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非晶体（近程有序而长程无序的物质）

次浏览 | 更新时间：2023-05-22

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非晶体

近程有序而长程无序的物质

非晶体是指结构无序或者近程有序而长程无序的物质，组成物质的分子（或原子、离子）不呈空间有规则周期性排列的固体，它没有一定规则的外形。它的物理性质在各个方向上是相同的，叫“各向同性”。它没有固定的熔点，所以有人把非晶体叫做“过冷液体”或“流动性很小的液体”。玻璃体是典型的非晶体，所以非晶态又称为玻璃态。重要的玻璃体物质有：氧化物玻璃、金属玻璃、非晶半导体和高分子化合物。

非晶体没有固定的熔点，随着温度升高，物质首先变软，然后由稠逐渐变稀，成为流体，具有一定的熔点是一切晶体的宏观特性，也是晶体和非晶体的主要区别。

基本信息

中文名	非晶体
外文名	Amorphous solid
类型	物理学名词
典型物质	玻璃、石蜡、松香、沥青、塑料

基本性质

非晶体又称无定形体内部原子或分子的排列呈现杂乱无章的分布状态的固体称为非晶体。如玻璃、沥青、石蜡等。非晶态固体包括非晶态电介质、非晶态半导体、非晶态金属。它们有特殊的物理、化学性质。例如金属玻璃（非晶态金属）比一般（晶态）金属的强度高、弹性好、硬度和韧性高、抗腐蚀性好、导磁性强、电阻率高等。这使非晶态固体有多方面的应用。它是一个正在发展中的新的研究领域，得到迅速的发展。

晶体与非晶体之间在一定条件下可以相互转化。例如，把石英晶体熔化并迅速冷却，可以得到石英玻璃。将非晶半导体物质在一定温度下热处理，可以得到相应的晶体。可以说，晶态和非晶态是物质在不同条件下存在的两种不同的固体状态，晶态是热力学稳定态。

形成条件

热力学条件

熔融体是物质在熔化温度以上的一种高能量状态，随着温度的下降，根据熔体释放能量的大小不同，可以有三种冷却过程。

1、结晶化。熔体中的质点进行有序排列，释放出结晶潜热，系统在凝固过程中始终处于热力学平衡的能量最低状态。

2、玻璃化。质点的重新排列不能达到有序化程度，固态结构仍具有熔体远程无序的结构特点，系统在凝固过程中，始终处于热力学介稳状态。

3、分相。熔体在冷却过程中中，不再保持结构的统计均匀性，质点的迁移使系统发生组分偏聚，从而形成互补混溶并且组成不同的两个玻璃相，分相使系统的能量有所下降，但仍处于介稳态。

从热力学观点分析，非晶态物质总是有降低内能，向晶态转化的趋势。在一定条件下，通过析晶或分相放出能量，使系统处于低能量、更加稳定的状态。

结晶化学条件

形成玻璃要避免析晶，过冷度大，冷却速度快，防止成核并变大。

1、键参数。主要从结晶化学角度，根据原子参数或键参数的大小来说明物质形成非晶态的能力。

对于氧化物玻璃，一般认为是一种无规网络结构，从阳离子在构成这一无规网络结构中可能起的作用，把它们分成了三类：

第一类本身可以构成玻璃结构，称为玻璃网状形成体。如 B 、Si、Ge、P、Al；

第二类属于起调整作用的，称为网络调整体，如Pb；

第三类的作用在前两类之间。

这一分类与场强z/a（其中z为阳离子电荷，a 为正负离子间距 ) 、单键强度、负电性之间的关系如下图：

非晶体

定性地说，z/a、单键强度、负电性越大，形成玻璃能力越强。这一规律虽然主要是从氧化物玻璃形成的经验中总结出来的，但是对指导目前金属非晶态制备，也是有意义的。事实上，目前相当多的非晶态合金材料在掺入了如 Si、 P 之类元素之后更易于形成非晶态。

2、键型。化学键的特性是决定物质结构的主要因素，也是影响非晶态结构能否形成的主要因素。一般而言，具有极性共价键和半金属共价键的元素才能形成非晶态。

一般正负离子的电负性差值约在1.5~2.5之间，其中正离子有极强的极化力。单键强度>335kJ.mol-1的化合物，在能量上有利于形成底配位数的原子团结构如[SiO4]、[BO3]，这些原子团连接成链状、层状、或架状，熔融时黏度很大，冷却时分子团聚集成无规则网络，倾向于形成非晶态结构。

动力学条件

从结晶动力学理论出发的讨论，把非晶态的形成过程看成是成核率很小，或晶核长速度很小的过程，也就是直接把晶体长的成核、生长理论应用于非晶态的形成。

相互区别

本质区别

晶体有自范性，非晶体无自范性。

物理性质

晶体是内部质点在三维空间成周期性重复排列的固体，具有长程有序，并成周期性重复排列。

非晶体是内部质点在三维空间不成周期性重复排列的固体，具有近程有序，但不具有长程有序。外形为无规则形状的固体。

晶体有各向异性，非晶体多数是各向同性。晶体有固定的熔点，非晶体无固定的熔点，它的熔化过程中温度随加热不断升高。

微观结构

晶体和非晶体所以含有不同的物理性质，主要是由于它的微观结构不同。

组成晶体的微粒——原子是对称排列的，形成很规则的

非晶体

几何空间点阵；空间点阵排列成不同的形状，就在宏观上呈现为晶体不同的独特几何形状；组成点阵的各个原子之间，都相互作用着，它们的作用主要是静电力；对每一个原子来说，其他原子对它作用的总效果，使它们都处在势能最低的状态，因此很稳定，宏观上就表现为形状固定，且不易改变；晶体内部原子有规则的排列，引起了晶体各向不同的物理性质；如果外力沿平行晶面的方向作用，则晶体就很容易滑动（变形），这种变形还不易恢复，称为晶体的范性；从这里可以看出沿晶面的方向，其弹性限度小，只要稍加力，就超出了其弹性限度，使其不能复原，而沿其他方向则弹性限度很大，能承受较大的压力、拉力而仍满足虎克定律；当晶体吸收热量时，由于不同方向原子排列疏密不同，间距不同，吸收的热量多少也不同，于是表现为有不同的传热系数和膨胀系数。而非晶体一般没有这结构。

X射线衍射实验

当单一波长的X射线通过非晶体时，不会在记录仪上看到分立的斑点或明锐的谱线，而同一条件下摄取的晶体图谱中能看到分立的斑点或明锐的谱线。

X射线衍射实验

非晶体熔化

当晶体从外界吸收热量时，其内部分子、原子的平均动能增大，温度也开始升高，但并不破坏其空间点阵，仍保持有规则排列。继续吸热达到一定的温度——熔点时，其分子、原子运动的剧烈程度可以破坏其有规则的排列，空间点阵也开始解体，于是晶体开始变成液体。

在晶体从固体向液体的转化过程中，吸收的热量用来一部分一部分地破坏晶体的空间点阵，所以固液混合物的温度并不升高。当晶体完全熔化后，随着从外界吸收热量，温度又开始升高。而非晶体由于分子、原子的排列不规则，吸收热量后不需要破坏其空间点阵，只用来提高平均动能，所以当从外界吸收热量时，便由硬变软，最后变成液体。

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