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1、无机非金属材料学,授课教师：杨季冬 手机：13637268363 电邮：,无机非金属材料学,考核方式： 考勤、作业及课堂回答问题(30%) 考试(70%),参考教材： 无机非金属材料导论，中南大学出版社,课 程 概 论,什么是材料？,材料是人类赖以生 存和发展的物质基础，是人类 进步的一个重要里程碑。,（制的第一种材料：陶）,茅草屋,用石头砌起来的石屋,用水泥、砖等盖的住宅,高楼大厦,以上图片说明这样一个事实，即在人类社会发展的过程中，大自然馈赠与人类的材料(如泥土、木材、石头等)，已远远不能满足人类社会发展的需求。为了人类自身发展的需要，人们总是在大自然的馈赠之外，用自己的聪明才智和勤劳的双
2、手，不断地研制、创造着各种各样的新材料，以满足人类物质文明和科学技术不断发展的需要。 人类使用和制造材料有着悠久的历史，从制造出第一种材料陶开始，发展到今天，材料的品种越来越多，琳琅满目的各种材料组成了一个庞大的材料家族。,一、材料的分类,(1)按化学组成和特性分,无机非金属材料,传统无机非金属材料,新型无机非金属材料,金属材料：金属、合金等,有机高分子材料：塑料、合成橡胶、合成纤维,(2)按用途分,结构材料：,利用其强度、硬度、韧性等机械性能制成的各种材料。,功能材料：,利用材料的热、光、电、磁等性能用于电子、激光、通讯、能源和生物工程等许多高新技术领域，如光导纤维。,光导纤维功能材料,简称
3、“光纤”，就是一种能利用光的全反射来传导光线的透明度极高的玻璃细丝。,如果将许多根经过技术处理的光纤绕在一起，就得到我们常说的光缆。,一、无机非金属材料的定义与分类,1.定义,无机非金属材料(inorganic nonmetallic materials)是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、硼化物以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成的材料。是除有机高分子材料和金属材料以外的所有材料的统称。,无机非金属材料是20世纪40年代以后,随着现代科学技术的发展从传统的硅酸盐材料演变而来的。元机非金属材料是与有机高分子材料和金属材料并列的三大材料之一。,在晶体结构上,无机非金属材料的
4、元素结合力主要为离子键、共价键或离子-共价混合键。这些化学键所特有的高键能、高键强赋予这一大类材料以高熔点、高硬度、耐腐蚀、耐磨损、高强度和良好的抗氧化性等基本属性,以及宽广的导电性、隔热性、透光性及良好的铁电性、铁磁性和压电性。,2.分类,传统无机非金属材料,新型无机非金属材料,无机非金属材料,传统无机非金属材料,主要是指硅酸盐材料，硅酸盐材料是以含硅物质为原料经加热制成的，如水泥、玻璃、陶瓷和耐火材料等，在生活和生产中有着广泛的应用。是工业和基本建设所必需的基础材料。如水泥是一种重要的建筑材料;耐火材料与高温技术,尤其与钢铁工业的发展关系密切；各种规格的平板玻璃、仪器玻璃和普通的光学玻璃以
5、及日用陶瓷、卫生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷和电瓷等与人们的生产、生活休戚相关。它们产量大，用途广。,新型无机非金属材料,新型无机非金属材料是指20世纪中期以后发展起来的，具有特殊性能和用途的材料，应用于高性能领域，在组成上已不局限于硅酸盐，还包括其它含氧酸盐、氧化物、氮化物、碳与碳化物、硼化物、氟化物、硫系化合物、硅、锗、-V 族及 -VI 族化合物等，其形态和形状也趋于多样化，例如结构陶瓷、复合材料、功能陶瓷、半导体、新型玻璃、非晶态材料和人工晶体等。,这些新材料的出现说明了无机非金属材料科学与工程学科近几十年来的重大成就，它们的应用极大地推动了科学技术的进步，促进了人类社会的发展。它们是现代
