无机非金属材料专业英语译文

第一部分无机材料物理化学
第1单元晶体化学键类型
离子键
在有些晶体中，原子通常呈现这样一种状态，那就是它的电子结构同稀有气体的电子结构类似，它的最外层轨道要么失去多余的电子，要么被填满达到8个电子的稳定结构。

为了保持电中性，晶体中通常同时存在有些原子失去电子而有些原子得到电子。

前者形成带正电的阳离子，后者则形成带负电的阴离子。

离子所带电量是电子电量的整数倍。

这种晶体中离子之间的结合力是静电吸引力，这种类型的晶体被称为离子晶体。

由于离子的电场呈球型对称结构，所以离子键是各向同性的，也就是说离子键没有方向性而且每个离子都尽可能多的与其他离子之间成键，所以离子键具有不饱和性。

碱金属卤化物盐是典型的离子晶体，其原因是碱金属元素的最外层只有一个电子，而卤族元素的最外层恰好缺少一个电子而达到8个电子的稳定结构。

这种观念与化学键的概念完全相同，只是没有把晶体视为分子化合物，而把它看作一种均一的结构，对他而言化学式只表示元素的比值，而元素的几何排布是描述该物质必不可少的部分。

例如，化学式NaCl并不代表一个分子结构单元，因为在晶体中每个离子与很多个最近邻的异号离子接触，所以在NaCl晶体中每个Na+离子周围有六个等价的最近邻的Cl-离子，反之亦然。

共价键
亥特勒和伦敦在1927年用量子力学精确地计算了氢分子模型，得出氢分子存在由原先的单原子状态构成的两种可能的最低能量状态，其中能量更低的这种对应于电子自旋反平行取向的单一态又称为零自旋能级。

