武汉理工大学材料科学基础课件全

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1、第五节玻璃的结构理论一、微晶学说二、无规则网络学说一、微晶学说实验依据折射率-温度曲线钠硅双组分玻璃的X射线散射强度曲线红外反射光谱图3－18硅酸盐玻璃折射率随温度变化曲线200400300100500100200-200-100Δn×105T(℃)520℃-590℃图3－19一种钠硅酸盐玻璃（SiO2含量76.4%）的折射率随温度的变化曲线200300100-200-100Δn×107T(℃)βγαβαβ鳞石英鳞石英方石英图3－2027Na2O·73SiO2玻璃的X射线散射强度曲线1－未加热；2－在618℃保温1小时3－在800保温10分钟和670保温20小时1

2、501005001501005002502001501005000.10.20.30.40.5sinθλI132图3－2133.3Na2O·66.7SiO2玻璃的反射光谱5－同上，析晶玻璃，保温6小时1－原始玻璃2－玻璃表层部分，在620℃保温1小时3－同上，有间断薄雾析晶，保温3小时4－同上连续薄雾析晶，保温3小时学说要点：玻璃结构是一种不连续的原子集合体，即无数“微晶”分散在无定形介质中；“微晶”的化学性质和数量取决于玻璃的化学组成，可以是独立原子团或一定组成的化合物和固溶体等微观多相体，与该玻璃物系的相平衡有关；“微晶”不同于一般微晶，而是晶格极度变形的微小有

3、序区域，在“微晶”中心质点排列较有规律，愈远离中心则变形程度愈大；从“微晶”部分到无定形部分的过渡是逐步完成的，两者之间无明显界线。二、无规则网络学说学说要点：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。但玻璃的网络与晶体的网络不同，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。由于玻璃的强度与晶体的强度属于同一个数量级，玻璃的内能与相应晶体的内能相差并不多，因此它们的结构单元（四面体或三角体）应是相同的，不同之处在于排列的周期性。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

4、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，图3－21所示。图3-21石英晶体合与石英玻璃结构比较查哈里阿生还提出氧化物（AmOn）形成玻璃时，应具备如下四个条件：1．网络中每个氧离子最多与两个A离子相联；2．氧多面体中，A离子配位数必须是小的，即为4或3。3．氧多面体相互连接只能共顶而不能共棱或共面。4．每个氧多面体至少有三个顶角是与相邻多面体共有以形成连续的无规则空间结构网络。实验验证：瓦伦的石英玻璃、方石英和硅酸盐的X射线图示于图3－22。玻璃的

5、衍射线与方石英的特征谱线重合，因此可把石英玻璃联想为含有极小的方石英晶体，同时将漫射归结于晶体的微小尺寸。但这只能说明石英玻璃和方石英中原子间的距离大体上是一致的。按强度-角度曲线半高处的宽度计算，石英玻璃内如有晶体，其大小也只有0.77nm。这与方石英单位晶胞尺寸0.70nm相似。晶体必须是由晶胞在空间有规则地重复，因此“晶体”此名称在石英玻璃中失去其意义。图3－22石英等物X射线衍射图00.040.080.120.160.200.24sinθλ00.040.080.120.160.200.24sinθλ00.040.080.120.160.200.24sinθλ

6、石英玻璃方石英硅胶I由图3－22还可看到，硅胶有显著的小角度散射而玻璃中没有。这是由于硅胶是由尺寸为1.0～10.0nm不连续粒子组成。粒子间有间距和空隙，强烈的散射是由于物质具有不均匀性的缘故。但石英玻璃小角度没有散射，这说明玻璃是一种密实体，其中没有不连续的粒子或粒子之间没有很大空隙。这结果与微晶学说的微不均匀性又有矛盾。用傅立叶分析法将实验获得的玻璃行射强度曲线在傅立叶积分公式基础上换算成围绕某一原子的径向分布曲线，再利用该物质的晶体结构数据，即可以得到近距离内原子排列的大致图形。在原子径向分布曲线上第一个极大值是该原子与邻近原子间的距离，而极大值曲线下的面积

7、是该原子的配位数。图3－23表示SiO2玻璃径向原子分布曲线。图3－23石英玻璃的径向分布函数Si-OO-OSi-SiO-OSi-Si24268100134567ΣKm4πr2ρ(r)r(A)第一个极大值表示出Si一O距离0.162nm，这与结晶硅酸盐中发现的SiO2平均（0.160nm）非常符合。按第一个极大值曲线下的面积计算得配位数为4.3，接近硅原子配位数4。因此，X射线分析的结果直接指出，在石英玻璃中的每一个硅原子，平均约为四个氧原子以大0.162nm的距离所围绕。从瓦伦数据得出，玻璃结构有序部分距离在1.0～1.2nm附近即接近晶胞大小。综上所述，瓦伦