武漢理工材料科學(xué)基礎(chǔ)第三章部分習(xí)題

1、第三章第三章 熔體和玻璃體熔體和玻璃體習(xí)題課習(xí)題課1、熔體的聚合物理論：熔體的聚合物理論： 形成的三階段形成的三階段 初期初期：主要是石英顆粒的分化；：主要是石英顆粒的分化；中期：中期：縮聚反應(yīng)并伴隨聚合物的變形；縮聚反應(yīng)并伴隨聚合物的變形；后期后期：一定：一定t、t 達(dá)到達(dá)到聚合聚合 解聚解聚平衡。平衡。 熔體的性質(zhì)：熔體的性質(zhì)： 粘度和表面張力粘度和表面張力)exp(kteo )exp(otsdc f0vkvbexp 粘度理論粘度理論第三章第三章 熔體和玻璃體熔體和玻璃體 習(xí)題課習(xí)題課2、玻璃的結(jié)構(gòu)玻璃的結(jié)構(gòu) e)(mt 玻璃形成條件：玻璃形成條件： zrxrzy222玻璃的結(jié)構(gòu)參數(shù)玻璃的

2、結(jié)構(gòu)參數(shù)2/3規(guī)則規(guī)則3-1（部分）（部分） 說(shuō)明熔體中聚合物形成過(guò)程？說(shuō)明熔體中聚合物形成過(guò)程？ 答：聚合物的形成是以硅氧四面體為基礎(chǔ)單位，組成大小答：聚合物的形成是以硅氧四面體為基礎(chǔ)單位，組成大小不同的聚合體。不同的聚合體。 可分為三個(gè)階段可分為三個(gè)階段 初期：石英的分化；初期：石英的分化； 中期：縮聚并伴隨變形；中期：縮聚并伴隨變形； 后期：在一定時(shí)間和一定溫度下，聚合和解聚達(dá)到平后期：在一定時(shí)間和一定溫度下，聚合和解聚達(dá)到平衡。衡。3-2 簡(jiǎn)述影響熔體粘度的因素？簡(jiǎn)述影響熔體粘度的因素？ 答：影響熔體粘度的主要因素：溫度和熔體的組成。答：影響熔體粘度的主要因素：溫度和熔體的組成。 堿性

3、氧化物含量增加，劇烈降低粘度。堿性氧化物含量增加，劇烈降低粘度。 隨溫度降低，熔體粘度按指數(shù)關(guān)系遞增。隨溫度降低，熔體粘度按指數(shù)關(guān)系遞增。 3-3 名詞解釋（并比較其異同）名詞解釋（并比較其異同） 晶子學(xué)說(shuō)和無(wú)規(guī)則網(wǎng)絡(luò)學(xué)說(shuō)晶子學(xué)說(shuō)和無(wú)規(guī)則網(wǎng)絡(luò)學(xué)說(shuō) 單鍵強(qiáng)單鍵強(qiáng) 分化和縮聚分化和縮聚 網(wǎng)絡(luò)形成劑和網(wǎng)絡(luò)變性劑網(wǎng)絡(luò)形成劑和網(wǎng)絡(luò)變性劑 答：答：晶子學(xué)說(shuō)：玻璃內(nèi)部是由無(wú)數(shù)晶子學(xué)說(shuō)：玻璃內(nèi)部是由無(wú)數(shù)“晶子晶子”組成，微晶子是帶組成，微晶子是帶有晶格變形的有序區(qū)域。它們分散在無(wú)定形介中質(zhì)，晶子向無(wú)定形有晶格變形的有序區(qū)域。它們分散在無(wú)定形介中質(zhì)，晶子向無(wú)定形部分過(guò)渡是逐漸完成時(shí)，二者沒(méi)有明顯界限。部分過(guò)渡是

