无机材料科学基础第六章-相平衡课件.ppt

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1、第六章相平衡§6-1凝聚态系统相平衡特点（相律等基本概念、硅酸盐系统相平衡特点）§6-2一元系统（SiO2系统相图及应用）§6-3二元系统（具有一个低共熔点的二元系统相图、生成一个不一致熔融化合物的二元系统相图；CaO-SiO2系统相图、Al2O3-SiO2系统相图及其应用）§6-4三元系统§6-5四元系统1§6-1凝聚态系统相平衡特点一．热力学平衡态与非平衡态1．概念物质自一个相迁移到另一个相的过程叫相变过程。如：水——蒸发（液相→气相）；对于多相系统，长时间内从宏观上看不到有任何物质在相间传递，认为该系统达到相平衡。相平衡：研究多相系

2、统中，系统的状态随温度、压力、组分浓度等变化而变化的规律。把相平衡的实验结果用几何图形表示→相平衡图（又称相图或平衡状态图）。22.硅酸盐系统的特点（1）硅酸盐材料是一种固体材料，其内部质点受邻近粒子的束缚，活动能力小；（2）硅酸盐材料的高温熔融态，熔体粘度仍很大，扩散能力很小；（3）硅酸盐体系在高温下要达到热力学平衡状态，需要较长时间。实际生产中进行的过程往往达不到相图上所指示的平衡状态。即硅酸盐系统由于动力学原因，经常出现热力学非平衡态（介稳态）。有时出现介稳态对生产是有利的，如：水泥熟料中的β-C2S；陶瓷中的四方ZrO2；硅砖中的

3、鳞石英等。33．相图与实际应用中的差距（1）相图是在平衡状态下作出的，而在实际生产中，受到质量，产量等因素的约束，经常是在非平衡状态下进行的；（2）作相图是从高温→低温的过程，易达到平衡，而在实际生产中是从低温→高温的过程，不易达到平衡；（3）制作相图，实验室用的是纯物料，而实际生产中用天然原料，含有杂质。4二．凝聚态系统中的组分、相及相律1．组分、独立组分（1）组分——系统中能够单独分离出来且能独立存在的化学纯物质。组分数：即系统的物种数。如：NaCl溶于H2O中，其组分数=2；在硅酸盐系统中，经常用氧化物作为系统的组分，如：CaO-S

4、iO2为二元系统，组分数=2；而2CaO·SiO2（C2S）为CaO-SiO2二元系统中形成的一种新物质，组分数=1。以氧化物形式表示硅酸盐物质，如：钾长石K2O·Al2O3·6SiO2为单元系统，仅表示一种物质，组分数=1。在硅酸盐系统中，经常以某种硅酸盐物质作为系统组分。5（2）独立组分数——表示构成平衡系统中各相组成所需要的最少组分数，用“c”表示。当不存在化学平衡时，组分数=独立组分数。如：低温系统中CaCO3、CaO、CO2存在，组分数=独立组分数=3；当有独立的化学平衡存在时，组分数≠独立组分数，独立组分数=组分数－独立的化学

5、平衡数如：高温系统中CaCO3、CaO、CO2存在，有：CaCO3CaO+CO2平衡，组分数=3；独立组分数=3-1=2；所以，对于单元系统，c=1；二元系统c=2；三元系统c=3。6硅酸盐系统相平衡中经常遇到的情况有(6点)：（1）形成机械混合物：相数=体系中物质数；（2）生成化合物：组分间每生成一个新化合物，即形成一种新相（但不增加独立组分数）；（3）形成固溶体：几个组分间形成的固溶体只算一个相；（4）同质多晶：同一物质的不同晶型化学组成相同，但结构和物理性质不同，即有几种变体就有几个相；2．相相——系统中物理性质和化学性质相同且完全

6、均匀的部分叫相。相与相之间有界面，但一个相内不一定只有一种物质。如：乙醇和水的系统。相与物质量的多少以及物质间是否连续无关。73．相律吉布斯（Gibbs于1876年推导出）相律：f=c–p+2自由度：在相平衡系统中，在一定范围内可以独立改变而不引起新相产生和旧相消失的变量（这些变量通常指T、P、组分浓度等）。f——自由度数；c——独立组分数；p——相数；2——指温度和压力这二个影响平衡的外界因素。（5）硅酸盐高温熔体：一般表现为一相，若发生分相，则熔体中有二个相；（6）介稳变体：介稳变体是一种热力学非平衡态，一般不出现于相图。但由于在硅酸

7、盐系统中常见，在相图上用虚线表示出，以与热力学平衡态相区别。8自由度数——系统中独立可变的变量数目。凝聚系统——不含气相或气相可以忽略的系统。硅酸盐物质难熔，挥发性很小，压力对系统的平衡影响不大（可忽略），所以硅酸盐系统属于凝聚系统。相律在凝聚系统的形式为：f=c–p+1注：（1）相律是在化学位相等（平衡状态）下推导出的，所以只能用于平衡系统。（2）对于一元凝聚系统，为了充分反映纯物质的各种聚集状态（超低压气相和超高压的新晶型），仍把压力取为变量。1——指温度因素9三．相平衡研究方法研究方法的实质：利用系统在相变时能量的变化或物理化学性质

8、的变化，通过实验手段准确的得到相变温度。实验手段：（1）动态法a)加热或冷却曲线法（准确地测出在加热或冷却过程中的“温度-时间”曲线）；b)差热分析法（准确地测出物质的相变温度）。10（2）静