熔体和玻璃体习题与解答
最新二三章节熔体和玻璃体习题章节
结论： PbSiO3中氧的密度高于SiO2中氧的密度，则Pb为
网络变性离子，在Si－O网络外。
2、 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？
Y=2Z－2R＝2×4－2×2.37=3.26
3－11 有一组二元硅酸盐熔体，其R值变化规律如下，写出熔体一系列性质的 变化规律(用箭头表示)
R＝2； 2.5 ； 3 ; 3.5 ;
4
(1) 游离碱含量 (2) O/Si (3) 低聚合物数量 (4) 熔体粘度 (5) 形成玻璃能力 (6) 析晶能力
补充习题
1、 正硅酸铅玻璃密度为7.36g/cm3，求这个玻ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ中氧的密度为多少？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的分子量 M＝207.2＋28＋16×3＝283.2
在1cm3中PbSiO3的个数
n ＝ N 0 ＝ 7 .6 3 .6 1 0 2＝ 0 3 2 1 .1 5 2个 0 2 7 /c 3 m M 2.2 83
A＝ F V ＝ P 25 4 ./4 3[ 0 2 0 .1.3 0 4 0 9. 9 1 0 .13 3 0
0. 7 03 .3 0 0 2. 6 1 04 .3 1 0 4. 2 1 03 .3 1 0 4. 0 7 2 0 3 .13 35 0.492
b 、 R ＝ 1 4 1 3 7 3 22 .37 73
瓷釉结构中各离子所处的位置。
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：
玻璃熔体习题
答：
－ 当2< O/Si<2.5时，在熔融状态 下[SiO4]4－仍可连成 时
网络状，且聚合程度高，故可形成玻璃。但当 网络状，且聚合程度高，故可形成玻璃。但当O/Si＝3时， ＝ 时 由于碱金属氧化物明显增加， 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。 物增加，熔体粘度变小，故可易结晶而不易形成玻璃。
3、 在硅酸盐熔体析晶的成核速率、生长速率随∆T变化的关系图 、 在硅酸盐熔体析晶的成核速率、生长速率随∆ 变化的关系图 中，标出哪一条曲线代表成核速率，哪一条曲线代表生长速率？ 标出哪一条曲线代表成核速率，哪一条曲线代表生长速率？ 为什么？ 为什么？ u
速 率
IV
∆T
原因：低温熔体粘度大，质点移动困难易聚结在一起而成核， 原因：低温熔体粘度大，质点移动困难易聚结在一起而成核， 即低温有利于成核； 即低温有利于成核； 高温熔体粘度小，质点移动速率大， 高温熔体粘度小，质点移动速率大，晶核易相遇形成 大的晶核而长大，即高温有利于生长。 大的晶核而长大，即高温有利于生长。
填空题 1、Tg是－－－－－，它与玻璃形成过程的冷却速率有关，同组分 、 是 它与玻璃形成过程的冷却速率有关， 熔体快冷时Tg比慢冷时 熔体快冷时 比慢冷时－－，淬冷玻璃比慢冷玻璃的密度－－，热 膨胀系数－－。 2、同温度下，组成分别为：(1) 0.2Na2O－0.8SiO2 ；(2) 0.1Na2O 、同温度下，组成分别为： － 的三种熔体， －0.1CaO－0.8SiO2 ;(3) 0.2CaO－0.8SiO2 的三种熔体，其粘度 － － 大小的顺序为－－－－－－－。 3、 三T图中三个 代表－－－－、－－－－－－和－－－－－－。 、 图中三个T代表－－－－ 图中三个 －－－－－－ 4、 粘滞活化能越－－－，粘度越－－。 、 硅酸盐熔体或玻璃的电导主要决定于－－。 5、 0.2Na2O-0.8SiO2组成的熔体，若保持 2O含量不变，用CaO 、 组成的熔体，若保持Na 含量不变 含量不变， 置换部分SiO2后，电导－－－。 置换部分 6、 在Na2O－SiO2熔体中加入 2O3(Na2O/Al2O3<1),熔体粘度－－。 、 熔体中加入Al － 熔体粘度 7、 组成Na2O . 1/2Al2O3 . 2SiO2的玻璃中氧多面体平均非桥氧数 、 组成 为－－－－。
玻璃熔体质量控制与检测考核试卷
8.提高玻璃熔体热稳定性的方法有__________和__________。
9.玻璃熔体中的结石主要是由__________和__________引起的。
10.提升玻璃熔体质量控制效率的有效手段是__________和__________。
