无机材料概论

1玻璃：1.名词解释：桥氧、非桥氧、配位数。桥氧：玻璃网络中作为两个成网多面体所共有顶角的氧离子，即起“桥梁”作用的氧离子。非桥氧：仅与一个成网离子相键连，而不被两个成网多面体所共的氧离子则为非桥氧。配位数：直接同中心离子（或原子）配位的原子数目叫中心离子（或原子）的配位数。2.了解硅酸盐结构形态与桥氧与非桥氧之间的关系。在无机非金属材料中，硅酸盐晶体结构有一个共同的特点，即均具有[SiO4]四面体，并遵循由此导出的硅酸盐结构定律。[PO4]四面体，[BO4]四面体，[BO3]三角体，[AlO4]四面体，[AlO6]八面体。硅酸盐矿物的晶体结构中，最基本的结构单元是Si-O络阴离子。除硅灰石膏结构中Si4+具有6次配位，形成Si-O6配位八面体而属于六氧硅酸盐外，其他所有硅酸盐矿物都属于四氧硅酸盐。其Si4+具有4次配位，形成Si-O4配位四面体。这样的硅氧四面体在结构中可以孤立地存在，彼此间由其他金属阳离子来连接。但硅氧四面体间经常还可通过共用角顶上的O2-(称为桥氧)而相互连接，从而构成四面体群、环、链、层和架等不同连接形式的所谓硅氧骨干。硅氧骨干与硅氧骨干之间再借助于其他金属阳离子来连接。3.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？1）具有比金属键和纯共价键稳定的离子键和混合键——脆性。2）比金属的晶体结构复杂，没有自由电子。3）熔点高，硬度高，脆性大，透明度高，导电性低，抗化学腐蚀能力强。4）绝大多数是绝缘体，导热系数低，受热变形小。4.什么是玻璃态物质的四个通性？解释之。1）各向同性玻璃体的任何方向具有相同性质。就是说，玻璃态物质各个方向的硬度、弹性模量、热膨胀系数、热传导系数、折射率、导电率等都是相同的。2）介稳性玻璃处于介稳状态，就是说，从熔体冷却或其他方法形成玻璃时，系统所含的内能并不处于最低值。当玻璃从液态向固态转化时，玻璃的内能大于同组成晶体的内能，玻璃的体积大于同组成晶体的体积。从热力学的观点看，玻璃态是不稳定的，但从动力学的观点看，它又是稳定的。3）性质变化的连续性和渐变性在玻璃形成范围内，成分可以连续变化。因此在大部分情况下，玻璃的一些物理性质是玻璃中所含各氧化物特定的部分性质之和。4）没有固定的熔点玻璃在固态和熔融态间的转化是可逆的，没有固定的熔点。它由液态到固态是一个连续渐变的过程。5.Tg-Tf玻璃转变温度区域的含义，及对玻璃结构、性质的研究有何意义？1）Tg—Tf区域称为玻璃转变温度范围。Tg—转变温度（转变点），Tf—软化温度（软化点）。2）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。3）固态玻璃的性质是相对的，并不是一个常数。它与Tg—Tf区域的玻璃冷却速度有关。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。4）在Tg温度以下或Tf温度以上，一般认为，冷却速度对玻璃结构性能影响不大。5）研究这一温度区域内的玻璃转变，对玻璃的退火、分相、析晶、封接、成型等具有重要的实用意义。6.解释玻璃态结构的晶子学说和无规则网络学说，概括并比较其结构特点。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，2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。7.石英玻璃具有哪些结构、性能特点？生产方法？一般采用无规则网络学说的模型描述石英玻璃。[SiO4]是熔融石英和结晶态石英的基本机构单元。它的正负电荷重心重合，不带极性。并以顶角相连。Si-O键是极性共价键。其键能非常大。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。生产方法：间隙法、连熔法、气炼法。8.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？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。而钠硅玻璃中加入CaO时，使玻璃的结构和性质发生明显的变化，主要表现在结构的加强，一系列物理化学性能变好，成为各种实用的钠硅玻璃的基础。钙的这种特殊作用来源于它本身的特性及其在结构中的地位。Ca2+的离子半径（0.099nm）与Na+（0.095nm）近似，但Ca2+的电荷比Na+大一倍，它的场强比钠大得多。它具有强化玻璃结构和限制钠离子活动的作用。9.Na2O-CaO-SiO2玻璃系统非常实用，为什么？都用于哪些玻璃制品？这主要由于该系统的玻璃使用的原料资源丰富，来源广泛，价格低廉，其生产工艺成熟、稳定，玻璃的综合性能（玻璃强度、化学稳定性、耐热性能等）优良。应用于大多数实用玻璃，例如：瓶罐玻璃、器皿玻璃、保温瓶玻璃、灯泡玻璃、平板玻璃等。10.什么是硼氧反常性？什么是硼反常性？理解组成、结构与极值的关系。硼氧反常性：在R2O-B2O3二元玻璃中，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。硼反常性：在R2O-B2O3-SiO2系统玻璃中，R2O含量不变，用B2O3取代SiO2，如果氧化硼的含量超过一定限度时，结构和性质会发生逆转现象，在性质变化曲线上则出现极大值或极小值，这种现象称为硼反常现象。