6、新技术、新兴产业和传统工业技术改造的物质基础，也是发展现代国防和生物医学所不可缺少的。,想一想：,1.玻璃刀的刀头是什么材料制作的？,2.机械手表上的“19钻”字样是什么意思？,人造金刚石,人造红宝石的数目,压电陶瓷,光导纤维,3.煤气炉中电子打火用的是什么材料？,4.现在的长途电话信号是通过什么传输的？,第一章 无机非金属材料的结构基础,第一节 结合键,所谓结合键(bond)是指由原子结合成分子或固体的方式和结合力的大小。结合键决定了物质的一系列物理、化学、力学等性质。 不论什么物质，其原子结合成分子或固体的力从本质上讲都起源于原子核和电子间的静电交互作用即库仑力。要计算结合力，就需要知道外
7、层电子围绕各原子核的分布。根据电子围绕原子的分布方式，可以将结合键分为五类，即离子键、共价键、金属键、分子键和氢键。,典型的金属元素和非金属元素就是通过离子键而化合的。此时金属原子的外层价电子转移到非金属原子的外层，因而形成外层都是八电子层（金属正离子和非金属负离子。正负离子通过静电引力（库仑引力（Coulombic Forces）而结合成所谓离子型化合物（或离子晶体（Ionic Crystal），,第一节 离子键（Ionic Bond）,键力较强、结合牢固。因此其熔点和硬度均较高。另外，在离子晶体中很难产生自由运动的电子，因此，它们都是良好的绝缘体。 大多数盐类、碱类和金属氧化物主要以离子键
8、的方式结合。,第二节 共价键（Ionic Bond）,周期表中同族元素的原子就是通过共价键而形成分子或晶体的，这时满壳层是通过两个原子共享它们之间的电子来实现的。典型的例子有H2, O2, F2，SiC, 金刚石等。此外，许多碳-氢化合物也是通过共价键结合的。,图3-3 甲烷分子中碳和氢原子之间的共价键示意图,在形成共价键时，为使电子云达到最大限度的重叠，共价键就有方向性，键的分布严格服从键的方向性；当一个电子和另一个电子配对以后就不再和第三个电子配对了，成键的公用电子对数目是一定的，这就是共价键的饱和性。此外，由于共价键具有方向性，配位数比较小，同时共价键的结合比较牢固，因此其结构较稳定，熔
9、点较高，硬度较大。,Cl2分子中Cl原子之间的共价键,金刚石中碳原子之间的共价键,第一章 无机非金属材料的结构基础,第二节 晶体结构,离子晶体（NaCl）,金属,共价键晶体（锑化銦）,分子晶体（固态氩）,各种晶体类型示意图,典型无机化合物包括AX型、AX2型、 A2X3型、ABO3型、 AB2O4型晶体结构,一、典型无机化合物晶体结构,典型AX与AX2型晶体结构,NaCl型,CsCl型,立方ZnS型,六方ZnS型,萤石型,金红石型,1NaCl (岩盐，Rocksalt) 型结构,氯离子形成一套面心立方晶格，而钠离子是充填在氯离子面心立方晶格的所有八面体空隙之内。由于面心立方密堆积结构中，八面体
10、空隙与原子之比是1：1，因此该结构的化合物具有理想的化学计量比MX。,许多AX型的化合物，包括许多陶瓷材料如MgO, CaO, NiO, CoO, MnO和PbO等都形成该结构。 岩盐型结构还是若干复杂层状化合物结构的一部分。,2 CsCl型结构,Cs+和Cl-各形成一套简单立方格子， 两套简单格子 交叠而成。 rc/ra: 10.732 配位数：8：8,ZnS是面心立方格子，S2离子位于立方面心的节点位置，而Zn2+离子交错的分布于立方体中1/8小立方体的中心。Zn2+离子的配位数是4，S2离子的配位数也是4。图（B）是投影图，相当于俯视图。图（C）则是按多面体连接方式表示的-ZnS结构。它
11、是由Zn-S四面体以共顶的方式相连而成。,3、闪锌矿（立方ZnS）结构,属于闪锌矿结构的晶体有-SiC，GaAs，AlP，InSb,S,Zn,闪锌矿（立方ZnS）结构,4、萤石（CaF2）型结构,AX2型化合物， Ca2+作立方紧密堆积， F-填入全部四面体 空隙中。 注意：所有八面 体空隙都未被占据。,Ca2+,产地:甘肃省肃北县,萤石（CaF2）型结构,萤石型结构的氧化物在结构陶瓷和功能陶瓷方面具有重要的技术应用。如CeO2、ZrO2、UO2等。,反萤石型(A2B)结构,反萤石型结构中，由 阴离子如氧离子O2-作 面心立方紧密堆积， 阳离子占据所有 四面体空隙。 形成反萤石结构的化合物的化