四、判断题（本题共10小题，每题1分，共10分，正确的请在答题括号中画√，错误的画×）
1.玻璃熔体的熔化温度越高，其质量越好。（）
2.原料中的水分对玻璃熔体的质量没有影响。（）
3.玻璃熔体在成型过程中，速度越快越好。（）
4.玻璃熔体的均匀性可以通过肉眼观察来判断。（）
5.玻璃熔体质量检测中，物理方法比化学方法更为准确。（）
A.控制原料中的金属氧化物含量
B.优化退火工艺
C.提高熔化温度
D.增加冷却速率
9.以下哪些是玻璃熔体质量检测中常用的无损检测方法？（）
A. X射线检测
B.超声波检测
C.磁粉检测
D.涡流检测
10.玻璃熔体质量控制中，以下哪些因素会影响产品的机械性能？（）
A.原料的选择
B.熔化工艺
C.成型方法
D.后处理工艺
1.请简述玻璃熔体质量控制的重要性及其在玻璃生产中的应用。
2.描述玻璃熔体质量检测的常见方法，并分析它们各自的优缺点。
3.论述影响玻璃熔体均匀性的主要因素，并提出相应的改进措施。
4.结合实际生产，探讨如何通过优化成型工艺来提高玻璃熔体产品的质量。
标准答案
一、单项选择题
1. A
2. D
3. A
4. C
7.折射率、透光率
8.控制原料中的金属氧化物含量、优化退火工艺
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。
材料物理化学习题
第三章熔体与非晶态固体知识点：1.黏度与组成的关系答：组成是通过改变熔体构造而影响黏度的。
①一价金属氧化物碱金属氧化物R2O引入到硅酸盐熔体中，使熔体黏度降低。
在简单碱金属硅酸盐系统〔R2O—SiO2〕中，碱金属离子R+对黏度的影响与其本身的含量有关。
当R2O含量较低时(O/Si比值较低)，参加的正离子的半径越小，降低黏度的作用就越大，起次序是：Li+＞Na+＞K+；当熔体中R2O含量较高(O/Si比值较高)时，R2O对黏度影响的次序是：Li+＞Na+＞K+。
②二价金属氧化物二价碱土金属氧化物对黏度的影响比拟复杂，综合各种效应，R2+降低黏度的次序是：Pb2+＞Ba2+＞Sr2+＞Cd2+＞Ca2+＞Zn2+＞Mg2+.③高价金属氧化物一般地，在熔体中引入SiO2、Al2O3、B2O3、ZrO2等高价氧化物时，会导致黏度升高。
2.硼反常现象：当数量不多的碱金属氧化物同B2O3一起熔融时，碱金属所提供的氧不像熔融SiO2玻璃中作为非桥氧出现在构造中，而是使硼氧三角体转变为由桥氧组成的硼氧四面体，致使B2O3玻璃从原来两度空间的层状构造局部转变为三度空间的架状构造，从而加强了网络构造，并使玻璃的各种物理性能变好。
这与一样条件下的硅酸盐玻璃相比，其性能随碱金属或碱土金属参加量的变化规律相反，所以称之为硼反常现象。
3.非晶态固体——玻璃的通性①各项同性：无内应力存在的均质玻璃在各个方向的物理性质，如折射率、硬度、导电性、弹性模量、热膨胀系数、导热系数等都是一样的；②热力学介稳性：玻璃具有析晶不稳定性与析晶困难相对稳定性的统一；③熔融态向玻璃态转化的可逆性与渐变性：熔体向玻璃体转化的过程是在较宽的温度范围内完成得，随着温度的下降，熔体的黏度越来越大，且变化是连续的，最后形成固相的玻璃，其间没有新相出现，因此具有渐变性；由玻璃加热变为熔体的过程也是渐变的，因此具有可逆性。
④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。
习题和思考题
《无机材料科学基础》习题和思考题第一章晶体1.球体按立方最紧密堆积方式堆积，取出立方晶胞，画出立方晶胞中的四面体空隙和八面体空隙的位置分布图。
2.用鲍林规则分析氧化镁晶体结构。
已知镁离子半径为0.65Å，氧离子半径为1.40Å。
（1）确定晶胞中质点的位置坐标；（2）计算每个晶胞中含氧化镁“分子”数，（3）已知晶胞常数a=4.20 Å，求氧化镁堆积系数和密度，（4）氧化镁晶体中最邻近的两个镁离子中心距为多少？次邻近的两个镁离子中心距为多少？最邻近和次邻近的两个氧离子中心距为多少？（5）画出氧化镁晶胞的（111）、（110）、（100）面的质点分布图并在图上标出氧离子的密排方向，求个面的面密度。
3．已知纤锌矿结构中存在两套硫离子和两套锌离子的六方底心格子，并已知锌离子填充在硫离子最紧密堆积体的四面体空隙中，现以一套硫离子的等同点为基准取六方晶胞，画出晶胞中的质点分布图，计算晶胞中所含式量分子数。