两个单原子状态的与结合后的分子状态的能量差被称为两个原子共有的交换力（结合力），它的大小取决于电子波函数的重叠。

这种键合形式叫做相似极化或原子极化。

根据鲍林规则，成对电子中两个电子的自旋方向不同，具有更复杂电子结构的原子之间的共价键也具有这种特征。

原子轨道上的单电子波函数重叠形成了共有状态的波函数，键也就重新建立。

共价键的主要特征是饱和性而且当给定原子有多个共价键时，各个键之间具有相互取向性。

饱和性是由柏林规则决定的，每个键只包含两个电子。

共价键在形式上与离子键非常类似，只是原子之间并没有电子发生转移而是两个原子共用。

共价键中p轨道和d轨道中的电子重叠程度，不仅取决于原子间距，而且还取决于不同原子之间连线的相互取向。

键的杂化。

共价键将来的重要特性就是原子轨道杂化，它可以使给定元素在不同的化合物中的化合价不同。

碳就是最好的例子，碳的基态电子结构是1S22S22P2，只有两个P轨道上的电子未成对，所以C的化合价为2例如在CO中。

然而，众所周知含C的化合物中C通常的化合价为4价。

1931年鲍林利用轨道杂化理论解释了这一现象。

C表现为4价是因为C原子处于激发态的1S22S12P3电子结构，于是它有一个未成对的s电子与三个未成对的p电子，也就是说总共有四个电子能形成共价键。

量子力学的观点认为，这些电子并不是彼此分离的而是处于同种状态的相同粒子。

也就是说，处于1S22S12P3激发态的C原子形成的四个共价键是完全等价的。

所以，以四价键合的C 原子之间的构成了一个正四面体的空间结合构型。

根据Kimball规则，不同原子轨道之间结合形成的共价键之间的空间取向关系能够形成不同的构型，如下表所示。

金属键
在金属晶体中，许多价电子并不是局限于某些原子附近而是可以在整个晶体内自由的移动，这反映在金属的高导电性。

因此，金属晶体可以看成是由电子云（气）包围金属阳离子组成的。

电子云这一术语并不是突发奇想提出的，而是因为自由电子的表现在统计学上确实与气体相似。

金属阳离子之间通过自由电子成键。

因此，通常描述离子键为原子之间有电子的得失，共价键为两个原子共用电子，而金属键中自由电子为所有原子共有。

与离子键类似，金属键也是各向同性的，因此具有很大的配位数。

金属中的金属离子周围尽可能多的排列其他金属离子。

与离子键不同的是，金属键不需要保持元素之间的电平衡，而是金属离子与电子气之间存在静电平衡。

这就是为什么在实践中不同金属元素之间可以以任意比例混合而形成合金。

范德华键
范德华健与气体动力学理论相似，它可以解释理想气体与实际气体之间的差异。

是具有饱和键分子之间的吸引力。

在晶体中的各种键中，范德华健是最弱的键，通常层状结构中层与层之间弱的结合力就是范德华健。

范德华健通常存在于由分子为基本结构单元构成的分子晶体中。

使分子稳定的化学键要么是离子键要么是共价键，然而分子之间则是通过范德华健结合形成晶体。

第2单元硅酸盐结构
许许多多的硅酸盐中具有复杂化学组成，但其基本结构中的原子排布却非常的简单有序。

同时，许多硅酸盐的结构细节非常复杂不在三维模型下很难描述，我们也不想给出精确的结构信息。

Si和O原子的半径比为0.29，符合正四面体配位，四个O离子几乎总是分布在中心Si的周围。

硅石中键强度为1，O离子可能只与两个Si原子配位；这种低配位数使得SiO2不能以最紧密堆积结构存在，而大部分硅酸盐与硅石相比具有更加开放的结构。

SiO4四面体可以以不同方式将角顶O原子与其他化合物共享而相连。

通常形成四种类型。

在正（原）硅酸盐中，各SiO4四面体之间是相互独立的；在焦硅酸盐中，两个SiO4四面体通过共用一个角顶的O原子形成了Si2O7离子；在偏硅酸盐中，通过共用两个角顶O原子形成了SiO3或SiO3n多种环状结构或链状结构；在Si2O5层状结构中，四面体通过共享三个角顶O原子而形成层状结构，在各种SiO2硅石中，硅氧四面体的四个角顶O原子都是共用的。

硅石。

结晶态的SiO2有几种不同的晶型，他们对应于所有角共享的四面体群的不同组合方式。

石英、鳞石英和方石英这三种基本结构每一种都有两到三个变体。

最稳定的结构是低于573℃存在的低温型石英；573到867℃存在的高温型石英；867到1470℃存在的高温鳞石英，1470到1710℃存在的高温型方石英以及1710℃以上的液相。

低温型变体是高温型基本结构的衍变结构。

（此处衍变结构是指这个结构可以从对称性较高的基本结构经空间畸变得到，而不是经不同类型化学物质置换所得。

）本文主要讨论高温型基本结构。

高温型石英的结构可以看成是由许多硅石四面体相连组成的链。

与上文中讨论的最紧密堆积结构相比，这种结构是一个比较开放的结构，例如，石英的密度为2.65g/cm3，而MgO和Al2O3的密度则分别为3.59和3.96g/cm3。

