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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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