玻璃材料的设计与制备

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1、典型多媒体课件玻璃材料的设计与制备实验基本介绍实验内容介绍实验仪器介绍思考题及提示实验参考资料1、实验基本介绍本实验为设计性实验。学生通过自学关于玻璃材料的皐础理论知识，掌握玻璃材料的结构、牛长机理与合成方法。实验要求学牛根据口学知识进行玻璃材料的组分设计，并采用设计的组分进行玻璃样品的制备。然后対得到的玻璃样品进行观察，利用所学习的玻璃的基本理论分析实验成功与失败的可能原］大I。2、实验内容介绍实验内容A.熟悉程控E10XPRESS型马弗炉的控制程序编辑和使用；掌握SartoriusP型电子分析天平的使川方法及注意事项。B.根据口学理论知识

2、设计一种或两种三元系玻璃组分。C.根据设计组分进行试剂称量、混合；根据设计玻璃体系设定马弗炉的升温稈序；把混合后原材料装入玛瑙圮圳并送入马弗炉熔融，待样品融化后取出并淬火。D.对样品进行观察，根据玻璃的基木理论对获得的样品进行分析并提出改进意见。实验目的通过该实验使学牛掌握玻璃材料的基本理论和合成方法，提高学牛口学新知识利利用新知识的能力，同时培养学生理论联系实际能力。实验原理玻璃的牛成过程可通过图1进行描述。图中所示为一个熔融状态的体系当温度降低时内能随温度变化的关系曲线。纵轴〃表示体系的内能，横轴表示温度，带有箭头的线段表示体系的变化过程

3、。各种材料的熔融液体在冷却凝固时，对能出现两种情况:一种是降温速度较慢的正常结晶生成晶体过程，如图ABtBEtEF段所示，其中BE段为结晶过程,/为熔点；另一种降温速度较快的情况，即为玻璃（或其它非晶态）的生成过程，如图屮AB^BC和ABtBD段所示。在凝固点附近熔体的粘度和冷却速度是能否形成玻璃的重要条件。1.在熔点附近粘度较大的熔体凝固时容易形成玻璃在液体的冷却过程中，无规则排列的原子（离子）必须进行迁移和调整，先凝聚成小的结晶核，然片晶核再继续长大，才能形成晶体结构。如果熔融流体的粘度很人,原子的迁移和调整I•分困难，则凝聚后就会保留液

4、态的无序结构，从而形成玻璃。理论上来讲，在熔融状态下具有较复杂的链状或层状结构的化合物，粘度大，易成玻璃。在图1的U~T曲线中，人是玻璃的转变温度，是玻璃材料的重要特征温度。它不是一个确定的数值，而是一个温度区间，并且会随冷却速度的不同而略有不同。对于相似的温度和粘度变化规律，熔点温度比较低的材料，冷却时更容易形成玻璃。-•些粘度较高的熔体化合物有AS2O3、B2O3.GcO2>Si（）2、BeF2.TeO?等。在熔制玻璃材料时如果体系的粘度不够，可以考虑加入合适比例的上述化合物。虽然说熔体的粘度越人越有利于玻璃的生成，但粘度太大不仅会给熔制

5、的操作过程带來不便，而II还可能使玻璃中含有较多的气泡，影响玻璃材料的性能。2.冷却条件是能否形成玻璃的外部条件熔融液体的冷却速度对于形成玻璃有着重要影响。当冷却速度很大时，温度急剧下降，与温度成指数关系的粘度陡然上升，原子的扩散和迁移受到抑制，来不及形成品核，液态的非品结构口J能保留下來，形成玻璃态固体。对于不同组成的玻璃体系町以采用不同的降温方法。常用的冷却装置如图2所示。在图2中，（1）、（2）是把熔体倒在高速旋转的冷却体上，为了获得高的导热效率，一般冷却体由铜制成，这种装置可以获得10?K/s冷却速率；（3）是一般实验室常用的冷却方法

6、，即把熔体倾倒在一块铜板上，随即用另一块铜板压在上血，该法可获得10K/s冷却速率。如将下血的铜板川液氮冷却，便可获得高达105K/s的冷却速率。溶体溶体图2常用冷却装置图图1.非晶态材料形成过程1.玻璃材料的稳定性问题从相变的角度看，玻璃材料的形成过程是亚稳相Z间的相变过程。因此，亚稳相的稳定性问题也是研究玻璃材料物理不可忽略的问题。玻璃的化学稳定性与玻璃的化学组成、温度及腐蚀时间有关。砂酸盐玻璃会与氢氟酸作用形成具有强挥发性的SiFio酸可通过将玻璃网络中碱金属离子（Nat片）置换而造成腐蚀，加入碱土金属可使玻璃的网络强化，提高其抗腐蚀能

7、力。碱（01「）会导致氧化物玻璃网络中氧桥的断裂而造成腐蚀，而ALO：,及B?0J可将断裂的网络“缝合”。1.玻璃的配料为了得到在室温下可以浇铸的玻璃样品，必需考虑配料的比例。旨先，要估计设计体系的玻璃生成能力。在这方而没有一个严格的理论来指导实验。60年代，温特等人得到了“原子外层轨道中若有4个P电子则最有利于形成玻璃骨架”的结论，这些元素为第TV族。这是因为，若原子外层轨道中的S或P电子未与自旋相反的电子构成对则可以产生共价键。这种具有一个或一个以上未成对的P电子的原子当为其它原子（外层轨道中也有未成对的P电子的同类或并类元索）接近时，自

8、旋不同的P电子组成公有电子对，从而形成一种共价键，即玻璃网络。当组成玻璃形成物的元素原子没有4个P电子，则至少有一个组分应有4个或4个以上P电子，而另一些组分至少应