在R2O-B2O3二元玻璃中，碱金属氧化物提供的氧，可使硼从三配位转变为四配位，即在一定范围内，它们提供的氧不像在熔融石英玻璃中使网络断裂而成为非桥氧，相反是使硼氧三角体转变成由桥氧构成的硼氧四面体，使部分形成三维空间架状结构，使原有二维结构有所加强，并因此引起玻璃的各种理化性能变好。而在Na2O-B2O3-SiO2系统玻璃中，当以B2O3取代SiO2时，折射率、密度、硬度、化学稳定性等出现极大值；热膨胀系数出现极小值，而电导、介电损耗、表面张力则不出现硼反常现象。两种现象都是由于玻璃中硼氧三角体[BO3]与硼氧四面体[BO4]之间的量变而引起玻璃性质突变的结果。11.磷酸盐玻璃的结构特点，用途。磷酸盐玻璃结构的基本单元是磷氧四面体[PO4]，但每一磷氧四面体中有一个带双键的氧。用途：制备光学玻璃，透紫外玻璃，吸热、耐氟酸玻璃，目前是低熔点玻璃的重要研究方向之一。12.常见的卤化物玻璃、硫属化合物玻璃及用途。常见的卤化物玻璃：BeF2，ZnCl2，ZnBr2。用途：重要的光学材料，也可作为封接材料。常见的硫属化合物玻璃：As2S3，As2Se3，GeS2，GeSe2。用途：半导体材料、透红外材料、封接材料。13.玻璃中氧化物的分类及作用。作为玻璃网络生成体应满足哪些条件？常见的玻璃网络生成体有哪些？3玻璃中氧化物的分类及作用：1）网络形成体：单键强度＞335KJ/mol的氧化物能单独形成玻璃。2）中间体：单键强度介于251--335KJ/mol的氧化物，其作用介于网络形成体和网络调整体之间。3）网络调整体：单键强度＜251KJ/mol的氧化物能调整玻璃性质。作为玻璃网络生成体应满足的条件：1）每个氧离子应与不超过两个阳离子相连。2）在中心阳离子周围的氧离子配位数必须小于或等于4。3）氧多面体相互共角而不共棱或共面。4）每个多面体至少有三个顶角是共用的。常见的玻璃网络生成体：SiO2，B2O3，P2O5，GeO2，As2O5。14.什么是双碱效应（混合碱效应）？双碱效应（混合碱效应）：在二元碱硅玻璃中，当玻璃中碱金属氧化物的总含量不变，用一种R2O逐步取代另一种R2O时，玻璃性质不是呈直线变化，而是出现明显的极值，这种现象叫混合碱效应，也叫双碱效应。15.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。16.影响玻璃性质的四点结构因素？17.玻璃生成的热力学条件？玻璃生成的动力学条件？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。动力学条件：生成玻璃的关键是熔体的冷却速度(粘度增大的速度)。影响冷却速度的因素有：熔体数量，产品大小、厚薄。18.生成玻璃的关键是什么？与哪些因素有关？关键：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。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。以下两个因素对玻璃的形成起很大的影响：（1）为了增加结晶势垒，在凝固点（势力学熔点Tm）附近的熔体粘度的大小，是决定能否生成玻璃的主要标志。（2）在相似的粘度-温度变化曲线情况下，具有较低的熔点，玻璃态易于获得。19.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。20.什么是三T图？三T图的作用？三T图即温度-时间-转变之间的关系曲线，用于求出防止产生一定结晶容积分率的临界冷却速度。21.玻璃生成的两个主要因素？1)凝固点(热力学熔点Tm)附近的熔体粘度越大，越易形成玻璃。反之，粘度越小，越不易形成玻璃。2)在相似的粘度-温度变化曲线情况下，具有较低的熔点，较高的转变温度的化合物，易于形成玻璃。22.玻璃生成的晶体化学条件？影响玻璃形成的结晶化学因素主要是熔体结构、键强和键性。1）熔体结构（原子团的大小与排列方式）一般认为，熔体中原子团是高聚合，这种错综复杂的大原子团位移、转动和重排都较困难，重排4前还须介理，所以不易调整为晶体，因而容易形成玻璃。2）键性熔体析晶必须破坏熔体原有的化学键。使质点重新移位，建立新键，调整为具有晶格排列的结构，因为化学键强时不易破坏，难于调整为有规则的排列；反之，化学键弱时，容易断裂重新调整为有规则排列的晶体，不能生成玻璃。3）键强一般认为：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。23.多元组分对玻璃形成范围的影响。24.什么是均匀成核？什么是非均匀成核？均匀成核是指在宏观均匀的玻璃中，在没有外来物参与下，与相界、结构缺陷等无关的成核过程。均匀成核是依靠相界、晶界或基质的结构缺陷等不均匀部位而成核的过程。25.微晶玻璃的制备原理？无色透明微晶玻璃的制备？微晶玻璃是用适当组成的玻璃控制结晶而成，它含有大量（典型的约占95-98%）细小的（在1μ以下）晶体及少量残余玻璃相。微晶玻璃可以采用一般玻璃的熔制、成型方法，然后经过热处理后转变成为微晶材料。选用成核剂是制备微晶玻璃常用的方法。26.成核剂的分类、选择？常用的成核剂有哪些？按晶核剂性质大致可以分为贵金属盐类，氧化物类，氟化物类。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。常用的成核剂有：AgCl，AgNO3，AuCl，C