第4章 非晶态结构与性质
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非晶态结构与性质内容提要熔体和玻璃体是物质另外两种聚集状态。
相对于晶体而言,熔体和玻璃体中质点排列具有不规则性,至少在长距离范围结构具有无序性,因此,这类材料属于非晶态材料。
从认识论角度看,本章将从晶体中质点的周期性规则形排列过渡到质点微观排列的非周期性、非规则性来认识非晶态材料的结构和性质。
熔体特指加热到较高温度才能液化的物质的液体,即较高熔点物质的液体。
熔体快速冷却则变成玻璃体。
因此,熔体和玻璃体是相互联系、性质相近的两种聚集状态,这两种聚集状态的研究对理解无机材料的形成和性质有着重要的作用。
传统玻璃的整个生产过程就是熔体和玻璃体的转化过程。
在其他无机材料(如陶瓷、耐火材料、水泥等)的生产过程中一般也都会出现一定数量的高温熔融相,常温下以玻璃相存在于各晶相之间,其含量及性质对这些材料的形成过程及制品性能都有重要影响。
如水泥行业,高温液相的性质(如粘度、表面张力)常常决定水泥烧成的难易程度和质量好坏。
陶瓷和耐火材料行业,它通常是强度和美观的有机结合,有时希望有较多的熔融相,而有时又希望熔融相含量较少,而更重要的是希望能控制熔体的粘度及表面张力等性质。
所有这些愿望,都必须在充分认识熔体结构和性质及其结构与性质之间的关系之后才能实现。
本章主要介绍熔体的结构及性质,玻璃的通性、玻璃的形成、玻璃的结构理论以及典型玻璃类型等内容,这些基本知识对控制无机材料的制造过程和改善无机材料性能具有重要的意义。
4.1 熔体的结构一、对熔体的一般认识自然界中,物质通常以气态、液态和固态三种聚集状态存在。
这些物质状态在空间的有限部分则称为气体、液体和固体。
固体又分为晶体和非晶体两种形式。
晶体的结构特点是质点在三维空间作规则排列,即远程有序;非晶体包括用熔体过冷而得到的传统玻璃和用非熔融法(如气相沉积、真空蒸发和溅射、离子注入等)所获得的新型玻璃,也称无定形体,其结构特点是近程有序,远程无序。
习惯上把高熔点物质的液体称为熔体(指熔点温度以上,具有一定流动性的液体),所以对于硅酸盐来说,它的液体一般称之为熔体。
材料科学基础第二版(张联盟) 武汉理工大学出版社内容简介“材料科学基础”是高等学校材料科学与工程一级学科专业课程体系中一门重要的学科基础课程。
《材料科学基础》是教育都高等教育百门精品课程教材建设计划立项研究项目教材,是普通高等教育“十一五”国家级规划教材,是“材料科学基础”国家级精品课程教材。
本书主要从一级学科层次上阐述材料的组成与结构、制备与加工、性质、使用性能等材料科学与工程主要要素之间的相互关系及其制约规律。
全书主要包括12章内容:材料引言、晶体结构、晶体结构缺陷、非晶态结构与性质、表面结构与性质、相平衡与相图、基本动力学过程——扩散、材料中的相变、材料制备中的固态反应、烧结、腐蚀与氧化、疲劳与断裂等。
本书可供高等学校材料科学与工程一级学科(本科)专业的学科基础课程教学使用,也可作为二级学科专业的学科基础课程教材使用,同时还可作为材料类相关专业工程技术人员的阅读参考书。
1 材料引言本章提要1.1 材料类型1.1.1 金属材料1.1.2 无机非金属材料1.1.3 有机高分子材料(聚合物)1.1.4 复合材料1.2 材料组成、结构、性质、工艺及其与环境的关系1.2.1 材料结构层次1.2.2 工程材料常见性质与性能1.2.3 材料的加工工艺1.2.4 材料性能的环境效应1.3 材料的选择本章小结思考题与习题2 晶体结构本章提要2.1 结晶学基础2.1.1 空间点阵2.1.2 结晶学指数2.1.3 晶向与晶面的关系、晶带轴定理2.2 晶体中质点的结合力与结合能2.2.1 晶体中质点间的结合力2.2.2 晶体的结合力与结合能2.3 晶体中质点的堆积2.3.1 最紧密堆积原理与最紧密堆积方式2.3.2 內在因素对晶体结构的影响——化学组成与晶体结构的关系2.3.3 外在因素对晶体结构的影响——同质多晶与类质同晶及晶型转变2.4 单质晶体结构2.4.1 金属晶体的结构2.4.2 非金属元素单质的晶体结构2.5 无机化合物结构2.5.1 AX型结构2.5.2 AX2型结构2.5.3 A2X3型结构2.5.4 AX3型和A2X5型结构2.5.5 ABO3型结构2.5.6 ABO4型(白钨矿型)结构及声先效应2.5.7 AB2O4型(尖晶石,Spinelle)结构2.5.8 石榴(Garnet)结构2.5.9 