玻璃工艺学复习题

玻璃试题及解答T 1.1玻璃态物质具有以下五个特性：1. 各向同性2. 无固定熔点3. 亚稳性4. 变化的可逆性5. 可变性L1.1.论述玻璃态物质具有的五个特性(一)各向同性：玻璃态物质的质点排列总的说是无规则的，是统计均匀的，因此，它的物理化学性质在任何方向都是相同的。

(二)无固定熔点玻璃态物质由固体转变为液体是在一定温度区域(软化温度范围)内进行的，它与结晶态物质不同，没有确定的熔点。

(三)亚稳性玻璃态物质一般是由熔融体过冷却而得到。

在冷却过程中粘度急剧增大，质点来不及作有规则排列而形成晶体，没有释出结晶潜热(凝固热)，因此，玻璃态物质比相应的结晶态物质含有较大的能量。

它不是处于能量最低的稳定状态，而属于亚稳状态。

(四)变化的可逆性玻璃态物质从熔融状态冷却(或相反加热)过程中，其物理化学性质产生逐渐和连续的变化，而且是可逆的。

(五)可变性玻璃的性质(在一定范围内)随成分发生连续和逐渐的变化T1.2从一系列硼酸盐和硅酸盐玻璃结构，可以看出，桥氧在结构中起着重要的作用。

一般桥氧愈多，结构愈强固，许多物理性能向好的方面转变。

反之，桥氧愈少，结构和性能就愈不好。

J1.2论述硼酸盐和硅酸盐玻璃结构的桥氧对其结构和性能的影响。

从一系列硼酸盐和硅酸盐玻璃结构，可以看出，桥氧在结构中起着重要的作用。

一般桥氧愈多，结构愈强固，许多物理性能向好的方面转变。

反之，桥氧愈少，结构和性能就愈不好。

M1.3逆性玻璃。

如果玻璃中同时存在两种以上金属离子，而且它们的大小和所带的电荷也不相同时，也能制成玻璃。

用y代表每个多面体的桥氧平均数，当y<2也能制成玻璃，而且某些性能随金属离子数的增大而变好。

一般把这种玻璃称为逆性玻璃。

逆性玻璃的结构与无规则网络学说的结构模型是完全相反的。

逆性玻璃在性质上也发生逆转性。

第一，在结构上它与通常玻璃是逆性的。

一般玻璃的结构以玻璃形成物为主体，金属离子处于网络的空穴中，它仅起补助性作用。

逆性玻璃恰恰相反，多面体的短链反而为大量的金属离子所包围。

如果金属离子比作“海洋”，那末，多面体就是“海洋”中的岛屿。

因此，决定玻璃聚结程度的不是多面体之间的连结，而是金属离子与多面体短链中的氧离子之间的结合。

逆性玻璃的结构与无规则网络学说的结构模型是完全相反的。

第二，逆性玻璃在性质上也发生逆转性。

一般玻璃的性质是随着Si02的减少(即Y值减少)而降低。

而逆性玻璃则相反，碱金属和碱土金属含量愈多(即Y值愈小)，结构愈强固，而某些物理性质却向着一般玻璃的相反方向变化，如粘度、膨胀系数和介电损耗等。

T1.4近代较为流行的玻璃结构的学说：1.晶子学说2. 无规则网络学说T1.5从目前有关玻璃性质及其玻璃结构的研究资料来看，可以认为短程有序和长程无序是玻璃态物质结构的特点．在宏观上玻璃主要表现出无序均匀和连续性；而在微观上它又是有序，微不均匀和不连续性的。

T 1.6无规则网络学说宏观上强调了玻璃中多面体相互间排列的连续性，均匀性和无序性方面。

这可以说明玻璃的各向同性，以及玻璃性质随成分变化的连续性等基本特性。

晶于学说强调玻璃的有序性，不均性和不连续性方面，它反映了玻璃结构的另一重要特性。

J1.6从目前有关玻璃性质及其玻璃结构的研究资料来看，可以认为短程有序和长程无序是玻璃态物质结构的特点．在宏观上玻璃主要表现出无序均匀和连续性，而在微观上它又是有序，微不均匀和不连续性的。

