第4章习题及答案_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、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。 4-6熔体粘度在727℃时是107Pa·s，在1156℃时是103 Pa·s，在什么温度下它是106 Pa·s？（用lnη＝A＋B/T解之） 4-7 SiO2熔体的粘度在1000℃时为1014 Pa·s，在1400℃时为107 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？ 4-8一种熔体在1300℃的粘度是310 Pa·s，在800℃是107 Pa·s，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 A B T0 1 1.631 4229 219 2 1.769 4690 216         4-10派来克斯（Pyrex）玻璃的粘度在1400℃时是109 Pa·s，在840℃是1013Pa·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105Pa·s的粘度时约要多高的温度？ 4-11一种玻璃的工作范围是870℃（η＝106Pa·s）至1300℃（η＝102.5Pa·s），估计它的退火点（η＝1012Pa·s）？ 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、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 Na2O CaO A12O3 SiO2 B2O3 1 20 10 10 60 0 2 10 0 20 60 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 Na2O A12O3 SiO2 1 8 12 80 2 12 8 80         4-18有一种玻璃组成（wt％）为Na2O14％、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？ 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 106℃/s冷却；（7）气态NaCl在0℃A12O3基板上冷却；（8）液态ZnCl2以100℃/s冷却。 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107Pa·s，在1156℃时是103 Pa·s，在什么温度下它是106 Pa·s？ 解：根据 727℃时，η=107Pa·s， 由公式得： （1） 1156℃时，η=103 Pa·s，由公式得： （2） 联立（1），（2）式解得∴A=-6.32，B=13324 当η=106 Pa·s时， 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 石英熔体 Na2O?2SiO2 结构 [SiO4] 按共顶方式对称有规律有序排列，远程有序 基本结构单元 [SiO4] 呈架状结构，远程无序 基本结构单元 [Si6O18]12- 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，η大，电导率大，表面张力大 有流动性，η较石英熔体小，电导率大，表面张力大         4-7 SiO2熔体的粘度在1000℃时为1014 Pa·s，在1400℃时为107 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？ 解：（1）根据公式： 1000℃时，η=1014 Pa·s，T=1000+273=1273K, ① 1000℃时，η=107 Pa·s， T=1400+273=1673K, ② 联立（1），（2）式解得： 5.27×10-16 Pa·s， =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 Pa·s，在800℃是107 Pa·s，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，η=310Pa·s， 由公式得： ① 800℃时，η=107 Pa·s， 由公式得： ② 联立（1），（2）式解得∴A=-7.2，B=15219.6 当t=1050℃时， 解得η=20130.5 Pa·s。 （2）在此温度下，极冷能形成玻璃。 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 A B T0 1 1.631 4229 219 2 1.769 4690 216         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=500+273=773K,  0.0013, 10.189 当t =700℃时，T=700+273=973K, 0.0010,  7.964