非晶态固体
第六章 非晶态与半晶态材料
高分子链的运动是以链段为单元的，是蠕动。高分 子链在分子内旋转作用下可采取各种可能的形态，如 取不同的构象，如伸直链、无规线团、折叠链、螺旋 链等。
高分子 链构象
构象是由分子内热运动引起的物理现象，是不断改变的， 具有统计性质。因此讲高分子链取某种构象是指的是它取这 种构象的几率最大。
(3)氢键
如果高分子链的分子内或分子间可以形成氢键，
氢键的影响比极性更显著，可大大增加分子链的刚
性。
(4)链的长短 如果分子链较短，内旋转产生的构象数小，刚 性大。如果分子链较长，主链所含的单键数目多， 因内旋转而产生的构象数目多，柔顺性好。 链长超过一定值后，分子链的构象服从统计规 律，链长对柔顺性的影响不大。
2.聚合物的结构
I. 高分子的链结构 高分子的二级结构： (1)高分子的大小(即分子量) (2)高分子链的形态(构象)
高分子链中的单键可内旋转，每个键的空间
i+1 i
位置受其键角的限制，但是离第一个键越远，
其空间位置的任意性越大，两者空间位置的相 互关系越小，可以想象从第i+1个键起，其空
间位置的取向与第一个键完全无关，因此高分
特点：聚合物中晶区与非晶区同时存 在，同一条高分子链可以是一部分结 晶，一部分不结晶；并且同一高分子 链可以穿透不同的晶区和非晶区。
折叠链模型
3.影响结晶度的因素
热固性聚合物不会结晶。
热塑聚合物部分结晶的能力取决于分子是否容 易移动并有效地堆垛在一起形成长程有序的难易。
影响聚合物链堆垛效率的因素： 侧基的尺寸 链分支的程度 立构规整度 重复单元的复杂性
聚合物串晶是一种类似于串珠式的多晶体。
第三章 非晶态固体
第三章 非 晶 态 固 体3-1 试述石英晶体、石英熔体、Na 2O ·2 SiO 2熔体结构和性质上的区别。
如何用实验方法来区分它们？3-2 试证明下面两式相等；11111111K K Mo nMo Mo n αααα⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+-= ⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-+⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-+=-Mo Mo n Mo Mo n K K N αααα111)1(1111111 3-3 熔体粘度在727℃时是108泊，在1156℃时是10`泊，在什么温度下它是104泊？（用解之)(/lg K T B A +=η） 3-4 试用0l T T FE g -+=η方程式，绘出下列两种熔体在1350~500℃间的粘性曲线（1~lg η）。
两种熔体常数如下：3-5 一种熔体在1300℃的粘度是3100泊，在800℃是108泊，在1050℃时其粘度为多少？在此粘度下急冷，是否形成玻璃？3-6 从以下两种釉式中，，你能否判断两者的熔融温度、粘度、表面张力上的差别？说明理由。
（1）32232225.01.23.03.03.02.02.0O B SiO O Al PbO CaO O Na O K ⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫（2）23220.101.16.02.02.0SiO O Al CaO MgO O K ⎪⎭⎪⎬⎫3-7 SiO 2熔体的粘度在1000℃时为108泊，在1400℃时为108泊。
SiO 2玻璃粘滞流动的活化能是多少？上述数据是在恒压下取得，如果在恒容下得到，你预计活化能会不同吗？为什么？3-8 名词解释（并比较其异同）（1）玻璃体和熔体（2）Tg和T f（3）玻璃分相和玻璃析晶（4）亚稳分解与不稳分解（5）硅酸盐玻璃和硼酸盐玻璃3-9 试用实验方法鉴别晶体SiO2, SiO2玻璃、硅胶和熔融二氧化硅。
并从结构角度来解释这些同质异构体。
3-10 结构上比较硅酸盐晶体与硅酸盐玻璃的区别。
