第17章非晶态材料及其制备化学

时间：2025-04-04

无机合成与制备化学徐如人

第17章

非晶态材料及其制备化学

非晶材料是亚稳材料中的一个重要分支。传统的固体物理实际上是指晶体物理，而往往又是平衡态，原子的排列是长程序的周期性排列。近年来远离平衡态的亚稳材料已成为最活跃的领域之一，一是不少新的制备技术的出现，大大扩展获得各种亚稳材料的手段，二是世界高科技的发展，要求各种各样具有特异性能的新材料来满足其需要，三是理论领域的深人，使科技人员对非晶的认识和对非平衡态的理解，指导和推动了非晶材料的研究。

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第1节非晶的结构

晶体和非晶体都是真实的固体，它们都具有固态的基本属性。基本的区别在于它们微观的原子尺度结构上的不同。在晶体中原子的平衡位置为一个平移的周期阵列，具有长程有序。相反在非晶态固体中没有长程序，原子的排列是极其无序的，见图17—1。因此非晶态固体这个术语适用于原子排列没有周期性的任何固体。另一个术语“金属玻璃”实际上是非晶态固体的同义词。

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17.1.1 非晶的形态学

图17—2表示气态金属最后成为固态的途径。在降温过程中，气态原子在沸腾温度Tb凝结为液态，在冷却过程中液体的体积以连续的方式减小,光滑的V(T)曲线的斜率为液体的热膨胀系数。当温度低到熔点Tf时，发生液体到固体的转变(液态氦除外)，固体的特征之一为斜率较小的V(T)曲线，液体到晶体的转变可由晶体体积的突然收缩和V(T)曲线上的不连续性来标明。但是如果冷却速率足够快，使液体一直保持到较低的玻璃转变温度Tg，出现了第二种固化现象，由液体直接转变成非晶体，这里不存在体积变化的不连续性。大量实验证明玻璃化转变温度与冷却速率有关，这就是玻璃化转变的动力学性质，一般情况下冷却速率改变一个数量级大小能引起玻璃化转变温度几度的变化。当冷却过程较长时，玻璃化转变温度移向较低温度，这是由于原子弛豫时间与温度有关。要使原子冻结成保持非晶固体的位形，必须满足 (T)大于实验冷却时间。

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长久以来，一直认为只有少量的材料能够制备成非晶态固体，有时某些氧化物玻璃和有机高分子化合物亦称为玻璃态固体。现在正确的观点应该是：玻璃形成的能力几乎是凝聚态物体的普遍性质，只要冷却速率足够快和冷却温度足够低，几乎所有的材料都能够制备成非晶态固体。相对于处于能量最低的热力学平衡态的晶体相来说，非晶态固体是处于亚稳态，这是正确的，但是注意，要回复到晶体相，在一般动力学已是达不到的，如玻璃一旦形成就能够保持实际上无限长的时间。在标准温度和压强下，石墨是稳

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