11.1 非晶态固体的结构
非晶体
基本性质
基本性质
非晶体又称无定形体内部原子或分子的排列呈现杂乱无章的分布状态的固体称为非晶体。如玻璃、沥青、松 香、塑料、石蜡、橡胶等。非晶态固体包括非晶态电介质、非晶态半导体、非晶态金属。它们有特殊的物理、化 学性质。例如金属玻璃（非晶态金属）比一般（晶态）金属的强度高、弹性好、硬度和韧性高、抗腐蚀性好、导 磁性强、电阻率高等。这使非晶态固体有多方面的应用。它是一个正在发展中的新的研究领域，得到迅速的发展。
非晶体
一种固体物质
01 基本性质
03 相互区别
目录
02 形成条件 04 熔化
基本信息
非晶体是指结构无序或者近程有序而长程无序的物质，组成物质的分子（或原子、离子）不呈空间有规则周 期性排列的固体，它没有一定规则的外形。它的物理性质在各个方向上是相同的，叫“各向同性”。它没有固定 的熔点，所以有人把非晶体叫做“过冷液体”或“流动性很小的液体”。玻璃体是典型的非晶体，所以非晶态又 称为玻璃态。重要的玻璃体物质有：氧化物玻璃、金属玻璃、非晶半导体和高分子化合物。
晶体与非晶体之间在一定条件下可以相互转化。例如，把石英晶体熔化并迅速冷却，可以得到石英玻璃。将 非晶半导体物质在一定温度下热处理，可以得到相应的晶体。可以说，晶态和非晶态是物质在不同条件下存在的 两种不同的固体状态，晶态是热力学稳定态。
形成条件
结晶化学条件
热力学条件
动力学条件
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
热力学条件
熔融体是物质在熔化温度以上的一种高能量状态，随着温度的下降，根据熔体释放能量的大小不同，可以有 三种冷却过程。
第四讲第二部分非晶合金
❖ 特别是Co-Fe-Ta-B合金的强度达到了5000MPa，创造了自 然界中金属材料强度最高记录。
❖ 目前已开发出的Zr基块体非晶合金的断裂韧性可达 60MPa·m1/2。以上且在高速载荷作用下具有非常高的动态断 裂韧性，在侵彻金属时具有自锐性，是目前已发现的最为优 异的穿甲弹芯材料之一。
金属玻璃的强度、硬度和弹性模量
韧性和延性
❖ 非晶合金不仅具有很高的强度和 硬度，与脆性的无机玻璃截然不 同，还具有很好的韧性，并且在 一定的受力条件下还具有较好的 延性。
❖ Fe80B20非晶合金的断裂韧性可达 12MPa.m-1/2，这 比强 度相近 的 其 它材料的韧性高得多，比石英玻 璃的断裂韧性约高二个数量级。
热学性能
❖ 非晶态合金处于亚稳态，是温度敏感材料。 ❖ 如果材料的晶化温度较低，非晶态合金更不
稳定，有些甚至在室温时就会发生转变。
非晶的热处理
❖ 金属玻璃在相当宽的温度范围内，都显示出 很低的热膨胀系数，并且经过适当的热处理， 还可进一步降低非晶合金在室温下的热膨胀 系数。
几种非晶合金的热膨胀系数(10-6/℃)
❖ 定量上看，Bernal模型与实验还是有差距的，在构造的几何 模型径向分布函数的第二峰上，两种元素的峰的位置和密 度存在差异……
微晶模型
❖ 在早期研究无定形金属材料的结构时，人们还习惯于沿用晶 体学观点，Bragg等认为，无定形金属的结构也是由非常小 的微晶组成，晶粒大小约为十几埃到几十埃，这样晶粒内的 短程序与晶体的完全相同，而长程无序是各晶粒的取向杂乱 分布的结果。这种模型的不足之处在于不能够清楚地描述晶 界处的原子排列，而且用这种模型计算出的径向分布函数或 者双体关联函数与实验难以定量符合。
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。
非晶态材料的结构和性质探究
非晶态材料的结构和性质探究随着科学技术的不断发展，材料科学领域中有一个重要的分支——非晶态材料。
相较于晶态材料，非晶态材料具有更多的特殊性质，广泛应用于电子、光学、力学等众多领域。
本文将探究非晶态材料的结构和性质，着重讲解非晶态材料相变过程中的特性。
一、非晶态材料的特性非晶态材料是一种无序的结构状态，其原子或分子排列没有规则性可循。
这种无序状态可以使得非晶态材料具有比晶态材料更好的性质，例如：1. 力学性质：非晶态材料具备比晶态材料更高的强度和更好的韧性，因为其无序结构可以吸收更多的能量，从而避免应力集中的发生。
2. 热学性质：非晶态材料比晶态材料更好地维持其形状和结构，因为其良好的热稳定性可以防止晶界不稳定，使受热材料没有破裂的风险。
