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第三章 非晶态固体

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3-非晶态合金

3-非晶态合金

(稳定相)
（亚稳相）
(亚稳相)
E
A
晶
体
D
（稳定相）
E：结晶过程；C：非晶形成过程 ；D：非晶晶化过程
与结晶相比，非晶态形成过程有以下特点：
（1）从熔体中形成非晶态的过程是：ABC 即：过热熔体 过冷熔体 非晶固相
（2）非晶形成是亚稳相之间相互转变，即： 稳定过热液相 亚稳过冷液相 亚稳固相
晶体
非晶
3、电性能 与晶态合金相比，非晶态合金的电阻率显著增高
(2~3倍)，例如非晶态的Cu0.6Zr0.4合金的电阻率可 达 350cm ， 而 晶 态 高 电 阻 合 金 的 电 阻 率 仅 为 100cm左右。这是由于非晶态合金原子的无序排 列而导致电子的附加散射所致。
非晶态合金的电阻温度系数（ 1 d ）比晶态合金的
• 非晶态结构：原子排列没有周期性，即原子的排 列从总体上是无规则的（长程无序），但是，近邻 原子的排列是有一定规律的（短程有序）
晶态和非晶态材料的X-射线衍射谱
晶态和非晶态材料的电子衍射图
晶体衍射花样
非晶合金衍射花样
2.亚稳定性
非晶态是一种亚稳态，其结构具有相对的稳定性，这种稳定 性直接关系非晶态材料的应用及使用寿命。
非晶合金发展及研究现状
• 1934年，德国人克雷默采用蒸发沉积法制备出非晶态合金。 • 1950年，布伦纳用电沉积法制备出了Ni－P非晶态合金。 • 1960年，DUWEZ等人从熔融金属急冷制成了金属玻璃并开
始进行研究。
• 1969年，美国人庞德和马丁研究了生产非晶态合金带材的 技术，为规模生产奠定了技术基础。 1976年，美国联信公司生产出10mm宽的非晶态合金 带材，到1994年已经达到年产4万吨的能力。目前美国能 生产出最大宽度达217mm的非晶带材。 2000年9月20日，在钢铁研究总院的非晶带材生产线 上成功地喷出了宽220mm、表面质量良好的非晶带材，它 标志着我国在该材料的研制和生产上达到国际先进水平。

第三章 3.1 非晶态材料的基本概念和性质

第三章 3.1 非晶态材料的基本概念和性质

从材料学的分类角度分析，非晶态材料的品种很多，主 要包括：
1. 非晶态合金 2. 非晶态半导体材料 3. 非晶态超导体 4. 非晶态高分子材料
5. 非晶态玻璃
1. 非晶态合金
非晶态合金也叫金属玻璃，它既有金属和玻璃的优
点, 又克服了它们各自的弊病。如玻璃易碎, 没有延
展性。金属玻璃的强度却高于钢, 硬度超过高硬工具 钢, 且具有一定的韧性和刚性, 所以, 人们赞扬金属玻 璃为“敲不碎、砸不烂”的“玻璃之王”。
•Np-Ga30-40, Pu-Ni12-30……
2. 非晶态半导体材料
非晶态半导体材料范围十分广泛，研究最多的 有两类：
一类是四面体配臵的非晶态半导体，例如非 晶 Si 和 Ge，属于 IVA 族的半导体元素 另一类是硫系非晶态半导体，例如 S，Se，Te 等 ， 包 括 二 元 系 的 As2Se3 和 多 元 系 的 As81Se21Ge80Te18，As30Te43Si12Ge10等。
这两类半导体材料的应用潜力很大，可以制成
各种微电子器件，有许多已经商品化。
其他的非晶态半导体如非晶态 III-V A族化合
物也在积极的研究之中，但大多数尚处于实验
室研究初期。
此外，还有一类重要的半导体材料—玻璃半导体
硫属非晶态半导体通过加热-冷却过程发生晶体-非晶态 的可逆转变，故又有玻璃半导体之称。
2. 有长程有序和短程有序
非晶态物质是介于晶体和液体之间有序度的一种
聚集态。它不像晶态物质那样具有完善的短程和
远程有序，而是不存在长程有序，仅具有短程有
序。也就是说，在很小的范围内，如几个原子构
成的小集团，原子的排列具有一定的规则。
“短程有序”是非晶态固体的基本特征之一。