非晶态固体结构特征
非晶态固体结构特征
非晶态固体（amorphous solid）是指由无规则排列的分子、离子或
原子组成的物质，其结构特征如下：
1.无明显的晶体结构：非晶固体没有周期性的晶格结构，因此缺乏晶
体的各种晶界、晶面等表面特征。
2.高度的随机性：非晶固体的分子、离子或原子之间的排列没有规则
的周期性，呈现出高度的随机性和不对称性。
3.无法通过X射线衍射得到衍射图：非晶固体的衍射图不具有明显的
衍射峰，而是呈现出一种连续的背景。
4.动态性：非晶固体的分子、离子或原子之间存在着不断的微小振动，使得其结构不停地产生变化。
5.多样性：非晶固体的结构可以相当复杂，不同的非晶固体之间存在
着巨大的结构差异。
由于非晶固体结构特征的多样性和随机性，其研究十分复杂。
但与晶
体不同的是，非晶固体具有许多优异的物理性质，例如高强度、高刚度、
低气孔率、优异的耐腐蚀性等，因此在许多应用领域中得到了广泛的应用。
非晶态半导体
安德森近似地假设其体系的哈密顿算符
Hˆ En n n V n m
n
nm
式中对m求和是指对n最邻近的格点求和，En是随格点不同而变的。在理想周期势场 中，即没有叠加无规势场时，式中En= E0，为一常数。安德森提出了一个区分扩展 态和定域态的定义：假设一个电子在t=0时处在n格点处的某个态中，由于第二项微
使整个电池的光谱响应接近与太阳光光谱，如图所示， 具有这样结构的
太阳能电池称为叠层电池。理论值可以达到68% 。
理论值
43%
双结 三结
理论值 49%
2008年United Solar公司在Julich 研究中心测试三 结的效率超过 15%
感谢阅读
轻掺杂的非晶硅的费米能级移动较小， 如果用两边都是轻掺杂的或一边是轻 掺杂的另一边用重掺杂的材料，则能 带弯曲较小，电池的开路电压受到限 制；如果直接用重掺杂的p+和n+材料 形成p+-n+结，那么，由于重 掺杂非晶硅材料中缺陷态密度较高， 少子寿命低，电池的性能会很差。
p a–Si - i a–Si - n μc–Si结构
电子在非晶硅中的扩散长度 为10μm，空穴在非晶硅中 的扩散长度为1μm
技术路线图
p a-Si-i a-Si-n μc -Si结构中，p a-Si和μc –Si的厚度大约为 10nm，但是10nm p a-Si会吸收掉20%左右的入射光，削 弱电池对短波长光的响应，限制了短路电流的大小，因 此使用宽带隙透明的非晶碳化硅膜代替p a-Si作窗口层， 此外它还可以通过内建电势的升高提高开路电压。
技术路线图
微晶硅有较高的掺 杂效率，在同样的 掺杂水平下，其费 米能级远离带隙中 央的程度比非晶硅 高。另一方面，微 晶硅的带隙不会因 为掺杂而有明显的 降低，因此用微晶 硅做太阳能电池的 接触层，既可减小 串联电阻，也可增 加开路电压.
非晶态固体物理学
非晶态固体物理学非晶态固体物理学（Amorphous Solid Physics），是材料科学中一个很重要的分支研究领域。
其研究范围涉及从非晶态材料的制备、表征、低温物理性质，到非晶态固体的应用等。
今天，我将围绕着这个话题，向大家介绍非晶态固体物理学的相关知识。
第一步：概念介绍所谓非晶态固体，指的是在结晶和液态之间的一种状态。
它的特点是具有高度无序的原子排列结构，因而也被称为无序固体。
非晶态固体没有明确的晶格结构，大多数都是在高温状态下制备而成。
而非晶态固体物理学则是研究这种材料的物理性质和相关应用的学科。
第二步：制备方法目前，在制备非晶态材料方面，主要使用的是快速冷却技术。
其核心思想是将高温合金明显过冷却到玻璃态，如此可以使材料的制备工艺不受约束，并将许多性质调制成很宽的范畴。
快速冷却即是通过超过数十万度每秒的速率将材料从液态快速冷却到固态。
这种制备方式的优点是可以制备出具有复杂原子结构的非晶材料，并且可以得到很高的玻璃形态。
第三步：性质研究非晶态固体物理学的核心之一是探究非晶态材料与其它材料之间的相互作用。
