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第三章 熔体与玻璃体

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第三章 熔体与玻璃体

例 题

3-2熔体粘度在727℃时是108dPa•s，在1156℃时是104dPa•s，在什么温度下它是107dPa•s（用log()BATK＝解之）？求该熔体的粘性流动活化能？

解：按题意列出联立方程

84log108727273log1041156273BABA＝＋＝＝＋＝

解得 A＝－5.3 B＝13300

log107＝－5.3＋T13300＝7

T＝1080K＝807℃

粘性流动粘度式EkT0＝exp（）

△E＝B•k/loge＝4343.01038.11330023

＝4.226×10-19J/个

＝4.226×10-19×6.02×1023J/mol

＝255kJ/mol

3-3温度和组成对玻璃粘度的影响如图3-11所示，试从图中计算石英玻璃和苏打-石英玻璃的粘性流动活化能？

图3-11 温度和组成对玻璃粘度的影响

解：从3-11图求得粘度1000T图中直线斜率对纯SiO2两点是：

η＝109 相应温度10000.6T＝ T＝1667K

η＝1012 10000.7T＝ T＝1429K

按公式 0lnlnEηRT

ΔE△EΔE△E)104.8(ln1429314.8ln631.27ln10)102.7(ln1667314.8ln723.20ln10500125009＝＝＝＝

解之得：△E＝5.8×105J/mol＝580kJ/mol

在苏打-石灰玻璃中两点是：

ΔE△EΔE△ETTTT00048.0ln1053987.1ln816.13ln1000029.0ln1724987.1ln605.4ln10K105395.0100010K172458.010001000600262＝＝＝＝

解之： △E＝48500cal/mol

＝203kJ/mol

两种玻璃粘性流动激活能数值相差近一倍，说明在相同温度下石英玻璃粘度比苏打－石英玻璃粘度约高7～8个数量级的原因。

3-4从图3-11判断用纯SiO2和苏打－石灰玻璃制造平板玻璃和瓶子玻璃的玻璃形成温度？

解：从图3-11中可以查的用苏打－石英玻璃制作玻璃瓶的温度范围在：

10000.721.0T

T＝727~1116℃

用苏打-石灰玻璃制造平板玻璃温度范围在：

10000.550.62T

T＝1340～1545℃

用图3-3纯石英线外推得到工作范围约为

10000.5T＝ T＝2000K＝1727℃

由此可见要用纯SiO2制造平板玻璃需要特别高的温度，因而苏打－石灰玻璃在制造玻璃制品上的方便是显而易见的。

3-5 一种用于制造灯泡的苏打－石灰－石英玻璃的退火点是514℃，软化点是696℃，计算这种玻璃的熔融范围和工作范围？

解：按公式 EkT0＝exp（）

退火点 514+273＝787K时粘度η＝1013.4PA·s

软化点 696+273＝969K时粘度η＝107.6PA·s

1013.4＝η0exp（787314.8ΔE）

107.6＝η0exp（7873148.ΔE）

)]96917871(3148exp[107.61013.4.ΔE

解之得：△E＝465kJ/mol

sPa1031.3787314.810465exp101834.130η

工作温度范围粘度一般为104～108Pa·s

)/ln(0ηηRΔET

当η＝104Pa·s

18431031.310ln315.810465T＝1130K＝858℃

当η＝108Pa·s

18831031.310ln315.810465T＝953K＝680℃

所以工作温度范围时680～860℃

熔融范围粘度一般是50～500Pa·s

当η＝50Pa·s

1831031.350ln315.810465T＝1266K＝993℃

当η＝500Pa·s

1831031.3500ln315.810465T＝1204K＝931℃

所以熔融温度范围是930～990℃

3-6 已知石英玻璃得密度为2.3g/cm3，界定玻璃中原子尺寸与晶体SiO2相同。试计算玻璃原子堆积系数（APF）是多少？

解：设在体积为1nm3内SiO2原子数为n，则密度

ρ＝0nMN

按题意ρ＝2.3g/cm3＝2.3×10-21g/nm3，SiO2相对分子质量M＝60.02g。代入上式求得n：02.601002.6103.223210MNρn＝23个/nm3

