无机非金属玻璃的定义是熔融液体在过冷固化后,没有形成结晶的固体,因此玻璃也可视为具液体结构的固体。一般液体冷却到固化温度以下时会变得不稳定,容易产生结晶。一般液体冷却到固化温度以下时会变得不稳定,容易产生结晶。但易形成玻璃的液体,在降温过程中因黏度变得很大,使得在过冷状态下仍然不结晶,最后冷却凝固而成为非结晶状态的玻璃。但易形成玻璃的液体,在降温过程中因黏度变得很大,使得在过冷状态下仍然不结晶,最后冷却凝固而成为非结晶状态的玻璃。美国国家研究委员会把玻璃定义为:玻璃是一种在X光鉴定下呈现非晶质相的固体。美国国家研究委员会把玻璃定义为:玻璃是一种在X光鉴定下呈现非晶质相的固体。不论是有机或无机玻璃,其构成的原子或分子都呈现无序分布,不具备长程有序化的结构,但可能具有短程的规律性。不论是有机或无机玻璃,其构成的原子或分子都呈现无序分布,不具备长程有序化的结构,但可能具有短程的规律性。
就热力学观点而言,晶体受热,内能增加,对称性提高。就热力学观点而言,晶体受热,内能增加,对称性提高。到了熔点,晶体会熔化成液体,而其黏度会随着温度下降而急遽增加。到了熔点,晶体会熔化成液体,而其黏度会随着温度下降而急遽增加。但黏度太大时,玻璃的组成原子若没有足够的动能可重组成晶体的结构,会形成不具长程有序化结构的玻璃。但黏度太大时,玻璃的组成原子若没有足够的动能可重组成晶体的结构,会形成不具长程有序化结构的玻璃。若玻璃再受热时,部分会重新产生结晶,这称为「失透」效应,但大多数商用玻璃并不会产生失透,而是逐渐软化再度形成液体。若玻璃再受热时,部分会重新产生结晶,这称为「失透」效应,但大多数商用玻璃并不会产生失透,而是逐渐软化再度形成液体。
玻璃与晶体的主要差异,在于晶体结构内原子或离子的排列有规则性,且具长程有序性,但玻璃结构内原子或离子的排列缺乏长程的规则性。玻璃与晶体的主要差异,在于晶体结构内原子或离子的排列有规则性,且具长程有序性,但玻璃结构内原子或离子的排列缺乏长程的规则性。玻璃与晶体的内能差别虽不大,但玻璃的内能却始终较晶体高。玻璃与晶体的内能差别虽不大,但玻璃的内能却始终较晶体高。由于玻璃比同组成的晶体具有较高的能量,因此会有转变成晶体以降低能量的趋势。由于玻璃比同组成的晶体具有较高的能量,因此会有转变成晶体以降低能量的趋势。玻璃和晶体的内能差愈小,愈容易形成玻璃。玻璃和晶体的内能差愈小,愈容易形成玻璃。若晶粒析出的机构受动力学的限制而无法达成,玻璃就可长时间保持稳定。若晶粒析出的机构受动力学的限制而无法达成,玻璃就可长时间保持稳定。
最常见的无机非金属玻璃是矽酸盐玻璃,玻璃内以SiO 4 4−正四面体为结构单元而行随机无方向性的分布,各个SiO 4 4−正四面体以共角方式相连接,碱金属与碱土金属离子分布在结构中,使得SiO 4 4−正四面体产生连续随机分布网状结构。最常见的无机非金属玻璃是矽酸盐玻璃,玻璃内以SiO 4 4−正四面体为结构单元而行随机无方向性的分布,各个SiO 4 4−正四面体以共角方式相连接,碱金属与碱土金属离子分布在结构中,使得SiO 4 4−正四面体产生连续随机分布网状结构。氧化物玻璃在熔制过程中所使用的原料可分为下列三类。氧化物玻璃在熔制过程中所使用的原料可分为下列三类。
第一类是玻璃形成剂,即具有形成玻璃网状结构能力的氧化物,如SiO 2 、P 2 O 5 、B 2 O 3等。第一类是玻璃形成剂,即具有形成玻璃网状结构能力的氧化物,如SiO 2 、P 2 O 5 、B 2 O 3等。它们的特色是和氧离子相连接的阳离子数不能超过2,在中心阳离子四周氧离子的配位数大约是4或更小,氧多面体间是共点结合,而非共边或共面结合,以及每个氧多面体至少有3个顶点跟其他多面体连结。它们的特色是和氧离子相连接的阳离子数不能超过2,在中心阳离子四周氧离子的配位数大约是4或更小,氧多面体间是共点结合,而非共边或共面结合,以及每个氧多面体至少有3个顶点跟其他多面体连结。
第二类是网状修饰剂。第二类是网状修饰剂。在玻璃的成分中添加一些碱金族氧化物(如Li 2 O、Na 2 O、K 2 O等),可以使玻璃的网状结构遭受局部破坏而降低黏度,有助于玻璃的熔铸,然而却会造成玻璃的化学抗蚀性变差。在玻璃的成分中添加一些碱金族氧化物(如Li 2 O、Na 2 O、K 2 O等),可以使玻璃的网状结构遭受局部破坏而降低黏度,有助于玻璃的熔铸,然而却会造成玻璃的化学抗蚀性变差。
第三类是中间剂。第三类是中间剂。本身难形成玻璃,主要作用是取代结构中的玻璃形成剂,成为玻璃网络中的一部分。本身难形成玻璃,主要作用是取代结构中的玻璃形成剂,成为玻璃网络中的一部分。由玻璃的形成观点而言,中间剂在玻璃结构中的功能介于玻璃形成剂与修饰剂之间。由玻璃的形成观点而言,中间剂在玻璃结构中的功能介于玻璃形成剂与修饰剂之间。
熔体在固化的过程中,可能 |