第三章 非晶态固体

第三章 非晶态固体

第三章 非 晶 态 固 体3-1 试述石英晶体、石英熔体、Na 2O ·2 SiO 2熔体结构和性质上的区别。

如何用实验方法来区分它们？3-2 试证明下面两式相等；11111111K K Mo nMo Mo n αααα⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+-= ⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-+⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-+=-Mo Mo n Mo Mo n K K N αααα111)1(1111111 3-3 熔体粘度在727℃时是108泊，在1156℃时是10`泊，在什么温度下它是104泊？（用解之)(/lg K T B A +=η） 3-4 试用0l T T FE g -+=η方程式，绘出下列两种熔体在1350~500℃间的粘性曲线（1~lg η）。

两种熔体常数如下：3-5 一种熔体在1300℃的粘度是3100泊，在800℃是108泊，在1050℃时其粘度为多少？在此粘度下急冷，是否形成玻璃？3-6 从以下两种釉式中，，你能否判断两者的熔融温度、粘度、表面张力上的差别？说明理由。

（1）32232225.01.23.03.03.02.02.0O B SiO O Al PbO CaO O Na O K ⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫（2）23220.101.16.02.02.0SiO O Al CaO MgO O K ⎪⎭⎪⎬⎫3-7 SiO 2熔体的粘度在1000℃时为108泊，在1400℃时为108泊。

SiO 2玻璃粘滞流动的活化能是多少？上述数据是在恒压下取得，如果在恒容下得到，你预计活化能会不同吗？为什么？3-8 名词解释（并比较其异同）（1）玻璃体和熔体（2）Tg和T f（3）玻璃分相和玻璃析晶（4）亚稳分解与不稳分解（5）硅酸盐玻璃和硼酸盐玻璃3-9 试用实验方法鉴别晶体SiO2, SiO2玻璃、硅胶和熔融二氧化硅。

并从结构角度来解释这些同质异构体。

3-10 结构上比较硅酸盐晶体与硅酸盐玻璃的区别。

非晶态固体结构特征

非晶态固体结构特征

非晶态固体结构特征
非晶态固体（amorphous solid）是指由无规则排列的分子、离子或
原子组成的物质，其结构特征如下：
1.无明显的晶体结构：非晶固体没有周期性的晶格结构，因此缺乏晶
体的各种晶界、晶面等表面特征。

