第十二章玻璃介绍.ppt

第十二章第十二章 玻璃材料玻璃材料1.玻璃的形成玻璃的形成2.玻璃的结构玻璃的结构3.常见玻璃材料常见玻璃材料4.彩色玻璃和光致变色玻璃彩色玻璃和光致变色玻璃5.功能玻璃材料功能玻璃材料概概 述述 一、玻璃的定义及分类一、玻璃的定义及分类二、玻璃原料二、玻璃原料三、玻璃的结构三、玻璃的结构四、玻璃材料的种类四、玻璃材料的种类• 一、玻璃的定义及分类一、玻璃的定义及分类–定义定义：无机玻璃和有机玻璃两大类无机玻璃和有机玻璃两大类•定义：介于晶态和液态之间的一种特殊状态，由熔定义：介于晶态和液态之间的一种特殊状态，由熔融体过冷却而得，其结构为短程有序和长程无序融体过冷却而得，其结构为短程有序和长程无序–化学组成：化学组成：由氧化物和其他辅助原料所组成由氧化物和其他辅助原料所组成 - - 分类：分类：根据玻璃的形成体氧化物不同：根据玻璃的形成体氧化物不同： 硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃和铝酸盐玻璃等硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃和铝酸盐玻璃等概概 述述 玻玻璃璃由由于于制制备备工工艺艺简简单单，，具具有有宏宏观观均均匀匀性性、、各各向向同同性性等优点，在功能材料中有特殊的地位。

等优点，在功能材料中有特殊的地位 用于制造玻璃的各种原始物料，可分为主要原料和辅助原用于制造玻璃的各种原始物料，可分为主要原料和辅助原料两大类料两大类 主要原料主要原料指玻璃中各种氧化物的原料，对玻璃的结构和物指玻璃中各种氧化物的原料，对玻璃的结构和物理、化学性质起主要作用；理、化学性质起主要作用；辅助原料辅助原料是为了改善某一方面的性是为了改善某一方面的性能或加速玻璃的熔制过程而加入的物料能或加速玻璃的熔制过程而加入的物料 按玻璃组成氧化物在玻璃结构中的作用，可分为按玻璃组成氧化物在玻璃结构中的作用，可分为三大类三大类 1 1、玻璃形成体氧化物，、玻璃形成体氧化物， 2 2、中间体氧化物，、中间体氧化物， 3 3、网络外体氧化物网络外体氧化物 概概 述述二、玻璃原料二、玻璃原料 玻璃形成氧化物为二氧化硅（玻璃形成氧化物为二氧化硅（SiO2）和氧化硼（）和氧化硼（B2O3） ① ① 二氧化硅（二氧化硅（SiO2）） 单独的二氧化硅可以形成石英玻璃，在一般玻璃中，二单独的二氧化硅可以形成石英玻璃，在一般玻璃中，二氧化硅以硅氧四面体结构单元形成结构网络。

氧化硅以硅氧四面体结构单元形成结构网络 作用：降低玻璃的热膨胀系数、密度，提高玻璃的热稳作用：降低玻璃的热膨胀系数、密度，提高玻璃的热稳定性、化学稳定性、粘度、机械强度等；含量高，需要较高定性、化学稳定性、粘度、机械强度等；含量高，需要较高的熔融温度一般瓶罐玻璃二氧化硅含量约为的熔融温度一般瓶罐玻璃二氧化硅含量约为73%左右 1.1.玻璃形成体氧化物玻璃形成体氧化物概概 述述二、玻璃原料二、玻璃原料② ② 氧化硼（氧化硼（B B2 2O O3 3）） 氧化硼也可以单独形成玻璃，它以硼氧三角形氧化硼也可以单独形成玻璃，它以硼氧三角形[BO[BO3 3] ]和硼氧和硼氧四面体四面体[BO[BO4 4] ]为结构单元在硼硅酸盐玻璃中与硅氧四面体共为结构单元在硼硅酸盐玻璃中与硅氧四面体共同组成结构网络同组成结构网络 作用：作用：Ø能降低玻璃的热膨胀系数（硼的加入量应适当，过量时玻能降低玻璃的热膨胀系数（硼的加入量应适当，过量时玻璃的热膨胀系数等反而增大，热稳定性差）；璃的热膨胀系数等反而增大，热稳定性差）；Ø提高玻璃的化学稳定性和热稳定性；提高玻璃的化学稳定性和热稳定性；Ø改善玻璃的光泽、提高玻璃的机械强度改善玻璃的光泽、提高玻璃的机械强度；Ø少量的氧化硼有助熔作用，加速玻璃的澄清，降低玻璃的少量的氧化硼有助熔作用，加速玻璃的澄清，降低玻璃的结晶能力。

结晶能力概概 述述二、玻璃原料二、玻璃原料2.2.中间体氧化物中间体氧化物 中间体氧化物自身不能形成玻璃，但可以连接二氧化硅链中间体氧化物自身不能形成玻璃，但可以连接二氧化硅链使其保持玻璃态它既是玻璃网络结构的一部分，又可以改进使其保持玻璃态它既是玻璃网络结构的一部分，又可以改进结构内部的位置结构内部的位置 中间体氧化物主要有中间体氧化物主要有氧化铝氧化铝（（Al2O3），氧化铅（），氧化铅（PbO），），氧化锌（氧化锌（ZnO））等Ø用量不宜过多，要适当用量不宜过多，要适当作用：作用：Ø降低玻璃的热膨胀系数；降低玻璃的热膨胀系数；Ø提高玻璃的热稳定性、化学稳定性、机械强度和粘度；提高玻璃的热稳定性、化学稳定性、机械强度和粘度；概概 述述二、玻璃原料二、玻璃原料3.3.网络外体氧化物网络外体氧化物- -改性剂改性剂 网络外体氧化物不参加玻璃的结构网络，居于网络之网络外体氧化物不参加玻璃的结构网络，居于网络之外，能促使玻璃网络破裂而改变玻璃的性质外，能促使玻璃网络破裂而改变玻璃的性质 主要有：主要有：氧化锂（氧化锂（Li2O）、氧化钠（）、氧化钠（Na2O）、氧化钾）、氧化钾（（K2O）、氧化镁（）、氧化镁（MgO）、氧化钙（）、氧化钙（CaO）、氧化钡）、氧化钡（（BaO）等）等。

作用：降低熔点和简化工艺作用：降低熔点和简化工艺 概概 述述二、玻璃原料二、玻璃原料 一般玻璃瓶罐的化学组成范围为：一般玻璃瓶罐的化学组成范围为： SiO2：：66～～75% Al2O3 ：： 0.7～～7.0% Na2O：：12～～16% K2O：：0.1～～4.0% MgO：：0.1～～5.0% CaO：：6～～12% BaO：：0～～4.5% 概概 述述二、玻璃原料二、玻璃原料三、玻璃的结构三、玻璃的结构•结构最简单的结构最简单的石英玻璃石英玻璃：石英是由二氧化硅组成的，它有两：石英是由二氧化硅组成的，它有两种结构状态，晶体与玻璃种结构状态，晶体与玻璃•石英晶体石英晶体与石英玻璃的基本结构单元都是由与石英玻璃的基本结构单元都是由硅氧四面体硅氧四面体[SiO[SiO4 4] ]构成的，即每个硅原子被构成的，即每个硅原子被4 4个氧原子包围组成四面体，个氧原子包围组成四面体，各四面体之间通过顶角相连接，形成向三唯空间发展的网络各四面体之间通过顶角相连接，形成向三唯空间发展的网络结构石英晶体中的硅氧排列得非常规则有序，即不论从结构。

