第四章 非晶态固体
第四章 非晶态材料
冷却速率会影响Tg大小，快冷时Tg较慢冷时高， K点在F点前。Fulda测出Na－Ca－Si玻璃：
(a) 加热速度(℃/min) 0.5 1 5 9
Tg(℃)
468 479 493 499
(b) 加热时与冷却时测定的Tg温度应一致（不 考虑滞后）。 实际测定表明玻璃化转变并不是在 一个确定的Tg点上，而 是有一个转变温度范围。
第二节 玻璃的形成
玻璃态物质形成方法归类 玻璃形成的热力学观点 形成玻璃的动力学手段 玻璃形成的结晶化学条件
一、玻璃态物质形成方法归类
1. 传统玻璃生产方法（熔融-冷却法） 缺点：冷却速度较慢，一般40～60K/h。
近代有各种超速冷却 法，冷却速度达
106～108K/sec(实验室急冷达1～10K/s), 用以制造Pb－Si , Au－Si－Ge金属玻璃， V2O5 ，WO3玻璃(一般均为薄膜)。
★非传统玻璃(无定形物质)：TM<Tg 二 者的转变不可逆。用气相沉积等方法 制得的Si、Ge、Bi等无定形薄膜在加 热到Tg之前就会产生析晶相变，宏观 特性上也有一定差别。
四、 由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
性
质
Tg
Tf 温度
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、
Tra当nsxf值or较m小at时io，n x V
三T曲线的绘制：
V
3
IV
u3t 4
1、选择一个特定的结晶分数10－6；
2、在一系列温度下计算成核速率IV 、 生长速率u ；
3、把计算所得IV 、u代入(2－1)式求 出对应时间t ;
4、以 ΔΤ＝ΤM－T 为纵坐标，冷却时 间t为横坐标作出3T图。
第四章非晶态结构与性质
第四章⾮晶态结构与性质第四章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。
非晶态
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非晶态
固态物质原子的排列所具有的近程有序、长程无序的状态
目录
01 的形成
03 结构的表征
02 转变 04 合金
基本信息
非晶态，是指固态物质原子的排列所具有的近程有序、长程无序的状态。对晶体，原子在空间按一定规律作 周期性排列，是高度有序的结构，这种有序结构原则上不受空间区域的限制，故晶体的有序结构称为长程有序。 具有长程有序特点的晶体，宏观上常表现为物理性质（力学的、热学的、电磁学的和光学的）随方向而变，称为 各向异性，熔解时有一定的熔解温度并吸收熔解潜热。
下面描绘了气体、液体、非晶体和晶体典型的径向分布函数RDF图。气体分子完全无序，因此当R>R0时，其 g（R）恒等于1；液体与非晶体的RDF类似，它们都是长程无序而短程有序的，但液体的RDF的峰值明显降低，峰 宽展宽，曲线更加平滑，缺乏非晶体的某些细节。而晶体的RDF为很窄的峰，表明晶体中原子的有序排列。
图1不同状态时材料性能随温度的变化非晶态可由气相、液相快冷形成，也可在固态直接形成（如离子注入、 高能离子轰击、高能球磨、电化学或化学沉积、固相反应等）。
普通玻璃的形成方法，是将原料经过高温熔融形成熔体，然后将熔体进行过冷（急冷）固化变为玻璃体。一 般的冷却速度无法将金属和合金熔体转化为非晶态，必须采用特殊的制备方法，冷却速度要达到极快使它来不及 结晶而形成非晶态。纯金属形成非晶态的冷却速率为1010K/s以上，合金形成非晶态的冷却速率为106K/s以上。 20世纪70年代以后，人们开始采用熔体旋淬急冷方法（Melt Spinning）制备非晶条带，即将高温熔体喷射到高 速旋转的冷却辊上，熔体以每秒百万摄氏度的速度迅速冷却，以致金属中的原子来不及重新排列，杂乱无章的结 构被冻结，这样就形成了非晶态合金。
高分子物理——第四章 非晶态高聚物ppt课件
（三）、高弹态（橡胶态）
力学特征：ε大，约100 ～1000%，且可逆，具有高 弹性，称为高弹态，为聚合物特有的力学状态。模量 E进一步降低—聚合物表现出橡胶行为
分子运动：链段运动
热运动 T↑，链段运动能力↑，ε↑
外力
蜷曲
伸长
T↑，大分子链柔性↑，回复力↑
高弹形变是链段运动使分子发生伸展
卷
曲的宏观表现。回复力↑（抵抗形变）与流动性
主价力（键合力、化学键）
共价键：由原子的价电子自旋配对所形成的键。 C—C（键长、键角、键能） 特点：不离解、不导电、具饱和性和方向性 类型：σ键（电子云分布轴对称）、π键（对称面）
离子键：由正负离子间的静电相互作用形成的键。 金属键：由金属原子的价电子和金属离子晶格之间的相互作用
形成的
次价力（此作用力的大小决定了分子结构，特别是聚集态结构）
⑴ 静电力（取向力，偶极力） 极性分子、永久偶极间
其大小同
