无机材料科学基础第四章非晶态结构与性质

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；

12

8

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

8

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

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/o5ww.html