第四章非晶态固体

1、材料科学基础材料科学基础Jiangsu UniversityJiangsu University第四章第四章 非晶态固体非晶态固体材料科学基础材料科学基础Jiangsu UniversityJiangsu University 非晶态固体非晶态固体 原子在空间排布没有长程有序的固体。原子在空间排布没有长程有序的固体。 非晶态固体的微结构：非晶态固体的微结构：原子无规则排列，失去平移对称性，不满足晶体结构的基本特征，但并非完全混乱无序排列，近邻原子的排列仍具一定规律，呈现出一定的几何特征，为短程序。 短程有序，长程无序短程有序，长程无序 非晶态固体范畴非晶态固体范畴 玻璃、非晶态金属及非晶态半导

2、体等。玻璃、非晶态金属及非晶态半导体等。材料科学基础材料科学基础Jiangsu UniversityJiangsu University材料科学基础材料科学基础Jiangsu UniversityJiangsu University气体、熔体、玻璃体和晶体的气体、熔体、玻璃体和晶体的XRD图图结论：结论： 熔体和玻璃的结构近似熔体和玻璃的结构近似. . 玻璃虽然远程无序，玻璃虽然远程无序，存在着近程有序的区域。存在着近程有序的区域。气体气体熔体熔体晶体晶体玻璃玻璃强度强度 Isin材料科学基础材料科学基础Jiangsu UniversityJiangsu University一、一、 非晶态半

3、导体非晶态半导体1977年Mott主要以在非晶态半导体理论研究中的成绩获得了诺贝尔奖。非晶态半导体的类型：主要有四面体配置主要有四面体配置的非晶态半导体的非晶态半导体（如非晶硅及非晶锗等）和硫系非晶态半导体等两类。和硫系非晶态半导体等两类。材料科学基础材料科学基础Jiangsu UniversityJiangsu University四面体结构非晶态半导体IV族元素非晶态半导体（a-Si和a-a-Ge）；III-V族化合物非晶态半导体（a-GaAs，a-GaP，a-InP及a-GaSb等）。硫系非晶态半导体。这类非晶态半导体中含有硫系元素如S、Se、Te等等VI族元素族元素，它们往往是以玻璃态

4、形式存在。氧化物非晶半导体GeO2，BaO，SiO2，TiO2，SnO2及Ta2O5等。 材料科学基础材料科学基础Jiangsu UniversityJiangsu University二、非晶态金属二、非晶态金属 高的硬度和韧性，优异的耐腐蚀性，高的硬度和韧性，优异的耐腐蚀性，低损耗非晶磁性材料。主要非晶态金属和低损耗非晶磁性材料。主要非晶态金属和合金的结构模型合金的结构模型。 非晶态合金统称非晶态合金统称“金属玻璃金属玻璃”。以极高。以极高的速度使熔融状态的合金冷却，凝固后的的速度使熔融状态的合金冷却，凝固后的合金呈玻璃态，呈长程无序状态。合金呈玻璃态，呈长程无序状态。材料科学基础材料科学

5、基础Jiangsu UniversityJiangsu University 玻璃的结构玻璃的结构：由硅酸盐矿物、氧化物等经加热、熔 融、冷却成的 一种无定形固态。 三、三、玻璃玻璃两个很重要的学说两个很重要的学说无规则网络学说无规则网络学说晶子学说晶子学说玻璃结构特点玻璃结构特点：材料科学基础材料科学基础Jiangsu UniversityJiangsu University 要点：要点：玻璃由无数的玻璃由无数的“ 晶子晶子”组成。所谓组成。所谓“ 晶晶子子”不同于一般微晶，而是带有不同于一般微晶，而是带有晶格变形晶格变形的有序的有序区域，它分散于无定形的介质中，并且区域，它分散于无定形的介