无规则网络学说宏观上强调了玻璃中多面体相互间排列的连续性，均匀性和无序性方面。

这可以说明玻璃的各向同性，以及玻璃性质随成分变化的连续性等基本特性。

晶于学说强调玻璃的有序性，不均性和不连续性方面，它反映了玻璃结构的另一重要特性。

L1.7论述晶子学说的主要内容列别捷夫认为玻璃是由无数“晶子”所组成。

晶子是具有晶格变形的有序排列区域，分散在无定形介质中，从“晶子”部分到无定形部分是逐步过渡的，两者之间并无明显界线。

在玻璃折射率随温度变化的曲线上，于520℃附近出现突然的变化，把这一现象解释为玻璃中的石英“微晶”发生晶形转变所致。

因为β—石英与ɑ—石英之间的转变温度为573℃，晶子学说为X—射线结构分析数据所证实，玻璃的X—射线衍射图，一般发生宽的(或弥散的)衍射峰，与相应晶体的强烈尖锐的衍射峰有明显的不同，但二者峰值所处的位置基本是相同的。

另外，实验证明，把晶体磨成细粉，颗粒度小于0．1微米时，其X—射线图也发生一种宽广的衍射峰，与玻璃类似，而且颗粒度愈小，衍射图的峰值宽度愈大。

这些都是玻璃中存在“晶子”的佐证。

M1.7晶子学说认为玻璃是由无数“晶子”所组成。

晶子是具有晶格变形的有序排列区域，分散在无定形介质中，从“晶子”部分到无定形部分是逐步过渡的，两者之间并无明显界线。

L1.8论述无规则网络学说的主要内容认为像石英晶体一样，熔融石英玻璃的基本结构单元也是硅氧四面体，玻璃被看作是由硅氧四面体为结构单元的三度空间网络所组成，但其排列是无序的，缺乏对称性和周期性的重复，故不同于晶态石英结构。

当熔融石英玻璃中加入碱金属或碱土金属氧化物时，硅氧网络断裂，碱金属或碱土金属离子均匀而无序地分布于某些硅氧四面体之间的空隙中，以维持网络中局部的电中性。

对硼酸盐与磷酸盐玻璃也作了类似的描述。

把简单的B203和P205玻璃看成是分别由硼氧三角体〔B03〕和磷氧四面体〔P04〕连结的无序的两度空间的网络。

查哈里阿森(W．HZachariasen)提出了无规则网络学说。

借助于哥尔德(Goldschmidt)的离子结晶化学原理，并参照玻璃的某些性能(如硬度、热传导、电绝缘性等)与相应晶体的相似性而提出来的。

无规则网络学说宏观上强调了玻璃中多面体相互间排列的连续性，均匀性和无序性方面。

这可以说明玻璃的各向同性，以及玻璃性质随成分变化的连续性等基本特性．M1.8无规则网络学说认为像石英晶体一样，熔融石英玻璃的基本结构单元也是硅氧四面体，玻璃被看作是由硅氧四面体为结构单元的三度空间网络所组成，但其排列是无序的，缺乏对称性和周期性的重复，故不同于晶态石英结构。

当熔融石英玻璃中加入碱金属或碱土金属氧化物时，硅氧网络断裂，碱金属或碱土金属离子均匀而无序地分布于某些硅氧四面体之间的空隙中，以维持网络中局部的电中性。

J1.9何谓硼反常现象在钠硅酸盐玻璃中加入氧化硼时，往往在性质变化曲线中产生极大值和极小值，这现象也称为硼反常性。

这种在钠硼玻璃中的硼反常性，是由于硼加入量超过一定限度时，它不是以硼氧四面体而是以硼氧三角体出现于玻璃结构中，因此，结构和性质发生逆转现象。

在Na2O—B203—Si02系统玻璃中，当以B2O3取代Si02时，折射率，密度，硬度、化学稳定性等出现极大值，热膨胀系数出现极小值，而电导、介电损耗，表面张力则不出现硼反常现象。

