玻璃化学简述

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,玻璃化学简述,研究方向：玻璃纤维,姓名：陈培培,导师：xxx教授,1,玻璃的结构,玻璃的共性,玻璃形成的热力学和动力学,氧化物玻璃,半导体玻璃,前沿,金属玻璃,2,前沿,根据结构特点可以将固体物质分为三类：,晶体,、,非晶体,和,准晶体,。,晶体 长程有序,1984年Shechtman在Al-Mn合金急冷过程中，用电子衍射发现5次对称的图像，被称为20面体相。这种,具有5次对称及取向有序而平移无序的物质,称为准晶体。此后，具有8、10、12次旋转对称的准晶体相继被发现。,非晶体是一类历史悠久的固体，具有如下特点：,（1）短程有序，长程无序。,（2）非晶体属热力学上的亚稳相。,3,玻璃的共性,玻璃是材料学科中古老的分支，玻璃学科的发展随着科技发展而发展，不仅传统玻璃品种不断增加，而且又出现新品种，如半导体玻璃、金属玻璃等，因而玻璃在高技术领域占有一席之地。,玻璃具有许多不同于金属的特性：,（1）没有固定的熔点,（2）各向同性,（3）内能高,（4）没有界面,（5）无固定形态,（6）性能可设计性,4,玻璃的结构,关于玻璃的结构不少学者提出各自的学说，较流行的学说是,无规则网络学说,与,晶子学说,。,无规则网络学说是,1932,年,Zachariasen,提出的，按照这个学说，熔石英的玻璃结构可描述如下：每个硅原子与周围四个氧原子组成,sio,4,各四面体之间通过顶角互相连接而形成三维空间发展的网络，但其排列是无序的，故与石英晶体结构有所不同。当熔石英玻璃中加入碱金属氧化物时，,sio,4,之间的空隙中,均匀而无序,地分布着碱金属离子。但是阳离子在玻璃结构网络中所处的位置不是任意的，而是有,固定的配位关系,，多面体的排列也有一定的关系，且在玻璃中可能不只存在一种网络。,5,晶子学说的要点是，,玻璃是由无数“晶子”组成的。,不同于一般的微晶，而是带有点阵变形的有序排列区域，它们分散在无定形介质中，并且从晶子区到无定形区的过渡是逐步完成的，两者间并无明显的界限。,晶子学说有一些问题没有解决，如晶子的大小与数量、晶子的化学组成等。,6,人们对玻璃进行深入研究的同时，也建立了若干描述玻璃构造的模型。,无规密堆积模型,该模型是把原子看作不可压缩的硬球，这些硬球无规地堆垛起来，使其总体密度达到最大可能值。,贝尔纳多面体,7,微晶模型,该模型认为玻璃是由晶粒非常细小的微晶组成，微晶晶粒的大小一般为十几埃到几十埃。这样的晶粒内的短程有序与晶体相同，而长程却由于微晶取向杂乱无章地分布而变得无序。,微晶模型,8,拓扑无序模型,模型中原子的相对位置是随机地、无序地排布着。,拓扑无序模型,该模型强调的是非晶态结构中原子排列的,混乱,和,无序,9,玻璃形成的热力学和动力学,一种熔体在降温冷却时可能发生下列两种情况,当降温至低于熔点的某温度时发生,结晶,作用。（如金属）,在降温过程中并,不发生结晶,，而是充分过冷后,形成玻璃,。,从相变的角度看，从熔体中形成玻璃体的过程是一个从,过热熔体,至,过冷熔体,再到,玻璃,的相变过程。,形成玻璃的一个动力学条件是：,晶核形成速率和随后的晶体生长速率均,足够慢,。,10,如下图示意地表示了过热熔体在冷却过程中形成晶体与形成玻璃时摩尔体积随温度的变化情况。,晶体：,A-B-C-D,玻璃：,A-B-K-M(,快冷）,A-B-K-F-E,（慢冷）,玻璃转变温度T,g,：只有当熔体冷却至玻璃态转变温度T,g,时，位形熵值趋近于零，非晶状才趋于稳定。为了,防止,在冷却过程中出现,结晶,，一般希望熔体的,过冷度,T,g,（=T,m,-T,g,）,要小,。,摩尔体积随温度变化情况,11,上图表示部分无机物的,T,g,与热力学熔点,T,m,间的关系。,T,g,/T,m,=2/3,，形成非晶态需要的冷却速率相当于,10,-2,/s,；,Tg/Tm=0.5,时，形成玻璃体的临界冷却速率约为,10,-3,10,-5,/s,。