偶极矩
↑而↑
定向程度 有关 ↑而↑
T
↑而↓
它是极性分子间的主要作用力
12～21KJ/mol
⑵ 诱导力 永久偶极与由它引起的诱导偶极间 极性分子之间或极性分子与非极性分子间 6～12KJ/mol
⑶ 色散力 是分子瞬时偶极之间的相互作用力 存在于一切分子中（极性或非极性），具加和
4、晶区的分子运动：晶区缺陷的运动、 晶型转变、晶区的局部松驰、折叠链的“手 风琴式”运动。
2，3，4都是小尺寸运动，或者微布朗运动
在上述运动单元中，对聚合物的物理和力 学性能起决定性作用的、最基本的运动单元， 只有1、2两种，而整链运动是通过各链段协同 运动来实现的，因此链段运动最为重要，高分 子材料的许多性能都与链段运动有直接关系。
无机材料科学基础非晶态固体新PPT课件
• （2）二价金属氧化物 RO • 二价金属氧化物对粘度的影响很复杂，它们一方面和R2O一样能使硅氧负离子团解
聚；另一方面它们电价较高，而半径又不大，因此其离子势较大，能夺取硅氧负离 子团中的O2-来包围自己，导致硅氧负离子图聚合。使粘度增加。综合这两个相反 的效应R2-降低粘度的次序是：Ba2+＞Sr2+＞Ca2+＞Mg2+。
大，对粘度其主要作用的是[SiO4]中的Si-O键，这时，加入的正离子半径越小，降 低粘度的作用越大。 次序是：Li+＞Na+＞K+＞Rb+＞Cs+
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• ②当熔体中碱含量高时， O/Si比值 较大时，硅氧四面体接近于岛状， [SiO4]之间主要靠R-O键连接，这时 作用力矩最大的Li+就具有较大的粘度 了。因此，在这种情况下一价碱金属 氧化物的影响 次序是：
3、模型有助于理解熔体结构中聚合物的多样性和 复杂性，从而得出熔体结构特点是近程有序而远程无 序。
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硅酸盐熔体的结构特征： 1.基本结构单元－ [SiO4] 四面体 2.基本结构单元在熔体中存在状态－聚合体 基本结构单元在熔体中组成形状不规则、大小不同的聚合离子团,在这些离子团间存在
•
即急冷后成玻璃体结构为近程有序远程无序。
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强度 I
气体 熔体
玻璃
晶体
sinθ λ
X射线衍射图相似 表明了液体中某一质点最邻近的几个质点的排列
形式与间距和晶体中的相似。这体现了液体结构中 的近程有序和远程无序的特征。
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• （三）硅酸盐熔体 • 因为硅酸盐晶体是以[SiO4]形式存在，Si-O键结合力强，在转变成熔体时难
第4章-非晶态结构与性质
50
金属氧化物（mol%）
图4－10 网络改变剂氧化物对熔融石英粘度的影响
□=Li2O-SiO2 1400℃ ；○＝K2O-SiO2 1600℃；△=BaO-SiO2 1700℃
1000
K 100 η（Pa.s） Na Li
10
1
在简单R2O－SiO2中，碱 金属离子R＋对粘度的影响与本 身含量有关。 当其含量较低时（此时氧 硅比较小）： Li+>Na+>K+>Rb+>Cs+ 熔体中R2O含量较高时 ： K+＞Na+>Li+
玻璃粘度随温度变化的速率称为料性。相
同粘度变化范围内，所对应的温度变化范围大，
称为料性长。反之，为料性短。（了解） 见P174, Fig.4.9
举例1 4.6 熔体粘度在727℃时是107Pa· s，在1156℃时是 103Pa· s，在什么温度下它是106Pa· s？ 解：根据
A=-6.32，B=13324
图4-6 偏硅酸钠熔体结构模型（二维示意图）
§ 4.1.3 熔体的分相
分相：在某些情况下，硅酸盐熔体会分成2种或2 种以上的不混溶液相。 硅酸盐熔体有：Si-O聚合体；R-O多面体 正离子R和氧的键强近似地取决于正离子电荷与 半径之比。Z/r越大，分相倾向越明显。反之，不易 导致分相。
Li+的半径小，易产生第二液相的液滴，造成乳 光现象。
[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。
第4章 非晶态结构与性质 知识点066hxh
知识点066. 玻璃的结构理论
学说要点：
520℃-590 ℃实验依据
100 T(℃)
200 400
300 500
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
缺乏对称性和周期性的重复
石英玻璃
0 0.04 0.08 0.12 0.16 0.20 0.24 λ
方石英
λ
硅胶
sinθ
优点：缺陷：
优点：均匀性、连续性及无序性
