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、Na2O·2SiO2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。
7
3
6
4-6熔体粘度在727℃时是10Pa·s，在1156℃时是10 Pa·s，在什么温度下它是10 Pa·s？（用lnη＝A＋B/T解之）
4-7 SiO2熔体的粘度在1000℃时为10 Pa·s，在1400℃时为10 Pa·s。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？
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4-8一种熔体在1300℃的粘度是310 Pa·s，在800℃是10 Pa·s，在1050℃时其粘度为多少？在此温度下急冷能否形成玻璃？
7
4-9试用logη＝A＋B/（T－T0）方程式，绘出下列两种熔体在1350~500℃间的粘度曲线（logη~1/T）。两种熔体常数如下：
序 号 1 2 A 1.631 1.769 B 4229 4690 T0 219 216 4-10派来克斯（Pyrex）玻璃的粘度在1400℃时是10 Pa·s，在840℃是10Pa·s。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10Pa·s的粘度时约要多高的温度？
6
2.5
5
913
4-11一种玻璃的工作范围是870℃（η＝10Pa·s）至1300℃（η＝10Pa·s），估计它的退火点（η＝10Pa·s）？
12
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·SiO2；（3）Na2O·1/3Al2O3·SiO2；（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？
序 号 1 2 Na2O 20 10 CaO 10 0 A12O3 10 20 SiO2 60 60 B2O3 0 10 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 1 2 Na2O 8 12 A12O3 12 8 SiO2 80 80 3
4-18有一种玻璃组成（wt％）为Na2O14％、CaO13％、SiO273％，其密度为2.5g/cm。（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 ·SiO2；（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 10℃/s冷却；（7）气态NaCl在0℃A12O3基板上冷却；（8）液态ZnCl2以100℃/s冷却。
6
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？为什么？
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？为什么？
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？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。
[SiO4]Na4+[Si2O7]Na6 ——[Si3O10]Na8+ Na2O
（短键）
3[Si3O10]Na8—— [Si6O18]Na12+2 Na2O
（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。
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——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？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、和O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。
2－
4-5熔体粘度在727℃时是10Pa·s，在1156℃时是10 Pa·s，在什么温度下它是10 Pa·s？
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解：根据
727℃时，η=10Pa·s， 由公式得：
7
（1）
1156℃时，η=10 Pa·s，由公式得：
3
（2）
联立（1），（2）式解得∴A=-6.32，B=13324
当η=10 Pa·s时，
6
解得t =808.5℃。
4-6 试述石英晶体、石英熔体、Na2O·2SiO2熔体结构和性质上的区别。 石英晶体 [SiO4] 按共顶方式对称有规律有序排列，远程有序 石英熔体 Na2O?2SiO2 12-结构 基本结构单元 [SiO4] 呈架基本结构单元 [Si6O18] 呈六节状结构，远程无序 环或八节环，远程无序 性质 固体无流动性，熔点高，硬度大，有流动性，η大，电导率大，有流动性，η较石英熔体小，电导导电性差，结构稳定，化学稳定表面张力大 率大，表面张力大 性好 4-7 SiO2熔体的粘度在1000℃时为10 Pa·s，在1400℃时为10 Pa·s。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？
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解：（1）根据公式：
1000℃时，η=10 Pa·s，T=1000+273=1273K,
14
①
1000℃时，η=10 Pa·s， T=1400+273=1673K,
7
②
联立（1），（2）式解得：5.27×10 Pa·s，
-16
=713.5 kJ/mol