6、质中，并且“ 晶子晶子”到介质的过渡是逐渐完成的，两者之间无明显界到介质的过渡是逐渐完成的，两者之间无明显界线。线。 意义及评价意义及评价：第一次揭示了玻璃的微不均匀性，：第一次揭示了玻璃的微不均匀性，描述了玻璃结构近程有序的特点。描述了玻璃结构近程有序的特点。 不足之处不足之处：晶子尺寸太小，无法用：晶子尺寸太小，无法用X X射线检测，晶射线检测，晶子的含量、组成也无法得知。子的含量、组成也无法得知。 （一）晶子学说（一）晶子学说材料科学基础材料科学基础Jiangsu UniversityJiangsu University（二）无规则网络学说（二）无规则网络学说 (1)(1)玻璃的结构与相

7、应的晶体结构相似，同样形成连续的三玻璃的结构与相应的晶体结构相似，同样形成连续的三 维空间网络结构维空间网络结构。 (2)(2)这种网络是由离子多面体通过桥氧相连，向这种网络是由离子多面体通过桥氧相连，向三维空间无三维空间无规律的发展规律的发展而构筑起来的而构筑起来的。因此玻璃的内能比晶体的内能因此玻璃的内能比晶体的内能要大。要大。 (3)(3)氧化物氧化物(A(AX XO OY Y) )要形成玻璃必须具备要形成玻璃必须具备四个四个条件条件 A A、每个每个O O最多与两个网络形成离子最多与两个网络形成离子(A)(A)相连。相连。 B B、多面体中阳离子多面体中阳离子(A)(A)的配位数的配位

8、数 4 4。 C C、多面体共点而不共棱或共面。多面体共点而不共棱或共面。 D D、多面体至少有多面体至少有3 3个角与其它相邻多面体共用。个角与其它相邻多面体共用。材料科学基础材料科学基础Jiangsu UniversityJiangsu University如石英玻璃和石英晶体的基本结构单元都是硅氧四面体如石英玻璃和石英晶体的基本结构单元都是硅氧四面体SiOSiO4 4 。各硅氧四面体。各硅氧四面体SiOSiO4 4 都通过顶点连接成为三维空间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网络，但在石英晶体中硅氧四面体SiOSiO4 4 有着严格的规则排有着严格的规则排列；而在石

9、英玻璃中，硅氧四面体列；而在石英玻璃中，硅氧四面体SiOSiO4 4 的排列是无序的，的排列是无序的，缺乏对称性和周期性的重复。缺乏对称性和周期性的重复。 石英晶体与石英玻璃结构、钠硅玻璃比较石英晶体与石英玻璃结构、钠硅玻璃比较材料科学基础材料科学基础Jiangsu UniversityJiangsu University评价评价 (1)(1) 说明玻璃结构宏观上是均匀的。说明玻璃结构宏观上是均匀的。解释了结构上是远程无序的，解释了结构上是远程无序的， 揭示了玻璃揭示了玻璃各向同性等性质。各向同性等性质。 (2)(2) 不足之处：对分相研究不利，不不足之处：对分相研究不利，不能完满解释玻璃的微

10、观不均匀性和分相现象。能完满解释玻璃的微观不均匀性和分相现象。材料科学基础材料科学基础Jiangsu UniversityJiangsu University 无规则网络学说与微晶学说比较统一的看法：玻璃具有近程有序，远程无序的结构特点。但玻璃具有近程有序，远程无序的结构特点。但在有序无序的比例和结构上还有争论。在有序无序的比例和结构上还有争论。晶子假说着重于晶子假说着重于玻璃结构的微不均匀和玻璃结构的微不均匀和 有序性。有序性。 无规则网络学说着重于无规则网络学说着重于玻璃结构的无序、玻璃结构的无序、连续、均匀和统计性。连续、均匀和统计性。它们各自能解释玻璃的一些性质变化规律。它们各自能解释