在1nm3中SiO2所占体积：

3333SiOSiO42244(2)(0.03920.132)330.45Vnrrn＝＝＝

SiO20.45APFV＝＝

3-7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/cm3）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1cm3中PbSiO3的个数n1，

2.2831002.636.72301GMNρn＝1.57×1022个/cm3

在PbSiO3玻璃中氧的密度为ρ1

23220011002.6161057.133NnMρ＝1.25g/cm3

同样求得石英玻璃中SiO2的个数n2和氧的密度ρ2为

02.601002.62.2231n＝2.2×1022个/cm3

232221002.6162102.2ρ1.17g/cm3

显然ρ1>ρ2，即PbSiO3玻璃中氧的密度高于石英玻璃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Pb2+作为网络变性离子而统计均匀分布在Si-O形成的骨架空隙中。

3-8一种玻璃的组成试80wt％SiO2和20wt％Na2O，试计算其非桥氧百分数。

解：将玻璃组成由质量百分数换算成摩尔百分数。

52.348.0448.04224.2224.26.804.1926.80XZYZRXR

非桥氧百分数＝XYX2×100％＝48.0252.348.0×100＝21.5％ 质量百分数 摩尔数 摩尔百分数

SiO2

NA2O 80

20 1.33

0.32 80.6

19.4

2Y表示一个桥氧分属两个四面体共有。

3-9有两种不同配比的玻璃，其组成如下（质量百分数）：

序号 Na2O Al2O3 SiO2

1 10 20 70

2 20 10 70

试用玻璃结构参数比较两种玻璃高温下粘度的大小？

解：将玻璃组成由质量百分数换算成摩尔百分数

1#玻璃

Na2O/Al2O3＝19.126.10

所以Al3+在玻璃中起网络变性离子的作用

64.25.7625.7639.126.101R

28.1464.221X

72.228.141Y

2#玻璃

Na2O/Al2O3＝2.64.20>1

Al3+在玻璃中起网络形成离子的作用

17.222.64.7324.7332.64.202R

34.0417.222X

Y2＝4-0.34＝3.66

因而Y1

即2#玻璃桥氧分数大于1#，但O/Si比小于1#玻璃，可以判断在高温下1#溶体粘度小于2#。

3-10 试从结构上比较硅酸盐与硅酸盐玻璃的主要区别：

解：硅酸盐晶体与玻璃结构上的主要区别是：

（1） 硅酸盐晶体中，硅氧骨架按一定的对称规律有序排列；在玻璃中硅氧骨架排列是无序的。

（2） 在硅酸盐晶体中，骨架外的网络变性离子占据了点阵的一定位置；而在玻璃中Me2+离子统计分布在骨架的空腔内使氧的负电荷得以平衡。

（3） 在硅酸盐晶体中，只有当外来阳离子半径与晶体中阳离子半径相近时，才能发生同晶置换；在玻璃中则不论半径如何，骨架外阳离子均能发生置换，只要求遵守静电价键规则。

（4） 在晶体中（如这种晶体不是固溶体）原始组分（氧化物）相互间有简单的固定数量比例即符合化学计量；而在玻璃中，氧化物几乎以任意比例混合即不符合化学计量。

3-11 不同物质3T曲线可以在一张3T图上表示出来，以判别其形成玻璃的能力。图3-12为Ni；77.8Au－13.8Ge－8.4Si；82Pd－18Si和77.6Pd－6Cu－16.4Si四条3T曲线，试从曲线头部点算出临界冷却速率，NO. Na2O Al2O3 SiO2 Y 质量 摩尔 质量 摩尔 质量 摩尔