,易于形成玻璃的物质,位于直线上方,12,对于较易形成玻璃的熔体来说，还要考虑另一个重要的因素,黏度,。,随着过冷度的增加，熔体的黏度随之增加。黏度的增大将影响到熔体中原子（或离子）的,移动,和,转动,，因而成为晶体成核和生长的阻碍因素。随着温度的降低便出现了两个因素竞争效应：,晶体与液体之间自由能差值的增大有利于结晶，而过冷液体黏度的增大降低了结晶作用趋势。,13,氧化物玻璃,玻璃态氧化硅,硅酸盐玻璃,玻璃态,B,2,O,3,和硼酸盐玻璃,14,玻璃态氧化硅,玻璃态氧化硅是,SiO,2,基玻璃中,最简单,的玻璃。一般公认的玻璃态,SiO,2,结构是由,共同角顶的,SiO,4,四面体,所构成，它们连接起来形成三维无限网络结构，此结构缺少对称性或长程有序性。为保持电中性，每个角顶氧原子仅在两个四面体之间共用。,15,硅酸盐玻璃,二元硅酸盐玻璃是指,SiO,2,与另一种氧化物在一起，它们的结构和性质在极大程度上取决于,第二种氧化物,的本性。网络改性氧化物，如碱金属氧化物，加的越来越多时便会逐渐地打破氧化硅的网络结构。该熔体与熔融,SiO,2,相比有,较低的黏度,，当向,SiO,2,加入外来氧离子时,Si-O-Si,桥状连接便被打断而生成非桥氧离子（如右图）。,16,玻璃态,B,2,O,3,和硼酸盐玻璃,在,SiO,2,和硅酸盐玻璃中，硅存在为,SiO,4,面体。而,B,2,O,3,玻璃体中含有,BO,3,三角形单元，早硼酸盐玻璃中依组成的不同而含有,BO,3,三角和,BO,4,四面体混合物。玻璃态,B,2,O,3,中的一个重要组成是硼氧基团,B,3,O,6,基团,B,3,O,7,基团,BO,3,BO,4,17,半导体玻璃,半导体玻璃又称为,非晶态半导体,，是非晶态功能材料的一个相当活跃的领域，半导体玻璃已成为材料科学的一个重要分支。,按原子间结合力的性质，可分为,离子键材料,和,共价键材料,。,半导体玻璃的特性不如晶体那样对杂质敏感。,18,晶态锗,非晶态锗,锗有四个价电子，砷有五个价电子。,在晶态锗中，锗按正常配位，不存在没有配对的价电子，当给锗掺杂砷时，砷取代锗原来的位置，因为砷具有五个价电子，其中有一个价电子未得到配对，形成自由电子，这个自由电子进入导带，使晶态锗成为型半导体。,对,半导体玻璃,来说，,悬键的产生对电导率产生影响,，自然而然就对半导体不利。通常减少悬键的有效方法是在无规则网络中引入某种重配位的原子（如氢、氟），去,补偿悬键,。这时，未成键的电子轨道与补充原子的外层电子轨道,杂化成键,，悬键密度降低。,悬键：正常配位数未得到,满足时的一种成键状态。,19,金属玻璃,金属玻璃是非晶态固体的重要研究与应用领域之一。,判断一种金属或合金,能否形成玻璃,内因：材料的非晶态能力。,外因：足够快的冷却速率。,使熔体在达到凝固温度时，其内部的原子还未来得及按晶格规律排列就被冻结在其所处的位置附近，从而星辰玻璃体。,不同成分,的金属或合金熔体形成金属玻璃所要求的,冷却速率不同,，实验表明,合金比纯金属更容易形成玻璃,。,20,金属玻璃的特性,具有更高的强度,。,普通金属（晶体）强度远低于理论强度，而金属玻璃（非晶体）强度非常接近理论值。晶体中普遍存在位错和晶界，位错在外加应力的作用下很容易移动，然而非晶体中不存在晶体中所说的晶界。,具有更强的耐化学侵蚀性,。,普通金属在位错露头点及晶界出处原子具有较高能量，这些地方被易被侵蚀，而金属玻璃中不存在位错或晶界，因而化学活性较低。,有些金属具有极好的软磁特性,。,如含铁或钴元素的金属玻璃有特别低的矫顽力，容易磁化或退磁,(,非晶体中不存在晶界，表现出各向同性）。,21,金属玻璃的应用,正因为金属玻璃具有许多优异的特性，所以能在许多领域中得到广泛应用。,如配电变压器、开关型电源、漏电开关、磁头、磁分离等方面达到实际应用阶段。,22,23,