陶瓷硅酸盐材料的介绍

硅酸盐陶瓷定义:

由铝硅酸盐矿物在碱金属离子激发作用下通过缩聚反应实现化学键合的非晶或部分结晶而得到的一种无机非金属材料。

硅酸盐矿物分布:

硅酸盐矿物在自然界分布极为广泛,已知硅酸盐矿物有余种,约占已知矿物种的1/4,就其质量而言,约占地壳岩石圈总质量的85%。

硅酸盐矿物分类:

硅酸盐矿物是3大类岩石(岩浆岩、变质岩、沉积岩)的主要造岩矿物,同时也是工业上所需要的多种金属和非金属的矿物资源,如Li、Be、Zr、B、Rb、Cs等元素大部分从硅酸盐矿物中提取;而石棉、滑石、云母、高岭石、沸石等多种硅酸盐矿物又直接被广泛地应用于国民经济的各有关部门。

硅酸盐结构:

基本结构单元是硅氧四面体,即单硅酸根。单硅酸根可通过不同的组合形成二聚体、三聚体以及支链、环状结构,甚至三维网络结构。

在硅酸盐结构中,每个Si一般为4个O所包围,构成[SiO4]四面体,它是硅酸盐的基本构造单位,不同硅酸盐中,[SiO4]四面体基本保持不变。

前所发现的硅氧骨干形式已有数十种,现将几种主要类型叙述如下:

(1)岛状硅氧骨干:包括孤立的[SiO4]单四面体及[Si2O7]双四面体。前者无惰性氧,如橄榄石(Mg,Fe)2[SiO4],后者有一个惰性氧,如异极矿Zn4[Si2O7](OH)2。

(2)环状硅氧骨干:[SiO4]四面体以角顶联结形成封闭的环,根据[SiO4]四面体环节的数目可以有三环[Si3O9](如硅酸钡钛矿BaTi[Si3O9]).四环[Si4O12](如包头矿Ba4(Ti,Nb,Fe)8O16[Si4O12]Cl)、六环[Si6O18](如绿柱石Be3Al2[Si6O18])多种,环还可以重叠起来形成双环,如六方双环[Si12O30](如整柱石KCa2AlBe2[Si12O30]·1/2H2O)等。

(3)链状硅氧骨干:[SiO4]四面体以角顶联结成沿-一个方向无限延伸的链,其中常见者有单链和双链。单链:在单链中每个[SiO4]四面体有两个角顶与相邻的[SiO4]四面体共用,根据重复周期和联结方式可分为多种形式,如辉石单链[Si2O6]、硅灰石单链[Si3O9]、蔷薇辉石单链[Si5O15]等。

双链:双链犹如两个单链相互联结而成,如两个辉石单链[Si2O6]相连形成角闪石双链[Si4O11]、两个硅灰石单链[Si3O9]相连形成硬硅钙石双链[Si6O17],此外,还有夕线石双链[AlSiO5]和星叶石双链[Si4O12]等。

(4)层状硅氧骨干:[SiO4]四面体以角顶相联结,形成在两度空间上无限延伸的层。在层中每一个[SiO4]四面体以3个角顶与相邻的[SiO4]四面体相联结。一般通式为[Si2O3]n2n-。活性氧可指向一方,也可以指向相反的方向,[SiO4]四面体也可有不同的联结方式,因此层状骨干有多种形式,如滑石(Mg3[Si4O10](OH)2)的层状硅氧骨干[Si4O10]中,[SiO4]四面体彼此以了个角顶相联结形成六角形的网,活性氧指向一方;鱼眼石(KCa4[Si4O10]2F·8H20)的层状硅氧骨于[Si4O10]中,[SiO4]四面体彼此以3个角顶相联结形成四方形的网,活性氧分别指向网的上、下两方。

(5)架状硅氧骨干:在骨干中每个[SiO4]四面体4个角顶全部与其相邻的4个[SiO4]四面体共用,每个O与两个Si相联系,这样,所有的O都将是惰性的,石英(SiO2)族矿物即具此种结构。但在硅酸盐的架状骨干中,必须有部分的Si4+为Al3+所代替,从而使O2-带有部分剩余电荷,得以与骨干外的其他阳离子结合,形成铝硅酸盐。这种架状络阴离子的化学式一般可以写作[Sin-xAlxO2n]x-。如钠长石Na[AlSi3O8]、钙长石Ca[Al2Si2O8]、方柱石(Na,Ca)4[Al2Si2O8]3(SO4CO3)2等。




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