尽管如此，与高温型的鳞石英（2.26）和方石英（2.32）相比石英的密度和最紧密堆积程度还是较高的。

正硅酸盐。

正硅酸盐包括橄榄石矿物（镁橄榄石MG2SiO4，和及其与Fe2SiO4的固溶体），石榴石，锆石和铝硅酸盐蓝晶石及硅线石、红柱石和莫来石。

Mg橄榄石的结构与目前发现的金绿宝石Al2BeO4相似。

氧离子几乎成六方最紧密堆积结构排列，Mg2+在八面体中和Si4+在四面体空隙中。

（从配位数观点来看，这种结构也可以看成是由SiO4四面体与八面体空隙中的Mg2+组成的集合体）。

每个O离子与一个Si4+和三个Mg2+相连，或者是每个O离子与两个Si4+相连。

Al2SiO5蓝晶石的结构是由类似于立方最紧密堆积的氧离子与四面体中的Si4+和八面体中的Al3+组成的。

然而，同样由SiO4四面体和AlO6八面体组成的多晶红柱石和硅线石的结构却更加开放。

作为烧结粘土的普通要素，Al6Si2O13莫来石的结构与硅线石（Al16Si8O40和Al18Si6O39）类似。

焦硅酸盐。

含Si2O7离子的结晶态硅酸盐很少。

偏硅酸盐。

含SiO3离子的硅酸盐有两种类型即由硅氧四面体组成的环状结构或链状结构。

观察到的不连续的环状离子有硅灰石CaSiO3中的Si3O9离子及绿柱石Be3Al2Si6O18中的SiO18离子。

具有链状结构的矿物油很多种。

如由（SiO3）n单链组成的辉石，由（Si4O11）n双链组成的闪石。

辉石又包括顽火辉石MgSiO3，透辉石MgCa（SiO3）2、锂辉石LiAl（SiO3）2和硬玉。

闪石包括透闪石（OH）2Ca2Mg5（Si4O11）2，而透闪石的同素异构体又有很多。

石棉矿物就属于闪石。

骨架结构。

许多重要的硅酸盐结构都是由三维无限空间的基本框架构成。

长石和沸石就是其中之一。

长石的特点是由Al3+离子取代骨架中的某些Si4+离子形成铝硅酸盐骨架。

取代产生的负电荷由处于间隙的大离子平衡，例如钠长石NaAlSi3O8，钙斜长石CaAl2Si2O8，正长石KAlSi3O8，钡长石BaAl2Si2O8。

网络结构本质上与方石英的结构类似，由碱金属或碱土金属离子填在空隙中。

只是大的阳离子来自长石，而易于形成八面体配位的小个阳离子则来自链状或层状硅酸盐。

沸石和群青具有更加开放的结构。

这些化合物中骨架非常开放，结构中有较大的通道。

碱金属或碱土金属离子在水溶液中可以互换，因此常用它们作为水软化剂。

另外，这些通道还可用作分离分子尺度混合物的分子筛。

网络结构中的通道大小取决于成分。

第3单元缺陷晶体化学
现在大家已经认识到点缺陷群对材料的物理和化学性质具有非常重要的影响。

为了描述缺陷对材料物理和化学性质的影响，需要一个简单一贯的缺陷表示法。

应用最广的表示法就是用来说明晶体内点缺陷群的Kroger-vink表示法。

当我们在晶体中添加或减少元素的时候，我们通常是添加或减少电中性的原子，因此可以避免判决定化学键类型。

当涉及到离子晶体的时候就需要添加或减少电子。

为了描述这种想法，我们就利用这种Kroger-vink表示法来描述在MX化合物中的缺陷，其中M代表金属，X代表阴离子。

最简单的是讨论这种物质中可能出现的各种类型的缺陷，并从不带电的原子缺陷开始。

原子缺陷
空位。

当存在空的晶格节点时，分别用符号VM和VX表示金属M及非金属X节点处的空位。

这种表示法中，M表示缺少一个金属原子，而X表示缺少一个非金属原子。

如果我们假设氧化物NiO为例子晶体，VNi则代表去除一个Ni2+离子和两个电子，也就是说去除了一个电中性的Ni原子。

同样，VO代表在O的亚晶格节点处存在一个空位，即从晶体中去除一个O2-离子同时添加两个电子。

间隙原子。

当原子占据间隙位置的时候，用Mi和Xi分别表示间隙位置处的金属和阴离子。

因此Ki代表晶体中存在一个间隙K原子。

杂质原子。

许多材料都含有杂质原子。

它们或者是有目的的引入或者因净化工艺不适当的缘故，确定这些杂质的本质和在晶体中的位置很重要。

为了控制电性能及其他特性，实际中通常特意的添加一些杂质。

