玻璃工艺学第一章玻璃的物理化学特性2讲课文档

玻璃工艺学第一章玻璃的物理化学特性第一页，共50页。优选玻璃工艺学第一章玻璃的物理化学特性第二页，共50页。1.1玻璃的结构讨论的问题：玻璃的通性玻璃的结构学说几种常见的玻璃结构玻璃的热历史玻璃结构、成分和性能的关系结束第三页，共50页。玻璃的通性玻璃是一种具有无规则结构的非晶固体，其原子不象晶体在空间作长程有序的排列，而近似于液体具有短程有序长程无序的排列。结束1)玻璃的定义第四页，共50页。玻璃的通性2)玻璃的通性各向同性无固定熔点亚稳性熔融态向玻璃态转化的可逆与渐变性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结束第五页，共50页。玻璃的结构学说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、有序程度及它们彼此间的结合状态玻璃的结构学说晶子学说、无规则网络学说、凝胶学说、五角对称学说、高分子学说等。结束第六页，共50页。主要的玻璃结构学说是：结束晶子学说无规则网络学说第七页，共50页。主要的玻璃结构学说之晶子学说晶子学说（1921年前苏联学者列别捷夫提出）列别捷夫主要论点：玻璃是由无数“晶子”所组成，晶子是具有晶格变形的有序排列的区域，分散在无定形的介质中，从“晶子”部分到无定形部分是逐步过渡的，两者之间没有明显的界限。晶子的化学性质取决于玻璃的化学组成结束第八页，共50页。实验证据：成分递变的钠硅双组分玻璃的X射线散射强度曲线结晶氧化硅和玻璃态氧化硅在3~26

m的波长范围内的红外反射光谱钠硅双组分玻璃系统的原始玻璃态和析晶态的红外反射和吸收光谱主要的玻璃结构学说之晶子学说结束第九页，共50页。成功之处：玻璃的结构特征是微均匀性以及近程有序未解决的问题：晶子的大小、含量和化学组成等未得到理论确定主要的玻璃结构学说之晶子学说结束第十页，共50页。主要的玻璃结构学说之无规则网络学说无规则网络学说（1932年德国学者扎哈里阿森）扎哈里阿森认为：凡是成为玻璃态的物质与相应的晶体结构一样，也是由一个三度空间网络所构成。这种网络是离子多面体（四面体或三角体）构筑起来的。玻璃中结构多面体的重复没有规律。结束第十一页，共50页。主要的玻璃结构学说之无规则网络学说实验证据：瓦伦对玻璃的X射线衍射光谱的一系列研究结果，石英玻璃、方石英和硅胶的X射线衍射光谱的对比；用傅立叶分析法和物质的晶体结构数据得到近距离内原子排列的图形，从而得到玻璃结构有序部分距离在1.0~1.2nm附近结束第十二页，共50页。主要的玻璃结构学说之无规则网络学说成功之处：玻璃的结构特征是玻璃中的离子与多面体相互间排列的均匀性、连续性以及无序性未解决的问题：玻璃的结构中微不均匀、不连续性和近程有序等问题无法解释。结束第十三页，共50页。发展中的晶子学说和无规则网络学说无规则网络派：阳离子在玻璃结构网络中所处的位置不是任意的，而是有一定配位关系。多面体的排列也有一定的规律，并且在玻璃中可能不止存在一种网络。因此承认了玻璃结构的近程有序和微不均匀性。晶子学派：玻璃是具有近程有序（晶子）区域的无定形物质结束第十四页，共50页。几种常见的玻璃结构1)硅酸盐玻璃的结构、成因和性质：石英玻璃结构:由硅氧四面体[SiO4]为结构单元硅氧四面体以顶角相连形成三维的无规则架状结构结束结构成因：Si-O-Si键角变化范围大硅氧四面体排列成三维的无规则架状结构性质：架状结构和Si-O的单键能大高温粘度大，热膨胀系数小，密度大；机械强度高，耐热性、介电性能和化学稳定性好第十五页，共50页。要掌握的玻璃结构硅酸盐玻璃：石英玻璃、R2O-SiO2系统玻璃和R2O-RO-SiO2系统玻璃硼酸盐玻璃：B2O3玻璃、碱硼酸盐玻璃和钠硼硅玻璃磷酸盐玻璃：P2O5玻璃结束第十六页，共50页。玻璃结构中阳离子的分类与作用

