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非晶體（近程有序而長程無序的物質(zhì)）

次瀏覽 | 更新時(shí)間：2023-05-22

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非晶體

近程有序而長程無序的物質(zhì)

非晶體是指結(jié)構(gòu)無序或者近程有序而長程無序的物質(zhì)，組成物質(zhì)的分子（或原子、離子）不呈空間有規(guī)則周期性排列的固體，它沒有一定規(guī)則的外形。它的物理性質(zhì)在各個(gè)方向上是相同的，叫“各向同性”。它沒有固定的熔點(diǎn)，所以有人把非晶體叫做“過冷液體”或“流動(dòng)性很小的液體”。玻璃體是典型的非晶體，所以非晶態(tài)又稱為玻璃態(tài)。重要的玻璃體物質(zhì)有：氧化物玻璃、金屬玻璃、非晶半導(dǎo)體和高分子化合物。

非晶體沒有固定的熔點(diǎn)，隨著溫度升高，物質(zhì)首先變軟，然后由稠逐漸變稀，成為流體，具有一定的熔點(diǎn)是一切晶體的宏觀特性，也是晶體和非晶體的主要區(qū)別。

基本信息

中文名	非晶體
外文名	Amorphous solid
類型	物理學(xué)名詞
典型物質(zhì)	玻璃、石蠟、松香、瀝青、塑料

基本性質(zhì)

非晶體又稱無定形體內(nèi)部原子或分子的排列呈現(xiàn)雜亂無章的分布狀態(tài)的固體稱為非晶體。如玻璃、瀝青、石蠟等。非晶態(tài)固體包括非晶態(tài)電介質(zhì)、非晶態(tài)半導(dǎo)體、非晶態(tài)金屬。它們有特殊的物理、化學(xué)性質(zhì)。例如金屬玻璃（非晶態(tài)金屬）比一般（晶態(tài)）金屬的強(qiáng)度高、彈性好、硬度和韌性高、抗腐蝕性好、導(dǎo)磁性強(qiáng)、電阻率高等。這使非晶態(tài)固體有多方面的應(yīng)用。它是一個(gè)正在發(fā)展中的新的研究領(lǐng)域，得到迅速的發(fā)展。

晶體與非晶體之間在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)化。例如，把石英晶體熔化并迅速冷卻，可以得到石英玻璃。將非晶半導(dǎo)體物質(zhì)在一定溫度下熱處理，可以得到相應(yīng)的晶體?？梢哉f，晶態(tài)和非晶態(tài)是物質(zhì)在不同條件下存在的兩種不同的固體狀態(tài)，晶態(tài)是熱力學(xué)穩(wěn)定態(tài)。

形成條件

熱力學(xué)條件

熔融體是物質(zhì)在熔化溫度以上的一種高能量狀態(tài)，隨著溫度的下降，根據(jù)熔體釋放能量的大小不同，可以有三種冷卻過程。

1、結(jié)晶化。熔體中的質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行有序排列，釋放出結(jié)晶潛熱，系統(tǒng)在凝固過程中始終處于熱力學(xué)平衡的能量最低狀態(tài)。

2、玻璃化。質(zhì)點(diǎn)的重新排列不能達(dá)到有序化程度，固態(tài)結(jié)構(gòu)仍具有熔體遠(yuǎn)程無序的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，系統(tǒng)在凝固過程中，始終處于熱力學(xué)介穩(wěn)狀態(tài)。

3、分相。熔體在冷卻過程中中，不再保持結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)均勻性，質(zhì)點(diǎn)的遷移使系統(tǒng)發(fā)生組分偏聚，從而形成互補(bǔ)混溶并且組成不同的兩個(gè)玻璃相，分相使系統(tǒng)的能量有所下降，但仍處于介穩(wěn)態(tài)。

從熱力學(xué)觀點(diǎn)分析，非晶態(tài)物質(zhì)總是有降低內(nèi)能，向晶態(tài)轉(zhuǎn)化的趨勢。在一定條件下，通過析晶或分相放出能量，使系統(tǒng)處于低能量、更加穩(wěn)定的狀態(tài)。

結(jié)晶化學(xué)條件

形成玻璃要避免析晶，過冷度大，冷卻速度快，防止成核并變大。

1、鍵參數(shù)。主要從結(jié)晶化學(xué)角度，根據(jù)原子參數(shù)或鍵參數(shù)的大小來說明物質(zhì)形成非晶態(tài)的能力。

對于氧化物玻璃，一般認(rèn)為是一種無規(guī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從陽離子在構(gòu)成這一無規(guī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中可能起的作用，把它們分成了三類：

第一類本身可以構(gòu)成玻璃結(jié)構(gòu)，稱為玻璃網(wǎng)狀形成體。如 B 、Si、Ge、P、Al；

第二類屬于起調(diào)整作用的，稱為網(wǎng)絡(luò)調(diào)整體，如Pb；

第三類的作用在前兩類之間。

這一分類與場強(qiáng)z/a（其中z為陽離子電荷，a 為正負(fù)離子間距 ) 、單鍵強(qiáng)度、負(fù)電性之間的關(guān)系如下圖：

非晶體

定性地說，z/a、單鍵強(qiáng)度、負(fù)電性越大，形成玻璃能力越強(qiáng)。這一規(guī)律雖然主要是從氧化物玻璃形成的經(jīng) 驗(yàn)中總結(jié)出來的，但是對指導(dǎo)目前金屬非晶態(tài)制備，也是有意義的。事實(shí)上，目前相當(dāng)多的非晶態(tài)合金材料在摻入了如 Si、 P 之類元素之后更易于形成非晶態(tài)。

