玻璃工艺学第三章PPT课件
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物质加入晶体结构的速度。
ua01exp KGT
28
当过程离开平衡态很小时，T接近于Tm，ΔG«KT,
上式可近似写成：
ua0 K G Ta0 K H m T TT a0 K H m 2 T T
晶体生长速度与推动力（过冷度ΔT）呈直线关 系。
29
当过程离开平衡态很大时， T«Tm ，ΔG»KT， 上式可近似写成：
第三章 熔体和玻璃体的相变
1
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Hale Waihona Puke Baidu前言
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2
主要内容
3.1 玻璃的分相 3.2 玻璃的析晶 3.3 微晶玻璃的核化和晶化 3.4 玻璃的析晶缺陷
3
3.1 玻璃的分相
分相：玻璃在高温下为均匀熔体，在冷却过程中或 在一定的热处理时，由于内部质点迁移，某些组分 发生偏聚，从而形成化学组成不同的两个相。
使晶核更快地长大。
界面能
固液界面能越小，晶核生长所需能量越低，结晶速度越 大。
32
3.4 玻璃的析晶缺陷
3.4.1玻璃析晶缺陷产生的原因
u u
Iv Iv
ΔT
33
3.4.2 影响玻璃析晶缺陷产生的因素 玻璃成分
玻璃成分是引起玻璃析晶的内因。成分愈简单，愈容易 析晶。
玻璃的结构因素
网络的连接程度对玻璃析晶有重要作用。网络连接程度 愈大，愈不易析晶，网络断裂愈多，愈易析晶。
26
用于微晶玻璃的成核剂：
贵金属盐类 Au、Ag、Cu、Pt、Rh 氧化物 TiO2、P2O5、ZrO2、Cr2O3 氟化物 氟化钙（CaF2）、冰晶石（Na3AlF6）、 氟硅
化钠（Na2SiF6）、 氟化镁（MgF2）
27
3.2.2 晶体生长 晶体生长速度取决于物质扩散到晶核表面的速度和
22
3.2 玻璃的析晶
熔体或玻璃体中析出晶体，一般要经过两个步骤： 晶核形成、晶体长大。
成核过程可分为：均匀成核、非均匀成核
均匀成核：指在宏观均匀的玻璃中，在没有外来物参与 下，与相界、结构缺陷等无关的成核过程。
非均匀成核：依靠相界、晶界或基质的结构缺陷等不均 匀部位而成核的过程。
23
3.2.1.1 均匀成核 新相形成过程中，同时存在两种相反的能量变化：
11
成核分相（N区）
➢ 2 G ＞0，成分无限小的起伏，导致自由焓增大，单相对 C 2 成分无限小的起伏是稳定的或亚稳的。
➢ 新相的形成不是自发的，需要做功。 ➢ 新相通过成核-生长从母液中析出。
12
两种不同分相机理
旋节分解分相 ➢相变开始时浓度变化程度很小，但空间范围很大。 ➢是发生在平均浓度C0的母相中瞬间的浓度波形起伏， 出现浓度低处C0向浓度高处Ca´的负扩散（爬坡扩散）。 ➢第二相相界面开始是弥散的，逐渐出现明显的界面， 浓度随时间持续变化直至达到平衡成分。
13
成核分相： ➢由于核的形成局部地区由平均浓度C0降至Ca，同时出 现一个浓度为Ca´的“核胚”。 ➢是一种由高浓度C0向低浓度Ca的正扩散。 ➢起始浓度变化程度大，而涉及的空间范围小。 ➢第二相成分不随时间而变化，分相析出的第二相始终 有显著的界面。
14
15
两种不同分相结构
旋节分解分相 连通结构
18
3.1.5 分相对玻璃性能的影响 分相对具有迁移性能（如黏度、电导、化学稳定性
等）的影响较为敏感。 分相对具有加和特性的另一类性质（如折射率、密
度热膨胀系数、弹性模量等）的影响不那么敏感。
19
3.1.5.1对具有迁移性能的影响
分相对具有迁移性能的影响决定于分相的形态。 分相的形态与玻璃成分以及热处理的温度和时间
分相区一般可从几纳米到几十纳米，属于亚微结构 不均匀性，在高倍电子显微镜下才能观察到。
4
两种不同类型的分相：
稳定分相（稳定不混溶性）：液相线以上出现相分离现 象。碱土金属和一些二价金属氧化物与二氧化硅的二元 系统。
亚稳分相（亚稳不混溶性）：液相线以下出现的分相。 碱金属氧化物与二氧化硅的二元系统。
34
问答环节
Q|A 您的问题是？ ——善于提问,勤于思考 35
成核分相 孤立滴状结构
16
17
3.1.4 玻璃分相的原因
氧化物熔体的液相分离是由于阳离子对氧离子的争 夺所引起的。
