无机材料科学基础习题库

无机材料科学基础试卷

一、名词解释（20分）（8*2.5分）

点群、晶子假说、正尖晶石、网络变性剂、液相独立析晶、本征扩散、二级相变、液相烧结

二、问答题（70分）

1、试写出少量MgO掺杂到A1

2O

3

中和少量YF

3

掺杂到CaF

2

中的缺陷反应方

程与对应的固溶式。（7分）

2、试比较杨德尔方程和金斯特林格方程的优缺点及其适用条件。（8分）

3、MoO

3和CaCO

3

反应时，反应机理受到CaCO

3

颗粒大小的影响。当MoO

3

：

CaCO

3＝1：1，MoO

3

的粒径r

1

为0.036mm，CaCO

3

的粒径r

2

为0.13mm时，

反应是扩散控制的；而当CaCO

3：MoO

3

＝15：1，r

2

＜0.03mm时，反应

由升华控制，试解释这种现象。（7分）

4、什么是润湿？改善润湿的方法有那些？（8分）

5、为什么等轴晶系有原始、面心、体心格子，而没有单面心格子？（4分）

6、二次再结晶与晶粒生长有何异同？生产中避免二次再结晶的方法有哪些？

（6分）

7、说明高岭石和蒙脱石的结构特点，并解释为什么蒙脱石具有膨胀性和高的阳离子交换容量，而高岭石则不具有膨胀性、阳离子交换容量也很低。（10分）

8、相图分析（20分）

右图为生成一个三元化合物的三元相图，

（1）判断三元化合物D的性质，说明理由？

（2）标出边界曲线的温降方向

（转熔界限用双箭头）；

（3）指出无变量点的性质（E、F、G）；

（4）分析点M1，M2的结晶路程；

(5) 计算M

2

点液相刚到结晶结束点

和结晶结束后各相的含量。

三、计算题（10分）

在制造透明Al

2O

3

材料时，原始粉料粒度为2μm，烧结至最高温度保

温半小时，测得晶粒尺寸为10μm，试问保温2小时，晶粒尺寸多大？为

抑制晶粒生长加入0.1％MgO，此时若保温2小时，晶粒尺寸又有多大？

无机材料科学基础试卷一答案及评分标准

一、名词解释（20分）（8*2.5分）

点群、晶子假说、正尖晶石、网络变性剂、液相独立析晶、本征扩散、二级相变、液相烧结

点群：又名对称型，是指宏观晶体中对称要素的集合。

晶子假说：苏联学者列别捷夫提出晶子假说，他认为玻璃是高分散晶体（晶子）的结合体，硅酸盐玻璃的晶子的化学性质取决于玻璃的化学组成，玻璃的结构特征为微不均匀性和近程有序性。

正尖晶石；二价阳离子分布在1／8四面体空隙中，三价阳离子分布在l／2八面体空隙的尖晶石。

网络变性剂：单键强度＜250KJ/mol。这类氧化物不能形成玻璃，但能改变网络结构，从而使玻璃性质改变。

液相独立析晶：是在转熔过程中发生的，由于冷却速度较快，被回收的晶相有可能会被新析出的固相包裹起来，使转熔过程不能继续进行，从而使液相进行另一个单独的析晶过程，就是液相独立析晶。

本征扩散：是指空位来源于晶体结构中本征热缺陷而引起质点的迁移。

二级相变：相变时两相化学势相等，其一级偏微商也相等，但二级偏微商不等的称为二级相变。

液相烧结：凡有液相参加的烧结过程称为液相烧结。

二、问答题（70分）

1、试写出少量MgO掺杂到A12O3中和少量YF3掺杂到CaF2中的缺陷反应方程与对应的固溶式。（7分）

解：少量MgO掺杂到A12O3中缺陷反应方程及固溶式为：

，（3.5分）少量YF3掺杂到CaF2中缺陷反应方程及固溶式如下：

，（3.5分）

2、试比较杨德尔方程和金斯特林格方程的优缺点及其适用条件。（8分）

答：杨德尔方程在反应初期具有很好的适应性，但杨氏模型中假设球形颗粒反应截面积始终不变，因而只适用反应初期转化率较低的情况。（4分）而金氏模型中考虑在反应进程中反应截面积随反应进程变化这一事实，因而金氏方程适用范围更广，可以适合反应初、中期。两个方程都只适用于稳定扩散的情况。（4分）3、MoO3和CaCO3反应时，反应机理受到CaCO3颗粒大小的影响。当MoO3 ：CaCO3＝1：

1，MoO3的粒径r1为0.036mm，CaCO3的粒径r2为0.13mm时，反应是扩散控制的；

而当CaCO3：MoO3＝15：1，r2＜0.03mm时，反应由升华控制，试解释这种现象。

（7分）

答：当MoO3的粒径r1为0.036mm，CaCO3的粒径r2为0.13mm时, CaCO3颗粒大于MoO3，由于产物层较厚，扩散阻力较大，反应由扩散控制，反应速率随着CaCO3颗粒度减小而加速，（3.5分）当r2

4、什么是润湿？改善润湿的方法有那些？（8分）

答：润湿：固体与液体接触后，体系（固体+液体）的吉布斯自由能降低时，就称润湿。（2分）

改善润湿的方法有：①降低γSL S、V 两相组成尽量接近；（1.5分）

②降低γLV在液相中加表面活性剂；（1.5分）

③提高γSV去除固体表面吸附膜；（1.5分）

④改变粗糙度。（1.5分）

5、为什么等轴晶系有原始、面心、体心格子，而没有单面心格子？（4分）

答：因为从结构分布看，单面心格子不符合立方格子所固有的4L3的对称性。（4分）6、二次再结晶与晶粒生长有何异同？生产中避免二次再结晶的方法有哪些？（6分）答：相同点:（1）两者推动力均为界面两侧质点的吉布斯自由能之差；（2）进行方式都是通过界面迁移。（1分）

不同点：（1）前者是个别晶粒异常生长，后者是晶粒尺寸均匀生长；（2）前者气孔被包裹到晶粒内部，后者气孔维持在晶界交汇处。（2分）

生产中避免二次再结晶的方法有：（1）合理选择原料的细度，提高粉料粒度的均匀性；（2）控制温度；（3）引入添加剂。（3分）

7、说明高岭石和蒙脱石的结构特点，并解释为什么蒙脱石具有膨胀性和高的阳离子

交换容量，而高岭石则不具有膨胀性、阳离子交换容量也很低。（10分）

答：高岭石的阳离子交换容量较小，而蒙脱石的阳离子交换容量较大。因为高岭石是1:1型结构，离子的取代很少，单网层与单网层之间以氢键相连，氢键强于范氏键，水化阳离子不易进入层间，因此阳离子交换容量较小。（5分）而蒙脱石是为2:1型结构，铝氧八面体层中大约1/3的Al3+被Mg2+取代，为了平衡多余的负电价，在结构单位层之间有其它阳离子进入，而且以水化阳离子的形式进人结构。水化阳离子和硅氧四面体中O2-离子的作用力较弱，因而，这种水化阳离子在一定条件下容易被交换出来。C轴可膨胀以及阳离子交换容量大，是蒙脱石结构上的特征。（5分）

8、相图分析（20分）

右图为生成一个三元化合物的三元相图，

(1)判断三元化合物D的性质，说明理由？

不一致熔融三元化合物，因其组成点不在其初晶区内。（2分）

(2)标出边界曲线的温降方向（转熔界限用双箭头）；

见图（3分）

(3)指出无变量点的性质（E、F、G）；（3分）

E ：单转熔点

F ：低共溶点

G ：单转熔点

(4)分析点M1，M2的结晶路程；（6分）

(5)计算M2点液相刚到结晶结束点和结晶结束后各相的含量。

M2点液相刚到结晶结束点时存在C、D、液相L

L%= fM2/Ff C%=（FM2/Ff）（Df/DC） D%=（FM2/Ff）（Cf/DC）（3

分）

结晶结束后存在A、D、C，各相的含量过M2点作平行线或用双线法求得，

C%=Ag A%=Ch D%=gh （3分）

四、计算题（10分）

在制造透明Al2O3材料时，原始粉料粒度为2μm，烧结至最高温度保温半小时，

测得晶粒尺寸为10μm，试问保温2小时，晶粒尺寸多大？为抑制晶粒生长加入0.1％

MgO，此时若保温2小时，晶粒尺寸又有多大？

解：（1）G2-G02=kt 102-22 =k.0.5 得k＝192

G2-22=192*2 G≈20μm （4分）

(2) G3-G03=kt k=1984

G3 –8=1984*2 G≈15.84μm （4分

无机材料科学基础试卷二

一、名词解释（20分）（8*2.5分）

刃位错、类质同晶、对称型、弗伦克尔缺陷、均匀成核、不稳定扩散、一

致熔融化合物、二次再结晶

二、问答题（70分）

1、说明熔体中聚合物形成过程？从结构上来说明在SiO

2熔体中随着Na

2

O

加入量的不同，熔体粘度、形成玻璃能力如何变化，为什么? （6分）2、用NaCl和NH

4

Cl分别稀释同一种黏土泥浆，当电解质加入量相同时，试比较两种泥浆下列性质的差异。（6分）

（1）泥浆的流动性（2）泥浆的触变性（3）泥浆的可塑性（4）坯体的致密度（5）黏土的ζ电位（6）泥浆的流动性

3、硅酸盐晶体结构分类依据是什么？可分为哪几类，每类的结构特点是什么？（9分）

4、对比不稳分解和均匀成核成长这两种相变过程。讨论热力学和动力学特性以及过冷度和时间对产物组织的影响。如何用实验方法区分这两种过程？在玻璃工业中，分相有何作用？请举例说明。（9分）

5、在硅酸盐晶体结构中，[SiO

4

]四面体或孤立存在，或共顶存连接，而不共棱更不共面，解释之。（6分）

6、如果NiO和Cr

2O

3

球形颗粒之间反应生成NiCr

2

O

4

是通过产物层扩散进行

的，请回答：（1）若1300℃，D

Cr3+>>D

Ni2+

>D

O2-

，控制NiCr

2

O

4

生成速率的扩

散是哪一种离子的扩散？为什么？

（2）试分析早期的这一反应转化率G-t关系应符合哪一个动力学方程？（6分）

7、在扩散传质的烧结过程中，使坯体致密的推动力是什么？哪些方法可促进烧结？说明原因。（8分）

8、下图为CaO-A12O3-SiO2系统的富钙部分相图，对于硅酸盐水泥的生产有一定的参考价值。试：

（1）画出有意义的付三角形；

（2）用单、双箭头表示界线的性质；

（3）说明F、H、K三个化合物的性质和写出各点的相平衡式；

（4）分析M#熔体的冷却平衡结晶过程并写出相变式；

（5）并说明硅酸盐水泥熟料落在小圆圈内的理由；

（6）为何在缓慢冷却到无变量点K（1455℃）时再要急剧冷却到室温？（20分）

三、计算题（10分）

在KCl晶体中掺入10-5mo1％CaCl

2

，低温时KCl中的K+离子扩散以非本征扩散为主，试回答在多高温度以上，K+离子扩散以热缺陷控制的本征

扩散为主？（KCl的肖特基缺陷形成能ΔH

s

=251kJ/mol，R=8.314J/mo1·K）。

无机材料科学基础试卷二标准答案及评分标准

一、名词解释（20分）（8*2.5分）

刃位错、类质同晶、对称型、弗伦克尔缺陷、均匀成核、不稳定扩散、一致熔融化合物、二次再结晶

刃位错：柏格斯矢量与位错线垂直的位错。

类质同晶：物质结晶时，其晶体结构中本应由某种离子或原子占有的配位位置，一部分被介质中性质相似的它种离子或原子占有，共同结晶成均匀的呈单一相的混合晶体，但不引起键性或晶体结构型式发生质变的现象称为类质同晶。