4、逐漸完成時(shí)，二者沒(méi)有明顯界限。 無(wú)規(guī)則網(wǎng)絡(luò)學(xué)說(shuō)：凡是成為玻璃態(tài)的物質(zhì)和相應(yīng)的晶體結(jié)構(gòu)一無(wú)規(guī)則網(wǎng)絡(luò)學(xué)說(shuō)：凡是成為玻璃態(tài)的物質(zhì)和相應(yīng)的晶體結(jié)構(gòu)一樣，也是由一個(gè)三度空間網(wǎng)絡(luò)所構(gòu)成。這種網(wǎng)絡(luò)是由離子多面體樣，也是由一個(gè)三度空間網(wǎng)絡(luò)所構(gòu)成。這種網(wǎng)絡(luò)是由離子多面體（三角體或四面體）構(gòu)筑起來(lái)的。晶體結(jié)構(gòu)網(wǎng)是由多面體無(wú)數(shù)次有（三角體或四面體）構(gòu)筑起來(lái)的。晶體結(jié)構(gòu)網(wǎng)是由多面體無(wú)數(shù)次有規(guī)律重復(fù)構(gòu)成，而玻璃中結(jié)構(gòu)多面體的重復(fù)沒(méi)有規(guī)律性。規(guī)律重復(fù)構(gòu)成，而玻璃中結(jié)構(gòu)多面體的重復(fù)沒(méi)有規(guī)律性。 單鍵強(qiáng)：?jiǎn)捂I強(qiáng)即為各種化合物分解能與該種化合物配位數(shù)單鍵強(qiáng)：?jiǎn)捂I強(qiáng)即為各種化合物分解能與該種化合物配位數(shù)的商。的商。 分化過(guò)程：架

5、狀分化過(guò)程：架狀sio4斷裂稱為熔融石英的分化過(guò)程。斷裂稱為熔融石英的分化過(guò)程。 縮聚過(guò)程：分化過(guò)程產(chǎn)生的低聚化合物相互發(fā)生作用，形成級(jí)縮聚過(guò)程：分化過(guò)程產(chǎn)生的低聚化合物相互發(fā)生作用，形成級(jí)次較高的聚合物，次過(guò)程為縮聚過(guò)程。次較高的聚合物，次過(guò)程為縮聚過(guò)程。 網(wǎng)絡(luò)形成劑：正離子是網(wǎng)絡(luò)形成離子，對(duì)應(yīng)氧化物能單獨(dú)形網(wǎng)絡(luò)形成劑：正離子是網(wǎng)絡(luò)形成離子，對(duì)應(yīng)氧化物能單獨(dú)形成玻璃。即凡氧化物的單鍵能成玻璃。即凡氧化物的單鍵能/熔點(diǎn)熔點(diǎn)0.74kj/mol.k 者稱為網(wǎng)絡(luò)形成者稱為網(wǎng)絡(luò)形成劑。劑。 網(wǎng)絡(luò)變性劑：這類氧化物不能形成玻璃，但能改變網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)變性劑：這類氧化物不能形成玻璃，但能改變網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從

6、而使玻璃性質(zhì)改變，即單鍵強(qiáng)從而使玻璃性質(zhì)改變，即單鍵強(qiáng)/熔點(diǎn)熔點(diǎn) 0.125kj/mol.k者稱為網(wǎng)絡(luò)者稱為網(wǎng)絡(luò)變形劑。變形劑。 3-4 試用實(shí)驗(yàn)方法鑒別晶體試用實(shí)驗(yàn)方法鑒別晶體sio2、sio2玻璃、硅膠和玻璃、硅膠和sio2熔體。它們的結(jié)構(gòu)有什么不同？熔體。它們的結(jié)構(gòu)有什么不同？ 答：利用答：利用x射線檢測(cè)。射線檢測(cè)。 晶體晶體sio2質(zhì)點(diǎn)在三維空間做有規(guī)律的排列，各向異性。質(zhì)點(diǎn)在三維空間做有規(guī)律的排列，各向異性。 sio2熔體熔體內(nèi)部結(jié)構(gòu)為架狀，近程有序，遠(yuǎn)程無(wú)序。內(nèi)部結(jié)構(gòu)為架狀，近程有序，遠(yuǎn)程無(wú)序。 sio2玻璃玻璃各向同性。各向同性。 硅膠硅膠疏松多孔。疏松多孔。 35 玻璃的組成是

7、玻璃的組成是13wt%na2o 、13wt%cao、74wt%sio2，計(jì)，計(jì)算非橋氧分?jǐn)?shù)。算非橋氧分?jǐn)?shù)。 分析：分析：要應(yīng)用關(guān)系式，必須換算成要應(yīng)用關(guān)系式，必須換算成mol%。 解：玻璃組成解：玻璃組成 na2o cao sio2 wt% 13 13 74 mol 0.21 0.23 1.23 mol% 12.6 13.8 73.6 2.3673.6273.613.812.6sio rz4 x2rz22.3640.72 yzx40.723.28 非橋氧數(shù)非橋氧數(shù)30.5%3.28/20.720.72y/2 xx36 有兩種不同配比的玻璃其組成如下：有兩種不同配比的玻璃其組成如下：序序 號(hào)號(hào)