1

2 10

20 10.6

20.4 20

10 12.9

6.2 70

70 76.5

73.4 2.72

3.66

并判断这四组熔体形成玻璃的能力？

图3-12 610VV－＝时四种熔体的3T曲线

解：从图中求得Ni △K＝1700－1200＝500K

T5×109K/S

依次求得：

Au-Ge-Si 3×106K/s

Pd-Si 5×103K/s

Pd-Cu-Si 2×102K/s

从冷却速率计算及从同一张3T图中凸形曲线所包围的面积为析晶区面积，都可以分析得出形成玻璃能力是：

Pd-Cu-Si>Pd-Si>Au-Ge-Si>Ni

习 题

3-12 试简述硅酸盐熔体结构的聚合物理论的核心内容。

3-13 名词解释

（1） 缩聚和解聚

（2） 桥氧与非桥氧

（3） 网络形成体和网络变性体

（4） 硼反常现象

（5） 熔体和玻璃体

3-14 试计算下列玻璃的结构参数： R Z X Y

（1） Na2O•SiO2 3 4 2 2

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陆佩文材料科学基础名词解释(课后)-

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第二章晶体结构

2.1名词解释

晶体是由原子(或离子分子等)组成的固体物质

晶体。)在空间中周期性排列。晶胞是能反映晶体结构特征的最小单位。晶体可以看作是一堆无间隙的晶体单元。晶体结构中的平行六面体单元

晶格(空间晶格)是在三维空间中周期性排列的一系列几何点。对称:物体的同一部分有规律地重复。

对称型:晶体结构中所有点对称元素(对称平面、对称中心、对称轴和旋转轴反向延伸)的集合，也称为点群。

空间群:指晶体结构中所有对称元素的集合

brafi晶格以相同的方式将元素放置在每个晶格点上以获得实际晶体结构只有一个原子的晶格叫做布拉菲晶格

范德华简分子间由于色散、诱导和取向而产生的吸引力的总配位数:晶体结构中任何原子周围的最近邻和等距原子数。

2.2试图从晶体结构的周期性讨论晶格结构不能有5个或6个以上的旋转对称？

2.3金属镍具有最紧密堆积的立方结构。一个晶胞中有多少个镍原子？如果已知镍原子的半径为0.125纳米，单位晶胞边长是多少？

2.4金属铝属于立方晶系，边长为0.405纳米。假设其质量密度为2.7g/m3，试确定其晶胞的Blavy晶格类型 2.5晶体为四方结构，晶胞参数为a=b，c=a/2。如果一个晶面在x y z轴上的截距分别是2A3C6，试着给出晶面的米勒指数。

2.6尝试在立方晶体结构中绘制以下晶面(001)(110)(111)，并标记以下

晶体方向[210] [111] [101]。

2.14氯化铯(CsCl)晶体属于简单的立方结构，假设铯+和氯-沿立方对角线接触。计算了氯化铯晶体结构中离子的堆积密度，并结合致密堆积结构的堆积密度讨论了其堆积特性。根据面心立方，

2.15氧化锂(Li2O)的晶体结构可视为O2的致密堆积。Li+占据四面体空间。如果Li+的半径为0.074nm，O2-的半径为0.140nm，则尝试计算li2o的单元电池常数II O2-的密集堆积所形成的空隙的最大半径，以容纳正离子

陆佩文材料科学基础 名词解释 -课后

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第二章 晶体结构

2.1名词解释

晶体 由原子(或离子分子等)在空间作周期性排列所构成的固态物质

晶胞 是能够反应晶体结构特征的最小单位, 晶体可看成晶胞的无间隙堆垛而成。晶体结构中的平行六面体单位

点阵 (空间点阵) 一系列在三维空间按周期性排列的几何点.

对称：物体相同部分作有规律的重复。

对称型：晶体结构中所有点对称要素（对称面、对称中心、对称轴和旋转反伸轴）的集合,又叫点群.

