搪玻璃的结构性能与形成条件

    玻璃态物质为和向同性。就是说玻璃态物质内部任何方向的性质如硬度、折射率、导电性、膨胀系数等都是相同的。当熔体冷却成玻璃体时同，此状态并不是处于最低的能量状态，它能较长时间在低温下保温高温时的结构而不变化，因而称玻璃态为介稳状态，其内能大于晶体状态的内能。

 

    热力学观点告诉我们，玻璃态是一种高能量状态，它必然有向低能量状态转化的趋势。也是有析晶的可能。然而从动力学观点看，由于常温下的玻璃粘度很大，由玻璃态转变为晶态的速率是十分小的。因此，它又是稳定的。各种玻璃的形成温度范围是随成份而变化的，玻璃体和熔体是一个可逆转变的温度范围，因而玻璃无固定的熔点，只有一定的软化点。尽管如此，玻璃的形成温度所对应的熔粘度均为1012~1013Pa•s左右。

 

     软化点温度所对应的熔体粘度一般为109Pa•s。

 

     另一方面，玻璃成份在一定范围内连续变化与相应的性质也随之连续变化。这就是玻璃所具有的加和性。

 

     一、对玻璃结构的认识

 

     有关玻璃结构的理论讫今为止取得了很大成就，但公认的权威性结构理论还尚未形成。从国内外广大学者们的大量实践和数据分析中，得出了四点玻璃结构的共同认识：

 

     1．玻璃就其整个内部结构而言是无序的，但它内部的某些区域都存在微小的有排列，这种结构现象既是所谓的远程无序与近程有序，而且在玻璃内部，一种化学组成的晶子，可以连续地过渡到另一种化学组成的晶子，因而玻璃结构具有微观不均匀性（指化学组成上的微不均匀）。

 

     2．实际证明，Si4+、B3+、AI3+、P5+都是形成玻璃的主要阳离子，在玻璃体中这些离子与氧有一定的配位关系，而构成多面体，这些多面体相互结合形成连续的，无规则的三维网络，这些网络构成了最基本的玻璃（基体）。

 

     3．K+、Na+、Ba2+、Ca2+等碱金属及碱土金属离子在玻璃中是不能够形成网络的。它们并不是任意地、统计地分布于网络外，而是在玻璃内部与氧离子有一定的配位关系。

 

     4．硅酸盐玻璃与硅酸盐结晶体都是由硅氧四面体组成，但前者结构图缺乏周期性，后者的结构却是呈周期性的重复排列。

 

二、搪玻璃的形成

 

     1．形成搪玻璃的外部条件

 

     从宏观上看搪玻璃的形成方法是用热融法或非热融法（如：冲击波晶态处理）。这就是说形成搪玻璃最基本的条件是一动力学条件，将能形成搪玻璃的物质加热成熔体，并按一定的冷却速度降温时才能形成玻璃，否则不有形成玻璃。

 

     熔体的玻璃化和晶化是一对矛盾，熔体难于结晶的因素恰恰是形成玻璃的有利条件。熔体能否结晶主要取愉于熔体过冷后能否形成新相，晶粒能否长大，所以只要能控制熔体中的“成核”与“长大”这两个过程，就能控制晶体的形成，从而获得玻璃体。

 

2．形成搪玻璃的内部条件

 

德国学者（Apetzold）认为：凡是电荷比较大，而半径比较小的阳离子，因其具有较强的阳离子场，所以它们的化合物一般都能形成玻璃。

 

扎哈里阿桑和瓦伦认为：玻璃的组分可分为网络形成剂和变形剂两大类。网络形成剂是构成玻璃的基体，它们是些场强大、键强高的阳离子。除硼外几乎所有的网络剂的配位数都是4，而硼的配位数一般是3，但玻璃中含有少量硼时，硼的配位数是4。网络剂还有一个特点，就是它们主要是些酸性氧化物，而不是碱性氧化物变性剂和网络剂相反，它们分布在网络的缺位上，电离势和键强都很少，配位数按其离子的大小，可能完全不同。变性剂是典型的碱性氧化物，而不可能是酸性氧化物。

 

除网络剂和变形剂外，还有许多中间离子，按孙光汉的分类方法，键强范围能表示不同氧化物在玻璃民中的作用：

 

网络剂＞334kj/mol

 

中间离子209~334 kj/mol

 

变性剂≤209 kj/mol

 

综上述所解，已得到不少学者在不同程度上的验证。从形成玻璃的键形来考虑，单纯的离子键（无方向性）和单纯的共价键（有方向性）都不能形成玻璃，只有是极性共价键时或由离子键、金属键向共价键过渡时的混合键形才能形成玻璃。同时，离子键的存在是形成玻璃远程无序性的主要原因；而共价键的存在则是赋予玻璃近程有序性的基础。