非晶态结构与性质.98页PPT
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非晶态结构与性质.
（3）粘度的测定
硅酸盐熔体粘度相差很大（10-2~1015Pa· s）不同范围粘度
用不同方法测定．
107~1015 Pa· s：拉丝法。根据玻璃丝受力作用的伸长速度来 确定。
10~107 Pa· s：转筒法。利用细铂丝悬挂的转筒浸在熔体内 转动，悬丝受熔体粘度的阻力作用扭成一定角度，根据扭 转角的大小确定粘度。 100.5~1.3×105 Pa· s：落球法。根据斯托克斯沉降原理，测 定铂球在熔体中下落速度求出。
液体→气体：体积增大数百倍至数千倍（例如水增大1240倍）。
表明：液体中质点之间平均距离和固体十分接近，而和气体差别较大。
2．晶体熔融热比液体气化热小得多
Na晶体 熔融热（kJ/mol） 2.51 Zn晶体 6.70 冰 6.03
水气化热（kJ/mol） 40.46
表明：晶体和液体内能差别不大，质点在固体和液体中相互作用力接近。
影响熔体粘度的主要因素：温度 化学组成 不同温度下，硅酸盐熔体粘度可在 10-2~1015 Pa· s间变化； 同一温度下，组成不同熔体的粘度有很大差别；
硅酸盐熔体粘度比一般液体高得多
硅酸盐熔体结构中有多种聚合程度不同的聚合物交织
形成网络，质点间移动困难
几种熔体的粘度
熔 体 温度（℃） 20 800 1400 1400 1400 粘度（Pa· s） 0.001006 0.00149 17780 4365 1585
3:1
2
2
3:1 2.75:1 2.5:1
2 2.5 3
2 1.5 1 二维方向无限延伸
1 [Si4O11]6∞
2 [Si4O10]4∞
2:1
架状硅酸盐
3 [SiO2] ∞
《非晶态结构与性质》课件
3 随机连接方式
原子或分子之间以随机方式连接形成非晶态结构。
非晶态材料的制备方法
快速凝固
通过迅速冷却高温熔融的材料来制备非晶态材料。
固态反应
通过固态反应制备非晶态材料，如溶胶-凝胶法等。
纳米材料合成
利用纳米材料的特殊性质合成非晶态材料。
非晶态材料的性质
高硬度
非晶态材料具有较高的硬度， 适用于耐磨、抗划伤的应用。
优异的韧性
非晶态材料表现出优异的韧 性，在冲击加载下具有良好 的抗碎裂能力。
低热导率
非晶态材料的低热导率使其 成为热障涂层、热电器件等 应用的理想选择。
非晶态材料的应用领域
电子器件
非晶态材料在电子器件中应用 广泛，如薄膜晶体管、存储器 件等。
医疗设备
非晶态材料在医疗设备领域具 有良好的生物相容性和机械性 能。
太阳能电池
非晶态聚合物材料可用于制备 高效、柔性的太阳能电池。
非晶态材料的前景和挑战
前景
非晶态材料在新型能源、光电子学等领域具 有广阔的应用前景。
挑战
非晶态材料的制备工艺和理论研究仍面临一 定的挑战，需要进一步深入研究。
总结
非晶态结构的定义、特征、制备方法、性质、应用领域以及前景和挑战都是非晶态材料领域中重要的研 究内容。
《非晶态结构与性质》 PPT课件
非晶态结构是指没有明确长程有序的结构，而是由无规则排是指材料中没有明确的、长程的周期性重复单元的结构。
非晶态结构的特征
1 无规则排列
原子或分子在非晶态材料中呈现无规则的排列方式。
2 无明确周期性
非晶态材料中没有明确的、长程的周期性重复单元。
原子或分子之间以随机方式连接形成非晶态结构。
非晶态材料的制备方法
快速凝固
通过迅速冷却高温熔融的材料来制备非晶态材料。
固态反应
通过固态反应制备非晶态材料，如溶胶-凝胶法等。
纳米材料合成
利用纳米材料的特殊性质合成非晶态材料。
非晶态材料的性质
高硬度
非晶态材料具有较高的硬度， 适用于耐磨、抗划伤的应用。
优异的韧性
非晶态材料表现出优异的韧 性，在冲击加载下具有良好 的抗碎裂能力。
低热导率
非晶态材料的低热导率使其 成为热障涂层、热电器件等 应用的理想选择。
非晶态材料的应用领域
电子器件
非晶态材料在电子器件中应用 广泛，如薄膜晶体管、存储器 件等。
医疗设备
