第三章 熔体和玻璃体的相变
第2-3章玻璃的形成规律,熔体和玻璃相变分解
2、非熔融法 与传统冷却法相比，冷却速度(105~109 K/s) 有很大突破，同时丰富了玻璃的种类。
由非熔融法形成玻璃的物质
原始物质 固体 (结晶) 形成原因 剪切应力 放射线照射 形成络合物 获得方法 冲击波 磨 碎 高速中子线 a 粒子线 金属醇盐 水解 真空蒸发 沉积 气 升 华 阴极飞溅和 氧化反应 气相反应 气相反应 体 电 解 辉光放电 实 例
2、Uhlmann观点： 判断一种物质能否形成玻璃，首选确定玻璃 中可检测到的晶体的最小体积，然后再考虑熔体 究竟需要多快冷却速率才能防止这一结晶量的产 生，从而获得检测上合格的玻璃。
实践中，玻璃中可以检测到的晶体的最小体 积分数(Vβ/V ＝10-6 )
根据相变动力学理论，对均匀成核，在时间t内单
液体
阴极法
二、玻璃形成的热力学观点
熔融体随着温度降低，根据释放能量大小不同，可 以有三种冷却途径：
1）结晶化：有序度不断增加，释放全部多余能量。 2）玻璃化：在转变温度Tg硬化为固态玻璃的过程，释放部 分能量。 3）分相：熔体形成互不混溶的组成不同的两个玻璃相。也 释放部分能量。
2.2 玻璃形成的热力学条件
第2章
玻璃的形成规律
一、玻璃态物质形成方法简介 二、玻璃形成的热力学观点 三、形成玻璃的动力学手段 四、玻璃形成的结晶化学条件
一、玻璃形成的方法
1、 熔融法（传统的熔体冷却法）
工业上：冷却速度为40~60K/h
熔融冷却法
实验室：冷却速度为1~10K/s
由熔融法形成玻璃的物质
种 类 元 素 氧化物 硫化物 硒化物 碲化物 卤化物 硝酸盐 碳酸盐 硫酸盐 硅酸盐 硼酸盐 磷酸盐 有 机 化合物 水溶液 金 属 物 O、S、Se、P
第三章 熔体和玻璃体
熔 体
1、问题的引出：
晶体（理想）的特点—— 晶体（实际）的特点——
整 体 有 序
【举例 】
熔体与玻璃的特点—？
近程有序远程无序
2、从能量角度分析：热力学、动力学
能 量
ΔGa 熔体 ΔGv
晶体
从热力学和动力学角度分析熔体与晶体
从能量曲线分析熔体和玻璃
气相冷凝获得的无定形物质
位能
熔体 玻璃
真实晶体
1Pa S 1N S m2 105 dye S 104 cm2 10P(泊)
流动度 ：φ＝１／η
绝对速度理论 2. 粘度－温度关系 自由体积理论
过剩熵理论 根据玻尔兹曼能量分布定律，活化质点的数目与exp（－ ΔE/kt）成比例。
即：流动度φ＝ φ0 exp（－ΔE/kt） 则：η＝ η0 exp（ΔE/kt） 两边取对数： 其中： ΔE —— 质点移动的活化能 η0 —— 与熔体有关的常数
在钠钙硅酸盐玻璃中：
活化能E（KJ/mol） 电阻率ρ（350℃） 熔融石英 50％Na2O的碱硅酸盐 142 50 1012 102
cm cm
R2O含量 （2）RO的影响
，活化能E
，σ
，且Li > Na > K
随R2＋离子半径 r
，σ
，次序是：
Ba2＋ > Pb2＋ > Sr2＋ > Ca2＋ > Mg2＋ > Be2＋
多种聚合物同时并存即是熔体结构远程无序的实质。
4) 熔体中的可逆平衡：
结果：使熔体中有多种多样的聚合物，高温时低聚物各自以
分立状态存在，温度降低时有一部分附着在三微碎片上，形
成“毛刷”结构。温度升高“毛刷”脱开。反应的实质是：
第三章 玻璃分相与析晶汇总
· 特点：由成核剂或二液相的界面可使界面能降低， 从而影响临界形核功G *， 较小的过冷度就能成核
非均匀成核临界成核位垒 GK* 与接触角的关系。