非晶态固体的物理性质主要表现在两个方面：第一，非晶态固体的各向异性性质较差，这使得它在接触中其他物质时具有良好的适应性，减少了晶体材料表面上的晶行导致的断口；第二，非晶态固体的强度和塑性特性均较高，使其在工程材料中具有广泛的应用前景。
第四步：应用领域除了了解非晶态固体的基础物理特性之外，它还有许多重要的应用领域。
其中之一是聚类基础的功能性玻璃，可以应用在光电子设备、传感器、存储器，以及生物医药等领域。
此外，非晶态固体还被广泛应用于意大利NASA天主教大学等地的研究中，以探究类似恒星形成、物质相互作用及类似气溶胶的物理过程。
总之，非晶态固体物理学是一个广泛而有趣的领域，涉及到多个方面的理论和实践知识。
十分值得科研工作者和材料科学家去探究和挖掘。
第十一章非晶态固体
0 ：组元出于自由原子态的吸收系数
0 ：凝聚态物质中不考虑周围原子散射作用时的吸收系数
0 0 (1 s )
s为 修 正 项
定 义EXAFS谱 函 数 ： (k) (k) 0 0
在 单 电 子 、 单 次 散 射 近似 下 ， 对K吸 收(1S电 离 吸 收 ） 和L2S 吸 收 谱 ：
sinθ λ
气体、熔体、玻璃体和方石英的XRD图
(二)XRD结果: ① 熔体和玻璃的 结构相似 ② 结构中存在着 近程有序区
图3—8方石英与石英玻璃的X衍射图线
11.1.2 非晶态固体的制备
核心: 物质在冷却过程中如何避免转变为晶体而形成非晶体
常见方法: 液相急冷法, 气相沉积法
液相急冷法:将熔化的金属液体喷向正在高速转动的一对轧辊 表面,该表面保持冷却状态(室温或以下).液态金属由于急冷而 形成非晶态薄膜. 2000~10000转/分钟 1ms内下降~1000K 1~2km/分钟抛离转子成为连续的薄带
任 J一(r原)dr子 4为r原2点(r)，dr 定义表：示 在r r dr球壳 内的 平均 原子 数
J (r)为 原 子 的 径 向 分 布 函 数，(r)为r处 球 面 上 的 平 均 原 子 密度
理 想 晶 体 ： Jc (r ) Zi (r) (r ri )
i
Zi , ri : 第i层 近 邻 的 配 位 数 和 相 应的 距 离
e2k2 2j：j层 的Dedye Waller因 子
2 j
:
j层 原 子 偏 离 平 均 位 置 的方 均
j (k) : 相 移 因 子 谱函数是一系列正玄函数的叠加
由
于有
限
，
而
高
层
熔体与非晶态固体
02
非晶态固体的基本概念
非晶态固体的定义
定义
非晶态固体是指原子或分子的排 列在空间上呈无序或近无序状态 ，没有长程有序性的固体。
对比
与晶态固体相比，非晶态固体在 原子或分子排列上缺乏长程有序 性，呈现出更加随机和动态的结 构。
非晶态固体的特性
结构不稳定性
由于原子或分子的排列呈无序或 近无序状态，非晶态固体在结构 上相对不稳定，容易受到外界因 素的影响而发生结构变化。
02
快冷法的关键在于控制冷却速度，以避免在冷却过程中发生结
晶。
应用范围
03
适用于制备金属、合金、玻璃等非晶态材料。
气相沉积法
利用物理或化学方法将气体转化为固体
通过物理或化学反应，将气体转化为固体，并在基底上沉积形成非晶态薄膜。
影响因素
气相沉积法的关键在于控制气体浓度、反应温度和基底温度等参数。
应用范围
学反应或分解。
熔体的应用
铸造
熔体是铸造行业的基础，用于制造各 种金属制品。
焊接
熔体在焊接过程中起到连接材料的作 用，实现材料的永久性连接。
玻璃制造
在玻璃制造过程中，熔体是重要的原 料，通过熔化玻璃砂和其他配料来制 造玻璃。
塑料加工
在塑料加工中，高分子化合物在加热 时会形成熔体，通过模具成型为各种 塑料制品。
熔体与非晶态固体
• 熔体的基本概念 • 非晶态固体的基本概念 • 熔体与非晶态固体的关系 • 非晶态固体的制备方法 • 非晶态固体的发展前景
01
熔体的基本概念
熔体的定义
熔体定义
熔体是一种物质状态，其中分子或原子在热能作用下 具有流动性，并表现出显著的黏性和热容。
