半岛体育官方网站材料基础知识——无机非金属材料(Ceramics)之玻璃结构

　　写在前面：这份资料是大四毕业后才开始整理的，也算是对自己的一份回顾与保存，材料学子应该还是要追求真材实料，这份基础知识篇只希望能够给一些同学提供一点点借鉴与参考。

　　看过太多劝退文，如果暂时没有计划，不如学业为上，也算不负时光。至于后路如何，且行且看，不置可否。

　　学识有限，本文仅为学习过程中知识观点及参考资料整理，未作详细阐述，有错漏以及不详之处，烦请见谅，也欢迎交流材料与非材料发展与知识

　　之前的材料学科逻辑实在太长了，排版也不够方便，现决定将其拆分成单独的小章节，以便大家查阅

　　玻璃态物质一般是由熔融体快速冷却而得到（熔体中的原子没有足够时间充分排列），具有长程无序，短程有序的结构，玻璃主要特点特点包括各向同性、亚稳性、无固定熔点（非晶体）、物理化学性质变化的连续性与可逆性；

　　硅酸盐玻璃的生产工艺流程：原料配比（石英、长石等）-熔融-冷却成型- 热处理（退火等）

　　普通玻璃一般由硅酸盐和氧化物组成，也有硼酸盐、锗酸盐、磷酸盐等，关于玻璃的结构目前并无定论，被广为接受的两种学说：

　　认为玻璃具有短程有序，长程无序的特点；其组成包括网络形成体、网络修饰体，网络中间体。

　　②网络修饰体：作为改变玻璃网络离子存在，通过破坏Si-O键使部分氧桥断裂，进而结构改变，并改变玻璃粘度；

　　该模型认为玻璃是由极其微小的“晶体”（晶子）构成的，晶子分散在无定形的介质中；

　　这种透明指的是可见光（肉眼下的透明），其透明性取决于材料内部能否吸收可见光并发生能级跃迁，而玻璃是无法吸收可见光的，所以光线直接穿透，陶瓷材料则可以吸收，所以陶瓷材料通常是不透明的。（可参考中科院硅酸研所科普文章）

　　而光致变色现象是指在光照或被光遮断时，材料的化学结构发生变化，可视部分的吸收光谱随之变化，从而出现可逆或不可逆的显色、消色现象。

　　钢化玻璃是将普通退火玻璃加热到接近玻璃软化温度后，再进行快速均匀的冷却而得到的。快速均匀的冷却使得玻璃表面产生一定应力增强。

　　钢化处理后玻璃表面形成均匀压应力，而内部则形成张应力，使玻璃的抗弯和抗冲击强度得以提高，其强度约是普通退火玻璃的四倍以上。

　　（1）热处理强化：是通过将熔融玻璃快速冷却（“淬火”），由于热玻璃的外部比内部冷却得更快，外层原子来不及缓慢重排，原子间距更大，这会产生膨胀的外层和压缩的内层，由于玻璃尺寸固定，使得膨胀的外层受压，布满压应力压缩原子键，从而相互作用形成坚固的压缩表面。热处理强化使玻璃内部的收缩大于外部，而化学强化则通过化学反应使玻璃外部的膨胀大于内部。

　　（2）化学强化：最常用的就是离子交换法，增加表面体积，常规的钠钙玻璃可以用更大的钾离子进行钠离子替换，离子交换表面呈现压应力，起到表面增强。并且，由于内部化学钢化玻璃不具备很大的张力层，处理后仍可进行切割等操作，而热处理玻璃则会完全碎化（安全性高）。

　　熔融液体转变为晶体对应的温度为熔点Tf，而熔融液体转变为非晶则对应玻璃化转变温度Tg。两者可以认为具有一定的竞争效应，但总的来说只要冷却速度够快，原子无法及时排列调整位置，就更容易形成非晶态物质。

　　为此，通常会以过冷度（T-Tf)来衡量玻璃化的驱动力大小。因为通常熔点是高于玻璃态转变温度的，在熔融态液态降温到熔点时（凝固点），开始结晶，如果是缓慢充分结晶，则会形成晶体结构，因此需要快速冷却，此时T继续下降就会和熔点之间产生过冷度，过冷度越大越接近玻璃态转变温度Tg，然后开始黏度增加，进行玻璃化凝固，可以想象里面部分已经结晶的部分就成为玻璃态中的短程有序部分了。

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