1）玻璃结构中阳离子的分类玻璃结构中阳离子的分类是依据元素与氧结合的单键能的大小和能否生成玻璃，将氧化物分为：网络生成体氧化物、网络外体氧化物、中间体氧化物。相应的阳离子分别称为网络生成离子、网络外离子、中间离子。结束第十七页，共50页。网络生成体氧化物：SiO2、B2O3、P2O5等网络外体氧化物：R2O、RO等中间体氧化物：BeO、MgO、ZnO、Al2O3、Ga2O3、TiO2等玻璃结构中氧化物的分类举例结束第十八页，共50页。2）玻璃结构中阳离子作用、配位、键性网络生成体氧化物（F代表网络生成阳离子）：能单独生成玻璃，在玻璃中能形成各自特有的网络体系。起骨架作用F–O键是共价、离子混合键，F–O单键能较大（

80千卡）阳离子F的配位数是3或4，配位多面体[FO4]或[FO3]一般以顶角相连结束第十九页，共50页。网络外体氧化物（M代表网络外体阳离子）：结束不能单独生成玻璃，不参加网络体，处于网络之外。若是“游离氧”的提供者（即阳离子的电场强度较小），起断网作用；若是断键的积聚者，起积聚作用M–O键是离子键。阳离子M有两种类型：一是M–O单键能较小（

60千卡），阳离子M的电场强度小（如碱金属离子、碱土金属离子等）；二是M–O单键能较大（

60千卡），阳离子M的电场强度大（如Th4+、In3+、等）配位数

6第二十页，共50页。中间体氧化物（I代表中间体阳离子）：结束不能单独生成玻璃，作用介于网络生成体氧化物与网络外体氧化物之间。当配位数≥6时，处于网络之外，作用与网络外体氧化物相似；当配位数为4时，能参加网络，起补网作用I-O键具有一定的共价性，但离子性起主要作用单键能在60∼80千卡，配位数一般为6，夺取“游离氧”后配位数变为4第二十一页，共50页。3）玻璃中各种氧化物的作用碱金属氧化物：Na2O、K2O、Li2O结束碱土金属氧化物：CaO、MgO、PbO三价金属氧化物：Al2O3四价金属氧化物：TiO2第二十二页，共50页。玻璃的热历史1)玻璃的热历史定义：玻璃的热历史是指玻璃从高温液态冷却，通过转变温区和退火温区的经历。结束第二十三页，共50页。Tf称为软化温度或拉丝成形温度下限是指玻璃升温通过转变温区时开始出现液体典型性质所对应的温度。Tg称为转化温度或脆性温度或退火温度上限，指玻璃从高温液态冷却通过转变温区时出现脆性所对应的温度玻璃的热历史结束玻璃的转变区（Tg~Tf）：玻璃熔体冷却时要通过过渡温度区。在此区域内玻璃从典型的液体状态，逐渐转变为具有固体各项性质的物体。第二十四页，共50页。玻璃在转变区的结构、性能的变化规律:T>Tf:T高，玻璃粘度

低；温度变化的快慢对玻璃的结构及相应的性质影响不大。Tg<T<Tf:

为109~1013.5PaS；玻璃的结构、相应的性质由此区间保持的温度所决定。T<Tg:Tg

附近，

为1012~1013.5PaS；温度变化的快慢对玻璃的结构、性质影响小，结构组团间有位移的能力，玻璃的低温性质落后于温度；远离Tg

玻璃已固化，玻璃的结构、性质不随温度变化的快慢影响2）玻璃在转变区的结构、性能的变化规律结束第二十五页，共50页。快速越过Tg~Tf区时，结构疏松，密度较小；在Tg~Tf区停留足够的时间时，结构致密，密度较大。快冷玻璃的密度相对与慢冷玻璃容易调整。快速越过Tg~Tf区时，粘度较小；在Tg~Tf区停留足够的时间时，粘度较大。快冷玻璃的粘度相对与慢冷玻璃容易调整。3）热历史对密度、粘度、热膨胀的影响结束第二十六页，共50页。3）热历史对密度、粘度、热膨胀的影响结束T提高未达到Tg~Tf区时，快冷玻璃的热膨胀系数和慢冷玻璃的热膨胀系数变化相同，快冷玻璃的热膨胀系数较大；当通过Tg~Tf区时，快冷玻璃的热膨胀系数变化较小，慢冷玻璃的热膨胀系数产生了突变；