对称型，是指宏观晶体中对称要素的集合。

弗伦克尔缺陷：正常晶格上的原子进入晶格间隙形成填隙原子，在原来的位置上形成空位。

均匀成核：晶核从均匀的单相熔体中产生的过程。

不稳定扩散：扩散物质在扩散层dx内的浓度随时间而变化，即dc/dt≠0。这种扩散称为不稳定扩散

一致熔融化合物：是一种稳定的化合物。它与正常的纯物质一样具有固定的熔点，熔化时，所产生的液相与化合物组成相同，故称一致熔融化合物。

二次再结晶：少数巨大晶粒在细晶消耗时成核长大过程。

四、问答题（70分）

1、说明熔体中聚合物形成过程？从结构上来说明在SiO2熔体中随着Na2O加入

量的不同，熔体粘度、形成玻璃能力如何变化，为什么? （6分）

答：熔体中聚合物形成分三个阶段。初期：主要是石英颗粒的分化；中期：缩聚并伴随变形；后期：在一定时间和一定温度下，聚合和解聚达到平衡。（3分）在SiO2熔体中随着Na2O加入量的增加，分化的不断进行，熔体中高聚合度的聚合物的含量不断减少，低聚合度的聚合物的含量不断增加，导致熔体粘度降低、形成玻璃能力下降。（3分）

2、用NaCl和NH4Cl分别稀释同一种黏土泥浆，当电解质加入量相同时，试比较两

种泥浆下列性质的差异。（6分）

（1）泥浆的流动性（2）泥浆的触变性（3）泥浆的可塑性

（4）坯体的致密度（5）黏土的ζ电位（6）泥浆的流动性

答：（1）泥浆的流动性 NaCl> NH4Cl

（2）泥浆的触变性 NaCl< NH4Cl

（3）泥浆的可塑性 NaCl< NH4Cl

（4）坯体的致密度 NaCl> NH4Cl

（5）黏土的ζ电位 NaCl> NH4Cl

（6）泥浆的流动性 NaCl> NH4Cl

3、硅酸盐晶体结构分类依据是什么？可分为哪几类，每类的结构特点是什么？（9分）

答：硅酸盐晶体结构分类依据是：结构中硅氧四面体的连接方式。（1.5分）可分为岛状：硅氧四面体孤立存在；（1.5分）组群状：硅氧四面体以两个、三个、四个或六个，通过共用氧相连成硅氧四面体群体，群体之间由其它阳离子连接；（1.5分）链状：硅氧四面体通过共用氧相连，在一维方向延伸成链状，链与链之间由其它阳离子连接；（1.5分）层状：硅氧四面体通过三个共用氧在两维平面内延伸成硅氧四面体层；（1.5分）架状：每个硅氧四面体的四个顶角都与相邻的硅氧四面体共顶，形成三维空间结构。（1.5分）

4、对比不稳分解和均匀成核成长这两种相变过程。讨论热力学和动力学特性以及过

冷度和时间对产物组织的影响。如何用实验方法区分这两种过程？在玻璃工业中，分相有何作用？请举例说明。（9分）

答：不稳分解：在此区域内，液相会自发分相，不需要克服热力学势垒；无成核-长大过程，分相所需时间极短，第二相组成随时间连续变化。在不稳分解分相区内，随着温度的降低、时间的延长，析出的第二相在母液中相互贯通，形成蠕虫状结构。（4分）

成核-生成：在此区域内，在热力学上，系统对微小的组成起伏是亚稳的，形成新相需要做功，即存在成核势垒，新相形成如同结晶过程的成核-长大机理，分相所需时间长，分出的第二相组成不随时间变化。随着温度的降低、时间的延长，析出的第二相在母液中逐渐长大，形成孤立球状结构。

用TEM观察分相以后形貌，若两相无明显的连续性，第二相呈孤立球状，则为成核-生长分相；若两相形成互相交织的"蠕虫状"，则为不稳分解相变过程。（4分）

在玻璃工业中，利用玻璃分相可以改进结构和玻璃性能，制备新型玻璃。例如通过硼硅酸盐玻璃分相制备微孔玻璃、高硅氧玻璃，通过分相促进锂铝硅微晶玻璃的核化和晶化，通过磷硅酸盐玻璃的分相制备乳浊玻璃等。（1分）

5、在硅酸盐晶体结构中，[SiO4]四面体或孤立存在，或共顶存连接，而不共棱更不

共面，解释之。（6分）

答：根据鲍林规则，高电价低配位的阳离子与阴离子形成的配位多面体以共棱，特别是共面方式存在时，结构的稳定性降低。在硅酸盐晶体结构中，[SiO4]四面体以共棱、共面方式相连时，中心阳离子间距较孤立存在或共顶存连接时小，中心阳离子间的斥力大，尤其是共面时斥力更大，结构不稳定，因此在硅酸盐晶体结构中，[SiO4]四面体或孤立存在，或共顶存连接，而不共棱更不共面。（6分）

6、如果NiO和Cr2O3球形颗粒之间反应生成NiCr2O4是通过产物层扩散进行的，请回答：（1）若1300℃，D Cr3+>>D Ni2+>D O2-，控制NiCr2O4生成速率的扩散是哪一种离子的扩散？为什么？

（2）试分析早期的这一反应转化率G-t关系应符合哪一个动力学方程？（6分）答：（1）控制NiCr2O4生成速率的扩散是Ni2+离子。因为NiO与Cr2O3主要阳离子经过产物层的逆向扩散生成NiCr2O4。而D Cr3+>>D Ni2+>D O2，Cr3+扩散速度快，而Ni2+扩散速度慢。（4分）

（2）这一反应早期转化率与时间之间的关系应符合杨德尔方程[1-(1-G)1/3]2=K J t。（2分）

7、在扩散传质的烧结过程中，使坯体致密的推动力是什么？哪些方法可促进烧结？说明原因。（8分）

答：在扩散传质的烧结过程中，系统内不同部位（颈部、颗粒接触点、颗粒内部）空位浓度不同，导致原子或质点由颗粒接触点向颈部迁移，填充到气孔中。因此使坯体致密化的推动力是空位浓度差。（4分）

对于扩散传质：（1）控制原料的起始粒度非常重要，颗粒细小的原料可促进烧结，因为颈部增长速率x/r与原料起始粒度r的3/5次方成反比；（2）温度对烧结过程有决定性作用，扩散系数与温度呈指数关系，因此提高温度可加速烧结。（4分）8、下图为CaO-A12O3-SiO2系统的富钙部分相图，对于硅酸盐水泥的生产有一定的参考价值。试：

1、画出有意义的付三角形；

2、用单、双箭头表示界线的性质；

3、说明F、H、K三个化合物的性质和写出各点的相平衡式；

4、分析M#熔体的冷却平衡结晶过程并写出相变式；

5、并说明硅酸盐水泥熟料落在小圆圈内的理由；

6、为何在缓慢冷却到无变量点K（1455℃）时再要急剧冷却到室温？（20分）解：1、如图所示；（1.5分）

2、如图所示；（4分）

3、F点低共熔点，LF→C3A+C12A7+C2S（1.5分）

H点单转熔点，LH+CaO→C3A+C3S（1.5分）

K点单转熔点，LK+C3S→C3A+C2S（1.5分）

4、M点：

L→C2S L→C2S+C3S L+C2S→C3S

液：M---→a--------→y---------→K始(LK+C3S→C2S+C3A)→K终

f=2 f=1 f=1 f=0

C2S C2S+C3S C2S+C3S C2S+C3S+C3A

固：D---→D----→b----→d---------→M（4分）

5、因为硅酸盐水泥熟料中三个主要矿物是C3S、C2S、C3A。根据三角形规则，只有当组成点落在C3S-C2S-C3A付三角形中，烧成以后才能得到这三种矿物。从早期强度和后期强度、水化速度、矿物的形成条件等因素考虑，水泥熟料C3S的含量应当最高，C2S次之，C3A最少。根据杠杆规则，水泥熟料的组成点应当位于C3S-C2S-C3A 付三角形中小圆圈内。（3分）

6、因为缓慢冷却到K点，可以通过转熔反应L+C2S→C3S得到尽可能多的C3S。到达K点后，急剧冷却到室温，可以（1）防止C3S含量降低，因为K点的转熔反应LK+C3S→C2S+C3A；（2）使C2S生成水硬性的β-C2S，而不是非水硬性的γ-C2S；（3）液相成为玻璃相，可以提高熟料的易磨性。（3分）

五、计算题（10分）

在KCl晶体中掺入10-5mo1％CaCl2，低温时KCl中的K+离子扩散以非本征扩散为主，试回答在多高温度以上，K+离子扩散以热缺陷控制的本征扩散为主？（KCl的肖特基缺陷形成能ΔH s=251kJ/mol，R=8.314J/mo1·K）