2、鍵型?；瘜W(xué)鍵的特性是決定物質(zhì)結(jié)構(gòu)的主要因素，也是影響非晶態(tài)結(jié)構(gòu)能否形成的主要因素。一般而言，具有極性共價(jià)鍵和半金屬共價(jià)鍵的元素才能形成非晶態(tài)。

一般正負(fù)離子的電負(fù)性差值約在1.5~2.5之間，其中正離子有極強(qiáng)的極化力。單鍵強(qiáng)度>335kJ.mol-1的化合物，在能量上有利于形成底配位數(shù)的原子團(tuán)結(jié)構(gòu)如[SiO4]、[BO3]，這些原子團(tuán)連接成鏈狀、層狀、或架狀，熔融時(shí)黏度很大，冷卻時(shí)分子團(tuán)聚集成無規(guī)則網(wǎng)絡(luò)，傾向于形成非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。

動(dòng)力學(xué)條件

從結(jié)晶動(dòng)力學(xué)理論出發(fā)的討論，把非晶態(tài)的形成過程看成是成核率很小，或晶核長速度很小的過程，也就是直接把晶體長的成核、生長理論應(yīng)用于非晶態(tài)的形成。

相互區(qū)別

本質(zhì)區(qū)別

晶體有自范性，非晶體無自范性。

物理性質(zhì)

晶體是內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)在三維空間成周期性重復(fù)排列的固體，具有長程有序，并成周期性重復(fù)排列。

非晶體是內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)在三維空間不成周期性重復(fù)排列的固體，具有近程有序，但不具有長程有序。外形為無規(guī)則形狀的固體。

晶體有各向異性，非晶體多數(shù)是各向同性。晶體有固定的熔點(diǎn)，非晶體無固定的熔點(diǎn)，它的熔化過程中溫度隨加熱不斷升高。

微觀結(jié)構(gòu)

晶體和非晶體所以含有不同的物理性質(zhì)，主要是由于它的微觀結(jié)構(gòu)不同。

組成晶體的微?！邮菍ΨQ排列的，形成很規(guī)則的

非晶體

幾何空間點(diǎn)陣；空間點(diǎn)陣排列成不同的形狀，就在宏觀上呈現(xiàn)為晶體不同的獨(dú)特幾何形狀；組成點(diǎn)陣的各個(gè)原子之間，都相互作用著，它們的作用主要是靜電力；對每一個(gè)原子來說，其他原子對它作用的總效果，使它們都處在勢能最低的狀態(tài)，因此很穩(wěn)定，宏觀上就表現(xiàn)為形狀固定，且不易改變；晶體內(nèi)部原子有規(guī)則的排列，引起了晶體各向不同的物理性質(zhì)；如果外力沿平行晶面的方向作用，則晶體就很容易滑動(dòng)（變形），這種變形還不易恢復(fù)，稱為晶體的范性；從這里可以看出沿晶面的方向，其彈性限度小，只要稍加力，就超出了其彈性限度，使其不能復(fù)原，而沿其他方向則彈性限度很大，能承受較大的壓力、拉力而仍滿足虎克定律；當(dāng)晶體吸收熱量時(shí)，由于不同方向原子排列疏密不同，間距不同，吸收的熱量多少也不同，于是表現(xiàn)為有不同的傳熱系數(shù)和膨脹系數(shù)。而非晶體一般沒有這結(jié)構(gòu)。

X射線衍射實(shí)驗(yàn)

當(dāng)單一波長的X射線通過非晶體時(shí)，不會(huì)在記錄儀上看到分立的斑點(diǎn)或明銳的譜線，而同一條件下攝取的晶體圖譜中能看到分立的斑點(diǎn)或明銳的譜線。

X射線衍射實(shí)驗(yàn)

非晶體熔化

當(dāng)晶體從外界吸收熱量時(shí)，其內(nèi)部分子、原子的平均動(dòng)能增大，溫度也開始升高，但并不破壞其空間點(diǎn)陣，仍保持有規(guī)則排列。繼續(xù)吸熱達(dá)到一定的溫度——熔點(diǎn)時(shí)，其分子、原子運(yùn)動(dòng)的劇烈程度可以破壞其有規(guī)則的排列，空間點(diǎn)陣也開始解體，于是晶體開始變成液體。

在晶體從固體向液體的轉(zhuǎn)化過程中，吸收的熱量用來一部分一部分地破壞晶體的空間點(diǎn)陣，所以固液混合物的溫度并不升高。當(dāng)晶體完全熔化后，隨著從外界吸收熱量，溫度又開始升高。而非晶體由于分子、原子的排列不規(guī)則，吸收熱量后不需要破壞其空間點(diǎn)陣，只用來提高平均動(dòng)能，所以當(dāng)從外界吸收熱量時(shí)，便由硬變軟，最后變成液體。

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