熔体的形成
第三章 非晶态固体
3
在 PbSiO3 玻璃中氧的密度为：
g/cm
3
同样求得石英玻璃中 SiO2 的个数 n2 和氧的密度为 ρ2：
个/cm ，
3
g/cm
3
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 Pb 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。 6. 试比较硅酸盐玻璃与硼酸盐玻璃在结构与性能上的差异。
O 12.6 13.8 73.6 2 R＝ ＝ ＝2.36 Si 73.6
Z＝4 X＝2R－Z＝2×2.36－4＝0.72 Y＝Z－X＝4－0.72＝3.28 非桥氧数％＝
X 0.72 ＝ ＝30.5% X＋Y/2 0.72 3.28/2
10. 网络变性体(如 Na2O)加到石英玻璃中， 使 O/Si 比增加。 实验观察到当 O/Si＝2.5～3 时， 即达到形成玻璃的极限。根据结构解释，为什么 2< O/Si<2.5 的碱－硅石混合物可以形成 玻璃，而 O/Si＝3 的的碱－硅石混合物结晶而不形成玻璃？ 答： 当 2< O/Si<2.5 时，在熔融状态 下[SiO4]4－仍可连成网络状，且聚合程度高，故 可形成玻璃。但当 O/Si＝3 时，由于碱金属氧化物明显增加，使熔体中分子较小的低聚合物 增加，熔体粘度变小，故可易结晶而不易形成玻璃。 11.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
3 5. 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/cm ）
中的氧密度比较，试指出铅离子所在位置。
晶态和非晶态材料
几种液晶化合物的相转变温度
目前已知的液晶都是有机化合物，分子的形状有长棒形和圆盘形两种，长棒形液晶材料较早地被应用，均六苯酚的酯类化合物具有盘状液晶性质。
2.4.4 液晶显示技术 LCD 19世纪末，奥地利植物学家莱尼兹发现了液晶，并发现液态晶体分子排列有一定的顺序，这种顺序在电场的作用下会发生变化，从而影响它的光学性质，人们把这种现象称为电光效应； 20世纪60年代英国科学家制造出世界第一块液晶板； 1968年美国RCA公司推出第一台液晶显示器；
根据织构形态不同，热致性液晶可分为三种不同相：
向列相（Nematic）液晶：刚性中心分子，柔性尾链；分子大致以长轴方向平行排列；黏度小、应答速度快；液晶显示。
近晶相（Smectic）液晶：分子呈层状排列；分子长轴大致垂直于层面方向，层间顺向排列；黏度大，对电场应答速度慢；光记忆。
胆甾相（Cholestic）液晶：分子层状排列，长轴大致平行于层面方向；相邻两面内分子长轴差一定角度，呈螺旋型，可以看作是由多层向列型液晶堆积所成，称为旋光性向列相液晶。不同温度下产生不同波长的选择性反射，产生不同颜色变化；温度感测。
商品锂离子电池正极材料多用LiCoO2，但Co价格昂贵、有毒。 现在研制的低成本替代产品：层状结构的LiNiO2（合成条件苛刻，热稳定性差，不安全）；尖晶石结构的LiMn2O4（充电过程中存在着严重的容量衰减现象）。 对这些电极材料的掺杂改性就是制成非整比化合物晶体：LiNixCo1-xO2；Li1+xMn2O4；LiScxMn2-xO4。
添加标题
第二代是扭曲向列（TN）液晶显示器；
添加标题
第三代超扭曲（STN）液晶显示器；
添加标题
第四代薄膜晶体管（TFT）液晶显示器。
《无机非金属材料科学基础》第5章 熔体和非晶态固体
目录
• 第一节 • 第二节 • 第三节 • 第四节 • 第五节 • 第六节
熔体的结构 玻璃的通性 玻璃的结构 非晶态固体的形成 常见玻璃类型与实例 玻璃的性质
5.1 熔体的结构
• 对熔体结构的一般认识：
1. 晶体与液体的体积密度相近。
