第4章习题及答案无机材料科学基础汇总文档格式.docx
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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310Pa·
s,在800℃是107Pa·
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109Pa·
s,在840℃是1013Pa·
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、表面张力上的差别?
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·
(3)Na2O·
1/3Al2O3·
(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?
Na2O
CaO
A12O3
SiO2
B2O3
20
10
60
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?
8
12
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·
(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?
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?
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?
(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。
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+2Na2O
(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。
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?
(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·
根据
727℃时,η=107Pa·
s,由公式得:
(1)
1156℃时,η=103Pa·
s,由公式得:
(2)
联立
(1),
(2)式解得∴A=-6.32,B=13324
当η=106Pa·
s时,
解得t=808.5℃。
4-6试述石英晶体、石英熔体、Na2O·
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
(1)根据公式:
1000℃时,η=1014Pa·
s,T=1000+273=1273K,①
1000℃时,η=107Pa·
s,T=1400+273=1673K,②
联立
(1),
(2)式解得:
5.27×
10-16Pa·
s,=713.5kJ/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。
(1)根据
1300℃时,η=310Pa·
①
800℃时,η=107Pa·
②
联立
(1),
(2)式解得∴A=-7.2,B=15219.6
当t=1050℃时,
解得η=20130.5Pa·
(2)在此温度下,极冷能形成玻璃。
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:
0.0013,10.189
7.964
当t=900℃时,T=900+273=1173K,0.0008,6.670
当t=1100℃时,T=1100+273=1373K,0.0007,5.823
当t=1350℃时,T=1350+273=1623K,0.0006,5.102
熔体在1350~500℃间的粘
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