4．完成下表5. 六方最紧密堆积与四方最紧密堆积的堆积密度相同，为什么许多氧化物是以氧离子的立方最紧密堆积为基础，而较少以六方最紧密堆积为基础？6. 用鲍林规则分析镁橄榄石的结构：P48 图2-18（1）标记为50的Mg2+与哪几个氧离子配位形成[MgO6]八面体？写出O2+的标高；（2）标记为25的两个O2+与哪几个镁离子配位？写出Mg2+离子的标高；（3）标记为75的O2+离子与哪几个镁离子配位？写出Mg2+离子的标高；（4）标记为0和50的两个Mg2+的[MgO6] 八面体共用几个顶点？写出O2+的标高；（5）[SiO4] 和 [MgO6] 之间、[MgO6]和[MgO6] 八面体之间有那些连接方式？（6）镁橄榄石的晶胞是什么形状？计算晶胞中含有的式量分子数。
第二章晶体缺陷1.氧化镁为氯化钠型结构，氧化锂为反萤石型结构，在两种结构中氧离子都作立方最紧密堆积，为什么在氧化镁中主要的热缺陷是肖特基型，而在氧化锂中却是弗伦克尔型？萤石型结构的氧化物晶体中常见的热缺陷估计主要是什么类型？为什么？2.已知氯化钠晶体中肖特基缺陷形成焓为2.2ev，而氧化镁晶体中肖特基缺陷形成焓为6ev，试分别计算400℃时氯化纳晶体与氧化镁晶体中肖特基缺陷的浓度。
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=3.52号：Z=4，Al3+被视为网络改变离子X2=2R-Z=1.5，Y2=4-1.5=2.5Y1>Y2 高温下1号玻璃的粘度大。
第三章 熔体结构要点及习题讲解
2 玻璃形成的热力学(Thermodynamic)
熔体在冷却过程中有三种途径： （1）结晶化(Crystallization)：有序度不断增加，直到释放全部多余的能量 （2）玻璃化(Classification)：过冷液在 Tg 固化 （3）分相(Miscibility gaps or Phase immiscibility)：质点迁移发生偏聚，形成互不混溶的组成。
第三章 熔体结构要点及习题
第一节概述
晶体与非晶体的比较 内能、密度、相变潜热、结构比较
概念与特征
玻璃由熔体过冷而制得，分传统玻璃和非熔融法所获提新型玻璃。
熔体： 介于气态和晶态之间的一种物质状态， 其结构有“近程有序” （0~20A 内， 质点在小范围内规则排列） 和“核前群”（液体排列并不限于中心质点）。
第五节 玻璃的形成(Glass Formation) 1 玻璃形成的方法
（1） 传统玻璃的熔制过程分五个阶段： 硅酸盐形成——玻璃形成——玻璃液澄清——玻璃液均化——玻璃液冷却。 熔制——成型——热处理——冷加工（平板玻璃：浮法；玻璃细珠：粉末法，熔液法；空心玻璃：手工或吹） （2）微晶玻璃：适当组成的玻璃控制结晶而成，含（95~98%）1um 以下的晶体及少量残余玻璃相（不透明）： 热处理（1012~1015 颗/cm3），晶核剂
3 粘度与组成的关系
（1）粘度随 O/Si 增大，桥氧增加，低聚物不断产生，网络断裂程度增加（即加入 Li2O，Na2O, K2O, BaO） （2）当 Al2O3/ Na2O≤1 时，Al2O3 代替 SiO2 可以起“补网”作用，从而提高粘度效果。 （3）在简单碱金属硅酸盐熔体 R2O—SiO2 中，阳离子 R+对粘度的影响与它本身含量有关：O/Si 降低，对粘度起 作用是 Si-O 键力， R2O 中随 R+ 半径减小， 键强增加， 它对[ SiO4]间 Si-O 键削弱能力增加， 因此粘度按 Li2O， Na2O, + K2O 次序增加；O/Si 升高时，硅氧四面体间连接方式已近岛状，四面体很大程度靠 R-O 键长相连，故 Li 键力大， 提高粘度。 二价离子与一价阳子相—粘度升高，[BO3]—网络疏松，粘度下降。
无机材料科学基础-第三章-熔体和玻璃体
② 影响熔体中聚合物种类与数量的因素 温度的影响:： ☆ 温度的影响 ： 温度上升，低聚物浓度上升，高聚物浓度下降。 温度上升，低聚物浓度上升，高聚物浓度下降。
组成的影响： ☆ 组成的影响： O/Si增大，非桥氧增多，低聚物增多。 增大，非桥氧增多，低聚物增多。 增大 各种聚合物的数量(浓度 是可以定量计算出来的。根据 各种聚合物的数量 浓度)是可以定量计算出来的。 浓度 是可以定量计算出来的 Masson法对 法对Na2O﹒SiO2熔体进行聚合物浓度计算后，可以画出 熔体进行聚合物浓度计算后， 法对 ﹒ 熔体进行聚合物浓度计算后 的聚合物结构模型（ 的聚合物结构模型（见P84,图3-12）。 图 ）。
（2） 二价金属氧化物的加入还要考虑离子极化对黏度的影响 ） 降低粘度的次序： 降低粘度的次序：Pb2+>Ba2+>Cd2+>Zn2+>Ca2+>Mg2+
