第4章 非晶态结构与性质 知识点064hxh
高分子物理第4章-高分子的凝聚态结构-非晶态.ppt
n
聚异丁烯 PIB Tg= -70oC
CH3 CH2 C
n
CH3
120
100 80
CH3 CH2 - C n COOR CH2 CH R CH2 CH2 CH R CH COOR n n n
Tg（℃）
(D) 侧基链长
60 40 20 0
-20
侧基的双重影响： 1.链间距 2.内旋阻力
聚丙烯酸钠，Tg>280C 聚丙烯酸铜，Tg>500C
H
二、影响Tg的其它结构因素 分子量对Tg的影响
链端比链中段活动性强 带有过剩自由体积
Mc
Tg
M
当分子量较低时，Tg随分子量增加而增加；当分子量达
到某 一临界值时，Tg→Tg(∞)，不再随分子量改变。
共聚作用
共聚物的Tg介于两种(或几种)均聚物的Tg之间 如果由于与第二组分共聚而使Tg下降，称之为“内 增塑作用” 共聚物的Tg可用如下Fox方程计算：
0.01秒 1秒 40秒 2分钟 5分钟 18分钟 5小时 60小时 1年
Specific volume
降温速率与体积排 出不匹配的温度为 Tg
5C/min
1C/min
Temperature
80 82 84 86 88 90 92 94 96 98 100
120 40 1.0 0.01
4.4 影响Tg的因素
第4章
聚合物的凝聚态结构
The Condensed State of Polymers
凝聚态(聚集态)与相态
凝聚态：物质的物理状态, 是根据物质的分子
运动在宏观力学性能上的表现来区分的, 通常 包括固、液、气体（态），称为物质三态 相态：物质的热力学状态，是根据物质的结构 特征和热力学性质来区分的，包括晶相、液相 和气相（或态） 一般而言，气体为气相，液体为液相，但固体 并不都是晶相。如玻璃(固体、液相)
第四章非晶态结构与性质
第四章⾮晶态结构与性质第四章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。
第四章 非晶态固体
不足之处：晶子尺寸太小，无法用X射线检测，晶 子的含量、组成也无法得知。
Jiangsu University
材料科学基础
（二）无规则网络学说
(1)玻璃的结构与相应的晶体结构相似，同样形成连续的三 维空间网络结构。 (2)这种网络是由离子多面体通过桥氧相连，向三维空间无 规律的发展而构筑起来的。因此玻璃的内能比晶体的内能 要大。
四、玻璃形成的结晶化学条件
1、复合阴离子团大小与排列方式
熔体的结构含有多种负离子基团，负离子团的聚合程度 越低，越不易形成玻璃；聚合程度越高，特别当具有三维网 络或歪扭链状结构时，越容易形成玻璃。
形成硼酸盐、硅酸盐等玻璃的O／B、O／Si等比值的最高限值
与不同系统配合 加入的氧化物 Li2 O Na2 O K2 O MgO CaO SrO BaO 硼酸盐系统 O/B 1.9 1.8 1.8 1.95 1.90 1.90 1.85 硅酸盐系统 O/Si 2.55 3.40 3.20 2.70 2.30 2.70 2.70 锗酸盐系统 O/Ge 2.30 2.60 3.50 － 2.55 2.65 2.40 磷酸盐系统 O/P 3.25 3.25 2.90 3.25 3.10 3.10 3.20
材料科学基础
第四章 非晶态固体
Jiangsu Univ晶态固体
原子在空间排布没有长程有序的固体。
非晶态固体的微结构：原子无规则排列，失
去平移对称性，不满足晶体结构的基本特征 ，但并非完全混乱无序排列，近邻原子的排 列仍具一定规律，呈现出一定的几何特征， 为短程序。 短程有序，长程无序
Jiangsu University
材料科学基础
玻璃生成的主要动力学因素
• (1)在凝固点(热力学熔点Tm)附近的熔体 粘度的大小，是决定能否生成玻璃的主 要标志。 • (2)在相似粘度—温度曲线情况下，具有 较低的熔点，即Tg/Tm值较大时，玻璃易 于获得
无机材料科学基础 第四章 非晶态结构和性质之熔体-文档资料