解：在KCl晶体中掺入10-5mo1％CaCl2，缺陷方程为：

则掺杂引起的空位浓度为（5分）

欲使扩散以热缺陷为主，则

即

即

解得T>936.5K （5分）

无机材料科学基础试卷三

一、名词解释（20分）（8*2.5分）

空间群、无规则网络假说、反型尖晶石、网络形成剂、液相独立析晶、非本征扩散、一级相变、固相烧结

二、问答题（ 70 分）

1、简述硅酸盐晶体结构分类的原则和各类结构中硅氧四面体的形状。（9

分）

2、试述B

2O

3

中加入Na

2

O后,结构发生的变化,解释硼酸盐玻璃的硼反常现

象？（7分）

3、用KCl和CaCl

2

分别稀释同一种黏土泥浆，当电解质加入量相同时，试比较两种泥浆下列性质的差异。（6分）

（1）泥浆的流动性（2）泥浆的触变性（3）泥浆的可塑性（4）坯体的致密度（5）黏土的ζ电位（6）泥浆的稳定性

4、二次再结晶与晶粒生长有何异同？生产中避免二次再结晶的方法有哪些？（7分）

5、在硅酸盐晶体结构中， [SiO

4

]四面体或孤立存在，或共顶连接，而不共棱，更不共面，解释之。（6分）

6、MoO

3和CaCO

3

反应时，反应机理受到CaCO

3

颗粒大小的影响。当MoO

3

：

CaCO

3＝1：1，MoO

3

的粒径r

1

为0.036mm，CaCO

3

的粒径r

2

为0.13mm时，反

应是扩散控制的；而当CaCO

3：MoO

3

＝15：1，r

2

＜0.03mm时，反应由升华

控制，试解释这种现象。（7分）

7、用图例说明过冷度对核化、晶化速率和晶粒尺寸等的影响，如无析晶区又要使其析晶应采取什么措施？要使自发析晶能力大的熔体形成玻璃应采取什么措施？（8分）

8、下图为CaO-A12O3-SiO2系统的富钙部分相图，对于硅酸盐水泥的生产有一定的参考价值。试：

（1）画出有意义的付三角形；

（2）用单、双箭头表示界线的性质；

（3）说明F、H、K三个化合物的性质和写出各点的相平衡式；

（4）分析M#熔体的冷却平衡结晶过程并写出相变式；

（5）并说明硅酸盐水泥熟料落在小圆圈内的理由；

（6）为何在缓慢冷却到无变量点K（1455℃）时再要急剧冷却到室温？（20分）

三、计算题（10分）

在CaF

2

晶体中，肖特基缺陷的生成能为5.5ev，计算在1600℃时热缺

陷的浓度。如果CaF

2晶体中，含有百万分之一的YF

3

杂质，则在1600℃时

CaF

2

晶体中是热缺陷占优势还是杂质缺陷占优势？（玻尔兹曼常数k=1.38×10-23、电子的电荷e=1.602×10-19）

无机材料科学基础试卷三标准答案及评分标准

一、名词解释（20分）（8*2.5分）

空间群、无规则网络假说、反型尖晶石、网络形成剂、液相独立析晶、非本征扩散、一级相变、固相烧结

空间群：空间群：指在一个晶体结构中所存在的一切对称要素的集合。它由两部分组成，一是平移轴的集合（也就是平移群），另外是除平移轴之外的所有其他对称要素的集合（与对称型相对应）。

无规则网络假说：凡是成为玻璃态的物质和相应的晶体结构一样，也是由一个三度空间网络所构成。这种网络是由离子多面体（三角体或四面体）构筑起来的。晶体结构网是由多面体无数次有规律重复构成，而玻璃中结构多面体的重复没有规律性。

反型尖晶石：二价阳离子分布在八面体空隙中，三价阳离子一半在四面体空隙中，另一半在八面体空隙中的尖晶石。

网络形成剂：这类氧化物单键强度大于335KJ/mol，其正离子为网络形成离子，可

单独形成玻璃。

网络形成剂：这类氧化物单键强度大于335KJ/mol，其正离子为网络形成离子，可单独形成玻璃。

液相独立析晶：是在转熔过程中发生的，由于冷却速度较快，被回收的晶相有可能会被新析出的固相包裹起来，使转熔过程不能继续进行，从而使液相进行另一个单独的析晶过程，就是液相独立析晶。

非本征扩散：空位来源于掺杂而引起的质点迁移。

一级相变：体系由一相变为另一相时，如两相的化学势相等但化学势的一级偏微商(一级导数)不相等的称为一级相变

固相烧结：固态粉末在适当的温度、压力、气氛和时间条件下，通过物质与气孔之间的传质，变为坚硬、致密烧结体的过程。

二、问答题（ 70 分）

3、简述硅酸盐晶体结构分类的原则和各类结构中硅氧四面体的形状。（9分）

答：硅酸盐晶体结构分类的原则：结构中硅氧四面体的连接方式。（1.5分）各类结构中硅氧四面体的形状：岛状结构：四面体；组群状结构；（1.5分）双四面体、三节环、四节环和六节环；（1.5分）链状结构：单链、双链；（1.5分）层状结构：平面层；（1.5分）架状结构：三维空间延伸的骨架。（1.5分）

4、试述B2O3中加入Na2O后,结构发生的变化,解释硼酸盐玻璃的硼反常现象？（7

分）

答、B2O3中加入Na2O后, Na2O所提供的氧使[BO3]三角体变成[BO4]四面体，导致B2O3玻璃结构由两度空间的层状结构部分转变为三维的架状结构，从而加强了网络，并使玻璃的各种物理性质变好，这与相同条件下的硅酸盐玻璃相比，其性质随R2O或RO加入量的变化规律相反，出现硼酸盐玻璃的硼反常现象。（7分）

3、用KCl和CaCl2分别稀释同一种黏土泥浆，当电解质加入量相同时，试比较两种

泥浆下列性质的差异。（6分）

（1）泥浆的流动性（2）泥浆的触变性（3）泥浆的可塑性

（4）坯体的致密度（5）黏土的ζ电位（6）泥浆的稳定性（1）泥浆的流动性 KCl >CaCl2（1分）

（2）泥浆的触变性 KCl < CaCl2（1分）

（3）泥浆的可塑性 KCl l< CaCl2（1分）

（4）坯体的致密度 KCl > CaCl2 （1分）

（5）黏土的ζ电位 KCl l> N CaCl2 （1分）

（6）泥浆的稳定性 KCl >CaCl2（1分）

4、二次再结晶与晶粒生长有何异同？生产中避免二次再结晶的方法有哪些？（7分）答：相同点:（1）两者推动力均为界面两侧质点的吉布斯自由能之差；（2）进行方式都是通过界面迁移。（2分）

不同点：（1）前者是个别晶粒异常生长，后者是晶粒尺寸均匀生长；（2）前者气孔被包裹到晶粒内部，后者气孔维持在晶界交汇处。（2分）

生产中避免二次再结晶的方法有：（1）合理选择原料的细度，提高粉料粒度的均匀性；（2）控制温度；（3）引入添加剂。（3分）

5、在硅酸盐晶体结构中， [SiO4]四面体或孤立存在，或共顶连接，而不共棱，更

不共面，解释之。（6分）

答：在硅酸盐晶体结构中， [SiO4]四面体中的Si4+是高电价低配位的阳离子，以共棱、共面方式存在时，两个中心阳离子（Si4+）间距离较近、排斥力较大，所以不稳定，而孤立存在，或共顶连接。（6分）

6、MoO3和CaCO3反应时，反应机理受到CaCO3颗粒大小的影响。当MoO3 ：CaCO3＝1：

1，MoO3的粒径r1为0.036mm，CaCO3的粒径r2为0.13mm时，反应是扩散控制的；而当CaCO3：MoO3＝15：1，r2＜0.03mm时，反应由升华控制，试解释这种现象。（7分）

答：当MoO3的粒径r1为0.036mm，CaCO3的粒径r2为0.13mm时, CaCO3颗粒大于MoO3，由于产物层较厚，扩散阻力较大，反应由扩散控制，反应速率随着CaCO3颗粒度减小而加速，（3.5分）当r2

7、用图例说明过冷度对核化、晶化速率和晶粒尺寸等的影响，如无析晶区又要使其析晶应采取什么措施？要使自发析晶能力大的熔体形成玻璃应采取什么措施？（8分）

答：过冷度过大或过小对成核与生长速率均不利，只有在一定过冷度下才能有最大成核和生长速率，如下图。（4分）

若ΔT大，控制在成核率较大处析晶，易得晶粒多而尺寸小的细晶；（1分）若ΔT小，控制在生长速率较大处析晶则容易获得晶粒少而尺寸大的粗晶；（1分）如果成核与生长两曲线完全分开而不重叠，则无析晶区，该熔体易形成玻璃而不易析晶；若要使其在一定过冷度下析晶，一般采用移动成核曲线的位置，使它向生长曲线靠拢。可以用加人适当的核化剂，使成核位垒降低，用非均匀成核代替均匀成核。使两曲线重叠而容易析晶。（1分）

要使自发析晶能力大的熔体形成玻璃，采取增加冷却速度以迅速越过析晶区的方法，使熔体来不及析晶而玻璃化。（1分）

8、下图为CaO-A12O3-SiO2系统的富钙部分相图，对于硅酸盐水泥的生产有一定的参考价值。试：

（1）画出有意义的付三角形；

（2）用单、双箭头表示界线的性质；

（3）说明F、H、K三个化合物的性质和写出各点的相平衡式；

（4）分析M#熔体的冷却平衡结晶过程并写出相变式；

（5）并说明硅酸盐水泥熟料落在小圆圈内

的理由；

（6）为何在缓慢冷却到无变量点K

（1455℃）时再要急剧冷却到室温？（20分）

解：1、如图所示；（1.5分）

2、如图所示；（4分）

3、F点低共熔点，LF→C3A+C12A7+C2S（1.5

分）

H点单转熔点，LH+CaO→C3A+C3S（1.5分）

K点单转熔点，LK+C3S→C3A+C2S（1.5分）

4、M 点：

L→C2S L→C2S+C3S L+C2S→C3S

液：M---→a --------→y ---------→K 始(LK+C3S→C2S+C3A)→K 终

f=2 f=1 f=1 f=0

C2S C2S+C3S C2S+C3S C2S+C3S+C3A

固：D---→D ----→b ----→d ---------→M （4分）

5、因为硅酸盐水泥熟料中三个主要矿物是C3S 、C2S 、C3A 。根据三角形规则，只有当组成点落在C3S-C2S-C3A 付三角形中，烧成以后才能得到这三种矿物。从早期强度和后期强度、水化速度、矿物的形成条件等因素考虑，水泥熟料C3S 的含量应当最高，C2S 次之，C3A 最少。根据杠杆规则，水泥熟料的组成点应当位于C3S-C2S-C3A 付三角形中小圆圈内。（3分）

6、因为缓慢冷却到K 点，可以通过转熔反应L+C2S→C3S 得到尽可能多的C3S 。到达K 点后，急剧冷却到室温，可以（1）防止C3S 含量降低，因为K 点的转熔反应LK+C3S→C2S+C3A；（2）使C2S 生成水硬性的β-C2S ，而不是非水硬性的γ-C2S ；

（3）液相成为玻璃相，可以提高熟料的易磨性。（3分）

三、计算题（10分）

在CaF 2晶体中，肖特基缺陷的生成能为5.5ev ，计算在1600℃时热缺陷的浓度。如果CaF 2晶体中，含有百万分之一的YF 3 杂质，则在1600℃时CaF 2晶体中是热缺陷

占优势还是杂质缺陷占优势？（玻尔兹曼常数k=1.38×10-23、电子的电荷

e=1.602×10-19）

解：因为n/N=exp （-?G f /2kT ）

?G f =5.5×1.602×10-19=8.817×10-19J T=1600+273=1873K

所以 n/N=exp （-8.817×10-19/2×1.38×10-23×1873）= exp （-17.056）=3.9×10-8

（5分）

在CaF 2晶体中，含有百万分之一的YF 3 杂质，缺陷方程如下：

F i Ca CaF F F Y YF 2'32++??→??

此时产生的缺陷为'i F ，]['i F =10-6大于热缺陷浓度3.9×10-8，故在1873K 时杂质缺

陷占优势

或 F Ca Ca CaF F V Y YF 622''32++??

