特種陶瓷材料的化學(xué)鍵原子間結(jié)合力有以下四種形式:
1)特種陶瓷材料離子鍵(亦稱電價鍵、異極鍵或極性鍵)是作用于帶異性電荷離子間的靜電吸引力。當兩種電負性相差大的原子靠近時,電負性小的原子失去電子成為正離子,電負性大的原子獲得電子成負離子。正、負離子問的的庫倉引力和斥力平衡時,就形成穩(wěn)定的離子鍵。由于正、負離子的電子云都具有球形對稱性,故離子鍵沒有方向性和飽和性。離子鍵化合物比較穩(wěn)定,反映在物理性質(zhì)上則硬度高、熔點高、熱膨脹系數(shù)小。最典型的離子鍵化合物是NaCl。無機化合物中的很大一部分為這類化合物。特種陶瓷材料有相當多的一部分離子化合物同時也含有共價鍵,甚至范德華鍵和氫鍵。
2)特種陶瓷材料共價鍵(亦稱同極鍵)。原子之間以共用電子對的方式達到電子殼層的穩(wěn)定。當化合前的原子含有自旋方向相反的未成對電子時,就可以倆倆偶合構(gòu)成電子對,形成一個共價鍵。如果A、B原子各有一個未成對電子時,則形成共價單鍵化合物,最簡單的例子是H2若A、B原子各有兩個或三個未成對電子時,則形成共價雙鍵或三鍵化合物,N2即是共價三鍵化合物。若A原子有兩個未成對電子,而B原子只有一個時,則形成AB型化合物如H20、H2S等。因為一個電子和另一個電子配對后,就不能再和第三個電子配對,故共價鍵有飽和性。典型的共價鍵晶體有金剛石、閃鋅礦(ZnS)和纖鋅礦(ZnS)、高溫方石英(β-Si02)。大部分金屬間化合物和Si3N4、siC、B2c等典型特種陶瓷都是共價㈩化合物。一般共價晶體都具有很高的熔點和硬度、良好的光學(xué)特性和絕緣性。
3)特種陶瓷材料金屬鍵。在特種陶瓷中比較少見。
4)特種陶瓷材料范德華鍵(亦稱剩余鍵和分子鍵),是一種較弱的原子間力,沒有方向性和飽和性,作用范圍約為O.3~0.5nm。范德華鍵在特種陶瓷中有時也能遇到,例如石墨,在原子層內(nèi)主要是共價鍵,也表現(xiàn)出部分金屬鍵特征。以上四種鍵的結(jié)構(gòu)特征和物理性。特種陶瓷材料常遇到的鍵是離子鍵和共價鍵,這就決定了特種陶瓷的一些基本物理、化學(xué)屬性。
各種鍵的結(jié)構(gòu)特征和特性
鍵的類型 | 離子鍵 | 共價鍵 | 金屬鍵 | 范德華鍵 |
結(jié)構(gòu)特征 | 無方向性,正、負離子問作緊密堆積,配位數(shù)高 | 有方向性和飽和性,為低配位、低密度結(jié)構(gòu) | 無方向性、為很高配位和高密度結(jié)構(gòu) | 無方向性,分子按其幾何形狀許可作緊密堆積 |
鍵的強度 | 中強至強 | 中強至強 | 各種強度 | 弱 |
晶體的力學(xué)性質(zhì) | 強度高,硬度大,無延展性 | 強度高,硬度大,無延展性 | 具有各種強度和硬度,延展性好 | 強度低,硬度小 |
晶體的熱學(xué)性質(zhì) | 熔點高,膨脹系數(shù)小,熔體內(nèi)為離子 | 熔點高,膨脹系數(shù)小,熔體內(nèi)為原子 | 導(dǎo)熱性好,熔點變化大 | 熔點低,膨脹系數(shù)小,熔體內(nèi)為分子 |
晶體的電子性質(zhì) | 絕緣體,在熔體中離子導(dǎo)電 | 絕緣體,半導(dǎo)體,熔體不導(dǎo)電 | 導(dǎo)電性能好,熔體導(dǎo)電 | 絕緣體,熔體不導(dǎo)電 |
晶體的光學(xué)性質(zhì) | 折射率較高,完整晶體多為透明 | 高折射率 | 不透明,高反射率,和液態(tài)性質(zhì)相似 | 各性質(zhì)來源于獨立的分子,與溶液或氣態(tài)的性質(zhì)相似 |
但在實際陶瓷材料中,純的離子鍵或純的共價鍵幾乎是沒有的,常常介乎兩者之間。為了判斷離子鍵(尸AB)的比例,可用如
下公式計算:
PAB==1一exp[一(XA—XB)z/4]
式中,PAB表示該化合物離子鍵的比例,XA、XB分別代表元素A和元素B的電負性。XA、XB相差越小,共價鍵比例越大。當XA=XB時,共價鍵為1OO%。
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本文“特種陶瓷材料的化學(xué)鍵”由科眾陶瓷編輯整理,修訂時間:2022-12-16 16:35:15
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