1玻璃通性與單元系統(tǒng)玻璃

1、玻璃工藝學(xué)玻璃工藝學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院第第1 1章玻璃的結(jié)構(gòu)與組成章玻璃的結(jié)構(gòu)與組成1.11.1玻璃的定義與通性玻璃的定義與通性1.21.2玻璃結(jié)構(gòu)玻璃結(jié)構(gòu)1.31.3單元系玻璃單元系玻璃1.41.4硅酸鹽玻璃結(jié)構(gòu)硅酸鹽玻璃結(jié)構(gòu)1.51.5玻璃結(jié)構(gòu)中陽離子的分類玻璃結(jié)構(gòu)中陽離子的分類1.61.6各種氧化物在玻璃中的作用各種氧化物在玻璃中的作用1.71.7玻璃的熱歷史玻璃的熱歷史玻璃工藝學(xué)玻璃工藝學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院1.1玻璃的定義與通性玻璃的定義與通性1.1.1玻璃的定義（理解）玻璃的定義（理解）1.1.2玻璃的通性（掌握）玻璃的通性（掌握）1.1.1玻璃的定義（理解）玻璃的定義（理解）玻璃由

2、熔體過冷所得，因黏度逐漸增大而具有玻璃由熔體過冷所得，因黏度逐漸增大而具有固體機(jī)械性能的無定形物體。固體機(jī)械性能的無定形物體。玻璃態(tài)是物質(zhì)的一種存在狀態(tài)，是熔融、冷卻、玻璃態(tài)是物質(zhì)的一種存在狀態(tài)，是熔融、冷卻、固化的非結(jié)晶的無定形物，是過冷的液體。固化的非結(jié)晶的無定形物，是過冷的液體。玻璃態(tài)玻璃態(tài)玻璃材料玻璃材料玻璃制品玻璃制品指物質(zhì)的一種結(jié)構(gòu)指物質(zhì)的一種結(jié)構(gòu)用作結(jié)構(gòu)、功能和新材料的玻璃用作結(jié)構(gòu)、功能和新材料的玻璃指玻璃器皿、玻璃瓶罐等指玻璃器皿、玻璃瓶罐等廣義廣義狹義狹義玻璃工藝學(xué)玻璃工藝學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院1.1.2玻璃的通性（掌握）玻璃的通性（掌握）各向同性：玻璃態(tài)物質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)排列是無規(guī)則

3、的，各向同性：玻璃態(tài)物質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)排列是無規(guī)則的，是統(tǒng)計(jì)均勻的，其物理化學(xué)性質(zhì)在是統(tǒng)計(jì)均勻的，其物理化學(xué)性質(zhì)在任何方向都是相同的。任何方向都是相同的。介穩(wěn)性：玻璃由熔體急劇冷卻而得到，因介穩(wěn)性：玻璃由熔體急劇冷卻而得到，因TT而而黏度黏度 ，質(zhì)點(diǎn)來不及作有規(guī)則排列，質(zhì)點(diǎn)來不及作有規(guī)則排列形成晶體，沒有放出結(jié)晶潛熱。形成晶體，沒有放出結(jié)晶潛熱。無固定熔點(diǎn)：玻璃態(tài)物質(zhì)由固體轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w是無固定熔點(diǎn)：玻璃態(tài)物質(zhì)由固體轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w是在一定的溫度區(qū)域內(nèi)進(jìn)行的（軟在一定的溫度區(qū)域內(nèi)進(jìn)行的（軟化溫度范圍），并且沒有新的晶化溫度范圍），并且沒有新的晶體生成。體生成。1.1玻璃的定義與通性玻璃的定義與通性玻璃工藝學(xué)玻璃

