6第四章-非晶态结构.ppt

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1、4非晶态结构与性质4.1熔体的结构4.2熔体的性质4.3玻璃的形成4.4玻璃的结构4.5常见玻璃类型熔体与玻璃体是物质另外两种聚集状态。相对于晶体而言，熔体和玻璃体中质点排列具有不规则性，至少在长距离范围结构具有无序性，因此，这类材料属于非晶态材料。（严格地讲，玻璃是一种液体，这种液体被冷却到一种刚性状态而未结晶；通过其它过程而不是经过冷却过程得到的具有类似玻璃结构的材料称为非晶态材料）概述熔体：物质加热到较高温度才能液化的物质的液体。玻璃体：熔体经快速冷却则变成玻璃体。它们是相互联系、性质相近的两种聚集状态。用能量曲线可以形象地描述这类固

2、体材料结构的有序性。一些传统材料及一些新型材料（玻璃态碳、金属玻璃－金属蒸汽在低温基底上凝结－研究其超导性能）均存在非晶态物质。液体和晶体相似。例如：（1）晶体与液体的体积密度相近。（固液转变时，体积变化小，一般不10超过%，相当于质点间平均距离增加3%左右）；气化时，如水增大1240倍。（2）晶体的熔解热不大，经液体的气化热小得多。说明二者内能差别较小。（3）固液态热容量相近。（4）X－ray衍射图谱相似。4.1.1熔体概述4.1熔体的结构图4－1不同聚集状态物质的X射线衍射强度随入射角度变化的分布曲线气体熔体晶体玻璃强度Isinθλ液

3、体是固体和气体的中间相，液体结构在气化点和凝固点之间变化，在高温（接近气化点）时与气体接近，在稍高于熔点时与晶体接近。4.1.2硅酸盐熔体结构－聚合物理论基本结构单元－[SiO4]四面体键性：具高键能、方向性、低配位等的特点。基本结构单元在熔体中存在状态－聚合体基本结构单元在熔体中组成形状不规则、大小不同的聚合离子团（或络阴离子团）在这些离子团间存在着聚合－解聚的平衡。例：石英的分化影响聚合物聚合程度的因素硅酸盐熔体中各种聚合程度的聚合物浓度（数量）受组成(O/Si)和温度两个因素的影响。例：石英的分化过程。石英熔体的分化过程：石英颗粒表面

4、有断键，与水汽反应生成Si-O-H，当引入Na2O时，Na-O键更弱，使相邻的Si-O键更强，其余三键变弱，导致分化。因此，石英熔体就为聚合度不等的低聚物和“三维晶格碎片”构成，其数量与熔体的总组成和温度有关。分化的过程同时还可能缩聚，放出Na2O。形成层状、链状、组群状、岛状的阴离子团结构。初期：石英的分化；中期：缩聚并伴随着变形；后期：在一定时间和一定温度下，缩聚－分化达到平衡。产物：低聚物、高聚物、三维晶格碎片以及游离碱、吸附物，最后得到的熔体是不同聚合程度的各种聚合体的混合物，构成硅酸盐熔体结构。聚合物的种类、大小和数量随熔体的组成

5、和温度而变化。聚合物理论具体描述：表4.2硅酸盐聚合结构图4－4某一硼硅酸盐熔体中聚合物的分布随温度的变化聚合物浓度(%)SiO4(SiO2)nSi2O7Si3O10(SiO3)4分相：在某些情况下，硅酸盐熔体会分成2种或2种以上的不混溶液相。硅酸盐熔体有：Si-O聚合体；R-O多面体如R－O键强较大，致使氧O不易被硅离子夺去，形成富R－O的离子聚集体，含少量硅离子而产生分相。正离子R和氧的键强近似地取决于正离子电荷与半径之比。Z/r越大，分相倾向越明显。反之，不易导致分相。但Li+的半径小，易产生第二液相的液滴，造成乳光现象。4.1.3熔

6、体的分相4.2熔体的性质其物理意义是指单位接触面积、单位速度梯度下两层液体间的内摩擦力。其单位是：Pa.s（帕.秒）。粘度的倒数称为液体的流动度，用Ф表示。影响熔体粘度的主要因素是温度与化学组成。4.2.1粘度A、弗伦格尔公式(绝对速度理论)要点：由于熔体质点都处在相邻质点的键力作用之下，即每个质点均落在一定大小的位垒Δu之间。因此要使质点移动，就得使它们具有克服此位垒的足够能量。具高于位垒能量的质点为活化质点。若这种活化质点数目越多，则流动性就愈大。（1）粘度－温度的关系当Δu不随温度变化时硅酸盐熔体中，活化能不仅与熔体的组成有关，还与熔

7、体中[SiO4]的聚合度有关。温度较高时，以低聚物为主，较低时，以高聚物为主。因此，在高温或低温区，聚合度变化不大时，可近似看成直线关系。图4－7钠钙硅酸盐玻璃熔体粘度与温度的关系0.40.61.00.81.21296301600200010001200800600Logη1/T10-3(K-1)(180)(300)(550)kJ/molB、自由体积理论（VFT，Vogel-Fulcher-Tammann公式）自由体积理论的思想是1959年Cohen和Tumbull首先提出的。要点：液体要能够流动必须打开一些蕴藏在流体内部的空隙以允许液体分

8、子的运动。也就是说，液体中分布着不规则的、大小不等的“空洞”。这种空洞为液体分子运动及流动提供了空间。显然，这种空间越多、越大，越容易运动，粘度越小。式中：A、B、T0为与熔体组