# 第三章：

## Full text

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### 本章重點

•陶瓷結構: 與其它材料的不同

•點缺陷:與其它材料的不同

•雜質: 在晶格內的位置、對性質的影響

•機械性質: 陶瓷所需的特殊條件與試驗法

## 第三章：part-2: 晶體結構(陶瓷)

2

•鍵結:

-- 主要為離子鍵，次為共價鍵 -- % 離子鍵隨陰電性而增加

Adapted from Fig. 2.7, Callister 7e. (Fig. 2.7 is adapted from Linus Pauling, The Nature of the Chemical Bond, 3rd edition, Copyright 1939 and 1940, 3rd edition. Copyright 1960 by

Cornell University.

•離子鍵特性的變化:

SiC: 低

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3

4

2

2

3

2

4

## 陶瓷結晶結構

– 氧的陰離子遠大於金屬陽離子 – 氧在晶格中緊密排列(通常為 FCC) – 陽離子排列在氧晶格中

• Pauling’s rule

– 以陽離子對陰離子的大小比值決定最後結構 – 假設是離子鍵的鍵結

– 盡量最密堆積

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## Pauling’ s rule- rule 1

### •若干對等的陰離子圍繞著陽離子組成多面體的 結構, 陰離子與陽離子間的距離由其半徑決定

•A coordination polyhedron of anions is formed about each cation in the structure. The cation- anion distance is determined by the sum of their radii.

### •配位數(即圍繞著陽離子的陰離子數)是由兩種 離子的半徑比值決定

•The coordination number (the number of anions surrounding the cation) is determined by the ration of the radii of the two ions.

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## Pauling’ s rule- rule 2

### •在穩定的結構時, 從周圍所有陽離子對中間陰 離子的鍵結強度應該等於該陰離子的電荷數

•In a stable structure the total strength of the bonds reaching an anion from all surrounding cations should be equal to the charge of the anion..

## Pauling’ s rule- rule 3

### •在穩定的結構時,這樣陰陽離子組成的單一多面 體結構, 和相臨的多面體結構, 應該以共用突出 的角來形成整個晶體, 而不是以共用邊或面的 方式來作

•In a stable structure the corners, rather than the edges and especially the faces, of the

coordination polyhedra tend to be shared.

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## Pauling’ s rule- rule 4

### •具低配位數和高電荷數的陽離子形成的多面體 特別傾向以共用突出的角來形成整個晶體

•polyhedra formed about cations of low coordination number and high charge tend especially to be linked by corner sharing.

## Pauling’ s rule- rule 5

### •一個結構裡的不同成份數傾向變小, 這是因為 要將有不同大小與帶電量的離子堆成最密堆積 變的很麻煩(困難)

•The number of different constituents in a structure tends to be small. This follows from the difficulty encountered in efficiently packing into a single structure ions and coordination polyhedra of different sizes.

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12

## 位置的選定 I

### 1.

--儘可能接近最多電性相反的離子

Adapted from Fig. 12.1, Callister 7e.

•電中性:

--該結構需為電中性.

--一般型式

m, p 依電中性的需求而定

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•配位數為 而提高

## 配位數與離子半徑

2

### ranion

< 0.155 0.155 - 0.225

3

### 4 6 8

linear triangular

D

H

### cubic

12.2, Callister 7e.

12.3, Callister 7e.

12.4, Callister 7e.

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• 決定O

2ranion

anion

cation

anion

anion

cation

anion

cation

anion

anion

cation

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## 位置的選定 II

2. 化學計量性

– 若某種位置已填滿，則其餘需佔據其它位置 例: FCC 單位晶包含 4 O

4 in O

2 in T

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•以離子半徑預測FeO的結構

•答:

anion cation

### 

Data from Table 12.3, Callister 7e.

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## AX type: 岩鹽結構

Na= 0.102 nm

Na/rCl= 0.564

 陽離子OH位置

### r

Cl= 0.181 nm

AX結晶構造包括NaCl, CsCl, 與 ZnS

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## MgO 與 FeO

O2-

O= 0.140 nm Mg2+

Mg= 0.072 nm

Mg/rO= 0.514

陽離子OH位置

### 2+

12.2, Callister 7e.