GK* G*. f ( ) 液体
f ( ) (2 cos )(1 cos )2
· 定义：在宏观均匀的玻璃体中，没有外来物质参与， 在基质内部而与相界、缺陷等无关的成核过程。（自发 成核、本征成核）
· 热力学条件 G<0
假设晶核为球。 G=4/3 r3G+4r2 体积自由能：形成晶核所释放出的能量，使体系自由 能减小。 G 单位体积自由能变量 形成新相所需界面能（克服表面张力）
四、分相的原因
结晶化学理论：
分相的原因是 ：玻璃结构中阳离子对氧的争夺
M或I的配位结构与F不同，高场强离子较多时易分相。
不同阳离子的离子势：
Cs+ 0.61
1700
Rb+ 0.67
℃
K+
0.75
1650
Na+ 1.02
Li+ 1.28
1600
Ba2+ 1.40
1550
Sr2+ 1.57
Ca2+ 1.89
分相范围 亚稳分相区范围：自 由焓－组成曲线的各 切点轨迹相连范围； 不稳分相区：各曲线 的拐点轨迹相连的范 围。
4 亚稳定区与不 稳区的分相机理
(2G/C2)T、P 判断由于过 冷液相（熔 融体）的分 相是亚稳的 还是不稳的。
当( 2G/C2) T、P>0时，系统单相液相对微小的组 成起伏是亚稳的，分相如同析晶中的成核-生长， 需要克服一定的成核能垒才能形成稳定的核，而后 新相继续扩大。如果系统不足以提供此能垒，系统 将不分相而呈亚稳态。 当(2G/C2) T、P<0时，系统单相液相对微小的组成 起伏是不稳定的，组成起伏由小逐渐增大，初期新 界面弥散，因而不需克服任何能垒，分相是必然发 生的。
第三章 玻璃分相与析晶
结论：
1.G G ，所以非均匀成核析晶容易进行。
* K *
2. 润湿的非均匀成核位垒低于非润湿的，因而润湿更 易成核。 1.过饱和溶液在容器壁上的析晶。 应用
2.结晶釉：在需要的地方点上氧化锌晶种。 3.油滴釉：在气泡的界面易析出含Fe3+的微晶。 4. 结构缺陷处成核并生长：如螺位错成核生长。
R2O-B2O3-SiO2 亚稳分相
R2O-B2O3-SiO2 旋节分相
高硅氧玻璃(vycor) 原理：利用分相玻璃中不同相对水、酸、碱的抗蚀 程度不同而制得。
工艺过程
常规熔制 热处理（650C左右）使之分相 退火后 用酸处理（酸沥滤）得多孔高硅玻璃 1200C烧结 得vycor(体积收缩约20~40%） 性能 =810–7/C 短时使用T=1200C 长时使用T=900C 化稳、机械强度等可与石英玻璃媲美。成本低。
5 亚稳定区与不稳区的分相特点
(1) 、分相时质点的运动方式 ① 成核－长大机理
C
C0
正扩散 早期 中期 终期
C
(1) 、分相时质点的运动方式 ② 旋节分相机理
C
C0
负扩散 早期 中期 终期
C
(2) 分相后玻璃的亚微结构
T
液滴状孤立结构
a
c
d
b
T1
Na2O 富Si相 富Na相
. . SiO2 . . ... . . . 富Na相 . 蠕虫状连通结构 富Si相
3、 影响rK的因素分析。
2 r GV
*
由 rK计算临界形核功
1 16n 3 .Te 2 1 * * * * G ＝G1 ＋G 2 ＝ ( )＝ A 2 2 3 H .T 3 1 * G 2 T
第三章 熔体与玻璃体