4、工藝學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院性質(zhì)性質(zhì)變化的可逆性：從熔體狀態(tài)冷卻（或相反變化的可逆性：從熔體狀態(tài)冷卻（或相反加熱）過程中，可以多次加熱）過程中，可以多次進(jìn)行，其物理化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)進(jìn)行，其物理化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生逐漸和連續(xù)的變化，而生逐漸和連續(xù)的變化，而且是可逆的，并且沒有新且是可逆的，并且沒有新相生成。相生成。性質(zhì)變化的連續(xù)性：玻璃的性質(zhì)（在一定范圍性質(zhì)變化的連續(xù)性：玻璃的性質(zhì)（在一定范圍內(nèi)）隨成分發(fā)生連續(xù)和逐內(nèi)）隨成分發(fā)生連續(xù)和逐漸變化。漸變化。1.1玻璃的定義與通性玻璃的定義與通性玻璃工藝學(xué)玻璃工藝學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院1.2玻璃結(jié)構(gòu)玻璃結(jié)構(gòu)概念概念( (掌握）掌握）晶子學(xué)說（理解）晶子學(xué)說（理解）無規(guī)則網(wǎng)

5、絡(luò)學(xué)說（理解）無規(guī)則網(wǎng)絡(luò)學(xué)說（理解）1.2.1玻璃結(jié)構(gòu)（掌握）玻璃結(jié)構(gòu)（掌握）指離子或原子在空間的幾何配置以及它們在玻指離子或原子在空間的幾何配置以及它們在玻璃中形成的結(jié)構(gòu)形成體。璃中形成的結(jié)構(gòu)形成體。玻璃工藝學(xué)玻璃工藝學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院1.2.2晶子學(xué)說（理解）晶子學(xué)說（理解） 玻璃是由無數(shù)玻璃是由無數(shù)“晶子晶子 ”所組成。所組成。 晶子是具有晶格變形的有序排列區(qū)域，分晶子是具有晶格變形的有序排列區(qū)域，分布在無定的介質(zhì)中，從晶子部分到無定形布在無定的介質(zhì)中，從晶子部分到無定形部分是逐步過渡的，兩者之間無明顯界線。部分是逐步過渡的，兩者之間無明顯界線。強(qiáng)調(diào)強(qiáng)調(diào)玻璃結(jié)構(gòu)的近程有序性、不均勻性玻

6、璃結(jié)構(gòu)的近程有序性、不均勻性和不連續(xù)性和不連續(xù)性1.2玻璃結(jié)構(gòu)玻璃結(jié)構(gòu)玻璃工藝學(xué)玻璃工藝學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院1.2.31.2.3無規(guī)則網(wǎng)絡(luò)學(xué)說（理解）無規(guī)則網(wǎng)絡(luò)學(xué)說（理解）主要描述離子共價(jià)化合物玻璃的結(jié)構(gòu)主要描述離子共價(jià)化合物玻璃的結(jié)構(gòu)即即形成陰離子為多面體（三角和四面體），形成陰離子為多面體（三角和四面體），多面體之間以頂角相連而形成三維空間連續(xù)多面體之間以頂角相連而形成三維空間連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)，但其排列是無序的，的網(wǎng)絡(luò)，但其排列是無序的，氧化物氧化物A Am mO On n能形成玻璃應(yīng)具備的條件：能形成玻璃應(yīng)具備的條件： 一個氧離子最多同兩個陽離子一個氧離子最多同兩個陽離子A A相結(jié)合相結(jié)合圍繞

7、一個陽離子圍繞一個陽離子A A的氧離子數(shù)為的氧離子數(shù)為3 34 4個個網(wǎng)絡(luò)中這些氧多面體以頂角相連網(wǎng)絡(luò)中這些氧多面體以頂角相連每個多面體中至少有每個多面體中至少有3 3個氧離子與相鄰的個氧離子與相鄰的多面體形成三維空間發(fā)展的無規(guī)則連續(xù)多面體形成三維空間發(fā)展的無規(guī)則連續(xù) 網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)1.2玻璃結(jié)構(gòu)玻璃結(jié)構(gòu)玻璃工藝學(xué)玻璃工藝學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院23222525252525SiO GeO P O V O Ta O As O Sb OB O 能形成玻璃，所組成的多面體為網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)單元。能形成玻璃，所組成的多面體為網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)單元。未能滿足上述條件的氧化物（未能滿足上述條件的氧化物（R2O和和RO)只能作只能