非晶态材料在医疗设备领域具 有良好的生物相容性和机械性 能。
太阳能电池
非晶态聚合物材料可用于制备 高效、柔性的太阳能电池。
非晶态材料的前景和挑战
前景
非晶态材料在新型能源、光电子学等领域具 有广阔的应用前景。
挑战
非晶态材料的制备工艺和理论研究仍面临一 定的挑战，需要进一步深入研究。
总结
非晶态结构的定义、特征、制备方法、性质、应用领域以及前景和挑战都是非晶态材料领域中重要的研 究内容。
《非晶态结构与性质》 PPT课件
非晶态结构是指没有明确长程有序的结构，而是由无规则排是指材料中没有明确的、长程的周期性重复单元的结构。
非晶态结构的特征
1 无规则排列
原子或分子在非晶态材料中呈现无规则的排列方式。
2 无明确周期性
非晶态材料中没有明确的、长程的周期性重复单元。
第4章 非晶态结构与性质
硼反常现象： 由于B3＋离子配位数变化引 起性能曲线上出现转折的现象。
（6）混合碱效应：粘度↑ 混合碱效应：熔体中同时引入一种以上R2O或RO时，粘度比等量的一种R2O或RO高。 与离子半径、配位等结晶化学条件不同而相互制约有关。
（7）离子极化：粘度↓ 极化使离子变形，共价键成分增加，减弱Si－O键力。温度一定时，引入等量的具 有 18电子层结构的二价副族元素离子 Zn2+、Cd2+、Pb2+等较引入含8电子层结构的 碱土金属离子更能降低系统的粘度，即当粘度一定时，系统对应温度更低。 η＝1012Pa·s时18Na2O·12RO·70SiO2玻璃对应温度 8电子结构 T(℃) 第四周期 第五周期 第六周期 CaO SrO BaO 533 511 482 18电子结构 T(℃) ZnO CdO PbO 513 487 422
3. 硼酸盐熔体随碱含量减少，表面张力温度系数dσ/dT由负逐 渐接近零值，并有可能出现正值。 【原因】温度升高：熔体中 各组分活动能力增强，破坏熔体表面 [BO3] 平面基团的整齐排 列，使表面张力增大。
2．表面张力－组成关系
结构类型相同的离子晶体，晶格能越大，则熔体表面张力越
大；单位晶胞边长越小，则熔体表面张力越大。
1．粘度－温度关系
（1） 弗仑格尔公式 ф＝A1ｅ－△u/kT η＝1/ф＝A2ｅ△u/kT logη＝A＋B/T 式中 △u——质点粘滞活化能； K——波尔兹曼常数； T——绝对温标； A1 、 A2 、 A——与熔体组成有关的常数。
【注意】该公式假定粘滞活化能是 与温度无关的常数，则只能应用于 简单的不缔合的液体或在一定温度 范围内缔合度不变的液体。对于硅 酸盐熔体在较大温度范围时，斜率 会发生变化，因而在较大温度范围 内以上公式不适用。
非晶态材料的结构特性与亚稳定性PPT(22张)
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13、时间，抓住了就是黄金，虚度了就是流水。理想，努力了才叫梦想，放弃了那只是妄想。努力，虽然未必会收获，但放弃，就一定一无所获。
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14、一个人的知识，通过学习可以得到;一个人的成长，就必须通过磨练。若是自己没有尽力，就没有资格批评别人不用心。开口抱怨很容易，但是闭嘴努力的人更加值得尊敬。
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15、如果没有人为你遮风挡雨，那就学会自己披荆斩棘，面对一切，用倔强的骄傲，活出无人能及的精彩。
§3 非晶合金材料
§3.1非晶合金的发展历史 1960年Duwez等人采用Au-Si合金首次制备非晶相 二元非晶系合金一般是由过渡族金属或贵金属和玻璃 化非金属或类金属组成如Fe、Ni、Co等和B、Si、C、P等， 玻璃化元素原子百分比为15-30％ 主要的非晶合金系有： 贵金属基、铁基、钴基、镍基、钛基、锆基、铌基、 钼基镧系金属基、铝基、镁基合金等