在钠硼硅系统玻璃中，极大值与极小值出现的地方随Na20含量而定，例如折射率的极大值经常出现在Na20／B203=1的地方(参见图1-12)。

“硼反常现象”是由于玻璃中硼氧三角体[BOa)与硼氧四面体CB04)之间的量变而引起玻璃性质突变的结果。

M1.9硼反常现象在钠硅酸盐玻璃中加入氧化硼时，往往在性质变化曲线中产生极大值和极小值，这现象也称为硼反常性。

这种在钠硼玻璃中的硼反常性，是由于硼加入量超过一定限度时，它不是以硼氧四面体而是以硼氧三角体出现于玻璃结构中，因此，结构和性质发生逆转现象。

J1.10何谓“硼—铝反常”现象在钠硼铝硅玻璃中，当不存在B203时，A1203代替Si02能使折射率、密度等上升。

当玻璃中存在B203时，同样地用A1203代替Si02，随B203含量不同出现不同形状的曲线。

当Na20／B2O3=4时出现极大值，而当NagO／B2O3≥>1时，nD(折射率)与d (密度)显著下降。

M1.10“硼—铝反常”现象在钠硼铝硅玻璃中，当中不存在B203时，A1203代替Si02能使折射率、密度等上升。

当玻璃中存在B203时，同样地用A1203代替Si02，随B203含量不同出现不同形状的曲线。

当Na20／B2O3=4时出现极大值，而当NagO／B2O3≥>1时，nD(折射率)与d (密度)显著下降。

L1.11论述网络的大小及原子排列方式与形成玻璃的关系熔体自高温冷却，原子，分子的动能减小，它们必将进行聚合并形成大阴离子，从而使熔体粘度增大。

一般认为，如果熔体中阴离子集团是低聚合的，就不容易形成玻璃。

因为结构简单的小阴离子集团(特别是离子；便于位移、转动，容易调整成为晶体，而不利于形成玻璃。

反之，如果熔体中阴离子集团是高聚合的，例如形成具有三度空间的网络或两度空间的层状、一度空间链状结构的大阴离子(在玻璃中通常三者兼而有之，相互交迭)，这种错综复杂的网络，由于位移、转动、重排困难，所以不易凋整成为晶体，即容易形成玻璃。

例如氯化钠熔体是由自由的Na+离子与C1-离子构成，在冷却过程中，很容易排列成为NaCl晶体，不利于生成玻璃。

而SiO2熔体是一种高聚合的三度空间网络的大阴离子，因此在冷却过程中，由于网络大，熔体结构复杂，转动、重排都很困难，结晶激活能力较大，故不易调整成为晶体，玻璃形成能力很大。

B203熔体是一种链状结构，由于阴离子集团聚合程度较高，在冷却过程中，也不易排列成为晶体，易于形成玻璃，但熔体的阴离子集团的大小并不是能否形成玻璃的必要条件，低聚合的阴离子因特殊的几何构型或因其间有某种方向性的作用力存在，只要析晶激活能比热能相对的大得多，都有可能成为玻璃。

对于无机玻璃，因疑固点(Tm)一般较高，大阴离子应该是重要条件之一。

L1.12论述化学键的性质与玻璃形成的关系化学键的性质对玻璃的形成也有重要的作用。

化学键是表示原子间的作用力，一般分为金属键，共价键、离子键、氢键及范德华键五种形式。

但这五种键不是绝对的，例如共价键与离子键，共价键与金属键之间有过渡形式。

离子键没有方向性和饱和性，故离子倾向于紧密排列，原子间相对位置容易改变，因此离子相遇组成晶格的几率比较大，故离子化合物的析晶激活能不大，容易调整成为晶体。

例如离子键化合物NaCl，CaFc等在熔融状态时，以单独离子存在，流动性很大，在凝固点靠库伦力迅速组成晶格．共价键有方向性与饱和性，作用范围较小。

但是单纯共价键的化合物大都为分子结构，而作用于分子间的为范德华力，由于范德华力无方向性，组成晶格的几率比较大，一般容易在冷却过程中形成分子晶格，所以共价键化合物一般也不易形成玻璃。

金属键无方向性，饱和性，金属结构倾向于最紧密排列，在金属晶格内形成一种最高的配位数(12)，原子间相遇组成晶格的几率最大，因此最不容易形成玻璃。

从以上分析可见，比较单纯的键型如金属键、离子键化合物在一般条件下不容易形成玻璃，而纯粹的共价键化合物也难于形成玻璃。