（3）Al2O3和 B203对熔体粘度的影响 Al2O3/R2O > 1，Al2O3作为网络变性体 代替SiO 补网”作用，粘度提高。 Al2O3/R2O ≤ 1， Al2O3 代替SiO2 起 “ 补网” 作用， 粘度提高。 的加入， 开始使粘度升高， 硼含量继续增加， B203 的加入 ， 开始使粘度升高 ， 硼含量继续增加 ， 结构网 变得疏松，粘度下降。 变得疏松，粘度下降。 （4）SiO2和ZrO2的影响 都起“补网”作用，使粘度提高。 SiO2 和 ZrO2 都起“补网”作用，使粘度提高。
二、影响熔体粘度的主要因素 1、温度 、 温度对硅酸盐熔体粘度影响很大， 温度对硅酸盐熔体粘度影响很大，它与一般金属和 盐类的差别： 盐类的差别： η η
一般金属或盐类 T
[工学]无机材料科学基础--标准化作业本
![[工学]无机材料科学基础--标准化作业本](https://img.taocdn.com/s3/m/1a37f381d1f34693dbef3e01.png)
第一章结晶学基础一、名词解释1．晶体：2．空间点阵与晶胞：3．配位数与配位多面体：4．离子极化：5．同质多晶与类质同晶：二、填空与选择1．晶体的基本性质有五种：，，，和。
2．空间点阵是由在空间作有规律的重复排列。
（A 原子B离子C几何点D 分子）3．在等大球体的最紧密堆积中有和二种排列方式，前者的堆积方式是，后者的堆积方式是。
4．如晶体按立方紧密堆积，单位晶胞中原子的个数为，八面体空隙数为，四面体空隙数为；如按六方紧密堆积，单位晶胞中原子的个数为，八面体空隙数为，四面体空隙数为；如按体心立方近似密堆积，单位晶胞中原子的个数为，八面体空隙数为，四面体空隙数为。
5．等径球体最紧密堆积的空隙有两种：四面体空隙和八面体空隙。
一个球的周围有个四面体空隙、个八面体空隙；n个等径球体做最紧密堆积时可形成个四面体空隙、个八面体空隙。
不等径球体进行堆积时，大球，小球。
6．在离子晶体中，配置于正离子周围的负离子数（即负离子配位数），决定于正、负离子半径比（r＋/r－）。
若某离子化合物的r＋/r－值为0.564，其负离子配位数应是。
（A3 B4 C 6 D 8）三、（1）a≠b≠c，α＝β＝γ＝90°的晶体属什么晶系？（2） a≠b≠c，α≠β≠γ≠90°的晶体属什么晶系？（3）你能否据此确定这两种晶体的布拉菲点阵？四、（1）一晶面在x、y、z轴上的截距分别为2a、3b和6c，求出该晶面的密氏指数；（2）一晶面在x、y、z轴上的截距分别为a/3、b/2和c，求出该晶面指数。
五、以NaCl晶胞为例，说明面心立方紧密堆积中的八面体和四面体空隙的位置和数量。
六、计算体心立方、面心立方、密排六方晶胞中的原子数、配位数、致密度。
七、计算立方体配位、八面体配位、四面体配位、三角形配位的临界半径比。
八、画出面心立方结构的（111）、（110）、（100）晶面的原子排布图，并计算其面间距及原子密度（原子个数/单位面积）九、有一个面心立方密堆结构的晶体，它的密度是8.94/cm3。
材料科学基础 熔体和玻璃体作业讲解
3-5 玻璃的组成是 玻璃的组成是13wt%Na2O 、13wt%CaO、74wt%SiO2，计算非桥氧分数。 计算非桥氧分数。 、
分析：要应用关系式，必须换算成 分析：要应用关系式，必须换算成mol%。 。
解：玻璃组成 Na2O wt% mol mol% 13 0.21 12.6 CaO 13 0.23 13.8 SiO2 74 1.23 73.6
3-9 在SiO2中应加入多少 2O,使玻璃的 中应加入多少Na 使玻璃的 使玻璃的O/Si＝2.5，此时析晶能力 ＝ ， 是增强还是削弱？ 是增强还是削弱？
解；假定引入的Na2O的mol含量为 x ， 假定引入的 的 含量为 则SiO2的mol含量为 1－x 含量为 －
O x + 2(1 − x ) ∴R = = = 2.5 Si 1− x 1 解得 x = 3
O 12.6+13.8+ 73.6× 2 ＝2.36 R＝ ＝ Si 73.6
Z＝4 ＝ X＝2R－Z＝2×2.36－4＝0.72 ＝ － ＝ × － ＝
Y＝Z－X＝4－0.72＝3.28 ＝ － ＝ － ＝ 非桥氧分数％＝ 非桥氧分数％＝ X ＝ 0.72 ＝ % 18 X＋Y 0.72 + 3.28
3-6 有两种不同配比的玻璃其组成如下： 有两种不同配比的玻璃其组成如下： 序 号 1 2 Na2O (wt%) 8 12 Al2O3(wt%) 12 8 SiO2(wt%) 80 80