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## AX 結晶: CsCl 構造

AX結晶構造包括NaCl, CsCl, 與 ZnS

 偏好立方位置 每一個Cs

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## AX 結晶構造: ZnS

2 2

•以大小預測Zn

•但Zn

### D

因為混合鍵結之故!!! (具共 價鍵性質)

Ex: ZnO, ZnS, SiC

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## AX2結晶構造:螢石

•螢石(CaF

)

•陽離子佔據立方位置

•UO

ThO

, ZrO

, CeO

### 2

結構空, 當核能廢料填充 What’s 反螢石結構?

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23

3

o

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(14)

28

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C

Na

A

Cl

3

Na

Cl

A

3

3

r

r

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## 3.8 矽酸鹽陶瓷

• 幾乎所有泥土之主成份

• Si與4個O形成四面體

• 具SiO

### 2

(矽石) 結構有石英 (quartz)、白矽石 (cristobalite) 與鱗石英 (tridymite)

• 強大Si-O 鍵使其熔點高達1710ºC

• Si-O鍵偏共價鍵: 有方向性, 結構空, 密度2.65g/cm

Si4+

O2-

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## 非晶質矽石

• 矽石玻璃(silica glasses) -非晶質 SiO2 – Si

and O

### 2-

– Fused silica or玻璃狀矽石 – 其他Be2O3, GeO2亦具玻璃狀結構

• 網狀修飾劑: CaO, Na2O等 – 通常在間隙中

• 中間劑 : TiO2, Al2O3

– 取代矽原子,成為網狀結構一部分

• 添加上兩種劑皆會降低玻璃的熔點和 黏度

– 使容易低溫成型

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## 非晶質矽石

• 矽膠(SILICA GEL) -非晶質 SiO2 – Si

and O

– 電荷由懸吊的帶電H

2

– SiO2具高穩定性

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–SiO

–陽離子Ca

, Mg

, & Al

## 矽酸鹽類(the silicates)

Mg2SiO4 Ca2MgSi2O7

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## 層狀矽酸鹽

• 層狀矽酸鹽 (矽酸鹽黏土) – SiO4四面體連接成為2-D平面

• (Si2O5)2-

• 需陽離子以平衡電荷

• 如高嶺土、滑石、雲母等 =

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• 高嶺石黏土由相鄰的 (Si

O

)

(OH)

## 層狀矽酸鹽

12.14, Callister 7e.

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## 3.9 碳的形式

• 碳黑–非晶質<單位表面積約 1000 m

### 2

/g

–鑽石(碳的四面體)

•硬 –無適當滑移面

•脆 –無法切斷

•低導電性

•高導熱性

•透光性, 高折射率

–大鑽石–寶石

•小鑽石

•通常為人造，作為切割之用

–鑽石膜

•堅硬的表面鍍層–工具,醫療器具,等

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## 碳的形式- 石墨

• 層狀結構–芳香層

–層間為 van der Waal’s 力 –層間滑動容易,可作為潤滑劑

–高度化學穩定性與導熱性, 氣體吸附性, 加工性

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## 碳的形式- 富勒烯

• 富勒烯

–將石墨層彎曲成球狀, 60個碳原子組成球形

•形狀如足球（C60、 C70）又稱巴克球

–類似由美國建築師Buckminister Fuller提出的圓形建築 –化學上稱為: 富勒烯

–最少穩定數目是60 –具特異性質

–可於球內鑲入金屬原子

•改變導電性

–整個球體也可看成一個大原子

•以FCC排列

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## 碳的形式-奈米碳管

• 奈米碳管

–將石墨層彎曲成管狀 –非常hot的奈米材料 –具特異性質

–超高強度與剛性 –可於管內鑲入雜質

•改變導電性

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•陶瓷具有離子鍵與共價鍵.

•影響結構的因素:

-- 電中性

-- 接近最大的相反電荷離子.

•結構的預測:

•缺陷

-- 需維持電中性

-- 濃度與溫度指數成正比.

•室溫實維便行為彈性、破壞呈脆性，幾乎無塑性.

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## References

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