文档介绍：第第44章章
非晶态与半晶态非晶态与半晶态
物体可分为物体可分为
固态液态气态
从结构看可分为从结构看可分为原子的迁移性接近
晶态非晶态气态
刚性固体
周期性长程有序缺少长程有序
具有短程序
原子的迁移性接近
物质
的第
四态
非晶态材料非晶态材料
•大多数热固性塑料
•氧化物及非氧化物(硫属化合及***化物)玻璃态
•非晶态聚合物、干凝胶
•非晶态半导体
•非晶态金属或合金
•非晶态电介质
•非晶态离子导体
•非晶态超导体
非晶态材料具有其他状态物质所没有的特性和优异性能。
在很多新材料应用领域如:光通信材料、激光材料、光集成电
路、新型太阳能电池、高效磁性材料、软输电和输能材料等其
都是研究和开发的热点。
聚合物聚合物
•聚合物是一类由长分子组成的有机材料,通常由碳骨架与
其他元素或结构单位连接作为侧基构成。
•聚合物不容易晶化。即使在缓慢冷却条件下,聚合物通常
只是部分结晶或完全不结晶,而形成半晶态或非晶态。
•在20世纪已经能够人工合成聚合物,并且可通过人工调整
分子的结构获得所希望的性能,这使得聚合物成为一大类
重要的材料,在建筑、汽车、通信甚至航空工业等领域都
获得重要的应用。
本章主要讨论非晶态和半晶态的结构、它们的基本特本章主要讨论非晶态和半晶态的结构、它们的基本特
征和一些简单材料。征和一些简单材料。
非晶态非晶态
晶态的原子—在其点阵位置附近运动,它不破坏晶体的周期长
程有序,是定域化的。的
(u2 )1/ 2 a= δ超过某一定值时,原子不能维持晶体的长程有序,原
子运动是非定域化的,晶态消失,变成液态。
相对熔点的δδ数值对不同材料是不同: 金属,大约为
,金属,。
非晶态是一种过冷液态
不具有长程有序,但因为它相对于液体熔点有很大的过冷,所
以原子是定域化的。
玻璃化温度玻璃化温度
冷却过程中没有足够的时间形成晶态,使液态过冷到低温而形
成非晶玻璃态。
传统使用的氧化物(主要成分为SiO2)玻璃态,在一般的冷却速
率下(10-4∼10-3 K/s)就可以形成玻璃态。
一般金属要在极大的冷却速率(∼106 K/s)才可能形成玻璃态。
∆V是某种状态与晶态的相对体积差,称自由体积, (dV/VdT)是
体积膨胀系数αα,Tg是玻璃化转化温度。
液体结晶过程既是从结构无序转变为结构有序,又是原子从非
定域化转变为定域化二者耦合同时实现。
玻璃态转变实现了原子从非定域性到定域性的转变(固化),
而原子被冻结在无序结构之中,保留了液体的无序,这就是玻
璃态转变的实质。
一些典型玻璃态材料的结合键类型和玻璃态化转变温度一些典型玻璃态材料的结合键类型和玻璃态化转变温度
玻璃态结合键型 T g / K
SiO2 共价键 1430
As2Se3 共价键 470
Si 共价键约800
金属键 580
金属键 410
金属键 290
BeF2 离子键 520
聚苯乙烯共价键,范德华键 370
Se 共价键,范德华键 310
异戊烷共价键,范德华键 65
H2O 共价键,氢键 140
C2H5OH 共价键,氢键 90
玻璃态的形成玻璃态的形成
••快速冷却快速冷却,只要液态冷却时能避开晶化,任何材料,
(包括金属键、离子键和共价键材料)都可以形成
玻璃
••气相沉积法气相沉积法,用化学或物理方法使欲制成非晶态固,用化学或物理方法使欲制成非晶态固
体的物质气化,然后沉积到冷的基底上,在原子能体的物质气化,然后沉积到冷的基底上,在原子能
迁移形成低能晶态之前基底就已吸收了它们的热迁移形成低能晶态之前基底就已吸收了它们的热
能,从而冻结为非晶态能,从而冻结为非晶态
••晶态固体泵入能量晶态固体泵入能量,例如使用高能射线辐射、离子,例如使用高能射线辐射、离子
注入等方法,使晶态直接变成非晶态注入等方法,使晶态直接变成非晶态
••溶胶溶胶——凝胶法凝胶法。这种方法以金属醇盐或有机、无机。这种方法以金属醇盐或有机、无机
盐为原料配制成溶液,经水解形成溶胶,再聚缩成盐为原料配制成溶液,经水解形成溶胶,再聚缩成
湿凝胶,通过适当的干燥、烧结制成非晶玻璃态湿凝胶,通过适当的干燥、烧结制成非晶玻璃态