石英晶体中的硅氧排列得非常规则有序，即不论从 “短程短程”还是从还是从“长程长程”来看，都有很好的重来看，都有很好的重 复性和周期性而在复性和周期性而在石英玻璃石英玻璃中，硅氧排中，硅氧排 列的规律性只在几个原子间距的列的规律性只在几个原子间距的“短程短程”内内 保持着，从较大的范围看，没有可重复的保持着，从较大的范围看，没有可重复的 周期性，是周期性，是短程有序，长程无序短程有序，长程无序石英晶体和石英玻璃中原子的排列石英晶体和石英玻璃中原子的排列概概 述述•引入金属氧化物，改变了石英玻璃中引入金属氧化物，改变了石英玻璃中单一的化学组成和单一的化学组成和Si／／O的比例，使原来的比例，使原来互相连接的互相连接的[SiO4]四面体网络断裂，四面体网络断裂，“桥氧桥氧”变为变为“非桥氧非桥氧”，只与，只与1个硅离子相连，引入个硅离子相连，引入的的Na+、、Ca2+离子在非桥氧附近，处于断裂离子在非桥氧附近，处于断裂网络形成的空隙中，以平衡氧离子的负电荷网络形成的空隙中，以平衡氧离子的负电荷 •Na2O、、CaO等氧化物的加入，改变了原等氧化物的加入，改变了原来的四面体网络，引起玻璃的许多性质改变，来的四面体网络，引起玻璃的许多性质改变，如降低了玻璃的熔制温度和粘度，降低了硬如降低了玻璃的熔制温度和粘度，降低了硬度和强度，降低了化学稳定性，增大了热膨度和强度，降低了化学稳定性，增大了热膨胀系数，从而导致抗热冲击性能下降胀系数，从而导致抗热冲击性能下降 。

钠钙玻璃的结构钠钙玻璃的结构 概概 述述四、玻璃材料的种类四、玻璃材料的种类 玻璃材料根据形成体氧化物的种类，把玻璃分成硅酸盐玻玻璃材料根据形成体氧化物的种类，把玻璃分成硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃和铝酸盐玻璃等璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃和铝酸盐玻璃等常用的包装玻常用的包装玻璃为钠钙硅酸盐玻璃，其次是硼（璃为钠钙硅酸盐玻璃，其次是硼（B）硅酸盐玻璃）硅酸盐玻璃表表 1 几种常用玻璃的组成及性能几种常用玻璃的组成及性能 概概 述述表表 2 几种玻璃瓶的化学组成几种玻璃瓶的化学组成概概 述述 玻玻璃璃是是人人类类使使用用的的最最古古老老的的合合成成材材料料之之一一对对玻玻璃璃进进行系统的科学研究可以认为是从行系统的科学研究可以认为是从19世纪初世纪初Faraday开始的 关于玻璃的研究，可以分为两个方面：关于玻璃的研究，可以分为两个方面：Ø一是研究开发出各种具有独特性能的一是研究开发出各种具有独特性能的新型玻璃态材料新型玻璃态材料；；Ø二二是是利利用用现现代代科科学学技技术术加加深深对对玻玻璃璃结结构构和和性性能能的的认认识识，，从而促进新型玻璃材料的研究和开发。

从而促进新型玻璃材料的研究和开发第十二章第十二章 玻璃材料玻璃材料 玻璃的两个主要定义玻璃的两个主要定义：：Ø一一个个定定义义着着重重在在制制备备方方法法上上传传统统的的玻玻璃璃制制备备是是将将单单组组分分或或多多组组分分原原料料物物质质加加热热成成为为均均匀匀的的熔熔体体，，然然后后冷冷却却由由于于形形成成玻玻璃璃的的物物质质当当温温度度降降低低时时粘粘度度增增加加很很快快，，使使体体系系内内原原子子的的运运动动很很慢慢以以至至于于不不能能排排列列成成整整齐齐的的晶晶格格人人们称通过这一过程制成的固体为玻璃们称通过这一过程制成的固体为玻璃Ø另另一一个个定定义义着着重重在在玻玻璃璃的的结结构构上上也也就就是是说说，，玻玻璃璃是是一一种种无无定定型型固固体体，，原原子子在在其其中中的的排排列列没没有有晶晶体体那那种种长长程程有有序的周期性序的周期性 玻玻璃璃材材料料有有很很多多种种类类，，在在日日常常生生活活、、工工业业生生产产和和科科学学技技术等方面都有重要应用术等方面都有重要应用1. 1. 1. 1. 玻璃的形成玻璃的形成玻璃的形成玻璃的形成 由由传传统统工工艺艺制制备备的的玻玻璃璃材材料料主主要要是是氧氧化化物物玻玻璃璃。

下下表表列出了生成氧化物玻璃的元素在周期表中的位置列出了生成氧化物玻璃的元素在周期表中的位置1 1）形成玻璃的物质）形成玻璃的物质）形成玻璃的物质）形成玻璃的物质 黑黑体体表表示示的的元元素素可可以以形形成成单单一一氧氧化化物物玻玻璃璃，，主主要要是是SiO2、、B2O3、、GeO2、、P2O5这这几几种种元元素素的的电电负负性性居居中中，，因因而而既既不不能能生生成成离离子子型型结结构构，，如如MgO、、Na2O等等，，也也不不能能生生成成共共价价键键的的小小分分子子结结构构，，如如CO2、、NO2等等这这几几种种元元素素形形成成离子键和共价键混合型的氧化物，具有三维网络结构离子键和共价键混合型的氧化物，具有三维网络结构 As和和Sb也也能能生生成成单单一一氧氧化化物物玻玻璃璃(As2O3和和Sb2O3)，，但但它它们们生生成成玻玻璃璃的的条条件件要要困困难难些些，，即即要要在在极极快快速速的的冷冷却却过过程程中中才能形成才能形成 表表中中其其它它元元素素是是中中间间体体氧氧化化物物元元素素，，它它们们是是Al2O3、、Bi2O3、、PbO、、Te2O3、、V2O5和和MoO3等等。

这这几几种种氧氧化化物物不不能能单独生成玻璃单独生成玻璃1. 1. 1. 1. 玻璃的形成玻璃的形成玻璃的形成玻璃的形成Zachariasen (查查氏氏规规则则) 曾曾对对简简单单氧氧化化物物生生成成玻玻璃璃的的状状况况进进行行了了研研究究他他认认为为，，生生成成玻玻璃璃的的理理想想条条件件是是，，该该材材料料没没有有生生成成在在三三维维伸伸展展的的长长程程有有序序网网络络结结构构根根据据结结晶晶化化学学原原理理，，假假设设玻玻璃璃态态物物质质与与相相应应晶晶态态物物质质有有相相似似的的键键型型和和配配位位多多面面体体，，提提出出了了一一套套玻玻璃璃形形成成规规则则为为表表述述方方便便，，将将玻玻璃璃中中元元素素分分为为成成玻玻璃璃元元素素(如如Si，，B等等) 和和氧氧元元素素该该规规则则有有如下内容：如下内容：2 2）玻璃形成的经典规则）玻璃形成的经典规则）玻璃形成的经典规则）玻璃形成的经典规则a a））））ZachariasenZachariasen规则规则规则规则1. 1. 1. 1. 玻璃的形成玻璃的形成玻璃的形成玻璃的形成1、、 一个氧原子至多可与两个成玻璃元素的原子相连接；一个氧原子至多可与两个成玻璃元素的原子相连接；2、、 成玻璃元素的配位数应较小；成玻璃元素的配位数应较小；3、、成成玻玻璃璃元元素素与与氧氧形形成成的的配配位位多多面面体体采采取取共共顶顶点点的的方方式式 连接，而不采取共棱或共面连接；连接，而不采取共棱或共面连接；4、、 这些多面体连接起来形成三维网络。

这些多面体连接起来形成三维网络规规则则1和和3是是一一个个问问题题的的两两个个方方面面成成玻玻璃璃元元素素的的原原子子与与氧氧原原子子形形成成的的多多面面体体要要通通过过共共顶顶点点连连接接，，则则氧氧原原子子只只可可能能与与2个个成成玻玻璃璃元元素素的的原原子子连连接接这这两两条条规规则则使使玻玻璃璃材材料料可可以以形形成成具具有有长长程程无无序序的的三三维维网网络络结结构构例例如如，，玻玻璃璃态态SiO2是是由由共共用用顶顶点点的的SiO4四四面面体体构构成成的的，，其其中中每每个个氧氧原原子子仅仅与与2个个硅硅原原子子相相连连接接，，这这样样产产生生了了一一个个颇颇为为开开放放的的结结构构在在这这个个结结构构中中Si－－O－－Si的的键键角角可可能能是是变变化化的的，，但但硅硅氧氧四四面面体体基基本不变形，这样就可能生成本不变形，这样就可能生成长程无序长程无序的三维网络结构的三维网络结构1. 1. 1. 1. 玻璃的形成玻璃的形成玻璃的形成玻璃的形成a a））））ZachariasenZachariasen规则规则规则规则 规规则则2与与规规则则1也也是是紧紧密密相相关关的的。