第三章 熔体与玻璃体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 ()BA T K η+＝解之）？求该熔体的粘性流动活化能？解：按题意列出联立方程84log108727273log1041156273B A B A ⎧⎪⎪+⎨⎪⎪+⎩＝＋＝＝＋＝解得 A ＝－5.3 B ＝13300 log107＝－5.3＋T 13300＝7T ＝1080K ＝807℃粘性流动粘度式EkT ηη∆0＝exp （）△E ＝B •k /log e ＝4343.01038.11330023-⨯⨯＝4.226×10-19J/个＝4.226×10-19×6.02×1023J/mol ＝255kJ/mol3-3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SiO 2两点是：η＝109 相应温度10000.6T ＝ T ＝1667Kη＝1012 10000.7T ＝ T ＝1429K按公式0ln ln EηRT η∆=+ΔE△EΔE △E)104.8(ln 1429314.8ln 631.27ln10)102.7(ln 1667314.8ln 723.20ln10500125009--⨯+=⨯+⨯+=⨯+ηηηη＝＝＝＝解之得：△E ＝5.8×105J/mol ＝580kJ/mol在苏打-石灰玻璃中两点是：ΔE△EΔE △ET TT T 00048.0ln 1053987.1ln 816.13ln1000029.0ln 1724987.1ln 605.4ln10K105395.0100010K 172458.010001000600262+=⨯++=⨯+======ηηηηηη＝＝＝＝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。
熔体和玻璃体的相变
VS
温度对相变的影响
温度是影响熔体和玻璃体相变的最主要因 素之一。随着温度的升高，物质的分子热 运动逐渐增强，当达到熔点时，分子间的 相互作用力不足以维持固态结构，导致固 态熔化。相反，随着温度的降低，分子间 的相互作用力逐渐增强，当达到凝固点时 ，液态物质开始凝固成固态。
压力的影响
高压对相变的影响
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玻璃体的特点
玻璃体具有非晶态结构，其内部原子或分子的排列是无序 的；同时，玻璃体没有固定的熔点，其物理性质和化学性 质随温度变化而变化。
03 熔体和玻璃体的相变类型
熔体的相变类型
固态-液态相变
当温度升高到熔点时，固态物质开始融化成液态。这个过程中，物质从有序的晶体结构转变为无序的液态结构。
液态-气态相变
熔体和玻璃体的相变过程可以用 来合成各种化学品，如醇、醚、 酯等，这些化学品广泛应用于医 药、农药、燃料等领域。
废气处理
熔体和玻璃体的相变过程中可以 吸附和转化有害气体，如硫化物、 氮氧化物等，可用于废气处理和 环境保护。
在物理领域中的应用
能源存储与转换
熔体和玻璃体的相变过程可以用于能源存储与转换，如热能、光能 等，可以提高能源利用效率和减少环境污染。
随着温度进一步降低，玻璃态物质逐渐变得更加稳定，最终转变为固态。这个过程伴随 着结构和性质的逐渐变化，但与晶体固态相变不同，玻璃态物质不会发生晶体结构的重
排。
04 熔体和玻璃体的相变影响 因素
温度的影响
熔体和玻璃体的相变温度
物质在熔化过程中，当温度达到熔点时 ，固态物质会转变为液态熔体。而当温 度降低时，熔体会逐渐凝固，最终转变 为固态。玻璃体则是在高温下形成的非 晶态物质，其结构与晶态物质不同。
第三章 熔体与玻璃体
第三章熔体与玻璃体熔体指高温下形成的液体，当它冷却时会固化转变为固体。
