武汉理工材料科学基础第三章部分习题.ppt

第三章 熔体和玻璃体 习题课 1、熔体的聚合物理论： 形成的三阶段 初期：主要是石英颗粒的分化； 中期：缩聚反应并伴随聚合物的变形； 后期：一定T、t 达到聚合 解聚平衡。 熔体的性质： 粘度和表面张力 粘度理论 第三章 熔体和玻璃体 习题课 2、玻璃的结构 晶子假说晶子假说 无规则网络学说无规则网络学说 玻璃形成条件： 玻璃的结构参数 2/3规则 3-1（部分） 说明熔体中聚合物形成过程？ 答：聚合物的形成是以硅氧四面体为基础单位，组成大小 不同的聚合体。 可分为三个阶段 初期：石英的分化； 中期：缩聚并伴随变形； 后期：在一定时间和一定温度下，聚合和解聚达到平衡 。 3-2 简述影响熔体粘度的因素？ 答：影响熔体粘度的主要因素：温度和熔体的组成。 碱性氧化物含量增加，剧烈降低粘度。 随温度降低，熔体粘度按指数关系递增。 3-3 名词解释（并比较其异同） 晶子学说和无规则网络学说 单键强 分化和缩聚 网络形成剂和网络变性剂 答：晶子学说：玻璃内部是由无数“晶子”组成，微晶子是带有 晶格变形的有序区域。它们分散在无定形介中质，晶子向无定形部 分过渡是逐渐完成时，二者没有明显界限。 无规则网络学说：凡是成为玻璃态的物质和相应的晶体结构一 样，也是由一个三度空间网络所构成。这种网络是由离子多面体（ 三角体或四面体）构筑起来的。晶体结构网是由多面体无数次有规 律重复构成，而玻璃中结构多面体的重复没有规律性。 单键强：单键强即为各种化合物分解能与该种化合物配位数 的商。 分化过程：架状SiO4断裂称为熔融石英的分化过程。 缩聚过程：分化过程产生的低聚化合物相互发生作用，形成级 次较高的聚合物，次过程为缩聚过程。 网络形成剂：正离子是网络形成离子，对应氧化物能单独形 成玻璃。即凡氧化物的单键能/熔点 0.74kJ/mol.k 者称为网络形成 剂。 网络变性剂：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，即单键强/熔点 0.125kJ/mol.k者称为网络 变形剂。 3-4 试用实验方法鉴别晶体SiO2、SiO2玻璃、硅胶和SiO2 熔体。它们的结构有什么不同？ 答：利用X射线检测。 晶体SiO2质点在三维空间做有规律的排列，各向异性 。 SiO2熔体内部结构为架状，近程有序，远程无序。 SiO2玻璃各向同性。 硅胶疏松多孔。 35 玻璃的组成是13wt%Na2O 、13wt%CaO、74wt%SiO2，计 算非桥氧分数。 分析：要应用关系式，必须换算成mol%。 解：玻璃组成 Na2O CaO SiO2 wt% 13 13 74 mol 0.21 0.23 1.23 mol% 12.6 13.8 73.6 Z4 X2RZ22.3640.72 YZX40.723.28 非桥氧数 36 有两种不同配比的玻璃其组成如下： 序 号 Na2O (wt%) Al2O3(wt%) SiO2(wt%) 1 8 12 80 2 12 8 80 试用玻璃结构参数说明两种玻璃高温下粘度的大小？ 解：玻璃组成： 序 号 Na2O Al2O3 SiO2 wt% mol% wt% mol% wt% mol% 1 8 8.18 12 7.48 80 84.3 2 12 12.1 8 4.87 80 83.03 对1玻璃 ， Na2O/Al2O38.18/7.481 Al3+被视为网络形成离子，Z=4 Y=2Z2R2(42.007)3.986 对2玻璃， Na2O/Al2O312.1/4.87 1 Al3+被视为网络形成离子， Z=4 X2RZ22.07840.156 Y=ZX40.1563. 