当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)。
V、Q
过冷液体
a
b
玻璃
e
c
快
f
冷慢 h
冷
d
晶
体
Tg1 Tg2 TM
T
物质体积与内能 随温度变化示意图
玻璃性质随温度的变化
5.3 玻璃的结构
玻璃的性质不但与化学组成有关，与它 的结构一也密切相关，研究玻璃的结构有助 于进一步了解玻璃的性质和特点。玻璃结构 是指玻璃中质点在空间的几何配置、有序程 度及它们彼此间的结合状态。由于玻璃结构 的复杂性，至今尚未提出一个统一和完善的 玻璃结构理论。目前最主要的、广为接受的 玻璃结构学说是微晶学说和无规则网络学说。
第二，微晶的化学成分还没有得到合理的确定。
• 网络学说：
优点：强调了玻璃中离子与多面体相互间排列的均匀 性、连续性及无序性等方面结构特征。这可以说明玻 璃的各向同性、内部性质的均匀性与随成分改变时玻 璃性质变化的连续性等基本特性。如玻璃的各向同性 可以看着是由于形成网络的多面体（如硅氧四面体） 的取向不规则性导致的。而玻璃之所以没有固定的熔 点是由于多面体的取向不同，结构中的键角大小不一， 因此加热时弱键先断裂然后强键才断裂，结构被连续 破坏。宏观上表现出玻璃的逐渐软化，物理化学性质 表现出渐变性。
3 非晶态固体(6)
几种熔体的粘度
温度（℃） 20 800 1400 1400 1400 粘度（Pa·s） 0.001006 0.00149 17780 4365 1585
15
粘度的测定：
硅酸盐熔体的粘度相差很大，从10－2～1015Pa· s，因此不 同范围的粘度用不同方法测定．
107～1015 Pa· s：拉丝法。根据玻璃丝受力作用的伸长速度 来确定。
第三章 玻璃体
(非晶态固体)
材料科学与工程研究院
1
本章主要内容（6学时）
第一节
第二节 第三节 第四节 第五节 第六节
熔体的结构
熔体的性质 玻璃的通性和玻璃的转变 玻璃的形成 玻璃的结构 常见玻璃简介
2
第一节
熔体的结构
一、对熔体的一般认识 二、硅酸盐熔体结构――聚合物理论
3
一、对熔体结构的一般认识
关系。
18
Log η
图3－3 钠钙硅酸盐玻璃熔 体粘度与温度的关系
（2）VFT公式（Vogel－Fulcher－Tammann 公式） B lg A （3－3） T T0
式中 A、B、T0――均是与熔体组成有 关的常数。
强度 I
熔体
玻璃
晶体
由此可以认为在高于熔点
不太多的温度下液体内部质点
sinθ λ
的排列并不象气体那样杂乱无 章，相反却是具有某种程度的
图3－1 不同聚集状态物质的X射线衍射强度 规律性(近程有序和远程无序). 随入射角度变化的分布曲线
6
综上所述:
液体是固体和气体的中间相，液体结构在 气化点和凝固点之间变化很大，在高温（接近 气化点）时与气体接近，在稍高于熔点时与晶 体接近。 由于通常接触的熔体多是离熔点温度不太远 的液体，故把熔体的结构看作与晶体接近更有
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。
第四章-非晶态固体
二、非晶态金属
➢ 高的硬度和韧性，优异的耐腐蚀性，低 损耗非晶磁性材料。主要非晶态金属和合 金的结构模型。
➢ 非晶态合金统称“金属玻璃”。以极高 的速度使熔融状态的合金冷却，凝固后的 合金呈玻璃态，呈长程无序状态。
三、玻璃
玻璃的结构：由硅酸盐矿物、氧化物等经加热、 熔 融、冷却成的 一种无定形固态。
为了表示硅酸盐玻璃的网络结构特征和便于比较玻璃的性质， 引入玻璃的四个结构参数。
Z = 每个多面体中氧离子平均总数
(硅酸盐和磷酸盐玻璃中为4，硼酸盐玻璃中为3)
R＝ 玻璃中氧离子总数与网络形成离子总数之比
X＝ 每个多面体中非桥氧离子平均数
Y＝ 每个多面体中中桥氧离子平均数
参数间的关系：
X Y Z
➢ 转变温度范围微观过程：是一个结构重排过 程。结构灵敏的性能都出现明显的连续反常 变化，与晶体熔融时的性质突变有本质的不 同。
