1玻璃通性与单元系统玻璃

1、玻璃工艺学玻璃工艺学材料科学与工程学院第第1 1章玻璃的结构与组成章玻璃的结构与组成1.11.1玻璃的定义与通性玻璃的定义与通性1.21.2玻璃结构玻璃结构1.31.3单元系玻璃单元系玻璃1.41.4硅酸盐玻璃结构硅酸盐玻璃结构1.51.5玻璃结构中阳离子的分类玻璃结构中阳离子的分类1.61.6各种氧化物在玻璃中的作用各种氧化物在玻璃中的作用1.71.7玻璃的热历史玻璃的热历史玻璃工艺学玻璃工艺学材料科学与工程学院1.1玻璃的定义与通性玻璃的定义与通性1.1.1玻璃的定义（理解）玻璃的定义（理解）1.1.2玻璃的通性（掌握）玻璃的通性（掌握）1.1.1玻璃的定义（理解）玻璃的定义（理解）玻璃由

2、熔体过冷所得，因黏度逐渐增大而具有玻璃由熔体过冷所得，因黏度逐渐增大而具有固体机械性能的无定形物体。固体机械性能的无定形物体。玻璃态是物质的一种存在状态，是熔融、冷却、玻璃态是物质的一种存在状态，是熔融、冷却、固化的非结晶的无定形物，是过冷的液体。固化的非结晶的无定形物，是过冷的液体。玻璃态玻璃态玻璃材料玻璃材料玻璃制品玻璃制品指物质的一种结构指物质的一种结构用作结构、功能和新材料的玻璃用作结构、功能和新材料的玻璃指玻璃器皿、玻璃瓶罐等指玻璃器皿、玻璃瓶罐等广义广义狭义狭义玻璃工艺学玻璃工艺学材料科学与工程学院1.1.2玻璃的通性（掌握）玻璃的通性（掌握）各向同性：玻璃态物质的质点排列是无规则

3、的，各向同性：玻璃态物质的质点排列是无规则的，是统计均匀的，其物理化学性质在是统计均匀的，其物理化学性质在任何方向都是相同的。任何方向都是相同的。介稳性：玻璃由熔体急剧冷却而得到，因介稳性：玻璃由熔体急剧冷却而得到，因TT而而黏度黏度 ，质点来不及作有规则排列，质点来不及作有规则排列形成晶体，没有放出结晶潜热。形成晶体，没有放出结晶潜热。无固定熔点：玻璃态物质由固体转变为液体是无固定熔点：玻璃态物质由固体转变为液体是在一定的温度区域内进行的（软在一定的温度区域内进行的（软化温度范围），并且没有新的晶化温度范围），并且没有新的晶体生成。体生成。1.1玻璃的定义与通性玻璃的定义与通性玻璃工艺学玻璃

4、工艺学材料科学与工程学院性质性质变化的可逆性：从熔体状态冷却（或相反变化的可逆性：从熔体状态冷却（或相反加热）过程中，可以多次加热）过程中，可以多次进行，其物理化学性质产进行，其物理化学性质产生逐渐和连续的变化，而生逐渐和连续的变化，而且是可逆的，并且没有新且是可逆的，并且没有新相生成。相生成。性质变化的连续性：玻璃的性质（在一定范围性质变化的连续性：玻璃的性质（在一定范围内）随成分发生连续和逐内）随成分发生连续和逐渐变化。渐变化。1.1玻璃的定义与通性玻璃的定义与通性玻璃工艺学玻璃工艺学材料科学与工程学院1.2玻璃结构玻璃结构概念概念( (掌握）掌握）晶子学说（理解）晶子学说（理解）无规则网

