第4章习题及答案 无机材料科学基础

第四章非晶态结构与性质
4-3试用实验方法鉴别晶体SiO2、SiO2玻璃、硅胶和SiO2熔体。

它们的结构有什么不同？
解：利用X射线检测。

晶体SiO2——质点在三维空间做有规律的排列，各向异性。

SiO2熔体——内部结构为架状，近程有序，远程无序。

SiO2玻璃——各向同性。

硅胶——疏松多孔。

4-4影响熔体粘度的因素有哪些？试分析一价碱金属氧化物降低硅酸盐熔体粘度的原因。

解：（1）影响熔体粘度的主要因素：温度和熔体的组成。

碱性氧化物含量增加，剧烈降低粘度。

随温度降低，熔体粘度按指数关系递增。

（2）通常碱金属氧化物（Li2O、Na2O、K2O、Rb2O、Cs2O）能降低熔体粘度。

这些正离子由于电荷少、半径大、和O2－的作用力较小，提供了系统中的“自由氧”而使O/Si比值增加，导致原来硅氧负离子团解聚成较简单的结构单位，因而使活化能减低、粘度变小。

4-5熔体粘度在727℃时是107Pa·s，在1156℃时是103 Pa·s，在什么温度下它是106 Pa·s？
解：根据
727℃时，η=107Pa·s，由公式得：（1）
1156℃时，η=103 Pa·s，由公式得：（2）
联立（1），（2）式解得∴A=-6.32，B=13324
当η=106 Pa·s时，
解得t =808.5℃。

4-14影响玻璃形成过程中的动力学因素是什么？结晶化学因素是什么？试简要叙述之。

解：影响玻璃形成的关键是熔体的冷却速率，熔体是析晶还是形成玻璃与过冷度、粘度、成核速率、晶体生长速率有关。

玻璃形成的结晶化学因素有：复合阴离子团大小与排列方式，键强，键型。

4-16有两种玻璃其组成（mol％）如下表，试计算玻璃的结构参数，并比较两种玻璃的粘度在高温下何者大？
解：1号：Z=4，Al3+被视为网络形成离子
X1=2R-Z=0.5，Y1=4-0.5=3.5
2号：Z=4，Al3+被视为网络改变离子
X2=2R-Z=1.5，Y2=4-1.5=2.5
Y1>Y2 高温下1号玻璃的粘度大。

4-17有两种不同配比的玻璃其组成（wt％）如下，试用玻璃结构参数说明两种玻璃高温下粘度的大小？
解：
对于1：
Z=4，Al2O3被视为网络形成离子
X1=2R-Z=0.014，Y1=4-X=3.986
对于2：
Z=4，Al2O3被视为网络形成离子
X2=2R-Z=0.16，Y2=4-X=3.84
Y1>Y2，故1号在高温下的粘度大。

4-25若将50mol％Na2O加入到SiO2中，计算O∶Si比例是多少？这种配比能形成玻璃吗？为什么？
解：，可以形成玻璃。

当加入50mol%Na2O时，连续网状SiO2骨架虽然松弛化，但依然是三维网络结构，可以形成玻璃。

4-26在SiO2中加入20％B2O3，试计算熔体的O∶Si比例是多少？
解： 1.86
4-27在SiO2中应加入多少Na2O，使玻璃的O/Si＝2.5，此时析晶能力是增强还是削弱？
解：设加入x mol的Na2O，而SiO2的量为y mol。

则O/Si=（x+2y）/ y =2.5
∴x=y/2 即二者的物质量比为1:2时，O/Si=2.5。

因为O/Si增加了，粘度下降，析晶能力增强了。