对对于于给给定定的的化化学学式式来来说说，，不不同同原原子子的的配配位位数数是是相相互互关关联联的的在在SiO2中中，，氧氧的的配配位数是位数是2，则硅的配位数必然是，则硅的配位数必然是4 规规则则4要要求求多多面面体体连连接接成成三三维维网网络络结结构构，，这这样样在在熔熔融融状状态态下下材材料料内内部部有有大大的的基基团团，，使使得得熔熔体体有有较较大大的的粘粘度度，，这这样样在冷却过程中易形成玻璃态在冷却过程中易形成玻璃态1. 1. 1. 1. 玻璃的形成玻璃的形成玻璃的形成玻璃的形成a a））））ZachariasenZachariasen规则规则规则规则对对于于碱碱金金属属和和碱碱土土金金属属元元素素氧氧化化物物，，如如Na2O和和MgO，，金金属属在在其其中中的的配配位位数数分分别别是是8和和6，，所所形形成成的的多多面面体体NaO4和和MgO6共共棱棱连连接接，，而而不不是是共共顶顶点点连连接接，，因因而而它它们们不不能能形形成成玻玻璃璃第第III族族元元素素的的氧氧化化物物分分子子式式通通式式为为M2O3使使氧氧的的配配位位数数为为2，，则则M的的配配位位数数必必为为3，，这这样样就就能能符符合合上上述述规规则则，，形形成成玻玻璃璃。

B2O3符符合合这这个个规规则则，，B对对O是是三三配配位位的的，，因因此此，，B2O3是是可可以以单单独独形形成成玻玻璃璃的的氧氧化化物物但但在在Al2O3中中Al是是八八面面体配位的，不符合上述规则，所以不能单独形成玻璃体配位的，不符合上述规则，所以不能单独形成玻璃1. 1. 1. 1. 玻璃的形成玻璃的形成玻璃的形成玻璃的形成a a））））ZachariasenZachariasen规则规则规则规则b b））））SunSun和和和和RawsonRawson准则准则准则准则 对对于于简简单单氧氧化化物物的的结结构构特特点点与与生生成成玻玻璃璃的的倾倾向向之之间间的的关关系系也也有有人人提提出出过过其其他他理理论论假假设设Sun(孙孙氏氏)提提出出用用成成玻玻璃璃元元素素与与氧氧的的键键能能作作为为氧氧化化物物是是否否能能生生成成玻玻璃璃的的判判据据能能够够生生成成玻玻璃璃的的氧氧化化物物其其键键能能都都在在330kJ/mol以以上上，，那那些些不不能能形形成成网网络络结结构构，，仅仅能能成成为为玻玻璃璃改改性性离离子子的的元元素素，，其其氧氧化化物物键键能都小于此值能都小于此值。

1. 1. 1. 1. 玻璃的形成玻璃的形成玻璃的形成玻璃的形成近近年年来来，，随随着着玻玻璃璃制制备备技技术术的的发发展展，，人人们们制制备备的的玻玻璃璃种种类类越越来来越越多多，，有有些些玻玻璃璃不不符符合合Zachariasen规规则则但但这这不不会会降降低低该该规规则则对对玻玻璃璃材材料料的的意意义义，，也也说说明明为为玻玻璃璃的的生生成成找找到一个普遍的结构理论是困难的到一个普遍的结构理论是困难的2 2）玻璃形成的经典规则）玻璃形成的经典规则）玻璃形成的经典规则）玻璃形成的经典规则 Rawson(劳劳森森)用用键键能能与与熔熔点点的的比比值值来来判判断断氧氧化化物物是是否否可可以以生生成成玻玻璃璃，，这这比比Sun的的准准则则有有所所改改进进我我们们知知道道键键能能表表示示了了多多面面体体网网络络骨骨架架的的强强度度；；而而熔熔点点与与打打断断网网络络骨骨架架的的热热能能相相关关键键能能越越大大，，表表明明氧氧化化物物的的网网络络骨骨架架越越稳稳定定，，不不易被破坏，因此在熔融态熔体的粘度大，易形成玻璃易被破坏，因此在熔融态熔体的粘度大，易形成玻璃 氧氧化化物物的的熔熔点点低低，，说说明明在在熔熔点点附附近近能能够够提提供供的的破破坏坏骨骨架架的的能能量量少少，，这这样样骨骨架架难难于于被被打打断断，，因因此此形形成成玻玻璃璃的的倾倾向向大。

大b b））））SunSun和和和和RawsonRawson准则准则准则准则2 2）玻璃形成的经典规则）玻璃形成的经典规则）玻璃形成的经典规则）玻璃形成的经典规则1. 1. 1. 1. 玻璃的形成玻璃的形成玻璃的形成玻璃的形成 对对于于一一些些不不能能单单独独生生成成玻玻璃璃的的氧氧化化物物，，若若组组成成二二元元熔熔融融体体系系，，则则可可以以生生成成玻玻璃璃，，而而且且生生成成玻玻璃璃的的组组成成往往往往在在低低共共熔点附近这可用熔点附近这可用Rawson规则说明规则说明 例例 如如 ，， CaO和和 Al2O3本本 身身 都都 不不 能能 生生 成成 玻玻 璃璃 ，， 但但 在在CaAl2O4~Ca3Al2O6之之间间的的组组成成却却容容易易生生成成玻玻璃璃这这些些组组成成都都位位于于低低熔熔点点的的低低共共熔熔区区，，其其液液相相在在1400～～1600oC之之间间，，远远低于远远低于CaO(2614oC)和和Al2O3(2015oC)的熔点b b））））SunSun和和和和RawsonRawson准则准则准则准则2 2）玻璃形成的经典规则）玻璃形成的经典规则）玻璃形成的经典规则）玻璃形成的经典规则1. 1. 1. 1. 玻璃的形成玻璃的形成玻璃的形成玻璃的形成2. 2. 2. 2. 玻璃的结构玻璃的结构玻璃的结构玻璃的结构 无无规规网网络络学学说说的的要要点点：：玻玻璃璃材材料料内内原原子子的的排排列列具具有有短短程有序而长程无序的特点程有序而长程无序的特点。

所所谓谓短短程程有有序序是是指指对对于于特特定定的的原原子子其其与与周周围围原原子子配配位位的的个个数数、、键键长长和和键键角角等等基基本本恒恒定定，，且且与与同同化化学学组组成成晶晶体体的的情况形似情况形似 长长程程无无序序是是指指这这些些由由中中心心原原子子组组成成的的集集团团相相互互连连接接时时采采取取较较为为自自由由的的方方式式，，使使原原子子的的排排列列在在大大范范围围内内不不具具有有周周期期性1)1) 无规网络学说和微晶学说无规网络学说和微晶学说无规网络学说和微晶学说无规网络学说和微晶学说 以以SiO2玻玻璃璃为为例例，，在在SiO2玻玻璃璃材材料料中中，，Si总总是是与与4个个氧氧配配位位组组成成SiO4四四面面体体，，并并且且在在四四面面体体内内其其Si－－O键键长长和和O-Si-O键角基本不变键角基本不变 这这些些四四面面体体以以共共顶顶点点的的方方式式相相连连接接，，连连接接中中的的O-Si-O键键角角却却可可以以有有较较大大的的变变化化这这样样就就形形成成了了无无规规的的三三维维网网络络结结构构实实际际上上，，Zachariasen (查查氏氏)规规则则就就是是无无规规网网络络学学说说的一种表述。

