第1章玻璃的结构和组成汇总优秀PPT.ppt
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1、第1章 玻璃的结构和组成v玻璃的定义v各种玻璃的结构特征v各种离子在玻璃中的作用第1章 玻璃的结构和组成1.1 玻璃的定义和通性 玻璃是结构上完全表现为长程无序,短程有序长程无序,短程有序、性能上具有玻璃转变特性性能上具有玻璃转变特性的非晶态固体。从能量角度分析气相冷凝获得的无定形物质气相冷凝获得的无定形物质表面表面表面表面内部内部内部内部 熔体熔体玻璃玻璃真实晶体真实晶体理想晶体理想晶体位位能能一、各向同性一、各向同性二、介稳性二、介稳性三、无固定熔点(熔融态向玻璃态转化的过程是可逆三、无固定熔点(熔融态向玻璃态转化的过程是可逆与渐变的)与渐变的)四、熔融态向玻璃态转化时物理、化学性质随温度
2、四、熔融态向玻璃态转化时物理、化学性质随温度 变更的连续性和可逆性变更的连续性和可逆性1.2 1.2 玻璃的通性玻璃的通性一、各向同性一、各向同性 均质玻璃其各方向的性质如折射率、硬度、弹均质玻璃其各方向的性质如折射率、硬度、弹性模量、热膨胀系数、导热系数等都相同(非均质性模量、热膨胀系数、导热系数等都相同(非均质玻璃中存在应力除外)。玻璃中存在应力除外)。玻璃的各向同性是其内部质点无序排列而呈现玻璃的各向同性是其内部质点无序排列而呈现统计均质结构的外在表现。统计均质结构的外在表现。二、介稳性二、介稳性1、热力学热力学:在低温时保留了高温时的结构,具有较高:在低温时保留了高温时的结构,具有较高
3、 的能量状态,有析晶的趋势的能量状态,有析晶的趋势。2、动力学:常温下具有高粘度,析晶不行能,长期保、动力学:常温下具有高粘度,析晶不行能,长期保 持介稳态。持介稳态。定义:在确定的热力学条件下,系统虽未处于最低能定义:在确定的热力学条件下,系统虽未处于最低能 量状态,却处于一种可以较长时间存在的状态,称为量状态,却处于一种可以较长时间存在的状态,称为 处于介稳状态。处于介稳状态。三、三、无固定熔点无固定熔点(熔融态向玻璃态转变的渐变性和可逆性)(熔融态向玻璃态转变的渐变性和可逆性)Tg1Tm DCBAKFMEV Q 晶体玻璃态玻璃态物质内能与体积随温度的变更快冷快冷慢冷慢冷Tg2结结晶晶过过
4、程程:(ABCD),由由于于新新相相的的出出现现,在在熔熔点点Tm处处内内能能、体体积积及及其其他他一一些些性性能能都都发发生生突突变变(内内能能、体体积积突突然然下下降降,而而粘粘度度猛烈上升猛烈上升)玻玻璃璃态态转转变变过过程程:(ABFE或或ABKM)在在 Tm处处内内能能、体体积积没没有有异异样样;在在Tg处处内内能能和和体积发生转折体积发生转折举例:(举例:(Na2OCaOSiO2玻璃)玻璃)冷却速率对冷却速率对Tg影响:影响:快冷时快冷时Tg较高,而慢冷时较高,而慢冷时Tg较低较低结论:玻璃组成确定时,结论:玻璃组成确定时,Tg是一个随冷却速率变更的是一个随冷却速率变更的 温度范围
5、,低于该温度范围,体系呈现固体特温度范围,低于该温度范围,体系呈现固体特 性,反之则表现出熔体特性。即:玻璃没有固性,反之则表现出熔体特性。即:玻璃没有固 定熔点。定熔点。冷却速度(/min)0.51.05.09.0Tg()468479493499对对Tg的探讨的探讨v1、传统玻璃:、传统玻璃:Tm Tg,而且熔体与玻璃体的转,而且熔体与玻璃体的转 变是可逆的,变是可逆的,渐变的。渐变的。v2、非传统玻璃、非传统玻璃(无定形物质无定形物质):Tm 11,则,则AlAl3+3+以以AlOAlO4 4 形式存在,为网形式存在,为网 络形成离子。络形成离子。若若(R(R2 2O ORO)/AlRO)