11、玻璃的一些性质变化规律。材料科学基础材料科学基础Jiangsu UniversityJiangsu University常见玻璃类型常见玻璃类型一一 硅酸盐玻璃硅酸盐玻璃二二 硼酸盐玻璃硼酸盐玻璃三三 磷酸盐玻璃磷酸盐玻璃材料科学基础材料科学基础Jiangsu UniversityJiangsu University硅酸盐玻璃硅酸盐玻璃 1、石英玻璃、石英玻璃：网络形成氧化物SiO2，以SiO4共顶连接形成三维网络。在SiO4形成的完整网络中，所有氧都是桥氧，结构中没有断网现象，只有硅氧键角在120o_180o之间变化，最常出现145o，强调网络的连续性和无序性，而导致与石英晶体的区别。符合不

12、规则网络学说。材料科学基础材料科学基础Jiangsu UniversityJiangsu University2、碱金属和碱土金属硅酸盐玻璃碱金属和碱土金属硅酸盐玻璃出现非桥氧离子，二元中，当加人RO、R2O直到SiO2:RO(或R2O)=1:1以前，结构中硅氧网络依然存在，还能形成玻璃。加RO，R2O到RO(R2O):SiO2=2:1以后，网络被破坏越甚，加入越多，玻璃的核化晶化速率也越快，形成玻璃就越困难。材料科学基础材料科学基础Jiangsu UniversityJiangsu UniversityZ Z = = 每个多面体中氧离子平均总数每个多面体中氧离子平均总数 ( (硅酸盐和磷酸盐

13、玻璃中为硅酸盐和磷酸盐玻璃中为4 4，硼酸盐玻璃中为，硼酸盐玻璃中为3 3) )R R 玻璃中玻璃中氧离子总数氧离子总数与与网络形成离子总数网络形成离子总数之比之比 X X 每个多面体中每个多面体中非桥氧离子非桥氧离子平均数平均数Y Y 每个多面体中中每个多面体中中桥氧离子桥氧离子平均数平均数 ZRXRZY222RYXZYX 2/Y俩表参数间的关系参数间的关系：2 2、玻璃的结构参数、玻璃的结构参数 为了表示硅酸盐玻璃的网络结构特征和便于比较玻璃的性质，引入玻璃的四个结构参数。材料科学基础材料科学基础Jiangsu UniversityJiangsu University硅酸盐晶体与硅酸盐玻璃

14、在结构上的区别：硅酸盐晶体与硅酸盐玻璃在结构上的区别： （1）在硅酸盐晶体中， SiO4骨架按一定的对称规律有序排列；在硅酸盐玻璃中SiO4骨架的排列是无序的。 （2）在硅酸盐晶体中， SiO4骨架外的网络外离子占据了点阵中的一定位置；而在硅酸盐玻璃中，网络变性离子统计地分布在SiO4骨架的空腔内，使氧的负电荷得以平衡。 （3）在硅酸盐晶体中， 只有当外来阳离子半径与晶体中的阳离子半径相近时，才能发生同晶置换；而在硅酸盐玻璃中，骨架外阳离子不论半径是否相近，均能发生置换，只要求遵守静电价规则。 （4）在晶体中（如这种晶体不是固溶体），原始组份（氧化物）相互间有简单的固定比例，即符合化学计量；而

15、在玻璃中，氧化物可以以任意的比例混合，即不符合化学计量。材料科学基础材料科学基础Jiangsu UniversityJiangsu University 硼酸盐玻璃硼酸盐玻璃 B2O3是硼酸盐玻璃中的主要玻璃形成体。B平均与三个氧配位，B2O3构成BO33-三角体结构，B-O-B键角120o，是平面三角形，形成层状结构，BO间距为0.137nm，在同一层内BO很强，而层与层之间由分子键相连，层与层之间结合力弱，所以B2O3玻璃的一些性能比SiO2玻璃要差。 在在B2O3玻璃中，玻璃中，Z3，R3/2=1.5，X=0，Y3 如果加入R2O、RO的断网离子，导致断网，可使BO3变成BO4体，B起补