的一种表述2. 2. 2. 2. 玻璃的结构玻璃的结构玻璃的结构玻璃的结构1)1) 无规网络学说和微晶学说无规网络学说和微晶学说无规网络学说和微晶学说无规网络学说和微晶学说 1936年年Warren(沃沃伦伦)的的X射射线线衍衍射射结结果果为为这这个个学学说说提提供供了了实实验验上上的的支支持持玻玻璃璃材材料料的的X射射线线粉粉末末衍衍射射图图是是很很宽宽的的驼驼峰峰，，而而不不是是像像晶晶体体材材料料那那样样的的锐锐锋锋比比较较玻玻璃璃态态石石英英和和晶晶状状方方石石英英的的X射射线线粉粉末末衍衍射射图图，，可可以以发发现现玻玻璃璃态态石石英英的的驼驼峰峰最最大大值值与与晶晶状状方方石石英英的的主主谱谱线线一一致致，，说说明明在在这这两两种种物物相相中中其其原原子间距有相似性子间距有相似性2. 2. 2. 2. 玻璃的结构玻璃的结构玻璃的结构玻璃的结构1)1) 无规网络学说和微晶学说无规网络学说和微晶学说无规网络学说和微晶学说无规网络学说和微晶学说 微微晶晶学学说说是是关关于于玻玻璃璃结结构构的的另另一一个个重重要要学学说说这这一一学学说说是是1930年年Randell (兰兰迪迪尔尔)提提出出的的。

他他认认为为玻玻璃璃是是由由微微晶晶和和无无定定形形物物质质两两部部分分组组成成的的，，微微晶晶具具有有规规则则的的原原子子排排列列与与无无定定形形物物质质之之间间有有明明显显界界限限微微晶晶尺尺寸寸约约为为1nm，，含含量量为为80％以下，微晶的取向是无序的％以下，微晶的取向是无序的 列列别别捷捷夫夫在在研研究究光光学学玻玻璃璃退退火火中中发发现现，，在在玻玻璃璃折折射射率率随随温温度度变变化化的的曲曲线线上上，，在在520～～590oC附附近近折折射射率率出出现现突突跃跃他他用用微微晶晶模模型型来来解解释释这这一一实实验验现现象象，，即即这这一一突突跃跃是是玻玻璃璃中中的的石石英英微微晶晶发发生生晶晶型型转转变变引引起起的的，，因因为为 -石石英英和和 -石石英英之之间间的相转变温度为的相转变温度为573oC 2. 2. 2. 2. 玻璃的结构玻璃的结构玻璃的结构玻璃的结构1)1) 无规网络学说和微晶学说无规网络学说和微晶学说无规网络学说和微晶学说无规网络学说和微晶学说 列列别别捷捷夫夫的的微微晶晶模模型型与与Randell (兰兰迪迪尔尔)的的微微晶晶学学说说稍稍有有不不同同。

他他认认为为，，从从微微晶晶到到无无定定形形部部分分是是逐逐渐渐过过渡渡的的，，两两者者之之间间无无明明显显界界限限这这一一模模型型更更接接近近于于实实际际，，也也和和无无规规网网络络模模型型更靠近2. 2. 2. 2. 玻璃的结构玻璃的结构玻璃的结构玻璃的结构1)1) 无规网络学说和微晶学说无规网络学说和微晶学说无规网络学说和微晶学说无规网络学说和微晶学说 对对于于X射射线线粉粉末末衍衍射射的的宽宽化化衍衍射射峰峰，，微微晶晶学学说说也也有有自自己己的的解解释释如如果果把把晶晶体体样样品品研研成成细细粉粉，，当当颗颗粒粒度度小小于于100nm时时，，X射射线线衍衍射射峰峰发发生生展展宽宽，，并并且且颗颗粒粒越越小小，，衍衍射射峰峰宽宽度度越越大大，，与与玻玻璃璃态态X射射线线衍衍射射峰峰类类似似另另一一方方面面，，玻玻璃璃态态衍衍射射峰峰的位置与晶态也基本相同的位置与晶态也基本相同 无无规规网网络络学学说说和和微微晶晶学学说说都都能能解解释释一一些些有有关关玻玻璃璃的的实实验验现象，都有一定的道理，但无规网络学说更被人们所接受现象，都有一定的道理，但无规网络学说更被人们所接受。

2. 2. 2. 2. 玻璃的结构玻璃的结构玻璃的结构玻璃的结构1)1) 无规网络学说和微晶学说无规网络学说和微晶学说无规网络学说和微晶学说无规网络学说和微晶学说 以以二二元元硅硅酸酸盐盐玻玻璃璃的的结结构构为为例例二二元元硅硅酸酸盐盐是是指指SiO2与与另另一一种种氧氧化化物物组组成成的的体体系系另另一一种种氧氧化化物物主主要要是是碱碱金金属属和和碱碱土土金金属属氧氧化化物物，，也也称称它它们们为为网网络络改改性性氧氧化化物物网网络络改改性氧化物的加入对性氧化物的加入对SiO2玻璃的结构和性能都有很大的影响玻璃的结构和性能都有很大的影响2)2) 玻璃态氧化硅和硅酸盐玻璃玻璃态氧化硅和硅酸盐玻璃玻璃态氧化硅和硅酸盐玻璃玻璃态氧化硅和硅酸盐玻璃2. 2. 2. 2. 玻璃的结构玻璃的结构玻璃的结构玻璃的结构 右右图图是是硅硅酸酸钠钠玻玻璃璃的的结结构构示示意意图图，，可可看看成成是是由由Na2O和和SiO2组组成成的的二二元元体体系系当当此此二二元元体体系系熔熔融融时时，，其其粘粘度度比比纯纯SiO2明明显显降降低低，，这这可可以以解解释释为为Na2O的的加加入入使使SiO2的的网网络络结结构构部部分分被被打打断断。

在在SiO2玻玻璃璃中中，，氧氧原原子子都都以以Si-O-Si的的方方式式与与Si原原子子相相连连，，这这种种连连接接被被称称为为桥桥式式连连接接，，氧氧原原子子被被称称为为桥桥氧氧原原子子当当体体系系中中掺掺入入Na2O后后，，Na2O中中的的氧氧原原子子与与Si相相连连，，打打断断桥桥式连接，形成式连接，形成非桥氧原子非桥氧原子硅酸钠玻璃的结构示意图硅酸钠玻璃的结构示意图硅酸钠玻璃的结构示意图硅酸钠玻璃的结构示意图2)2) 玻璃态氧化硅和硅酸盐玻璃玻璃态氧化硅和硅酸盐玻璃玻璃态氧化硅和硅酸盐玻璃玻璃态氧化硅和硅酸盐玻璃 当当Na2O与与SiO2的的比比值值增增大大到到1：：2时时(相相当当于于化化学学式式为为Na2Si2O5)，，Si对对O的的比比例例下下降降至至1：：2.5，，这这就就意意味味着着平平均均在在每每一一个个SiO4四四面面体体中中，，4个个氧氧顶顶角角中中必必有有一一个个非非桥桥氧氧原原子子在在具具有有这这种种化化学学式式的的晶晶状状材材料料中中，，SiO4四四面面体体往往往往连连接接成成层层状状阴阴离离子子骨骨架架，，Na+处处在在层层与与层层之之间间；；但但在在玻玻璃璃态态材材料料中中也也可可能能存存在在小小片片的的层层状状阴阴离离子子；；更更大大的的可可能能是是SiO4四四面面体体形形成成开开口口的的三三维维网网络络结结构构，，Na+处处在在网网络络骨骨架架里里相相对对较较大大的的空隙中。

空隙中2)2) 玻璃态氧化硅和硅酸盐玻璃玻璃态氧化硅和硅酸盐玻璃玻璃态氧化硅和硅酸盐玻璃玻璃态氧化硅和硅酸盐玻璃 当当Na2O含含量量进进一一步步增增加加时时，，就就会会有有更更多多的的桥桥氧氧键键被被打打断断，，熔熔体体的的粘粘度度变变的的更更小小，，更更易易流流动动这这样样在在冷却过程中失透的倾向增加冷却过程中失透的倾向增加 玻玻璃璃的的失失透透是是指指玻玻璃璃体体中中部部分分物物质质由由热热力力学学亚亚稳稳态态的的玻玻璃璃相相转转变变为为热热力力学学稳稳定定态态的的晶晶相相，，使使玻玻璃璃透透明明度度降降低低的的现现象象当当Na2O与与SiO2的的比比值值达达到到1：：1时时体体系系就就很很难难生生成成玻玻璃态了2)2) 玻璃态氧化硅和硅酸盐玻璃玻璃态氧化硅和硅酸盐玻璃玻璃态氧化硅和硅酸盐玻璃玻璃态氧化硅和硅酸盐玻璃硅酸钠玻璃的结构示意图硅酸钠玻璃的结构示意图硅酸钠玻璃的结构示意图硅酸钠玻璃的结构示意图 当当氧氧化化硅硅中中加加入入中中间间体体氧氧化化物物，，所所产产生生的的效效果果与与加加入入网网络络改改性性氧氧化化物物的的效效果果有有很很大大的的不不同同。

