第三章 非晶态固体

第25卷第6期V ol 125　N o 16长春师范学院学报(自然科学版)Journal of Changchun N ormal Un iv ersity (N atural Science )2006年12月Dec 2006非晶态固体相分离和结晶的关系齐吉泰,于长兴,印志强,王春红(绥化学院物理系,黑龙江绥化　152061)[摘　要]离子场强和混溶温度是影响非晶态固体相分离和结晶的主要因素,相分离为玻璃的结晶成核提供一种驱动力;相分离产生的界面为晶相的成核提供了有效的成核位;相分离导致两液相中的一相具有比母相明显大的原子迁移率来促使系统均匀成核,相分离和结晶之间也存在着一些不确定的因素。

[关键词]非晶态;相分离;结晶;成核;混溶[中图分类号]O 75 [文献标识码]A [文章编号]1008-178X (2006)06-0035203[收稿日期]2006-09-03[基金项目]黑龙江省自然科学基金项目(项目编号)[作者简介]齐吉泰(55),男,黑龙江绥棱人,绥化学院物理系教授,从事非晶态半导体研究。

非晶态固体相分离和结晶之间的关系曾吸引了很多人的关注,虽然进行了大量的研究工作,但对二者之间的关系还不是很清楚,人们发现在某些玻璃系统中,相分离总是发生在结晶的成核之前,因而认为相分离促进了玻璃的结晶,并且提出很多设想来解释它们之间的关系[1]。

但在有些实验中又往往得出相矛盾的结果,因而对这样复杂的关系不可能单纯用一种简单的模型来解释。

1　对非晶态固体相分离和结晶产生影响的一些因素在讨论玻璃相分离对随后结晶的影响之前,首先讨论对二者产生共同影响的某些因素,这样可能对进一步了解这个问题会有所帮助。

M 1T ashirro [2]在研究不同氧化物对Li 2O 3SiO 2玻璃混溶温度及析晶温度的影响时,发现这种玻璃的相分离及结晶倾向都是随着第三阳离子的场强增加而增大。

例如从图1中可以看出,除Mg 2+和T i 4+外,其余碱金属、碱土金属和其他高价阳离子都是随着离子场强的增加而减低其析晶温度(玻璃转变为晶体的最大速率的温度),析晶温度低就意味着析晶倾向大。

非晶态固体物理学非晶态固体物理学（Amorphous Solid Physics），是材料科学中一个很重要的分支研究领域。

其研究范围涉及从非晶态材料的制备、表征、低温物理性质，到非晶态固体的应用等。

今天，我将围绕着这个话题，向大家介绍非晶态固体物理学的相关知识。

第一步：概念介绍所谓非晶态固体，指的是在结晶和液态之间的一种状态。

它的特点是具有高度无序的原子排列结构，因而也被称为无序固体。

非晶态固体没有明确的晶格结构，大多数都是在高温状态下制备而成。

而非晶态固体物理学则是研究这种材料的物理性质和相关应用的学科。

第二步：制备方法目前，在制备非晶态材料方面，主要使用的是快速冷却技术。

其核心思想是将高温合金明显过冷却到玻璃态，如此可以使材料的制备工艺不受约束，并将许多性质调制成很宽的范畴。

快速冷却即是通过超过数十万度每秒的速率将材料从液态快速冷却到固态。

这种制备方式的优点是可以制备出具有复杂原子结构的非晶材料，并且可以得到很高的玻璃形态。

第三步：性质研究非晶态固体物理学的核心之一是探究非晶态材料与其它材料之间的相互作用。

非晶态固体的物理性质主要表现在两个方面：第一，非晶态固体的各向异性性质较差，这使得它在接触中其他物质时具有良好的适应性，减少了晶体材料表面上的晶行导致的断口；第二，非晶态固体的强度和塑性特性均较高，使其在工程材料中具有广泛的应用前景。

第四步：应用领域除了了解非晶态固体的基础物理特性之外，它还有许多重要的应用领域。

其中之一是聚类基础的功能性玻璃，可以应用在光电子设备、传感器、存储器，以及生物医药等领域。

此外，非晶态固体还被广泛应用于意大利NASA天主教大学等地的研究中，以探究类似恒星形成、物质相互作用及类似气溶胶的物理过程。

总之，非晶态固体物理学是一个广泛而有趣的领域，涉及到多个方面的理论和实践知识。

十分值得科研工作者和材料科学家去探究和挖掘。

第三章熔体与非晶态固体知识点：1.黏度与组成的关系答：组成是通过改变熔体结构而影响黏度的。

①一价金属氧化物碱金属氧化物R2O引入到硅酸盐熔体中，使熔体黏度降低。

在简单碱金属硅酸盐系统（R2O—SiO2）中，碱金属离子R+对黏度的影响与其本身的含量有关。

当R2O含量较低时(O/Si比值较低)，加入的正离子的半径越小，降低黏度的作用就越大，起次序是：L i+＞Na+＞K+；当熔体中R2O含量较高(O/Si比值较高)时，R2O对黏度影响的次序是：L i+＞Na+＞K+。

②二价金属氧化物二价碱土金属氧化物对黏度的影响比较复杂，综合各种效应，R2+降低黏度的次序是：Pb2+＞Ba2+＞Sr2+＞Cd2+＞Ca2+＞Zn2+＞Mg2+.③高价金属氧化物一般地，在熔体中引入SiO2、Al2O3、B2O3、ZrO2等高价氧化物时，会导致黏度升高。