这种情况下，添加的杂质就用他的化学符号表示而它占据的位置则写在下标位置。

所以，在NiO中Mg替代Ni的位置就写成MgNi。

如果晶体中一个原子占据了不同类原子的节点位置也采用同样的命名方法。

因此如果M原子占据X原子的节点位置则写成MX，而X原子占据M原子的节点位置则写成XM。

例如在KBr中如果K原子占据了Br原子的节点位置则写成KBr。

关联缺陷。

接下来的部分我们会看到，一种或多种晶格缺陷可能彼此联合，形成缺陷群。

这种由多种缺陷构成的缺陷群用括号括起来表示。

例如，（VMVX）代表肖特基缺陷，即两个空位联合构成的空位对。

可见常用的化学元素表示所涉及的物质，下标则表示该元素在此结构中的位置。

缺陷的荷电
电子和电子空穴。

提到缺陷的荷电最容易联想到电子。

在晶体中有些电子可能会自由移动。

这种电子用符号e’表示。

上角标’表示电子带负电。

尽管只有电子是带电的亚原子粒子，但在实际结构中为了简便通常认为某些点的电子丢失。

这与将原子看成空位类似。

电子空位被称为电子空穴，更简单而且普遍的叫法是空穴，通常用符号h’表示。

每一个空穴带有一个正电荷，用下脚标表示。

缺陷的荷电。

除了刚刚提及的电子和空穴外，上文提高的原子缺陷也同样可以带电。

事实上在离子晶体中，原子缺陷带电是很平常的。

Kroger-vink缺陷表示法利用缺陷的有效荷电避开了确定缺陷真实荷电这一问题。

有效荷电就是正常晶格中缺陷所带的电。

为了阐述这一概念，我们先来看一下NaCl这种材料，假设它是由带电的Na+和Cl-组成的。

如果在NaCl结构中的Na的节点处存在一个空位及VNa，那么这个缺陷处的有效荷电是多少呢？为了解决这一问题，我们需要把我们看成是能在NaCl结构内部移动。

每当我们遇到一个Na+的时候，就会遇到一个带正电的区域。

然而如果遇到一个空位，那么这一区域好像就不再是带正电了。

相对正常情况，我们在这个节点处遇到一个带有负电的区域，相对于正常情况下这一节点处的荷电相当于-1.为了区分有效荷电与真实荷电，用上角标’表示带一个单位的负电，用上角标‘表示带一个单位的正电。

因此，在NaCl晶体中Na的节点处存在一个空位则写成VNa’，对应的是失去一个Na+离子。

同样，在Cl的节点处存在一个正常的空位，则相对于正常晶体此处就好像是带了一个正电荷，因此，此空位处的有效荷电为+1，用VCl‘表示。

相对于主晶格没种符号表示的缺陷都可能存在有效荷电，包括VMVXMiMX以及联合缺陷VMVX。

因此，Zn’’表示在间隙位置的Zn2+离子这个位置没有被占据，因此没有提前带电。

这种情况下，我们在晶格中移动就会遇到所有的Zn2+离子所带的电荷，因此用符号Zn.2表示带有两个单位的有效电荷。

与之相似，在Na的节点处用2价的离子替代Na将会是局部的增加一个正电荷，用CaNa‘表示。

假设在NaCl中，钠离子NaNa被K离子取代，即KNa。

很明显这种缺陷没有有效电荷，就如同一个人在晶体中移动，遇到K离子所感受的电荷与遇到正常节点处的Na离子所感受的电荷是一样的。

因此这种缺陷在有效荷电上是中性的。

如果需要标出这种情况下的有效荷电，用KNax表示，上角标X代表中性荷电。

由此可以看出，缺陷荷电这一想法是与组成缺陷的化学实体是却别开来的。

化学实体真正带电用n+和n-表示，而有效荷电用n‘、n’或x表示。

正因为这个原因，上述的电子和电子空穴带有的电荷各用‘和’表示，因为这些电荷只有相对于周围的晶格才显得重要。

第二部分陶瓷
第6六单元陶瓷的制备工艺：传统的陶瓷制备方法
固相陶瓷块体通常都是先经过粉末压坯然后在高温下烧结而制备的。

在加热处理过程中粉末发生烧结和致密化，同时伴有颗粒的粘结，体积收缩空隙减少以及晶粒长大。

本文介绍了烧结过程中陶瓷内部的相分布及显微组织情况以及陶瓷成型的制备技术。

这些技术的目的是制备出满足特殊要求的显微组织。

（a）溶液沉淀法
矾土矿中含有氧化铝，可通过bayer法提炼出来，Bayer法是先将矿物在压力条件下溶解在氢氧化钠中，这样固体杂质SiO2，TiO2及Fe2O3就可以与铝酸钠溶液分离。

