无机材料科学基础第四章非晶态结构与性质
更新时间:2023-03-09 03:56:01 阅读量: 综合文库 文档下载
第4章 非晶态结构与性质
一、名词解释 1.熔体与玻璃体:
熔体即具有高熔点的物质的液体。 熔体快速冷却形成玻璃体。 2.聚合与解聚:
聚合:各种低聚物相互作用形成高聚物 解聚:高聚物分化成各种低聚物 3.晶子学说与无规则网络学说:
晶子学说(有序、对称、具有周期性的网络结构): 1硅酸盐玻璃中含有无数的晶子 2晶子的互相组成取决于玻璃的化学组成
3晶子不同于一般微晶,而是带有晶体变形的有序区域,在晶子中心质点排列较有规律,远离中心则变形程度增大 4晶子分散于无定形物质中,两者没有明显界面
无规则网络学说(无序不对称不具有周期性的网络结构) 1形成玻璃态的物质与晶体结构相类似,形成三维的空间网格结构 2这种网络是离子多面体通过氧桥相连进而向三维空间规则 4.网络形成体与网络变性体:
网络形成体:能够单独形成玻璃的氧化物 网络变性体:不能单独形成玻璃的氧化物 5.桥氧与非桥氧:
桥氧:玻璃网络中作为两个成网多面体所共有顶角的氧 非桥氧:玻璃网络中只与一个成网多面体相连的氧
二、填空与选择
1.玻璃的通性为:各向同性、介稳性、由熔融态向玻璃态转化是可逆与渐变的,无固定熔点、
由熔融态向玻璃态转化时,物理、化学性质随温度的变化连续性和物理化学性质随成分变化的连续性。
2.氧化物的键强是形成玻璃的重要条件。根据单键强度的大小可把氧化物中的正离子分为三类:网络形成体、网络中间体和网络改变体;其单键强度数值范围分别为单键强度>335KJ/mol、单键强度介于250~335KJ/mol和单键强度<250~335KJ/mol。
3.聚合物的形成可分为三个阶段,初期:石英颗粒的分化;中期:缩聚与变形;后期:在一定时间内分化与缩聚达到平衡。
4.熔体结构的特点是:近程有序、远程无序。
5.熔体是物质在液相温度以上存在的一种高能量状态,在冷却的过程中可以出现结晶化、玻璃化和分相三种不同的相变过程。
6.在玻璃性质随温度变化的曲线上有二个特征温度Tg(脆性温度)和Tf(软化温度),与这二个特征温度相对应的粘度分别为10Pa·s和10Pa·s。 7.在SiO2玻璃中加入Na2O后,析晶能力将A,玻璃形成能力将B。 (A增强 B减弱 C不变 )(在熔点粘度越大,越不容易析晶,容易形成玻璃)
8.能单独形成玻璃的氧化物(网络形成体),其单键强度为B;不能单独形成玻璃的氧化物(网络变性体),其单键强度为A。(A 小于250KJ/mol;B 大于335KJ/mol;C 250~335KJ/mol )
9.当温度不变时,硅酸盐熔体中的聚合物种类、数量与熔体组成(O/Si比)有关。O/Si比值大,表示碱性氧化物含量高,这时熔体中的B。(A 高聚体数量增多;B 高聚体数量减少;C 高聚体数量多于低聚体;D 高聚体数量少于低聚体 )
10.按照在形成氧化物玻璃中的作用,下列氧化物网络变体(单键强度<250)有Na2O、CaO、K2O、BaO,中间体有Al2O3,网络形成体(单键强度>335)有:SiO2、B2O3、P2O5。(SiO2、Na2O、B2O3、CaO、Al2O3、P2O5、K2O、BaO ) 三、简述硅酸盐熔体聚合物结构形成的过程和结构特点。 初期:主要是石英(或硅酸盐)的分化; 中期:缩聚反应并伴随聚合物的变形;
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后期:在一定温度(高温)和一定时间(足够长) 下达到缩聚、分化平衡。
结构特点:近程有序,远程无序
四、试用实验方法鉴别晶体SiO2、SiO2玻璃、硅胶和SiO2熔体。它们的结构有什么不同?