12、学计量比为A2B 例如：Li2O、Na2O、K2O以及K2S、Li2Se、Na2Te等,CaTiO3晶胞,5、钙钛矿（CaTiO3）结构 ABO3型,取决温度、组成、掺杂等条件，钙钛矿结构呈现立方、四方、正交等结构形式。,钙钛矿结构中离子的位置,钙钛矿型结构的化合物包括具有重要技术应用的钛酸盐、锆酸盐以及其它形式的复合氧化物功能材料，如许多电子陶瓷、离子电子混合导体材料都是钙钛矿型结构。 钙钛矿结构还是一些更为复杂结构材料中的部分结构单元，如层状超导材料、复合氧化物混合导体透氧膜材料的晶体结构中都有钙钛矿结构模块。,二、 硅酸盐晶体结构,绿宝石,蓝晶石,硅酸盐结构特点与分类 硅酸盐是数量极大的
13、一类无机物。硅酸盐晶体可以按硅（铝）氧骨干的形式分成岛状结构、组群状结构、链状结构、层状结构和架状结构。它们都具有下列结构特点： 1）结构中Si4+之间没有直接的键，而是通过O2-连接起来的 2）结构是以硅氧四面体为结构的基础 3）每一个O2-只能连接2个硅氧四面体 4）硅氧四面体间只能共顶连接，而不能共棱和共面连接。,SiO44-,Si2O76-,Si6O1812-,结构中，离子的堆积与硅氧骨干的形式和阳离子性质有关： 在具有弧立SiO4四面体的硅酸盐结构中，离子常按紧密和最紧密方式排列。 在具有环状硅氧四面体骨干的硅酸盐骨干中，环与环之间作平行排列， “环柱”内孔隙大，“环柱”与“环柱”之
14、间排列比较松散。 在具有链型或层状硅氧四面体骨干的硅酸盐结构中，骨干作平行排列，骨干与骨干之间多具较大孔隙。 在具有架型硅氧四面体骨干的硅酸盐结构中，离子不作最紧密堆积，骨干间都具有巨大孔隙。 结论：在硅酸盐结构中，岛链层架型结构，由简单到复杂，硅氧四面体骨干由小到大，孔隙度由小到大。孔隙大小一般均与团外阳离子半径相适应。,肖特基缺陷和弗伦克尔缺陷,AgBr中的Frenkel缺陷 KCl中的Schottky缺陷,Br-,Ag+,Cl-,K+,三、 晶体结构缺陷,刃位错和螺位错,具有刃位错的点阵图,具有螺位错的点阵图 Q是滑移面,由于剪应力的作用使晶体互相滑移，晶体中滑移部分的相交位错线是和滑移
15、面方向平行的，因为位错线周围的一组原子面形成了一个连续的螺旋形坡面，古称为螺旋位错。,晶粒间界,晶粒间界,堆垛层错,间隙式固溶体 置换式固溶体 非整数比化合物,第一章 无机非金属材料的结构基础,第三节 非晶态结构,晶体与非晶体,我们前面所讲的是晶体结构；,固体中除了晶体，还有没有别的结构？,非晶体、准晶体,琥 珀,侏罗纪公园,玻 璃,雪花晶体,食糖晶体,美丽的晶体,明矾晶体,单质硫,食盐晶体,NaCl晶体结构示意图：,金刚石晶体 结构示意图,观察思考,下列物质是晶体还是非晶体？,晶体SiO2和非晶体SiO2的投影示意图,(此图取自R.Zallen著非晶态固体物理学),长程无序性而短程有序 晶体
16、结构最基本的特点是原子排列的长程有序性。即晶体的原子在三维空间的排列，沿着每个点阵直线的方向，原于有规则地重复出现。这就是通常所说的晶体结构的周期性。而在非晶态结构中，原子排列没有这种规则的周期性。即原子的排列从总体上是无规则的。但是，近邻原子的排列是有一定规律的。例如，非晶硅的每个原子仍为四价共价键，与最邻近原子构成四面体，这是有规律的；而总体原子的排列却没有周期性的规律。,玻璃结构示意图,B,O,Si,M,晶体与非晶体的结构差异,4、晶体形成的途径,熔融态物质凝固。 气态物质冷却不经液态直接凝固（凝华）。 溶质从溶液中析出。,天然水晶球里的玛瑙和水晶,经不同途径得到的晶体,（1）晶体具有天然的规则几何形状，它的外形是若干个平面围成的多面体。 食盐的晶体是立方体；石英的晶体中间是六面棱柱，两端是六面棱锥；明矾晶体是八面体。如图1所示。,（2）晶体在不同方向上的物理性质不同，称为晶体的各向异性。而非晶体不具有这一性质。 物理性质有：力学性质（硬度