中中间间体体氧氧化化物物能能有有效效地地取取代代氧氧化化硅硅，，并并能能保保持持无无序序的的三三维维网网络络结结构构这这样样在在冷却时很难发生失透现象，并且生成玻璃的范围是很宽的冷却时很难发生失透现象，并且生成玻璃的范围是很宽的 例例如如，，在在SiO2中中掺掺入入PbO可可以以制制成成铅铅玻玻璃璃，，其其PbO的的含含量可以达到近量可以达到近80％ B2O3和和SiO2可以以任意比例混合制成硼硅玻璃可以以任意比例混合制成硼硅玻璃2)2) 玻璃态氧化硅和硅酸盐玻璃玻璃态氧化硅和硅酸盐玻璃玻璃态氧化硅和硅酸盐玻璃玻璃态氧化硅和硅酸盐玻璃3) 3) 玻璃态氧化硼和硼酸盐玻璃玻璃态氧化硼和硼酸盐玻璃玻璃态氧化硼和硼酸盐玻璃玻璃态氧化硼和硼酸盐玻璃 在在SiO2和和硅硅酸酸盐盐玻玻璃璃中中，，其其结结构构基基本本单单元元为为SiO4与与此此不不同同，，在在B2O3玻玻璃璃中中其其基基本本结结构构单单元元为为BO3三三角角形形；；在在硼硼酸酸盐盐玻玻璃璃中中，，随随组组成成的的不不同同，，可可含含有有BO3三三角角形形和和BO4四四面面体体在在B2O3玻玻璃璃中中BO3三三角角形形相相互互连连接接形形成成平平面面的的硼硼氧氧六六元元环环基基团团，，这这一一结结构构是是通通过过对对X射射线线衍衍射射，，B11核核磁磁共共振振谱谱等研究结果分析出来的。

等研究结果分析出来的 下下图图给给出出了了B2O3玻玻璃璃在在不不同同温温度度下下的的结结构构模模型型在在较较低低温温度度时时，，B2O3玻玻璃璃结结构构是是由由桥桥氧氧连连接接的的硼硼氧氧三三角角体体和和硼硼氧氧六六元元环环形形成成的的在在二二维维空空间间发发展展的的网网络络，，具具有有层层状状结结构构由由于于键键角角可可以以有有比比较较大大的的改改变变，，故故层层可可能能交交叠叠、、卷卷曲曲或或分分裂成复杂的形式，如图中裂成复杂的形式，如图中a所示B B2 2OO3 3玻璃在不同温度下的结构模型玻璃在不同温度下的结构模型玻璃在不同温度下的结构模型玻璃在不同温度下的结构模型3) 3) 玻璃态氧化硼和硼酸盐玻璃玻璃态氧化硼和硼酸盐玻璃玻璃态氧化硼和硼酸盐玻璃玻璃态氧化硼和硼酸盐玻璃 当温度提高时，一些硼氧键断裂，网络结构转变成链状结当温度提高时，一些硼氧键断裂，网络结构转变成链状结构，它是由构，它是由2个三角体在个三角体在2个顶角上相连接个顶角上相连接(即共边连接即共边连接)而成而成的结构单元，通过桥氧连接而成的，如图的结构单元，通过桥氧连接而成的，如图b图c则是在更高则是在更高温度下温度下B2O3玻璃的结构，其中包括蒸气状态。

这时每一对三玻璃的结构，其中包括蒸气状态这时每一对三角体均共用角体均共用3个氧，两个硼原子则处于个氧，两个硼原子则处于3个氧原子平面之外的个氧原子平面之外的平衡位置，形成具有双锥体形状的平衡位置，形成具有双锥体形状的B－－O3－－B结构单元这些结构单元这些双锥体通过氧的一对孤对电子与双锥体通过氧的一对孤对电子与B的一个空的的一个空的sp3成键而结合成键而结合成短链B B2 2OO3 3玻璃在不同温度下的结构模型玻璃在不同温度下的结构模型玻璃在不同温度下的结构模型玻璃在不同温度下的结构模型3) 3) 玻璃态氧化硼和硼酸盐玻璃玻璃态氧化硼和硼酸盐玻璃玻璃态氧化硼和硼酸盐玻璃玻璃态氧化硼和硼酸盐玻璃 与与硅硅酸酸盐盐玻玻璃璃不不同同，，向向玻玻璃璃态态B2O3中中加加入入碱碱金金属属氧氧化化物所产生的结果与相应的碱金属硅酸盐有很大的区别物所产生的结果与相应的碱金属硅酸盐有很大的区别 例例如如，，在在Na2O－－B2O3体体系系中中，，熔熔体体的的粘粘度度随随氧氧化化钠钠含含量量的的增增大大而而增增大大，，并并在在Na2O摩摩尔尔分分数数达达到到约约16％％时时粘粘度度为为极极大大。

玻玻璃璃体体的的热热膨膨胀胀系系数数随随Na2O含含量量的的增增大大而而变变小小，，在在16％％附附近近为为一一极极小小值值人人们们把把硼硼酸酸盐盐玻玻璃璃这这一一现现象象称称为为“氧化硼反常现象氧化硼反常现象” 对对氧氧化化硼硼反反常常现现象象的的部部分分解解释释为为：：当当加加入入少少量量碱碱金金属属氧氧化化物物时时，，一一些些硼硼原原子子由由三三角角形形的的三三配配位位变变为为四四面面体体的的四四配配位位，，四四配配位位的的BO4四四面面体体起起着着将将硼硼玻玻璃璃的的二二维维网网络络连连接接成三维网络的作用，从而使粘度增加成三维网络的作用，从而使粘度增加3) 3) 玻璃态氧化硼和硼酸盐玻璃玻璃态氧化硼和硼酸盐玻璃玻璃态氧化硼和硼酸盐玻璃玻璃态氧化硼和硼酸盐玻璃3. 3. 常见玻璃材料常见玻璃材料常见玻璃材料常见玻璃材料1)1) 纯氧化硅玻璃纯氧化硅玻璃纯氧化硅玻璃纯氧化硅玻璃( (石英玻璃石英玻璃石英玻璃石英玻璃) ) 一一种种由由SiO2单单一一成成分分形形成成的的玻玻璃璃，，这这种种玻玻璃璃有有很很好好的的物物理理化化学学性性质质，，如如玻玻璃璃化化转转变变温温度度高高(1200oC)，，不不易易晶晶化化，，抗抗化化学学腐腐蚀蚀，，除除氢氢氟氟酸酸和和磷磷酸酸外外，，对对各各种种酸酸和和中中性性盐盐都都是是稳定的。

其最突出的两个特点是：稳定的其最突出的两个特点是： 一一、、有有很很好好的的光光学学透透明明性性，，特特别别是是200～～400nm范范围围的的紫外光可以很好的透过紫外光可以很好的透过 二二、、石石英英玻玻璃璃的的热热膨膨胀胀系系数数很很小小，，仅仅为为普普通通玻玻璃璃的的1/10~1/20，，约约为为5.0×10-7 oC-1，，在在骤骤热热和和骤骤冷冷过过程程中中不不易易破破裂基于以上两个优点，石英玻璃在科研中有重要用途基于以上两个优点，石英玻璃在科研中有重要用途 正正是是由由于于石石英英玻玻璃璃具具有有很很高高的的玻玻璃璃化化转转变变温温度度，，它它的的熔熔点点也也很很高高，，达达1713oC，，使使得得制制备备石石英英玻玻璃璃的的成成本本很很高高，，因而不适合制造普通玻璃制品因而不适合制造普通玻璃制品3. 3. 常见玻璃材料常见玻璃材料常见玻璃材料常见玻璃材料1)1) 纯氧化硅玻璃纯氧化硅玻璃纯氧化硅玻璃纯氧化硅玻璃 ( (石英玻璃石英玻璃石英玻璃石英玻璃) )2) Vycor2) Vycor玻璃和玻璃和玻璃和玻璃和PyrexPyrex玻璃玻璃玻璃玻璃 Vycor(维维克克)玻玻璃璃是是1934年年美美国国康康宁宁公公司司研研究究人人员员在在研研究究硼硼硅硅玻玻璃璃分分相相时时发发明明的的一一种种高高硅硅玻玻璃璃，，并并于于1939年年商商品品化，化，Vycor是其商品名。