试用玻璃结构参数说明两种玻璃高温下粘度的大小？ 试用玻璃结构参数说明两种玻璃高温下粘度的大小？ 玻璃组成： 解：玻璃组成： 序 号 Na2O wt% 1 2 8 12 mol% 8.18 12.1 Al2O3 wt% 12 8 mol% 7.48 4.87 SiO2 wt% 80 80 mol% 84.3 83.03
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4-1名词解释熔体与玻璃体分化（解聚）与缩聚网络形成体网络中间体网络改变体桥与非桥氧硼反常现象单键强度晶子学说与无规则网络学说4-2试简述硅酸盐熔体聚合物结构形成的过程和结构特点。
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？4-4 试述石英晶体、石英熔体、Na2O·2SiO2熔体结构和性质上的区别。
4-5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。
4-6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？（用lnη＝A＋B/T解之）4-7 SiO2熔体的粘度在1000℃时为1014 Pa·s，在1400℃时为107 Pa·s。
SiO2玻璃粘滞流动的活化能是多少？上述数据为恒压下取得，若在恒容下获得，你认为活化能会改变吗？为什么？4-8一种熔体在1300℃的粘度是310 Pa·s，在800℃是107 Pa·s，在1050℃时其粘度为多少？在此温度下急冷能否形成玻璃？4-9试用logη＝A＋B/（T－T0）方程式，绘出下列两种熔体在1350~500℃间的粘度曲线（logη~1/T）。
两种熔体常数如下：4-10派来克斯（Pyrex）玻璃的粘度在1400℃时是109 Pa·s，在840℃是1013Pa·s。
请回答：（1）粘性流动活化能是多少？（2）为了易于成形，玻璃达到105Pa·s的粘度时约要多高的温度？4-11一种玻璃的工作范围是870℃（η＝106Pa·s）至1300℃（η＝102.5Pa·s），估计它的退火点（η＝1012Pa·s）？4-12一种用于密封照明灯的硼硅酸盐玻璃，它的退火点是544℃，软化点是780℃。
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4-1名词解释熔体与玻璃体分化（解聚）与缩聚网络形成体网络中间体网络改变体桥与非桥氧硼反常现象单键强度晶子学说与无规则网络学说4-2试简述硅酸盐熔体聚合物结构形成的过程和结构特点。
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？4-4 试述石英晶体、石英熔体、Na2O·2SiO2熔体结构和性质上的区别。
4-5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。
4-6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？（用lnη＝A＋B/T解之）4-7 SiO2熔体的粘度在1000℃时为1014 Pa·s，在1400℃时为107 Pa·s。
SiO2玻璃粘滞流动的活化能是多少？上述数据为恒压下取得，若在恒容下获得，你认为活化能会改变吗？为什么？4-8一种熔体在1300℃的粘度是310 Pa·s，在800℃是107 Pa·s，在1050℃时其粘度为多少？在此温度下急冷能否形成玻璃？4-9试用logη＝A＋B/（T－T0）方程式，绘出下列两种熔体在1350~500℃间的粘度曲线（logη~1/T）。
两种熔体常数如下：4-10派来克斯（Pyrex）玻璃的粘度在1400℃时是109 Pa·s，在840℃是1013Pa·s。
请回答：（1）粘性流动活化能是多少？（2）为了易于成形，玻璃达到105Pa·s的粘度时约要多高的温度？4-11一种玻璃的工作范围是870℃（η＝106Pa·s）至1300℃（η＝102.5Pa·s），估计它的退火点（η＝1012Pa·s）？4-12一种用于密封照明灯的硼硅酸盐玻璃，它的退火点是544℃，软化点是780℃。
熔体和玻璃体(无机材料科学)
7
3．“聚合物”理论
