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玻璃的结构分析报告人:陈伟指导老师:朱绍峰第3章玻璃结构的假说第4章玻璃结构分析的方法简介 CONTENTS 第1章玻璃的概念第2章玻璃的形成及其通性玻璃被作为建筑材料用于建筑物已有很长的历史,但多用于门、窗、采光带等。近年来,随着玻璃性能的不断改善,玻璃已被越来越多的作为承重材料用于建筑结构。透明或半透明是玻璃的最主要也是最显著的特征,因此玻璃结构一般明亮华丽。玻璃在力学性能上有点像混凝土,是一种脆性材料,抗压性能好、抗拉性能差,应力应变关系表现为线性,弹性模量在 70 ~ 73 GPa 之间,约为钢材弹性模量的三分之一。玻璃的强重比要优于普通钢材,同时,玻璃的热膨胀系数为 9 ×10 -6,与钢材相近,这使得钢材和玻璃能够用于同一结构,发挥各自特长。玻璃的耐腐蚀性能很强,因此玻璃结构的防腐费用较低。因此越来越多的建筑师和结构工程师在工程中利用玻璃来实现建筑物更亮、更轻、更美的高科技效果,增强城市的现代化气息。广义: 玻璃是呈现玻璃转变现象的非晶态固体。狭义: 玻璃是一种在凝固时基本不结晶的无机熔融物。玻璃的概念玻璃:一种较为透明的固体物质,在熔融时形成连续网络结构,冷却过程中粘度逐渐增大并硬化而不结晶的硅酸盐类非金属材料。普通玻璃化学氧化物的组成(Na2O · CaO · 6SiO2) ,主要成份是二氧化硅。玻璃是非晶态固体物质,随着科学技术的进展,目前玻璃的制备方法,除了由一般的氧化物、硅酸盐通过高温熔制、冷却、固化退火的工艺来获得外,还可以通过溶胶一凝胶,真空蒸发或溅射,以及用金属熔体通过极端快速淬冷等方法来制得各种不同的制品。在上世纪中,以晶子学说和无规则网络学说为代表的玻璃结构理论学派,争论过很长的时期,由于涉及的问题比较复杂,至今还没有作出明确的解答。所以玻璃结构及其本质的研究,仍然是当今科学上值得注意的重大课题之一。玻璃的形成及其通性玻璃生产工艺主要包括: ①原料预加工。将块状原料粉碎,使潮湿原料干燥,将含铁原料进行除铁处理,以保证玻璃质量。②配合料制备。③熔制。玻璃配合料在池窑或坩埚窑内进行高温加热,使之形成均匀、无气泡,并符合成型要求的液态玻璃。④成型。将也太玻璃加工成所要求形状的制品,如平板、各种器皿等。⑤热处理。通过退火、淬火等工艺,消除或产生玻璃内部的应力、分相或晶化,以及改变玻璃的结构状态。玻璃态是物质的一种聚集状态,研究和认识玻璃的形成规律,即形成玻璃的物质及方法、玻璃形成的条件和影响因素对于揭示玻璃的结构和合成更多具有特殊性能的新型非晶态固体材料具有重要的理论与实际意义。形成玻璃的物质及方法只有冷却速率足够快,几乎任何物质都能形成玻璃,参见表 4-6 、3-7。形成玻璃的方法分为熔融法和非熔融法: (一)熔融法熔融法是形成玻璃的传统方法,即玻璃原料经加热、熔融和在常规条件下进行冷却而形成玻璃态物质,在玻璃工业生产中大量采用这种方法。不足之处:冷却速率较慢,工业生产一般为 40~60℃/h,实验室样品急冷也仅为 1~10℃/s,这样的冷却速率不能使金属、合金或一些离子化合物形成玻璃。(二)非熔融法如今除传统熔融法以外出现了许多非熔融法,且熔融法在冷却速率上也有很大的突破,例如溅射冷却或冷冻技术,冷却速率可达 10 6~10 7℃/s以上,这使得用传统熔融法不能得到玻璃态的物质,也可以转变成玻璃。表 1、2示出各种不同聚集状态的物质向玻璃态转变的方法。表1 由熔融法形成玻璃的物质表2由非熔融法形成玻璃的物质玻璃的形成条件(一)热力学条件熔融态是物质在液相温度以上存在的一种高能量状态。随着温度降低,熔体释放能量大小不同,可以有三种冷却途径: :即有序度不断增加,直到释放全部多余能量而使整个熔体晶化为止,处于稳定状态; :即过冷熔体在转变温度 T g硬化为固态玻璃的过程。没有释放出全部多余的能量,处于介稳状态; :即质点迁移使熔体内某些组成偏聚,从而形成不同组成、互不混溶的两个或两个以上玻璃相。大部分熔体在过冷时,以上三种过程总是程度不等地发生的。(二)动力学条件从动力学观点分析,析晶过程必须克服一定的势垒,包括形成晶核所需建立新界面的界面能以及晶核长大成晶体所需的质点扩散的活化能等。若这些势垒较大,尤其当熔体冷却速率很快时,粘度增加甚大,质点来不及进行有规则排列, 晶核形成和晶体长大均难于实现,从而有利于玻璃的形成。近代研究证实,如果冷却速率足够快时,即使金属亦有可能保持其高温的无定形状态;反之,如在低于熔点范围内保温足够长的时间,则任何玻璃形成体都能结晶,因此形成玻璃的关键是熔体的冷却速率。熔体能否形成玻璃,主要取决于在一定冷却速率下能否析晶。由于析晶需要时间,如果能快冷使晶体结构来不及形成,则熔体转变成玻璃;相反,就不能得到玻璃。因此讨论玻璃形成的动力学条件