8、na2o (wt%) al2o3(wt%) sio2(wt%) 1 8 12 80 2 12 8 80 試用玻璃結(jié)構(gòu)參數(shù)說(shuō)明兩種玻璃高溫下粘度的大??？試用玻璃結(jié)構(gòu)參數(shù)說(shuō)明兩種玻璃高溫下粘度的大?。拷猓翰ＡЫM成：解：玻璃組成： 序序 號(hào)號(hào) na2o al2o3 sio2 wt% mol% wt% mol% wt% mol% 1 8 8.18 12 7.48 80 84.3 2 12 12.1 8 4.87 80 83.03 對(duì)對(duì)1玻璃玻璃 ， na2o/al2o38.18/7.481 al3+被視為網(wǎng)絡(luò)形成離子被視為網(wǎng)絡(luò)形成離子，z=4 007.284.37.482284.33.4878.18

9、ry=2z2r2(42.007)3.986對(duì)對(duì)2玻璃，玻璃， na2o/al2o312.1/4.87 1 al3+被視為網(wǎng)絡(luò)形成離子被視為網(wǎng)絡(luò)形成離子，z=4 078.2287.483.03283.03387.412.1 rx2rz22.07840.156y=zx40.1563. 844討論討論： 1玻璃玻璃 y1 3.986 , 2玻璃玻璃 y2 3.844 即有：即有：y1 y2 所以在高溫下所以在高溫下 1玻璃玻璃 粘度粘度 2玻璃玻璃 粘度粘度37 sio2 熔體的粘度在熔體的粘度在1000時(shí)為時(shí)為1015dpa.s，在，在1400時(shí)為時(shí)為108dpa.s， 玻璃粘滯的活化能是多少？上

10、述數(shù)據(jù)為恒壓下取得，若在恒容下獲得，玻璃粘滯的活化能是多少？上述數(shù)據(jù)為恒壓下取得，若在恒容下獲得，你認(rèn)為活化能會(huì)改變嗎？為什么？你認(rèn)為活化能會(huì)改變嗎？為什么？解解：(a) 對(duì)對(duì) 0exp( e/kt)取對(duì)數(shù)得：取對(duì)數(shù)得： ln ln 0 e/kt 令令 a ln 0 b e/k 則則ln a b/t 將將 、t值代入上式值代入上式167310127310815balnbaln 解之得：解之得： a32.88 b85828活化能活化能 ebk858281.3810231.181018(j/個(gè)個(gè))粘滯的活化能粘滯的活化能=1.1810-186.021023=710.3kj/mol 39 在在sio

11、2中應(yīng)加入多少中應(yīng)加入多少na2o,使玻璃的使玻璃的o/si2.5，此時(shí)析晶能力是增強(qiáng)還是，此時(shí)析晶能力是增強(qiáng)還是削弱？削弱？解；假定引入的解；假定引入的na2o的的mol含量為含量為 x ， 則則sio2的的mol含量為含量為 1x31x 5 . 21)1(2 解得xxxsior因?yàn)橐驗(yàn)閛/si增加了，粘度下降，此時(shí)析晶能力增強(qiáng)。增加了，粘度下降，此時(shí)析晶能力增強(qiáng)。3-7 (b) 上述數(shù)據(jù)是在恒壓下取得，在恒容下，預(yù)計(jì)活化能上述數(shù)據(jù)是在恒壓下取得，在恒容下，預(yù)計(jì)活化能會(huì)有所不同。因?yàn)楹闳輹r(shí)熔體所受壓力應(yīng)增加，這將使其會(huì)有所不同。因?yàn)楹闳輹r(shí)熔體所受壓力應(yīng)增加，這將使其粘粘度增大度增大，從而改變

12、了活化能值。，從而改變了活化能值。3-10 有一種平板玻璃組成為有一種平板玻璃組成為14na2o13cao73sio2（wt%重量百分比），重量百分比），其密度為其密度為2.5g/cm3, 計(jì)算玻璃的原子堆積系數(shù)（計(jì)算玻璃的原子堆積系數(shù)（afp）為多少？計(jì)算該玻璃的結(jié)構(gòu)參數(shù)值？）為多少？計(jì)算該玻璃的結(jié)構(gòu)參數(shù)值？ 解：解：該玻璃的平均分子量該玻璃的平均分子量 gm=0.1462+0.1356+0.7360.02=59.77 在在13中原子數(shù)為中原子數(shù)為 n=no/gm=2.510-246.021023/59.77 =0.252個(gè)個(gè)/3 在在13原子所占體積原子所占體積 v=0.02524/30.

