2022-2023学年高二物理竞赛课件：物理熔融态和玻璃态

物理熔 融 态 和 玻 璃 态 材料科学基础-----熔融态与玻璃态 2012年9月 自然界中，物质通常以气态、液态和固态三种聚集状态存在 物质状态在空间的有限部分称为气体、液体和固体 固体有晶体和非晶体两种形式 晶体结构特点：构成晶体的质点在三维空间作有规则的周期性排列，即呈现远程有序 非晶态固体结构特点：近程有序而远程无序 非晶态固体：包括玻璃体和高聚体（如橡胶、沥青等） 材料科学基础-----熔融态与玻璃态 2012年9月 熔融态结构与性能 玻璃的形成过程 玻璃的结构 玻璃的性能 需要掌握的主要知识 材料科学基础-----熔融态与玻璃态 2012年9月 无机玻璃是脆性材料，橡胶有很大的弹性，两者在宏观性质上差异较大，但微观结构上都呈现远程无序的结构特征 现代玻璃包括用熔体过冷而制备的传统玻璃和用非熔融法（如气相沉积、真空蒸发和溅射、离子注入、凝胶热处理、激光处理等）所获得的新型玻璃 用熔融法制备的无机玻璃（典型的如硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、氟化物玻璃等）是现代玻璃中的重要一类 材料科学基础-----熔融态与玻璃态 2012年9月 第一节 熔体的结构 无机玻璃由玻璃原料加热到熔融态再冷却而形成 熔融态的性质和结构极大地影响玻璃的制备过程 其他材料中，熔融相常存在于各晶相之间，对材料的形成与性能有相当大的作用 硅酸盐玻璃是应用最广泛的一类玻璃 材料科学基础-----熔融态与玻璃态 2012年9月 一、硅酸盐熔体中的负离子团 熔体既不像晶体一样有尖锐的衍射峰，也不像气体一样随θ角减少而散射强度变得很大。 熔体的散射强度分布曲线与玻璃相近，都无显著的散射现象，但在对应于石英晶体的衍射峰位置，熔体和玻璃体均呈弥散状的散射强度最高值。 熔体和玻璃体的结构相近，结构中存在近程有序的区域 X-射线衍射曲线 材料科学基础-----熔融态与玻璃态 2012年9月 21℃时二个反射峰分别为8.9（1120cm-1）与12.7（788 cm-1）附近 温度逐渐升高，第一反射峰逐渐向较低波数方向移动，到2000℃时，这种移动可达66 cm-1，而第二反射峰则随温度升高逐渐消失 由于温度升高，质点热运动加剧，原子间距加大，Si-O键的松弛与断裂所导致的 -190~2000℃温度范围内SiO2 玻璃与熔体的红外反射光谱 材料科学基础-----熔融态与玻璃态 2012年9月 硅酸盐玻璃中主要的离子是Si4+、O2-以及碱金属或碱土金属离子 根据金属氧化物在熔体中的作用不同，可将其分为三类： 网络形成剂 网络中间剂 网络改变剂 材料科学基础-----熔融态与玻璃态 2012年9月 Si4+, B3+, P5+，Ge4+等称网络形成剂 Si4+电荷高，半径小，Si-O间电负性差值x=1.7，Si-O键既有离子键又有共价键成分（52%为共价键） 硅原子位于4个sp3杂化轨道构成的四面体中心，硅与氧结合时，与氧原子形成sp3、sp2、sp三种杂化轨道，形成键，同时氧原子已充满的p轨道可作为施主与硅原子全空的d 轨道形成d-p键，这时键迭加在键上，使Si-O键增强和距离缩短 Si-O键这样的键合方式，使其具有高键能、方向性和低配位等特点 材料科学基础-----熔融态与玻璃态 2012年9月 由Si-O键中的离子键性，根据配位多面体几何分析，硅与四个O2-配位，而其共价键性，又使硅氧键形成的键角和四面体的夹角相符（约109o），使之带有方向性，故Si4+有很强的形成硅氧四面体的能力 当O/Si小时，要达到硅氧四面体的形成，只能通过共用氧，即四面体的聚合，才能实现。 [SiO4]4 -单体聚合为“二聚体”[Si2O7]6-、“三聚体” [Si3O10]8-等的聚合反应如下： [SiO4]4 -+[SiO4]4 -=[Si2O7]6-+ O2- [SiO4]4 -+[Si2O7]6-=[Si3O10]8-+ O2- [SiO4]4 -+[SinO3n+1](2n+2)-=[Si3n+1O3n+4](2n+4)-+ O2- 材料科学基础-----熔融态与玻璃态 2012年9月 材料科学基础-----熔融态与玻璃态 2012年9月 R2O（碱金属氧化物）, RO（碱土金属氧化物）称为网络改变剂 熔体中R-O键的键型以离子键为主，R2O, R