通过向铝酸钠溶液加入α三水铝石晶种结晶或通CO2气体中和反应自动沉淀出β三水铝石。

温度，氧化铝的过饱和度以及晶种的量都会影响结晶过程中的颗粒度。

当两种或多种成分发生共沉淀就会出现问题。

而在相同的溶液PH值下不同物质并不是同时沉淀，因此清洗过程可以选择性的去除某种沉淀物或电解液。

保持化学均一性是很困难也是很重要的，因为陶瓷的不均匀性对其机械性能和电性能都是有害的。

因为沉淀会产生团聚的粉体，因此研磨、干磨或者使用水或非水性液体的湿磨可用于减小粒径，以便粉末密实体可以烧结至接近理论密度。

沉淀反应并不只局限于氧化物和氢氧化物。

因此对于高Tc氧化物超导体La1.85Ba0.15CuO4，La，Ba及Cu的草酸盐都可以从电解液中析出并在1373K空气气氛下烧结。

由于这些材料与O2可发生可逆反应，因此对超导特性有影响的退火温度、冷却速率以及Cu3+/Cu2+比例必须严格控制。

（b）粉末混合技术
多组分氧化物是通过传统的混合技术制备的，首先将金属氧化物和碳酸盐混合然后将混合物研磨或球磨。

然后将粉碎后的粉末进行煅烧，有时可能先压坯然后煅烧，煅烧工艺可能需要重复多次而且每两次煅烧工艺之间都需要研磨。

与共沉淀工艺一样，研磨工艺也容易引进杂质，研磨过程也会导致粉末的形状不规则。

混合粉末的时候存在几个问题。

组分之间反应所需的高温可能会导致不稳定氧化物减少，而反应组分可能由于球磨过程中粉末没有充分细化而无法在煅烧过程中发生完全反应。

在球磨制备粉体的情况下，难以得到可能重复生产的均匀分布的粉料，尤其当电子陶瓷生产中一部分原料的用量很少时过更是如此；电子陶瓷的性质常由含有少量添加剂的晶界相所控制。