16、网作用，其中四面体中间有三角体连接。所以三角体向四面体转化是有限的。材料科学基础材料科学基础Jiangsu UniversityJiangsu University磷酸盐玻璃磷酸盐玻璃P与O构成的磷氧四面体PO43-，是磷酸盐玻璃的网络构成单元。四个键中有一个构成双键（不和其他四面体键合），四面体以顶角相连成三维网络，每个四面体只和3个四面体连接。 有人认为，P2O5玻璃与B2O3玻璃类似，也是层状结构，层之间由范德瓦耳斯力维系在一起。当加人网络改良剂如当加人网络改良剂如R2O时，如时，如Na2O的的加入玻璃结构将从层状转变为链状，链之间加入玻璃结构将从层状转变为链状，链之间有有NaO离子键结

17、合在一离子键结合在一起。起。材料科学基础材料科学基础Jiangsu UniversityJiangsu University转变温度区：玻璃从典型的液体状态逐渐转玻璃从典型的液体状态逐渐转变为具有固体各项性质变为具有固体各项性质(即弹性、脆性等即弹性、脆性等)的的物体的温度区。物体的温度区。符号Tf（膨胀软化温度，=108-10帕秒时）和Tg（转变温度，=1012.4帕秒时）分别表示转变温度区的上下限。玻璃的转变玻璃的转变转变温度范围微观过程：是一个结构重排过是一个结构重排过程。程。结构灵敏的性能都出现明显的连续反常变化，与晶体熔融时的性质突变有本质的不同。材料科学基础材料科学基础Jiangs

18、u UniversityJiangsu University性质温度温度TgTf 第一类性质：玻璃的电导、比容、粘度等第一类性质：玻璃的电导、比容、粘度等 第二类性质：玻璃的热容、膨胀系数、密度、折射率等第二类性质：玻璃的热容、膨胀系数、密度、折射率等 g gf f熔融态熔融态与与玻璃态玻璃态转变转变时，物理、化学性质随温度变化的连续性时，物理、化学性质随温度变化的连续性材料科学基础材料科学基础Jiangsu UniversityJiangsu University Tg Tg ：玻璃形成温度玻璃形成温度，又称，又称脆性温度脆性温度。它是玻。它是玻璃出现脆性的最高温度，由于在这个温度下可以消璃

19、出现脆性的最高温度，由于在这个温度下可以消除玻璃制品因不均匀冷却而产生的内应力，所以也除玻璃制品因不均匀冷却而产生的内应力，所以也称称。 T Tf f ：软化温度软化温度。它是玻璃开始出现液体状态。它是玻璃开始出现液体状态典型性质的温度。相当于粘度典型性质的温度。相当于粘度10109 9dPaSdPaS，也是玻也是玻璃可拉成丝的最低温度。璃可拉成丝的最低温度。材料科学基础材料科学基础Jiangsu UniversityJiangsu University 转变温度范围附近的结构变化情况：转变温度范围附近的结构变化情况： Tf以上：结构变化几乎是瞬时的，经常保持其以上：结构变化几乎是瞬时的，经常

20、保持其平衡状态。温度的变化快慢对玻璃的结构及其平衡状态。温度的变化快慢对玻璃的结构及其相应的性能影响不大。相应的性能影响不大。 Tg以下：玻璃基本为固态物质，温度变化的快以下：玻璃基本为固态物质，温度变化的快慢，对结构、性能影响也相当小。质点重排的慢，对结构、性能影响也相当小。质点重排的速度很低，因此，玻璃的低温性质常常落后于速度很低，因此，玻璃的低温性质常常落后于温度。温度。这一阶段热处理，可以清除内应力或内部结构状态不均匀性。 Tf-Tg范围内：质点可以适当移动，玻璃的结构范围内：质点可以适当移动，玻璃的结构状态由温度所决定。状态由温度所决定。材料科学基础材料科学基础Jiangsu Uni