冷却速度不同，熔体有两种固化方式：慢冷时，由于冷却慢，质点有足够的时间调整位置做有规则的排列形成晶格，所以熔体慢冷时形成晶体；快冷时，由于冷却速度快，粘度增大太快，质点没来得及做有规则排列就已经固化，因而形成玻璃体。
因此玻璃体的结构和熔体的结构有一定的相似性，也把玻璃体称为过冷液体。
一般玻璃是由玻璃原料加热成熔体冷却而成；同时在很多无机非金属材料中，在材料的使用和制备过程中晶相间都会有熔体和玻璃体存在和产生，影响着材料的性能。
例如，耐火材料中存在的玻璃相是决定其高温性能的重要因素，陶瓷釉的质量取决于玻璃体的组成及其与坯体的物化作用，等等。
因此了解玻璃体和熔体的结构及与性能的关系是十分必要的。
这里熔体和玻璃体的结构主要从原子级结构（0.2～1nm）和亚微观结构(3～几百nm)尺度来考虑。
第一节硅酸盐熔体的结构一. 液体的结构（介于晶体和气体之间）经实验数据证明，液体的结构一般偏向于晶体。
对于这一点我们可以从以下几点理解：液体和晶体的体积密度相近；晶体的熔融热比液体的汽化热小得多；晶体的热容与液体的热容相差不大，而和气体相差大；X衍射分析结果表明液体的结构更靠近晶体的结构。
关于液体的结构有两种理论：1.“近程有序”理论晶体的结构是近程有序、远程也有序；液体的结构是近程有序而远程没有序。
在液体内部每个中心质点的附近的微小范围内（大约10-20Å），认为是近程有序的。
超过此范围则无规律性。
2.“核前群”理论核前群理论是在“近程有序”理论的基础上发展而来的。
它也认为每个中心质点的附近有一个有序排列的范围，但越往外规律性越差，熔体是有一个个这样的复杂集团无规则的连接起来。
液体结晶首先要形成晶核，晶核如果继续长大则形成晶体。
核前群再发展就成为晶核的胚芽，但核前群不同于晶核，核前群一旦发展为晶核就有界面，就相当于出现新相，而核前群是熔体结构中的一部分，核前群之间没有界面。
无机材料科学基础 第3章 熔体和玻璃体
第三章熔体和玻璃体§3-1 熔体的结构-聚合物理论一、聚合物的形成硅酸盐熔体聚合物的形成可分为三个阶段：（一）、石英颗粒分化熔体化学键分析：离子键与共价键性(约52％)混合。
Si-O键：σ、п 故具有高键能、方向性、低配位特点；R-O键：离子键键强比Si-O键弱 Si4+能吸引O2-；在熔融SiO2中，O/Si比为2：1，[SiO4]连接成架状。
若加入Na2O则使O/Si比例升高，随加入量增加，O/Si比可由原来的2：1逐步升高到4：1，[SiO4]连接方式可从架状变为层状、带状、链状、环状直至最后断裂而形成[SiO4]岛状，这种架状[SiO4]断裂称为熔融石英的分化过程。
由于Na+的存在使Si-O-Na中Si-O键相对增强，与Si相联的桥氧与Si的键相对减弱，易受Na2O的侵袭，而断裂，结果原来的桥氧变成非桥氧，形成由两个硅氧四面体组成的短链二聚体[Si2O1]脱离下来，同时断链处形成新的Si-O-Na键。
邻近的Si-O键可成为新的侵袭对象，只要有Na2O存在，这种分化过程将会继续下去。
分化的结果将产生许多由硅氧四面体短链形成的低聚合物，以及一些没有被分化完全的残留石英骨架，即石英的三维晶格碎片[SiO2]n 。
（二）、各类聚合物缩聚并伴随变形由分化过程产生的低聚合物，相互作用，形成级次较高的聚合物，同时释放出部分Na2O，这个过程称为缩聚。
[Si04]Na4+[Si2O7]NA6=[Si3O10]Na8+Na2O（短链）2[Si3O10]Na8=[SiO3]6Na12+2Na2O（三）、在一定时间和一定温度下，聚合⇌解聚达到平衡缩聚释放的Na2O又能进一步侵蚀石英骨架，而使其分化出低聚物，如此循环，最后体系出现分化⇌缩聚平衡。