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18、在人生的舞台上，当有人愿意在台下陪你度过无数个没有未来的夜时，你就更想展现精彩绝伦的自己。但愿每个被努力支撑的灵魂能吸引更多的人同行。
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19、积极的人在每一次忧患中都看到一个机会，而消极的人则在每个机会中看到了某种忧患。莫找借口失败，只找理由成功。
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20、每一个成就和长进，都蕴含着曾经受过的寂寞、洒过的汗水、流过的眼泪。许多时候不是看到希望才去坚持，而是坚持了才能看到希望。
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5、世上最美好的事是：我已经长大，父母还未老;我有能力报答，父母仍然健康。
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6、没什么可怕的，大家都一样，在试探中不断前行。
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7、时间就像一张网，你撒在哪里，你的收获就在哪里。纽扣第一颗就扣错了，可你扣到最后一颗才发现。有些事一开始就是错的，可只有到最后才不得不承认。
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6第四章非晶态结构
要点：由于熔体质点都处在相邻质点的键力作用 之下，即每个质点均落在一定大小的位垒 Δu之间。因此要使质点移动，就得使它 们具有克服此位垒的足够能量。具高于位 垒能量的质点为活化质点。若这种活化质 点数目越多，则流动性就愈大。
n = A1e
Du kT
h = A3 e
Du kT
当Δ u不随温度
B lg h = A + T
4.1 熔体的结构 4.1.1 熔体概述 液体和晶体相似。例如： （1）晶体与液体的体积密度相近。（固液转变时， 体积变化小，一般不10超过%，相当于质点间平 均距离增加3 %左右）；气化时，如水增大1240倍。 （2）晶体的熔解热不大，经液体的气化热小得多。 说明二者内能差别较小。 （3）固液态热容量相近。 （4）X－ray衍射图谱相似。
硅酸盐熔体中， 活化能不仅与熔体的 组成有关，还与熔体 中[SiO4]的聚合度有 关。温度较高时，以 低聚物为主，较低时， 以高聚物为主。因此， 在高温或低温区，聚 合度变化不大时，可 近似看成直线关系。
2000 1600 1200 1000 12
800
600
9
Log η
6
3 0 0.4
0.6
0.8
B lgh = A+ T- T 0
式中：A、B、T0为与熔体 组成有关的常数。其中，T0 为液体分子不能再移动时的 温度。
粘度范围（帕. 测试方法 秒） 107－1015 拉丝法 转筒法 10-107
备注 根据玻璃丝受力作用的伸长速度来确 定 利用细铂丝悬挂的转筒浸在熔体内转 动，悬丝受熔体粘度的阻力作用扭成 一定角度，根据扭转角的大小确定粘 度 测定铂球在熔体中下落速度求出（根 据Stokes原理）
表4.2 硅酸盐聚合结构
非晶态结构、性质、与类型
各种聚合体的混合物，构成硅酸盐熔体结构。
影 响
聚合物的种类、大小和数量随熔体的组成和
因 温度而变化。
素
非晶态结构、性质、和类型
模型验证
存在不同类型的聚 合物。 大分子被小分子包 围，小分子起“润滑” 作用，提高流动性。 近程有序，远程无 序。 冷却过程中，大分 子将邻近小分子链固 定下来，迅速结晶。
Li+的半径小，易产生第二液相的液滴，造成乳 光现象。
非晶态结构、性质、和类型
§ 4.2 熔体的性质
4.2.1 粘度 概念: 流体抵抗流动的量度。 物理意义：单位接触面积、单位速度梯度下两层液体 间的内摩擦力，又称流体的粘滞力。
876543 负离子含[SiO4]数
21
[SiO4]四面体在各种聚合物中的分布与
非晶态结构、性质、和类型
R的关系
聚合物理论小结