3. 电学性质：非晶态材料有时比晶态材料具有更好的导电性和磁性，因为其无序性使电子和电离子的移动更容易，比如非晶态碳材料、非晶态合金等。
二、非晶态材料的制备方法非晶态材料的制备方法多样，其中最常见的有：1. 溅射法：利用高能量离子束轰击原材料，将离子以固体形式沉积到厚度为20~100nm的基板上，形成非晶态薄膜材料。
2. 快速凝固法：将液态金属流淌在高温基底板上，迅速冷却至极低温度（20K），从而得到非晶态合金材料。
3. 机械法：通过机械磨粉、球磨、冲击等方式制备纳米非晶态材料。
三、非晶态材料的相变过程相变是指物质由一种状态转变为另一种状态的过程。
相较于晶态材料，非晶态材料的相变过程更加独特和复杂。
以非晶态金属为例，在高温下它们呈现出非晶态，但当温度下降时，非晶态材料会发生玻璃-金属相变，这种相变通常被称为相变前的热事件（Tg）和相变后的热事件（Tx）。
Tg是非晶态材料从固体状态转变为液体状态的温度，此时其结构变得更加有序；而Tx则是非晶态材料从玻璃状态转变为金属状态的温度，此时不光温度变化，而且其结构改变也十分复杂。
Tg 和Tx温度升高或降低对材料的性质产生重要影响。
非晶质结构名词解释
非晶质结构名词解释非晶质结构名词解释导语：非晶质结构是一种特殊的物质结构形态，与晶体结构相对。
它具有无定形、非周期性的特征，表现出独特的物理和化学性质。
本文将对非晶质结构进行全面评估，从浅入深地探讨其定义、形成原理、性质特点以及在材料科学领域的应用。
通过本文的阅读，您将对非晶质结构有更全面、深入和灵活的理解。
一、非晶质结构的定义1. 介绍：非晶质结构，也被称为无定形结构或玻璃态结构，是物质在凝聚态下一种不具有周期性、无定形的结构状态。
2. 无定形的表现：非晶质结构的原子或分子排列没有规律的重复性，呈现出无序分布的状态。
3. 与晶体结构的对比：与晶体结构相比，非晶质结构缺乏长程有序性，其结构可以被视为一种高度调制的、无规律的有序性。
二、非晶质结构的形成原理1. 过冷液体的快速冷却：非晶质结构的形成通常要求物质从高温液体迅速冷却至超过其玻璃转变温度，形成固态玻璃。
2. 玻璃转变：在过冷液体快速冷却过程中，物质凝固成固态玻璃，并且不通过晶体态中间相。
这种突然的结构变化称为玻璃转变。
三、非晶质结构的性质特点1. 基本性质：非晶质结构具有无定形性、各向同性以及无孪晶界等特点。
2. 物理性质：非晶质材料通常具有高硬度、高强度、高弹性模量和低膨胀系数等特点。
3. 化学性质：非晶质结构能够在高温下保持结构的稳定性，具有较高的抗腐蚀性和化学稳定性。
4. 变形特性：非晶质材料在变形方面表现出较大的塑性变形能力和较低的流动阈值。
四、非晶质结构在材料科学中的应用1. 杂化材料：非晶质合金是一类应用广泛的杂化材料，由两种或多种元素组成，通过非晶化工艺制备而成。
其具有出色的力学性能和耐磨性，广泛应用于航空航天、汽车工业和电子领域。
2. 非晶质硅：非晶质硅是一种无定形的硅材料，因具有优异的光学和电学性能，被广泛应用于太阳能电池、液晶显示器和半导体器件等高科技领域。
3. 药物释放系统：利用非晶质材料的无规则结构和较大的孔隙度，可以制备出具有优异药物释放性能的药物载体。
非晶态和玻璃态物质的性质和特征
非晶态和玻璃态物质的性质和特征非晶态和玻璃态物质是固态物质的两种重要状态。
非晶态和玻璃态物质与晶体态物质相比，具有许多不同的特点和性质。
在本文中，我们将详细介绍非晶态和玻璃态物质的性质和特征。
一、非晶态物质的性质和特征非晶态物质是没有具体的晶体结构的物质。
相比之下，晶体结构是由周期性的原子或分子排列组成的。
非晶态物质不能用点阵表示，因为它的物质分布是没有规则的。
非晶态物质的性质和特征包括以下几点：1. 无法定义晶体结构。
非晶态物质没有周期性结构，这导致它们没有明显的晶体形态或晶界。
2. 非晶态物质没有长程有序的结构。
理论上，非晶态物质会有一些短程有序的局部结构，这些结构具有定向性，但它们没有长程的周期性。
3. 非晶态物质的熔化温度比晶体略低。
由于非晶态物质的原子或分子之间没有具体的排列方式，当加热时，它们会在较低的温度下开始熔化。
4. 非晶态物质有均匀分布的能量。
在晶体中，光电子能量在周期性结构中被限制在能隙中。
在非晶态物质中，光电子能量可以在整个结构中均匀分布。
5. 非晶态物质通常比晶体具有更高的折射率和更低的光散射率。