熔融态与玻璃态转变时，物理、化学性质随温度变化的连续性
性
质
Tg
Tf 温度
第一类性质：玻璃的电导、比容、粘度等
第二类性质：玻璃的热容、膨胀系数、密度、折射率等
第三类性质：玻璃的导热系数和弹性系数等，在Tg~Tf转 变范围内有极大值的变化。
2、碱金属和碱土金属硅酸盐玻璃
➢出现非桥氧离子，二元中，当加人RO、 R2O直到SiO2:RO(或R2O)=1:1以前，结构 中硅氧网络依然存在，还能形成玻璃。加 RO，R2O到RO(R2O):SiO2=2:1以后，网络 被破坏越甚，加入越多，玻璃的核化晶化 速率也越快，形成玻璃就越困难。
2、玻璃的结构参数
硼酸盐玻璃
➢ B2O3是硼酸盐玻璃中的主要玻璃形成体。B平 均与三个氧配位，B2O3构成[BO3]3-三角体结构，BO-B键角120o，是平面三角形，形成层状结构，B －O间距为0.137nm，在同一层内B－O很强，而层 与层之间由分子键相连，层与层之间结合力弱，所 以B2O3玻璃的一些性能比SiO2玻璃要差。
固体物理试题库汇总
一、名词解释1.晶态--晶态固体材料中的原子有规律的周期性排列，或称为长程有序。
2.非晶态--非晶态固体材料中的原子不是长程有序地排列，但在几个原子的范围内保持着有序性，或称为短程有序。
3.准晶--准晶态是介于晶态和非晶态之间的固体材料，其特点是原子有序排列，但不具有平移周期性。
4.单晶--整块晶体内原子排列的规律完全一致的晶体称为单晶体。
5.多晶--由许多取向不同的单晶体颗粒无规则堆积而成的固体材料。
6.理想晶体（完整晶体）--内在结构完全规则的固体，由全同的结构单元在空间无限重复排列而构成。
7.空间点阵（布喇菲点阵）--晶体的内部结构可以概括为是由一些相同的点子在空间有规则地做周期性无限重复排列，这些点子的总体称为空间点阵。
8.节点（阵点）--空间点阵的点子代表着晶体结构中的相同位置，称为节点（阵点）。
9.点阵常数（晶格常数）--惯用元胞棱边的长度。
10.晶面指数—描写布喇菲点阵中晶面方位的一组互质整数。
11.配位数—晶体中和某一原子相邻的原子数。
12.致密度—晶胞内原子所占的体积和晶胞体积之比。
13.原子的电负性—原子得失价电子能力的度量；电负性＝常数（电离能＋亲和能）14.肖特基缺陷—晶体内格点原子扩散到表面，体内留下空位。
15.费仑克尔缺陷--晶体内格点原子扩散到间隙位置，形成空位－填隙原子对。
16.色心--晶体内能够吸收可见光的点缺陷。
17.F心--离子晶体中一个负离子空位，束缚一个电子形成的点缺陷。
18.V心--离子晶体中一个正离子空位，束缚一个空穴形成的点缺陷。
19.近邻近似--在晶格振动中，只考虑最近邻的原子间的相互作用。
20.Einsten模型--在晶格振动中，假设所有原子独立地以相同频率ωE振动。
21.Debye模型--在晶格振动中，假设晶体为各向同性连续弹性媒质,晶体中只有3支声学波，且ω=vq 。
22.德拜频率ωD── Debye模型中g(ω)的最高频率。
23.爱因斯坦频率ωE──Einsten模型中g(ω)的最可几频率。
无机材料科学基础 第三章-熔体和玻璃体(1)
单聚体与二聚体聚合形成短链: [SiO4]Na4+[Si2O7]Na6 = [Si3O10]Na8+ Na2O
两个短链相聚形成环: 2[Si3O10]Na8 = [Si6O18]Na12 + 2Na2O
聚 50 合 物 40 浓 度 30
(%)
20
SiO4
(SiO2)n Si2O7
图3-6 某硼硅 10
Si3O10
酸盐熔体中聚 合物分布随温 度的变化
0
(SiO3)4
1100 1200 1300 1400 (℃)
12
b)当温度不变时，聚合物的种 类、数量与组成有关：
若O/Si(=R)高，即表示碱性氧 化物含量高，体系中非桥氧 数量多，低聚物数量增加， 高聚物数量降低；
熔体中碱土金属或碱金属量升 高，其O/Si比逐渐升高，体系 中非桥氧量增加，原来较大 的硅氧负离子团变成较小的。 如图3-4。