超导体YBa2Cu3O7-δ是通过将Y2O3，BaCO3和CuO，混合、球磨并在1223K空气气氛下煅烧制备的。

然后将粉片，在通入O2条件下烧结，并在O2气氛下冷却到473K，然后出炉。

（c）单轴压缩
在单轴压缩过程中，硬钢模具中装入干的粉末或含有少量水分的湿粉，然后用硬质合金压头压入模具从而使粉末密实。

细粉体由于范德华力容易产生团聚，所以可以通过飞沫干燥法向粉末中加入一些聚乙烯醇和润滑剂西欧那个人提高粉体的流动性和均一性。

没有煅烧的生坯在煅烧前有机物没有分解的时候其强度能够满足搬运需求。

单轴压缩已经可以实现自动化尤其适合制备那些可接近公差尺寸的圆盘或环状等简单形状的部件，从而避免了烧结后的金刚石机械加工。

（d）热单轴压缩
热单轴压缩或者叫热压烧结过程中加热和加压同时进行。

通常采用具有高熔点的石墨模具，填入压实的粉末然后在惰性气氛下加热。

热压烧结与单轴压缩相比在较低的烧结温度下就可得到较高的密度和较细的晶粒，尤其适于制备圆盘状、块状及圆柱状制品。

加压使颗粒之间产生压力，增加了烧结驱动力，从而降低对颗粒细化的要求。

烧结Si3N4时通常加入MgO和YO等添加剂，这样可以在较低的温度下得到介乎达到理论密度的制品。

这些烧结助剂的添加使得在烧结过程中产生液相，根据拉普拉斯方程毛细管力增加，在毛细管力及熔融再结晶作用下颗粒发生重排。

然而，引入添加剂所带来的优点不得不抵消烧结组分的机械性能下降的不足（尤其在高温下），因为由添加剂产生的玻璃和境界相的性质通常比基体差。

（e）固相烧结
烧结的驱动力是减少表面能以及由于减少固-气界面而减少的粉末压坯表面积。

用开尔文方程描述的气相形核也用于压实粉末的传质过程。

弯曲表面的蒸汽压不同可以增强颗粒表面物质的蒸发并沉积到两颗粒烧结颈之间，尤其在陶瓷制备过程中粉体颗粒小于等于几微米时。

尽管这种蒸发凝固过程使颗粒彼此相连、空隙变形，但颗粒中心之间的距离并没有变化，所以并没有发生收缩和致密化。

在低蒸气压下，陶瓷粉末固态烧结过程中的的传质驱动力是颗粒表面和烧结颈之间的自由能不同。

在蒸发凝固传质过程中，由表面和晶格扩散形成的表面向烧结颈传质并不能产生致密化。

而颗粒之间的晶界扩散和体相晶格扩散才能实现致密化。

尽管可以通过细化粉体（小于0.1μm）及
高温高压的方法使陶瓷烧结致密，但Si3N4等共价键陶瓷由于原子活性低，其比离子键陶瓷如Al2O3更难烧结致密。

在Si3N4烧结过程中，O和Cl等杂质通常会移动到晶界位置处，从而减小界面能，抑制致密化和蠕变行为，降低抗氧化性和高温强度。

第三部分玻璃
第12单元玻璃的结构
1.玻璃的结构
不管全世界的玻璃工艺如何发展，我们仍然很难明确回答这个问题：玻璃是什么？下面给出三种不同的定义来说明怎样描述玻璃的状态：
玻璃是一种没有经过结晶的熔体固化得到的无机材料
玻璃是一种具有高粘度的过冷液体
玻璃是介于晶体和液体的中间物质。

它由类似晶体的网络结构彼此随机（不规则）相连得到的。

最早的关于玻璃结构的想法是基于过冷液体这一概念。

把熔融的玻璃看成是一种氧化物与另外一种氧化物的混合溶液，或者是看成不同成分彼此之间互溶的的共溶体。

熔融的液相没有晶化便形成了室温下的刚性体。

2. 网络理论（学说）
最近几年，Zachariasen最先提出的玻璃的原子结构理论已被广泛接受。

它的随机（不规则）网络理论（学说）假设每一个结构单元共同形成了不规则的网络形式。

我们对于玻璃的结构及性状的理解是基于氧化物玻璃的结构描述及少数早期研究玻璃的研究者所解释的玻璃形成条件。

Tammann开始系统研究玻璃态现象时表明冷却速度对理解玻璃状态至关重要。

玻璃是刚性体而不是液体。

1926年，Goldschmidt在现代晶体化学中提出他的这一想法。

玻璃可能与相同成分的晶体具有类似的短程有序结构，但是玻璃的典型特性是具有长程无序结构。

熔融物质冷却过程中能够不结晶就固化的能力可以用多面体的几何理论来解释，尤其是阴离子和阳离子的尺度比例。

因此，Goldschmidt将晶体化学的概念引入到玻璃工艺中。

玻璃结构的发展最重要的一步就是1932年Zachariasen提出的玻璃态氧化硅的原子结构图形，在不同结构的氧化硅晶体或硅酸盐晶体中硅原子周围都是被四个氧原子以同样的方式包围着。