→?? 此时产生的缺陷为 ''Ca V ，][''Ca V =5.5×10-7大于热缺陷浓度 3.9×10-8，故在1873K

时杂质缺陷占优势 （5分）

无机材料科学基础试卷四

一、名词解释（20分）（8*2.5分）

点群、晶子假说、正尖晶石、网络变性剂、液相独立析晶、本征扩散、二级相变、液相烧结

二、问答题（70分）

1、 试比较伊利石和蒙脱石的结构特点。（8分）

2、 试解释说明为什么在硅酸盐结构中Al 3+经常取代[SiO 4]中Si 4+，但Si 4+

一般不会置换[AlO 6]中的Al 3+？（（配位数为6时，S14＋、A13＋和O 2－的

离子半径分别为0.40?、0.53?和1.40?；配位数为4时，一离子半径

依次为0.26?、0.40?和1.38?））。（7分）

3、网络变性体（如Na

2

O）加到石英玻璃中，使硅氧比增加。实验观察到当O/Si=2.5~3时，即达到形成玻璃的极限，根据结构解释为什么在2

4、什么是润湿？改善润湿的方法有那些？（8分）

5、说明影响扩散的因素？（6分）

6、MoO

3和CaCO

3

反应时，反应机理受到CaCO

3

颗粒大小的影响。当MoO

3

：

CaCO

3＝1：1，MoO

3

的粒径r

1

为0.036mm，CaCO

3

的粒径r

2

为0.13mm时，反

应是扩散控制的；而当CaCO

3：MoO

3

＝15：1，r

2

＜0.03mm时，反应由升华

控制，试解释这种现象。（7分）

7、试写出少量MgO掺杂到A1

2O

3

中和少量YF

3

掺杂到CaF

2

中的缺陷反应方

程与对应的固溶式。（7分）

8、下图为CaO-A12O3-SiO2系统的富钙部分相图，对于硅酸盐水泥的生产有一定的参考价值。试：

（1）画出有意义的付三角形；

（2）用单、双箭头表示界线的性质；

（3）说明F、H、K三个化合物的性质和写出各点的相平衡式；

（4）分析M#熔体的冷却平衡结晶过程并写出相变式；

（5）并说明硅酸盐水泥熟料落在小圆圈内的理由；

（6）为何在缓慢冷却到无变量点K（1455℃）时再要急剧冷却到室温？（20分）

五、计算题（10分）

在制造透明Al

2O

3

材料时，原始粉料粒度为2μm，烧结至最高温度保

温半小时，测得晶粒尺寸为10μm，试问保温2小时，晶粒尺寸多大？为抑制晶粒生长加入0.1％MgO，此时若保温2小时，晶粒尺寸又有多大？

无机材料科学基础试卷四标准答案及评分标准

一、名词解释（20分）（8*2.5分）

点群、晶子假说、正尖晶石、网络变性剂、液相独立析晶、本征扩散、二级相变、液相烧结

点群：又名对称型，是指宏观晶体中对称要素的集合。

晶子假说：苏联学者列别捷夫提出晶子假说，他认为玻璃是高分散晶体（晶子）的结合体，硅酸盐玻璃的晶子的化学性质取决于玻璃的化学组成，玻璃的结构特征为微不均匀性和近程有序性。

正尖晶石；二价阳离子分布在1／8四面体空隙中，三价阳离子分布在l／2八面体空隙的尖晶石。

网络变性剂：单键强度＜250KJ/mol。这类氧化物不能形成玻璃，但能改变网络结构，从而使玻璃性质改变。

液相独立析晶：是在转熔过程中发生的，由于冷却速度较快，被回收的晶相有可能会被新析出的固相包裹起来，使转熔过程不能继续进行，从而使液相进行另一个单独的析晶过程，就是液相独立析晶。

本征扩散：是指空位来源于晶体结构中本征热缺陷而引起质点的迁移。

二级相变：相变时两相化学势相等，其一级偏微商也相等，但二级偏微商不等的称为二级相变。

液相烧结：凡有液相参加的烧结过程称为液相烧结。

二、问答题（70分）

5、试比较伊利石和蒙脱石的结构特点。（8分）

答：伊利石和蒙脱石是2：l型结构（1分），其结构皆属于单斜晶系；都存在同晶取代，蒙脱石同晶取代主要发生在八面体层中（1分），而伊利石是发生在硅氧面体层中（1分）；蒙脱石的电荷不平衡由进入层间的水化阳离子补偿，这种水化阳离子在层间无固定位置，结合力弱，容易被交换出来（2分）；伊利石的电荷不平衡由进入层间的K+离子补偿，K+离子有固定位置和配位数，结合较牢固（2分），因此蒙脱石的阳离子交换能力比伊利石强，蒙脱石结构中有层间水，并有膨胀性，而伊利石没有（1分）。

6、试解释说明为什么在硅酸盐结构中Al3+经常取代[SiO4]中Si4+，但Si4+一般不会

置换[AlO6]中的Al3+？（（配位数为6时，S14＋、A13＋和O2－的离子半径分别为0.40?、

0.53?和1.40?；配位数为4时，一离子半径依次为0.26?、0.40?和1.38?））。

（7分）

答：CN=4, r Al3+/r o2-=0.4/1.38=0.29,Al3+四配位稳定，故在硅酸盐结构中Al3+经常取代[SiO4]中Si4+形成[AlO4]；（3.5分）CN=6，r Si4+/r o2-=0.4/1.38=0.29,Si4+四配位稳

定，六配位不稳定，故在硅酸盐结构中Si4+一般不会置换[AlO6]中的Al3+，形成[SiO6]。（3.5分）

7、网络变性体（如Na2O）加到石英玻璃中，使硅氧比增加。实验观察到当O/Si=2.5~3

时，即达到形成玻璃的极限，根据结构解释为什么在2

答：在2

硅石混合物中，氧硅比较高，在高温熔体中低聚物含量较高，熔体黏度较低，所以

易析晶，而不形成玻璃。（3.5分）

8、什么是润湿？改善润湿的方法有那些？（8分）

答：润湿：固体与液体接触后，体系（固体+液体）的吉布斯自由能降低时，就称润湿。（2分）

改善润湿的方法有：①降低γSL S、V 两相组成尽量接近；（1.5分）

②降低γLV在液相中加表面活性剂；（1.5分）

③提高γSV去除固体表面吸附膜；（1.5分）

④改变粗糙度。（1.5分）

5、说明影响扩散的因素？（6分）

答：（1）化学键：共价键方向性限制不利间隙扩散，空位扩散为主。金属键离子键以空位扩散为主，间隙离子较小时以间隙扩散为主。

（2）缺陷：缺陷部位会成为质点扩散的快速通道，有利扩散。

（3）温度：D=D0exp（-Q/RT）Q不变，温度升高扩散系数增大有利扩散。Q越大温度变化对扩散系数越敏感。

（4）杂质：杂质与介质形成化合物降低扩散速度；杂质与空位缔合有利扩散；杂质含量大本征扩散和非本征扩散的温度转折点升高。

（5）扩散物质的性质：扩散质点和介质的性质差异大利于扩散

（6）扩散介质的结构：结构紧密不利扩散。

6、MoO3和CaCO3反应时，反应机理受到CaCO3颗粒大小的影响。当MoO3 ：CaCO3＝1：1，MoO3的粒径r1为0.036mm，CaCO3的粒径r2为0.13mm时，反应是扩散控制的；而

当CaCO3：MoO3＝15：1，r2＜0.03mm时，反应由升华控制，试解释这种现象。（7分）

答：当MoO3的粒径r1为0.036mm，CaCO3的粒径r2为0.13mm时, CaCO3颗粒大于MoO3，由于产物层较厚，扩散阻力较大，反应由扩散控制，反应速率随着CaCO3颗粒度减

小而加速，（3.5分）当r2

着MoO3粒径减小而加剧。（3.5分）

7、试写出少量MgO掺杂到A12O3中和少量YF3掺杂到CaF2中的缺陷反应方程与对应

的固溶式。（7分）

解：少量MgO掺杂到A12O3中缺陷反应方程及固溶式为：

，（3.5分）少量YF3掺杂到CaF2中缺陷反应方程及固溶式如下：

，（3.5分）

8、下图为CaO-A12O3-SiO2系统的富钙部分相图，对于硅酸盐水泥的生产有一定的参考价值。试：

（1）画出有意义的付三角形；

（2）用单、双箭头表示界线的性质；

（3）说明F、H、K三个化合物的性质和写出各点的相平衡式；

（4）分析M#熔体的冷却平衡结晶过程并写出相变式；

（5）并说明硅酸盐水泥熟料落在小圆圈内的理由；

（6）为何在缓慢冷却到无变量点K（1455℃）时再要急剧冷却到室温？（20分）解：1、如图所示；（1.5分）

2、如图所示；（4分）

3、F点低共熔点，LF→C3A+C12A7+C2S（1.5分）

H点单转熔点，LH+CaO→C3A+C3S（1.5分）

K点单转熔点，LK+C3S→C3A+C2S（1.5分）

4、M点：

L→C2S L→C2S+C3S L+C2S→C3S

液：M---→a--------→y---------→K始(LK+C3S→C2S+C3A)→K终

f=2 f=1 f=1 f=0

C2S C2S+C3S C2S+C3S C2S+C3S+C3A

固：D---→D----→b----→d---------→M（4分）

5、因为硅酸盐水泥熟料中三个主要矿物是C3S、C2S、C3A。根据三角形规则，只有当组成点落在C3S-C2S-C3A付三角形中，烧成以后才能得到这三种矿物。从早期强度和后期强度、水化速度、矿物的形成条件等因素考虑，水泥熟料C3S的含量应当最高，C2S次之，C3A最少。根据杠杆规则，水泥熟料的组成点应当位于C3S-C2S-C3A 付三角形中小圆圈内。（3分）

6、因为缓慢冷却到K点，可以通过转熔反应L+C2S→C3S得到尽可能多的C3S。到达K点后，急剧冷却到室温，可以（1）防止C3S含量降低，因为K点的转熔反应LK+C3S→C2S+C3A；（2）使C2S生成水硬性的β-C2S，而不是非水硬性的γ-C2S；（3）液相成为玻璃相，可以提高熟料的易磨性。（3分）