Si
σ键 π键
O
Si－O键具有高键能、方向性和低配位
结论
等特点。
R－O键的作用：
熔体中R－O键的键性以离子键 为主。 改变Si－O键的键强、键长、键角，使桥氧断裂。
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
2熔体形成过程
(1) 石英的分化
以Na2O—SiO2熔体为例。
不同聚合程度的各种聚合体的混合物。
聚合体的种类、大小和数量随熔体组成和温度而变化。
（四）、聚合物理论要点:
（1）、 硅酸盐熔体由不同级次、不同大小、不
同数量的聚合物组成的混合物。所谓的聚合物是
指由[SiO4]连接起来的硅酸盐聚离子。
（2）、 聚合物的种类、大小、分布决定熔体结
构，各种聚合物处于不断的物理运动和化学运动 中，并在一定条件下达到平衡。
• Na2O “进攻”弱点——石英骨架“分化”
分化过程示意图：
结 果
三维晶格碎片 各种低聚物
取决于温度、组成、 时间
各种高聚物
(2) 升温和无序化：
熔融过程中随时间延长，温度上升，熔体结构更加无序化，
线性链：围绕Si－O轴发生转动、弯曲； 二维聚合物：层发生褶皱、翘曲；
三维聚合物：(残余石英碎片)热缺陷数增多， 同时Si－O－Si键角发生变化。
[SiO ]
4
R=2.5
(%)
0
8
R=2.3
7
6 5 4 3 负离子含[SiO4]数
2
1
聚合物的形成大致分为三个阶段：
初期：主要是石英颗粒的分化；
总 结
中期：缩聚反应并伴随聚合物的变形； 后期：一定温度(高温)和一定时间(足够 长) 下达到聚合 解聚平衡。
无机材料科学基础第四章非晶态结构与性质
第4章非晶态结构与性质一、名词解释1．熔体与玻璃体：熔体即具有高熔点的物质的液体。
熔体快速冷却形成玻璃体。
2．聚合与解聚：聚合：各种低聚物相互作用形成高聚物解聚：高聚物分化成各种低聚物3．晶子学说与无规则网络学说：晶子学说（有序、对称、具有周期性的网络结构）：1硅酸盐玻璃中含有无数的晶子2晶子的互相组成取决于玻璃的化学组成3晶子不同于一般微晶，而是带有晶体变形的有序区域，在晶子中心质点排列较有规律，远离中心则变形程度增大4晶子分散于无定形物质中，两者没有明显界面无规则网络学说（无序不对称不具有周期性的网络结构）1形成玻璃态的物质与晶体结构相类似，形成三维的空间网格结构2这种网络是离子多面体通过氧桥相连进而向三维空间规则4．网络形成体与网络变性体：网络形成体：能够单独形成玻璃的氧化物网络变性体：不能单独形成玻璃的氧化物5．桥氧与非桥氧：桥氧：玻璃网络中作为两个成网多面体所共有顶角的氧非桥氧：玻璃网络中只与一个成网多面体相连的氧二、填空与选择1.玻璃的通性为：各向同性、介稳性、由熔融态向玻璃态转化是可逆与渐变的，无固定熔点、由熔融态向玻璃态转化时，物理、化学性质随温度的变化连续性和物理化学性质随成分变化的连续性。
2．氧化物的键强是形成玻璃的重要条件。
根据单键强度的大小可把氧化物中的正离子分为三类：网络形成体、网络中间体和网络改变体；其单键强度数值范围分别为单键强度＞335KJ/mol、单键强度介于250~335KJ/mol 和单键强度＜250~335KJ/mol。
3．聚合物的形成可分为三个阶段，初期：石英颗粒的分化；中期：缩聚与变形；后期：在一定时间内分化与缩聚达到平衡。
4．熔体结构的特点是：近程有序、远程无序。
5．熔体是物质在液相温度以上存在的一种高能量状态，在冷却的过程中可以出现结晶化、玻璃化和分相三种不同的相变过程。
6．在玻璃性质随温度变化的曲线上有二个特征温度Tg（脆性温度）和Tf （软化温度），与这二个特征温度相对应的粘度分别为1012Pa·s和108Pa·s。
第4章 非晶态结构与性质 知识点065hxh
知识点065. 玻璃形成的条件
玻璃化和分相后的状态都有向晶体转化的倾向
析晶放出的能量与形成玻璃放出的能量较为接近的体系，从玻璃向晶体转化的驱动力很小，形成玻璃后可以长时间稳定存在，因此更容易形成玻璃