无机化合物结构与鲍林规則(Pauling's Rule)2.6 硅酸盐晶体结构2.6.1 硅酸盐晶体的组成表征、结构特点及分类2.6.2 岛状结构2.6.3 组群状结构2.6.4 链状结构2.6.5 层状结构2.6.6 架状结构2.7 高分子材料结构2.7.1 高分子的链结构2.7.2 高分子的聚集态结构本章小结思考题与习题3 晶体结构缺陷本章提要3.1 晶体结构缺陷的类型3.1.1 按缺陷的几何形态分类3.1.2 按缺陷产生的原因分类3.2 点缺陷”3.2.1 点缺陷的符号表征——Kroger-Vink符号3.2.2 缺陷反应表示法3.2.3 热缺陷浓度的计算3.2.4 热缺陷在外力作用下的运动3.2.5 热缺陷与晶体的离子导电性3.3 线缺陷3.3.1 晶体的塑性和强度3.3.2 位错的类型3.3.3 位错的伯格斯矢量及位错的性质3.3.4 位错的应力场与应变能3.3.5 位错的运动3.3.6 位错所受的力3.3.7 位错的反应3.3.8 位错与点缺陷的交互作用……4 非晶体结构与性质5 表面结构与性质6 相平衡和相图7 基本动力学过程——扩散8 材料中的相变9 材料制备中的固态反应10 烧结11 腐蚀与氧化12 疲劳与断裂参考文献附录。
第四章非晶态结构与性质4-1名词解释熔体与玻璃体分化(解聚)与缩聚网络形成体网络中间体网络改变体桥与非桥氧硼反常现象单键强度晶子学说与无规则网络学说4-2试简述硅酸盐熔体聚合物结构形成的过程和结构特点。
4-3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?4-4 试述石英晶体、石英熔体、Na2O·2SiO2熔体结构和性质上的区别。
4-5影响熔体粘度的因素有哪些?试分析一价碱金属氧化物降低硅酸盐熔体粘度的原因。
4-6熔体粘度在727℃时是107Pa·s,在1156℃时是103 Pa·s,在什么温度下它是106 Pa·s?(用lnη=A+B/T解之)4-7 SiO2熔体的粘度在1000℃时为1014 Pa·s,在1400℃时为107 Pa·s。
SiO2玻璃粘滞流动的活化能是多少?上述数据为恒压下取得,若在恒容下获得,你认为活化能会改变吗?为什么?4-8一种熔体在1300℃的粘度是310 Pa·s,在800℃是107 Pa·s,在1050℃时其粘度为多少?在此温度下急冷能否形成玻璃?4-9试用logη=A+B/(T-T0)方程式,绘出下列两种熔体在1350~500℃间的粘度曲线(logη~1/T)。
两种熔体常数如下:4-10派来克斯(Pyrex)玻璃的粘度在1400℃时是109 Pa·s,在840℃是1013Pa·s。
请回答:(1)粘性流动活化能是多少?(2)为了易于成形,玻璃达到105Pa·s的粘度时约要多高的温度?4-11一种玻璃的工作范围是870℃(η=106Pa·s)至1300℃(η=102.5Pa·s),估计它的退火点(η=1012Pa·s)?4-12一种用于密封照明灯的硼硅酸盐玻璃,它的退火点是544℃,软化点是780℃。
第四章非晶态结构与性质4-1名词解释熔体与玻璃体分化(解聚)与缩聚网络形成体网络中间体网络改变体桥与非桥氧硼反常现象单键强度晶子学说与无规则网络学说4-2试简述硅酸盐熔体聚合物结构形成的过程和结构特点。
4-3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?4-4 试述石英晶体、石英熔体、Na2O·2SiO2熔体结构和性质上的区别。
4-5影响熔体粘度的因素有哪些?试分析一价碱金属氧化物降低硅酸盐熔体粘度的原因。
4-6熔体粘度在727℃时是107Pa·s,在1156℃时是103 Pa·s,在什么温度下它是106 Pa·s?(用lnη=A+B/T解之)4-7 SiO2熔体的粘度在1000℃时为1014 Pa·s,在1400℃时为107 Pa·s。
SiO2玻璃粘滞流动的活化能是多少?上述数据为恒压下取得,若在恒容下获得,你认为活化能会改变吗?为什么?4-8一种熔体在1300℃的粘度是310 Pa·s,在800℃是107 Pa·s,在1050℃时其粘度为多少?在此温度下急冷能否形成玻璃?4-9试用logη=A+B/(T-T0)方程式,绘出下列两种熔体在1350~500℃间的粘度曲线(logη~1/T)。
两种熔体常数如下:4-10派来克斯(Pyrex)玻璃的粘度在1400℃时是109 Pa·s,在840℃是1013Pa·s。