熔体中存在低聚物、高聚物、三维晶格碎片、游离碱及石英颗粒带入的吸附物，因而熔体是不同聚合程度的聚合物的混合物，这些多种聚合物同时存在便是熔体结构远程无序的实质。
03 熔体和玻璃体的相变
有重要的实际意义。现已查明，绝大部分玻璃系统都是在液相线下发生亚稳分相，分相是 玻璃形成系统中的普遍现象。它对玻璃的结构和性质有重大的影响。 在相平衡图中不混溶区内，自由焓G与化学组成C的关系曲线上存在着拐点S(inflection point；spinode)，其位置随温度而改变(见图3-2A)。作为温度的函数，拐点的轨迹，即S-T 曲线称为亚稳极限曲线。在此曲线上的任一点，
表3-1 组分点 14
#
两相的体积分数的分折结果 富硅相(SiO 2 )体积/% 75±5 60±5 50±5 35±5 57 富硼相(B 2 O 3 )体积/% 30±5 40±5 50±5 65±5
热处理温度/℃ 550 600 650 715
17#
600
60±5
40±5
从表可以看出，热处理温度不同，分相后相的成分不同。富SiO 2 相体积分数随温度的增 大而下降，而富B 2 O 3 相则相应增大。反映在图中，即连线随温度的上升作顺时针方向旋转。 连线的取向是通过电子显微镜的测试、沥滤液及残余玻璃的化学分析作出的。在II区中连线 的取向，大致与椭圆的长轴平行。同时有实验数据表明：在不同温度下分相的结构类型也是 不同的。它反映结构类型随温度而发生改变，而且改变得相当快。 从以上可以看出，亚稳不混溶相图和玻璃在不混溶等温面间的连线给我们提供不同的 分相温度以及相应的结构类型和相应的相的成分。它对硼硅酸盐玻璃的生产有重要的指导 意义。 （2）Na 2 O-CaO-SiO 2 系统玻璃的分相 图3-10为Na 2 O-CaO-SiO 2 三元系统的不混溶区和混溶温度等温线相图。不混溶区一部分 在液相曲面以上，一部分在液相面以下。图中虚线表示析出初晶相界线。从图可以看出， 在低SiO 2 一边的不混溶区曲 Na 2 O-CaO-SiO 2 系统的不混溶区出现于高SiO 2 一角的广大区域。 面从Na 2 O20%(分子%)开始，沿Na 2 O-SiO 2 组成线扩展至大约CaO50%(分子%)的位置，并与 CaO·SiO 2 组成线连成一片。因此含SiO 2 高的钠钙硅玻璃一般都会发生不混溶(分相)现象。 Al 2 O 3 有缩小钠钙硅玻璃不混溶区的作用，故加入Al 2 O 3 可以制得均匀的含SiO 2 高的钠钙硅 玻璃。MgO取代部分的CaO能显著降低钠钙硅玻璃的不混溶温度。
第三章 熔体和玻璃体
第一节 熔体
④ 分化与缩聚的平衡 缩聚释放的Na2O又能进一步侵蚀石英骨架，而使其分化出 低聚物，如此循环，最后出现分化与缩聚平衡。这样熔体 中就有各种不同聚合程度的负离子团同时并存。
➢ 多种聚合物同时并存而不是一种独存，这就是熔体结构远 程无序的实质。
➢ 最后得到的熔体是不同聚合程度的各种聚合体的混合物， 聚合体的种类、大小和数量随熔体的组成和温度而变化。
13
第一节 熔体
➢ CaO在低温时，增加熔体的粘度，而在高温下，当含量 <10%~12%时，降低粘度；当含量>10%~12%时，增大粘 度。
➢ B2O3含量不同时对粘度有不同影响，这与硼离子的配位状 态有关。
➢ B2O3含量较少，B离子处于[BO4]状态，结构紧密，粘度随其含量 增加而升高。
➢ B2O3含量较多，B离子处于[BO3]状态，结构趋于疏松，粘度下降， 这称为“硼反常现象”。