从熔体中形成晶体时，成核、生长速率与过冷度的关系
u
Iv
u
u
ΔT Iv
更容易析晶 更容易形成玻璃
A
B C
10－4 10－2 102 104 106 108 1010
1
120
100 80 60
40 20 过冷度（K ）
时间（s ）
V β/V ≈(π/3)I v u 3t 4
析晶区 玻璃区
过冷度越大，析晶需要的冷却时间越短
过冷度过大，析晶需要的冷却时间却变长
A
B C
10－4 10－2 102 104 106 108 1010
1
120
100 80 60
40 20 过冷度（K ）
时间（s ）
析晶区 玻璃区
析晶的最短时间t n 析晶的过冷度ΔT n
临界冷却速率 ΔT n / t n
聚合物结构理论的解释
离子键化合物
金属键物质
纯粹共价键化合物
离子键和金属键向共价键过渡
极性共价键
近程有序。
远程无序
金属共价键
近程有序。
远程无序
形成玻璃必须具有离子键或金属键向共价键过渡的混合键型
随堂练习：答：
随堂练习：答：
课后习题：P202-204 4.5, 4.14, 4.21, 4.23。
第4章 非晶态结构与性质
硼反常现象： 由于B3＋离子配位数变化引 起性能曲线上出现转折的现象。
（6）混合碱效应：粘度↑ 混合碱效应：熔体中同时引入一种以上R2O或RO时，粘度比等量的一种R2O或RO高。 与离子半径、配位等结晶化学条件不同而相互制约有关。
（7）离子极化：粘度↓ 极化使离子变形，共价键成分增加，减弱Si－O键力。温度一定时，引入等量的具 有 18电子层结构的二价副族元素离子 Zn2+、Cd2+、Pb2+等较引入含8电子层结构的 碱土金属离子更能降低系统的粘度，即当粘度一定时，系统对应温度更低。 η＝1012Pa·s时18Na2O·12RO·70SiO2玻璃对应温度 8电子结构 T(℃) 第四周期 第五周期 第六周期 CaO SrO BaO 533 511 482 18电子结构 T(℃) ZnO CdO PbO 513 487 422
3. 硼酸盐熔体随碱含量减少，表面张力温度系数dσ/dT由负逐 渐接近零值，并有可能出现正值。 【原因】温度升高：熔体中 各组分活动能力增强，破坏熔体表面 [BO3] 平面基团的整齐排 列，使表面张力增大。
2．表面张力－组成关系
结构类型相同的离子晶体，晶格能越大，则熔体表面张力越
大；单位晶胞边长越小，则熔体表面张力越大。
1．粘度－温度关系
（1） 弗仑格尔公式 ф＝A1ｅ－△u/kT η＝1/ф＝A2ｅ△u/kT logη＝A＋B/T 式中 △u——质点粘滞活化能； K——波尔兹曼常数； T——绝对温标； A1 、 A2 、 A——与熔体组成有关的常数。
【注意】该公式假定粘滞活化能是 与温度无关的常数，则只能应用于 简单的不缔合的液体或在一定温度 范围内缔合度不变的液体。对于硅 酸盐熔体在较大温度范围时，斜率 会发生变化，因而在较大温度范围 内以上公式不适用。
第4章 非晶态结构与性质 知识点066hxh
知识点066. 玻璃的结构理论
学说要点：
520℃-590 ℃实验依据
100 T(℃)
200 400
300 500
玻璃的网络是不规则的、非周期性的，因此玻璃的内能比晶体的内能要大
缺乏对称性和周期性的重复
石英玻璃
0 0.04 0.08 0.12 0.16 0.20 0.24 λ
方石英
λ
硅胶
sinθ
优点：缺陷：
优点：均匀性、连续性及无序性
缺陷：
硼硅酸盐玻璃分相与不均匀
光学玻璃氟化物与磷酸盐玻璃分相
•两大学说的相同点：
•两大学说的不同点：
近程有序远程无序
本章知识点回顾：
知识点060. 液体的一般性状与结构
知识点061. 硅酸盐熔体的聚合物结构理论知识点062. 熔体的粘度及变化
知识点063. 熔体的表面张力及变化
知识点064. 玻璃的通性、玻璃的形成与转变知识点065. 玻璃形成的条件
知识点066. 玻璃的结构理论。
第四章—-非晶态结构与性质-2011
B3＋开始处于层状[BO3]中，使结构趋 于疏松，粘度又逐步下降。
