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玻璃的特征-玻璃容器器皿

文字:[大][中][小] 手机页面二维码 2020-4-1     浏览次数:    

  玻璃态是物质的一种存在状态,一般由熔体冷却、黏度逐渐增大而获得;近代也可通过非熔融法制备,例如:由气相沉积或气相水解而制取,通过溶液低温合成,应用冲击波,中子辐照使晶态物质转化为非晶态物质等。玻璃是一种具有无规则结构的非晶态固体,其原子不像晶体那样在空间作长程有序的排列,而近似于液体那样具有短程有序。玻璃的机械性质类似同组成的晶体,破碎时往往具有贝壳状断裂面。玻璃态物质具有以下几个特性。(1)各向同性玻璃态物质的任何方向都具有相同性质。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,而非等轴晶系的晶体具有各向异性。实际上,玻璃的各向同性是统计均质结构的外在表现,这点与液体有类似性。必须指出,玻璃中存在内应力时,结构均匀性就会遭受破坏,玻璃就显示出各向异性,例如出现明显的双折射现象。

  (2)介稳性玻璃处于介稳状态,就是说,玻璃态物质是由熔融体过冷却或其他方法形成玻璃时,系统所含有的内能并不处于最低值。我们知道,熔体冷却转化为晶体时,释出的能量相等于晶体熔化时的潜热。但当熔体过冷为固态玻璃时,释出的能量小于相应晶体的熔化潜热。图2-1表明,玻璃的热焓大于同组成晶体的热焓。图中曲线ABKFE为熔体转化为玻璃时热焓与温度的变化曲线,它不像曲线ABCD那样,在Tm点有明显的热焓下降,结晶态物质有固定熔点,在Tm处固液两相共存,在Tg温度附近,热焓的下降趋于缓和。Tg与冷却速度有关,图2-1中分别为Tg1和Tg2。一般高能量状态有向低能量状态转化的趋势。然而,玻璃即使处于高能量状态,由于常温黏度很大,因而实际上不能自发地转化为晶体;只有在一定条件下,即必须克服析晶活化能(物质由玻璃态转化为晶态的势垒),才能使玻璃析晶。因此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,因为常温下转变为晶态的概率非常小,所以说玻璃处于介稳状态。

  (3)玻璃的成分在一定的范围内可以连续变化,与此相应性质也随之连续的变化除形成连续固溶体外,二元以上晶体化合物有固定的原子分子比,因此它们的性质变化是非连续的。但玻璃不同,在玻璃形成范围内,成分可以连续变化,图2-2为R2O-SiO2系统玻璃分子体积的变化,由图可见分子体积随着R2O增加或者连续下降(加入Li2O或Na2O),或者连续增加(加入K2O时),由于这种变化的连续性,因此大部分情况下,玻璃的一些物理性质是玻璃中所含各种氧化物具有的部分性质之和,利用玻璃性质的加和性可以通过公式计算已知组成玻璃的性质。

  (4)玻璃在固态和熔融态间可逆转化时,物理化学性质的变化是连续的和渐变的当物质由熔体向固体转化时,如果是结晶过程,在系统中必有新相出现。在结晶温度时、许多性质发生突变。但当熔体向固态玻璃转化时,凝固过程在较宽广的范围内完成。随着温度的逐渐下降,熔体的黏度愈来愈大,最后形成固态玻璃,但始终没有新的晶相出现。从熔体向固态玻璃过渡的温度范围决定于玻璃的成分,一般波动在几十至几百度内,因而玻璃并没有固定的熔点,而只有一个软化温度范围。在此范围内,玻璃由塑性变形转入弹性变形。以玻璃的比容为例,它随温度而变的曲线示于图2-1。由图可见,当熔体冷却转化为晶体时,在固化时出现比容的突变,而熔体转化为固态玻璃时,并不出现比容的突变点。玻璃性质随温度的改变遵循两种类型曲线(图2-3)。有些性质如玻璃的热容,比容按曲线1变化,而其他一些性质(如热容Cp=dU/dT,U为内能,T为热力学温度),热膨胀系数等按曲线2变化。由图可见,曲线1和2均可划分三段:①ab———低温部分,几乎呈直线关系;②cd———高温部分,也几乎呈直线关系;③bc———中温部分,特点是性质随温度的变化加速进行。我们考察曲线1或2时,可以注意到两个特征温度间的温度区(即相应于bc段的温度区,介于Tg和Tf间)Tg相应于1012Pa·s黏度的温度,称转变点。在该温度时,可以消除玻璃制品中的内应力,因而也称为退火温度或转变温度。Tf称为软化点,相应于108Pa·s黏度的温度。在Tg和Tf间(称为玻璃转变温度区)玻璃性质随温度的变化并不呈直线。图2-3,曲线3d2 G/dT2表示与温度二阶导数有关的各项性质如热导率、机械性质等。综上所述,任何物质只要具有上述四个基本特征,不论它们的化学组成如何都可称为玻璃。

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