是其商品名硼硅酸钠玻璃）（硼硅酸钠玻璃） 这这种种玻玻璃璃SiO2的的含含量量高高达达96％％，，其其热热膨膨胀胀系系数数稍稍大大于于石石英英玻玻璃璃，，为为8.0×10-7 oC-1，，抗抗热热冲冲击击性性能能可可达达800～～900oC其抗化学侵蚀性、机械强度等性能也与石英玻璃相似其抗化学侵蚀性、机械强度等性能也与石英玻璃相似3. 3. 常见玻璃材料常见玻璃材料常见玻璃材料常见玻璃材料 Vycor玻玻璃璃的的制制备备方方法法避避免免了了制制备备玻玻璃璃所所需需的的高高熔熔化化温温度 方方法法是是先先制制备备出出一一种种硼硼硅硅酸酸钠钠玻玻璃璃，，其其组组成成近近似似为为10%Na2O、、30％％B2O3和和60％％SiO2然然后后在在较较低低的的温温度度下下(600oC)退退火火数数小小时时，，使使过过冷冷玻玻璃璃体体进进入入亚亚稳稳互互不不混混溶溶区区，，并并分分离离两两个个玻玻璃璃相相所所得得玻玻璃璃相相之之一一其其组组成成接接近近于于纯纯氧氧化化硅，另一玻璃相则富于硅，另一玻璃相则富于Na2O和和B2O32) Vycor2) Vycor玻璃和玻璃和玻璃和玻璃和PyrexPyrex玻璃玻璃玻璃玻璃3. 3. 常见玻璃材料常见玻璃材料常见玻璃材料常见玻璃材料 Pyrex(派派热热克克司司)玻玻璃璃是是另另一一种种常常用用的的高高硅硅玻玻璃璃。

这这种种玻玻璃璃的的主主要要成成分分也也是是Na2O、、B2O3和和SiO2，， 其其质质量量分分数数分分别别约约为为4%、、16％％和和80％％该该玻玻璃璃中中起起始始的的SiO2含含量量高高于于Vycor玻璃，因而其熔炼温度高达玻璃，因而其熔炼温度高达1680oC Pyrex玻玻璃璃中中加加入入少少量量的的Al2O3或或Li2O，，可可以以抑抑制制玻玻璃璃的的分相其热膨胀系数约为分相其热膨胀系数约为(30~40)×10-7 oC-1，， 虽虽然然大大于于石石英英玻玻璃璃和和Vycor玻玻璃璃，，但但在在目目前前大大量量生生产产的的玻玻璃璃中中是是最最低低的的Pyrex玻玻璃璃的的硬硬度度较较高高，，接接近近于于莫莫氏氏硬硬度度7级级，，抗抗磨磨耗耗性性能能好好，，因因而而这这种种玻玻璃璃制制作作的的器器皿皿表表面面损损伤伤小小，，使用寿命长使用寿命长2) Vycor2) Vycor玻璃和玻璃和玻璃和玻璃和PyrexPyrex玻璃玻璃玻璃玻璃3. 3. 常见玻璃材料常见玻璃材料常见玻璃材料常见玻璃材料 在在玻玻璃璃生生产产过过程程中中优优化化的的退退火火工工艺艺是是十十分分重重要要的的。

退退火火就就是是将将玻玻璃璃在在玻玻璃璃化化转转变变温温度度区区内内或或稍稍低低于于玻玻璃璃化化转转变变温温度度，，加加热热一一段段时时间间使使玻玻璃璃达达到到稳稳定定化化、、均均匀匀化化，，并并使使玻玻璃璃态态转转变变温度降低到一近似的恒定值温度降低到一近似的恒定值 高高质质量量的的光光学学玻玻璃璃要要求求有有均均匀匀恒恒定定的的折折射射率率，，因因而而对对退退火火过过程程有有严严格格的的要要求求退退火火还还起起着着消消除除机机械械应应力力的的作作用用在在极极端端情情况况下下，，由由于于存存在在着着内内应应力力，，未未退退火火的的玻玻璃璃会会爆爆碎碎一一般般情情况况下下，，几几个个小小时时的的退退火火时时间间就就可可以以了了，，但但对对于于特特殊殊玻玻璃璃或或特殊应用则需要较长时间特殊应用则需要较长时间 Paloma(帕帕洛洛玛玛)山山天天文文台台望望远远镜镜所所用用的的反反射射镜镜毛毛坯坯重重达达4000kg，，退退火火过过程程是是从从500oC冷冷却却至至300oC，，共共用用了了9个个月月之之久久！！这这个个反反射射镜镜是是用用Pyrex玻玻璃璃制制造造的的，，为为了了防防止止其其退退火火时时分分相相，，用用2％％Li2O代替了代替了Na2O。

2) Vycor2) Vycor玻璃和玻璃和玻璃和玻璃和PyrexPyrex玻璃玻璃玻璃玻璃3. 3. 常见玻璃材料常见玻璃材料常见玻璃材料常见玻璃材料•帕洛马山天文台，圣地亚哥东北帕洛马山天文台，圣地亚哥东北80公里处的帕洛马山顶峰，公里处的帕洛马山顶峰，海拔海拔1706米这里有世界闻名的五米口径反射望远镜，是米这里有世界闻名的五米口径反射望远镜，是世界上第二大光学望远镜世界上第二大光学望远镜•望远镜自望远镜自1948年投入使用以来，一直是世界上最优秀的望年投入使用以来，一直是世界上最优秀的望远镜之一，对星系学、超新星、射电源以及红外天文学等远镜之一，对星系学、超新星、射电源以及红外天文学等方面的研究起到了极为重要的作用方面的研究起到了极为重要的作用•帕洛马山天文台还有一台施密特望远镜，担负着寻找射电帕洛马山天文台还有一台施密特望远镜，担负着寻找射电源的对应物、探讨超新星的爆发、星系演化等观测任务源的对应物、探讨超新星的爆发、星系演化等观测任务哈勃望远镜哈勃望远镜-世界上最大的光学望远镜世界上最大的光学望远镜•哈勃望远镜长哈勃望远镜长13.3米，直径米，直径4.3米，重米，重11.6吨，造价近吨，造价近30亿美元，于亿美元，于1990年年4月月25日由美国航天飞机送上高日由美国航天飞机送上高590千千米的太空轨道。

米的太空轨道•哈勃望远镜以时速哈勃望远镜以时速2.8万千米沿寂静的太空轨道运行，万千米沿寂静的太空轨道运行，默默默地窥探着太空的秘密默地窥探着太空的秘密哈勃望远镜是有史以来最大、最哈勃望远镜是有史以来最大、最精确的天文望远镜精确的天文望远镜•它上面的广角行星相机可拍摄到几十到上百个恒星照片，它上面的广角行星相机可拍摄到几十到上百个恒星照片，其清晰度是地面天文望远镜的其清晰度是地面天文望远镜的10倍以上，倍以上，其观测能力等于其观测能力等于从华盛顿看到从华盛顿看到1.6万千米外悉尼的一只萤火虫万千米外悉尼的一只萤火虫  有有色色玻玻璃璃在在很很多多情情况况下下有有其其特特殊殊的的用用途途如如资资源源卫卫星星、、气气象象卫卫星星用用的的高高级级彩彩色色摄摄影影机机，，激激光光全全息息摄摄影影装装置置，，各各类类光谱仪器以及仪器仪表显示装置等都需要各种有色玻璃光谱仪器以及仪器仪表显示装置等都需要各种有色玻璃4. 4. 彩色玻璃和光致变色玻璃彩色玻璃和光致变色玻璃彩色玻璃和光致变色玻璃彩色玻璃和光致变色玻璃 我我们们知知道道过过渡渡元元素素和和稀稀土土元元素素离离子子可可以以吸吸收收紫紫外外和和可可见见光光，，基基质质材材料料中中掺掺入入这这些些离离子子可可以以产产生生荧荧光光。