15 14 Lg η(η:P) 13 12 11 10 0 4 8 12 16 20 24 28 32 B2O3(mol%)
16Na2O·xB2O3·(84－x)SiO2系统玻璃中 560℃时 的粘度变化
(5) 混合碱效应
熔体中同时引入一种以上的Ｒ2O或 RO时，粘
(4) 阳离子配位数 硅酸盐Na2O－SiO2系统中： 当B2O3含量较少时，Na2O/ B2O3>1，结构中” 游离”氧充足，B3＋以[BO4]四面体状态加 入到[SiO4]四面体网络，将断开的网络重新 连接起来，结构趋于紧密，粘度随含量升 高而增加；
当Na2O/ B2O3 约为1时(B2O3含量约为15 ％)，B3＋形成[BO4]四面体最多，粘度 达到最高点； B2O3含量继续增加，较多量的B2O3引 入使Na2O/ B2O3<1，“游离”氧不足，
聚合物 的形成 过程：
↓
Si 桥氧 非桥氧
Na2O和Si—O网络反应示意图 以上这种在Na2O的作用下，使架状[SiO4] 断裂的过程称为熔融石英的分化过程。
(a)
(b)
(c)
(d)
四面体网络被碱化示意图
分化的结果将产生许多由硅氧四面体短链 形成的低聚物，以及一些没有被分化完全 的残留高聚物——石英骨架，即石英的 “三维晶格碎片”，用[SiO2]n表示。
改变既取决于加入的化合物的本性，也取
决于原来基础熔体的组成。
4.3 玻璃的形成
4.3.1 玻璃的通性
（1）各向同性 无内应力存在的均质玻璃在各方向 的物理性质，如折射率、硬度、弹性 模量、热膨胀系数、导热系数以及机 械能等都是相同的。 （2）介稳性 在一定热力学条件下，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，称为处于介稳状 态。
第四章非晶态结构和性质
12 16
20 24
28
32
当Na2O/B2O3<1此时，游 离氧不足，形成B－O三
B2O3(mol%)
角形配位，粘度下降。
图4－14 16Na2O·xB2O3·(84－x)SiO2
系统玻璃中 560℃时的粘度变化
硼反常现象：由硼离子配位数变化引起性能曲线上出 现转折的现象，称为“硼反常现象”。
E、混合碱效应
Al2O3补网作用
lgη(η×10-1Pa.s)
D、B2O3-硼反常现象
当氧化硼较少时，
15
Na2O/B2O3>1,结构中游 离氧充足，B3＋处于四面
14
体配位，粘度随氧化硼
掺量增加而增大；
13
当Na2O/B2O3≈1时，
12
硼离子形成四面体配位
最多，粘度达到最大；
11
继续增加氧化硼，
10 04
8
结果
O/Si提高，[SiO4] 连接程度降低。
熔体的形成过程 （Na2O-SiO2） 初期：石英（或硅酸盐）的分化；
结果
石英结构中的桥氧变成非桥氧，产生低聚物、 及未分化完全的“三维晶格碎片”[SiO2]n。
中期：缩聚并伴随着变形；
➢缩聚反应：各种低聚物相互作用形成高聚物-----
[SiO4]Na4+ [SiO4]Na4——[Si2O7]Na6+Na2O [SiO4]Na4+[Si2O7]Na6 ——[Si3O10]Na8+ Na2O [SiO4]Na4+[SinO3N+1]Na（2n+2） ——-——
2、哪些二价金属离子更有利于降低熔体粘度？ 二价金属离子对粘度的影响，除了考虑半径因素， 还要考虑离子极化。 极化力较大的离子(如Pb)，使其与氧的键合具共价 键成分，降低硅氧四面体中硅氧键力，粘度下降。
第四章 非晶态结构与性质