六、计算题（10分）

在制造透明Al2O3材料时，原始粉料粒度为2μm，烧结至最高温度保温半小时，测得晶粒尺寸为10μm，试问保温2小时，晶粒尺寸多大？为抑制晶粒生长加入0.1％

MgO，此时若保温2小时，晶粒尺寸又有多大？

解：（1）G2-G02=kt 102-22 =k.0.5 得k＝192

G2-22=192*2 G≈20μm （4分）

(2) G3-G03=kt k=1984

G3 –8=1984*2 G≈15.84μm （4分）

无机材料科学基础试卷五

一、名词解释（20分）（10*2分）

螺位错、同质多晶、晶胞、肖特基缺陷、非均匀成核、稳定扩散、

玻璃分相、晶粒生长

二、答题（ 70 分）

5、为什么等轴晶系有原始、面心、体心格子，而没有单面心格子？（4

分）

6、什么是润湿？改善润湿的方法有那些？（8分）

7、说明高岭石和蒙脱石的结构特点，并解释为什么蒙脱石具有膨胀性和

高的阳离子交换容量，而高岭石则不具有膨胀性、阳离子交换容量也很低。（10分）

4、MoO

3和CaCO

3

反应时，反应机理受到CaCO

3

颗粒大小的影响。当MoO

3

：

CaCO

3＝1：1，MoO

3

的粒径r

1

为0.036mm，CaCO

3

的粒径r

2

为0.13mm时，反

应是扩散控制的；而当CaCO

3：MoO

3

＝15：1，r

2

＜0.03mm时，反应由升华

控制，试解释这种现象。（7分）

5、出下列反应的合理缺陷反应式（7分）

a．NaCl溶入CaCl2中形成空位型固溶体

b．CaCl2溶人NaC1中形成空位型固溶体

6、说明影响烧结的因素？（6分）

7、试比较杨德尔方程和金斯特林格方程的优缺点及其适用条件。（8分）

8、下图为CaO-A12O3-SiO2系统的富钙部分相图，对于硅酸盐水泥的生产有一定的参考价值。试：

（1）画出有意义的付三角形；

（2）用单、双箭头表示界线的性质；

（3）说明F、H、K三个化合物的性质和写出各点的相平衡式；

（4）分析M#熔体的冷却平衡结晶过程并写出相变式；

（5）并说明硅酸盐水泥熟料落在小圆圈内的理由；

（6）为何在缓慢冷却到无变量点K（1455℃）时再要急剧冷却到室温？（20分）

三、计算题（10分）

试用玻璃结构参数说明两种玻璃高温下粘度的大小？

无机材料科学基础试卷五标准答案及评分标准

一、名词解释（20分）（8*2.5分）

螺位错、同质多晶、晶胞、肖特基缺陷、聚合、非均匀成核、稳定扩散、

玻璃分相、不一致熔融化合物、晶粒生长

螺位错：柏格斯矢量与位错线平行的位错。

同质多晶：同一化学组成在不同热力学条件下形成结构不同的晶体的现象。

晶胞：指晶体结构中的平行六面体单位，其形状大小与对应的空间格子中的单位平行六面体一致。

肖特基缺陷：如果正常格点上的原子，热起伏过程中获得能量离开平衡位置，迁移到晶体的表面，在晶格内正常格点上留下空位，即为肖特基缺陷。

聚合：由分化过程产生的低聚合物，相互作用，形成级次较高的聚合物，同时释放出部分Na2O，这个过程称为缩聚，也即聚合。

非均匀成核：借助于表面、界面、微粒裂纹、器壁以及各种催化位置而形成晶核的过程。

稳定扩散：扩散质点浓度分布不随时间变化。

玻璃分相：一个均匀的玻璃相在一定的温度和组成范围内有可能分成两个互不溶解或部分溶解的玻璃相(或液相)，并相互共存的现象称为玻璃的分相(或称液相不混溶现象)。

不一致熔融化合物：是一种不稳定的化合物。加热这种化合物到某一温度便发生分解，分解产物是一种液相和一种晶相，两者组成与化合物组成皆不相同，故称不一致熔融化合物。

晶粒生长：无应变的材料在热处理时，平均晶粒尺寸在不改变其分布的情况下，连续增大的过程。

四、答题（ 70 分）

8、为什么等轴晶系有原始、面心、体心格子，而没有单面心格子？（4分）

答：因为从结构分布看，单面心格子不符合立方格子所固有的4L3的对称性。（4分）9、什么是润湿？改善润湿的方法有那些？（8分）

答：润湿：固体与液体接触后，体系（固体+液体）的吉布斯自由能降低时，就称润湿。（2分）

改善润湿的方法有：①降低γSL S、V 两相组成尽量接近；（1.5分）

②降低γLV在液相中加表面活性剂；（1.5分）

③提高γSV去除固体表面吸附膜；（1.5分）

④改变粗糙度。（1.5分）

10、说明高岭石和蒙脱石的结构特点，并解释为什么蒙脱石具有膨胀性和高的

阳离子交换容量，而高岭石则不具有膨胀性、阳离子交换容量也很低。（10分）答：高岭石的阳离子交换容量较小，而蒙脱石的阳离子交换容量较大。因为高岭石是1:1型结构，离子的取代很少，单网层与单网层之间以氢键相连，氢键强于范氏键，水化阳离子不易进入层间，因此阳离子交换容量较小。（5分）而蒙脱石是为2:1型结构，铝氧八面体层中大约1/3的Al3+被Mg2+取代，为了平衡多余的负电价，在结构单位层之间有其它阳离子进入，而且以水化阳离子的形式进人结构。水化阳离子和硅氧四面体中O2-离子的作用力较弱，因而，这种水化阳离子在一定条件下容易被交换出来。C轴可膨胀以及阳离子交换容量大，是蒙脱石结构上的特征。（5分）

4、MoO3和CaCO3反应时，反应机理受到CaCO3颗粒大小的影响。当MoO3 ：CaCO3＝1：1，MoO3的粒径r1为0.036mm，CaCO3的粒径r2为0.13mm时，反应是扩散控制的；而当CaCO3：MoO3＝15：1，r2＜0.03mm时，反应由升华控制，试解释这种现象。（7分）

答：当MoO3的粒径r1为0.036mm，CaCO3的粒径r2为0.13mm时, CaCO3颗粒大于MoO3，由于产物层较厚，扩散阻力较大，反应由扩散控制，反应速率随着CaCO3颗粒度减小而加速，（3.5分）当r2

5、出下列反应的合理缺陷反应式（7分）

a．NaCl溶入CaCl2中形成空位型固溶体

b．CaCl2溶人NaC1中形成空位型固溶体

答：a.NaCl溶入CaCl2中形成空位型固溶体

无机材料科学基础答案

1、熔体的概念:不同聚合程度的各种聚合物的混合物 硅酸盐熔体的粘度与组成的关系(决定硅酸盐熔体粘度大小的主要因素就是硅氧四面体网络连接程度) 在熔体中加入LiO2、Na2O 、K2O 与BaO 、PbO 等,随加入量增加,粘度显著下降。 在含碱金属的硅酸盐熔体中,当Al2O3/Na2O ≤1时,用Al2O3代替SiO2可以起“补网”作用,从而提高粘度。一般加入Al2O3、SiO2与ZrO2有类似的效果。 流动度为粘度的倒数,Φ＝ 粘度的理论解释:绝对速度理论η＝η０exp(ΔE/kT) 自由体积理论η＝B exp ［ ］＝Ａexp( ) 过剩熵理论η ＝ Cexp ［ ＝ Cexp( ) 2、非晶态物质的特点 :近程有序,远程无序 3、玻璃的通性 (1)各向同性(若有应力,为各向异性) (2)介稳性 (3)熔融态向玻璃态转化的可逆与渐变性 (4)、熔融态向玻璃态转化时其物化性质随温度变化的连续性 4、 Tg 、Tf , 相对应的粘度与特点 钠钙硅酸盐熔体粘度与温度关系表明:熔融温度范围内,粘度为50~500dPa·s 。工作温度范围粘度较高,约103~107dPa·s 。退火温度范围粘度更高,约1012、5~1013、5 dPa·s 。 Tg-脆性温度、退火温度,Tf-软化温度、可拉丝的最低温度 5、 单键强度 > 335 kJ/mol(或80 kcal/mol)的氧化物——网络形成体。 单键强度 < 250 kJ/mol(或60 kcal/mol)的氧化物——网络变性体。 在250～335 kJ/mol 为——中间体,其作用介于玻璃的网络形成体与网络变性体之间。 6、玻璃形成的热力学观点: 熔体就是物质在TM 以上存在的一种高能状态。据随温度降低,熔体释放能量大小不同,冷却途径分为结晶化,玻璃化,分相 ΔGv 越大析晶动力越大,越不容易形成玻璃。 ΔGv 越小析晶动力越小,越容易形成玻璃。 玻璃形成的动力学观点: 过冷度增大,熔体质点动能降低,有利于质点相互吸引而聚结与吸附在晶核表面,有利于成核。 过冷度增大,熔体粘度增加,使质点移动困难,难于从熔体中扩散到晶核表面,不利于晶核长大。 过冷度与成核速率Iv 与晶体生长速率u 必有一个极值。 玻璃形成的结晶化学观点: (1)、键强(孙光汉理论) 熔点低的氧化物易于形成玻璃 (2)、键型 三种纯键型在一定条件下都不能形成玻璃。 )(00T T KV -α0T T B -)(0T T C D P -?0T T B -η1

无机材料科学基础试题及答案

1螺位错：柏格斯矢量与位错线平行的位错。 2同质多晶：同一化学组成在不同热力学条件下形成结构不同的晶体的现象。 3晶胞：指晶体结构中的平行六面体单位，其形状大小与对应的空间格子中的单位平行六面体一致。 4肖特基缺陷：如果正常格点上的原子，热起伏过程中获得能量离开平衡位置，迁移到晶体的表面，在晶格内正常格点上留下空位，即为肖特基缺陷。肖特基缺陷：如果正常格点上的原子，热起伏过程中获得能量离开平衡位置，迁移到晶体的表面，在晶格内正常格点上留下空位，即为肖特基缺陷。 5聚合：由分化过程产生的低聚合物，相互作用，形成级次较高的聚合物，同时释放出部分Na2O，这个过程称为缩聚，也即聚合。 6非均匀成核：借助于表面、界面、微粒裂纹、器壁以及各种催化位置而形成晶核的过程。7稳定扩散：扩散质点浓度分布不随时间变化。 8玻璃分相：一个均匀的玻璃相在一定的温度和组成范围内有可能分成两个互不溶解或部分溶解的玻璃相(或液相)，并相互共存的现象称为玻璃的分相(或称液相不混溶现象)。 9不一致熔融化合物：是一种不稳定的化合物。加热这种化合物到某一温度便发生分解，分解产物是一种液相和一种晶相，两者组成与化合物组成皆不相同，故称不一致熔融化合物。10晶粒生长：无应变的材料在热处理时，平均晶粒尺寸在不改变其分布的情况下，连续增大的过程。 11非本征扩散：受固溶引入的杂质离子的电价和浓度等外界因素所控制的扩散。或由不等价杂质离子取代造成晶格空位，由此而引起的质点迁移。（2.5）本征扩散：空位来源于晶体结构中本征热缺陷，由此而引起的质点迁移。 12稳定扩散：若扩散物质在扩散层dx内各处的浓度不随时间而变化，即dc/dt=0。不稳定扩散：扩散物质在扩散层dx内的浓度随时间而变化，即dc/dt≠0。这种扩散称为不稳定扩散。（2.5分） （2.5分） 13可塑性：粘土与适当比例的水混合均匀制成泥团，该泥团受到高于某一个数值剪应力作用后，可以塑造成任何形状，当去除应力泥团能保持其形状，这种性质称为可塑性。（2.5晶胞参数：表示晶胞的形状和大小可用六个参数即三条边棱的长度a、b、c和三条边棱的夹角α、β、γ即为晶胞参数。 14一级相变：体系由一相变为另一相时，如两相的化学势相等但化学势的一级偏微商(一级导数)不相等的称为一级相变。 15二次再结晶：是液相独立析晶：是在转熔过程中发生的，由于冷却速度较快，被回收的晶相有可能会被新析出的固相包裹起来，使转熔过程不能继续进行，从而使液相进行另一个单独的析晶过程，就是液相独立析晶。（2.5） 16泰曼温度：反应物开始呈现显著扩散作用的温度。（2.5） 17晶子假说：苏联学者列别捷夫提出晶子假说，他认为玻璃是高分散晶体（晶子）的结合体，硅酸盐玻璃的晶子的化学性质取决于玻璃的化学组成，玻璃的结构特征为微不均匀性和近程有序性。无规则网络假说：凡是成为玻璃态的物质和相应的晶体结构一样，也是由一个三度空间网络所构成。这种网络是由离子多面体（三角体或四面体）构筑起来的。晶体结构网是由多面体无数次有规律重复构成，而玻璃中结构多面体的重复没有规律性。 18正尖晶石；二价阳离子分布在1／8四面体空隙中，三价阳离子分布在l／2八面体空隙的尖晶石。 19液相独立析晶：是在转熔过程中发生的，由于冷却速度较快，被回收的晶相有可能会被