可以通过X射线衍射的方法鉴别 晶体SiO2衍射强度时强时弱
SiO2玻璃和SiO2熔体呈现宽阔的衍射峰,而熔体的强度较玻璃强 硅胶:具有小角度散射的衍射峰
五、在SiO2熔体中,随Na2O加入量的不同,粘度将如何变化,为什么? CaO、MgO、Al2O3、B2O3与SiO2对熔体的粘度又有何影响,为什么?
1、随着Na2O的增加;在Na2O含量少的时候,提供游离氧使硅氧比上升,粘度下降,由于离子半径小,反极化作用强,下降速率快;在Na2O含量多的时候,提供游离氧使硅氧比上升,
粘度下降,由于O含量高,离子半径小的具有较大的作用力矩,下降速率慢;
2、对于MgO;即为RO;能够提供O,使硅氧比上升,粘度下降,由于离子势较大,使粘度上升,但上升量不及下降量,故MgO能使粘度下降,但并非为迅速下降
3、、B2O3在含量低的时候增加含量,粘度上升,原因在于形成了[BO4];含量较高的时候,增加含量,粘度下降,原因在于形成[BO3]。 4、加入SiO2使硅氧比下降,粘度上升。
5、加入CaO,低温增加粘度,高温时含量>10~12%增加粘度,<10~12时降低粘度
6、Al2O3能够使粘度上升
六、一种熔体在1300℃的粘度是3100dPa·s,在800℃是10dPa·s,在
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2-2-
1050℃时其粘度为多少?在此温度下急冷能否形成玻璃?
Blgη?A?TBB;lg108?A?1573.151073.15BB3.5?A?;8?A?1573.151073.154.5?3?10-4B;B?15000;A??615000lgη??6?1323.15η?218776Pa.Slg3100?A?η介于103~107可以形成玻璃
七、简述晶子学说与无规则网络学说的主要内容,并比较两种学说在解释玻璃结构上的相同点和不同点。 晶子学说(有序对称有周期性重复结构) 1)硅酸盐玻璃中存在无数“晶子”;
2)“晶子”的化学性质取决于玻璃的化学组成;
3)“晶子”不同于一般微晶,而是带有晶格变形的有序区域,在“晶子”中心质点排列较有规律,愈远离中心则变形程度愈大; 4)“晶子”分散在无定形介质中,两者无明显界线,逐渐过渡 无规则网络学说(无序不对称无周期性重复结构)
(1)形成玻璃态的物质与相应的晶体结构类似,形成连续的三维空间网络结构;
(2)这种网络是由离子多面体通过桥氧相连,向三维空间无规律的发展而构筑起来的;
相同点:玻璃的结构是近程有序、远程无序的。
八、根据玻璃形成条件,对下列几种物质形成玻璃的难易程度进行排序,并说明理由。SiO2、Na2O·SiO2、Na2O·2SiO2、NaCl X:非桥氧 Y:桥氧 Z:配位数 R:硅氧比
SiO2Z?4;R?2X?Y?ZX?0.5Y?RY?4;X?0Na2O·SiO2Z?4;R?3X?Y?ZX?0.5Y?RY?2;X?2Na2O。2SiO2
Z?4;R?2.5
X?Y?Z X?0.5Y?RY?3;X?1
Y值 < 2,硅酸盐玻璃不能构成三维网络,即不成玻;Y值越高,η越大,玻璃形成能力越强;故
SiO2>Na2O。2SiO2>Na2O。SiO2>NaCl
九、试计算下列玻璃的结构参数与非桥氧分数:
(a)Na2O·SiO2;(b)Na2O·CaO·Al2O3·2SiO2;(c)Na2O·1/3Al2O3·2SiO2;(d)10mol%Na2O·18molêO·72mol%SiO2;(e)13wt%Na2O·13wtêO·74wt%SiO2。 (a)Na2O?SiO2 (d)
3Z?4;R??310.5Y?Z?R?1Y?2;X?2(b)
