华北理工矿物材料基础教案03玻璃（一）

PAGEPAGE5课程名称：《矿物材料学基础》第3讲次本讲课程内容（或教材章节题目）第二章玻璃第一节概述第二节传统玻璃的特征第三节玻璃的转变第四节玻璃的结构第五节玻璃的形成本讲课程目的要求及重点、难点：【目的要求】使同学们了解玻璃的分类、转变、玻璃的结构即形成，掌握玻璃的定义及传统玻璃的特征。【重点】传统玻璃的特征、玻璃的定义【难点】玻璃体结构的远程无序教学内容【本讲课程的引入】上节课我们讲了熔浆型材料包括结晶质材料和玻璃态材料，这节课我们来讲一下玻璃。第二章玻璃第一节概述一、玻璃的定义对比：A、晶体：微观结构呈有序排列（周期性与对称性）→远程有序B、玻璃体：无周期性与对称性→远程无序Si-O键键能高、有方向性、低配位，熔体形成大的、形状不规则的、短程有序的离子聚集体۩为什么玻璃体结构远程无序？Si-O为共价键，R-O为离子键，R-O键键强比Si-O键弱很多，Si2+能把R-O上的氧原子拉在自己周围，结果使桥氧断裂，Si-O键键强、键长、角度都发生变动。在熔融SiO2中，O/Si比为2:1，[SiO4]连接成架状，在熔融SiO2中加入Na2O，则使O/Si比升高，随着加入量增加，O/Si比由原来的2:1逐步升高至4:1，[SiO4]连接方式从架状→层状→带状→环状→岛状，这称为熔融石英的分化过程。各种低聚物生成量和高聚物残存量由熔体的组成和温度决定。最后得到不同聚合程度的聚合体的混合物，因此造成了熔体结构远程无序，急冷后玻璃保存了这种结构。定义：1、广义：所有具有远程无序结构的固体物质。2、狭义：由熔体经过冷却，因粘度增加所得到的具有固体机械性质和一定结构特征的玻璃态物质。二、玻璃的分类常见的分类方法：势能剖面图分类法自由能分类法原子径向分布函数分类法过剩构形熵分类法。1、玻璃化了的固体：2、由液体制得干凝胶：3、熔融法形成的玻璃：4、蒸气沉积所形成的玻璃态物质：第二节传统玻璃的特征一、各向同性玻璃体的任何方向具有相同性质。表明它内部质点的随机分布和宏观的均匀状态（类似液体）。如折射率、弹性系数、硬度等在不同的方向具有相同的数值，而结晶态物质，除立方晶体外，为各向异性。二、介稳性在一定条件下系统虽未处于最低能量状态，却处于一种可以较长时间存在的状态，叫做处于介稳状态。۩玻璃体是由熔体经过“过冷”而得到的，当熔体转变为玻璃体时，放出的能量少于结晶热。所以玻璃体和晶体相比，含有过剩的内能，因此玻璃态是一种介稳状态。۩从热力学角度，玻璃态是不稳定的，它有自发转变为晶体的内在条件，但是玻璃经百年也没结晶，这是由于常温下，玻璃的粘度非常大，消除了玻璃自发转变为晶体的可能性。因此，动力学观点又是稳定的。三、物理化学性质随温度变化的连续性四、凝固的逐渐性与可逆性熔体慢冷形成晶体：有新相出现，有固定熔点，结晶温度时粘度飞跃增高；熔体降温形成玻璃：无新相出现，玻璃无固定熔点，只有一个软化温度范围，利用这一性质，吹制、拉制成型玻璃制品。第三节玻璃的转变1、不同的冷却速度，冷却后的固态玻璃的结构不同，故而影响到其性质。即：当熔体向固态玻璃转化时，其冷却速度越快，冷却后的固态玻璃的结构愈接近高温时熔体的结构。图2-22、在转变温度区域内的某一温度下，玻璃熔体有对应于该温度的平衡结构，此时的玻璃具有一定的物理性质。图2-3即：固态玻璃的物理性质不是一个常数，而是随冷却速度的增加而降低，故生产上利用这点可调整玻璃的性质。如：在光学玻璃工业中，用改变退火速度和退火温度的办法来调整光学常数，以增加成品率。第四节玻璃的结构玻璃结构：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。目前主要的玻璃结构学说：晶子假说：列别捷夫无规则网络假说：扎卡里阿森一、晶子假说要点：

玻璃结构是一种不连续的原子集合体，即无数“微晶”分散在无定形介质中；

“微晶”的化学性质和数量取决于玻璃的化学组成，可以是独立原子团或一定组成的化合物和固溶体等微观多相体，与该玻璃物系的相平衡有关；

“微晶”不同于一般微晶，而是晶格极度变形的微小有序区域，在“微晶”中心质点排列较有规律，愈远离中心则变形程度愈大；

从“微晶”部分到无定形部分的过渡是逐步完成的，两者之间无明显界线。二、无规则网络学说要点：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。但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。由于玻璃的强度与晶体的强度属于同一个数量级，玻璃的内能与相应晶体的内能相差并不多，因此它们的结构单元（四面体或三角体）应是相同的，不同之处在于排列的周期性。第五节玻璃的形成既然玻璃是物质的一种存在状态，那么是不是任何物质都可以形成玻璃呢？No！一种物质能否形成玻璃，不但与物质的组成有关，还与形成玻璃的条件有关。一般，凡能单独形成玻璃的物质，叫玻璃形成物，NF有些物质本身不能单独形成玻璃网络结构，而是充填在玻璃网络结构的孔隙中，叫玻