无机材料科学基础习题答案

第一章晶体几何基础 1-1 解释概念： 等同点：晶体结构中，在同一取向上几何环境和物质环境皆相同的点。 空间点阵：概括地表示晶体结构中等同点排列规律的几何图形。 结点：空间点阵中的点称为结点。 晶体：内部质点在三维空间呈周期性重复排列的固体。 对称：物体相同部分作有规律的重复。 对称型：晶体结构中所有点对称要素（对称面、对称中心、对称轴和旋转反伸轴）的集合为对称型，也称点群。 晶类：将对称型相同的晶体归为一类，称为晶类。 晶体定向：为了用数字表示晶体中点、线、面的相对位置，在晶体中引入一个坐标系统的过程。 空间群：是指一个晶体结构中所有对称要素的集合。 布拉菲格子：是指法国学者 A.布拉菲根据晶体结构的最高点群和平移群对称及空间格子的平行六面体原则，将所有晶体结构的空间点阵划分成14种类型的空间格子。 晶胞：能够反应晶体结构特征的最小单位。 晶胞参数：表示晶胞的形状和大小的6个参数（a、b、c、α 、β、γ ）. 1-2 晶体结构的两个基本特征是什么？哪种几何图形可表示晶体的基本特征？ 解答：⑴晶体结构的基本特征： ①晶体是内部质点在三维空间作周期性重复排列的固体。 ②晶体的内部质点呈对称分布，即晶体具有对称性。 ⑵14种布拉菲格子的平行六面体单位格子可以表示晶体的基本特征。 1-3 晶体中有哪些对称要素，用国际符号表示。 解答：对称面—m，对称中心—1，n次对称轴—n，n次旋转反伸轴—n 螺旋轴—ns ，滑移面—a、b、c、d 1-5 一个四方晶系的晶面，其上的截距分别为3a、4a、6c，求该晶面的晶面指数。 解答：在X、Y、Z轴上的截距系数：3、4、6。 截距系数的倒数比为：1/3:1/4:1/6=4:3:2 晶面指数为：（432） 补充：晶体的基本性质是什么？与其内部结构有什么关系？ 解答：①自限性：晶体的多面体形态是其格子构造在外形上的反映。 ②均一性和异向性：均一性是由于内部质点周期性重复排列，晶体中的任何一部分在结构上是相同的。异向性是由于同一晶体中的不同方向上，质点排列一般是不同的，因而表现出不同的性质。 ③对称性：是由于晶体内部质点排列的对称。 ④最小内能和最大稳定性：在相同的热力学条件下，较之同种化学成分的气体、液体及非晶质体，晶体的内能最小。这是规则排列质点间的引力和斥力达到平衡的原因。 晶体的稳定性是指对于化学组成相同，但处于不同物态下的物体而言，晶体最为稳定。自然界的非晶质体自发向晶体转变，但晶体不可能自发地转变为其他物态。

无机材料科学基础 陆佩文 课后答案

2-1 名词解释（a ）弗伦克尔缺陷与肖特基缺陷；（b ）刃型位错和螺型位错 （c ）类质同象与同质多晶 解：（a ）当晶体热振动时，一些能量足够大的原子离开平衡位置而挤到晶格点的间隙中，形成间隙原子，而原来位置上形成空位，这种缺陷称为弗伦克尔缺陷。如果正常格点上原子，热起伏后获得能量离开平衡位置，跃迁到晶体的表面，在原正常格点上留下空位，这种缺陷称为肖特基缺陷。（b ）滑移方向与位错线垂直的位错称为刃型位错。位错线与滑移方向相互平行的位错称为螺型位错。（c ）类质同象：物质结晶时，其晶体结构中部分原有的离子或原子位置被性质相似的其它离子或原子所占有，共同组成均匀的、呈单一相的晶体，不引起键性和晶体结构变化的现象。同质多晶：同一化学组成在不同热力学条件下形成结构不同的晶体的现象。 2-6（1）在CaF 2晶体中，弗仑克尔缺陷形成能为2.8eV ，肖特基缺陷的生成能为5.5eV ，计算在25℃和1600℃时热缺陷的浓度？（k ＝1.38×10－23J/K ） （2）如果CaF 2晶体中，含有百万分之一的YF 3杂质，则在1600℃时，CaF 2晶体中时热缺陷占优势还是杂质缺陷占优势？说明原因。 解：（1）弗仑克尔缺陷形成能为2.8eV ，小于肖特基缺陷形成能5.5eV ，所以CaF 2晶体中主要是弗仑克尔缺陷，肖特基缺陷可忽略不计。-----------1分 当T ＝25℃＝298K 时，热缺陷浓度为： 242319298 1006.2)2981038.1210602.18.2exp()2exp(---?=?????-=?-=??? ??kT G N n f ----2分 当T ＝1600℃＝1873K 时，热缺陷浓度为： 423191873 107.1)18731038.1210602.18.2exp()2exp(---?=?????-=?-=??? ??kT G N n f -----2分 （2）CaF 2中含百万分之一（10－ 6）的YF 3时的杂质缺陷反应为： Ca F Ca CaF V F Y YF ''++??→??62223 由此可知：[YF3]=2[Ca V '']，所以当加入10－ 6YF3时，杂质缺陷的浓度为： 73105][2 1][-?==''YF V Ca 杂--------------------1分 此时，在1600℃下的热缺陷计算为： Ca i Ca V Ca Ca ''+→?? x x ＋5×10－ 7 则：8241089.2)107.1()exp(][]][[--???=?=?-==''kT G k Ca V Ca f Ca Ca i 即：871089.21 )105(--?=?+x x ，x ≈8.1×10－4 热缺陷浓度： 4101.8][-?=≈''x V Ca 热------------------1分

无机材料科学基础第九章习题

第九章习题与答案 一、判断正误 1、烧结中始终可以只有一相是固态。（对） 2、液相烧结与固相烧结的推动力都是表面能。（对） 3、二次再结晶对坯体致密化有利。（错） 4、扩散传质中压应力区空位浓度<无应力区空位浓度<张应力区空位浓度。（对） 5、晶粒长大源于小晶体的相互粘结。（错） 6、一般来说，晶界是气孔通向烧结体外的主要扩散通道。一般来说，晶界是杂质的富集之 地。（对） 二、填空 1、烧结的主要传质方式有：蒸发-凝聚传质、扩散传质、流动传质和溶解-沉淀传质四种，这四种传质过程的坯体线收缩ΔL/L与烧结时间的关系依次为ΔL/L=0、ΔL/L～t2/5、ΔL/L～t和ΔL/L～t1/3。 三、选择 1、在烧结过程中，只改变气孔形状不引起坯体收缩的传质方式是（a、c）。 a．表面扩散 b．流动传质 c．蒸发-凝聚 d．晶界扩散 2、在烧结过程中只改变坯体中气孔的形状而不引起坯体致密化的传质方式是（b）。 a. 流动传质 b. 蒸发—凝聚传质 c. 溶解—沉淀 d. 扩散传质 四、问答题 1、典型的传质过程有哪些？各采用什么烧结模型？分析产生的原因是什么？ 答：典型的传质过程有：固相烧结的蒸发-凝聚传质、扩散传质，液相烧结的流动传质、溶解-沉淀传质。 固相烧结的蒸发-凝聚传质过程采用中心距不变的双球模型。 固相烧结的扩散传质、液相烧结的流动传质、溶解-沉淀传质过程采用中心距缩短的双球模型。 原因：蒸发—冷凝：压力差ΔP；扩散传质：空位浓度差ΔC；流动传质：应力—应变； 溶解—沉淀：溶解度ΔC（大、小晶粒溶解度不同；自由表面与点接触溶解度）。 2、试述烧结的推动力和晶粒生长的推动力。并比较两者的大小。 答：烧结推动力是粉状物料的表面能（γsv）大于多晶烧结体的晶界能（γgb），即γsv>γgb。 晶粒生长的推动力是晶界两侧物质的自由焓差，使界面向晶界曲率半径小的晶粒中心推进。 烧结的推动力较大，约为4~20J/g。晶粒生长的推动力较小，约为0.4~2J/g，因而烧结推动力比晶粒生长推动力约大十倍。 3、在制造透明Al2O3材料时，原始粉料粒度为2μm，烧结至最高温度保温0.5h，测得晶粒尺寸为10μm，试问保温2h，晶粒尺寸多大？为抑制晶粒生长加入0.1％MgO，此时若保温2h，晶粒尺寸又有多大？ 解：1、G 2-G02 = kt = 2 μm, G = 10 μm, t = 0.5 h，得 代入数据：G

无机材料科学基础复习重点

第二章、晶体结构缺陷 1、缺陷的概念 2、热缺陷（弗伦克尔缺陷、肖特基缺陷） 热缺陷是一种本征缺陷、高于0K就存在，热缺陷浓度的计算 影响热缺陷浓度的因数：温度和热缺陷形成能（晶体结构） 弗伦克尔缺陷肖特基缺陷 3、杂质缺陷、固溶体 4、非化学计量化合物结构缺陷（半导体） 种类、形成条件、缺陷的计算等 5、连续置换型固溶体的形成条件 6、影响形成间隙型固溶体的因素 7、组分缺陷（补偿缺陷）：不等价离子取代 形成条件、特点（浓度取决于掺杂量和固溶度） 缺陷浓度的计算、与热缺陷的比较 幻灯片6 8、缺陷反应方程和固溶式 9、固溶体的研究与计算 写出缺陷反应方程→固溶式、算出晶胞的体积和重量→理论密度（间隙型、置换型）→和实测密度比较 10、位错概念 刃位错：滑移方向与位错线垂直，伯格斯矢量b与位错线垂直 螺位错：滑移方向与位错线平行，伯格斯矢量b与位错线平行 混合位错：滑移方向与位错线既不平行，又不垂直。 幻灯片7 第三章、非晶态固体 1、熔体的结构：不同聚合程度的各种聚合物的混合物 硅酸盐熔体的粘度与组成的关系 2、非晶态物质的特点 3、玻璃的通性 4、 Tg 、Tf ,相对应的粘度和特点 5、网络形成体、网络改变（变性）体、网络中间体 玻璃形成的结晶化学观点：键强，键能 6、玻璃形成的动力学条件 (相变)，3T图 7、玻璃的结构学说（二种玻璃结构学说的共同之处和不同之处） 8、玻璃的结构参数 Z可根据玻璃类型定，先计算R，再计算X、Y 注意网络中间体在其中的作用。 9、硅酸盐晶体与硅酸盐玻璃的区别 10、硼的反常现象 幻灯片8 第四章、表面与界面 1、表面能和表面张力，表面的特征 2、润湿的概念、定义、计算；槽角、二面角的计算 改善润湿的方法：去除表面吸附膜（提高固体表面能）、