2.高度的随机性：非晶固体的分子、离子或原子之间的排列没有规则
的周期性，呈现出高度的随机性和不对称性。

3.无法通过X射线衍射得到衍射图：非晶固体的衍射图不具有明显的
衍射峰，而是呈现出一种连续的背景。

4.动态性：非晶固体的分子、离子或原子之间存在着不断的微小振动，使得其结构不停地产生变化。

5.多样性：非晶固体的结构可以相当复杂，不同的非晶固体之间存在
着巨大的结构差异。

由于非晶固体结构特征的多样性和随机性，其研究十分复杂。

但与晶
体不同的是，非晶固体具有许多优异的物理性质，例如高强度、高刚度、
低气孔率、优异的耐腐蚀性等，因此在许多应用领域中得到了广泛的应用。

2-7非晶和准晶、纳米晶态固体结构

2-7非晶和准晶、纳米晶态固体结构

同色顶点相接
格点旳 排列无 周期性， 但到处 具有5次 对称性
准晶构造类型
a.一维准晶 在一种取向是准周期性而其他两个取向
是周期性，存在于二十面体或十面体与结晶 相之间发生相互转变旳中间状态。
b.二维准晶 由准周期有序旳原子层周期地堆垛而构成，
是将准晶态和晶态旳构造特征结合在一起。 存在8、10 和 12 次对称
1.准晶态旳构造
准晶是准周期晶体旳简称，它是一种无平 移周期性但有位置序旳晶体。
有无方法能够铺砌成具有五重对称性旳 无空隙地面？
面积之比为 1.618：1
具有5次 对称轴
1974年penrose提出利用两种夹角分别为72、 72、144、72 和 36、72、36、216度旳四边 形能够将平面铺满.相当于将一种菱形切开成上 述两个四边形。这种图形具有5次对称性。
旳固体材料。
(1)各向同性；
（2）介稳性 有析晶（晶化）旳倾向； （3）熔融态向玻璃态转化旳过程是可逆旳与 渐变旳；
（4）无固定旳熔点；
(5)熔融态向玻璃态转化时物理、化学性质 随温度变化旳连续性。
2、玻璃旳形成条件
A：玻璃形成旳动力学条件
硅酸盐、硼酸盐、磷酸盐等无机熔体或一定成 份旳合金只有冷凝速度不小于一定旳临界速度 才干转变为玻璃。
金属键物质，在熔融时失去联络较弱旳电子， 以正离子状态存在。金属键无方向性并在金属晶 格内出现最高配位数（12），原子相遇构成晶格 旳几率最大，最不易形成玻璃。
纯粹共价键化合物多为分子构造。在分子内 部，由共价键连接，分子间是无方向性旳范德华 力。一般在冷却过程中质点易进入点阵而构成份 子晶格。
所以以上三种键型都不易形成玻璃。
c.二十面体准晶

非晶固体结构的表征ppt课件

非晶固体结构的表征ppt课件
短程有序（固体非晶结构呈现长程无序特征， 但与气体间质点的分布不同，由于质点间存在 较强的化学键力，因而遵循一定的排列规律， 在短程范围内呈现一定的次序，即短程有序）
非晶固体微观结构认识和局限
晶体与非晶体的鉴别（X射线衍射分析 和电子衍射技术）
非晶固体中质点在三维空间中的真实排 列情况尚无直接检测技术
无序堆积体中可以划分出多种堆积几何多 面体－伯纳尔多面体
非晶态金属体中非晶态程度可用伯纳尔多 面体种类数和体积密度减小程度两个参数 进行描述。
非晶态金属结构
相对于密堆结构，非晶态 金属的密度相对较低，通 过密度增值表征无序度
伯纳尔多面体 无规则密堆硬球模型
非晶态聚合物结构
两相球粒模型
无规则线团模型
非晶固体的短程有序性
高分子与塑料
高分子基团（共价键） 塑料（分子键）
化学键类型与质点间的连接方式 化学键的共存与配位基团 弱键与强键
化学键类型与质点间的连接方式
静电键强度高的键连接成各种 类型的基团 多面体及其连接 组群状结构 链状结构 面状结构 三维结构
化学键的共存与配位基团
对非晶固体材料而言 往往同时存在多种化 学键
对非晶固体微观结构的认识通过非晶材 料的间接信息（X射线衍射径向分布函 数分析技术、其它光谱分析技术和物理 性质）建立各种模型
非晶固体结构类型
按材料种类划分
无机玻璃的结构
微晶子学说 无规则网络说
非晶态金属结构 非晶态聚合物结构
无机玻璃的结构
无机玻璃体（狭义）：是指组成为无机 非金属化合物，经高温熔融，在不发生 结晶的冷却过程中，物体从液态转化为 高粘度固态的物体。
化学键的种类和数量 取决于：固体的化学 组成、形成历史；

非晶态固体物理学

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。

熔体与非晶态固体


02
非晶态固体的基本概念
非晶态固体的定义
定义
非晶态固体是指原子或分子的排 列在空间上呈无序或近无序状态 ，没有长程有序性的固体。
对比
与晶态固体相比，非晶态固体在 原子或分子排列上缺乏长程有序 性，呈现出更加随机和动态的结 构。
非晶态固体的特性
结构不稳定性
由于原子或分子的排列呈无序或 近无序状态，非晶态固体在结构 上相对不稳定，容易受到外界因 素的影响而发生结构变化。
02
快冷法的关键在于控制冷却速度，以避免在冷却过程中发生结
晶。
应用范围
03
适用于制备金属、合金、玻璃等非晶态材料。
气相沉积法
利用物理或化学方法将气体转化为固体
通过物理或化学反应，将气体转化为固体，并在基底上沉积形成非晶态薄膜。
影响因素
气相沉积法的关键在于控制气体浓度、反应温度和基底温度等参数。
应用范围
学反应或分解。
熔体的应用
铸造
熔体是铸造行业的基础，用于制造各 种金属制品。
焊接
熔体在焊接过程中起到连接材料的作 用，实现材料的永久性连接。
玻璃制造
在玻璃制造过程中，熔体是重要的原 料，通过熔化玻璃砂和其他配料来制 造玻璃。
塑料加工
在塑料加工中，高分子化合物在加热 时会形成熔体，通过模具成型为各种 塑料制品。
熔体与非晶态固体
• 熔体的基本概念 • 非晶态固体的基本概念 • 熔体与非晶态固体的关系 • 非晶态固体的制备方法 • 非晶态固体的发展前景
01
熔体的基本概念
熔体的定义
熔体定义
熔体是一种物质状态，其中分子或原子在热能作用下 具有流动性，并表现出显著的黏性和热容。
熔体的形成