缺陷：
硼硅酸盐玻璃分相与不均匀
光学玻璃氟化物与磷酸盐玻璃分相
•两大学说的相同点：
•两大学说的不同点：
近程有序远程无序
本章知识点回顾：
知识点060. 液体的一般性状与结构
知识点061. 硅酸盐熔体的聚合物结构理论知识点062. 熔体的粘度及变化
知识点063. 熔体的表面张力及变化
知识点064. 玻璃的通性、玻璃的形成与转变知识点065. 玻璃形成的条件
知识点066. 玻璃的结构理论。
非晶态固体物理学
非晶态固体物理学非晶态固体物理学（Amorphous Solid Physics），是材料科学中一个很重要的分支研究领域。
其研究范围涉及从非晶态材料的制备、表征、低温物理性质，到非晶态固体的应用等。
今天，我将围绕着这个话题，向大家介绍非晶态固体物理学的相关知识。
第一步：概念介绍所谓非晶态固体，指的是在结晶和液态之间的一种状态。
它的特点是具有高度无序的原子排列结构，因而也被称为无序固体。
非晶态固体没有明确的晶格结构，大多数都是在高温状态下制备而成。
而非晶态固体物理学则是研究这种材料的物理性质和相关应用的学科。
第二步：制备方法目前，在制备非晶态材料方面，主要使用的是快速冷却技术。
其核心思想是将高温合金明显过冷却到玻璃态，如此可以使材料的制备工艺不受约束，并将许多性质调制成很宽的范畴。
快速冷却即是通过超过数十万度每秒的速率将材料从液态快速冷却到固态。
这种制备方式的优点是可以制备出具有复杂原子结构的非晶材料，并且可以得到很高的玻璃形态。
第三步：性质研究非晶态固体物理学的核心之一是探究非晶态材料与其它材料之间的相互作用。
非晶态固体的物理性质主要表现在两个方面：第一，非晶态固体的各向异性性质较差，这使得它在接触中其他物质时具有良好的适应性，减少了晶体材料表面上的晶行导致的断口；第二，非晶态固体的强度和塑性特性均较高，使其在工程材料中具有广泛的应用前景。
第四步：应用领域除了了解非晶态固体的基础物理特性之外，它还有许多重要的应用领域。
其中之一是聚类基础的功能性玻璃，可以应用在光电子设备、传感器、存储器，以及生物医药等领域。
此外，非晶态固体还被广泛应用于意大利NASA天主教大学等地的研究中，以探究类似恒星形成、物质相互作用及类似气溶胶的物理过程。
总之，非晶态固体物理学是一个广泛而有趣的领域，涉及到多个方面的理论和实践知识。
十分值得科研工作者和材料科学家去探究和挖掘。
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材料科学基础
评价
(1) 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， 揭示了玻璃各向 同性等性质。
(2) 不足之处：对分相研究不利，不能完 满解释玻璃的微观不均匀性和分相现象
材料科学基础
第四章 非晶态固体
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材料科学基础
• 非晶态固体
➢ 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：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。
➢ 不足之处：晶子尺寸太小，无法用X射线检测， 晶子的含量、组成也无法得知。
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（二）无规则网络学说
材料科学基础
(1)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。
(2)这种网络是由离子多面体通过桥氧相连，向三维空间无规
律的发展而构筑起来的。因此玻璃的内能比晶体的内能要
➢ 短程有序，长程无序
• 非晶态固体范畴
玻璃、非晶态金属及非晶态半导体等。
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材料科学基础 Jiangsu University
强度 I
材料科学基础
气体 熔体 玻璃
晶体
sinθ λ
气体、熔体、玻璃体和晶体的XRD图 结论： ①熔体和玻璃的结构近似.
②玻璃虽然远程无序，存在着近程有序的区域。
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
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材料科学基础
一、 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 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。