形 初期：石英（或硅酸盐）的分化； 成 中期：缩聚并伴随着变形；
过 后期：在一定时间和一定温度下，缩聚－分 程 化达到平衡。
产 低聚物、高聚物、三维晶格碎片以及游离碱、 物 吸附物，最后得到的熔体是不同聚合程度的
[SiO4]Na4+ [SiO4]Na4——[Si2O7]Na6+Na2O [SiO4]Na4+[Si2O7]Na6 ——[Si3O10]Na8+ Na2O [SiO4]Na4+[SinO3N+1]Na（2n+2） ——-——
[Sin+1O3n+4]Na（2n+4）+ Na2O 后期：在一定时间和一定温度下，缩聚－分化达到平衡。
非晶态结构、性质、和类型
➢升温和无序化： 线性链： 围绕Si－O轴发生转动、弯曲；
影 响
聚合物的种类、大小和数量随熔体的组成和
因 温度而变化。
素
非晶态结构、性质、和类型
模型验证
存在不同类型的聚 合物。 大分子被小分子包 围，小分子起“润滑” 作用，提高流动性。 近程有序，远程无 序。 冷却过程中，大分 子将邻近小分子链固 定下来，迅速结晶。
Li+的半径小，易产生第二液相的液滴，造成乳 光现象。
非晶态结构、性质、和类型
§ 4.2 熔体的性质
4.2.1 粘度 概念: 流体抵抗流动的量度。 物理意义：单位接触面积、单位速度梯度下两层液体 间的内摩擦力，又称流体的粘滞力。
876543 负离子含[SiO4]数
21
[SiO4]四面体在各种聚合物中的分布与
非晶态结构、性质、和类型
R的关系
聚合物理论小结
形 初期：石英（或硅酸盐）的分化； 成 中期：缩聚并伴随着变形；
过 后期：在一定时间和一定温度下，缩聚－分 程 化达到平衡。
产 低聚物、高聚物、三维晶格碎片以及游离碱、 物 吸附物，最后得到的熔体是不同聚合程度的
[SiO4]Na4+ [SiO4]Na4——[Si2O7]Na6+Na2O [SiO4]Na4+[Si2O7]Na6 ——[Si3O10]Na8+ Na2O [SiO4]Na4+[SinO3N+1]Na（2n+2） ——-——
[Sin+1O3n+4]Na（2n+4）+ Na2O 后期：在一定时间和一定温度下，缩聚－分化达到平衡。
非晶态结构、性质、和类型
➢升温和无序化： 线性链： 围绕Si－O轴发生转动、弯曲；
非晶态结构及性质
非晶态结构与性质内容提要熔体和玻璃体是物质另外两种聚集状态。
相对于晶体而言，熔体和玻璃体中质点排列具有不规则性，至少在长距离范围结构具有无序性，因此，这类材料属于非晶态材料。
从认识论角度看，本章将从晶体中质点的周期性规则形排列过渡到质点微观排列的非周期性、非规则性来认识非晶态材料的结构和性质。
熔体特指加热到较高温度才能液化的物质的液体，即较高熔点物质的液体。
熔体快速冷却则变成玻璃体。
因此，熔体和玻璃体是相互联系、性质相近的两种聚集状态，这两种聚集状态的研究对理解无机材料的形成和性质有着重要的作用。
传统玻璃的整个生产过程就是熔体和玻璃体的转化过程。
在其他无机材料（如陶瓷、耐火材料、水泥等）的生产过程中一般也都会出现一定数量的高温熔融相，常温下以玻璃相存在于各晶相之间，其含量及性质对这些材料的形成过程及制品性能都有重要影响。
如水泥行业，高温液相的性质（如粘度、表面张力）常常决定水泥烧成的难易程度和质量好坏。
陶瓷和耐火材料行业，它通常是强度和美观的有机结合，有时希望有较多的熔融相，而有时又希望熔融相含量较少，而更重要的是希望能控制熔体的粘度及表面张力等性质。
所有这些愿望，都必须在充分认识熔体结构和性质及其结构与性质之间的关系之后才能实现。
本章主要介绍熔体的结构及性质，玻璃的通性、玻璃的形成、玻璃的结构理论以及典型玻璃类型等内容，这些基本知识对控制无机材料的制造过程和改善无机材料性能具有重要的意义。
4.1 熔体的结构一、对熔体的一般认识自然界中，物质通常以气态、液态和固态三种聚集状态存在。
这些物质状态在空间的有限部分则称为气体、液体和固体。
固体又分为晶体和非晶体两种形式。
