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非晶體（近程有序而長程無序的物質）

次瀏覽 | 更新時間：2023-05-22

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非晶體

近程有序而長程無序的物質

非晶體是指結構無序或者近程有序而長程無序的物質，組成物質的分子（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。它的物理性質在各個方向上是相同的，叫“各向同性”。它沒有固定的熔點，所以有人把非晶體叫做“過冷液體”或“流動性很小的液體”。玻璃體是典型的非晶體，所以非晶態(tài)又稱為玻璃態(tài)。重要的玻璃體物質有：氧化物玻璃、金屬玻璃、非晶半導體和高分子化合物。

非晶體沒有固定的熔點，隨著溫度升高，物質首先變軟，然后由稠逐漸變稀，成為流體，具有一定的熔點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	物理學名詞
典型物質	玻璃、石蠟、松香、瀝青、塑料

基本性質

非晶體又稱無定形體內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、非晶態(tài)半導體、非晶態(tài)金屬。它們有特殊的物理、化學性質。例如金屬玻璃（非晶態(tài)金屬）比一般（晶態(tài)）金屬的強度高、彈性好、硬度和韌性高、抗腐蝕性好、導磁性強、電阻率高等。這使非晶態(tài)固體有多方面的應用。它是一個正在發(fā)展中的新的研究領域，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。將非晶半導體物質在一定溫度下熱處理，可以得到相應的晶體。可以說，晶態(tài)和非晶態(tài)是物質在不同條件下存在的兩種不同的固體狀態(tài)，晶態(tài)是熱力學穩(wěn)定態(tài)。

形成條件

熱力學條件

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

1、結晶化。熔體中的質點進行有序排列，釋放出結晶潛熱，系統(tǒng)在凝固過程中始終處于熱力學平衡的能量最低狀態(tài)。

2、玻璃化。質點的重新排列不能達到有序化程度，固態(tài)結構仍具有熔體遠程無序的結構特點，系統(tǒng)在凝固過程中，始終處于熱力學介穩(wěn)狀態(tài)。

3、分相。熔體在冷卻過程中中，不再保持結構的統(tǒng)計均勻性，質點的遷移使系統(tǒng)發(fā)生組分偏聚，從而形成互補混溶并且組成不同的兩個玻璃相，分相使系統(tǒng)的能量有所下降，但仍處于介穩(wěn)態(tài)。

從熱力學觀點分析，非晶態(tài)物質總是有降低內能，向晶態(tài)轉化的趨勢。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)。

結晶化學條件

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。主要從結晶化學角度，根據原子參數或鍵參數的大小來說明物質形成非晶態(tài)的能力。

對于氧化物玻璃，一般認為是一種無規(guī)網絡結構，從陽離子在構成這一無規(guī)網絡結構中可能起的作用，把它們分成了三類：

第一類本身可以構成玻璃結構，稱為玻璃網狀形成體。如 B 、Si、Ge、P、Al；

第二類屬于起調整作用的，稱為網絡調整體，如Pb；

第三類的作用在前兩類之間。

這一分類與場強z/a（其中z為陽離子電荷，a 為正負離子間距 ) 、單鍵強度、負電性之間的關系如下圖：

非晶體

定性地說，z/a、單鍵強度、負電性越大，形成玻璃能力越強。這一規(guī)律雖然主要是從氧化物玻璃形成的經驗中總結出來的，但是對指導目前金屬非晶態(tài)制備，也是有意義的。事實上，目前相當多的非晶態(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。化學鍵的特性是決定物質結構的主要因素，也是影響非晶態(tài)結構能否形成的主要因素。一般而言，具有極性共價鍵和半金屬共價鍵的元素才能形成非晶態(tài)。

一般正負離子的電負性差值約在1.5~2.5之間，其中正離子有極強的極化力。單鍵強度>335kJ.mol-1的化合物，在能量上有利于形成底配位數的原子團結構如[SiO4]、[BO3]，這些原子團連接成鏈狀、層狀、或架狀，熔融時黏度很大，冷卻時分子團聚集成無規(guī)則網絡，傾向于形成非晶態(tài)結構。

動力學條件

從結晶動力學理論出發(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、生長理論應用于非晶態(tài)的形成。

相互區(qū)別

本質區(qū)別

晶體有自范性，非晶體無自范性。

物理性質

晶體是內部質點在三維空間成周期性重復排列的固體，具有長程有序，并成周期性重復排列。

非晶體是內部質點在三維空間不成周期性重復排列的固體，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，非晶體多數是各向同性。晶體有固定的熔點，非晶體無固定的熔點，它的熔化過程中溫度隨加熱不斷升高。

微觀結構

晶體和非晶體所以含有不同的物理性質，主要是由于它的微觀結構不同。

組成晶體的微粒——原子是對稱排列的，形成很規(guī)則的

非晶體

幾何空間點陣；空間點陣排列成不同的形狀，就在宏觀上呈現(xiàn)為晶體不同的獨特幾何形狀；組成點陣的各個原子之間，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；晶體內部原子有規(guī)則的排列，引起了晶體各向不同的物理性質；如果外力沿平行晶面的方向作用，則晶體就很容易滑動（變形），這種變形還不易恢復，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；當晶體吸收熱量時，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和膨脹系數。而非晶體一般沒有這結構。

X射線衍射實驗

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

X射線衍射實驗

非晶體熔化

當晶體從外界吸收熱量時，其內部分子、原子的平均動能增大，溫度也開始升高，但并不破壞其空間點陣，仍保持有規(guī)則排列。繼續(xù)吸熱達到一定的溫度——熔點時，其分子、原子運動的劇烈程度可以破壞其有規(guī)則的排列，空間點陣也開始解體，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陣，所以固液混合物的溫度并不升高。當晶體完全熔化后，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陣，只用來提高平均動能，所以當從外界吸收熱量時，便由硬變軟，最后變成液體。

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