玻璃具有網(wǎng)晶二象性的推測

賀爾良

摘要：基于玻璃眾多學(xué)說的爭論，為了更好的指導(dǎo)其在工業(yè)生產(chǎn)中的進(jìn)行。由此提出玻璃是由分散的“晶子”和一定的網(wǎng)絡(luò)作為中間體連接而成的一種近程有序遠(yuǎn)程無序的特殊結(jié)構(gòu)。對以前的著名實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析得出一些新的結(jié)果，在此基礎(chǔ)上完成一些簡單預(yù)測。

關(guān)鍵詞：晶子學(xué)說，網(wǎng)絡(luò)學(xué)說，網(wǎng)絡(luò)二象性

1. 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的具體描述：玻璃結(jié)構(gòu)是一種不連續(xù)的集合體，由大量“晶子”分散在一種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的介質(zhì)中，這種網(wǎng)絡(luò)是一種不規(guī)則的，非周期性的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)與晶子之間的過度介質(zhì)是一種畸變的晶格，晶子是獨(dú)立的微晶或是獨(dú)立的晶包，甚至是獨(dú)立的原子，大量的晶子和網(wǎng)絡(luò)組成一個完整的結(jié)構(gòu)，即玻璃的特殊組成。

歷史實(shí)驗(yàn)及其推測：

列別杰夫?qū)杷猁}玻璃進(jìn)行加熱和冷卻分別測定在不同溫度下玻璃的折射率。由圖1示無論是加熱還是冷卻在573℃玻璃的折射率都會發(fā)生急劇的變化，而573℃正是α石英和β石英的轉(zhuǎn)變溫度，上述現(xiàn)象對任何一種玻璃都會普遍出現(xiàn)此說明此結(jié)構(gòu)中發(fā)生了多晶轉(zhuǎn)變。

圖1 硅酸鹽折射率隨溫度變化曲線圖2硅酸鹽玻璃(含SiO2 76.4%)折射率隨溫度變化的曲線

低溫范圍內(nèi)測量玻璃的折射率Na2O.SiO2 系統(tǒng)50-300℃加熱并測定其折射率，觀察到85-120℃,145-165℃,180-210℃內(nèi)折射率有明顯的變化如圖2所示。這些溫度恰好是多晶轉(zhuǎn)變的溫度，且折射率的變化與SiO2的含量有關(guān)其實(shí)是與晶子的體積有關(guān)。

瓦連可夫和波拉依—柯西次對成分遞變的雙組分的鈉硅雙組分的玻璃的x散射強(qiáng)度曲線。發(fā)現(xiàn)第一峰是石英玻璃的散射主峰與石英晶體的特征峰相符，第二峰是Na2O?SiO2玻璃的散射線主峰與偏硅酸鈉晶體的特征峰一致。在鈉硅玻璃中上述兩個峰均同時出現(xiàn)。隨著鈉硅玻璃中SiO2含量增加，第一峰愈明顯，而第二峰愈模糊。認(rèn)為鈉硅玻璃中同時存在方石英微晶體和偏硅酸鈉微晶體，這是X射線散射強(qiáng)度曲線上有兩個極大值的原因。他們又研究了升溫到400～800℃再淬火、退火和保溫幾小時的玻璃的X射線散射圖譜，如圖3，發(fā)現(xiàn)X射線衍射強(qiáng)度不僅與成分有關(guān)，而且與玻璃制備條件有關(guān)。提高溫度，延長加熱時間，主峰陡度增加，衍射圖也愈清晰。這是微晶體長大網(wǎng)絡(luò)減少所造成的。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)推論，普通石英玻璃中的方石英微晶體尺寸平均為1.0nm。

如圖3，將SiO2玻璃和Na2SiO3（Na2O?SiO2）玻璃的X射線衍射強(qiáng)度曲線疊加后，與實(shí)測Na2O?2SiO2X射線衍射強(qiáng)度曲線比較，說明在Na2O?2SiO2玻璃中同時存在Na2SiO3和SiO2微晶。