无机材料科学基础试卷资料

1. 不一致熔融化合物，连线规则 答：不一致熔化合物是一种不稳定的化合物，加热到一定温度会发生分解，分解产物是一种液相和一种固相，液相和固相的组成与化合物组成都不相同。（2.5分） 连线规则：将一界线（或其延长线）与相应的连线（或其延长线）相交，其交点是该界线上的温度最高点。（2.5分） 2. 非本征扩散，稳定扩散 非本征扩散：受固溶引入的杂质离子的电价和浓度等外界因素所控制的扩散。或由不等价杂质离子取代造成晶格空位，由此而引起的质点迁移。（2.5） 稳定扩散：若扩散物质在扩散层dx内各处的浓度不随时间而变化，即dc/dt=0。这种扩散称稳定扩散。（2.5分） 3. 非均匀成核, 一级相变 非均匀成核：是指借助于表面、界面、微粒裂纹器壁以及各种催化位置等而形成晶核的过程一级相变：体系由一相变为另一相时，如两相的化学势相等但化学势的一级偏微商(一级导数)不相等的称为一级相变。（2.5） 4. 晶粒生长，二次再结晶 晶粒生长：平衡晶粒尺寸在不改变其分布的情况下，连续增大的过程。（2.5分） 二次再结晶：是少数巨大晶粒在细晶消耗时成核长大的过程。（2.5分） 5. 一致熔融化合物，三角形规则 答：一致熔融化合物是一种稳定的化合物，与正常的纯物质一样具有固定的熔点，熔化时，产生的液相与化合物组成相同。（2.5分） 三角形规则：原始熔体组成点所在副三角形的三个顶点表示的物质即为其结晶产物；与这三个物质相应的初初晶区所包围的三元无变量点是其结晶结束点。（2.5分） 6. 晶粒生长，二次再结晶 晶粒生长：平衡晶粒尺寸在不改变其分布的情况下，连续增大的过程。（2.5分） 二次再结晶：是少数巨大晶粒在细晶消耗时成核长大的过程。（2.5分） 7.液相独立析晶，切线规则 答：液相独立析晶：是在转熔过程中发生的，由于冷却速度较快，被回收的晶相有可能会被新析出的固相包裹起来，使转熔过程不能继续进行，从而使液相进行另一个单独的析晶过程，就是液相独立析晶。（2.5） 切线规则：将界线上某一点所作的切线与相应的连线相交，如交点在连线上，则表示界线上该处具有共熔性质；如交点在连线的延长线上，则表示界线上该处具有转熔性质，远离交点的晶相被回吸。 8.本征扩散，不稳定扩散， ．答：本征扩散：空位来源于晶体结构中本征热缺陷，由此而引起的质点迁移。（2.5）不稳定扩散：扩散物质在扩散层dx内的浓度随时间而变化，即dc/dt≠0。这种扩散称为不稳定扩散。（2.5分） 9.均匀成核，二级相变, 答：均匀成核是晶核从均匀的单相熔体中产生的过程。（2.5分） 相变时两相化学势相等，其一级偏微商也相等，但二级偏微商不等的相变。（2.5分）10.烧结，泰曼温度 答：烧结：由于固态中分子（或原子）的相互吸引，通过加热，使粉末体产生颗粒粘结，经过物质迁移使粉末体产生强度并导致致密化和再结晶的过程。（2.5） 泰曼温度：反应物开始呈现显著扩散作用的温度。（2.5）

无机材料科学基础题库_选择题

选择题 1．NaCl 型结构中，Cl - 按立方最紧密方式堆积，Na +充填于（ B ）之中。 A 、全部四面体空隙 B 、全部八面体空隙 C 、1/2四面体空隙 D 、1/2八面体空隙 2．在析晶过程中，若?T 较大，则获得的晶粒为（ A ） A 、数目多而尺寸小的细晶 B 、数目少而尺寸大的粗晶 C 、数目多且尺寸大的粗晶 D 、数目少且尺寸小的细晶 3．在熔体中加入网络变性体会使得熔体的析晶能力（ c ）： a.不变 b. 减弱 c. 增大 4．在烧结过程的传质方式中，不会使坯体致密的是（ a ） a. 扩散传质 b. 溶解-沉淀传质 c. 蒸发-凝聚传质 d. 流动传质 5．过冷度愈大，临界晶核半径（ c ）相应的相变（ e ） a. 不变 b. 愈大 c. 愈小 d. 愈难进行 e. 愈易进行 f. 不受影响 6．从防止二次再结晶的角度考虑，起始粒径必须（ c ） a. 细 b. 粗 c. 细而均匀 d. 粗但均匀 7．根据晶界两边原子排列的连贯性来划分，在多晶体材料中主要是( B ) A 、共格晶界 B 、非共格晶界 C 、半共格晶界 8．玻璃结构参数中的Z 一般是已知的，请问硼酸盐玻璃的Z =（ B ） A 、2 B 、3 C 、4 D 、5 9．石英晶体结构属于（ d ） a. 岛状结构 b. 链状结构 c. 层状结构 d. 架状结构 10. 在离子型化合物中，晶粒内部扩散系数D b ，晶界区域扩散系数D g 和表面区域扩散系数D s 三者中（ C ）最大 A 、D b B 、D g C 、 D s 11. 系统2222CaO + SiO 2CaO SiO + CaO SiO + 3CaO 2SiO →???中的独立组分数为（ d ） a. 5 b. 4 c. 3 d. 2 12. 熔体系统中组成越简单，则熔体析晶（ B ） A 、不受影响 B 、越容易 C 、越难 13. 过冷度越大，相应的成核位垒（ b ），临界晶核半径（ b ），析晶能力（ a ） a. 越大 b. 越小 c. 不变 14. 下列选项中不属于马氏体相变的特征的是（ B ） A 、相变后存在习性平面 B 、属扩散型相变 C 、新相与母相间有严格的取向关系 D 、在一个温度范围内进行 E 、速度很快 15. 颗粒不同部位的空位浓度存在差异，下列区域中（ b ）处的空位浓度最大 A 、晶粒内部 B 、颈部表面张应力区 C 、受压应力的颗粒接触中心 16. 塑性泥团中颗粒之间最主要的吸力为（ B ） A 、范德华力 B 、毛细管力 C 、局部边-面静电引力 17. CaTiO 3（钛酸钙）型结构中，Ca 2+和O 2-共同组成立方紧密堆积，Ca 2+占据立方面心的角顶位置，O 2-占据立方面

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第三章练习题 一、填空题 1.玻璃具有下列通性：、态转化时物理、化学性能随温度变化的连续性。 2.在硅酸盐熔体中，当以低聚物为主时，体系的粘度 3.物质在熔点时的粘度越越容易形成玻璃，大于，等于，小于)时容易形成玻璃。 4.熔体是物质在液相温度以上存在的一种高能量状态，在冷却的过程中可以出现和分相三种不同的相变过程。 5.当SiO2含量比较高时，碱金属氧化物降低熔体粘度的能力是Li2Na22O。 6. 2Na2O·CaO·Al2O3·2SiO2的玻璃中，结构参数Y为 3 。 7. 从三T曲线可以求出为避免析出10-6分数的晶体所需的临界冷却速率，该速率越小，越容易形成玻璃。 8．NaCl和SiO2两种物质中SiO2 容易形成玻璃，因其具有极性共价键结构。 9.在Na2O－SiO2熔体中，当Na2O/Al2O3<1时，加入Al2O3使熔体粘度降低。 10. 硅酸盐熔体中聚合物种类，数量与熔体组成（O/Si）有关，O/Si比值增大，则熔体中的高聚体[SiO4]数量减少。 11. 硅酸盐熔体中同时存在许多聚合程度不等的负离子团，其种类、大小和复杂程度随熔体的组成和温度而变。当温度不变时，熔体中碱性氧化物含量增加， O/Si比值增大，这时熔体中高聚体数量减少。 二、问答题 1.试述熔体粘度对玻璃形成的影响？在硅酸盐熔体中，分析加入—价碱金属氧化物、二价金属氧化物或B2O3后熔体粘度的变化？为什么？ 答：1) 熔体粘度对玻璃形成具有决定性作用。熔体在熔点时具有很大粘度，并且粘度随温度降低而剧烈地升高时，容易形成玻璃。 2) 在硅酸盐熔体中，加入R2O，随着O/Si比增加，提供游离氧，桥氧数减小，硅氧网络断裂，使熔体粘度显著减小。加入RO，提供游离氧，使硅氧网络断裂，熔体粘度降低，但是由于R的场强较大，有一定的集聚作用，降低的幅度较小。加入B2O3，加入量少时，B2O3处于三度空间连接的[BO4]四面体中，使结构网络聚集紧密，粘度上升。随着B2O3含量增加，B开始处于[BO3]三角形中使结构网络疏松，粘度下降。 3+2+ 1当我排队等着站上小便池的时候有人已经在大便池先尿了■■■■■■■■■■■■张为政整理■■■■■■■■■■■■勿删■■■■■■■■■■■■ 2.试阐述网络形成体和网络变性体。 玻璃网络形成体：其单键强度>335KJ／MOL。这类氧化物能单独形成玻璃。 网络变性体：其单键强度<250KJ/MOL。这类氧化物不能形成玻璃,但能改变网络结构，从而使玻璃性质改变。

无机材料科学基础期末试题及答案

无机材料科学基础试卷六 一、名词解释（20分） 1、反萤石结构、晶胞； 2、肖特基缺陷、弗伦克尔缺陷； 3、网络形成体、网络改变体； 4、触变性、硼反常现象； 二、选择题（8分） 1、粘土泥浆胶溶必须使介质呈（） A、酸性 B、碱性 C、中性 2、硅酸盐玻璃的结构是以硅氧四面体为结构单元形成的（）的聚集体。 A、近程有序，远程无序 B、近程无序，远程无序 C、近程无序，远程有序 3、依据等径球体的堆积原理得出，六方密堆积的堆积系数（）体心立方堆积的堆积系数。 A、大于 B、小于 C、等于 D、不确定 4、某晶体AB，A—的电荷数为1，A—B键的S=1/6，则A+的配位数为（）。 A、4 B、12 C、8 D、6 5、在单位晶胞的CaF2晶体中，其八面体空隙和四面体空隙的数量分别为（）。 A、4，8 B、8，4 C、1，2 D、2，4 6、点群L6PC属（）晶族（）晶系。 A、高级等轴 B、低级正交 C、中级六方 D、高级六方 7、下列性质中（）不是晶体的基本性质。 A、自限性 B、最小内能性 C、有限性 D、各向异性 8、晶体在三结晶轴上的截距分别为1/2a、1/3b、1/6c。该晶面的晶面指数为（）。 A、（236） B、（326） C、（321） D、（123） 9、非化学计量化合物Cd1+xO中存在（）型晶格缺陷 A、阴离子空位 B、阳离子空位 C、阴离子填隙 D、阳离子填隙 10、可以根据3T曲线求出熔体的临界冷却速率。熔体的临界冷却速率越大，就（）形成玻璃。 A、越难 B、越容易 C、很快 D、缓慢 11、晶体结构中一切对称要素的集合称为（）。 A、对称型 B、点群 C、微观对称的要素的集合 D、空间群 12、在ABO3(钙钛矿)型结构中，B离子占有（）。 A、四面体空隙 B、八面体空隙 C、立方体空隙 D、三方柱空隙晶体 三、填空（17分） 1、在玻璃形成过程中，为避免析晶所必须的冷却速率的确定采用（）的方法。 2、a=b≠c α=β=γ=900的晶体属（）晶系。 3、六方紧密堆积的原子密排面是晶体中的（）面，立方紧密堆积的原子密排面是晶体中的

