玻璃的结构理论的主要分类

玻璃的结构

玻璃作为非晶态材料中的主要大类,人们对它的结构研究是比较多的。最早提出玻璃结构理 论的是门捷列夫,他认为玻璃是无定形物质,没有固定的化学组成,与合金类似。塔曼把玻璃看 成过冷的液体。索克曼等提出玻璃基本结构单元是具有一定化学组成的分子聚合体。半个多世纪 以来,人们提出了很多玻璃结构学说,但由于涉及的问题比较复杂,至今还没有完全一致的结 论。目前较普遍为人们所接受的玻璃结构学说是晶子学说和无规则网络结构学说。

玻璃的结构理论

玻璃非晶态的结构特征可从近程结构和远程结构来考虑。

近程结构指的是原子在数埃以内微小范围的排列,相当于nh3、co2、so2、匕仏那样低分 子大小范围的结构,这种尺度范围内的结构直接反映了化学键的特性,如离子价、第一配位圈的 配位数、键角及键距等。

在非晶态结构中,存在与晶体结构相同的结构单元。例如,在石英玻璃和硅酸盐玻璃中,结 构单元与石英晶体及硅酸盐晶体一样是[Si04]四面体。对于非晶态物质As2S3,结构单元是 八63锥形结构(同雌黄结晶)。非晶态元素半导体Su Ge是金刚石型四面体结构。无定形碳是 配位三角形或平面六角环,同石墨晶体结构。金属玻璃是由紧密堆积的最小单元四面体组成的, 它的原子排列近似于晶体排列。

将数埃到数十埃范围的结构称为远程结构。这个范围的结构,关系到结构单元的连接方式, 与非晶态物质的本性有关,所以至关重要。人们对这个范围的结构进行了长期的研究和探讨,建 立了一些结构模型。

(1)无规则密堆硬球模型无规则密堆硬球模型结构可看成是由原子或多面体单元相互接触 而形成的无序堆积。

Bemal将堆积的轴承用滚珠放在软橡胶中,通过混合搅拌使其分散于黑色橡胶介质中。

Bemal提出,非晶态聚集体能够通过限制硬球堆积的外表成为不规则形状而得到。例如,将 大量大小相同的刚性球快速地放入壁面不规则的容器中,就可以得到刚性球的一种无序,但是极 为稳定的位形。

如果将刚性球比作原子,那么这种位形可用来表征无序密堆积模型。 .

面心立方结构中,金属原子的填充因子(球体积在空间所占的比例)是0.74,而无序密堆 积结构中原子的填充因子是0.64,这就是说,若用同样的刚性球,非晶无序密堆积的致密度是晶态有序密堆积的86%。

(2)无规则网络结构模型与无规则密堆硬球模型 极其相似的是无规则网络结构模型,这种模型适用于描 述以共价键结合的非晶态固体。


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