无机非金属材料学-复习

1《无机非金属材料学》复习题2014.12玻璃：1.名词解释：桥氧，非桥氧，网络形成体，网络外体，网络中间体，三T图，TK-100，硼氧反常性，混合碱效应（双碱效应）。三T图：(温度-时间-转变)硼氧反常性：在R2O-B203二元玻璃中，碱金属氧化物提供的氧，可使硼从三配位转变成四配位，从而加强了网络，使玻璃的各种物理性质出现极值，这种现象称为“硼氧反常性”。Tk-100：电子玻璃体积电阻率为100MΩ·cm时的温度(Tk-100)2.无机非金属材料与其它材料相比在结构性能上有哪些特点？相对于金属键，共价键与离子键具有较高的能量，约高出金属键键能的一倍左右，所以，离子键或共价键构成的无机非金属材料一般熔点高、硬度高，脆性大，透明度高，导电性低。具有金属键的金属材料有弹性，可延展，导电性高，透明度低。由于共价键的晶体的配位数比离子晶体还要小，所以共价键的晶体的熔点、硬度比离子晶体还要高。碳化物的离子键成分约占5~25%，氮化物的离子键成分约占20~40%，硼化物的离子键成分约占5~10%。3.什么是玻璃态物质的四个通性？各向同性；介稳性；性质变化的连续性和渐变性；没有固定的熔点4.Tg-Tf玻璃转变温度区域对玻璃的结构、性质有何意义？在转变温度区域内的任一温度，玻璃熔体有对应于该温度的平衡结构。温度越低，粘度越大，达到平衡结构的速度越慢，需要的时间越长。因此，固态玻璃的性质与冷却速度有关，冷却速度越快，玻璃结构偏离平衡结构的程度越大，导致玻璃结构疏松，使玻璃密度、折射率等性质下降，冷却速度减慢，密度、折射率等性质上升，所以说固态玻璃的性质是相对的，并不是一个常数。25.解释晶子学说和无规则网络学说。无规则网络学说：原子在玻璃中和在晶体中的作用是相同的，应形成连续的、三维空间的网络，但在玻璃中是不规则的，非周期性的，因而玻璃的内能大于晶体的内能，而晶体的结构是规则的、周期性的。晶子学说：在玻璃中存在着有规则排列的微小区域，这种有规则排列的微小区域与晶体的晶格相比又是极度变形的，他是相对的，距晶子中心的距离越远，不规则程度越显著。无规则网络学说着重说明了玻璃结构的连续性，无序性和均匀性，而晶子学说则比较强调玻璃的微观不均匀性和有序性。当前比较统一的看法是:玻璃结构具有近程有序，远程无序的特点。6.石英玻璃具有哪些结构、性能特点？1.[Si04]是熔融石英和结晶态石英的基本机构单元，2.Si-O键是极性共价键，3.Si-O键的键能非常大，4.[Si04]正负电荷重心重合，不带极性，5.[Si04]以顶角相连。6.性能：石英玻璃粘度大，机械强度高，热膨胀系数小，耐热耐化学稳定性好。Na2O-SiO2二元系统玻璃：石英玻璃中，加入R2O使氧的比值增加，玻璃中的氧不可能由两个硅原子所共用，开始出现一个硅原子键合的氧原子，即非桥氧，使硅氧网络发生断裂，结果使玻璃结构减弱、疏松，导致玻璃的物理化学性能下降，如粘度、膨胀系数等。7.氧化钙加入玻璃中一般来说会削弱玻璃的结构，但在钠硅玻璃中加入氧化钙反而加强了玻璃的结构，这是为什么？此时形成的Na2O-CaO-SiO2玻璃系统非常实用，又是为什么？8.玻璃中氧化物分成哪三类？常见的玻璃网络生成体有哪些（至少三种）？分类：（1）网络形成体：能单独形成玻璃，在玻璃中能形成各自特有的网络体系（2）网络外体：凡不能单独生成玻璃，一般不进入网络而是处于网络之外（3）中间体：一般不能单独形成玻璃，其作用介于网络形成体和网络外体之间SiO2B2O3P2O5GeO2As2O59.玻璃中加入少量Al2O3的作用？在玻璃中加入少量的Al2O3，可以夺取非桥氧形成「AlO4」，进入硅氧网络，把断网连接起来，使玻璃结构趋于紧密，从而降低了玻璃的结晶倾向，抑制分相，Al2O3的加入还可以提高玻璃的化学稳定性，热稳定性，机械强度等性能，Al2O3还可以减轻玻璃对耐火材料的侵蚀。10.玻璃生成的热力学条件：一般来说，同组分的晶体与玻璃的内能差别越大，玻璃越容易结晶，越难形成玻璃。