图3-4
8
举例：从石英粉末加纯碱熔制成硅酸钠玻璃，看聚合物的形成过 程，如图3-5。
①石英颗粒的分化过程（解聚）：
石英颗粒表面上的断键与空气中的水作用形成Si-OH，Na2O在断键处发生离子 交换（Na+置换H+），大部分Si-OH形成Si-O-Na，使相邻的Si-O键共价键成 分降低，键强减弱，受Na2O侵蚀，此类键易断裂（图3-5 B），分离出低聚物 （D） ——二聚体短链。
5
一 、熔体的结构
1．“近程有序”理论
Frenker1924年提出了“液体质点假周期运动学说”，认为： 晶体结构——远程有序（晶体中质点的分布是按一定规律排列 的，且在晶格中任何地方都表现着）。
非晶态固体结构特征
非晶态固体结构特征1.无定型性：非晶态固体没有明确的晶体结构，其原子排列没有周期性或具有短程的有序性。
与晶体中的原子或分子按照规则的方式排列形成晶胞和晶格不同，非晶态固体中的原子或分子以无规则的方式排列。
这种无定型性也使得非晶态固体具有高度的自由度和可变性。
2.局部有序性：虽然整个非晶态固体没有明显的长程有序性，但其中的局部区域可能会出现有序的结构。
这是因为在非晶态固体中，原子或分子可能会在一定距离尺度上有一定的有序性，这种有序性被称为局部有序性。
这种局部有序性可以通过X射线衍射、中子衍射等技术来观察和研究。
3.高度的随机性：与晶体中具有确定的晶格点不同，非晶态固体的原子或分子位置没有确定性规律。
原子或分子的位置和旋转是随机的，并且可以沿各个方向移动。
因此非晶态固体具有高度的随机性，并且在宏观上呈现出无规则的形态。
4.高密度：相对于晶体具有规则的、周期性的结构，非晶态固体的原子或分子排列更为紧密。
这是因为非晶态固体中的原子或分子可以在有限空间内自由移动，以最小化它们之间的能量，从而使得结构更加密集。
5.过冷液态：非晶态固体通常通过快速冷却或减小体积等方式制备而成。
在这些过程中，材料的温度往往在其熔点以下，从而形成非晶态固体。
这种特殊的制备方法使得非晶态固体具有类似液体的分子或原子运动性质。
总体来说，非晶态固体具有无定型、局部有序、高度随机、高密度和过冷液态等一系列特征。
这些特征使得非晶态固体在物理性质、力学性能、光学性质和电子性质等方面具有独特的特点，因此在许多领域有着广泛的应用。
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Na2O . 2SiO2
Na2O . SiO2 2Na2O . SiO2
5/2
3/1 4/1
层状
链状 岛状
280
1.6 <1
Hale Waihona Puke 在1400℃时钠硅系统玻璃粘度表
(2) R+对硅酸盐熔体（SiO2）粘度的影响： 随加入量增加而显著下降。
(3) Al2O3补网作用
(4) R+对R2O－SiO2熔体黏度的影响 R2O含量<25mol% , O/Si比较低时，对粘度起 主要作用的是四面体间Si－O的键力；再引入 R2O，其中Li+半径小，削弱Si－O键的作用大，
3、为什么要研究玻璃？（结构和 性能） • 熔体是玻璃制造的中间产物
• 瓷釉在高温状态下是熔体状态
原 因
• 耐火材料的耐火度与熔体含量 有直接关系 • 瓷胎中40%—60%是玻璃状 态（高温下是熔融液态） • 复合材料增强玻璃纤维
§3-2 玻璃的结构
（一）X—RAD结果 （二）结构描述 基本内容
玻璃和液体的近程有序可以从径向分布函数的特征来 证实。
径向分布函数
原子的径向分布函数的定义是这样的：取固体中任意
一个原子中心作原点，计算在离开这个原点附距离
为ｒ到 r+dr 的球壳内原子的数目，如为c1。把固体
中每个原子作为原点，都可以得到这样一个 ci 值。 n 1 对试样中所有原子取平均值即得到 n Ci。定义
Li O Na O K O
2 2 2
(5) R2＋对粘度作用：
R2＋对O/Si影响与R＋相同，同时应考虑离子极化 对粘度的影响。
100 80