当SiO2含量较高时，对粘度起主要作用的是[SiO4]四 面体之间的键力，熔体中硅氧负离子团较大，这时加 入的1价正离子的半径越小，夺取硅氧负离子团中 “桥氧”的能力大, 使硅氧键断裂，因而降低粘度的 作用越大，熔体粘度按Li2O-Na2O-K2O次序增加。
当R2O含量较高时，亦即O/Si比高，熔体中硅氧负离 子团接近最简单的形式，甚至呈孤岛状结构，因而四 面体间主要依靠键力R-O连接，键力最大的Li+具有最 高的粘度，粘度按Li2O-Na2O-K2O顺序递减。
15
第一节 熔体
2. 表面张力 在液体中，表面张力和表面能在数值上是相同的，在
概念上也不予区分。 ➢ 表面能：形成单位表面积时，体系吉布斯自由焓的增量。 ➢ 表面张力：扩张表面单位长度所需要的力。
第三章熔体和玻璃体的相变
c
ΔT
d
原因：①当过冷度较小时，过程离开平衡态很 小，T接近于Tm（熔点）， 这时晶体生长速度与 推动力（ΔT）成直线关系（ΔG＜＜KT） ②过程离开平衡态很大时，T＜＜Tm，ΔG＞ ＞KT，[1-exp(-ΔG／KT)]→1，即u→νa。 粘度增 大，晶体生长速度受到扩散速度的控制。
总析晶速率
特 点 ：由过冷却所形成的过冷液体或玻璃相 是不稳定的，即只要有微小的组成起伏就可 导致分相，基本上不需要克服任何势叠（只 要质点迁移足够大）就可分成两种液体。
只要有微小的组成起伏都可导致分相 产生原因：由于组成起伏引起的热力学上的 不稳定性而产生。 分相结构：三维连通结构
（2）成核生长机理 在不混溶区（N区），2G/ C2 ＞0
（2）热力学因素 吉布斯函数判断（如前述） •稳定和亚稳定状态N区
（2G/ C2）P、T>0
•稳定边界（亚稳极限曲线）
（ 2G/ C2）P、T=0
•不稳定状态S区
（ 2G/ C2）P、T<0
4.分相与玻璃成分的一般规律 单一F的玻璃无分相
含R2O的硼或硅酸盐二元系统
为何非均相核化比较容易？
设γln为液－核界面能； γns为核－固界面能； γsl为固－液界面能。 非均匀成核临界半径为：
非均匀成核核化势垒为：
2 γ ln R G v
*
(2 cos)(1 cos) 2 G h * 2 3(G v ) 4
16 Ln
3
与均相核化对照可知： ΔＧh* ＝ΔＧ* f(θ)
•∵
γ sl γ ns cosθ γ ln
如果γ n s很小，则γ s l越接近γ ln，COSθ就越趋近于1，即θ角 愈小，润湿程度愈高。 而γ s n取决于晶体与杂质的结构。两个相互接触的晶面结 构愈接近，它们间界面能就愈小。 ∴固相的晶格常数要与新相 接近，才比较容易析晶。
第2-3章 玻璃的形成规律,熔体和玻璃相变
1. 两种分相的结构和机理
在不稳区存在两种分相类型：
Mg－Si在液相线 上即分相
起始浓度波动程度很小，但空间范围较大。后 期波动程度逐渐增大，最终达到分相（亚稳分 解机理）。 Ba－Si，在液相线
下才开始分相，亚 稳分相
开始成核时浓度波动程度大，而成核所牵涉到 的空间范围小（成核和晶体生长机理）。
4）极性共价键：当离子键向共价键过渡时，可形成sp电子杂 化轨道，构成σ键和π键。 特点：同时具有离子键（容易改变键角）和共价键（方向 性、饱和性）的特点，利于形成玻璃。 5）金属共价键：当金属键向共价键过渡时，可形成spd或spdf 杂化轨道。 特点：同时具有金属键和共价键的特征， 容易形成玻璃。
键强 单键能 / 阳离子场强
四、玻璃形成的结晶化学条件
1、键强（孙观汉理论）