空间群：是指一个晶体结构中所有对称要素的集合

布拉菲格子 把基元以相同的方式放置在每个格点上，就得到实际的晶体结构。

基元只有一个原子的晶格称为布拉菲格子。

范德华健 分子间由于色散、诱导、取向作用而产生的吸引力的总和

配位数:晶体结构中任一原子周围最近邻且等距离的原子数.

2.2试从晶体结构的周期性论述晶体点阵结构不可能有5次和大于6次的旋转对称?

2.3金属Ni具有立方最紧密堆积的结构试问: I一个晶胞中有几个Ni原子？ II若已知Ni原子的半径为0.125nm，其晶胞边长为多少？

2.4金属铝属立方晶系，其边长为0.405nm，假定其质量密度为2.7g/m3试确定其晶胞的布拉维格子类型

2.5某晶体具有四方结构，其晶胞参数为a=b,c=a/2,若一晶面在x y z轴上的截距分别为2a 3b 6c,试着给出该晶面的密勒指数。

2.6试着画出立方晶体结构中的下列晶面 （001）（110）（111）并分别标出下列晶向[210] [111] [101].

2.14氯化铯（CsCl）晶体属于简立方结构，假设Cs+和Cl-沿立方对角线接触，且Cs+的半径为0.170nm Cl-的半径为0.181nm，试计算氯化铯晶体结构中离子的堆积密度，并结合紧密堆积结构的堆积密度对其堆积特点进行讨论。

2.15氧化锂（Li2O）的晶体结构可看成由O2-按照面心立方密堆，Li+占据其四面体空隙中，若Li+半径为0.074nm，O2-半径为0.140nm试计算I Li2O的晶胞常数 II O2-密堆积所形成的空隙能容纳阳正离子的最大半径是多少。

玻璃结构及性质

玻璃结构及性质

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1文档来源为:从网络收集整理.word版本可编辑. 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。

[工学]无机材料科学基础--标准化作业本

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1 第一章 结晶学基础

一、名词解释

1．晶体：

2．空间点阵与晶胞：

3．配位数与配位多面体：

4．离子极化：

5．同质多晶与类质同晶：

二、填空与选择

1．晶体的基本性质有五种： ， ， ， 和 。

2．空间点阵是由 在空间作有规律的重复排列。 （ A 原子 B离子 C几何点 D分子）

3．在等大球体的最紧密堆积中有 和 二种排列方式，前者的堆积方式是 ，后者的堆积方式是 。

4． 如晶体按立方紧密堆积，单位晶胞中原子的个数为 ，八面体空隙数为 ，四面体空隙数为 ；如按六方紧密堆积，单位晶胞中原子的个数为 ，八面体空隙数为 ，四面体空隙数为 ；如按体心立方近似密堆积，单位晶胞中原子的个数为 ，八面体空隙数为 ，四面体空隙数为 。

5．等径球体最紧密堆积的空隙有两种：四面体空隙和八面体空隙。一个球的周围有

个四面体空隙、 个八面体空隙；n个等径球体做最紧密堆积时可形成 个四面体空隙、 个八面体空隙。不等径球体进行堆积时，大球 ，小球 。

6．在离子晶体中，配置于正离子周围的负离子数（即负离子配位数），决定于正、负离子半径比（r＋/r－）。若某离子化合物的r＋/r－值为0.564，其负离子配位数应是 。（A

3 B 4 C 6 D 8） 2 三、（1）a≠b≠c，α＝β＝γ＝90°的晶体属什么晶系？（2） a≠b≠c，α≠β≠γ≠90°的晶体属什么晶系？（3）你能否据此确定这两种晶体的布拉菲点阵？

四、（1）一晶面在x、y、z轴上的截距分别为2a、3b和6c，求出该晶面的密氏指数；（2）一晶面在x、y、z轴上的截距分别为a/3、b/2和c，求出该晶面指数。