Na2O?CaO?Al2O3?2SiO2Na2O?CaO?2>1;即网络形成体Al2O31?1?3?4?2.252?20.5Y?Z?R?1.75Y?3.5;X?0.5Z?4;R?NaO?1/3AlO?2SiO(C) NaO122322Al2O3?1/3>3;即网络形成体Z?4;R?1?1?4?2.252?230.5Y?Z?R?1.75Y?3.5;X?0.510mol%Na2O?18molêO?72mol%SiO210?18?72?2?2.39720.5Y?Z?R?1.61Z?4;R?Y?3.2;X?0.8(e)
13wt%Na2O?13wtêO?74wt%SiO2M;M;M(Na2O)?62(CaO)?56(SiO2)?60n;n;n(Na2O)?0.21(CaO)?0.23(SiO2)?1.23mol%;mol%;mol%(Na2O)?12.6%(CaO)?13.8%(SiO2)?73.7.6%Na?73.7%SiO22O?13.8êO12.6?13.8?73.7?2?2.3673.70.5Y?Z?R?1.64Z?4;R?Y?3.28;X?0.72非桥氧分数A=X/(X+0.5Y);Aa=67%;Ab=22%;Ac=22%;Ad=33%;Ae=31%
十、有两种不同配比的玻璃,其组成如下: 序号 1 2 Na2O(wt%) 8 12 Al2O3(wt%) 12 8 SiO2(wt%) 80 80
试用玻璃结构参数说明两种玻璃高温下粘度的大小?
8wt%Na2O?12wt%Al2O3?80wt%SiO2M;M;M(Na2O)?62(Al2O3)?102(SiO2)?60n;n;n(Na2O)?0.129(Al2O3)?0.118(SiO2)?1.33mol%;mol%;mol%(NaO)?8.2%(CaO)?7.5%(SiO)?84.3wt%Na2O?8wt%Al2O3?80wt%SiO2M;M;M(Na2O)?62(Al2O3)?102(SiO2)?60n;n;n(Na2O)?0.194(Al2O3)?0.078(SiO2)?1.33mol%(Na2O)?12.1%;mol%(CaO)?4.9%;mol%(SiO2)?83"8.2%Na2O?7.5%Al2O3?84.3%SiO2Na2OAl?8.2>1;即网络形成体2O37.5Z?4;R?8.2?7.5?3?84.3?27.2?2?84.3?2.020.5Y?Z?R?1.98Y?3.96;X?0.04
12.1%Na2O?4.9%Al2O3?83%SiO2Na2OAl?12.1>1;即网络形成体2O34.9Z?4;R?12.1?4.9?3?83?24.9?2?83?2.080.5Y?Z?R?1.92Y?3.84;X?0.16Y越大,则粘度越大,即1粘度大
试用玻璃结构参数说明两种玻璃高温下粘度的大小?
8wt%Na2O?12wt%Al2O3?80wt%SiO2M;M;M(Na2O)?62(Al2O3)?102(SiO2)?60n;n;n(Na2O)?0.129(Al2O3)?0.118(SiO2)?1.33mol%;mol%;mol%(NaO)?8.2%(CaO)?7.5%(SiO)?84.3wt%Na2O?8wt%Al2O3?80wt%SiO2M;M;M(Na2O)?62(Al2O3)?102(SiO2)?60n;n;n(Na2O)?0.194(Al2O3)?0.078(SiO2)?1.33mol%(Na2O)?12.1%;mol%(CaO)?4.9%;mol%(SiO2)?83"8.2%Na2O?7.5%Al2O3?84.3%SiO2Na2OAl?8.2>1;即网络形成体2O37.5Z?4;R?8.2?7.5?3?84.3?27.2?2?84.3?2.020.5Y?Z?R?1.98Y?3.96;X?0.04
12.1%Na2O?4.9%Al2O3?83%SiO2Na2OAl?12.1>1;即网络形成体2O34.9Z?4;R?12.1?4.9?3?83?24.9?2?83?2.080.5Y?Z?R?1.92Y?3.84;X?0.16Y越大,则粘度越大,即1粘度大
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