2.硼反常现象：当数量不多的碱金属氧化物同B2O3一起熔融时，碱金属所提供的氧不像熔融SiO2玻璃中作为非桥氧出现在结构中，而是使硼氧三角体转变为由桥氧组成的硼氧四面体，致使B2O3玻璃从原来两度空间的层状结构部分转变为三度空间的架状结构，从而加强了网络结构，并使玻璃的各种物理性能变好。

这与相同条件下的硅酸盐玻璃相比，其性能随碱金属或碱土金属加入量的变化规律相反，所以称之为硼反常现象。

3.非晶态固体——玻璃的通性①各项同性：无内应力存在的均质玻璃在各个方向的物理性质，如折射率、硬度、导电性、弹性模量、热膨胀系数、导热系数等都是相同的；②热力学介稳性：玻璃具有析晶不稳定性与析晶困难相对稳定性的统一；③熔融态向玻璃态转化的可逆性与渐变性：熔体向玻璃体转化的过程是在较宽的温度范围内完成得，随着温度的下降，熔体的黏度越来越大，且变化是连续的，最后形成固相的玻璃，其间没有新相出现，因此具有渐变性；由玻璃加热变为熔体的过程也是渐变的，因此具有可逆性。

④熔融态向玻璃态转化时物理、化学性质随温度变化的连续性⑤物理、化学性质随成分变化的连续性。

第三章课后作业练习一一、 填空题1、凝固是物质由液相转变为固相的过程。

包括由液体向晶态固体转变，称为 ，及由液体向非晶态固体转变，称为 。

2、物质体积自由能G 随温度上升而 ，液相体积自由能G L 随温度上升而下降的斜率 固相体积G S 的斜率。

3、当T ＜T m 时，固-液体积自由能之差：ΔG V = G S －G L 之值 零，ΔG V 称为 。

其表达式为： 。

4、由公式可以看出， 是影响相变驱动力的决定因素，过冷度ΔT ，凝固相变驱动力ΔG V 越大。

5、设固相表面曲率k>0，由于曲率的影响物质的实际熔点比平衡熔点T m （r =∞时）要 。

6、对于固态密度低于液态密度的物质，当系统的外界压力升高时，物质熔点必然随之 。

对于象Sb, Bi, Ga 等少数物质，固态时的密度低于液态的密度，压力对熔点的影响与上述情况 。

7、特定温T *下液、固相成分达到平衡时，溶质平衡分配系数K 0定义的数学表达式 为： 。

8、假设液相线及固相线为直线，则随温度的上升，溶质平衡分配系数K 0为 。

9、对于K 0＜1，固相线、液相线张开程度 ， K 0越小，固相成分开始结晶时与终了结晶时差别越大，最终凝固组织的成分偏析越 。

因此，常将∣1- K 0∣称为“ ”。

二、 解答题：1、从热力学角度证明：LPT G ⎪⎭⎫⎝⎛∂∂＞SP T G ⎪⎭⎫⎝⎛∂∂，并说明此式的含义。

2、从热力学角度证明凝固相变驱动力的表达式：mm V T TH G ∆⋅∆-=∆。

3、在右图中，液态合金成分为C 0。

假设在冷却过程中按平衡方式凝固（液相及固相成分均按相图变化），在图上分别标出T 1，T 2 及任意特定温度T*与液相线、固相线的交点的成分，以及两个空白的( )中的相区。

4、根据K 0的热力学表达公式[教材（3-11）（3-12）]，说明： （1）溶质平衡分配系数K 0主要取决于哪两方面热力学因素？ （2）若假设,1==S i L i f f K 0＜1的条件是什么？为什么？练习二一、 填空题1、 一般来说凝固形核是以 方式进行的，即依靠 或 界面提供的衬底进行生核过程，（亦称“ 形核”或“ 形核”）。

非晶态固体结构特征1.无定型性：非晶态固体没有明确的晶体结构，其原子排列没有周期性或具有短程的有序性。

与晶体中的原子或分子按照规则的方式排列形成晶胞和晶格不同，非晶态固体中的原子或分子以无规则的方式排列。

这种无定型性也使得非晶态固体具有高度的自由度和可变性。

2.局部有序性：虽然整个非晶态固体没有明显的长程有序性，但其中的局部区域可能会出现有序的结构。

这是因为在非晶态固体中，原子或分子可能会在一定距离尺度上有一定的有序性，这种有序性被称为局部有序性。

这种局部有序性可以通过X射线衍射、中子衍射等技术来观察和研究。

3.高度的随机性：与晶体中具有确定的晶格点不同，非晶态固体的原子或分子位置没有确定性规律。

原子或分子的位置和旋转是随机的，并且可以沿各个方向移动。

因此非晶态固体具有高度的随机性，并且在宏观上呈现出无规则的形态。

4.高密度：相对于晶体具有规则的、周期性的结构，非晶态固体的原子或分子排列更为紧密。

这是因为非晶态固体中的原子或分子可以在有限空间内自由移动，以最小化它们之间的能量，从而使得结构更加密集。

5.过冷液态：非晶态固体通常通过快速冷却或减小体积等方式制备而成。

在这些过程中，材料的温度往往在其熔点以下，从而形成非晶态固体。

这种特殊的制备方法使得非晶态固体具有类似液体的分子或原子运动性质。

总体来说，非晶态固体具有无定型、局部有序、高度随机、高密度和过冷液态等一系列特征。

这些特征使得非晶态固体在物理性质、力学性能、光学性质和电子性质等方面具有独特的特点，因此在许多领域有着广泛的应用。