玻璃的定义与结构

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1、第一章玻璃的定义与结构第一章玻璃的定义与结构玻璃的定义玻璃的通性玻璃的结构玻璃组成、结构、性能之间的关系玻璃结构的研究方法1.1玻璃的定义玻璃㈠概念:狭义概念：凝固时基本不结晶的(无机)熔融物.广义概念：结构上完全表现为长程无序的，性能上具有转变特性的非晶态固体。（具有转变温度(Tg)的非晶态材料.）(二)分类无机玻璃：石英玻璃、钠钙硅玻璃、光学玻璃、氟化物玻璃等金属玻璃：软磁性合金、高强度无定形合金有机玻璃：环氧树脂无定形炭：炭黑、碳膜凝胶：硅胶、硅矾土等非晶态半导体硒系玻璃：静电复印用Se膜、显像管用光电导膜非晶态元素玻璃：光伏用无

2、定形半导体1.2玻璃态的特性各向同性:物理化学性质在任何方向都是相同的无固定熔点：由固态到液态是在一定温度区域内（软化温度范围）进行的亚稳性（介稳性）：在冷却过程中，黏度急剧增大，没有释放出结晶潜热，因此玻璃态物质比同组成的结晶态物质含有较大的能量----亚稳态渐变性与可逆性：玻璃态物质从熔融态冷（或加热）到固体状态的过程是渐变的，其物理化学性质变化是逐渐和连续的（过程没有新相生成）1.3玻璃的结构一、玻璃的结构理论玻璃结构是指组成玻璃的离子或原子在空间的基本几何构造单元1.3玻璃的结构晶子学说：玻璃是由无数“晶子”所组成，“晶子”分散

3、在无定形介质中，从晶子部分到无定形部分是逐渐过渡的，两者之间并无明显界线。（1921年列别捷夫在研究玻璃退火时发现，玻璃的折射率随温度变化曲线在573°出现突然的变化）“晶子”尺寸4-10A,2-4个四面体,数量80%证实:X-射线结构分析数据衍射峰位置不同点玻璃相同宽广（弥散状）方石英晶体相同尖锐晶体细粉相同宽广（弥散状）方石英、硅氧凝胶和熔融石英XRD衍射图2.无规则网络学说：硅酸盐玻璃是由硅氧四面体[sio4]为结构单元的三度空间网络所组成,[sio4]排列是无序的,缺乏对称性和周期性的重复,碱金属离子和碱土金属离子均匀地分布在非

4、桥氧附近的[sio4]之间的空隙中,以维持局部的电中性W.H.Zachariasen1932年提出，1933年瓦伦（Warren)通过一系列X-射线结构分析证实无规则网络学说认为氧化物形成玻璃应具备的条件每个氧离子应与小于或等于2个阳离子阳离子的配位数是3或4网络中结构单元通过顶角连相连，不能共边或共面每个结构单元至少有三个顶角相连，形成三维无规则连续网络具备此条件的氧化物有：SiO2、B2O3、GeO2、P2O5、V2O5、Ta2O5、Sb2O5“晶子”学说在微观上强调玻璃的有序性、微不均匀性和不连续性（可解释玻璃分相、析晶）无规则

5、网络学说在宏观上强调了玻璃中多面体排列的连续性、均匀性和无序性（可解释各向同性和变化的渐变性等）玻璃态物质结构的特点：短程有序，长程无序。在宏观上玻璃主要表现为无序性、均匀性和连续性；在微观上又是有序性、微不均匀性和不连续性二、传统玻璃结构1.硅酸盐玻璃结构1）石英玻璃结构成分:sio2原子数比:1:2制造方法:CVD、PVD结构:以硅氧四面体[sio4]为结构单元的三度空间架状结构.[sio4]之间以键角相连,键角大约120°～180°（比方石英宽125~162°）结构特点:无序的、均匀的。有序范围7-8埃■si-o键性是极性共价键,

6、离子键和共价键各占50%si-o键强：约443KJ/mol■石英玻璃性能：黏度大，机械强度高、热膨胀系数小、耐热、化学稳定性好等石英玻璃与石英晶体在结构上的相同点与不同点相同点：都以硅氧四面体[SiO4]为结构单元构成的三维空间架状结构不同点：Si-O-Si键角大幅度改变，导致玻璃中的硅与硅距离的可变性2）碱硅酸盐玻璃桥氧：每个氧为两个硅原子所共用；-si-o-si-非桥氧：与一个硅原子结合的氧-o-si-玻璃结构网络参数表达式X=2R-ZY=2Z-2RX----非桥氧；Y----桥氧；Z----配位数；R----O/阳离子（原子比）

7、结构：碱金属氧化物使[sio4]连接的三度空间的网络发生断裂，出现非桥氧，碱金属离子在非桥氧附近的网穴中以维持局部电中性性能：黏度小，热膨胀系数大，强度低，化稳差，固体玻璃没实用价值应用：水玻璃，sio2:Na2o=1:1,k2o:sio2或Na2OsiO2先制成熔块，加水熬煮成粘稠状。做防水剂、胶水等3）钠钙硅玻璃结构结构：以[sio4]为结构单元，Ca2+、Na+在非桥氧附近的网穴中Ca2+作用:限制Na+活动,强化玻璃结构的作用(压制效应)性质:一系物理化学性能变好,成为各种实用玻璃的基础.如瓶罐玻璃、平板玻璃、器皿玻璃、保温瓶玻

8、璃等钠钙硅玻璃成分范围：sio268～82%CaO6～16%Na2O12～18%还有少量的AI2O3和MgO2硼酸盐玻璃结构1）B2O3玻璃键性:极性共价键(共价键成分占56%)键强：498KJ/mol结构