6、/Al2 2O O3 311,则,则AlAl3+3+以以AlOAlO6 6 形式存在,为网形式存在,为网 络修饰离子。络修饰离子。若若(R(R2 2O ORO)/AlRO)/Al2 2O O3 3 1 1,则,则AlAl3+3+以以AlOAlO4 4 形式存在,为形式存在,为 网络形成离子。网络形成离子。注注 意意a.有些的离子不属典型的网络形成离子或网络变性有些的离子不属典型的网络形成离子或网络变性 离子,如离子,如Al3+、Pb2+等属于中间离子,这时就不等属于中间离子,这时就不 能精确地确定能精确地确定R值。值。Y2 Y2时,硅酸盐玻璃不能构成三维网络。时,硅酸盐玻璃不能构成三维网络。在
7、形成玻璃范围内:在形成玻璃范围内:Y Y增大,网络紧密,粘度增大,网络紧密,粘度 增大,膨胀系数降低,电导率下降。增大,膨胀系数降低,电导率下降。b.Y b.Y是结构参数,玻璃的很多性质取决于是结构参数,玻璃的很多性质取决于Y Y值。值。Y对玻璃性质的影响对玻璃性质的影响22013732Na2OP2O522013232Na2OSiO214015733P2O514615233Na2O2SiO2膨胀系数10-7熔融温度 ()Y组成(2)硼酸盐玻璃结构v碱金属或碱土金属加入B2O3玻 璃 中,将 产 生BO4四面体,导致B2O3玻璃从层状结构转变为架状结构,从而加强了网络,使玻璃的性能变好。硼氧反常
8、性。瓦伦对瓦伦对Na2O-B2O3玻璃的探讨发觉,当玻璃的探讨发觉,当Na2O由由10.3 mol%增至增至30.8mol%时,时,BO间距由间距由0.137nm增增至至0.148 nm,BO3 BO4,核磁共振和红外光谱实核磁共振和红外光谱实验也证明如此。验也证明如此。2、硼反常、硼反常Na2O%ObTgNa2O含量与含量与 Na2O-B2O3玻璃性质的关系玻璃性质的关系16%BO3 BO4,加强了网络,各种物理性质变好,这,加强了网络,各种物理性质变好,这与相同条件下的与相同条件下的R2O-SiO2玻璃的变更规律相反,所以称玻璃的变更规律相反,所以称为为“硼反常硼反常”。BO3三角体结构三
9、角体结构 1、几何尺寸方面,、几何尺寸方面,BO3与其他四面体结构单元差异与其他四面体结构单元差异 较大,难以相互联接成网络;较大,难以相互联接成网络;分相分相2、离子场强方面,、离子场强方面,B3+与其他网络形成离子都有吸引与其他网络形成离子都有吸引 O2-的趋势,相互竞争的结果是形成成分的富集。的趋势,相互竞争的结果是形成成分的富集。(2)硼酸盐玻璃结构硼硅玻璃分相硼硅玻璃分相解决解决钠硼硅玻璃(派来克斯)钠硼硅玻璃(派来克斯)Na2O加入含加入含B2O3、Si2O玻璃中,玻璃中,将产生将产生BO4四面体,为四面体,为B2O3 和和Si2O形形成匀整一样的玻璃创建条件,改善玻璃的成匀整一样
10、的玻璃创建条件,改善玻璃的分相。分相。BO3 BO4的转变,膨胀系数降的转变,膨胀系数降低低利用利用高硅氧玻璃、微孔玻璃高硅氧玻璃、微孔玻璃 (2)硼酸盐玻璃结构u“硼铝反常”当硅酸盐玻璃中不存在B2O3时,Al2O3代 替SiO2能使折射率、密度增大。但当含有B2O3时,则随着B2O3的含量不同出现不同的变更规律。(2)硼酸盐玻璃结构(1)折射率受离子极极化化率率、密密度度和分分子子体体积积的影响,离子极化率和玻璃的密度越大,分子体积越小则玻璃折射率越大。(2)从 分 子 体 积 分 析:BO4SiO4AlO4Si4+;(4)从进入网络的优先性来说,AlO4的稳定性优于BO4,将优先夺取游离
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