玻璃与晶体唯一不同的地方是没有排列周期。

连续，随机和三维结构具有和二氧化硅晶体相同的近程有序性，只是不具备相同的长程有序性。

玻璃态的二氧化硅中引入了碱金属之后，由于降低了由各个四面体共享的桥氧数，使结构变得松散。

这一特性可以说明为什么碱金属硅酸盐玻璃比纯二氧化硅玻璃的粘度低。

玻璃中的网络形成元素的氧化物及网络改性元素的氧化物的分类非常简单、有用。

随后又引入了中间物质。

Zachariasen的玻璃形成理论几乎是广泛接受的。

Warren 和他的同事利用X射线技术研究了玻璃的原子结构，其结果与Zachariasen的原子结构图形一致。

X射线技术的应用对于提出玻璃结构的概念有着重大贡献。

网络形成元素是那些具有与氧结合能在340到500KJ/mol的元素。

而网络改性元素，如Mg，Ca，Li，K，Na，Cd及Cs与O之间的离子键键能则为40到250kJ/mol。

他们的扩散速率很高，尤其是+1价的金属阳离子。

他们破坏了Si-O-Si网络的连续性降低了玻璃熔体在各不同温度下的粘度。

+2价金属阳离子在两个氧原子之间类似于一个桥。

他们同样破坏了网络结构，但是活动性差，没有+1价金属阳离子对熔体的流动性影响大。

玻璃与晶体最主要的区别就是四面体之间的连接方式。

晶体在三维空间中其结构连续不断地重复，而二氧化硅玻璃中，四面体之间是随机相连的而不是有规律的重复。

在这种网络结构中，SiO2四面体单元被称为玻璃形成体。

这种玻璃形成体决定了网络的整体结构。

市售的钠硅酸盐玻璃及钠钙硅酸盐玻璃还含有其他添加到氧化硅玻璃中的元素。

这些元素被称为网络调整体，因为这些元素打开了网络而且引入了更多的氧，使得结构中氧原子的数量比完全是桥氧的结构中氧原子数量大的多。

这会产生很多的非桥氧，这些非桥氧只与一个Si原子相连因此破坏了网络结构。

第13单元玻璃形成
通过考虑碱金属的分布，Diezel将碱金属硅酸盐玻璃的结构概念给出一个新的观点。

它（碱金属硅酸盐玻璃的结构）可以描述成是一种随机、连续的三维网状结构。

并且对桥氧离子和非桥氧离子进行了区分。

硅石中碱金属氧化物的添加导致了Si-O-Si链的断裂。

碱金属离子位于断裂的桥氧离子附近，周围还包围着一定数量的桥氧离子。

这样使得或多或少的非桥氧离子可以在桥氧离子中随机分布。

钠的氧化物和钙的氧化物以离子的形式进入到网状结构的空隙中。

从根本上讲，这种玻璃在本质上属于离子性的而这种离子性的本质使得它在高温条件下具有导电性。

然而，在室温条件下，玻璃中的离子被牢牢束缚的，因此其表现为绝缘体。

随着热能的增加束缚离子的化学键断裂的数量也相应增加。

因此，玻璃没有固定的熔点，而是表现为一个软化的温度范围。

图3.1为玻璃物质的形成图，体积-温度变化曲线很好的解释了材料的液态、晶态和玻璃态三者之间的关系。

沿着ab线逐渐的冷却，物质的体积不断减小。

在冷却速度足够缓慢的条件下在液态中将会产生晶核，在温度Tf处将会发生结晶同时伴随着物质体积沿bc线迅速减小。

进一步冷却，结晶态的物质的体积将沿着cd线收缩。

如果冷却速率足够快，在Tf处将不会发生结晶，过冷液体的体积将沿着be线减小。

在Tg这一特定温度处，过冷液体的体积-温度曲线的方向发生突然改变，随后几乎与晶体的收缩曲线几乎平行。

拐点处的温度Tg被称为转变点或玻璃转变温度。

只有玻璃物质在Tg温度以下才能称其为玻璃。

物质在Tg和Tf温度之间是过冷液体。

在Tg温度点物质的年度非常高，大约在10的12次方Pa·S。

如果玻璃的温度长期固定在温度T处，其体积将慢慢的减小直到到达虚线点处。

在这个过程中玻璃达到更稳定的状态，这一过程就是大家熟知的玻璃的稳定化过程。

在玻璃转变温度附近，玻璃的其他性能也随着时间的变化而变化。

在一定温度范围内玻璃的性能决定于玻璃冷却速率，尤其是在Tg 温度点附近的温度范围内的冷却速率。

同样Tg的精确值也取决于冷却速率，冷却速率越小，Tg值越低。

氧化铝不形成玻璃。

1901年，当成功测出CaO-Al2O3相图后，在CaO与Al2O3按12：7左右比例混合时，Al2O3成分范围在38%~65%范围之间，液相温度降低到1400℃左右同时发现了玻璃相的形成。