(1) 聚合物的形成 硅酸盐熔体中最基本的离子是硅、氧和碱土或碱金属离子，其晶 体结构模型有岛状O/Si=4︰1；组群状O/Si=3.5︰1和3︰1；链状 O/Si=3︰1和2.75︰1；层状O/Si=2.5︰1；架状O/Si=2︰1。Si-O键 具有高键能、方向性和低配位数等特点； R-O键比Si-O键弱得多，易断裂，Si4+ 能把R-O上的O2-夺取至自己周围，使 R离子变为游离的离子。
(%)
SiO4
(SiO2)n Si2O7 Si3O10 (SiO3)4 1100 1200 1300 1400 (℃)
12
20 10 0
图3-6 某硼硅 酸盐熔体中聚 合物分布随温 度的变化
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； 若O/Si(=R)↓，即表 示碱性氧 化物含量↓，体系中非桥氧数 量↓，低聚物数量↓，高聚物 数量↑。由图3-7可见： 当O/Si=2.3，1～8聚体总量为 4%，级次＞8的聚体占96%； 当O/Si=3，1～8聚体总量占 63%，级次＞8的聚体占37%；
②缩聚过程：，形成级次较高的聚合物，同时释放出部分Na2O， 这一过程称为缩聚。描述：
两个单体聚合形成二聚体: [SiO4]Na4+[SiO4]Na4= [Si2O7]Na6+ Na2O 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
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无机材料科学基础-3-熔体与玻璃体
桥氧 非桥氧
+2Na+
Sept. 2009
田长安 合肥学院
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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
Sept. 2009 田长安 合肥学院 11
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
玻璃与熔体习题
玻璃与熔体1、什么是粘度：单位面积的内磨擦力与速度梯度的比例系数。
2、单键强：单键强即为各种化合物分解能与该种化合物配位数的商。
3、分化过程：架状[SiO 4]断裂称为熔融石英的分化过程。
缩聚过程：分化过程产生的低聚化合物相互发生作用，形成级次较高的聚合物，此过程为缩聚过程。
4、网络形成剂：正离子是网络形成离子，对应氧化物能单独形成玻璃。
即凡氧化物的单键能/熔点﹥0.74kJ/mol .k 者称为网络形成剂。
网络变性剂：这类氧化物不能形成玻璃，但能改变网络结构，从而使玻璃性质改变，即单键强/熔点﹤ 0.125kJ/mol .k 者称为网络变形剂。
5、什么是表面能：当T,P 及组成不变的条件下,增加单位表面积对系统所做的功。
表面张力：气--液表面上，液相内存在一种力图缩小表面积的张力。
6、说明玻璃有哪些通性：1)各向同性(2)可逆渐变性(3)体积等性质连续变化(4)介稳性7、二价氧化物CaO 、MgO 与四价氧化物SiO 2对熔体的粘度有何影响，为什么？答：1）CaO 、MgO 都是降低熔体粘度，因为它们破坏[SiO 4]四面体网络结构。
2）SiO 2提高熔体粘度，SiO 2是玻璃形成剂，从而形成[SiO 4]四面体的网络结构。
8、计算SiO 2（石英玻璃）的网络参数。
9、一种玻璃的组成试80％SiO 2和20％Na 2O ，试计算其非桥氧百分数。
解：将玻璃组成由质量百分数换算成摩尔百分数。
52.348.0448.04224.2224.26.804.1926.80=-=-==-⨯=-==+⨯=X Z Y Z R X R非桥氧百分数＝X Y X +2×100％＝48.0252.348.0+×100＝21.5％2Y表示一个桥氧分属两个四面体共有。
10、有两种不同配位的玻璃，其组成如下（质量百分数）：序号 Na 2O Al 2O 3 SiO 2 1 10 20 70 2 20 10 70 试用玻璃结构参数说明两种玻璃高温下粘度的大小？解：将玻璃组成由质量百分数换算成摩尔百分数1玻2O /Al 2O 3＝19.126.10< 所以Al 3+在玻璃中起网络变性离子的作用64.25.7625.7639.126.101=⨯+⨯+=R28.1464.221=-⨯=X72.228.141=-=Y2#玻璃Na 2O/Al 2O 3＝2.64.20>1 Al 3+在玻璃中起网络形成离子的作用17.222.64.7324.7332.64.202=⨯+⨯+⨯+=R34.0417.222=-⨯=XY 2＝4-0.34＝3.66因而Y 1<Y 2 R 1<R 2即2#玻璃桥氧分数大于1#，但O/Si 比小于1#玻璃，可以判断在高温下1#溶体粘度小于2#。