13、1420.983+0.131.063+0.730.393+（0.14+0.13+0.732）1.323 =0.4685 afp=0.46 結(jié)構(gòu)參數(shù)：結(jié)構(gòu)參數(shù)： na2o cao sio2 wt% 14 13 73 mol 0.23 0.23 1.22 mol% 13.7 13.7 72.6 r=(13.7+13.7+72.6 2)/ 72.6=2.38 z=4 x=2rz=2.3824=0.76 y=zx= 40.76=3.24 311 有一組二元硅酸鹽熔體，其有一組二元硅酸鹽熔體，其r值變化規(guī)律如下，寫(xiě)出熔體一系列性質(zhì)的值變化規(guī)律如下，寫(xiě)出熔體一系列性質(zhì)的變化規(guī)律變化規(guī)律(用箭頭表示用箭頭表

14、示) r2； 2.5 ； 3 ; 3.5 ; 4(1) 游離堿含量游離堿含量(2) o/si (3) 低聚合物數(shù)量低聚合物數(shù)量(4) 熔體粘度熔體粘度(5) 形成玻璃能力形成玻璃能力(6) 析晶能力析晶能力3-12 試比較硅酸鹽玻璃與硼酸鹽玻璃在結(jié)構(gòu)與性能上的差異。試比較硅酸鹽玻璃與硼酸鹽玻璃在結(jié)構(gòu)與性能上的差異。 答：結(jié)構(gòu)差異：答：結(jié)構(gòu)差異： 硅酸鹽玻璃：石英玻璃是硅酸鹽玻璃的基礎(chǔ)。石英玻璃硅酸鹽玻璃：石英玻璃是硅酸鹽玻璃的基礎(chǔ)。石英玻璃是硅氧四面體是硅氧四面體sio4以頂角相連而組成的三維架狀結(jié)構(gòu)。由以頂角相連而組成的三維架狀結(jié)構(gòu)。由于于siosi鍵角變動(dòng)范圍大，使石英玻璃中鍵角變動(dòng)范圍大

15、，使石英玻璃中sio4四面體排四面體排列成無(wú)規(guī)則網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。列成無(wú)規(guī)則網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。sio2是硅酸鹽玻璃中的主要氧化物。是硅酸鹽玻璃中的主要氧化物。 硼酸鹽玻璃：硼酸鹽玻璃：b和和o交替排列的平面六角環(huán)的交替排列的平面六角環(huán)的bo集團(tuán)集團(tuán)是硼酸鹽玻璃的重要基元，這些環(huán)通過(guò)是硼酸鹽玻璃的重要基元，這些環(huán)通過(guò)bob鏈連成三維鏈連成三維網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)。b2o3是網(wǎng)絡(luò)形成劑。這種連環(huán)結(jié)構(gòu)與石英玻璃硅氧是網(wǎng)絡(luò)形成劑。這種連環(huán)結(jié)構(gòu)與石英玻璃硅氧四面體的不規(guī)則網(wǎng)絡(luò)不同，任何四面體的不規(guī)則網(wǎng)絡(luò)不同，任何ob三角體的周?chē)臻g并三角體的周?chē)臻g并不完全被臨接的三角體所填充，兩個(gè)原子接近的可能性較小。不完全被臨接的三角體所填

16、充，兩個(gè)原子接近的可能性較小。 補(bǔ)充習(xí)題補(bǔ)充習(xí)題 1、 正硅酸鉛玻璃密度為正硅酸鉛玻璃密度為7.36g/cm3，求這個(gè)玻璃中氧的密度為多少？試把它，求這個(gè)玻璃中氧的密度為多少？試把它與熔融石英與熔融石英(密度為密度為2.2g/cm3)中的氧密度比較，試指出鉛離子所在位置？中的氧密度比較，試指出鉛離子所在位置？解：正硅酸鉛解：正硅酸鉛pbsio3的分子量的分子量 m207.228163283.2 在在1cm3中中pbsio3的個(gè)數(shù)的個(gè)數(shù) 322230/cm101.572 .283106.027.36mn個(gè) n所以所以 在正硅酸鉛在正硅酸鉛pbsio3中氧的密度為中氧的密度為32322oo1.25