晶体的结构特点是质点在三维空间作规则排列，即远程有序；非晶体包括用熔体过冷而得到的传统玻璃和用非熔融法（如气相沉积、真空蒸发和溅射、离子注入等）所获得的新型玻璃，也称无定形体，其结构特点是近程有序，远程无序。
习惯上把高熔点物质的液体称为熔体（指熔点温度以上，具有一定流动性的液体），所以对于硅酸盐来说，它的液体一般称之为熔体。
非晶态结构与性质.pptx
Tg－脆性温度，即退火的上 限温度（消除内应力）
Tf－软化温度，拉丝的最低 温度
Tg～Tf：反常间距，在这一 温度段内，玻璃性质变化剧 烈。
液固状态下的V~T关系
第29页/共73页
玻璃的形成
• 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
9
6
3
0
0.4
0.6 0.8 1.0 1.2
1/T10-3 (K-1)
钠钙硅酸盐玻璃熔体粘度与
温度的关系
但这个公式假定 粘滞活化能是和温度无 关的常数，所以只能应 用于简单的不缔合的液 体或在一定温度范围内 缔合度不变的液体。对 于硅酸盐熔体在较大温 度范围时，斜率会发生 变化，因而在较大温度 范围内以上公式不适用。
1Pa·s＝1N·s/ m2＝10dyne·s／cm2＝10 P（泊）或
1dPa·s（分帕·秒）＝1P（泊）。粘度的倒数称液体流动
度ф，即ф=1/η。
第8页/共73页
二、影响熔体粘度的主要因素 1. 温度
硅酸盐熔体在不同温度下的粘度相差很大， 可以从10－2变化至1015 Pa·s；组成不同的熔 体在同一温度下的粘度也有很大差别。
• 3.缩聚 • 分化过程产生的低聚物相互作用，形成级次较
高的聚合物，释放出部分Na2O
4.平衡
此时，系统呈现的状态，“近程有序远程无 序”。
第6页/共73页
三、影响低聚物浓度的因素
• 1. 温度 • 温度升高，断键数目增加，低聚物浓度增大。 • 2. 组成 • Si4+/O2-＝1/2－1/3 － 1/4，低聚物浓度增大； • Na2O含量增加，O2-形成非桥氧，聚合物分化，低聚物浓度增大； • 碱金属氧化物增加，低聚物浓度增大。
Tf－软化温度，拉丝的最低 温度
Tg～Tf：反常间距，在这一 温度段内，玻璃性质变化剧 烈。
液固状态下的V~T关系
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玻璃的形成
• 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
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0.4
0.6 0.8 1.0 1.2
1/T10-3 (K-1)
钠钙硅酸盐玻璃熔体粘度与
温度的关系
但这个公式假定 粘滞活化能是和温度无 关的常数，所以只能应 用于简单的不缔合的液 体或在一定温度范围内 缔合度不变的液体。对 于硅酸盐熔体在较大温 度范围时，斜率会发生 变化，因而在较大温度 范围内以上公式不适用。
1Pa·s＝1N·s/ m2＝10dyne·s／cm2＝10 P（泊）或
1dPa·s（分帕·秒）＝1P（泊）。粘度的倒数称液体流动
度ф，即ф=1/η。
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二、影响熔体粘度的主要因素 1. 温度
硅酸盐熔体在不同温度下的粘度相差很大， 可以从10－2变化至1015 Pa·s；组成不同的熔 体在同一温度下的粘度也有很大差别。
• 3.缩聚 • 分化过程产生的低聚物相互作用，形成级次较
高的聚合物，释放出部分Na2O
4.平衡
此时，系统呈现的状态，“近程有序远程无 序”。
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三、影响低聚物浓度的因素
• 1. 温度 • 温度升高，断键数目增加，低聚物浓度增大。 • 2. 组成 • Si4+/O2-＝1/2－1/3 － 1/4，低聚物浓度增大； • Na2O含量增加，O2-形成非桥氧，聚合物分化，低聚物浓度增大； • 碱金属氧化物增加，低聚物浓度增大。