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1、第4章习题和答案无机材料科学基础第四章 非晶态结构与性质4-1名词解释熔体与玻璃体 分化（解聚）与缩聚 网络形成体 网络中间体 网络改变体 桥与非桥氧 硼反常现象 单键强度 晶子学说与无规则网络学说4-2试简述硅酸盐熔体聚合物结构形成的过程和结构特点。4-3试用实验方法鉴别晶体SiO2、SiO2玻璃、硅胶和SiO2熔体。它们的结构有什么不同？4-4 试述石英晶体、石英熔体、Na2O2SiO2熔体结构和性质上的区别。4-5影响熔体粘度的因素有哪些？试分析一价碱金属氧化物降低硅酸盐熔体粘度的原因。4-6熔体粘度在727时是107Pas，在1156时是103 Pas，在什么温度下它是106 Pas？

2、（用lnAB/T解之）4-7 SiO2熔体的粘度在1000时为1014 Pas，在1400时为107 Pas。SiO2玻璃粘滞流动的活化能是多少？上述数据为恒压下取得，若在恒容下获得，你认为活化能会改变吗？为什么？4-8一种熔体在1300的粘度是310 Pas，在800是107 Pas，在1050时其粘度为多少？在此温度下急冷能否形成玻璃？4-9试用logAB/（TT0）方程式，绘出下列两种熔体在1350500间的粘度曲线（log1/T）。两种熔体常数如下：序 号ABT011.631422921921.769 46902164-10派来克斯（Pyrex）玻璃的粘度在1400时是109 Pas，

3、在840是1013Pas。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105Pas的粘度时约要多高的温度？4-11一种玻璃的工作围是870（106Pas）至1300（102.5Pas），估计它的退火点（1012Pas）？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）它的工作围；（3）它的熔融围。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

4、。（1）Na2OSiO2；（2）Na2OCaOAl2O3SiO2；（3）Na2O1/3Al2O3SiO2；（4）18Na2O10CaO72SiO2 （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？序 号Na2OCaOA12O3SiO2B2O3120101060021002060104-17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？序 号Na2OA12O3SiO21812802128804-18有一种玻璃组成（wt）为Na2O14、CaO13、SiO273，其密度为2.5g/cm3。（1）计算

5、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） Na2O2SiO2；（2）Na2O SiO2；（3）NaCl4-22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）GeO2SiO2，以100/s冷却；（2）GeO2SiO2气

6、相沉积在0SiO2基板上；（3）金属金气相沉积在0铜基板上；（4）A12O3气相沉积在0A12O3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0A12O3基板上冷却；（8）液态ZnCl2以100/s冷却。4-23若将10molNa2O加入到SiO2中去，计算OSi比例是多少？这样一种配比有形成玻璃趋向吗？为什么？4-24在100gSiO2中要加入多少CaO，才能使OSi达2.5？4-25若将50molNa2O加入到SiO2中，计算OSi比例是多少？这种配比能形成玻璃吗？为什么？4-26在SiO2中加入20B2O3，试计算熔体的OSi比例是多少？4-27

7、在SiO2中应加入多少Na2O，使玻璃的O/Si2.5，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/Si2.53时，即达到形成玻璃的极限，根据结构解释为什么在 2O/Si2.5的碱和硅石混合物可以形成玻璃，而O/Si3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？说明理由。（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。4-2试简述硅酸盐熔体聚合物结

8、构形成的过程和结构特点。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。SiO4Na4+Si2O7Na6 Si3O10Na8+ Na2O（短键）3Si3O10Na8 Si6O18Na12+2 Na2O （六节环）后期：在一定时间和温度围，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

9、到分化-缩聚平衡为止。 4-3试用实验方法鉴别晶体SiO2、SiO2玻璃、硅胶和SiO2熔体。它们的结构有什么不同？解：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？试分析一价碱金属氧化物降低硅酸盐熔体粘度的原因。解：（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、

10、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107Pas，在1156时是103 Pas，在什么温度下它是106 Pas？解：根据727时，=107Pas， 由公式得：（1）1156时，=103 Pas，由公式得：（2）联立（1），（2）式解得A=-6.32，B=13324当=106 Pas时，解得t =808.5。4-6 试述石英晶体、石英熔体、Na2O2SiO2熔体结构和性质上的区别。石英晶体石英熔体Na2O2SiO2结构SiO4 按共顶方式对称有规律有序排列，远程有序基本

11、结构单元 SiO4 呈架状结构，远程无序基本结构单元 Si6O1812- 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，大，电导率大，表面力大有流动性，较石英熔体小，电导率大，表面力大4-7 SiO2熔体的粘度在1000时为1014 Pas，在1400时为107 Pas。SiO2玻璃粘滞流动的活化能是多少？上述数据为恒压下取得，若在恒容下获得，你认为活化能会改变吗？为什么？解：（1）根据公式： 1000时，=1014 Pas，T=1000+273=1273K, 1000时，=107 Pas， T=1400+273=1673K, 联立（1）

12、，（2）式解得：5.2710-16 Pas，=713.5 kJ/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。4-8一种熔体在1300的粘度是310 Pas，在800是107 Pas，在1050时其粘度为多少？在此温度下急冷能否形成玻璃？解：（1）根据1300时，=310Pas， 由公式得：800时，=107 Pas， 由公式得： 联立（1），（2）式解得A=-7.2，B=15219.6当t=1050时，解得=20130.5 Pas。（2）在此温度下，极冷能形成玻璃。4-9试用logAB/（TT0）方程式，绘出