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第四章熔体和玻璃体1、名词解释⑴晶子学说和无规则网络学说⑵单键强⑶分化和缩聚⑷网络形成剂和网络变性剂答：⑴晶子学说：玻璃内部是由无数“晶子”组成，微晶子是带有晶格变形的有序区域。
它们分散在无定形介中质，晶子向无定形部分过渡是逐渐完成时，二者没有明显界限。
无规则网络学说：凡是成为玻璃态的物质和相应的晶体结构一样，也是由一个三度空间网络所构成。
这种网络是由离子多面体（三角体或四面体）构筑起来的。
晶体结构网是由多面体无数次有规律重复构成，而玻璃中结构多面体的重复没有规律性。
⑵单键强：单键强即为各种化合物分解能与该种化合物配位数的商。
⑶分化过程：架状[SiO4]断裂称为熔融石英的分化过程。
缩聚过程：分化过程产生的低聚化合物相互发生作用，形成级次较高的聚合物，次过程为缩聚过程。
⑷网络形成剂：正离子是网络形成离子，对应氧化物能单独形成玻璃。
即凡氧化物的单键能/熔点>0.74kJ/molk 者称为网络形成剂。
网络变性剂：这类氧化物不能形成玻璃，但能改变网络结构，从而使玻璃性质改变，即单键强/熔点<0.125kJ/molk者称为网络变形剂。
2、说明熔体中聚合物形成过程？答：聚合物的形成是以硅氧四面体为基础单位，组成大小不同的聚合体。
可分为三个阶段。
初期：石英的分化；中期：缩聚并伴随变形；后期：在一定时间和一定温度下，聚合和解聚达到平衡。
3、简述影响熔体粘度的因素？答：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。
4、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？答：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。
5、玻璃的组成是13重量百分比Na2O、13重量百分比CaO、74重量百分比SiO2，计算桥氧分数？解：Na2O CaO SiO2wt% 13 13 74mol 0.21 0.23 1.23mol% 12.6 13.8 73.6R=(12.6+13.8+73.6 ×2)/ 73.6=2.39因Z=4 所以X=2R﹣Z=2.39×2﹣4=0.72Y=Z﹣X= 4﹣0.72=3.28氧桥分数为3.28/（3.28×0.5+0.72）=69.5%6、有两种不同配比的玻璃，其组成如下：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 R1=O/Si=2.55X1=2R1﹣4=1.1 Y1=Z﹣X1= 4﹣1.1=2.9对于2：R2= O/Si=2.45X2=2R2﹣4=0.9 Y2= 4﹣X2= 4﹣0.9=3.1由于Y1﹤Y2所以序号1的玻璃组成的粘度比序号2的玻璃小。
7、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 =2.5x=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。
8、试比较硅酸盐玻璃与硼酸盐玻璃在结构与性能上的差异。
答：结构差异：硅酸盐玻璃：石英玻璃是硅酸盐玻璃的基础。
石英玻璃是硅氧四面体[SiO4]以顶角相连而组成的三维架状结构。
由于Si-O-Si键角变动范围大，使石英玻璃中[SiO4]四面体排列成无规则网络结构。
SiO2是硅酸盐玻璃中的主要氧化物。
硼酸盐玻璃：B和O交替排列的平面六角环的B-O集团是硼酸盐玻璃的重要基元，这些环通过B-O-B链连成三维网络。
B2O3是网络形成剂。
这种连环结构与石英玻璃硅氧四面体的不规则网络不同，任何O-B三角体的周围空间并不完全被临接的三角体所填充，两个原子接近的可能性较小。
性能差异：硅酸盐玻璃：试剂和气体介质化学稳定性好、硬度高、生产方法简单等优点。
硼酸盐玻璃：硼酸盐玻璃有某些优异的特性。
例如：硼酐是唯一能用以制造有吸收慢中子的氧化物玻璃；氧化硼玻璃的转化温度比硅酸盐玻璃低得多；硼对中子射线的灵敏度高，硼酸盐玻璃作为原子反应堆的窗口对材料起屏蔽中子射线的作用。
9、解释硼酸盐玻璃的硼反常现象？答：硼反常现象：随着Na2O（R2O）含量的增加，桥氧数增大，热膨胀系数逐渐下降。