氧化物分解能 单键强度 正离子的配位数
1)单键强度>80kcal/mol（约335kJ/mol）的氧化物—网络形成体。 2)单键强度<60kcal/mol （约250kJ/mol）的氧化物—网络修饰体。 3)单键强度60～80kcal/mol之间的氧化物—中间体，其作用介 于形成体和修饰体之间。
第2章
玻璃的形成规律
一、玻璃态物质形成方法简介 二、玻璃形成的热力学观点 三、形成玻璃的动力学手段 四、玻璃形成的结晶化学条件
一、玻璃形成的方法
1、 熔融法（传统的熔体冷却法）
工业上：冷却速度为40~60K/h
熔融冷却法
实验室：冷却速度为1~10K/s
由熔融法形成玻璃的物质
种 类 元 素 氧化物 硫化物 硒化物 碲化物 卤化物 硝酸盐 碳酸盐 硫酸盐 硅酸盐 硼酸盐 磷酸盐 有 机 化合物 水溶液 金 属 物 O、S、Se、P
第三章-熔体和玻璃体
§3.1 熔体的结构
一、对熔体的一般认识 一般熔体
结构简单，冷却易析晶。
二、硅酸盐熔体结构
1.基本结构单元－[SiO4] 四面体 2.基本结构单元在熔体中存在状态－聚合体
基本结构单元在熔体中组成形状不规则、大小 不同的聚合离子团（或络阴离子团）在这些离子 团间存在着聚合－解聚的平衡。
聚合物理论 石英玻璃中：
1.石英结构特点 结构中硅氧键是强结合键，结合能力强，硅氧
比为1/2。那么石英加碱会有哪些变化？
2.石英的分化
硅氧键强，会夺取Na2O等碱性氧化物中的氧， 形成非桥氧，造成石英的分化。
在石英熔体中，部分颗粒表面有断键，这些断 键与空气中的水汽作用，生成Si-OH键，若加 入Na2O，断键处发生离子交换。
种类 元素 氧化物 硫化物 硒化物 碲化物 卤化物 硝酸盐 碳酸盐 硫酸盐 硅酸盐 硼酸盐 磷酸盐 有机 化合物 水溶液 金属
由熔融法形成玻璃的物质
物
质
O、S、Se、P
P2O5 、B2O3、 As2O3、 SiO2 、GeO2 、Sb2O3 、In2O3 、Te2O3 、SnO2、 PbO 、SeO B、Ga、In、TI、Ge、Sn、N、P、As、Sb、Bi、O、Sc 的硫化物：As2S3、Sb2S3、CS2 等
材料科学基础---第三章 熔体及玻璃体
随温度变化的连续性 如图3-20
V、Q
A 过冷液体
B
玻璃 K
M
Cቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
快冷
F
慢冷 E
D 晶体
Tg1 Tg2
TM
T
图3－19 物质体积与内能随温度变化示意图
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Ⅰ 电导、比容、热函
性 质
d
2、组成：R=O/Si比
R越大，O/Si比越高，碱含量越高，低聚物越多 （η越小）。 R越小，O/Si比越低，碱含量越低，高聚物越多 （η越大）。 如图3-6
5. 聚合物浓度的影响因素（温度和组成）
SiO4
聚 合
温度↑, 低聚物浓度 ↑
物60
(SiO2)n
浓
度50
Si2O7
% 40 Si3O10
30
物理意义：作用于表面单位线段长度上与表面相 切的力。
单位： N/m 表面能：在恒温、恒压下，增加一个单位表面积
所做的功。 单位：J/m2。
2、影响表面张力的因素
（1）硅酸盐熔体的表面张力与组成有关
◆ Al2O3、CaO、MgO、SiO2没有活性,能提高表面张力,称 为表面惰性物质.
◆ V2O5 、 MoO3 、WO3等引入少量,剧烈降低熔体表面张 力, 称为表面活性物质.
