第4章习题及答案无机材料科学基础Word文件下载.docx

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1.769

4690

216

4-10派来克斯（Pyrex）玻璃的粘度在1400℃时是109Pa·

s，在840℃是1013Pa·

请回答：

（1）粘性流动活化能是多少？

（2）为了易于成形，玻璃达到105Pa·

s的粘度时约要多高的温度？

4-11一种玻璃的工作范围是870℃（η＝106Pa·

s）至1300℃（η＝102.5Pa·

s），估计它的退火点（η＝1012Pa·

s）？

4-12一种用于密封照明灯的硼硅酸盐玻璃，它的退火点是544℃，软化点是780℃。

求：

（1）这种玻璃粘性流动的活化能；

（2）它的工作范围；

（3）它的熔融范围。

4-13从以下两种釉式中，你能否判断两者的熔融温度、粘度、表面张力上的差别？

说明理由。

4-14影响玻璃形成过程中的动力学因素是什么？

结晶化学因素是什么？

试简要叙述之。

4-15试计算下列玻璃的结构参数及非桥氧分数。

（1）Na2O·

SiO2；

（2）Na2O·

CaO·

Al2O3·

（3）Na2O·

1/3Al2O3·

（4）18Na2O·

10CaO·

72SiO2（wt％）

4-16有两种玻璃其组成（mol％）如下表，试计算玻璃的结构参数，并比较两种玻璃的粘度在高温下何者大？

Na2O

CaO

A12O3

SiO2

B2O3

20

10

60

4-17有两种不同配比的玻璃其组成（wt％）如下，试用玻璃结构参数说明两种玻璃高温下粘度的大小？

8

12

80

4-18有一种玻璃组成（wt％）为Na2O14％、CaO13％、SiO273％，其密度为2.5g/cm3。

（1）计算该玻璃的原子堆积系数（AFP）及结构参数值？

（2）若用纯碱、石灰石和石英砂作原料，用1000kg石英砂熔制该玻璃，问其他两种原料各需多少？

4-19试简述哪些物质可以形成非晶态固体（NCS）？

形成（NCS）的手段有哪些？

可以用什么实验方法研究NCS结构？

4-20试简述淬火玻璃与退火玻璃在结构与性能上有何差异？

4-21以下三种物质，哪个最容易形成玻璃？

哪个最不容易形成玻璃，为什么？

（1）Na2O·

2SiO2；

（2）Na2O·

（3）NaCl

4-22查阅下列系统的粘度和Tg/TM等有关数据，试判断下列系统形成玻璃可能性的顺序。

（1）GeO2·

SiO2，以100℃/s冷却；

（2）GeO2·

SiO2气相沉积在0℃SiO2基板上；

（3）金属金气相沉积在0℃铜基板上；

（4）A12O3气相沉积在0℃A12O3基板上；

（5）液态硫以1℃/s冷却；

（6）液态金以106℃/s冷却；

（7）气态NaCl在0℃A12O3基板上冷却；

（8）液态ZnCl2以100℃/s冷却。

4-23若将10mol％Na2O加入到SiO2中去，计算O∶Si比例是多少？

这样一种配比有形成玻璃趋向吗？

4-24在100gSiO2中要加入多少CaO，才能使O∶Si达2.5？

4-25若将50mol％Na2O加入到SiO2中，计算O∶Si比例是多少？

这种配比能形成玻璃吗？

4-26在SiO2中加入20％B2O3，试计算熔体的O∶Si比例是多少？

4-27在SiO2中应加入多少Na2O，使玻璃的O/Si＝2.5，此时析晶能力是增强还是削弱？

4-28个别网络改变体（如Na2O）加到石英玻璃中，使氧硅比增加。

实验观察到当O/Si＝2.5~3时，即达到形成玻璃的极限，根据结构解释为什么在2＜O/Si＜2.5的碱和硅石混合物可以形成玻璃，而O/Si＝3的碱和硅灰石混合物结晶而不形成玻璃？

