或共面。

D、多面體至少有3個(gè)角與其它相鄰多面體共用。兩大學(xué)說(shuō)對(duì)比:兩種假說(shuō)各具優(yōu)缺點(diǎn),兩種觀點(diǎn)正在逐步靠近。統(tǒng)一的看法是——玻璃是具有近程有序、遠(yuǎn)程無(wú)序結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的無(wú)定形物質(zhì)。

晶子假說(shuō)著重于玻璃結(jié)構(gòu)的微不均勻和有序性。

無(wú)規(guī)則網(wǎng)絡(luò)學(xué)說(shuō)著重于玻璃結(jié)構(gòu)的無(wú)序、連續(xù)、均勻和統(tǒng)計(jì)性。它們各自能解釋玻璃的一些性質(zhì)變化規(guī)律。碳化合物1.炭黑

各種炭黑的差異主要在表面積(或粒子大小)、聚集體形態(tài)、粒子和聚集體的質(zhì)量分布和化學(xué)組成等方面。

表面積用來(lái)鑒別和分類(lèi)命名炭黑的重要性質(zhì)之一。表面積用氣相或液相吸附法測(cè)得。最經(jīng)典的測(cè)定方法是低溫氮吸附法(即BET法)。由于氮分子相對(duì)較小,可進(jìn)入炭黑微孔之中,該法測(cè)得的結(jié)果表征炭黑的總表面積。近年來(lái)研究成功大分子吸附法(如CTAB),因大分子不能進(jìn)入微孔,其測(cè)定結(jié)果表征炭黑的外表面積,即“光滑”表面積。大多數(shù)橡膠用炭黑是無(wú)孔的,所以BET測(cè)定結(jié)果和CTAB測(cè)定結(jié)果是一致的。對(duì)某些色素用炭黑,這兩種表面積測(cè)定結(jié)果的差,即表征炭黑的粗糙度或孔隙度。另一種測(cè)定方法─吸碘法也廣泛用于生產(chǎn)控制和產(chǎn)品分類(lèi),其特點(diǎn)是簡(jiǎn)單快速,但測(cè)定結(jié)果受炭黑表面氧化程度的影響。結(jié)構(gòu)炭黑的第二個(gè)重要性質(zhì)。炭黑的結(jié)構(gòu)取決于聚集體尺寸、形狀以及每個(gè)聚集體的粒子數(shù)和平均質(zhì)量。上述這些特性均影響聚集體的堆積狀態(tài)和粉末的空隙容積。通常,炭黑的結(jié)構(gòu)用DBP(dibutylphthalate,鄰苯二甲酸二丁酯)吸油值表示。炭黑在170MPa下壓縮4次后的DBP值,習(xí)慣上稱(chēng)為壓縮吸油值或24M4DBP值。壓縮吸油值更真實(shí)地反映炭黑聚集體在膠料中的狀態(tài)。2.石墨石墨是碳質(zhì)元素結(jié)晶礦物,它的結(jié)晶格架為六邊形層狀結(jié)構(gòu)。每一網(wǎng)層間的距離為3.40Å,同一網(wǎng)層中碳原子的間距為1.42Å。屬六方晶系,具完整的層狀解理。解理面以分子鍵為主,對(duì)分子吸引力較弱,故其天然可浮性很好。石墨與金剛石、碳60、碳納米管等都是碳元素的單質(zhì),它們互為同素異形體。

性質(zhì):

石墨質(zhì)軟,黑灰色;有油膩感,可污染紙張。硬度為1~2,沿垂直方向隨雜質(zhì)的增加其硬度可增至3~5。比重為1.9~2.3。比表面積范圍集中在1-20m2/g,在隔絕氧氣條件下,其熔點(diǎn)在3000℃以上,是最耐溫的礦物之一。它能導(dǎo)電、導(dǎo)熱。自然界中純凈的石墨是沒(méi)有的,其中往往含有SiO2、Al2O3、FeO、CaO、P2O5、CuO等雜質(zhì)。這些雜質(zhì)常以石英、黃鐵礦、碳酸鹽等礦物形式出現(xiàn)。此外,還有水、瀝青、CO2、H2、CH4、N2等氣體部分。因此對(duì)石墨的分析,除測(cè)定固定碳含量外,還必須同時(shí)測(cè)定揮發(fā)分和灰分的含量。石墨由于其特殊結(jié)構(gòu),而具有如下特殊性質(zhì):

1)耐高溫型:石墨的熔點(diǎn)為3850±50℃,沸點(diǎn)為4250℃,即使經(jīng)超高溫電弧灼燒,重量的損失很小,熱膨脹系數(shù)也很小。石墨強(qiáng)度隨溫度提高而加強(qiáng),在2000℃時(shí),石墨強(qiáng)度提高一倍。

2)導(dǎo)電、導(dǎo)熱性:石墨的導(dǎo)電性比一般非金屬礦高一百倍。導(dǎo)熱性超過(guò)鋼、鐵、鉛等金屬材料。導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而降低,甚至在極高的溫度下,石墨成絕熱體。石墨能夠?qū)щ娛且驗(yàn)槭忻總€(gè)碳原子與其他碳原子只形成3個(gè)共價(jià)鍵,每個(gè)碳原子仍然保留1個(gè)自由電子來(lái)傳輸電荷。