11.生成玻璃的关键是什么？与哪些因素有关？从动力学上看，生成玻璃的关键是熔体的冷却速度(粘度增大的速度)。冷却速度与哪些因素有关？熔体数量，产品大小、厚薄冷却方式：倾注，喷涂，冷却介质：铁板，油，水或液态氨等·影响玻璃生成的因素Ⅰ.热力学条件：—有降低内能向晶态转变的趋势，玻璃是不稳定的或亚稳的。3—一般来说，同组分的晶体与玻璃的内能差别越大，玻璃越容易结晶，越难形成玻璃。Ⅱ.动力学条件—玻璃析晶必须克服一定的势垒：成核所需建立新界面的界面能+晶核长大所需的质点扩散的活化能—生成玻璃的关键是熔体的冷却速度(粘度增大的速度)。Ⅲ.晶体化学条件—熔体的聚合程度越大，化学键越强，越不易破坏，越不易形成有规则的排列，因此越容易形成玻璃。12.如何理解泰曼将玻璃析晶分为晶核生成与晶体生长两个过程。泰曼认为：玻璃的形成是由于过冷液体中晶核生成最大速度对应的温度低于晶体生长最大速度对应的温度所致。熔体冷却过程中，首先降到晶体生长最大速率所对应的温度，这时玻璃中晶核数量较少，不至于使玻璃析晶，然后再降到晶核生成最大速率所对应的温度，这时玻璃中有可能产生大量晶核，但此时的温度低于晶体生长最佳温度，致使晶核难以长大。晶核生成最大速率与晶体生长最大速率所对应的温度之间的温差越大，越易形成玻璃；反之，越易析晶。在均匀成核中，存在一临界成核半径，其值越小晶核越易形成，玻璃越易析晶。玻璃成核剂的选择：一般来说，成核剂和初晶相之间的界面张力越小，晶格常数越接近，成核就越容易。贵金属作为玻璃的晶核剂：金属颗粒一般要达到8~10nm，才能诱导主体玻璃析晶。13.成核剂分成哪三类、原理？常用的成核剂有哪些？Ⅰ.贵金属盐类成核原理：贵金属盐类熔于玻璃后，高温时，贵金属以离子状态存在，低温时，吸收电子而成原子状态，因溶解度小，热处理后而析出金属胶粒晶格参数相近，小于15%易于成核金属胶粒大小，一般在8—15nmAgCl,AgNO3,AuCl,CuCl2Ⅱ.氧化物成核原理：氧化物成核剂电荷高，场强大，对玻璃的结构有较大的积聚作用，从而导致玻璃分相、结晶。五氧化二磷、氧化锆、氧化钛Ⅲ.氟化物成核原理：氟化物加入导致硅氧键断裂，结构减弱，促使玻璃成核、晶化，产生结晶状的沉淀物，即氟化物晶核CaF2、Na3AlF6、Na2SiF614.什么是玻璃的分相？玻璃分相的原因？在硅酸盐熔体中，桥氧离子与硅离子以硅氧四面体的形式结合，并按本身的结构要求进行了排列。如果系统中加入其它阳离子，那么这些阳离子也力图将氧原子吸引到自己周围，按本身的结构要求进行排列。双方对氧离子的争夺，结果产生分相。分相对玻璃性质的影响？1.对具有迁移性能的有关性质会产生影响，如粘度、电导、化学稳定性等，2.对具有加和性能的有关性质影响较小，如密度、折射率、热膨胀系数、弹性模量等。分相的特点：分相是不混溶现象，分相区一般可从几个纳米至几百个纳米，因而属于亚微观结构不均匀性。相同组成的玻璃如热处理条件不同，可以出现连通结构或球形孤立滴状结构。15.玻璃产生析晶的因素？1.玻璃组成是引起玻璃析晶的内因。2.玻璃结构。3.玻璃分相对玻璃析晶也有一定作用。４.工艺因素：原料成分波动、配合料称量误差、混料不匀等。416.玻璃粘度与组成的关系？玻璃粘度与温度的关系？转变点，应变点，软化点对应的粘度分别为：1012.4，1013.6，107.6Pa.S。17.玻璃的密度与组成、温度、热历史的关系？玻璃密度与温度关系：玻璃密度与温度关系：随着温度的升高，玻璃密度下降玻璃密度与热历史的关系：在退火温度范围内，玻璃的密度与退火温度、保温时间、降温速度呈现比较复杂的关系，可以指出如下规律：(1)玻璃从高温状态冷却时，淬火(急冷)玻璃比退火(缓冷)玻璃的密度低；(2)在一定退火温度下，保温一定时间后，玻璃的密度趋向平衡，而淬火玻璃处于较大的不平衡状态；(3)冷却速度愈快，偏离平衡密度的温度愈高，其瓦温度也愈高。18.影响玻璃机械强度的主要因素？