然而要想获得纯的钙-铝氧化物玻璃需要非常快的冷却速率，通过加入5%左右的SiO2可提高钙铝氧化物玻璃的稳定性。

以钙铝氧化物为主药成分的玻璃具有很好的红外透射性能，因此在光学工业中具有很好的发展前景。

Na2O-CaO-SiO2三元系统在工业（技术）玻璃产品中非常重要。

这种系统中玻璃的主要成分范围覆盖了从NC3S6到接近βCS的所有成分。

Na2O-3CaO-6SiO2失透石在1045℃分解成钙硅石（CS）和液相。

在1325℃时形成均匀的液相。

大量工业（商业）玻璃中的主要结晶相成分就是失透石。

Thuringian（图林根州）玻璃由于具有非常好的可加工性（可操作性）而闻名。

在德国图林根州的沙子中含有一些长石，这些长石能够向玻璃种引入少量的氧化铝。

Al2O3能够抑制玻璃的不透明倾向，同时提高玻璃的化学惰性。

以失透石为主要成分的钠钙硅氧化物玻璃的液相温度是1325℃，但是在低于这一温度的700℃其中有些O离子就可以移动。

低于液相温度的1000℃碱金属离子就可以移动。

这事碱金属或碱土金属似乎就不再保持着随机分布的状态了。

以下这些单独的氧化物就可以形成玻璃，包括：氧化硅、氧化锗、氧化硼、氧化磷、氧化砷。

其中每种氧化物都可能与第二相氧化物或其他混合氧化物的一起溶化。

然而，通常其他氧化物的添加量是有一定限度的。

除了这五种玻璃形成氧化物以外，还有第二组氧化物，包括氧化钛、氧化硒、氧化钼、氧化钨、氧化铋、氧化铝、氧化钙、氧化钒，他们本身都不能形成玻璃，但只要和适量的另一种氧化物或混合氧化物一起溶化，就可以形成玻璃。

为了与第一组玻璃形成氧化物区别，第二组氧化物被称为条件玻璃形成氧化物。

另外还有被称为中间氧化物的第三组，包括：氧化锌、氧化铍、氧化铅、氧化锆和氧化锑。

第4部分水泥和混凝土
第18单元波特兰水泥
波特兰水泥通常是将石灰石和粘土的混合物加热到1450℃而制备的，有时也会以具有相似成分和足够高活性的材料为原料。

加热过程中会产生部分熔合，从而产生结节的熟料。

熟料中混入少量的钙硫酸盐并且进行精细的研磨，从而制成水泥。

钙硫酸盐能够控制固化速率而且影响强化速率。

通常的说法是加入石膏，但有时可能加入的是部分或全部其他形式的钙硫酸盐。

有些规范中允许在研磨的过程中加入一些其他的材料。

典型水泥熟料的成分为67%CaO，22%SiO2，5%Al2O3，3%Fe2O3和3%的其他材料，通常含有的四种主相分别叫做，阿利特，贝利特、氧化铝和菲利特。

碱金属硫酸盐和氧化钙等其他相的含量通常都很少，水泥的硬化是主相与水之间发生反应的结果。

阿利特是普通波特兰水泥熟料中最主要的成分，其含量在50到70%之间。

阿利特实际就是被置换离子改变了成分和结构的硅酸三钙。

它与水的反应速度相对来说很快，是普通波特兰水泥强化过程中最主要的成分；尤其在前28天强化它他是目前最重要的成分。

普通波特兰水泥熟料中的贝利特含量在15~30%。

贝利特是置换离子改变了的硅酸二钙，其正常情况下大部分或全部表现为β型同质多形体。

它与水的反应速度很慢，因此在早期的28天时间里它的强化作用很小。

但实际上它的后期强化使得水泥的强度进一步增强。

在大致相同的条件下，经过一年以后纯的阿利特和纯的贝利特水泥的强度几乎相同。

普通波特兰水泥熟料中的氧化铝的含量为5~10%。

实际上它是由置换离子改变成分甚至有时改变结构的铝酸三钙。

它与水的反应速度很快，通常需要加入凝固控制剂石。