第四章非晶态结构与性质【例4-1】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】按公式退火点：514＋273＝787K时粘度η＝1012Pa·s软化点：696＋273＝969K时粘度η＝4.5×106Pa·s，则：解之：△E＝429 kJ/mol，得：Pa·s工作温度范围粘度一般为103～107 Pa·s，由于当η＝103Pa·s时，℃当η＝107Pa·s时，℃所以工作温度范围是682~877℃熔融范围粘度一般是10~100Pa·s当η＝10Pa·s时，℃当η＝50Pa·s时，4℃所以熔融温度范围是940~1009℃【例4-2】已知石英玻璃的密度为2.3g/cm’，假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（APC）是多少？【解】设在体积为1nm3内SiO2原子数为n，则密度按题意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：个/nm3在1nm中SiO2所占体积则：【例4-3】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的个数为：个/cm3在PbSiO3玻璃中氧的密度为：g/cm3同样求得石英玻璃中SiO2的个数n2和氧的密度为ρ2：个/cm3，g/cm3显然ρ1＞ρ2，即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＋作为网络改变离子而统计均匀分布在Si－O形成的网络骨架空隙中。
【例4-4】一种玻璃的组成为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比换算成摩尔百分比，如下表所示：wt％mol数mol％SiO280 1.33 80.6Na2O 20 0.32 19.4，，非桥氧％＝【例4-5】有两种不同配比的玻璃，其组成如下，请用玻璃结构参数说明两种玻璃高温下粘度的大小？序号Na2Owt％Al2O3wt％SiO2wt％1 10 20 702 20 10 70【解】将玻璃组成由质量百分比换算成摩尔百分比，如下表所示：NoNa2O Al2O3SiO2Y wt％mol％wt％mol％wt％mol％1 10 10.6 20 12.9 70 76.5 2.722 20 20.4 10 6.2 70 73.4 3.66 对1＃玻璃：， Al3＋被视为网络改变离子，，，对2＃玻璃：， Al3＋作为网络形成离子，，，即：1＃玻璃Y1<玻璃Y2，在高温下1＃粘度<2＃粘度。
第4章 非晶态结构与性质 知识点060
2．晶体的熔解热比液体的气化热小得多
Na晶体 Zn晶体 冰
熔融热 (kJ/mol) 2.51
6.70 6.03
而水的气化热为40.46kJ／mol。这说明晶体和液体内 能差别不大，质点在固体和液体中的相互作用力是接 近的。
3．固液态热容量相近
几种金属固、液态时的热容值
表明质点在液体中的热运动性质（状态）和在固体中 差别不大，基本上仍是在平衡位置附近作简谐振动。
强度 I
4. 气体-液体-玻璃-晶体的X射线衍射谱比较
气体 液体
玻璃 晶体 2θ
液体衍射峰最高点的位置与晶体相近，表明了液 体中某一质点最邻近的几个质点的排列形式与间距和晶 体中的相似。液体衍射图中的衍射峰都很宽阔，这是和 液体质点的有规则排列区域的高度分散有关。由此可以 认为，在高于熔点不太多的温度下，液体内部质点的排 列并不是象气体那样杂乱无章的，相反，却是具有某种 程度的规律性。这体现了液体结构中的近程有序和远程 无序的特征。
学习指导
4.1 熔体的结构
一、对液体的一般认识 二、硅酸盐熔体结构――聚合物理论
一、对液体结构的一般认识
知识点060. 液体的一般性状与结构
1．晶体与液体的体积密度相近
晶体熔化为液体时体积变化较小，一般不超过10％ (相当于质点间平均距离增加3％左右)；而当液体气化时， 体积要增大数百倍至数千倍(例如水增大1240倍)。
第4章 非晶态结构与性质
4.1 熔体的结构 4.2 熔体的性质 4.3 玻璃的通性 4.4 玻璃的形成
学前指导
将学习到的知识点：
知识点060. 液体的一般性状与结构 知识点061. 硅酸盐熔体的聚合物结构理论 知识点062. 熔体的粘度及变化 知识点063. 熔体的表面张力及变化 知识点064. 玻璃的通性、玻璃的形成与转变 知识点065.玻璃形成的条件 知识点066. 玻璃的结构理论