5、络学说（理解）无规则网络学说（理解）1.2.1玻璃结构（掌握）玻璃结构（掌握）指离子或原子在空间的几何配置以及它们在玻指离子或原子在空间的几何配置以及它们在玻璃中形成的结构形成体。璃中形成的结构形成体。玻璃工艺学玻璃工艺学材料科学与工程学院1.2.2晶子学说（理解）晶子学说（理解） 玻璃是由无数玻璃是由无数“晶子晶子 ”所组成。所组成。 晶子是具有晶格变形的有序排列区域，分晶子是具有晶格变形的有序排列区域，分布在无定的介质中，从晶子部分到无定形布在无定的介质中，从晶子部分到无定形部分是逐步过渡的，两者之间无明显界线。部分是逐步过渡的，两者之间无明显界线。强调强调玻璃结构的近程有序性、不均匀性玻

6、璃结构的近程有序性、不均匀性和不连续性和不连续性1.2玻璃结构玻璃结构玻璃工艺学玻璃工艺学材料科学与工程学院1.2.31.2.3无规则网络学说（理解）无规则网络学说（理解）主要描述离子共价化合物玻璃的结构主要描述离子共价化合物玻璃的结构即即形成阴离子为多面体（三角和四面体），形成阴离子为多面体（三角和四面体），多面体之间以顶角相连而形成三维空间连续多面体之间以顶角相连而形成三维空间连续的网络，但其排列是无序的，的网络，但其排列是无序的，氧化物氧化物A Am mO On n能形成玻璃应具备的条件：能形成玻璃应具备的条件： 一个氧离子最多同两个阳离子一个氧离子最多同两个阳离子A A相结合相结合围绕

7、一个阳离子围绕一个阳离子A A的氧离子数为的氧离子数为3 34 4个个网络中这些氧多面体以顶角相连网络中这些氧多面体以顶角相连每个多面体中至少有每个多面体中至少有3 3个氧离子与相邻的个氧离子与相邻的多面体形成三维空间发展的无规则连续多面体形成三维空间发展的无规则连续 网络网络1.2玻璃结构玻璃结构玻璃工艺学玻璃工艺学材料科学与工程学院23222525252525SiO GeO P O V O Ta O As O Sb OB O 能形成玻璃，所组成的多面体为网络的结构单元。能形成玻璃，所组成的多面体为网络的结构单元。未能满足上述条件的氧化物（未能满足上述条件的氧化物（R2O和和RO)只能作只能

8、作为网络外体，处于网络之外，填充在网络的空隙为网络外体，处于网络之外，填充在网络的空隙中。中。石英玻璃的基本结构单元是石英玻璃的基本结构单元是硅氧四面体，硅氧四面体，在在空间形成空间形成三维空间网络三维空间网络，其排列是无序的，其排列是无序的，缺乏对称性和周期性的重复。缺乏对称性和周期性的重复。硼酸盐、磷酸盐玻璃：结构单元为硼氧三角体硼酸盐、磷酸盐玻璃：结构单元为硼氧三角体BO3、磷氧四面体、磷氧四面体PO4，无序二维空间网络。，无序二维空间网络。图图151.2玻璃结构玻璃结构玻璃工艺学玻璃工艺学材料科学与工程学院1.2玻璃结构玻璃结构玻璃工艺学玻璃工艺学材料科学与工程学院无规则网络学说：无规

9、则网络学说：强调了玻璃中多面体相互间排列强调了玻璃中多面体相互间排列的连续性、均匀性和无序性方面。的连续性、均匀性和无序性方面。晶子学说：晶子学说：强调玻璃的有序性，不均匀性和不连续强调玻璃的有序性，不均匀性和不连续性方面。性方面。玻璃物质的结构特点是：玻璃物质的结构特点是：短程有序和长程短程有序和长程无序。宏观上玻璃主要表现为无序、均匀无序。宏观上玻璃主要表现为无序、均匀和连续性；而微观上以体现出有序、微不和连续性；而微观上以体现出有序、微不均匀和不连续性。均匀和不连续性。结论结论1.2玻璃结构玻璃结构玻璃工艺学玻璃工艺学材料科学与工程学院1.3 1.3 单元系统玻璃单元系统玻璃1.3.1石