8、作為網(wǎng)絡(luò)外體，處于網(wǎng)絡(luò)之外，填充在網(wǎng)絡(luò)的空隙為網(wǎng)絡(luò)外體，處于網(wǎng)絡(luò)之外，填充在網(wǎng)絡(luò)的空隙中。中。石英玻璃的基本結(jié)構(gòu)單元是石英玻璃的基本結(jié)構(gòu)單元是硅氧四面體，硅氧四面體，在在空間形成空間形成三維空間網(wǎng)絡(luò)三維空間網(wǎng)絡(luò)，其排列是無序的，其排列是無序的，缺乏對稱性和周期性的重復(fù)。缺乏對稱性和周期性的重復(fù)。硼酸鹽、磷酸鹽玻璃：結(jié)構(gòu)單元為硼氧三角體硼酸鹽、磷酸鹽玻璃：結(jié)構(gòu)單元為硼氧三角體BO3、磷氧四面體、磷氧四面體PO4，無序二維空間網(wǎng)絡(luò)。，無序二維空間網(wǎng)絡(luò)。圖圖151.2玻璃結(jié)構(gòu)玻璃結(jié)構(gòu)玻璃工藝學(xué)玻璃工藝學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院1.2玻璃結(jié)構(gòu)玻璃結(jié)構(gòu)玻璃工藝學(xué)玻璃工藝學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院無規(guī)則網(wǎng)絡(luò)學(xué)說：無規(guī)

9、則網(wǎng)絡(luò)學(xué)說：強(qiáng)調(diào)了玻璃中多面體相互間排列強(qiáng)調(diào)了玻璃中多面體相互間排列的連續(xù)性、均勻性和無序性方面。的連續(xù)性、均勻性和無序性方面。晶子學(xué)說：晶子學(xué)說：強(qiáng)調(diào)玻璃的有序性，不均勻性和不連續(xù)強(qiáng)調(diào)玻璃的有序性，不均勻性和不連續(xù)性方面。性方面。玻璃物質(zhì)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：玻璃物質(zhì)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：短程有序和長程短程有序和長程無序。宏觀上玻璃主要表現(xiàn)為無序、均勻無序。宏觀上玻璃主要表現(xiàn)為無序、均勻和連續(xù)性；而微觀上以體現(xiàn)出有序、微不和連續(xù)性；而微觀上以體現(xiàn)出有序、微不均勻和不連續(xù)性。均勻和不連續(xù)性。結(jié)論結(jié)論1.2玻璃結(jié)構(gòu)玻璃結(jié)構(gòu)玻璃工藝學(xué)玻璃工藝學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院1.3 1.3 單元系統(tǒng)玻璃單元系統(tǒng)玻璃1.3.1石

10、英玻璃結(jié)構(gòu)石英玻璃結(jié)構(gòu)1.3.2氧化硼玻璃結(jié)構(gòu)氧化硼玻璃結(jié)構(gòu)1.3.3五氧化二磷玻璃結(jié)構(gòu)五氧化二磷玻璃結(jié)構(gòu)掌握結(jié)構(gòu)特點(diǎn)掌握結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1.3.1石英玻璃結(jié)構(gòu)石英玻璃結(jié)構(gòu)僅由僅由SiO2組成，基本結(jié)構(gòu)單元硅氧四面體組成，基本結(jié)構(gòu)單元硅氧四面體SiO4;硅原子位于四面體的中心，氧原子位于四面體的硅原子位于四面體的中心，氧原子位于四面體的頂角；頂角；O-Si-O鍵角鍵角120-180，Si-O鍵是極性共價(jià)健，鍵鍵是極性共價(jià)健，鍵強(qiáng)大，離子與共價(jià)各占強(qiáng)大，離子與共價(jià)各占50%；硅氧四面體正負(fù)電荷重心重合，不帶極性；硅氧四面體正負(fù)電荷重心重合，不帶極性；硅氧四面體以頂角相連形成三維空間的架狀結(jié)構(gòu)；硅氧四面體