第四章非晶态结构与性质
6
3
0
0.4
0.6 0.8 1.0 1.2
1/T10-3 (K-1)
钠钙硅酸盐玻璃熔体粘度与
温度的关系
但这个公式假定粘 滞活化能是和温度无关 的常数，所以只能应用 于简单的不缔合的液体 或在一定温度范围内缔 合度不变的液体。对于 硅酸盐熔体在较大温度 范围时，斜率会发生变 化，因而在较大温度范 围内以上公式不适用。
二价碱土金属氧化物对粘度影响： 一方面和碱金属离子一样，能使硅氧负离子团解聚使 粘度降低； 另一方面，它们的电价较高而半径又不大，因此其离 子势Z/r较Ｒ+的大，能夺取硅氧负离子团中的Ｏ2-来包围 自己，导致硅氧负离子团聚合。 综合两个相反效应，Ｒ2+降低粘度的次序是Ba2+＞Sr2+ ＞Ca2+＞Ｍg2+，系统粘度次序为Ba2+<Sr2+<Ca2+<Ｍg2+ 。
（5） 阳离子配位数
在硅酸盐Na2O－SiO2系统中： 1）当B2O3含量较少时，Na2O/ B2O3>1，结构中”游离”氧充 足，B3＋以[BO4]四面体状态加入到[SiO4]四面体网络，将断 开的网络重新连接起来，结构趋于紧密，粘度随含量升高而 增加； 2）当Na2O/ B2O3 约为1时(B2O3含量约为15％)，B3＋形成[BO4] 四面体最多，粘度达到最高点； 3）B2O3含量继续增加，较多量的B2O3引入使Na2O/ B2O3<1， “游离”氧不足，B3＋开始处于层状[BO3]中，使结构趋于疏 松，粘度又逐步下降。
[SiO4]连接形式 骨架状 层状 链状 岛状
1400℃粘度值（Pa·s） 109 28 1.6 <1
熔体中O/Si比值与结构及粘度的关系
非晶态物质的结构与性质
非晶态物质的结构与性质在我们的生活中，大部分的物质都是晶体。
晶体是一种有序的结构，它们的分子排列方式是高度固定的，因此晶体的形态也非常规则。
相比之下，非晶态物质则是分子有序排列的一种极端形式，它们的结构没有规则性，因此可以有很多不同的形态和性质。
在本文中，我们将探讨非晶态物质的结构和性质。
什么是非晶态物质？非晶态物质通常被认为是一种“无序”的结构。
简单来说，它们是没有长程有序性的物质，但在局部区域内分子之间可以有一定的“短程有序”。
这意味着分子之间的排列方式不是高度规则的，而是有所波动的。
非晶态物质可以出现在固体、液体和气体状态下，例如玻璃、塑料、橡胶和氧化硅等。
非晶态物质的结构非晶态物质的结构是非常复杂的，因为它们涉及到多个长度尺度上的无序性。
在小尺度上，在分子排列的局部区域内，非晶态物质可能会有一定的短程有序性。
这种局部有序性是由于物质的制备过程中，诸如原子或分子的排列方式不完全随机所导致的。
由于非晶态物质没有长程有序性，其原子和分子的排列方式不会出现周期性的重复。
这也使得非晶态物质的结构非常难以确定。
通常，人们使用散射技术来研究非晶态物质的结构。
这些散射技术包括X射线散射、中子散射、电子衍射以及光散射等技术。
非晶态物质的性质因为非晶态物质的结构没有规则性，所以它们有许多不同于晶体的性质。
本节将会讨论一些非晶态物质特有的性质。
1. 均匀性非晶态物质通常具有非常均匀的结构和成分分布。
这是由于非晶态物质没有周期性结构，使得其分子结构和成分分布在空间上更加均匀。
2. 可塑性非晶态物质通常具有非常好的可塑性。
这是由于其独特的结构，非晶态物质中的分子可以非常容易地滑动，从而使它能够产生大变形而不断裂。
3. 高温稳定性非晶态物质通常具有非常好的高温稳定性。
在高温下，晶体由于其有序排列被破坏而失去了稳定性，而非晶态物质由于其无序方式排列而保持稳定。
这使得一些高温应用中需要具有稳定性的材料，如汽车引擎零件和高温耐受的陶瓷，能够被制造出来。
第4章 非晶态结构与性质 知识点063hxh
知识点063. 熔体的表面张力及变化温度组成
300 400
500
600 700
800
900
σ＝σ0（1－bT ） 温度升高，质点热运动增加， 相互之间间距增加，相互作用力变小，表面张力降低