请回答:(1)粘性流动活化能是多少?(2)为了易于成形,玻璃达到105Pa·s的粘度时约要多高的温度?4-11一种玻璃的工作范围是870℃(η=106Pa·s)至1300℃(η=102.5Pa·s),估计它的退火点(η=1012Pa·s)?4-12一种用于密封照明灯的硼硅酸盐玻璃,它的退火点是544℃,软化点是780℃。
无机非金属材料工程课程编号:030301Z1课程名称:材料学概论英文名称:Introduction of Materials Science学时与学分:16 /1先修课程要求:物理化学适应专业:无机非金属材料工程参考教材:材料科学基础,杜丕一,中国建材工业出版社,2002年课程简介:本课程是无机非金属材料专业学生在系统学习基础课程后,对材料的概念、性质和应用有一个比较系统的认识,了解材料科学的内涵、所要研究的基本科学问题,及与其它学科的交叉;并了解材料科学的基本研究方法和现代技术对材料性能的基本要求,掌握无机非金属材料的基本范畴和专业特点,了解学科的发展前沿。
教学大纲:一、课程在培养方案中的地位、目的和任务材料是人类技术进步的标志。
材料科学与工程所探讨的是材料的制备、结构、性能与功能之间的相互关联,涉及的领域宽广。
本课程是无机非金属材料专业学生在系统学习基础课程后,对材料的概念、性质和应用有一个比较系统的认识,了解材料科学的内涵、所要研究的基本科学问题,及与其它学科的交叉;并了解材料科学的基本研究方法和现代技术对材料性能的基本要求,掌握无机非金属材料的基本范畴和专业特点,了解学科的发展前沿。
二、课程的基本要求《材料学导论》是无机非金属材料工程的专业课程。
要求学生能掌握材料科学的基本概念、研究范畴和研究方法,能结合所学的基础知识认识材料科学的基本科学问题,了解材料的基本性能,制备的共性技术与基本原理等。
能综合应用已学的物理化学、力学、机械等课程的基础知识,加深对材料科学的理解。
三、课程的基本内容以及重点难点基本内容包括:材料学研究领域与研究方法,晶体结构与晶体化学原理,晶体的完整性和固溶体,非晶态固体和固体材料中的质点运动,材料制备的共性技术与原理,材料改性与新型无机材料合成,材料设计原理与方法,材料学与其它学科的交叉,典型新材料的性能和应用,高新技术的材料要求,材料学发展趋势。
四、实验要求无实验。
《无机材料科学基础》教学大纲课程编号:030303Z1课程名称:无机材料科学基础英文名称:Fundamentals of Inorganic Materials Science学分:5 总学时:80 课内实验时数:6 课外实验学时:4周(80学时)先修课程要求:大学数学,无机化学,物理化学,材料学概论,结晶学与岩相学适应专业:无机非金属材料工程(四年制本科)参考教材:1.宋晓岚、黄学辉主编.无机材料科学基础.北京:化学工业出版社,20062.胡志强主编.无机材料科学基础教程.北京:化学工业出版社,20043.陆佩文主编.无机材料科学基础(硅酸盐物理化学).武汉:武汉工业大学出版社,19964.周亚栋主编.无机材料物理化学.武汉:武汉工业大学出版社,19945.浙江大学、武汉工业大学等合编. 硅酸盐物理化学.北京:中国建筑工业出版社,1980课程简介:《无机材料科学基础》是从无机材料领域内的各种材料制品的工艺技术实践中总结出来的共性规律而形成的一门课程,是材料科学的重要基础理论。
该课程把基础科学理论,特别是物理化学、结晶化学中的基本理论,具体应用到无机材料的制备工艺和性能研究中,用理论来阐明无机材料形成过程的本质,阐述如何应用基础理论来解决生产实际问题,为生产、研究和开发新材料提供理论依据。
本课程的内容包括无机材料引论、晶体结构、晶体结构缺陷、非晶态结构与性质、固体表面与界面、相平衡与相图、固体扩散、固相反应、相变过程、烧结过程和无机材料环境效应等11个方面的内容。
一、课程在培养方案中的地位、目的和任务《无机材料科学基础》课程是无机非金属材料工程专业培养方案中的主干课程和必修的专业基础课。
《无机材料科学基础》是从无机材料领域内的各种材料制品的工艺技术实践中总结出来的共性规律而形成的一门课程,是材料科学的重要基础理论。
该课程的前身是《无机材料物理化学》,其研究领域局限于传统无机材料材料和制品。
随着各种现代技术的发展,已在传统无机材料材料基础上开发出具有特殊性能的高温材料、高强材料、电子材料、光学材料以及激光、铁电、压电等材料,所涉及的化合物远远超出无机材料的范畴,而是整个无机非金属,因此改名为《无机材料科学基础》。