4-29试分析：

（1）假如要求在800℃时得到一种具有最高的SiO2摩尔百分数的熔体，而且只能在SiO2中加入一种别的氧化物，那么应选择什么氧化物作外加剂？

加入量多少为宜？

（2）为什么石英的熔融温度比方石英的熔融温度低？

第四章答案

4-1略。

解：

聚合物的形成是以硅氧四面体为基础单位，组成大小不同的聚合体。

可分为三个阶段：

初期：

石英的分化，架状[SiO4]断裂，在熔体中形成了各种聚合程度的聚合物。

中期：

缩聚并伴随变形一般链状聚合物易发生围绕Si-O轴转动同时弯曲，层状聚合物使层本身发生褶皱、翘曲、架状聚合物热缺陷增多，同时Si-O-Si键角发生变化。

[SiO4]Na4+[Si2O7]Na6——[Si3O10]Na8+Na2O

（短键）

3[Si3O10]Na8——[Si6O18]Na12+2Na2O 

（六节环）

后期：

在一定时间和温度范围内，聚合和解聚达到平衡。

缩聚释放的Na2O又能进一步侵蚀石英骨架而使其分化出低聚物，如此循环，直到体系达到分化-缩聚平衡为止。

利用X射线检测。

晶体SiO2——质点在三维空间做有规律的排列，各向异性。

SiO2熔体——内部结构为架状，近程有序，远程无序。

SiO2玻璃——各向同性。

硅胶——疏松多孔。

4-4影响熔体粘度的因素有哪些？

（1）影响熔体粘度的主要因素：

温度和熔体的组成。

碱性氧化物含量增加，剧烈降低粘度。

随温度降低，熔体粘度按指数关系递增。

（2）通常碱金属氧化物（Li2O、Na2O、K2O、Rb2O、Cs2O）能降低熔体粘度。

这些正离子由于电荷少、半径大、和O2－的作用力较小，提供了系统中的“自由氧”而使O/Si比值增加，导致原来硅氧负离子团解聚成较简单的结构单位，因而使活化能减低、粘度变小。