13、下列两种熔体在1350500间的粘度曲线（log1/T）。两种熔体常数如下：序 号ABT011.631422921921.769 4690216解：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：当t =500时，T=5

14、00+273=773K, 0.0013, 10.189当t =700时，T=700+273=973K, 0.0010, 7.964当t =900时，T=900+273=1173K, 0.0008, 6.670当t =1100时，T=1100+273=1373K,0.0007, 5.823当t=1350时，T=1350+273=1623K, 0.0006, 5.102熔体在1350500间的粘度曲线4-10派来克斯（Pyrex）玻璃的粘度在1400时是109 Pas，在840是1013Pas。请回解：（1）粘性流动活化能是多少？（2）为了易于成形，玻璃达到105Pas的粘度时约要多高的温度？解：

15、（1）根据公式： 1400时，=109 Pas，T=1400+273=1673K, 840时，=1013 Pas，T=840+273=1113K, 联立（1），（2）式解得：11.22 Pas，=254.62kJ/mol（2）当=105 Pas时， 105=11.22解得t=3094.24-11一种玻璃的工作围是870（106Pas）至1300（102.5Pas），估计它的退火点（1012Pas）？解：根据公式：870时， =106 Pas， T=870+273=1143K, 1300时，=102.5 Pas，T=1300+273=1573K, 联立（1），（2）式解得：1.5710-7 Pa

16、s，=280.16kJ/mol当=1012 Pas时， 1012=1.5710-7解得t =505.154-12从以下两种釉式中，你能否判断两者的熔融温度、粘度、表面力上的差别？说明理由。 解：（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）表面力的差别：釉式1表面力1 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 Al3+被视为网络形成离子 Z=4，X=2R-Z=4.8-

17、4=0.8，Y=4-0.8=3.2 （4）Na2OCaOSiO2wt%181072mol0.2900.1791.200mol%17.4%10.7%71.9% Z=4，X=2R-Z=0.78，Y=4-0.78=3.224-16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？序 号Na2OCaOA12O3SiO2B2O312010106002100206010解：1号：Z=4， Al3+被视为网络形成离子X1=2R-Z=0.5，Y1=4-0.5=3.52号：Z=4， Al3+被视为网络改变离子X2=2R-Z=1.5，Y2=4-1.5=2.5Y1Y2 高温

18、下1号玻璃的粘度大。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？序 号Na2OA12O3SiO2181280212880解：序号Na2OA12O3SiO2wt%mol%wt%mol%wt%mol%188.16127.478084.3721212.0984.868083.05对于1： Z=4，Al2O3被视为网络形成离子 X1=2R-Z=0.014，Y1=4-X=3.986对于2： Z=4， Al2O3被视为网络形成离子 X2=2R-Z=0.16，Y2=4-X=3.84 Y1Y2，故1号在高温下的粘度大。4-18有一种玻璃组成（wt）为Na2O1

19、4、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？解：（1）该玻璃的平均分子量 GM=0.1462+0.1356+0.7360.02=59.77 在13中原子数为 n=2.510-246.021023/59.77 =0.252个/3 在13原子所占体积 V=0.02524/30.1420.983+0.131.063+0.730.393+（0.14+0.13+0.732）1.323 =0.4685 AFP=0.46 结构参数： Na2OCaOS

20、iO2wt%141373mol0.230.231.22mol%13.713.772.6R=(13.7+13.7+72.6 2)/ 72.6=2.38 Z=4 X=2R-Z=2.382-4=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）：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？解：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。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？解：消除和均衡由温度梯度产生的应力的

21、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。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） Na2O2SiO2；（2）Na2O SiO2；（3）NaCl解：（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=2 Y1Y2，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。 4-22查阅下列系统的粘度和Tg/TM等

22、有关数据，试判断下列系统形成玻璃可能性的顺序。（1）GeO2SiO2，以100/s冷却；（2）GeO2SiO2气相沉积在0SiO2基板上；（3）金属金气相沉积在0铜基板上；（4）A12O3气相沉积在0A12O3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0A12O3基板上冷却；（8）液态ZnCl2以100/s冷却。解：略。4-23若将10molNa2O加入到SiO2中去，计算OSi比例是多少？这样一种配比有形成玻璃趋向吗？为什么？解：，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。4-24在100gSiO2中要

23、加入多少CaO，才能使OSi达2.5？解：设要加入Xg CaO，则： 解得：X=46.674-25若将50molNa2O加入到SiO2中，计算OSi比例是多少？这种配比能形成玻璃吗？为什么？解：，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。4-26在SiO2中加入20B2O3，试计算熔体的OSi比例是多少？解：1.864-27在SiO2中应加入多少Na2O，使玻璃的O/Si2.5，此时析晶能力是增强还是削弱？解：设加入x mol的Na2O，而SiO2的量为y mol。 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。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/Si2.53时，即达到形成玻璃的极限，根据结构解释为什么在 2O/Si2.5的碱和硅石混合物可以形成玻璃，而O/Si3的碱和硅灰石混合物结晶而不形成玻璃？解：当O/Si2.53时，Y=23，当2O/Si2.5时，3Y