17、g/cm106.0216101.573nm3n3 opbsio 32322oo1.17g/cm106.0216102.202nm2n2 osio 同理同理結(jié)論：結(jié)論： pbsio3中氧的密度中氧的密度高于高于sio2中氧的密度，則中氧的密度，則pb為為網(wǎng)絡(luò)變性離子，在網(wǎng)絡(luò)變性離子，在sio網(wǎng)絡(luò)外。網(wǎng)絡(luò)外。2、 網(wǎng)絡(luò)變性體網(wǎng)絡(luò)變性體(如如na2o)加到石英玻璃中，使加到石英玻璃中，使o/si比比增加。實(shí)增加。實(shí)驗(yàn)觀察到當(dāng)驗(yàn)觀察到當(dāng)o/si2.53 時(shí)，即達(dá)到形成玻璃的極限。根據(jù)結(jié)時(shí)，即達(dá)到形成玻璃的極限。根據(jù)結(jié)構(gòu)解釋，為什么構(gòu)解釋，為什么 2 o/si2.5的堿硅石混合物可以形成玻璃，的堿硅石混

18、合物可以形成玻璃，而而o/si3的的的堿硅石混合物結(jié)晶而不形成玻璃？的堿硅石混合物結(jié)晶而不形成玻璃？答：答： 當(dāng)當(dāng)2 o/si2.5時(shí)，在熔融狀態(tài)時(shí)，在熔融狀態(tài) 下下sio44仍可連成仍可連成網(wǎng)絡(luò)狀，且聚合程度高，故可形成玻璃。但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)狀，且聚合程度高，故可形成玻璃。但當(dāng)o/si3時(shí)，時(shí)，由于堿金屬氧化物明顯增加，使熔體中分子較小的低聚合由于堿金屬氧化物明顯增加，使熔體中分子較小的低聚合物增加，熔體粘度變小，故可易結(jié)晶而不易形成玻璃。物增加，熔體粘度變小，故可易結(jié)晶而不易形成玻璃。3、 在硅酸鹽熔體析晶的成核速率、生長(zhǎng)速率隨在硅酸鹽熔體析晶的成核速率、生長(zhǎng)速率隨 t變化的關(guān)系圖變化的關(guān)系圖中，

19、標(biāo)出哪一條曲線代表成核速率，哪一條曲線代表生長(zhǎng)速率？中，標(biāo)出哪一條曲線代表成核速率，哪一條曲線代表生長(zhǎng)速率？為什么？為什么？速速率率 tuiv原因：原因：低溫熔體粘度大，質(zhì)點(diǎn)移動(dòng)困難易聚結(jié)在一起而成核，低溫熔體粘度大，質(zhì)點(diǎn)移動(dòng)困難易聚結(jié)在一起而成核， 即低溫有利于成核；即低溫有利于成核； 高溫熔體粘度小，質(zhì)點(diǎn)移動(dòng)速率大，晶核易相遇形成高溫熔體粘度小，質(zhì)點(diǎn)移動(dòng)速率大，晶核易相遇形成 大的晶核而長(zhǎng)大，即高溫有利于生長(zhǎng)。大的晶核而長(zhǎng)大，即高溫有利于生長(zhǎng)。4、已知瓷釉與玻璃具有類似的結(jié)構(gòu)，試用無(wú)規(guī)則網(wǎng)絡(luò)學(xué)說(shuō)說(shuō)明已知瓷釉與玻璃具有類似的結(jié)構(gòu)，試用無(wú)規(guī)則網(wǎng)絡(luò)學(xué)說(shuō)說(shuō)明 2324.06.0103.02siooalonacao 瓷釉結(jié)構(gòu)中各離子所處的位置。瓷釉結(jié)構(gòu)中各離子所處的位置。5、 在硅酸鹽玻璃和硼酸鹽玻璃中，隨著在硅酸鹽玻璃和硼酸鹽玻璃中，隨著r2o的引入的引入(25mol),玻璃熔體的粘度怎樣變化？試用聚合物理論解釋。玻璃熔體的粘度怎樣變化？試用聚合物理論解釋。6、 解釋解釋b2o3含量含量10mol，sio2含量含量90mol的熔體，在冷卻過(guò)的熔體，在冷卻過(guò)程中各自形成兩個(gè)