阳离子势的大小，对氧化物玻璃的分相有决定性的 作用。
Z/r ＞1.4，液相线以上发生分相。
Z/r介于1.0~1.4之间，液相线程S形，液相线以下发生分 相。
Z/r＜1.0，熔体不发生分相。
5
6
混合自由焓-组成曲线
7
8
9
亚稳分解区S区（不稳区）和不混溶区N区（亚稳区）
10
3.1.1 两种不同分相的特点、结构及机理
两种不同分相的特点 旋节分解分相（S区）
➢ 2 G ＜0，成分无限小的起伏，导致自由焓减小，单 C 2
相是不稳定的，分相是瞬时的，自发的。 ➢基本上不需要克服任何位垒。
有关。
20
3.1.5.2对玻璃析晶的影响 为成核提供界面 分相增加了相之间的界面，成核总是优先产生于 相的界面上。 分散相具有高的原子迁移率 分相导致两液相之一具有较母相明显大的原子迁 移率，高的迁移率能够促进成核。 使成核剂组分富集于一相
21
3.1.5.3对玻璃着色的影响 含有过渡元素（如Fe、Co、Ni、Cu）的玻璃， 在分相过程中，过渡元素几乎全部富集在微相 （高碱相或碱硼相）液滴中，而不是在基体玻璃 中。
u a 01 0 a 0
晶体生长速度受到原子扩散速度的控制。
30
3.2.3 影响玻璃析晶的因素 温度
ΔT增大，成核和晶体生长的驱动力增大；但黏度随之上 升，成核和晶体生长的阻力增大。
黏度
当温度较低时，黏度对质点扩散的阻碍作用限制着结晶 速度，尤其是晶核长大的速度。
31
杂质
加入少量杂质会促进结晶。 原因：杂质引起成核作用，还会增加界面处的流动度，
体积自由能的减小； 界面自由能的增加。
G3 4r3GV4r2
24
ΔG与r的关系
25
3.2.12 非均匀成核 非均匀成核理论是在微晶玻璃的研制过程中发展和
充实起来的，又反过来指导微晶玻璃的发展。 有控制的析晶或诱导析晶是制造微晶玻璃的基础。 适当选择玻璃成分、成核剂、热处理制度，就可能
有意识地控制玻璃成核和晶体长大，获得一系列性 能优异的微晶玻璃。
ua01exp KGT
28
当过程离开平衡态很小时，T接近于Tm，ΔG«KT,
上式可近似写成：
ua0 K G Ta0 K H m T TT a0 K H m 2 T T
晶体生长速度与推动力（过冷度ΔT）呈直线关 系。
29
当过程离开平衡态很大时， T«Tm ，ΔG»KT， 上式可近似写成：
第三章 熔体和玻璃体的相变
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主要内容
3.1 玻璃的分相 3.2 玻璃的析晶 3.3 微晶玻璃的核化和晶化 3.4 玻璃的析晶缺陷
3
3.1 玻璃的分相
分相：玻璃在高温下为均匀熔体，在冷却过程中或 在一定的热处理时，由于内部质点迁移，某些组分 发生偏聚，从而形成化学组成不同的两个相。
使晶核更快地长大。
界面能
固液界面能越小，晶核生长所需能量越低，结晶速度越 大。
32
3.4 玻璃的析晶缺陷
3.4.1玻璃析晶缺陷产生的原因
u u
Iv Iv
ΔT
33
3.4.2 影响玻璃析晶缺陷产生的因素 玻璃成分
玻璃成分是引起玻璃析晶的内因。成分愈简单，愈容易 析晶。
玻璃的结构因素
网络的连接程度对玻璃析晶有重要作用。网络连接程度 愈大，愈不易析晶，网络断裂愈多，愈易析晶。
26
用于微晶玻璃的成核剂：
贵金属盐类 Au、Ag、Cu、Pt、Rh 氧化物 TiO2、P2O5、ZrO2、Cr2O3 氟化物 氟化钙（CaF2）、冰晶石（Na3AlF6）、 氟硅
化钠（Na2SiF6）、 氟化镁（MgF2）
27
3.2.2 晶体生长 晶体生长速度取决于物质扩散到晶核表面的速度和
22
3.2 玻璃的析晶
熔体或玻璃体中析出晶体，一般要经过两个步骤： 晶核形成、晶体长大。
成核过程可分为：均匀成核、非均匀成核
均匀成核：指在宏观均匀的玻璃中，在没有外来物参与 下，与相界、结构缺陷等无关的成核过程。
非均匀成核：依靠相界、晶界或基质的结构缺陷等不均 匀部位而成核的过程。
23
3.2.1.1 均匀成核 新相形成过程中，同时存在两种相反的能量变化：
11
成核分相（N区）
➢ 2 G ＞0，成分无限小的起伏，导致自由焓增大，单相对 C 2 成分无限小的起伏是稳定的或亚稳的。
➢ 新相的形成不是自发的，需要做功。 ➢ 新相通过成核-生长从母液中析出。
12
两种不同分相机理