提高玻璃的强度的方法？1)玻璃的化学组成a)桥氧越多，强度越高：在玻璃结构中，桥氧形成的键要比非桥氧形成的键强得多。b)化学组成：玻璃的化学组成是决定玻璃强度的重要因素i.各氧化物对玻璃抗张强度的作用CaOB2O3BaOAl2O3SiO2PbOK2ONa2O(MgO,Fe2O3)ii.各氧化物对玻璃抗压强度的作用Al2O3SiO2(MgO,ZnO)B2O3Fe2O3BaO(CaO,PbO)c)高电荷阳离子：因较高的场强而比低电荷阳离子与氧离子结合的键强得多。2)玻璃的微不均匀性3)玻璃的宏观缺陷4)玻璃的表面微裂纹5)玻璃使用环境的活性介质6)玻璃的使用温度7)玻璃中的应力8)玻璃的疲劳现象9)随着玻璃几何尺寸的减小，试样表面和内部的缺陷生成的几率也随之减小，因而强度提高·提高玻璃强度的方法：(1)表面脱碱(2)火抛光(3)化学腐蚀(4)物理钢化(5)化学钢化(6)表面涂层(7)微晶化或制成复合材料19.玻璃的膨胀系数、电阻率与组成、温度、热历史之间的关系？--膨胀系数（P21;）--电阻率(或电导率)的主要因素：(1)组成·R2O和RO对电阻率的影响5·B2O3对电阻率的影响·Al2O3对电阻率的影响·阳离子与玻璃电阻率的一般规律(1.玻璃网络的断裂程度；2.阳离子的本身大小：R2O和RO的阳离子半径小、浓度高，电导率上升，电阻率下降；3.其它阳离子的影响；4.混合碱效应(双碱效应)：半径相差越大，双碱效应越明显、温度上升，双碱效应逐渐减弱)(2)温度温度上升，电导率上升，电阻率下降；Tg以上，电导率急速上升。电真空玻璃常用TK-100表示玻璃的绝缘性能(3)热处理当玻璃中有应力存在时，电导率增加未退火玻璃的电导率约为退火玻璃的三倍电导率：淬火玻璃＞未退火玻璃＞退火玻璃20.玻璃的化学稳定性：高碱玻璃的耐酸性小于耐水性，高硅玻璃的耐酸性大于耐水性。温度上升10℃,侵蚀介质对玻璃的侵蚀速度增加50~150%。21.玻璃折射率：玻璃的密度越大，光在玻璃中的传播越慢，折射率越大，反之密度越小，则折射率越小。离子极化率越高，摩尔折射度越大，玻璃折射率越高。22.玻璃配方中常用的辅助原料有哪些？常用的玻璃着色剂、澄清剂、乳浊剂、氧化剂有哪些？（P30）玻璃的辅助原料:a)1.澄清剂（氧化物，硝酸盐，硫酸盐，氟化物等）b)2.着色剂c)3.脱色剂d)4.氧化剂和还原剂（氧化剂：氧化物，硝酸盐等；还原剂:碳，酒石酸钾等）e)5.乳浊剂f)6.碎玻璃23.过渡金属离子着色机理：过渡金属在玻璃中以离子状态存在，它们的价电子在不同能级间跃迁，由此引起对可见光的选择性吸收，导致着色。24.玻璃熔制过程中可分为哪五个阶段？硅酸盐形成阶段的特征，发生哪些物理化学反应？玻璃的熔制过程分为:1.硅酸盐形成阶段2.玻璃形成阶段3.玻璃液的澄清阶段4.玻璃液的均化阶段5.玻璃液的冷却阶段物理过程：有配合料的加热、吸附水的排除、组分的熔化、多晶转变及个别组分的挥发。化学过程：有固相反应、各种盐类的分解、水化物的分解、化学结合水的排除、组分间的相互作用及硅酸盐的形成。物理化学过程：低共熔物的生成、组分或生成物间的相互溶解、玻璃液与炉气介质间的相互作用，玻璃液与耐火材料间的相互作用等。25.玻璃形成过程的速度取决于什么？为什么？玻璃形成过程的速度取决于石英砂粒的溶解扩散速度;石英砂粒的溶解扩散速度又取决于扩散速6度(P39)26.玻璃液的均化是如何实现的？玻璃液冷却的目的、要求、应注意事项？熔制时：1）玻璃组成的熔解和扩散过程2）玻璃液的对流均化过程3）气泡上升引起的搅拌均化过程冷却的目的：使玻璃液的粘度增加，达到成型所需的粘度范围（1000~1100℃)。冷却后的要求：玻璃液的温度均匀一致，有利于成型。冷却应注意事项：冷却阶段应控制热均匀性和二次气泡的产生27.玻璃熔制设备：分为坩埚窑和池窑28.日用空心制品的机械成型：分为供料和成型两部分，各有哪些方法？吹制法有哪四种？（P48）供料：液流供料、真空