《熔体和玻璃S》PPT课件.ppt

3 熔体和玻璃体,本章重点叙述硅酸盐熔体与玻璃体的结构及其性能。,3.1 熔体的结构,对熔体结构的一般认识,熔体的结构,液体是固体和气体的中间相，液体结构在气化点和凝固点之间变化很大，在高温（接近气化点）时与气体接近，在稍高于熔点时与晶体接近。 由于通常接触的熔体多是离熔点温度不太远的液体，故把熔体的结构看作与晶体接近更有实际意义。,关于液体的结构理论,液体的近程有序结构理论 “核前群”理论 聚合物理论,熔体聚合物理论,（1）什么是聚合物？ 概念 硅酸盐熔体中聚合物浓度（数量）的影响因素,（2）聚合物形成的三个阶段, 熔融石英的分化过程 初期：随O/Si，Ob断裂成Onb ，使高聚体分化成三维碎片、高聚物、低聚物和单体。,（2）聚合物形成的三个阶段, 缩聚和变形 中期：各类聚合物缩聚并伴随变形。,（2）聚合物形成的三个阶段, 分化与缩聚的平衡 聚离子概念 后期：在一定温度和时间下，聚合解聚达到平衡。,熔体的结构,熔体结构远程无序的实质 最终得到的熔体是 聚合体的种类、大小、数量随熔体的什么变化 熔体的结构特点,3.2 熔体的性质,（1）粘度 粘度是流体（液体或气体）抵抗流动的量度。 当液体流动时： F S dv/dx ,粘度,粘度物理意义是 1Pas1Ns/m210 P（泊） 1dPas（分帕秒）1P（泊）。 粘度的倒数称液体流动度 。,粘度,粘度实际上表征流体的内摩擦力，是由流体的结构本质所决定的。 聚合程度高的流体往往有较高的粘度。 硅酸盐熔体的粘度往往很大。 熔体的粘度是材料制造过程中需要控制的一个重要工艺参数。,粘度与温度的关系, 绝对速度理论 E质点运动活化能 0常数 E不是常数(只是和温度无关的常数)。不仅与熔体组成有关，还与熔体中聚合程度有关。,粘度与温度的关系, 自由体积理论 液体能够流动必须打开一些蕴藏在液体内部的空隙允许液体分子的运动。 目前常用的VFT公式：,粘度与组成的关系, O/Si比 一价碱金属氧化物（ R2O ） 通常碱金属氧化物是助熔剂 其含量较低与较高时影响不同，这与熔体的结构有关。,粘度与组成的关系, 二价金属氧化物（ RO ） 2+降低粘度 高价金属氧化物 一般情况是熔体粘度的 。 B2O3含量不同，对粘度的影响不同（硼反常）；CaF2能使熔体粘度急剧。,粘度与组成的关系,“混合碱效应” 加入某一种氧化物所引起熔体粘度的改变，不仅取决于加入的氧化物的本性，而且也取决于熔体本身组成。,（2）表面张力（表面能）,表面能：J/m2 (N/m)。 表面张力：N/m 在液体中表面张力和表面能在数值上是相同的。,影响表面张力因素, 表面张力与温度关系 表面张力与熔体组成和结构的关系 氧化物加入对表面张力的影响 表面活性物质,3.3 玻璃体的结构,玻璃态是一些物质的一种存在状态，玻璃在性质上的表现，和晶体状态、熔融体状态一样，往往是其微观结构的反映。 玻璃体是玻璃态物质的总称，简称玻璃。 是由熔体固化而成的。 传统的玻璃主要是由硅酸盐矿物、氧化物等经加热、熔融、冷却而形成的一种无定型的故态，是非晶材料的重要一族。,玻璃的通性,（1）各向同性 （2）介稳性 介稳状态的概念、从热力学、动力学角度看玻璃 （3）熔融态向玻璃态转化的逐渐与可逆性 玻璃形成温度Tg及对应的粘度 （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 性质随温度变化可分为3类、两个特征温度,物质内能与体积随温度的变化,玻璃的结构,玻璃的结构是指玻璃中质点在空间的几何配置、有序程度以及它们彼此间的结合状态。 玻璃结构具有远程无序的特点，影响其结构的因素众多，至今尚未提出一个统一完善的玻璃结构理论。 目前主要的学说有2种。,（1）晶子假说,苏联学者列别捷夫1921年提出 实验依据：折射率-温度曲线 X射线散射强度曲线 基本要点：硅酸盐玻璃是由不连续的原子集合体，即无数“晶子”组成的。,硅酸盐玻璃折射率随温度变化曲线,27Na2O73SiO2玻璃的X射线散射强度曲线,1未加热； 2在618保温1小时 3在800 保温10分钟和670 保温20小时,晶子假说的要点,“晶子”的化学性质和数量取决于 “晶子” 是微观多相体 “晶子”不同于一般微晶，质点排列特征 从“微晶”部分到无定形部分的过渡情况 成功之处：揭开了玻璃微不均匀及近程有序这一结构特征。