同同样样，，在在无无色色玻玻璃璃中中掺掺入入这这些些离离子子也也可可以以得得到到有有色色玻玻璃璃，，这这些些离离子子被被称称为为着着色色剂剂玻玻璃璃所所显显颜颜色色是是所所掺掺离离子子吸吸收收色色的的互互补补色色在在制制造造无无色色透透明明玻玻璃璃时时，，要要尽尽量量除除去去原原料料中中的的过过渡渡金金属属离离子子和和稀稀土土离离子子为为了了制制造造彩彩色色玻玻璃璃，，要要在在玻玻璃璃中中有有控控制制的的专门掺入这些离子专门掺入这些离子1)1) 钴离子钴离子钴离子钴离子 钴钴在在玻玻璃璃中中主主要要以以Co2+状状态态存存在在，，它它在在玻玻璃璃结结构构中中的的配配位位状状态态主主要要是是CoO4四四面面体体，，使使玻玻璃璃显显蓝蓝色色利利用用钴钴的的蓝蓝色色可可以以制制造造透透蓝蓝紫紫色色和和部部分分紫紫外外线线的的蓝蓝紫紫色色玻玻璃璃在在硼硼硅硅酸酸盐盐玻玻璃璃中中引引入入卤卤化化物物时时，，钴钴离离子子与与卤卤化化物物结结合合形形成成绿绿色色的络合阴离子结构，制成的络合阴离子结构，制成蓝绿色玻璃蓝绿色玻璃2)2) 镍离子镍离子镍离子镍离子 镍镍在在玻玻璃璃中中以以Ni2+离离子子状状态态存存在在，，有有四四配配位位和和六六配配位位两两种种结结构构，，前前者者使使玻玻璃璃呈呈灰灰紫紫色色，，后后者者使使玻玻璃璃呈呈黄黄色色。

镍镍主主要用来制造透紫外而不透可见光的玻璃要用来制造透紫外而不透可见光的玻璃4. 4. 彩色玻璃和光致变色玻璃彩色玻璃和光致变色玻璃彩色玻璃和光致变色玻璃彩色玻璃和光致变色玻璃3)3) 铬离子铬离子铬离子铬离子 铬铬在在玻玻璃璃中中主主要要以以Cr3+和和Cr6+两两种种价价态态存存在在 Cr3+使使玻玻璃呈绿色，璃呈绿色，Cr6+使玻璃呈黄色使玻璃呈黄色 基基质质玻玻璃璃的的组组成成对对铬铬的的价价态态有有很很大大影影响响，，进进而而影影响响铬铬的颜色 在在碱碱性性较较强强的的玻玻璃璃中中，，例例如如钠钠钙钙硅硅玻玻璃璃和和铅铅玻玻璃璃中中铬铬倾倾向向于于以以Cr6+形形式式存存在在，，而而在在酸酸性性较较强强的的玻玻璃璃如如磷磷酸酸盐盐玻玻璃璃中中，，铬铬倾倾向向于于以以Cr3+形形式式存存在在B2O3的的加加入入使使铬铬的的颜颜色色加加深深采采用用氧氧化化性性强强的的原原料料，，在在充充分分氧氧化化的的条条件件下下，，低低的的熔制温度，可以得到以熔制温度，可以得到以Cr6+为主的黄色玻璃为主的黄色玻璃4. 4. 彩色玻璃和光致变色玻璃彩色玻璃和光致变色玻璃彩色玻璃和光致变色玻璃彩色玻璃和光致变色玻璃4)4) 钕离子钕离子钕离子钕离子 钕钕常常以以Nd3+状状态态存存在在于于玻玻璃璃中中。

与与其其它它稀稀土土离离子子一一样样，， Nd3+的的颜颜色色来来源源于于在在4f轨轨道道之之间间的的f－－f 跃跃迁迁，，不不同同于于过过渡渡金金属属离离子子的的d－－d跃跃迁迁吸吸收收4f轨轨道道被被外外层层5s25p6轨轨道道所所屏屏蔽蔽，，因因此此它它的的光光谱谱特特性性和和着着色色都都十十分分稳稳定定，，受受玻玻璃璃成成分分和和熔熔制制工工艺艺影影响响很很小小但但玻玻璃璃的的组组成成对对Nd3+着着色色也也有有影影响响，，随随碱碱金属或碱土金属离子半径的增大，金属或碱土金属离子半径的增大，Nd3+的吸收带变宽的吸收带变宽 钕钕玻玻璃璃是是重重要要的的固固体体激激光光材材料料，，在在绿绿光光(530nm)和和黄黄光光(586nm)部部分分有有强强烈烈的的吸吸收收峰峰，，因因此此它它具具有有特特殊殊的的双双色色性性(即即在在不不同同光光源源下下显显示示不不同同的的颜颜色色)，，但但其其主主调调颜颜色色为为紫紫红红色色，，常用作高级工艺玻璃常用作高级工艺玻璃4. 4. 彩色玻璃和光致变色玻璃彩色玻璃和光致变色玻璃彩色玻璃和光致变色玻璃彩色玻璃和光致变色玻璃氧化钕玻璃特性，在日光下显紫红色，在荧光下显蓝紫色。

氧化钕玻璃特性，在日光下显紫红色，在荧光下显蓝紫色 利利用用金金属属胶胶体体着着色色方方法法是是在在玻玻璃璃中中添添加加超超细细分分散散状状态态的的金金属属，，这这些些金金属属微微粒粒对对光光有有选选择择性性吸吸收收而而使使玻玻璃璃着着色色一一般般认认为为，，选选择择性性吸吸收收是是由由于于胶胶态态金金属属颗颗粒粒的的光光散散射射而而引引起起的的铜铜红红、、金金红红和和银银黄黄等等玻玻璃璃即即属属于于这这一一类类玻玻璃璃的的颜颜色色在在很很大大程程度度上上取取决决于于金金属属粒粒子子的的大大小小例例如如在在金金胶胶体体玻玻璃璃中中，，金金粒粒子子小小于于20nm，，玻玻璃璃呈呈弱弱黄黄色色，，20～～50nm为为红红色色，，50～～100nm为蓝色 实实现现金金属属胶胶体体着着色色的的方方法法是是先先将将这这些些金金属属元元素素以以离离子子方方式式溶溶解解于于玻玻璃璃熔熔体体中中，，通通过过还还原原或或热热处处理理使使这这些些金金属属离离子子以以原原子子状状态态存存在在，，然然后后再再进进一一步步使使金金属属原原子子聚聚集集长长大大，，成为粒径适当的胶体粒子，使玻璃着色。

成为粒径适当的胶体粒子，使玻璃着色5)5) 金属胶体金属胶体金属胶体金属胶体4. 4. 彩色玻璃和光致变色玻璃彩色玻璃和光致变色玻璃彩色玻璃和光致变色玻璃彩色玻璃和光致变色玻璃6)6) 光致变色玻璃光致变色玻璃光致变色玻璃光致变色玻璃 光光致致变变色色玻玻璃璃是是在在光光的的照照射射下下在在可可见见光光区区产产生生光光吸吸收收使使颜颜色色或或透透光光度度发发生生变变化化，，停停止止光光照照后后又又恢恢复复到到初初始始透透明明状状态态的的一一种种玻玻璃璃，，也也称称为为光光色色转转换换玻玻璃璃这这种种玻玻璃璃除除用用来来制制造造眼眼镜镜片片外外，，还还有有更更重重要要的的用用途途，，如如可可作作为为车车辆辆、、建建筑筑物物风风档档玻玻璃璃，，全全息息存存储储介介质质，，激激光光器器开开关关，，强强光光防防护护材材料料等卤化银和卤化银和Cu+离子是常用的着色剂离子是常用的着色剂 当当光光照照射射时时，，玻玻璃璃中中的的卤卤化化银银分分解解为为Ag和和Cl(Br, I)原原子子，，使使玻玻璃璃着着色色由由于于玻玻璃璃具具有有不不渗渗透透性性，，可可防防止止卤卤素素从从晶晶体体中中逸逸出出。