旋节分解分相 ➢相变开始时浓度变化程度很小，但空间范围很大。 ➢是发生在平均浓度C0的母相中瞬间的浓度波形起伏， 出现浓度低处C0向浓度高处Ca´的负扩散（爬坡扩散）。 ➢第二相相界面开始是弥散的，逐渐出现明显的界面， 浓度随时间持续变化直至达到平衡成分。
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成核分相： ➢由于核的形成局部地区由平均浓度C0降至Ca，同时出 现一个浓度为Ca´的“核胚”。 ➢是一种由高浓度C0向低浓度Ca的正扩散。 ➢起始浓度变化程度大，而涉及的空间范围小。 ➢第二相成分不随时间而变化，分相析出的第二相始终 有显著的界面。
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两种不同分相结构
旋节分解分相 连通结构
18
3.1.5 分相对玻璃性能的影响 分相对具有迁移性能（如黏度、电导、化学稳定性
等）的影响较为敏感。 分相对具有加和特性的另一类性质（如折射率、密
度热膨胀系数、弹性模量等）的影响不那么敏感。
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3.1.5.1对具有迁移性能的影响
分相对具有迁移性能的影响决定于分相的形态。 分相的形态与玻璃成分以及热处理的温度和时间
分相区一般可从几纳米到几十纳米，属于亚微结构 不均匀性，在高倍电子显微镜下才能观察到。
4
两种不同类型的分相：
稳定分相（稳定不混溶性）：液相线以上出现相分离现 象。碱土金属和一些二价金属氧化物与二氧化硅的二元 系统。
亚稳分相（亚稳不混溶性）：液相线以下出现的分相。 碱金属氧化物与二氧化硅的二元系统。
34
问答环节
Q|A 您的问题是？ ——善于提问,勤于思考 35
成核分相 孤立滴状结构
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17
3.1.4 玻璃分相的原因
氧化物熔体的液相分离是由于阳离子对氧离子的争 夺所引起的。
阳离子势的大小，对氧化物玻璃的分相有决定性的 作用。
Z/r ＞1.4，液相线以上发生分相。
Z/r介于1.0~1.4之间，液相线程S形，液相线以下发生分 相。
Z/r＜1.0，熔体不发生分相。
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6
混合自由焓-组成曲线
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8
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亚稳分解区S区（不稳区）和不混溶区N区（亚稳区）
10
3.1.1 两种不同分相的特点、结构及机理
两种不同分相的特点 旋节分解分相（S区）
➢ 2 G ＜0，成分无限小的起伏，导致自由焓减小，单 C 2
相是不稳定的，分相是瞬时的，自发的。 ➢基本上不需要克服任何位垒。
有关。
20
3.1.5.2对玻璃析晶的影响 为成核提供界面 分相增加了相之间的界面，成核总是优先产生于 相的界面上。 分散相具有高的原子迁移率 分相导致两液相之一具有较母相明显大的原子迁 移率，高的迁移率能够促进成核。 使成核剂组分富集于一相
21
3.1.5.3对玻璃着色的影响 含有过渡元素（如Fe、Co、Ni、Cu）的玻璃， 在分相过程中，过渡元素几乎全部富集在微相 （高碱相或碱硼相）液滴中，而不是在基体玻璃 中。
u a 01 0 a 0
晶体生长速度受到原子扩散速度的控制。
30
3.2.3 影响玻璃析晶的因素 温度
ΔT增大，成核和晶体生长的驱动力增大；但黏度随之上 升，成核和晶体生长的阻力增大。
黏度
当温度较低时，黏度对质点扩散的阻碍作用限制着结晶 速度，尤其是晶核长大的速度。
31
杂质
加入少量杂质会促进结晶。 原因：杂质引起成核作用，还会增加界面处的流动度，
体积自由能的减小； 界面自由能的增加。
G3 4r3GV4r2
24
ΔG与r的关系
25
3.2.12 非均匀成核 非均匀成核理论是在微晶玻璃的研制过程中发展和
充实起来的，又反过来指导微晶玻璃的发展。 有控制的析晶或诱导析晶是制造微晶玻璃的基础。 适当选择玻璃成分、成核剂、热处理制度，就可能
有意识地控制玻璃成核和晶体长大，获得一系列性 能优异的微晶玻璃。