844 讨论： 1玻璃 Y1 3.986 , 2玻璃 Y2 3.844 即有：Y1 Y2 所以在高温下 1玻璃 粘度 2玻璃 粘度 37 SiO2 熔体的粘度在1000时为1015dpa.s，在1400时为108dpa.s， 玻璃粘滞的活化能是多少？上述数据为恒压下取得，若在恒容下获得 ，你认为活化能会改变吗？为什么？ 解：(a) 对 0exp(E/kT)取对数得： Ln Ln 0 E/kT 令 A Ln 0 B E/k 则Ln A B/T 将 、T值代入上式 解之得： A32.88 B85828 活化能EBk858281.3810231.181018(J/个) 粘滞的活化能=1.1810-186.021023=710.3kJ/mol 39 在SiO2中应加入多少Na2O,使玻璃的O/Si2.5，此时析晶能力是增强还是 削弱？ 解；假定引入的Na2O的mol含量为 x ， 则SiO2的mol含量为 1x 因为O/Si增加了，粘度下降，此时析晶能力增强。 3-7 (b) 上述数据是在恒压下取得，在恒容下，预计活化能会 有所不同。因为恒容时熔体所受压力应增加，这将使其粘度 增大，从而改变了活化能值。 3-10 有一种平板玻璃组组成为为14Na2O13CaO73SiO2（wt%重量百分比） ，其密度为为2.5g/cm3, 计算玻璃的原子堆积系数（AFP）为多少？计算该玻璃的结构参数值？ 解：该玻璃的平均分子量 GM=0.1462+0.1356+0.7360.02=59.77 在13中原子数为 n=No/GM=2.510-246.021023/59.77 =0.252个/3 在13原子所占体积 V=0.02524/30.1420.983+0.131.063+0.730.393+（ 0.14+0.13+0.732）1.323 =0.4685 AFP=0.46 结构参数： Na2O CaO SiO2 wt% 14 13 73 mol 0.23 0.23 1.22 mol% 13.7 13.7 72.6 R=(13.7+13.7+72.6 2)/ 72.6=2.38 Z=4 X=2RZ=2.3824=0.76 Y=ZX= 40.76=3.24 311 有一组二元硅酸盐熔体，其R值变化规律如下，写出熔体一系列性质的 变化规律(用箭头表示) R2； 2.5 ； 3 ; 3.5 ; 4 (1) 游离碱含量 (2) O/Si (3) 低聚合物数量 (4) 熔体粘度 (5) 形成玻璃能力 (6) 析晶能力 3-12 试比较硅酸盐玻璃与硼酸盐玻璃在结构与性能上的差异 。 答：结构差异： 硅酸盐玻璃：石英玻璃是硅酸盐玻璃的基础。石英玻璃 是硅氧四面体SiO4以顶角相连而组成的三维架状结构。由 于SiOSi键角变动范围大，使石英玻璃中SiO4四面体排 列成无规则网络结构。SiO2是硅酸盐玻璃中的主要氧化物。 硼酸盐玻璃：B和O交替排列的平面六角环的BO集团 是硼酸盐玻璃的重要基元，这些环通过BOB链连成三维 网络。B2O3是网络形成剂。这种连环结构与石英玻璃硅氧 四面体的不规则网络不同，任何OB三角体的周围空间并 不完全被临接的三角体所填充，两个原子接近的可能性较小 。 补充习题 1、 正硅酸铅玻璃密度为7.36g/cm3，求这个玻璃中氧的密度为多少？试把它 与熔融石英(密度为2.2g/cm3)中的氧密度比较，试指出铅离子所在位置？ 解：正硅酸铅PbSiO3的分子量 M207.228163283.2 在1cm3中PbSiO3的个数 所以 在正硅酸铅PbSiO3中氧的密度为 同理 结论： PbSiO3中氧的