21、versityJiangsu University “假想温度”： 当玻璃冷却到室温时，当玻璃冷却到室温时，它保持着与转变温度区间的某一温度相它保持着与转变温度区间的某一温度相应的平衡结构状态和性能。该温度称应的平衡结构状态和性能。该温度称“假想温度假想温度”材料科学基础材料科学基础Jiangsu UniversityJiangsu University 玻璃化的条件玻璃化的条件(一)热力学与动力学条件(二)结晶化学条件材料科学基础材料科学基础Jiangsu UniversityJiangsu University 热力学与动力学条件热力学与动力学条件玻璃的不稳（亚稳）性：从热力学角度来从热力

22、学角度来看，玻璃态物质看，玻璃态物质(较之相应结晶态物质较之相应结晶态物质)具具有较大的内能，有向晶态转变的趋势有较大的内能，有向晶态转变的趋势。一般说同组成的晶体与玻璃体的内能差别愈大，玻璃愈容易结晶，即愈难于生成玻璃。材料科学基础材料科学基础Jiangsu UniversityJiangsu University玻璃的稳定存在：主要是由于玻璃转变的主要是由于玻璃转变的动力学条件所决定的。动力学条件所决定的。因为析晶过程必须克服一定的势垒，包括成核所需建立新界面的界面能以及晶核长大所需的质点扩散的激活能等。势垒大，势垒大，冷却速度快时，利于玻璃形成。冷却速度快时，利于玻璃形成。在考虑冷却速度

23、时，必须选定可测出的晶体大小，即某一熔体究竟需要多快的冷却速度，才能防止生成能被测出的结晶。材料科学基础材料科学基础Jiangsu UniversityJiangsu University (1)在凝固点在凝固点(热力学熔点热力学熔点Tm)附近的熔体附近的熔体粘度的大小，是决定能否生成玻璃的主粘度的大小，是决定能否生成玻璃的主要标志。要标志。 (2)在相似粘度在相似粘度温度曲线情况下，具有温度曲线情况下，具有较低的熔点，即较低的熔点，即Tg/Tm值较大时，玻璃易值较大时，玻璃易于获得于获得玻璃生成的主要动力学因素玻璃生成的主要动力学因素材料科学基础材料科学基础Jiangsu Universit

24、yJiangsu University四、玻璃形成的结晶化学条件四、玻璃形成的结晶化学条件与不同系统配合加入的氧化物 硼酸盐系统 O/B 硅酸盐系统 O/Si 锗酸盐系统 O/Ge 磷酸盐系统O/P Li2O 1.9 2.55 2.30 3.25 Na2O 1.8 3.40 2.60 3.25 K2O 1.8 3.20 3.50 2.90 MgO 1.95 2.70 3.25 CaO 1.90 2.30 2.55 3.10 SrO 1.90 2.70 2.65 3.10 BaO 1.85 2.70 2.40 3.20 熔体的结构含有多种负离子基团，负离子团的聚合程度熔体的结构含有多种负离子基团

25、，负离子团的聚合程度越低，越不易形成玻璃；聚合程度越高，特别当具有三维网越低，越不易形成玻璃；聚合程度越高，特别当具有三维网络或歪扭链状结构时，越容易形成玻璃。络或歪扭链状结构时，越容易形成玻璃。形成硼酸盐、硅酸盐等玻璃的形成硼酸盐、硅酸盐等玻璃的OB、OSi等比值的最高限值等比值的最高限值1 1、复合阴离子团大小与排列方式复合阴离子团大小与排列方式材料科学基础材料科学基础Jiangsu UniversityJiangsu University单键强度正离子的配位数氧化物分解能(1)(1)网络形成体网络形成体单键强度单键强度335 335 的氧化物。的氧化物。 能单独形成玻璃体。能单独形成玻璃体。(2)(2)网络变性体网络变性体单键强度单键强度250 250 的氧化物。的氧化物。 改变网络结构，改变玻璃性质。改变网络结构，改变玻璃性质。(3)(3)中间体中间体单键强度单键强度250250335 335 的氧化物。的氧化物。 其作用介于网络变性体和网络形成体之间。其作用介于网络变性体和网络形成体之