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材料科学基础
➢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-Ge）； III-V族化合物非晶态半导体（a-GaAs，aGaP，a-InP及a-GaSb等）。
Y＝ 每个多面体中中桥氧离子平均数
参数间的关系：
XYZ
XY/2R
X ＝ 2R － Z Y ＝ 2Z － 2R
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Y俩表
材料科学基础
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
➢ 非晶态合金统称“金属玻璃”。以极高 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。
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三、玻璃
材料科学基础
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。
玻璃结构特点：近程有序，远程无序。
两个很重要的学说
无规则网络学说 晶子学说
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2、玻璃的结构参数
材料科学基础
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。
Z = 每个多面体中氧离子平均总数
(硅酸盐和磷酸盐玻璃中为4，硼酸盐玻璃中为3)
R＝ 玻璃中氧离子总数与网络形成离子总数之比
X＝ 每个多面体中非桥氧离子平均数
大。
(3)氧化物(AXOY)要形成玻璃必须具备四个条件 A、每个O最多与两个网络形成离子(A)相连。 B、多面体中阳离子(A)的配位数 ≤ 4。 C、多面体共点而不共棱或共面。 D、多面体至少有3个角与其它相邻多面体共用。
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材料科学基础
如石英玻璃和石英晶体的基本结构单元都是硅氧四面体 [SiO4]。各硅氧四面体[SiO4]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[SiO4]有着严格的规则排 列；而在石英玻璃中，硅氧四面体[SiO4]的排列是无序的， 缺乏对称性和周期性的重复。
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（一）晶子学说
材料科学基础
➢ 要点：玻璃由无数的“ 晶子”组成。所谓“ 晶子” 不同于一般微晶，而是带有晶格变形的有序区域， 它分散于无定形的介质中，并且“ 晶子”到介质 的过渡是逐渐完成的，两者之间无明显界线。
➢ 意义及评价：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。
常见玻璃类型
一 硅酸盐玻璃 二 硼酸盐玻璃 三 磷酸盐玻璃
材料科学基础
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硅酸盐玻璃
材料科学基础
➢1、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。符合不规则网络学说。
➢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VI族元素，它 们往往是以玻璃态形式存在。
➢氧 TiO化2，物S非nO晶2半及导Ta体2OG5等eO。2，BaO，SiO2，
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二、非晶态金属
材料科学基础
➢ 高的硬度和韧性，优异的耐腐蚀性，低 损耗非晶磁性材料。主要非晶态金属和合 金的结构模型。
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材料科学基础
2、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
➢ 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 在有序无序的比例和结构上还有争论。
晶子假说着重于玻璃结构的微不均匀和 有序性。
无规则网络学说着重于玻璃结构的无序、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。
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