10、英玻璃结构石英玻璃结构1.3.2氧化硼玻璃结构氧化硼玻璃结构1.3.3五氧化二磷玻璃结构五氧化二磷玻璃结构掌握结构特点掌握结构特点1.3.1石英玻璃结构石英玻璃结构仅由仅由SiO2组成，基本结构单元硅氧四面体组成，基本结构单元硅氧四面体SiO4;硅原子位于四面体的中心，氧原子位于四面体的硅原子位于四面体的中心，氧原子位于四面体的顶角；顶角；O-Si-O键角键角120-180，Si-O键是极性共价健，键键是极性共价健，键强大，离子与共价各占强大，离子与共价各占50%；硅氧四面体正负电荷重心重合，不带极性；硅氧四面体正负电荷重心重合，不带极性；硅氧四面体以顶角相连形成三维空间的架状结构；硅氧四面体

11、以顶角相连形成三维空间的架状结构；玻璃结构：玻璃内部微观质点聚积和连接方式。玻璃结构：玻璃内部微观质点聚积和连接方式。玻璃工艺学玻璃工艺学材料科学与工程学院(a)图图1-6（a）相邻两硅氧四面体之间的）相邻两硅氧四面体之间的Si-O-Si键角分布示意图键角分布示意图（b）石英玻璃与方石英晶体）石英玻璃与方石英晶体Si-O-Si键角分布曲线键角分布曲线1.3 1.3 单元系统玻璃单元系统玻璃玻璃工艺学玻璃工艺学材料科学与工程学院架状结构特点：稳定牢固架状结构特点：稳定牢固石英玻璃性能表现：石英玻璃性能表现：黏度及机械强度高、热膨胀系数小、耐热、黏度及机械强度高、热膨胀系数小、耐热、介电性能和化学

12、稳定性好。介电性能和化学稳定性好。结论：结论：一般硅酸盐玻璃中一般硅酸盐玻璃中SiO2含量愈大，上面含量愈大，上面石英玻璃所表现的性能就愈好；石英玻璃所表现的性能就愈好；石英玻璃内部空旷，在高温高压下，有石英玻璃内部空旷，在高温高压下，有明显的透气性，可作功能材料。明显的透气性，可作功能材料。1.3 1.3 单元系统玻璃单元系统玻璃玻璃工艺学玻璃工艺学材料科学与工程学院1.3.2氧化硼玻璃结构氧化硼玻璃结构由硼氧三角体由硼氧三角体BO3组成，组成， BO3是平面三是平面三角形结构单元；角形结构单元；B-O键是极性共价键，其共价键占键是极性共价键，其共价键占56%，键，键强强119cal/mol

13、，BO3正负电荷重心重合，不带正负电荷重心重合，不带极性；极性；低温时，该玻璃结构由桥氧连接的硼氧三角低温时，该玻璃结构由桥氧连接的硼氧三角体和硼氧三元环形成向空间发展的层状网络，体和硼氧三元环形成向空间发展的层状网络，而较高温度形成链状结构。图而较高温度形成链状结构。图181.3 1.3 单元系统玻璃单元系统玻璃玻璃工艺学玻璃工艺学材料科学与工程学院图图1-8B2O3玻璃在不同温度下的结构模型玻璃在不同温度下的结构模型硼硼氧氧层状链状层状链状1.3 1.3 单元系统玻璃单元系统玻璃玻璃工艺学玻璃工艺学材料科学与工程学院层状结构特点：分子间引力（范德华力）层状结构特点：分子间引力（范德华力）单组分硼氧玻璃性能表现：单组分硼氧玻璃性能表现：软化点低（约软化点低（约450），化学稳定性差，），化学稳定性差，热膨胀系数大，没实用价值。热膨胀系数大，没实用价值。1.3 1.3 单元系统玻璃单元系统玻璃玻璃工艺学玻璃工艺学材料科学与工程学院1.3.3五氧化二磷玻璃结构五氧化二磷玻璃结构基本结构单元是磷氧四面体基本结构单元是磷氧四面体PO4，有一个键能较高的双键；，有一个键能较高的双键