4-5熔体粘度在727℃时是107Pa·

根据

727℃时，η=107Pa·

s，由公式得：

（1）

1156℃时，η=103Pa·

s，由公式得：

（2）

联立

（1），

（2）式解得∴A=-6.32，B=13324

当η=106Pa·

s时，

解得t=808.5℃。

4-6试述石英晶体、石英熔体、Na2O·

石英晶体

石英熔体

Na2O•2SiO2

结构

[SiO4]按共顶方式对称有规律有序排列，远程有序

基本结构单元[SiO4]呈架状结构，远程无序

基本结构单元[Si6O18]12-呈六节环或八节环，远程无序

性质

固体无流动性，熔点高，硬度大，导电性差，结构稳定，化学稳定性好

有流动性，η大，电导率大，表面张力大

有流动性，η较石英熔体小，电导率大，表面张力大

（1）根据公式：

1000℃时，η=1014Pa·

s，T=1000+273=1273K,

①

1000℃时，η=107Pa·

s，T=1400+273=1673K,

②

联立

（1），

（2）式解得：

5.27×

10-16Pa·

s，

=713.5kJ/mol

（2）若在在恒容下获得，活化能不会改变。

因为活化能是液体质点作直线运动所必需的能量。

它与熔体组成和熔体[SiO4]聚合程度有关。

（1）根据

1300℃时，η=310Pa·

800℃时，η=107Pa·

②

联立

（1），

（2）式解得∴A=-7.2，B=15219.6

当t=1050℃时，

解得η=20130.5Pa·

（2）在此温度下，极冷能形成玻璃。

根据公式：

对于熔体1：

当t=500℃时，T=500+273=773K,

0.0013,

9.265

当t=700℃时，T=700+273=973K,

0.0010, 

7.240

当t=900℃时，T=900+273=1173K,

0.0008,

6.064

当t=1100℃时，T=1100+273=1373K,

0.0007,

5.296

当t=1350℃时，T=1350+273=1623K,

0.0006,

4.643

对于熔体2：

10.189

7.964

6.670

5.823

当t=1350℃时，T=1350+273=1623K,

5.102

熔体在1350~500℃间的粘度曲线

请回解：

1400℃时，η=109Pa·

s，T=1400+273=1673K,

840℃时，η=1013Pa·

s，T=840+273=1113K, 

11.22Pa·

=254.62kJ/mol

（2）当η=105Pa·

s时，105=11.22

解得t=3094.2℃

870℃时，η=106Pa·

s，T=870+273=1143K, 

1300℃时，η=102.5Pa·

s，T=1300+273=1573K, 

1.57×

10-7Pa·

=280.16kJ/mol

当η=1012Pa·

s时，1012=1.57×

10-7

解得t=505.15℃

4-12从以下两种釉式中，你能否判断两者的熔融温度、粘度

、表面张力上的差别？

（1）粘度的差别

对釉式1：

Al3+按网络形成离子，

2.05

对于釉式2：

Al3+被视为网络改变离子

即：

釉式1Y1>

釉式2Y2，所以在高温下釉式1粘度>

釉式2粘度。

（2）釉式1熔融温度>

釉式2熔融温度

（3）表面张力的差别：

釉式1表面张力<

釉式2表面张力

因为釉式1的O/Si小于釉式2的O/Si，同时釉式1加入了PbO和B2O3,这些氧化物可以降低表面张力。

4-13一种用于密封照明灯的硼硅酸盐玻璃，它的退火点是544℃，软化点是780℃。

退火点544℃，η=1012Pa·

s， 

T=544+273=817K, 

软化点为780℃，η=4.5×

106Pa·

s，T=780+273=1053K,

1.39×

10-12Pa·

=373.13kJ/mol

（2）工作温度范围粘度一般为103~107Pa.s

当η=103Pa·

s时，T=

1311.9K=1038.9℃

当η=107Pa·

1033.6K=760.6℃

所以工作温度范围是：

1038.9℃~760.6℃

（3）熔融范围粘度一般是10~100Pa.s

当η=10Pa·

1516.0K=1243.0℃

当η=100Pa·

1406.6K=1133.6℃

所以熔融温度范围是1243.0℃~1133.6℃

影响玻璃形成的关键是熔体的冷却速率，熔体是析晶还是形成玻璃与过冷度、粘度、成核速率、晶体生长速率有关。

玻璃形成的结晶化学因素有：

复合阴离子团大小与排列方式，键强，键型。

（1）Z=4，R=3/1=3，X=2R-Z=6-4=2，Y=8-2R=8-6=2

（2）

>

Al3+被视为网络形成离子

Z=4，

X=2R-Z=4.66-4=0.66，Y=4-0.66=3.34

（3）

1 

，X=2R-Z=4.8-4=0.8，Y=4-0.8=3.2

（4）

wt%

18

72

mol

0.290

0.179

1.200

mol%

17.4%

10.7%

71.9%

，X=2R-Z=0.78，Y=4-0.78=3.22

1号：

Z=4，

X1=2R-Z=0.5，Y1=4-0.5=3.5

2号：

X2=2R-Z=1.5，Y2=4-1.5=2.5

Y1>

Y2

高温下1号玻璃的粘度大。

序号

8.16

7.47

84.37

12.09

4.86

83.05

对于1：

Al2O3被视为网络形成离子

X1=2R-Z=0.014，Y1=4-X=3.986

对于2：

Al2O3被视为网络形成离子

X2=2R-Z=0.16，Y2=4-X=3.84

Y1>

Y2，故1号在高温下的粘度大。

（1）该玻璃的平均分子量

GM=0.14×

62+0.13×

56+0.73×

60.02=59.77

在1Å

3中原子数为

n=

=2.5×

10-24×

6.02×

1023/59.77=0.252个/Å

3 

3原子所占体积

V=0.0252×

4/3π[0.14×

2×

0.983+0.13×

1.063+0.73×

0.393+（0.14+0.13+0.73×

2）×

1.323] 

=0.4685

∴ 

AFP=0.46

结构参数：

14

13

73

0.23

1.22

13.7

72.6

R=（13.7+13.7+72.6×

2）/72.6=2.38

∵Z=4 

∴X=2R-Z=2.38×

2-4=0.76

Y=Z-X=4-0.76=3.24

（2）石英砂为1000kg，则需要纯碱（Na2CO3）：

需要石灰石（CaCO3）：

熔体和玻璃体可以形成非晶态固体。

将熔体和玻璃体过冷可以得到非晶态固体。

消除和均衡由温度梯度产生的内应力的玻璃为退火玻璃，这类玻璃不易碎裂且切割方便。

淬火处理是将制品加热至接近其软化温度，使玻璃完全退火，然后进行迅速冷却（淬火处理）。

因此产生均匀的内应力，从而使玻璃表面产生预加压应力，增加了抗弯、抗冲击的抗扭曲变形的能力。

（1）最容易形成玻璃，（3）最不容易形成玻璃。

经计算可知R1=2.5，R2=3，Y1=3，Y2=2Y1>

Y2，高温下

（1）粘度大，容易形成玻璃，NaCl不具备网络结构，为典型的离子晶体很难形成玻璃。

略。

，这种配比有形成玻璃的趋向，因为此时结构维持三维架状结构，玻璃的粘度还较大，容易形成玻璃。

设要加入XgCaO，则：

解得：

X=46.67

，可以形成玻璃。

当加入50mol%Na2O时，连续网状SiO2骨架虽然松弛化，但依然是三维网络结构，可以形成玻璃。

1.86

设加入xmol的Na2O，而SiO2的量为ymol。

则O/Si=（x+2y）/y=2.5 

∴x=y/2 

即二者的物质量比为1:

2时，O/Si=2.5。

因为O/Si增加了，粘度下降，析晶能力增强了。

当O/Si＝2.5~3时