1、熔融石英的分化
如图3-4
2、缩聚并伴随着变形
[SiO4]Na4+[Si2O7]Na6=(Si3O10)Na8+Na2O
2[Si3O10]Na8=[Si6O18]Na12+2Na2O 3、缩聚——分化（解聚）达平衡
无机材料科学基础-3-熔体与玻璃体
桥氧 非桥氧
+2Na+
Sept. 2009
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石英颗粒表面有断键， 并与空气中水汽作用生 成Si－OH键，与Na2O 相遇时发生离子交换：
O 2
Si 1 O
Na
2 O Na+的攻击－诱导效应
Si－OH
Si－O－Na
结 果
• 1处的化学键加强！2处的化学键减弱！
• Na2O “进攻”弱点——石英骨架“分 化”——形成聚合物。
第三章 熔体和非晶态固体
气态（gas state） 物质（substance）液态（liquid state） 固态（solid state）晶体（crystal） 非晶体（amorphous solid）
固体：晶体和非晶体 非晶体：玻璃体和高聚体
田长安 合肥学院 3
当R2O、RO引入硅酸盐熔体中时，Si4+能
把R－O上的氧离子吸引到自己周围，使
Si－O键的键强、键长、键角发生改变，
最终使桥氧断裂。
Sept. 2009
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O/Si比升高，[SiO4]之间连接方式可以从石
英的架状——层状——链状——岛状（1) 石英的分化
晶体
从热力学和动力学角度分析熔体与晶体
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从能量曲线分析熔体和玻璃
气相冷凝获得的无定形物质
位能
熔体
玻璃
真实晶体
理想晶体
表面
Sept. 2009 田长安 合肥学院
内部
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3.2 熔体的形成
熔体的聚合物理论：
按照聚合物理论，熔体中有多种负离子团同时存在。例如 在偏硅酸钠熔体中，有[SiO4]4-、[Si2O7]6-、[Si3O10]8……等负离子共存，此外还有“三维碎片”，这些硅氧离子 团称聚合离子，也就是聚合物。 熔体定义：熔体是不同聚合程度的各种聚合物的
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第三章熔体和玻璃体的相变
1、玻璃分相的类型和分相结构特点如何？
玻璃分相有两种类型。
一种是以MgO-SiO2系统为代表，在液相线以上就开始发生分相这种分相在热力学上称为稳定分相（或稳定不混溶性），它给玻璃生产带来困难，玻璃会产生分层或强烈的乳浊现象，另一种是以BaO-SiO2系统为代表，往往是在液相线以下开始发生分相，这种分相称为亚稳分相（或亚稳不混溶性），它对玻璃有重要的实际意义。
用电子显微镜在研究BaO-SiO2系统分相时，发现随着成分的变化可以得到不同的分相结构。
2、玻璃析晶的两个阶段及其相互间的关系如何？
析晶过程包括晶核形成和晶体成长两个阶段，成核速度和晶体成长速度都是过冷度和黏度的函数。
3、在硼硅酸盐玻璃中，分相结构对性能的影响如何？
分相对玻璃的性能有重要的作用。
它对具有迁移性能如黏度、电导、化学稳定性等的影响较为敏感。
(1)对具有迁移性能的影响
(2)对玻璃析晶的影响
a 为成核提供界面
b 分散相具有高的原子迁移率
c 使成核剂组富集于一相
（3）对玻璃着色的影响
4、高硅氧玻璃的制备原理及工艺过程。
原理：利用分相玻璃中不同相对水、酸、碱的抗蚀程度不同而制得。
工艺过程：常规熔制→热处理（600︒C）使之分相→退火后用酸处理（酸沥滤）→得多孔高硅玻璃→ 1200︒C烧结得vycor(体积收缩约20~40%）。
5、微晶玻璃的热处理制度及理论基础。
热处理制度：（1）阶梯式热处理制度
· a b 室温→核化温度
升温速率不可过大，一般2~5︒C/min.。
α低的10︒C/min
τ
· b c 核化阶段
核化温度Tg~Tg+50︒C
η=1010~11Pa•S 由于晶核的不断形成而抵抗软化变形。
· c d 核化温度→晶化温度
晶体开始生长
· de 晶化阶段
晶化温度<晶体液相线温度
· ef 冷却过程
冷却速度可较大。
（2）等温制度：
原因：某些系统晶化时释放较多转化热。
使温度升高。
热散不出加上温度变化使玻璃中温度梯度较大，晶化不好。
解决：等温保温即使放热与玻璃导热及比热适应，晶核形成后就较慢晶化
理论基础：（1）两液分相析出40埃左右小液滴
（2）晶核形成相界面出现含TiO2化合物和立方体
ZrO2微晶核
（3）晶粒长大初期：易裂开（微观应力）
中期：晶体吸收高硅组分形成外壳，α差↓
后期：r<0.1μm，玻璃相20~30%，α≈0，∆N较小。