Si
(P)
60 40
●
Mg
20 0
Ni● ●Ca Ca● ● ● Cu Mn Sr● Ba ● ● Pb Cd 0.50 1.00 1.50
i 1
(r)为距离等于 r 的球壳上原子的平均密度。 则
1 4r (r )dr n ci 2 i 1 n
径向分布函数可以描述固体中原子排列的 有序程度。
图3—5径向分布函数示意图 （a）周期为 a 的二维正方排列；（b）径向分布函数图
对于完全无序分布的气态原子来说，应该 是常量，因此径向分布函数应该是一条 无起伏的二次曲线。
所以Li2O降粘度较Na2O、K2O显著 ，此时相
应熔体的粘度
Li O Na O K O
2 2 2
当R2O含量 >25mol% , O/Si比 高时，此时[SiO4]之 间连接已接近岛状， 孤立[SiO4] 很大程度 上依靠碱金属离子 相连。再引入R2O， Li+键力大使熔体粘 度升高，所以 Li2O升高粘度较 Na2O、K2O显著， 此时相应的熔体粘 度
•掌握玻璃体结构的基本理论、
本 章 要 求
性质及转化时的物理化学条件。
• 用基本理论分析熔体和玻璃体的 结构与性质。
第三章：非晶态固体
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—？ 与晶体有什么不同？
图3—1结晶态、玻璃态与过冷液态之间的关系
因为衍射分析所提供的只是原子的平均环境的知识， 也就是说不同原子构型的非晶态可能获得同样的衍射 分析结果，这当然是不够理想的。 目前可以利用X射线衍射等方法来研究玻璃的结构，但 它们主要提供的是关于原子及离子的近程有序结构的 信息，如配位数、平均位置的对称性、键特征等等。 Ｘ射线衍射分析所提供的信息，可以用径向分布函数 来描述。
当两个面积为S，相隔距离为ｘ的平 行流体层以一定的速率梯度dv／dx
发生相对移动时，必然需要有一个力
ｆ来克服流体的内摩擦。这个内摩擦 力ｆ的大小为：
dv f = η •S dx
比例系数η 就是粘度
即ｆ与面积Ｓ及速率梯度dv／dx成正比，比例系数η 就是粘度。 粘度的单位 当Ｓ的单位为厘米2，dv／dx的单位为秒-l，ｆ的单位为 达因时，η 的单位为达因· 秒· 厘米-2，即克· 厘米-l· 秒-1， 工程上把1克· 厘米-1· 秒-1称为1泊。 1 泊=100厘泊。 在国际单位制中为牛顿· 秒· 米-2， 1牛顿· 秒· 米-2=1Pa ·s=10泊 。
图3—6
非晶态硒的径向分布函数
图3—7
非晶态SiO2的径向分布函数
图3—9 （a）方石英（SiO2）晶体结构； （b）石 英玻璃（SiO2）无规则网络结构 （图中只画出四面体中的三个氧离子）
Si—O—Si≡+Na—O—Na ≡ ≡Si—O O—Si≡ Na Na
(1) O/Si的影响：
分 子 SiO2 式 O/Si [SiO4]连接程度 2/1 骨架 粘度(dpa.s) 1010
水的粘度为１厘泊左右，而蓖麻油的粘度为1000厘 泊。从液态形成玻璃的过程是粘度增大的过程，固
体的粘度在1015泊以上。
工作点—η =104泊， 是玻璃进行成型加 工的温度范围。 软化点—η =108泊。 玻璃的自重就可以 产生明显的流变。 Tf玻璃拉丝温度 退火点—η =1013泊。 在该温度以上，玻 璃中内应力可以消 除。 Tg玻璃化转变温度 =T13
（三）玻璃结构参数
（四）玻璃的性质
（一）XRD分析:
气体、熔体、玻璃体和方石英的XRD图
图3—8方石英与石英玻璃的X衍射图线
（一）XRD结果:
结 论
① 熔体和玻璃 的结构相似 ② 结构中存在 着近程有序 区
晶体中原子排列的图象可由X射线、电子、中子衍射分 析来获得，这些实验方法都是基于晶体结构的周期性。 在玻璃中原子排列没有这种有规则的周期性，因而通 常的结构分析方法也就不易确定其原子排列的具体图 象。
●
Zn
2.00 离子半径
＋2价离子对74SiO2-10CaO-16Na2O熔体粘度的影响
第三章完