3)潤(rùn)滑性:石墨的潤(rùn)滑性能取決于石墨鱗片的大小,鱗片越大,摩擦系數(shù)越小,潤(rùn)滑性能越好。

4)化學(xué)穩(wěn)定性:石墨在常溫下有良好的化學(xué)穩(wěn)定性,能耐酸、耐堿和耐有機(jī)溶劑的腐蝕。

5)可塑性:石墨的韌性好,可碾成很薄的薄片。

6)抗熱震性:石墨在常溫下使用時(shí)能經(jīng)受住溫度的劇烈變化而不致破壞,溫度突變時(shí),石墨的體積變化不大,不會(huì)產(chǎn)生裂紋。3.碳纖維

碳纖維是由有機(jī)纖維經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維的微觀結(jié)構(gòu)類(lèi)似人造石墨,是亂層石墨結(jié)構(gòu)。碳纖維是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料,它的比重不到鋼的1/4,碳纖維樹(shù)脂復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度一般都在3500Mpa以上,是鋼的7~9倍,抗拉彈性模量為23000~43000Mpa亦高于鋼。因此CFRP的比強(qiáng)度即材料的強(qiáng)度與其密度之比可達(dá)到2000Mpa/(g/cm3)以上,而A3鋼的比強(qiáng)度僅為59Mpa/(g/cm3)左右,其比模量也比鋼高。材料的比強(qiáng)度愈高,則構(gòu)件自重愈小,比模量愈高,則構(gòu)件的剛度愈大,從這個(gè)意義上已預(yù)示了碳纖維在工程的廣闊應(yīng)用前景。

碳纖維是含碳量高于90%的無(wú)機(jī)高分子纖維。其中含碳量高于99%的稱(chēng)石墨纖維。碳纖維的軸向強(qiáng)度和模量高,無(wú)蠕變,耐疲勞性好,比熱及導(dǎo)電性介于非金屬和金屬之間,熱膨脹系數(shù)小,耐腐蝕性好,纖維的密度低,X射線(xiàn)透過(guò)性好。但其耐沖擊性較差,容易損傷,在強(qiáng)酸作用下發(fā)生氧化,與金屬?gòu)?fù)合時(shí)會(huì)發(fā)生金屬碳化、滲碳及電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象。因此,碳纖維在使用前須進(jìn)行表面處理。4.金剛石金剛石的化學(xué)式----N個(gè)C,金剛石是原子晶體,一塊金剛石是一個(gè)巨分子,N個(gè)C的聚合體.只能用它的結(jié)構(gòu)式表示.

金剛石礦物晶體構(gòu)造屬等軸晶系同極鍵四面體型構(gòu)造。碳原子位于四面體的角頂及中心,具有高度的對(duì)稱(chēng)性。單位晶胞中碳原子間以同極鍵相連結(jié),距離為1.54?(10-10m)。常見(jiàn)晶形有八面體、菱形十二面體、立方體、四面體和六八面體等。金剛石莫氏硬度為10,顯微硬度為98654.9MPa(100060kg/mm2),絕對(duì)硬度大于石英的1000倍,大于剛玉的150倍。礦物性脆,貝殼狀或參差狀斷口,在不大的沖擊力下會(huì)沿晶體解理面裂開(kāi),具有平行八面體的中等或完全解理,平行十二面體的不完全解理。礦物質(zhì)純,密度一般為3470-3560kg/m3。

摩氏硬度10,新摩氏硬度15,顯微硬度10000kg/mm2,顯微硬度比石英高1000倍,比剛玉高150倍。金剛石硬度具有方向性,八面體晶面硬度大于菱形十二面體晶面硬度,菱形十二面體晶面硬度大于六面體晶面硬度。依照摩氏硬度標(biāo)準(zhǔn)(Mohshardnessscale)共分10級(jí),鉆石(金剛石)為最高級(jí)第10級(jí);如小刀其硬度約為5.5、銅幣約為3.5至4、指甲約為2至3、玻璃硬度為6。等級(jí)1滑石等級(jí)2石膏等級(jí)3方解石等級(jí)4螢石等級(jí)5磷灰石等級(jí)6正長(zhǎng)石等級(jí)7石英等級(jí)8黃玉

等級(jí)9剛玉等級(jí)10鉆石金剛石的光學(xué)性質(zhì)

(1)光學(xué)鑒定之亮度(Brilliance)金剛石因?yàn)榫哂袠O高的反射率,其反射臨界角較小,全反射的范圍寬,光容易發(fā)生全反射,反射光量大,從而產(chǎn)生很高的亮度。

(2)閃爍(Scintillation)金剛石的閃爍就是閃光,即當(dāng)金剛石或者光源、觀察者相對(duì)移動(dòng)時(shí)其表面對(duì)于白光的反射和閃光。無(wú)色透明、結(jié)晶良好的八面體或者曲面體聚形鉆石,即使不加切磨也可展露良好的閃爍光。

(3)色

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