硅酸盐材料
包括日用陶瓷、一般工业用陶瓷、普通玻璃、硅酸盐水泥和黏土耐火材料等。硅酸盐矿物是构成多数岩石(如花岗岩)和土壤的主要成分,在地壳中分布极广,是地壳中储量最多的一种矿物,约占地壳质量的95%。由于硅酸盐矿物分布广,容易采集,很早即被人们作为材料使用。以硅酸盐矿物为原料制成材料时,都需经高温烧成,因此硅酸盐材料又被称为窑业材料。
发展
由于早期陶瓷、耐火材料、玻璃、水泥等无机非金属材料的主要成分均为硅酸盐,因而长期以来,这些材料被统称为硅酸盐材料。20世纪中叶以后,随着微电子、航天、能源等技术的兴起,出现了氧化物、氮化物、硼化物、碳化物、硫系化合物和钛酸盐、铝酸盐、磷酸盐等一系列新型无机非金属材料,各种性能更为优良和具有特殊功能的新型陶瓷、玻璃、耐火材料、水泥、涂层、磨料等制品快速发展,这些新材料在化学组成上远超出了硅酸盐化合物的范围,有很大部分材料在其组成中已完全不含氧化硅,如刚玉瓷、镁质耐火材料、磷酸盐和硼酸盐光学玻璃等。因此,再用硅酸盐材料来概括这些材料已经不准确,故无机非金属材料这一名称在学术界逐渐形成并获得广泛使用。在中国,全国性无机非金属材料学会仍沿用中国硅酸盐学会的名称,相关学报仍叫硅酸盐学报,有关的研究所仍叫硅酸盐研究所。
组成元素
硅酸盐材料的基本化学成分为硅酸盐。硅酸盐是硅、氧与其他化学元素(主要是铝、铁、钙、镁、钾、钠等)结合而成的化合物的总称。通常硅酸盐材料包含一种或多种金属和非金属元素,自然界组成硅酸盐矿物的元素多达40余种。其中,除了构成硅酸根所必不可少的硅和氧以外,作为金属阳离子存在的主要是惰性气体型离子(如Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Ba2+、Al3+等)和部分过渡型离子(如Fe2+、Fe3+、Mn2+、Mn3+、Cr3+、Ti3+等)的元素,铜型离子(如Cu+、Zn2+、Pb2+、Sn4+等)的元素相对较少见。此外,还有 (OH)-、O2-、F-、C1-、[CO3]2-、[SO4]2-等以附加阴离子的形式存在。常见的硅酸盐化合物有硅酸钠(Na2O·SiO2)、石棉(CaO·3MgO·4SiO2)、长石(K2O·Al2O3·6SiO2)、硅酸盐玻璃(Na2O·CaO·6SiO2)、硅酸盐水泥(3CaO·SiO2,2CaO·SiO2,3CaO·Al2O3)、黏土(Al2O3·2SiO2·2H2O)等。
晶体结构
硅酸盐矿物的晶体结构中,最基本的结构单元是Si-O络阴离子。除硅灰石膏结构中Si4+具有6次配位,Si-O键长为0.178纳米,形成Si-O6配位八面体而属于六氧硅酸盐外,其他所有硅酸盐矿物都属于四氧硅酸盐。其Si4+具有4次配位,平均Si-O键长为0.162纳米,形成Si-O4配位四面体结构。在四面体内,硅原子占据中心,四个氧原子占据四角。这样的硅氧四面体在结构中可以孤立地存在,彼此间由其他金属阳离子来连接。但是,硅氧四面体间经常还可通过共用角顶上的O2-(称为桥氧)而相互连接,从而形成链状、双链状、片状、三维架构等连接方式。按正四面体的集合度,硅酸盐矿物又可细分为岛状硅酸盐、环状硅酸盐等类型。