材料物理化学习题

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 非晶态固体


3.2 玻璃的一般特点
(1) 粘度 • 粘度是玻璃的重要性质之一。它贯穿玻璃生产的各个阶 段，从熔制、澄清、均化成型、加工、直到退火都与粘 度密切相关。 • 在成型和退火方面粘度起控制性的作用。 • 影响玻璃粘度的主要因素时化学组成和温度。
粘度与温度关系
• 温度升高，粘度降低。
• 硅酸盐熔体粘度随温度的变化
硅酸盐熔体聚合物的形成可以分为三个阶段：
1.石英颗粒的分化 架状受R2O的侵蚀而断裂称为石英颗粒的分化。 2．变形和缩聚 在熔融过程中，随时间的延长或者温度的上升，不同 聚合程度的聚合物发生变形。由分化过程产生的低聚 合物可以相互发生作用，形成级次较高的聚合物，同 时释放出部分，这个过程成为缩聚。 3．平衡 最后体系出现分化与缩聚平衡。
3.3 玻璃的结构
• 从结构上，玻璃态的结构是一种介于液态与结晶固态之间 的物理状态，与结晶态相比较，只有近程有序，长程无序 • 从热力学上，玻璃态是一种介稳态，与结晶态相比，处于 能量较高的状态，因此玻璃态有自发地转变成结晶态的倾
向，在一定的外加条件下实现这种过程也称为退玻璃化过
程。
3.3.1 氧化物玻璃的结构（以石英玻璃为例）
值的变化。
Ⅰ d c’ c b a a’ a” b’ b” Tg Tf c” d” Ⅲ 温度
性 质
d’ Ⅱ
对熔体结构的一般认识
1．晶体与液体的体积密度相近。
一般不超过10％；而当液体气化时，体积要增大数百倍
至数千倍(例如水增大1240倍)。
2．晶体的熔解热不大，比液体的气化热小得多。
说明晶体和液体内能差别不大，质点在固体和液体中的相 互作用力是接近的。
(2) 表面张力－－表面能
• 表面能即将表面增大一个单位面积所需要作的功。液体的 表面能和表面张力的数值是相同的。 • 熔体的表面张力对于玻璃的熔制以及加工工序有重要的作 用。在硅酸盐材料中熔体表面张力的大小会影响液、固表
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3
在 PbSiO3 玻璃中氧的密度为：
g/cm
3
同样求得石英玻璃中 SiO2 的个数 n2 和氧的密度为 ρ2：
个/cm ，
3
g/cm
3
显然 ρ1＞ρ2，即 PbSiO3 玻璃中氧的密度高于石英玻璃 SiO2 中氧的密度。因而 PbSiO3 玻璃中 Pb 作为 网络改变离子而统计均匀分布在 Si－O 形成的网络骨架空隙中。 6. 试比较硅酸盐玻璃与硼酸盐玻璃在结构与性能上的差异。
O 12.6 13.8 73.6 2 R＝ ＝ ＝2.36 Si 73.6
Z＝4 X＝2R－Z＝2×2.36－4＝0.72 Y＝Z－X＝4－0.72＝3.28 非桥氧数％＝
X 0.72 ＝ ＝30.5% X＋Y/2 0.72 3.28/2
10. 网络变性体(如 Na2O)加到石英玻璃中， 使 O/Si 比增加。 实验观察到当 O/Si＝2.5～3 时， 即达到形成玻璃的极限。根据结构解释，为什么 2< O/Si<2.5 的碱－硅石混合物可以形成 玻璃，而 O/Si＝3 的的碱－硅石混合物结晶而不形成玻璃？ 答： 当 2< O/Si<2.5 时，在熔融状态 下[SiO4]4－仍可连成网络状，且聚合程度高，故 可形成玻璃。但当 O/Si＝3 时，由于碱金属氧化物明显增加，使熔体中分子较小的低聚合物 增加，熔体粘度变小，故可易结晶而不易形成玻璃。 11.已知石英玻璃的密度为 2.3g/cm’，假定玻璃中原子尺寸与晶体 SiO2 相同。试计算玻璃原子堆积系