T继续提高时，快冷玻璃的热膨胀系数先升后降，慢冷玻璃的热膨胀系数继续升高或下降。第二十七页，共50页。玻璃的结构、性能和成分的关系玻璃结构玻璃性能玻璃成分提供离子的电价、大小结构化学等规律热、电、光、机械力、化学介质等结束总的规律：玻璃的成分通过结构决定性质第二十八页，共50页。第一类性质：是属于与玻璃的成分不是简单的加和关系，并可以用离子迁移过程中克服势垒的能量来标志的性质。如：电导、电阻粘度、介电损失、离子扩散速度和化学稳定性等。玻璃从熔融态经转变区域冷却时，这些性质一般是随温度的变化而逐渐变化的。第二类性质：是属于可以依据玻璃的成分和某些特性的加和法则进行推算，并由玻璃的网络单独起作用或网络与网络外离子共同作用的性质。如：折射率、分子体积、色散、密度、弹性模数、扭变模数、硬度、热膨胀系数和介电常数等。玻璃从熔融态经过转变区域冷却时，这些性质将产生突变。性质的分类：第一类性质和第二类性质结束第二十九页，共50页。1.2玻璃的形成方法和生成规律玻璃的形成方法熔体冷却法液相析出法气相凝聚法晶体能量泵入法结束第三十页，共50页。玻璃的生成规律1热力学条件（玻璃的生成的热力学理论）玻璃的能量

G=H–TS高温熔体–TS起主导作用G<0低温玻璃H占主导G>0玻璃态内能>相应结晶态物质，有析晶倾向形成玻璃的热力学条件:玻璃态与晶态的内能差越小越易形成玻璃结束第三十一页，共50页。玻璃的生成规律2动力学条件（玻璃的生成的动力学理论）玻璃形成与过冷度

T、粘度、成核速率Ir、晶体生长速率u等有关。熔体冷却速率非常关键结束第三十二页，共50页。Ⅰ玻璃体与熔体的结构关系1)硅酸盐熔体的结构硅酸盐熔体倾向形成形状不规则、短程有序的大离子聚集体3熔体结构、键性和键强对生成玻璃的作用（结晶化学理论）第三十三页，共50页。2)硅酸盐熔体的结构特点①熔体中有许多聚合程度不同的负离子团平衡共存,存在聚合平衡反应M2[SiO4]+Mn+1[SinO3n+1]

Mn+2[Sin+1O3n+4]+MO②负离子团形状不规则，短程有序第三十四页，共50页。③负离子团的种类、大小随熔体组成及温度变化而变化。④离子半径大而电荷小的的氧化物可使硅氧集团断裂出现，负离子团变小；⑤硅酸盐熔体中的分相现象是普遍的3)玻璃结构与熔体结构的关系①继承性②结构对应性第三十五页，共50页。熔体冷却时，分子、原子动能减小，聚合形成大阴离子，熔体粘度增大。熔体中阴离子基团是低聚合→难于形成玻璃熔体中阴离子基团是高聚合→易于形成玻璃Ⅱ熔体结构第三十六页，共50页。1)离子键无方向性、饱和性，原子相对位置容易改变，组合成晶格容易。2)共价键有方向性、饱和性，作用范围小。纯共价键化合物为分子结构，以范氏力结合成分子晶体。Ⅲ键性第三十七页，共50页。3)金属键无方向性、饱和性。倾向于最紧密堆积，原子间易成晶格。最不易成玻璃。4)过渡键（离子-共价、金属-共价）形成大阴离子，易成玻璃。如离子-共价键，既有离子键的易变键角、形成无对称变形的趋势，造成长程无序；又有共价键的方向、饱和性，不易改变键长、键角倾向，造成短程有序。第三十八页，共50页。Ⅳ孙光汉单键能理论键能大，键的破坏、重组也难，成核位垒高，不易析晶。键能>335KJ/mol的氧化物可单独成玻。第三十九页，共50页。各种系统玻璃的生成规律1一元系统玻璃生成规律一元系统玻璃生成规律与化合物单键的键性、键强和熔体结构2二元系统玻璃生成规律1）形成范围与R的半径、电价、极化率、场强、配位数等有关结束第四十页，共50页。

2）RmOn-B2O3系统玻璃的生成规律①同价R半径越大成玻范围越大。②半径相近，电荷越小成玻范围越大。(Li+>Mg2+>Zr4+)结束0.20.51.01.55040302010R半径成玻区域mol%LiNaKZnCdPbBeMgCaSrBaInLa+2+2+3+第四十一页，共50页。

2）RmOn-B2O3系统玻璃的生成规律③半径电荷均相近，极化率大的成玻范围大。(Pb2+>Ba2+)④电场强度大且配位数=6的R可加入量极少。(Zr4+)结束0.20.51.01.55040302010R半径成玻区域mol%LiNaKZnCdPbBeMgCaSrBaInLa+2+2+3+第四十二页，共50页。

2）R2O-SiO2系统玻璃的生成规律R2O/SiO2<1/2时R2O利于成玻R2O/SiO2=1/2~1成玻能力下降R2O/SiO21难以成玻RO-SiO2与R2O/SiO2类似，只是RO用量小于50%，且成玻能力较小。结束第四十三页，共50页。3三元系统玻璃的生成规律三元系统玻璃的生成规律可用玻璃形成图表示玻璃形成图不是相图：玻璃形成图是通过试验确定的表示生成玻璃