第3章 熔体和玻璃体

第3章 熔体和玻璃体

固体中出来结构排列有序的晶体外，还有结构呈近程有序而远程无序的非晶

态固体， 简称非晶体。非晶体是原子排列不规则的固体，包括玻璃、树脂、橡胶、

凝胶、非晶态半导体……

3.1熔体和玻璃体的结构

3.1.1熔体的结构

熔体又叫熔融态，是一种液体。液体和固体的相似之处：体积密度相近、晶

体熔化热小、液体与固体热容相近。

液态是介于气态与固态之间的一种中间状态，在性质上表现为一种过渡性

质，低温时接近于固态，在高温时接近于气态。由于我们通常接触的都是温度不

太高时的液体，所以它们与固体更接近。

图3.1为白硅石晶体和熔体等4中不同状态物质X 射线衍射实验结果。由图

可见当θ角很小时，气体有很强的散射强度；熔体和玻璃没有显著的散射现象。

当θ角大时：气体图谱中无峰值出现，质点排列完全无序；晶体峰很光锐，质点

排列有序，结晶程度高。熔体和玻璃体在晶体有明显峰处，都有弥散状峰出现。

这说明结构中有近程有序区域。

图3.1晶体、玻璃、熔体、气体的X 射线衍射图

1.硅酸盐熔体的形成

硅酸盐熔体中有多种负离子集团同时存在：如Na 2O —SiO 2熔体中有：[Si 2O 7]-6

（单体）、[Si 3O 10]-8（二聚体）……[SinO 3n+1]-（2n+2）；此外还有“三维晶格碎片”[SiO 2]n ，

其边缘有断键，内部有缺陷。平衡时各级聚合物分布呈一定的几何级数。[SiO 4]之Sin θ/λ 能 量

间连接方式可以从石英的架状——层状——链状——岛状（用聚合物描述）。以Na2O—SiO2熔体为例。一切硅氧聚合物来源于Na2O和SiO2的相互作用不考虑固相反应、低共熔、扩散等现象。只考虑Na2O怎样“攻击”、“蚕食”石英颗粒从而产生聚合物。聚合物的分布决定熔体结构。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：

Si－OH Si－O－Na

图3.2 Na+的攻击－诱导效应

结论：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。

在硅酸盐的[SiO4]中，Si-O键很强，离子键和共价键各占50%；而熔体中的R-O键（R指碱土金属离子或碱金属离子）相对较弱，所以Si4+可以夺取R-O键中的O2-。

图3.3四面体网络被碱分化

2.硅酸盐熔体的结构模型

硅酸盐熔体中最基本的离子是硅、氧、碱土或碱金属离子。电荷高，半径小，有着很强的形成的能力。键具有高键能，有方向性和低配位等特点，导致硅酸盐倾向于形成相当大的、形状不规则的、短程有序的离子聚合体。

熔体结构在高温下就发生了分相现象,分相区域为层状的,各层中析出了孤岛状的微分相区。例如碱金属离子，由于只带一个正电荷，场强小，对争夺氧离子的能力弱，因此（除Li＋，Na＋外）一般都与SiO2形成单相熔体，争夺氧离子能力较强，故在二元碱土硅酸盐熔体中容易发生液相分离。

3.玻璃的结构及结构模型

狭义玻璃定义是指由无机物熔体，冷却而获得的非晶态固体。广义玻璃定义是指必表现出玻璃转变现象（Tg）的非晶态固体。广义玻璃不限定组成、不限定方法，强调结构和特性。把不具有转变现象Tg 的非晶态固体如凝胶排除在玻璃之外。无机玻璃的外部特征：硬度较高，脆性大，断裂面往往呈贝壳状及蜡状。

玻璃的通性：、各向同性、介稳性、由熔融态向玻璃态转化的过程是可逆的和渐变的。

在玻璃结构中，玻璃中质点在空间的几何配置、有序程度及它们彼此之间的结合状态。

（1）微晶学说

微晶学说的要点：“微晶”的化学性质和数量取决于玻璃的化学组成，可以是独立原子团或一定组成的化合物和固溶体等微观多相体，与该玻璃物系的相平衡有关；“微晶”不同于一般微晶，而是晶格极度变形的微小有序区域，在“微晶”中心质点排列较有规律，愈远离中心则变形程度愈大；从“微晶”部分到无定形部分的过渡是逐步完成的，两者之间无明显界线。微晶学说主要揭示了玻璃的微不均匀性和近程有序性，但不能说明“晶子”的尺寸和含量。

（2）无规则网络学说

无规则网络学说是晶体学家查哈里阿森于1932年根据早起硅酸盐晶体结构的X射线衍射研究结果提出来的。无规则网络学说包括以下几个要点：玻璃和晶体比，三度空间是无规则网络；无机玻璃网络是由玻璃形成离子和氧离子的多面体构成骨架，网络的结合程度取决于桥氧百分数；网络变性体无序地分布于骨架空隙中。无规则网络学说主要揭示了玻璃结构的均匀性、连续性和无序性。

如石英玻璃和石英晶体的基本结构单元都是硅氧四面体[SiO4]。各硅氧四面体[SiO4]都通过顶点连接成为三维空间网络，但在石英晶体中硅氧四面体[SiO4]有着严格的规则排列；而在石英玻璃中，硅氧四面体[SiO4]的排列是无序的，缺乏对称性和周期性的重复。

晶子学说和无规则网络学说的共同点：玻璃是具有近程有序、远程无序结构特点的无定形物质。不同点：有序与无序区的大小、比例和结构等方面。

目前普遍认为宏观上连续、均匀、无序，微观上不连续、不均匀、有序，综合为远程无序近程有序。

图3.4石英晶体与石英玻璃结构比较

4.氧化物在玻璃中的作用

实用玻璃的大部分，即使掺入少量的卤族元素或硫等，本质上都是氧化玻璃。氧化物的键强是决定它能否形成玻璃的重要条件。M-O的单键强度=化合物MO X 的分解能/正离子M的配位数。

查哈里阿森提出氧化物（A m O n）形成玻璃时，应具备如下四个条件：。

（1）网络中每个氧离子最多与两个A离子相联；

（2）氧多面体中，A离子配位数要尽量的小，即为4或3；

（3）氧多面体相互连接只能共顶而不能共棱或共面；

（4）每个氧多面体至少有三个顶角是与相邻多面体共有以形成连续的无规则空间结构网络。

氧化物的键强是决定其能否形成玻璃的重要条件，他认为可以用元素与氧结合的单键强度大小来判断氧化物能否生成玻璃根据单键能的大小，可将不同氧化物分为以下三类：

a. 玻璃网络形成体（其中正离子为网络形成离子），其单键强度>335kJ／mol。这类氧化物能单独形成玻璃。

b. 网络修改体（正离子称为网络改变离子），其单键强度<250kJ/mol。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。