圖327Na2O?73SiO2玻璃的X射線衍射強(qiáng)度曲線

1－未加熱；2－在618℃保溫1小時；3－在800保溫10分鐘和670保溫20小時

馬托西實(shí)驗(yàn)：結(jié)晶氧化硅和玻璃態(tài)氧化硅在3-26μm的波長范圍內(nèi)紅外反射光譜。結(jié)果表明，玻璃態(tài)石英和晶態(tài)石英在12.4μm處具有同樣的最大值。其反射物質(zhì)相同，所以有部分原子的排列與晶體原子排列相似。

以上為晶子學(xué)說的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但并不和網(wǎng)絡(luò)學(xué)說的矛盾。

瓦倫對x光譜的衍射實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。石英玻璃和方石英晶體，硅酸鹽x的衍射圖如圖4 所示玻璃的衍射線與方石英的重合，因此有極小的方石英存在，還有只能說明石英玻璃和方石英原子間距離大體上是相等的。經(jīng)計算原子間的距離大約是0.77nm與單位晶包尺寸0.70nm相識。圖4可以看出硅膠有顯著地小角度散射而玻璃中沒有。是由不連續(xù)的粒子所造成的，強(qiáng)烈的散射是由粒子不均勻性造成的。石英玻璃沒有散射說明網(wǎng)絡(luò)和晶子組成的一種密實(shí)體。

圖4 石英玻璃和方石英晶體，硅膠的想X射線衍射圖

由以上實(shí)驗(yàn)可得;

1. 玻璃的組成如破碎的冰懸浮在水中組成一個完整的體系，在一定的條件下處于一種穩(wěn)定的狀態(tài)，水猶如網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，冰猶如分散的晶子。當(dāng)外來因素對其作用時，有些作用要通過冰表現(xiàn)出來，有些作用要通過水表現(xiàn)出來。正如玻璃在外來因素時有的通過網(wǎng)絡(luò)作用顯現(xiàn)，有的通過晶子作用顯現(xiàn)。所以玻璃具有網(wǎng)晶二象性在作用不同時顯示不同的性質(zhì)。

實(shí)列分析：

水形成冰的過程。在-1℃較為渾濁，隨著溫度的降低冰越來越透明。次過程說明晶子的體積逐漸的減少兒網(wǎng)絡(luò)的題體積逐漸的增大，才出現(xiàn)以上的過程。由此說明玻璃是由晶子和網(wǎng)絡(luò)共同構(gòu)成了玻璃的結(jié)構(gòu)。

結(jié)論預(yù)測:

1. 玻璃的形成過程實(shí)際上是低溫條件下，能量釋放，原子調(diào)整的的一個綜合的過程。由此玻璃的形成是由原子尺寸的大小和原子之間的結(jié)合能及外界條件的冷卻速率。當(dāng)物質(zhì)為純凈物是不易形成玻璃，而物質(zhì)為固溶體是一定易。形成玻璃的。

2. 玻璃的形成過程和晶體的形成過程對比如圖5示。

圖5玻璃和晶體的形成示意圖

玻璃在形成中必然要跳過形成晶體的整個調(diào)整過程，不是沒有調(diào)整，只是有少量的進(jìn)行了調(diào)整。be段應(yīng)該不是一條直線而是一條曲率很小的光滑曲線，在這個階段仍有少量的晶子生成。

3. 晶體和玻璃之間應(yīng)該有一個過渡的范圍。這個范圍的上限是形成了晶體在這個范圍的下限就形成了玻璃。此過渡體的性質(zhì)介于玻璃和晶體之間。

4. 如果冷卻速率足夠的快，形成的玻璃全部是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如果冷卻速率足夠的慢將是一個完整的晶體。

5. 玻璃破碎隨冷卻速率的減小，將形成的破塊逐漸變大的。各種光學(xué)，力學(xué)等性質(zhì)逐漸遞變隨冷卻速率。

參考文獻(xiàn);

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