熔体聚合物结构的解释
有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６考证资料或关注桃报：奉献教育（店铺）
注意K
2O和Cs2O是使表面张力下降。
硅酸盐熔体的聚
合物结构理论不能完全解释所有表面张力的变化规律
290 280 300 200
250 300 350
非极性气体
基本上无影响极性气体
表面张力有明显的降低
有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６考证资料或关注桃报：奉献教育（店铺）
还原气氛氧化气氛
随堂练习：答：。
第4章 非晶态结构与性质 知识点062hxh
知识点062. 熔体的粘度及变化
流动度ф=1/η
熔体温度（℃）粘度（Pa·s）水20 0.001006 熔融NaCI 800 0.00149
钠长石1400 17780 80％钠长石十20％钙长石1400 4365
瓷釉1400 1585
拉丝法
转筒法
落球法
振荡阻滞法
有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６考证资料或关注桃报：奉献教育（店铺）
温度组成 0
lg T T B A -+=η 粘度随温度升高按指数规律降低！ 适应范围T g ~T f 不适应！
0 1600
2000 1000 800 600
聚合物结构理论的解释：
在组成一定时，温度的升
高使硅酸盐熔体中低聚合度的
络阴离子团浓度增加，高聚合
度络阴离子团浓度下降，质点
的移动变得相对容易，体系的
粘度以指数规律下降。
聚合物结构理论的解释
□○△
解聚：
发生：O/Si比较低时。
结果：降低粘度。
发生：O/Si比较高时。
结果：增加粘度。
K K Li Li Na Na
有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６考证资料或关注桃报：奉献教育（店铺）
Si
Mg Zn Ca Sr Ba Pb
Ni Ca Mn Cu Cd 1.00
15 14 13 12 11 10
有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６考证资料或关注桃报：奉献教育（店铺）
随堂练习：答：。
非晶态结构、性质、与类型
影 响
聚合物的种类、大小和数量随熔体的组成和
因 温度而变化。
素
非晶态结构、性质、和类型
模型验证
存在不同类型的聚 合物。 大分子被小分子包 围，小分子起“润滑” 作用，提高流动性。 近程有序，远程无 序。 冷却过程中，大分 子将邻近小分子链固 定下来，迅速结晶。
Li+的半径小，易产生第二液相的液滴，造成乳 光现象。
非晶态结构、性质、和类型
§ 4.2 熔体的性质
4.2.1 粘度 概念: 流体抵抗流动的量度。 物理意义：单位接触面积、单位速度梯度下两层液体 间的内摩擦力，又称流体的粘滞力。
876543 负离子含[SiO4]数
21
[SiO4]四面体在各种聚合物中的分布与
非晶态结构、性质、和类型
R的关系
聚合物理论小结
形 初期：石英（或硅酸盐）的分化； 成 中期：缩聚并伴随着变形；
过 后期：在一定时间和一定温度下，缩聚－分 程 化达到平衡。
产 低聚物、高聚物、三维晶格碎片以及游离碱、 物 吸附物，最后得到的熔体是不同聚合程度的
[SiO4]Na4+ [SiO4]Na4——[Si2O7]Na6+Na2O [SiO4]Na4+[Si2O7]Na6 ——[Si3O10]Na8+ Na2O [SiO4]Na4+[SinO3N+1]Na（2n+2） ——-——
[Sin+1O3n+4]Na（2n+4）+ Na2O 后期：在一定时间和一定温度下，缩聚－分化达到平衡。
非晶态结构、性质、和类型
➢升温和无序化： 线性链： 围绕Si－O轴发生转动、弯曲；
4--非晶态结构与性质
不同熔体的表面张力σ(10-3N/m)