3 5. 正硅酸铅玻璃密度为 7.36g/cm3， 求这个玻璃中氧的密度为若干？试把它与熔融石英 （密度为 2.2g/cm ）
中的氧密度比较，试指出铅离子所在位置。
【解】正硅酸铅 PbSiO3 的相对分子质量为 GM＝207.2＋28＋16×3＝283.2
在 1cm 中 PbSiO3 的个数为：
3
个/cm
P122 第三章 非晶态固体 习题及答案
1. 2. 3. 试述玻璃的通性 （1）各向同性； （2）介稳性； （3）由熔融态转变为固体玻璃的过程是渐变的、连续的、可逆的，在一定的温度范围内 完成，无固定熔点，其物理化学性质的变化也是渐变的、连续的、可逆的； （4）玻璃的成份在一定范围内可以连续变化，与此相应的性质也随之发生连续变化，因 此带来了玻璃性质的加和性。 加和性法则：玻璃的性质随成分含量加和性的变化，即成分含量越高，对玻璃性质的影 响贡献越大。 4. 在玻璃性质随温度变化的曲线上有两个特征温度 Tg 和 Tf，试说明这两个特征温度的含 义，及其相对应的黏度。
R
O x 2(1 x) 2.5 Si 1 x 1 解得 x 3
14. 述“无规则网络学说”与“晶子学说”两大玻璃结构理论的要点，并比较两种学说在解释玻璃结构上的共同 点和分歧。
【解】无规则网络学说：1932 年，德国人查哈里阿生提出。其要点：
认为按照原子在玻璃和晶体中的作用，形成连续的三维空间的网络结构，其结构单元（四 面体或三面体） 是相同的， 但玻璃网络不如晶体网络， 晶体网络是有规则、 周期性重复排列； 而玻璃网络是不规则、非周期性的，因而它的内能大于晶体，同时带来了玻璃的各向同性和 连续性。 认为 AmBn 形成玻璃须满足五个条件： （1）每个 O2-最多与两个 An＋相结合； （2）围绕 An＋的 O2-数目不应过多，一般为 3~4 个； （3）网络中这些氧多面体以共顶相连，不能以共棱共面相连； （4）每个氧多面体中至少有三个 O2-与相邻的氧多面体相连形成三度空间发展的无规则 连续网络； （5）网络外体离子均匀的全统计性的分布在网络孔隙中； 晶子学说：1921 年，俄国人 列别捷夫提出；其要点： （1）玻璃是由两部分组成：晶子和无定形体，即晶子分布在无定形介质中； （2）晶子中心部位的有序程度最高，离中心越远，有序程度越低； （3）晶子与晶子之间由无定形中间层隔离，其无定形中间层离晶子部分越远，不规则程 度越大； （4）晶子与无定形部分，没有明显的界限，过渡是逐步的 ； （5）晶子是极其微小、极度变形的晶体； （6）晶子的化学性质取决于玻璃的组成，可以是化合物也可以是固溶体； 无规则网络学说与晶子学说的共同点与分歧： 共同点： （1）最小的结构单元是[SiO4]四面体； （2）玻璃具有近程有序、远程无序的结构特点； 分歧：两种学说强调的内容不同。 （1）无规则连续网络学说强调的是玻璃结构的连续性、无序性（无规则性） 、均匀性和统 计性； （2）晶子学说强调的是玻璃结构的间断性、有序性（有规则性）微观不均匀性； 学说的发展： （1）无规则网络学说将离子的配位方式和相应的晶体比较，指出了近程范围内离子堆积 的有序性； （2）晶子学说指出了晶子之间的中间无序过渡层在玻璃中的作用。 15. 什么是硼反常现象？ 为什么会产生这一现象？ 解：硼反常现象：随着 Na2O（R2O）含量的增加，桥氧数增大，热膨胀系数逐渐下降。当 Na2O 含量达到 15%—16%时，桥氧又开始减少，热膨胀系数重新上升，这种反常现象就是 硼反常现象。 硼反常现象原因：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，而是使硼转变为由桥氧组成的硼氧四面体。 致使 B2O3 玻璃从原来二度空间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性能随碱金属或碱土金 属加入量的变化规律相反。
