玻璃的定义和通性介绍

玻璃的定义

玻璃是非晶态固体的一个分支,按照《辞海》的定义,玻璃由熔体过冷所得,并因黏度 逐渐增大而具有固体机械性质的无定形物体。习惯上常称为“过冷的液体”。按照《硅酸盐 词典》的定义,玻璃是由熔融物而得的非晶态固体。因此,玻璃的定义也可理解为:玻璃是 熔融、冷却、固化的非结晶(在特定条件下也可能成为晶态)的无机物,是过冷的液体。

随着科学技术的进步以及人们认识水平的提高,人们对玻璃(态)物质的结构、性质认 识有了更进一步的理解。形成玻璃(态)物质的范围扩大,玻璃的定义也进行了扩充,分为 广义玻璃和狭义玻璃。广义的玻璃包括单质玻璃、有机玻璃和无机玻璃。狭义的玻璃仅指无 机玻璃。现今较公认的广义玻璃的定义为:结构上完全表现为长程无序的、性能上具有玻璃 转变特性的非晶态固体。也可理解为:无论是有机、无机、金属,还是何种制备技术,只要 具备上述特性的均可称为玻璃。


玻璃的通性

在自然界中固体物质存在着晶态和非晶态两种状态。所谓非晶态是以不同方法获得的以 结构无序为主要特征的固体物质状态。玻璃态是非晶态固体的一种,玻璃中的原子不像晶体 那样在空间中做远程有序排列,而是近似于液体,具有近程有序排列。玻璃像固体一样能保 持一定的外形,而不像液体那样在自重作用下流动。玻璃态物质具有下述主要特征。

(1) 各向同性

玻璃态物质的质点排列是无规则的,是统计均匀的,所以,当玻璃中不存在内应力时, 其物理化学性质(如硬度、弹性模董、热膨胀系数、热导率、折射率、电导率等)在各方向 上都是相同的。但当玻璃中存在应力时,结构均匀性就遭到了破坏,玻璃就会显示各向异 性,如出现明显的光程差等。

(2) 介稳性(亚稳性)

所谓玻璃处于介稳状态,是因为玻璃是由熔体急剧冷却而得。由于在冷却过程中黏度急 剧增大,质点来不及形成晶体的有规则排列,系统的内能不是处于最低值,而是处于介稳状 态(热力学因素);尽管玻璃处于较高能态,但由于常温下黏度很大,转变成晶体的速率极 小,因而实际上不能自发地转化为晶体(动力学因素)。只有在一定的外界条件下,即必须克服物质由玻璃态转化为晶态的势垒,才能使玻璃析晶。因此,从热力学的观点看,玻璃态 是不稳定的;但从动力学的观点看,它又是稳定的。因为它虽具有从自发放热转化为内能较 低的晶体的倾向,但在常温下,转变为晶态的概率很小,所以说玻璃处于介稳状态。

(3) 无固定熔点

玻璃态物质由固体转变为液体是在一定温度区间(转化温度范围)内进行的,它与结晶 态物质不同,没有固定熔点。当物质由熔体向固体转化时,如果是结晶过程,在系统中必有 新相生成,并且在结晶温度以及许多性质方面发生突变。但是,当物质由熔体向固态玻璃转 化时,随着温度的逐渐降低,熔体的黏度逐渐增大,最后形成固态玻璃。此凝固过程是在较 宽温度范围内完成的,始终没有新的晶体生成。从熔体向固态玻璃过渡的温度范围取决于玻 璃的化学组成,一般在几十到几百摄氏度内波动。因此玻璃没有固定的熔点,而只有一个软 化温度范围。在此温度范围内,玻璃由黏性体经黏塑性体、黏弹性体逐渐转变成为弹性体。 这种性质的渐变过程正是玻璃具有良好加工性能的基础。

(4) 性质变化的连续性(可变性)

玻璃态物质从熔融状态到固体状态的性质变化过程是连续的和可逆的。所谓连续变化, 是由于除能够形成连续固熔体外,二元以上晶体化合物有固定的原子和分子比,因此,它们 的性质变化不是连续的。但玻璃则不同,在玻璃形成范围内,由于化学成分可以连续变化, 因此玻璃的一些物理性质必然随其所含各氧化物组分的变化而连续变化。玻璃在结晶情况下,从熔融态(液体)到固态过程中,体积(或其他物理化学性质)在其培 点发生突变(沿ABCD变化)。而冷却成玻璃时,体积(或其他物理化学性质)却是连续、 逐渐地变化(沿ABKFE变化),这是玻璃态物质所独有的。而且玻璃的某些性能(如密 度、折射率、黏度等)随着温度变化的快慢而变化。例如玻璃的体积,

(5)性质变化的可逆性

性质变化的可逆性,是指玻璃由固体向熔融态或相反过程可以多次进行,而不会伴随新 相生成。





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