11、以頂角相連形成三維空間的架狀結(jié)構(gòu)；玻璃結(jié)構(gòu)：玻璃內(nèi)部微觀質(zhì)點(diǎn)聚積和連接方式。玻璃結(jié)構(gòu)：玻璃內(nèi)部微觀質(zhì)點(diǎn)聚積和連接方式。玻璃工藝學(xué)玻璃工藝學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院(a)圖圖1-6（a）相鄰兩硅氧四面體之間的）相鄰兩硅氧四面體之間的Si-O-Si鍵角分布示意圖鍵角分布示意圖（b）石英玻璃與方石英晶體）石英玻璃與方石英晶體Si-O-Si鍵角分布曲線鍵角分布曲線1.3 1.3 單元系統(tǒng)玻璃單元系統(tǒng)玻璃玻璃工藝學(xué)玻璃工藝學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院架狀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：穩(wěn)定牢固架狀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：穩(wěn)定牢固石英玻璃性能表現(xiàn)：石英玻璃性能表現(xiàn)：黏度及機(jī)械強(qiáng)度高、熱膨脹系數(shù)小、耐熱、黏度及機(jī)械強(qiáng)度高、熱膨脹系數(shù)小、耐熱、介電性能和化學(xué)

12、穩(wěn)定性好。介電性能和化學(xué)穩(wěn)定性好。結(jié)論：結(jié)論：一般硅酸鹽玻璃中一般硅酸鹽玻璃中SiO2含量愈大，上面含量愈大，上面石英玻璃所表現(xiàn)的性能就愈好；石英玻璃所表現(xiàn)的性能就愈好；石英玻璃內(nèi)部空曠，在高溫高壓下，有石英玻璃內(nèi)部空曠，在高溫高壓下，有明顯的透氣性，可作功能材料。明顯的透氣性，可作功能材料。1.3 1.3 單元系統(tǒng)玻璃單元系統(tǒng)玻璃玻璃工藝學(xué)玻璃工藝學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院1.3.2氧化硼玻璃結(jié)構(gòu)氧化硼玻璃結(jié)構(gòu)由硼氧三角體由硼氧三角體BO3組成，組成， BO3是平面三是平面三角形結(jié)構(gòu)單元；角形結(jié)構(gòu)單元；B-O鍵是極性共價(jià)鍵，其共價(jià)鍵占鍵是極性共價(jià)鍵，其共價(jià)鍵占56%，鍵，鍵強(qiáng)強(qiáng)119cal/mol

13、，BO3正負(fù)電荷重心重合，不帶正負(fù)電荷重心重合，不帶極性；極性；低溫時(shí)，該玻璃結(jié)構(gòu)由橋氧連接的硼氧三角低溫時(shí)，該玻璃結(jié)構(gòu)由橋氧連接的硼氧三角體和硼氧三元環(huán)形成向空間發(fā)展的層狀網(wǎng)絡(luò)，體和硼氧三元環(huán)形成向空間發(fā)展的層狀網(wǎng)絡(luò)，而較高溫度形成鏈狀結(jié)構(gòu)。圖而較高溫度形成鏈狀結(jié)構(gòu)。圖181.3 1.3 單元系統(tǒng)玻璃單元系統(tǒng)玻璃玻璃工藝學(xué)玻璃工藝學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院圖圖1-8B2O3玻璃在不同溫度下的結(jié)構(gòu)模型玻璃在不同溫度下的結(jié)構(gòu)模型硼硼氧氧層狀鏈狀層狀鏈狀1.3 1.3 單元系統(tǒng)玻璃單元系統(tǒng)玻璃玻璃工藝學(xué)玻璃工藝學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院層狀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：分子間引力（范德華力）層狀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：分子間引力（范德華力）單組分硼氧玻璃性能表現(xiàn)：單組分硼氧玻璃性能表現(xiàn)：軟化點(diǎn)低（約軟化點(diǎn)低（約450），化學(xué)穩(wěn)定性差，），化學(xué)穩(wěn)定性差，熱膨脹系數(shù)大，沒實(shí)用價(jià)值。熱膨脹系數(shù)大，沒實(shí)用價(jià)值。1.3 1.3 單元系統(tǒng)玻璃單元系統(tǒng)玻璃玻璃工藝學(xué)玻璃工藝學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院1.3.3五氧化二磷玻璃結(jié)構(gòu)五氧化二磷玻璃結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)單元是磷氧四面體基本結(jié)構(gòu)單元是磷氧四面體PO4，有一個鍵能較高的雙鍵；，有一個鍵能較高的雙鍵