当Na2O含量达到15%-16%时，桥氧又开始减少，热膨胀系数重新上升，这种反常现象就是硼反常现象。
硼反常现象原因：当数量不多的碱金属氧化物同B2O3一起熔融时，碱金属所提供的氧不像熔融SiO2玻璃中作为非桥氧出现在结构中，而是使硼转变为由桥氧组成的硼氧四面体。
致使B2O3玻璃从原来二度空间层状结构部分转变为三度空间的架状结构，从而加强了网络结构，并使玻璃的各种物理性能变好。
这与相同条件下的硅酸盐玻璃性能随碱金属或碱土金属加入量的变化规律相反。
10、试比较硅酸盐晶体与硅酸盐玻璃在结构上有何异同点？答：晶体与玻璃体都是三维空间网络所构成。
是物质的两种不同形态，晶体结构网络由多面体无数次有规律重复而构成，而玻璃体结构中多面体的重复没有规律性。
晶体结构是近程有序，远程也有序的结构。
而玻璃是近程有序，远程无序的无定形物质。
11.为什么要研究熔体和玻璃？（结构和性能）答：⑴熔体是玻璃制造的中间产物；⑵瓷釉在高温状态下是熔体状态；⑶耐火材料的耐火度与熔体含量有直接关系；⑷瓷胎中40%—60%是玻璃状态（高温下是熔体态）。
12．熔体化学键R－O键的作用是什么？答：熔体中R－O键的键性以离子键为主。
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。
13．简述熔体形成过程，以Na2O—SiO2熔体为例。
答：(1) 石英的分化；(2) 升温和无序化；(3) 缩聚反应；(4) 熔体中的可逆平衡；14．聚合物的形成大致分为哪几个个阶段？最终熔体组成是什么？答：聚合物的形成大致分三阶段：①初期：主要是石英颗粒的分化；②中期：缩聚反应并伴随聚合物的变形；③后期：在一定温度(高温)和一定时间(足够长) 下达到聚合＜＝＞解聚平衡。
最终熔体组成是：不同聚合程度的各种聚合体的混合物。
即低聚物、高聚物、三维碎片、游离碱、吸附物。
15．熔体结构的基本理论是什么？其理论的要点有哪些？答：聚合物理论。
聚合物理论要点：（1）、硅酸盐熔体是由不同级次、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。
（3）、聚合物的分布决定熔体结构，分布一定，结构一定。
（4）、熔体中聚合物被R＋，R2＋结合起来，结合力决定熔体性质。
（5）聚合物的种类、大小、数量随温度和组成而发生变化。
16．表面张力(σ)的定义是什么？使σ下降的有哪些？答：定义：扩展液体表面需要做功，表面能即将表面增大一个单位面积所需要作的功(或把质点从内部移到表面所消耗的能量)。
常用物质：（1) K2O 、PbO 、B2O3 、Sb2O3 、Cr2O3 (有表面活性，当加入量多时粘度下降。
) ；(2) V2O5 、As2O5 、SO3(强表面活性剂) 。
17．玻璃的通性有哪些？答：⑴各向同性；⑵介稳性；⑶凝固的渐变性和可逆性；⑷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。
18．什么键型能形成玻璃？其重要因素是什么？能形成玻璃的原因是什么？答：离子共价混合键和金属共价混合键能形成玻璃。
重要因素:共价因素和强的极化作用原因：当离子键向共价键过渡，离子共价混合键，主要在于有SP电子形成的杂化轨道，并构成σ键和π键，通过强烈的极化作用，这种混合键既具有离子键易改变键角、易形成无对称变形的趋势，有利于造成玻璃的远程无序，又有共价键的方向性和饱和性，不易改变键长和键角的倾向，造成玻璃的近程有序，因此容易形成玻璃。
19．玻璃结构的定义和特点是什么？答：定义：是指玻璃中质点在空间的几何配置、有序程度以及彼此间的结合状态。
特点：近程有序，远程无序20．比较硅酸盐玻璃与硅酸盐晶体结构上显著的差别。
答：(1) 晶体中Si－O骨架按一定对称性作周期重复排列，是严格有序的，在玻璃中则是无序排列的。
晶体是一种结构贯穿到底，玻璃在一定组成范围内往往是几种结构的混合。
(2) 晶体中R＋或R2＋阳离子占据点阵的位置：在玻璃中，它们统计地分布在空腔内，平衡Onb的负电荷。
虽从Na2O-SiO2系统玻璃的径向分布曲线中得出Na+平均被5～7个O 包围，即配位数也是不固定的。
(3)晶体中，只有半径相近的阳离子能发生互相置换，玻璃中，只要遵守静电价规则，不论离子半径如何，网络变性离子均能互相置换。
(因为网络结构容易变形，可以适应不同大小的离子互换)。
在玻璃中析出晶体时也有这样复杂的置换。
(4)在晶体中一般组成是固定的，并且符合化学计量比例，在形成玻璃的组成范围内氧化物以非化学计量任意比例混合。