理论教育 探究热力学条件的影响

探究热力学条件的影响

时间:2023-06-22 理论教育 版权反馈
【摘要】:从热力学观点来看,熔体在析晶过程中的内能随温度的变化关系与图6.1所示的体积随温度的变化相似。因此,玻璃必然有向低能量状态转变的趋势及脱玻化或析晶的倾向。玻璃与晶体间的化学势之差为玻璃析晶的推动力。由上述可见,要形成玻璃,析晶推动力要小,形成的玻璃才能较稳定地存在。热力学条件主要解决形成玻璃的可能性。

探究热力学条件的影响

Zachariasen在提出无规则网络假说时,就已注意到玻璃具有或多或少的脱玻化(devitrify)倾向。但玻璃的脱玻化并不快。因此,他认为玻璃的内能略高于同成分的晶体。从热力学观点来看,熔体在析晶过程中的内能随温度的变化关系与图6.1所示的体积随温度的变化相似。可见,玻璃具有过剩内能,处于较高能量状态。因此,玻璃必然有向低能量状态转变的趋势及脱玻化或析晶的倾向。

玻璃与同组成的晶体相比,能量越高,则析晶的倾向越明显;反之,析晶较难。这也是Zachariasen无规则网络假说的一个前提。比如,他认为SiO2玻璃中的氧多面体应该是[SiO4],而不是[SiO3]或[SiO5]等。这其中的一个原因就是若玻璃网络由[SiO3]或[SiO5]等构成,则会导致玻璃系统的能量升高很多,容易析晶而不易形成玻璃。仅当能量略高于同成分的晶体时,SiO2才易形成玻璃。正因为Zachariasen认为玻璃比同成分晶体的内能略高,他才进一步假定玻璃网络中原子的键合、多面体构成与晶体中一样。玻璃与晶体之间仅仅是多面体排列不同。结合其他因素,Zachariasen提出了玻璃结构的无规则网络假说。

今天,我们用更严格的化学势概念来表述的话,玻璃及其他非晶体材料的化学势比同组分晶体的化学势要大,即玻璃或非晶体处于亚稳态(metastable state)。玻璃与晶体间的化学势之差为玻璃析晶的推动力。推动力越大,形成的玻璃越不稳定,越易析晶。利用非晶体处于亚稳态而具有析晶倾向的原理,1990年代初,中科院金属研究所卢柯研究员提出了纳米晶材料的一种制备方法——非晶晶化法(nanocrystallization of amorphous solids)。非晶晶化法的思路主要是:首先制备出非晶体,然后在适当的条件下进行热处理,使其结晶,从而获得纳米晶。非晶晶化法的优点主要有:工艺简单易控制、可获得无空隙的纳米晶材料等。如今,非晶晶化法已获得了国际纳米材料界的认可。(www.daowen.com)

由上述可见,要形成玻璃,析晶推动力要小,形成的玻璃才能较稳定地存在。然而,一个物质的玻璃态与晶态的化学势之差究竟要多小,才容易形成玻璃,超过这个差值就容易析晶,却没有明确的数值来衡量。因此,用内能差或化学势之差来判断物质形成玻璃的能力是很困难的。

热力学条件主要解决形成玻璃的可能性。虽然玻璃的能量总是高于同成分晶体的能量,但玻璃的转变仍需越过一个势垒才能析晶。很高的势垒导致玻璃转变为晶体的速率很小,从而有利于玻璃的形成或维持。这也是我们通常见到的窗玻璃用了很多年,直到它完成其使命都没有析晶之故。而要从转变速率来分析玻璃的形成则是动力学要解决的问题。

免责声明:以上内容源自网络,版权归原作者所有,如有侵犯您的原创版权请告知,我们将尽快删除相关内容。

我要反馈