《无机材料科学基础》第6章_熔体与玻璃体.ppt

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《无机材料科学基础》第6章_熔体与玻璃体

 第六章 熔体与非晶态固体 本章要点 硅酸盐熔体的形成原因及过程 影响熔体黏度的因素 玻璃的通性 玻璃形成的动力学、结晶化学条件 玻璃结构的晶子假说和无规则网络假说 第一节 熔体的结构 一、熔体的结构特点 二、硅酸盐熔体的形成 不同聚集状态物质的X射线衍射强度 随入射角度变化的分布曲线 2、粘度的测定:   不同范围的粘度用不同方法测定. 107~1015 Pa·s:拉丝法。 10~107 Pa·s:转筒法。 100.5~1.3×105 Pa·s:落球法。 小于10-2 Pa·s:振荡阻滞法。 特征温度 粘度——组成关系 (1) O/Si比? 简单碱金属硅酸盐系统(R2O-SiO2)中碱金属离子R+对粘度的影响 二价阳离子对硅酸盐熔体粘度的影响 16Na2O·xB2O3·(84-x)SiO2 系统玻璃中 560℃时的粘度变化 第三节? 玻璃的通性 1.各向同性:均质玻璃各个方向的性质相同 。 2.介稳性:玻璃处于热力学不稳定、动力学稳定状态。 物质体积与内能随温度变化示意图 玻璃性质随温度的变化 第四节 非晶态固体的形成 1.形成玻璃的物质及方法 2.玻璃形成的热力学条件 3.玻璃形成的动力学条件 4.玻璃形成的结晶化学条件 (1)复合阴离子团大小与排列方式 (2)键强 (3)键型 熔融法形成玻璃的物质 非熔融法形成玻璃的物质 2.玻璃形成的热力学条件 有三种冷却途径: (1)结晶化 (2)玻璃化 (3)分相 热力学条件:玻璃体与晶体内能差别不大,结晶推动力小 几种硅酸盐晶体与玻璃体的生成热 3.玻璃形成的动力学条件 1、乌尔曼理论 玻璃的形成决定于:熔体的黏度 、I 、 U 、 ⊿T 成核、生长速率与过冷度的关系 析晶体积分数为10-6时具有不同熔点物质的T-T-T曲线 一些氧化物的单键强度与形成玻璃的关系 (2)键型 离子键化合物--很难形成玻璃。 金属键物质--最不易形成玻璃。 纯粹共价键化合物--不易形成玻璃。 极性共价键。 既具有共价键的方向性和饱和性、不易改变键长和键角的倾向,促进生成具有固定结构的配位多面体,构成玻璃的近程有序; 又具有离子键易改变键角、易形成无对称变形的趋势,促进配位多面体不按一定方向连接的不对称变形,构成玻璃远程无序的网络结构。 因此极性共价键的物质比较易形成玻璃态。 金属共价键。 在金属中加入半径小电荷高的半金属离子(Si4+、P5+、B3+等)或加入场强大的过渡元素,能对金属原子产生强烈的极化作用,形成spd或spdf杂化轨道,形成金属和加入元素组成的原子团,类似于[SiO4]四面体,也可形成金属玻璃的近程有序, 但金属键的无方向性和无饱和性则使这些原子团之间可以自由连接,形成无对称变形的趋势从而产生金属玻璃的远程无序。 因此金属共价键的物质比较易形成玻璃态。 综上所述,形成玻璃必须具有离子键或金属键向共价键过渡的混合键型。 第五节 玻璃的结构 1.玻璃的结构假说 2.玻璃的基本结构参数 图(A): I,u曲线不重叠,易形成玻璃; 图 (B): I,u极大值温度比(A)靠近,I,u曲线重叠区较小大,析晶范围窄,也易形成玻璃; 图(C): I,u曲线重叠区较大,析晶范围较宽,容易析晶,不易形成玻璃。 I u I (B) 析晶区 u u u ΔT IJ IJ u u ΔT Iv Iv 晶体体积分数x=Vc/V I、u均可表示为过冷度ΔT的函数 欲防止一定程度析晶,可推算所必须的过冷度 玻璃中可检测到的最小的晶体体积分数约为10-6。 1.特定结晶分数10-6, 2.一系列T下,计算I,u[=f(T)] 3.由 得时间t 4.以T或ΔT(=Tm-T)为纵坐标, t为横坐标作3T图 T↓→结晶驱动力ΔT↑,原子迁移↓ 三T曲线上,只有前端即鼻尖对应析出10-6体积分数的晶体所需的时间是最少的。 Tg 玻璃相 TM 稳定液相 亚稳液相 结晶相 时间t/s 三T曲线: 时间(Time)-温度(Temperature)-转变(Transformation) A-Tm=356.6K B-Tm=316.6K C-Tm=276.6K A B C 10-4 10-2 102 104 106 108 1010 1 120 100 80 60 40 20 时间(s) 过冷度(K) 则:为避免形成指定晶体分数的结晶,可估算临界冷却速率: ΔTn:过冷度;Tn、τn:3T曲线头部点对应的温度和时间 (dT/dt)越大,则形成玻璃困难,反之则容易 (1)键强(孙光汉理论) (1)

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