玻璃具有網晶二象性的推測

賀爾良

摘要：基于玻璃眾多學說的爭論，為了更好的指導其在工業生產中的進行。由此提出玻璃是由分散的“晶子”和一定的網絡作為中間體連接而成的一種近程有序遠程無序的特殊結構。對以前的著名實驗進行分析得出一些新的結果，在此基礎上完成一些簡單預測。

關鍵詞：晶子學說，網絡學說，網絡二象性

1. 網絡結構的具體描述：玻璃結構是一種不連續的集合體，由大量“晶子”分散在一種網絡結構的介質中，這種網絡是一種不規則的，非周期性的網絡結構，網絡與晶子之間的過度介質是一種畸變的晶格，晶子是獨立的微晶或是獨立的晶包，甚至是獨立的原子，大量的晶子和網絡組成一個完整的結構，即玻璃的特殊組成。

歷史實驗及其推測：

列別杰夫對硅酸鹽玻璃進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生急劇的變化，而573℃正是α石英和β石英的轉變溫度，上述現象對任何一種玻璃都會普遍出現此說明此結構中發生了多晶轉變。

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

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

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散射強度曲線。發現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。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，發現X射線衍射強度不僅與成分有關，而且與玻璃制備條件有關。提高溫度，延長加熱時間，主峰陡度增加，衍射圖也愈清晰。這是微晶體長大網絡減少所造成的。由實驗數據推論，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射線衍射強度曲線疊加后，與實測Na2O?2SiO2X射線衍射強度曲線比較，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

馬托西實驗：結晶氧化硅和玻璃態氧化硅在3-26μm的波長范圍內紅外反射光譜。結果表明，玻璃態石英和晶態石英在12.4μm處具有同樣的最大值。其反射物質相同，所以有部分原子的排列與晶體原子排列相似。

以上為晶子學說的實驗結果，但并不和網絡學說的矛盾。

瓦倫對x光譜的衍射實驗進行了系統的研究。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。是由不連續的粒子所造成的，強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絡和晶子組成的一種密實體。

圖4 石英玻璃和方石英晶體，硅膠的想X射線衍射圖

由以上實驗可得;

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定的狀態，水猶如網絡結構，冰猶如分散的晶子。當外來因素對其作用時，有些作用要通過冰表現出來，有些作用要通過水表現出來。正如玻璃在外來因素時有的通過網絡作用顯現，有的通過晶子作用顯現。所以玻璃具有網晶二象性在作用不同時顯示不同的性質。

實列分析：

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絡的題體積逐漸的增大，才出現以上的過程。由此說明玻璃是由晶子和網絡共同構成了玻璃的結構。

結論預測:

1. 玻璃的形成過程實際上是低溫條件下，能量釋放，原子調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合能及外界條件的冷卻速率。當物質為純凈物是不易形成玻璃，而物質為固溶體是一定易。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整過程，不是沒有調整，只是有少量的進行了調整。be段應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絡結構，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，力學等性質逐漸遞變隨冷卻速率。

參考文獻;

張聯盟，黃學輝，宋曉嵐 《材料科學與基礎》武漢理工大學出版社，2001

方俊鑫，陸棟《固體物理學上冊》上海科學出版社，1999

Aske land,D.R The Science and Engineering of Materals,3rd edition. Brooks/cole publishing Co, pacific Grove,CA,1994

注：文章內所有公式及圖表請以PDF形式查看。