相比之下，晶体的光大多沿着优先的方向散射。
二、玻璃态物质的性质和特征玻璃态物质是指没有经过结晶而形成固态物质。
当物质被快速冷却时，形成的物质为玻璃态物质。
玻璃态物质的性质和特征包括：1. 玻璃态物质的形态不稳定。
玻璃态物质没有周期性结构，这导致它们缺乏稳定的形态。
当玻璃态物质加热时，它们会迅速软化并变形。
2. 玻璃态物质通常具有更低的熔点。
由于玻璃态物质没有具体的结构，当加热时，它们会在较低的温度下开始熔化。
3. 玻璃态物质的硬度低。
较软的物质易形成玻璃态，反之，较硬的物质较难形成玻璃态。
4. 玻璃态物质的弹性模量低。
当加压一段时间后，玻璃态物质会发生变形。
5. 玻璃态物质的热膨胀系数低。
与晶体不同，玻璃态物质的分子没有确定的结构，因此热膨胀率低。
总结：非晶态和玻璃态物质是现代物理学领域的重要研究内容。
第四章 熔体和非晶态固体
气体、熔体、玻璃体和白硅石的XRD图
3.1.2 熔体结构描述 众多理论——“硬球模型”、“核前群理论”、“ 论” 聚合物理
聚合物理论的结构描述—— ① 硅酸盐熔体中有多种负离子集团同时存在：如Na2O— SiO2熔体中有：[Si2O7]-6（二聚体）、[Si3O10]-8（三 聚体）……[SinO3n+1]-（2n+2）；
②此外还有“三维晶格碎片”[SiO2]n，其边缘有断键， 内部有缺陷。
平衡时各级聚合物分布呈一定的几何级数。
3.1.3 聚合物形成
A. 熔体化学键分析
最基本的离子是Si，O和碱或碱土金属离子。
Si－O键键性的分析 R－O键的作用 B. Na2O—SiO2熔体聚合物的形成过程 C. 熔体中多种聚合物的数量与熔体组成及温度的关系。
Si－OH 结 果 Si－O－Na
O 2 2 O Na+的攻击－诱导效应 Si 1 O Na
• 1处的化学键加强！2处的化学键减弱！ • Na2O “进攻”弱点——石英骨架“分化”—— 形成聚合物。
分化过程示意图：
结 果
三维晶格碎片
各种低聚物 各种高聚物 取决于温度、组成
(2) 升温和无序化： 以SiO2结构作为三维聚合物、二维聚合物及线性聚合 物。在熔融过程中随时间延长，温度上升，熔体结构更加 无序化， 线性链：围绕Si－O轴发生转动、弯曲； 二维聚合物：层发生褶皱、翘曲； 三维聚合物：(残余石英碎片)热缺陷数增多，同时Si －O－Si键角发生变化。
1013～13.4 dpa.s 1012～13 dpa.s 4.5×107dpa.s 105dpa.s 104～8dpa.s
4. 熔 体 粘 度 与 组 成 的 关 系
第3讲 非晶态结构和液晶态结构
本讲内容： 第二章 第二节 聚合物的非晶态结构
• 聚合物的非晶态结构及其模型
第二章第三节 聚合物的液晶态结构
•液晶态的结构； •高分子液晶的结构和性质； •高分子液晶的应用；
重点及要求：非晶态结构模型（Yeh两相球粒模型和
Flory无规线团模型）；液晶态的基本概念及液晶的分 类；液晶的结构特征和形成条件；液晶的特性和应用
感应液晶：外场（力，电，磁，光等）作用下进 入液晶态的物质 ---- PE under high pressure
流致液晶：通过施加流动场而形成液晶态的物质 ----聚对苯二甲酰对氨基苯甲酰肼
3、根据分子的排列形式和有序的不同，液 晶可分为：
i、近晶型(smectic)：排列成层状，二维有序， 最接近晶体；
O C （CH2）x-2 C O
CC
O
O
CH3H
n
x=8~14时一般为向列型液晶
x=13,14时还能呈现近晶型液晶相
随着x的增加，熔点Tm和清亮点Ti呈下降趋势
但柔性链段含量太大，最终也会导致聚合物不能形成液晶。
柔性间隔段：柔性间隔段的引入，可以降低高分子主链对液晶基元
排列与取向的限制，有利于液晶的形成与稳定。
胆甾相液晶（Ch）
盘状液晶 Discotic
Discotic Nematic –DN
Discotic hexegonal ordered – Dho
Discotic hexegonal disordered – Dhd
形成液晶所需的液晶原分子的结构特征：
i、细长棒状或平板状分子（4:1）。 Ii、为保持液晶态需要有适当大的分子间作
液晶态介于完全有序晶体和各相同性之间 的一种中间态。处于液晶态的物质既具有 液体的易流动性，又具有晶体的双折射等 光学各相异性，其分子排列具有一维或者 二维的远程有序。