熔体 H2O NaCl B2O3 P2O5 PbO Na2O Li2O Al2O3 ZrO2 GeO2 温度（℃） 25 1080 900 1000 1000 1300 1300 2150 1300 1300 1150 σ 72 95 80 60 128 290 450 550 380 350 250 熔体 SiO2 FeO 钠钙硅酸盐熔体 （Na2O∶CaO∶SiO2 ＝16∶10∶74） 钠硼硅酸盐熔体 （Na2O∶B2O3∶SiO2 ＝20∶10∶70） 瓷器中玻璃相 瓷釉 温度 （℃） 1800 1300 1420 1000 σ 307 290 585 316
10 0
Si
η（P）
8 0 6 0 4 0 2 0 0
Mg Zn Ni Ca Ca Sr Ba Mn Cu Pb Cd
1.00 1.50
0.50
高价金属氧化物
这些阳离子电荷多，离子半径小，倾向与 形成复杂巨大的聚合离子团，增大粘度
阳离子配位数
硼反常现象：B3+ 少的时候，O2-相 对多，以[BO4]形 式存在，结构紧 密粘度增加，随 着B3+的增加， O2-相对少了，以 [BO3]形式存在， 结构疏松粘度下 降
可从成形粘度范 η≈103~107Pa· s）所对应 的温度范围（例如图 t1t4>t2t3）推知玻璃料性 的长短。所谓料性是指玻 璃随温度变化时粘度的变 化速率。在相同粘度变化 范围内，所对应的温度变 化范围大，则称为料性长， 也称为长性玻璃或慢凝玻 璃，如硼硅酸盐玻璃；若 在相同粘度变化范围内， 所对应的温度变化范围小， 则称为料性短，也称为短 性玻璃或快凝玻璃，如铝 硅酸盐玻璃
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
熔体
晶体
有固定熔点 物化性质发生不连续变化 热效应大 形成新相
熔体
玻璃体
在一定温度范围内完成 物化性质发生连续变化 热效应小 不形成新相
玻璃转变过程和结晶过程的区别
玻璃转变温度Tg
确定方法 影响因素
热膨胀曲线 冷却速度、测试条件、
差热分析
组成、样品形貌
Tg/Tm≈2/3＝0.667 更易于形成玻璃
更易析晶 一些化合物的熔点(Tm)和转变温度(Tg)的关系
冷却速度 q＝q0exp(－Ea/RTg)
冷却速率对玻璃转变的影响
影响玻璃转变的因素
•内因 ——玻璃自身结构——表现为结构调整速率
•外因 ——动力学——表现为冷却速率
玻璃性质随温度的变化
温度
5．物理、化学性质随成分变化的连续性
30
K2O 3
28
VM
26
2 Na2O
24
1
22
Li2O
20 0 10 20 30 40 50 R2O(mol%)
R2O-SiO2系玻璃R2O含量与摩尔体积的关系
4.4 玻璃的形成 知识点064. 2玻璃的形成与转变
一、形成玻璃的物质及方法 ------熔融法和非熔融法
4.3 玻璃的通性 知识点064. 1玻璃的通性
1．各向同性; 2．介稳性; 3．由熔融态向玻璃态转化的过程是可逆的与渐变的，在
一定的温度范围内完成，无固定熔点； 4．由熔融态向玻璃态转化时物理、化学性质随温度变化
的连续性； 5．物理、化学性质随成分变化的连续性。
3．由熔融态向玻璃态转化的过程是可逆的与渐变的， 在一定的温度范围内完成，无固定熔点。
V、U
过冷液体
a
b
玻璃 e
快冷
c
慢冷 h
f
d 晶
体
Tg1 Tg2 TM
T
物质体积与内能随温度变化示意图
4．由熔融态向玻璃态转化时物理、化学性质随温度变化 的连续性
电导、比容、粘度
性 质
c’
d
Ⅰ d’ Ⅱ
热容、膨胀 系数、密度、
折射率
c
a
a’ a”
b
b’ b”
导热系数
c” d” Ⅲ 机械性质
Tg
Tf
熔融法是形成玻璃的传统方法，即玻璃原料经加热、 熔融和在常规条件下进行冷却而形成玻璃态物质
不足之处是冷却速率较慢，工业生产一般为40～ 60℃/h，实验室样品急冷也仅为1～10℃/s，这样的冷却 速率不能使金属、合金或一些离子化合物形成玻璃。
常由熔融法形成玻璃的物质
由非熔融法形成玻璃的物质
二、玻璃的转变