,（2）无规则网络假说,德国学者扎哈里阿森1932年提出 基本要点：玻璃的结构与相应的晶体结构相似，是由三维空间网络构成。 玻璃的网络与晶体的网络不同，玻璃的网络是不规则的、非周期性的，因此玻璃的内能比晶体的内能要大。,无规则网络假说的要点,玻璃与晶体网络的结构单元（离子多面体）是相同的，不同之处在于排列的周期性。 此学说着重说明：玻璃结构的连续性、随机排列、均匀性。,石英晶体与石英玻璃结构比较,两学说的比较,微晶学说： 优点：强调了玻璃结构的不均匀性、不连续性及有序性等方面特征，成功地解释了玻璃折射率在加热过程中的突变现象。 缺陷： 对玻璃中“微晶”的大小与数量尚有异议。 微晶的化学成分还没有得到合理的确定。,两学说的比较,网络学说： 优点：强调了玻璃中离子与多面体相互间排列的均匀性、连续性及无序性等方面结构特征。 缺陷：随着实验技术的进展，积累了愈来愈多的关于玻璃内部不均匀的资料。,小结,两学说实际上反映了玻璃结构问题的两个侧面。 玻璃是具有近程有序、远程无序结构特点的无定形物质。,小结,玻璃结构的远程无序性与近程有序性，连续性与不连续性，均匀性与不均匀性并不是绝对的，在一定条件下可以相互转化。 玻璃态是一种复杂多变的热力学不稳定状态，玻璃的成分、形成条件等都会对其结构产生影响，不能以局部的，特定条件下的结构来代表所有玻璃在任何条件下的结构状态。,3.4 玻璃的性质,（1）密度 主要取决于构成玻璃的原子的质量，也与原子的堆积紧密程度有关。 石英玻璃=2.21g/cm3；一般玻璃2.5g/cm3左右；特种玻璃可达8g/cm3。 随T而；随固化时所加压力而； 还与热处理条件有关。,（2）弹性,在常温与低温下，无机玻璃可认为基本上遵循虎克定律的弹性体，可用弹性模量来度量，随玻璃成分不同而改变。 玻璃的E随T而。,（3）机械强度,用耐压c、抗折f、抗张b 、抗冲击强度ak等指标表示。 玻璃的耐压强度很高，抗冲击强度低。 一般情况，耐压强度比抗折、抗张强度大10倍左右。 玻璃的强度与温度、表面和内部状态、成分、热处理条件等因素有关。,（4）硬度和脆性,硬度主要取决于组成原子的半径、电荷大小与堆积密度。 硅酸盐玻璃中，石英玻璃最硬，加入Na+ K+等离子硬度。 硬度随T而。 玻璃为脆性材料，其脆性与成分、宏观均匀性有关，用冲击强度表征。,（5）热膨胀系数,和其他固体一样，玻璃的热膨胀也是由于T，质点热运动振幅，相应导致它们的间距，使玻璃热膨胀。 主要取决于阳离子和氧离子之间的键力，因为它直接影响T后的离子间距。,热膨胀系数,玻璃的热膨胀曲线在弹性变形范围内往往呈直线 与玻璃的稳定性有密切关系，一般，越小，热稳定性越高。 一般情况下，与温度的关系： 在Tg以下近似常数； Tg以上，迅速增加，直至软化。,(6) 比热,玻璃的比热在熔窑的热工计算上有一定的实际意义。 通常是用材料的平均比热。（测量的温度范围内所有真热容的平均值） 主要由成分决定，随T而。 玻璃的比热比相应成分晶体的比热稍高。,（7）导热性,玻璃的导热性以导热系数表征。 石英玻璃的最大。 组成对十分重要，随T的而。 玻璃的晶体的。 玻璃是热的不良导体，其他条件相同时，小，热稳定性差。,（8）热稳定性,热稳定性是指玻璃受剧烈温度变化而不破坏的性能，是一系列物理性质的综合表现，并且和试样的几何形状有关。 玻璃的热稳定性主要取决于热膨胀系数，因而，组成对其影响，主要根据组成对的影响决定。 玻璃经受急热要比急冷好的多。含有大量碱金属氧化物的玻璃，耐热性最差。,3.5 常见玻璃类型,通过氧桥形成网络结构的玻璃称为氧化物玻璃。 （1）硅酸盐玻璃 硅酸盐玻璃中最简单结构是单组分石英玻璃，它是典型的玻璃形成剂，是其他硅酸盐玻璃的基础。,（1）硅酸盐玻璃,石英玻璃的结构特征 硅酸盐玻璃还有二元、三元、多组元玻璃。 当RO、R2O等氧化剂加入石英玻璃中，网络形成剂和网络改变剂是什么。,硅酸盐玻璃,表示硅酸盐玻璃网络结构特征的基本结构参数：X、Y、Z、R。 玻璃的很多性质取决于结