7. 试简述淬火玻璃与退火玻璃在结构与性能上有何差异？
解： 消除和均衡由温度梯度产生的内应力的玻璃为退火玻璃， 这类玻璃不易碎裂且切割方便。 淬火处理是将制品加热至接近其软化温度， 使玻璃完全退火， 然后进行迅速冷却(淬火处理)。 因此产生均匀的内应力，从而使玻璃表面产生预加压应力，增加了抗弯、抗冲击的抗扭曲变 形的能力。 8. 说明在一定温度下同组成的玻璃比晶体具有较高的内能及晶体具有一定的熔点而玻璃体 没有固定熔点的原因。 解：玻璃的介稳性：熔体转变为玻璃过程中，是快速冷却，使玻璃在低温下保留了高温时的 结构状态，玻璃态是能量的介稳态，有自发放热而转变为晶体的趋势；玻璃无固定熔点：熔 体的结晶过程中，系统必有多个相出现，有固定熔点；熔体向玻璃体转变时，其过程是渐变 的，无多个相出现，无固定的熔点，只有一个转化温度范围。 9. 玻璃的组成是 13wt%Na2O 、13wt%CaO、74wt%SiO2，计算非桥氧分数。 分析：要应用关系式，必须换算成 mol%。 解：玻璃组成 Na2O wt% mol mol% 13 0.21 12.6 CaO 13 0.23 13.8 SiO2 74 1.23 73.6
2＋
解： 结构差异：硅酸盐玻璃：石英玻璃是硅酸盐玻璃的基础。石英玻璃是硅氧四面体[SiO4]以顶 角相连而组成的三维架状结构。由于 Si—O—Si 键角变动范围大，使石英玻璃中[SiO4]四面 体排列成无规则网络结构。SiO2 是硅酸盐玻璃中的主要氧化物。 硼酸盐玻璃： B 和 O 交替排列的平面六角环的 B—O 集团是硼酸盐玻璃的重要基 元，这些环通过 B—O—B 链连成三维网络。B2O3 是网络形成剂。这种连环结构与石英玻 璃硅氧四面体的不规则网络不同， 任何 O—B 三角体的周围空间并不完全被临接的三角体所 填充，两个原子接近的可能性较小。 性能差异：硅酸盐玻璃：试剂和气体介质化学稳定性好、硬度高、生产方法简单等优点。 硼酸盐玻璃：硼酸盐玻璃有某些优异的特性。例如：硼酐是唯一能用以制造有吸 收慢中子的氧化物玻璃； 氧化硼玻璃的转化温度比硅酸盐玻璃低得多； 硼对中子射线的灵敏 度高，硼酸盐玻璃作为原子反应堆的窗口对材料起屏蔽中子射线的作用。
数（APC）是多少？
【解】 设在体积为 1nm 内 SiO2 原子数为 n，则密度
3
按题意 ρ＝2. 3g/cm ＝ 2.3×10
3
－21
g/nm ，SiO2 相对分子质量 M＝60.02g 代入上式求得 n：
3个/nm3Fra bibliotek在 1nm 中 SiO2 所占体积
则：
12. 试简述哪些物质可以形成非晶态固体（NCS）？形成（NCS）的手段有哪些？可以用什 么实验方法研究 NCS 结构？ 解：熔体和玻璃体可以形成非晶态固体。将熔体和玻璃体过冷可以得到非晶态固体。 13. 在 SiO2 中应加入多少 Na2O,使玻璃的 O/Si＝2.5，此时析晶能力是增强还是削弱？ 解；假定引入的 Na2O 的 mol 含量为 x ，则 SiO2 的 mol 含量为 1－x 此时析晶能力增强。