在在室室温温至至150oC左左右右的的温温度度下下，，光光分分解解产产生生的的银银也也不不能能在在玻玻璃璃中中进进行行扩扩散散因因此此停停止止照照射射后后分分解解产产生生的的银银和和卤素原子又重新结合恢复为无色的状态卤素原子又重新结合恢复为无色的状态 很很多多激激光光工工作作物物质质都都是是无无机机单单晶晶体体，，如如红红宝宝石石等等生生长长大大尺尺寸寸的的激激光光单单晶晶工工艺艺比比较较复复杂杂，，因因而而成成本本较较高高玻玻璃璃材材料料比比较较容容易易制制成成大大尺尺寸寸的的均均匀匀块块体体，，一一直直受受到到人人们们的的重重视与单晶激光物质相比，激光玻璃有一些独特的优点与单晶激光物质相比，激光玻璃有一些独特的优点：：5. 5. 功能玻璃材料功能玻璃材料功能玻璃材料功能玻璃材料1)1) 激光玻璃激光玻璃激光玻璃激光玻璃Ø玻璃的化学组成可以在很宽的范围内连续改变；玻璃的化学组成可以在很宽的范围内连续改变；Ø掺入玻璃中的激活离子的种类和数量限制较小掺入玻璃中的激活离子的种类和数量限制较小 硅硅酸酸盐盐、、硼硼酸酸盐盐及及磷磷酸酸盐盐等等各各种种玻玻璃璃都都可可以以作作为为激激光光基基质质玻玻璃璃。

钕钕激激活活的的硅硅酸酸盐盐玻玻璃璃使使用用最最为为广广泛泛，，其其组组成成大大致致为为SiO2摩摩尔尔分分数数65～～80％％，，碱碱金金属属约约5％％，，碱碱土土金金属属10～～20%，，Nd2O3 1～～2％％与与晶晶体体激激光光材材料料相相比比，，玻玻璃璃激激光光材材料的料的缺点是效率较低，单色性稍差缺点是效率较低，单色性稍差2)2) 光纤和光纤放大器玻璃光纤和光纤放大器玻璃光纤和光纤放大器玻璃光纤和光纤放大器玻璃 光光纤纤通通讯讯具具有有容容量量大大、、质质量量轻轻、、占占用用空空间间小小、、抗抗电电磁磁干干扰扰和和串串话话少少等等优优点点现现在在使使用用的的光光纤纤材材料料主主要要是是以以氧氧化化硅硅为为基基的的石石英英玻玻璃璃，，其其通通讯讯工工作作波波长长为为1.55 m(石石英英玻玻璃璃光光纤的最小的最小损耗波耗波长)，中继距离达到，中继距离达到50～～100km5. 5. 功能玻璃材料功能玻璃材料功能玻璃材料功能玻璃材料1)1) 激光玻璃激光玻璃激光玻璃激光玻璃5. 5. 功能玻璃材料功能玻璃材料功能玻璃材料功能玻璃材料 光光纤纤通通讯讯是是通通过过信信号号光光在在玻玻璃璃光光纤纤中中的的全全反反射射实实现现的的。

目目前前商商用用的的光光纤纤大大多多以以折折射射率率较较大大的的GeO2-P2O5-SiO2玻玻璃璃为为芯芯料料，，而而以以折折射射率率较较小小的的P2O5-B2O3-SiO2和和P2O5-F-SiO2玻玻璃璃为为包包层层制制备备光光纤纤的的重重要要一一点点是是得得到到高高纯纯材材料料，，主主要要是是降降低低过过渡渡金金属属离离子子和和羟羟基基的的含含量量，，这这样样有有利利于于降降低低材材料料的损耗2)2) 光纤和光纤放大器玻璃光纤和光纤放大器玻璃光纤和光纤放大器玻璃光纤和光纤放大器玻璃 制制备备方方法法，，使使用用SiCl4、、GeCl4和和POCl3等等氯氯化化物物为为前前驱驱体体，，通通过过气气相相沉沉积积法法制制成成光光纤纤预预制制棒棒，，最最后后通通过过拉拉制制得得到到光光纤纤在在气气相相沉沉积积过过程程中中，，使使氯氯化化物物气气体体通通过过甲甲烷烷-氧氧或或氢氢-氧氧焰焰进进行行火火焰焰除除水水形形成成氧氧化化物物微微粒粒，，同同时时使使其其部部分分烧烧结结成成为玻璃 光光纤纤通通讯讯中中，，光光信信号号在在传传播播中中会会有有一一定定的的衰衰减减，，需需要要在在传传递递一一段段距距离离后后对对其其进进行行放放大大。

以以往往采采取取的的方方法法是是先先把把光光信信号号转转换换成成电电信信号号，，对对电电信信号号进进行行放放大大，，然然后后再再把把电电信信号号转转换换成成光光信信号号继继续续传传输输，，使使系系统统极极为为复复杂杂，，运运行行成成本本高高，，稳稳定定性性不不理理想想近近来来发发展展了了掺掺稀稀土土离离子子(Pr3+，，Nd3+或或Er3+)玻玻璃璃光光纤纤放放大大器器，，实实现现了了光光信信号号直直接接放放大大，，对对长长距距离离光光纤纤通讯十分有利通讯十分有利 光光纤纤放放大大器器的的工工作作原原理理与与激激光光器器相相似似：：首首先先用用泵泵浦浦光光将将稀稀土土离离子子激激发发至至亚亚稳稳激激发发态态，，当当信信号号光光通通过过放放大大器器光光纤纤时，稀土离子发生受激辐射，使信号光得到放大时，稀土离子发生受激辐射，使信号光得到放大5. 5. 功能玻璃材料功能玻璃材料功能玻璃材料功能玻璃材料2)2) 光纤和光纤放大器玻璃光纤和光纤放大器玻璃光纤和光纤放大器玻璃光纤和光纤放大器玻璃 离离子子导导电电玻玻璃璃基基底底除除硅硅酸酸盐盐玻玻璃璃外外，，还还有有非非硅硅酸酸盐盐玻玻璃。

璃 如如Li+导导电电玻玻璃璃LiAlSiO4在在450oC下下，，电电导导率率为为5×10-2 S/cm；；Ag+导导电电玻玻璃璃Ag5I4BO3在在玻玻璃璃化化温温度度附附近近，，其其电电导导率率为为5×10-2S/cm 玻玻璃璃离离子子导导体体的的电电导导机机理理一一般般认认为为是是金金属属离离子子在在不不同同的的非桥氧位置的迁移所引起的非桥氧位置的迁移所引起的3)3) 离子导电玻璃离子导电玻璃离子导电玻璃离子导电玻璃5. 5. 功能玻璃材料功能玻璃材料功能玻璃材料功能玻璃材料玻璃材料作为离子导体具有很多优点：玻璃材料作为离子导体具有很多优点：3)3) 离子导电玻璃离子导电玻璃离子导电玻璃离子导电玻璃Ø非非晶晶态态本本身身就就是是高高缺缺陷陷结结构构，，从从而而其其中中有有充充分分的的空空位位可可供供载流子占据，对离子的迁移十分有利；载流子占据，对离子的迁移十分有利；Ø非非晶晶态态材材料料的的成成分分常常可可以以在在很很宽宽的的范范围围内内连连续续改改变变，，可可以以使人们通过改变组成来调整和改进材料的离子导电性能；使人们通过改变组成来调整和改进材料的离子导电性能；Ø非非晶晶态态材材料料的的宏宏观观性性质质是是各各向向同同性性和和均均匀匀性性，，克克服服了了陶陶瓷瓷材料中晶界和杂相的影响以及单晶材料的各向异性；材料中晶界和杂相的影响以及单晶材料的各向异性；Ø非非晶晶态态材材料料的的制制备备和和加加工工比比晶晶态态材材料料简简单单方方便便，，使使成成本本大大为降低。

为降低 缺缺缺缺点点点点：：：：离离离离子子子子导导导导电电电电玻玻玻玻璃璃璃璃和和和和普普普普通通通通玻玻玻玻璃璃璃璃一一一一样样样样是是是是热热热热力力力力学学学学不不不不稳稳稳稳定定定定体体体体系系系系，，，，容容容容易易易易发发发发生生生生自自自自发发发发晶晶晶晶化化化化有有有有些些些些材材材材料料料料在在在在空空空空气气气气中中中中不不不不稳稳稳稳定定定定，，，，容容容容易吸潮Thank you for your attentions!人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进L/O/G/O。