无机材料科学基础课后习题答案(6)

6-1 说明熔体中聚合物形成过程？ 答：聚合物的形成是以硅氧四面体为基础单位，组成大小不同的聚合体。 可分为三个阶段初期：石英的分化； 中期：缩聚并伴随变形； 后期：在一定时间和一定温度下，聚合和解聚达到平衡。6-2 简述影响熔体粘度的因素？ 答：影响熔体粘度的主要因素：温度和熔体的组成。 碱性氧化物含量增加，剧烈降低粘度。 随温度降低，熔体粘度按指数关系递增。 6-3 名词解释（并比较其异同） ⑴晶子学说和无规则网络学说 ⑵单键强 ⑶分化和缩聚 ⑷网络形成剂和网络变性剂

答：⑴晶子学说：玻璃内部是由无数“晶子”组成，微晶子是带有晶格变形的有序区域。它们分散在无定形介中质，晶子向无 定形部分过渡是逐渐完成时，二者没有明显界限。 无规则网络学说：凡是成为玻璃态的物质和相应的晶体结构一样，也是由一个三度空间网络所构成。这种网络是由离子 多面体（三角体或四面体）构筑起来的。晶体结构网 是由多面体无数次有规律重复构成，而玻璃中结构多 面体的重复没有规律性。 ⑵单键强：单键强即为各种化合物分解能与该种化合物配位数的商。 ⑶分化过程：架状[SiO4]断裂称为熔融石英的分化过程。 缩聚过程：分化过程产生的低聚化合物相互发生作用，形成级次较高的聚合物，次过程为缩聚过程。 ⑷网络形成剂：正离子是网络形成离子，对应氧化物能单独形成玻 璃。即凡氧化物的单键能/熔点﹥0.74kJ/mol.k 者称为网 络形成剂。 网络变性剂：这类氧化物不能形成玻璃，但能改变网络结构，从而使玻璃性质改变，即单键强/熔点﹤0.125kJ/mol.k者称 为网络变形剂。

6-4 试用实验方法鉴别晶体SiO2、SiO2玻璃、硅胶和SiO2熔体。它们的结构有什么不同？ 答：利用X—射线检测。 晶体SiO2—质点在三维空间做有规律的排列，各向异性。 SiO2熔体—内部结构为架状，近程有序，远程无序。 SiO2玻璃—各向同性。 硅胶—疏松多孔。 6-5 玻璃的组成是13wt%Na2O、13wt%CaO、74wt%SiO2，计算桥氧分数？ 解： Na2O CaO SiO2 wt% 13 13 74 mol 0.21 0.23 1.23 mol% 12.6 13.8 73.6 R=(12.6+13.8+73.6 ×2)/ 73.6=2.39 ∵Z=4 ∴X=2R﹣Z=2.39×2﹣4=0.72 Y=Z﹣X= 4﹣0.72=3.28 氧桥%=3.28/（3.28×0.5+0.72） =69.5%

无机材料科学基础课后习题答案(6)

6-1 说明熔体中聚合物形成过程？答：聚合物的形成是以硅氧四面体为基础单位，组成大小不同的聚合体。 可分为三个阶段初期：石英的分化； 中期：缩聚并伴随变形； 后期：在一定时间和一定温度下，聚合和解聚达到平衡。 6-2 简述影响熔体粘度的因素？ 答：影响熔体粘度的主要因素：温度和熔体的组成。 碱性氧化物含量增加，剧烈降低粘度。 随温度降低，熔体粘度按指数关系递增。 6-3 名词解释（并比较其异同） ⑴ 晶子学说和无规则网络学说 ⑵ 单键强 ⑶ 分化和缩聚 ⑷ 网络形成剂和网络变性剂答：⑴晶子学说：玻璃内部是由无数“晶子”组成，微晶子是带有晶

格变形的有序区域。它们分散在无定形介中质，晶子向无定形部 分过渡是逐渐完成时，二者没有明显界限。 无规则网络学说：凡是成为玻璃态的物质和相应的晶体结构一样，也是由 一个三度空间网络所构成。这种网络是由离子多面体（三 角体或四面体）构筑起来的。晶体结构网是由多面体无数次 有规律重复构成，而玻璃中结构多面体的重复没有规律 性。 ⑵单键强：单键强即为各种化合物分解能与该种化合物配位数的商。 ⑶分化过程：架状［SQ4］断裂称为熔融石英的分化过程。 缩聚过程：分化过程产生的低聚化合物相互发生作用，形成级次较 高的聚合物，次过程为缩聚过程。 ⑷网络形成剂：正离子是网络形成离子，对应氧化物能单独形成玻 璃。即凡氧化物的单键能/熔点〉0.74kJ/molk者称为网 络形成剂。 网络变性剂：这类氧化物不能形成玻璃，但能改变网络结构，从而 使玻璃性质改变，即单键强/熔点＜ 0.125kJ/molk者称 为网络变形剂。 6-4试用实验方法鉴别晶体 Si。?、SQ2玻璃、硅胶和SiO2熔体。它们的 结构有什么不同？

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2015-2016学年无机材料科学基础试题名词解释（） 1.晶体： 2.固溶体: 3.粘度： 4.热缺陷： 5.对称：物体中相同部分之间的有规律重复。P3 6.木征扩散 7.非木征扩散 &马氏体相变 二?填空题（）为填空所填 0.硅酸盐种类繁多，是水泥，（），（）,耐火材料。 1晶体的基本性质有;结晶均一性，（），（），（），最小内能性。P3 2晶体结构的基木特征，包括（）种晶系，（）种不拉维格了。P15 3.热缺陷有两种基木形式：（）缺陷和（）缺陷P59 4.哥尔徳希密特定律：一个晶体的结构，取决于其组成单位的数目，（）以及（） 5.硅酸盐晶体结构：岛状结构，组群状结构，（），（），（） 6.玻璃的通性：（），（，熔融态向玻璃态转化的可逆与渐变性，和熔融态向玻璃态转化时物理化学性质随温度变化的连续性 7.晶体的微观对称要素有:（）,像移面和（）P18 ）的宏观规律9.引起扩散的推动&菲克第一定律与第二定律分别描述了（）和（ 力是（），（）是扩散的驱动力 10.原了或离了的迁移机构分（）和（） 11.影响扩散的因素有（）（）（）、（） 12.析晶过稈是由（）过稈和（）过程所共同构成的。 13.由相变过稈屮质点的迁移请况，可以将相变分为（）和（）两大类。 14.影响村「晶能力的因素侑熔体组成，（），（）和外加剂。 三.简答 1简述鲍林规则P26 2影响置换固体中溶质原子溶解度的因素是什么？P67 3聚合物形成过程

4?浓度差会引起扩散，扩散是否总是从高浓度处向低浓度处进行？为什么? 四，将题 1 ?假定碳在a -Fe(体心立方)和Y -Fe (面心立方)屮的扩散系数分别为：D a 二0. 0079exp[-83600 (J/mol/RT)cm2/sec； D Y二0. 21exp[-141284(J/mol/RT)cm2/sec HW-800o C时备白的扩散系数并解释其差别 T二800+273二1073K Da 二0. 0079exp[-83600/RT]=6. 77*1 (T (-7)cm2/s D Y二0. 21exp[-141284/RT]二2.1*1(T (-8) cm2/s Da >D Y 扩散介质结构对扩散有很大的煤响，结构疏松，扩散阻力小而扩散系数犬，体心较血心疏松; a -Fe体心立方Y _Fe面心立方 3朴也比帀、址珂并s眸(吉“疾埒理用字珞^J z 土却 W勿柯*)-債你j线屈歸社.cq 3绘煲应八&冋糾七折j甘门巧折禺i步角晚旳彳-.e他0筑遥力2qZ人禺知 4 % p仙兰W今％Z 岔c,氽乙和琢智,在纽乙、冬陀龙少、十H 究唸声歹 爪辰-蒂可j翌仏氏了狂i略心r,从、衣丙国屮、十柿力*)羽斗侈壤:和声-?讨■円■域二界忌/，-打>

陆佩文-无机材料科学基础-习题

第七章 扩散与固相反应 1、名词解释： 非稳定扩散：扩散过程中任一点浓度随时间变化； 稳定扩散：扩散质点浓度分布不随时间变化。 无序扩散：无化学位梯度、浓度梯度、无外场推动力，由热起伏引起的扩散。 质点的扩散是无序的、随机的。 本征扩散：主要出现了肖特基和弗兰克尔点缺陷，由此点缺陷引起的扩散为 本征扩散（空位来源于晶体结构中本征热缺陷而引起的质点迁 移）； 非本征扩散：空位来源于掺杂而引起的质点迁移。 正扩散和逆扩散： 正扩散：当热力学因子时，物质由高浓度处流向低浓度处，扩散结果使溶质 趋于均匀化，D i >0。 逆扩散：当热力学因子 时，物质由低浓度处流向高浓度处，扩散结果使溶质 偏聚或分相，D i <0。 2、简述固体内粒子的迁移方式有几种? 答 易位，环转位，空位扩散，间隙扩散，推填式。 3、说明影响扩散的因素？ 化学键：共价键方向性限制不利间隙扩散，空位扩散为主。金属键离子键以 空位扩散为主，间隙离子较小时以间隙扩散为主。 缺陷：缺陷部位会成为质点扩散的快速通道，有利扩散。 温度：D=D 0exp （-Q/RT ）Q 不变，温度升高扩散系数增大有利扩散。Q 越大 温度变化对扩散系数越敏感。 杂质：杂质与介质形成化合物降低扩散速度；杂质与空位缔合有利扩散；杂 质含量大本征扩散和非本征扩散的温度转折点升高。 扩散物质的性质：扩散质点和介质的性质差异大利于扩散； 扩散介质的结构：结构紧密不利扩散。 4、在KCl 晶体中掺入10-5mo1％CaCl 2，低温时KCl 中的K +离子扩散以非本征 扩散为主，试回答在多高温度以上，K +离子扩散以热缺陷控制的本征扩散为主？（KCl 的肖特基缺陷形成能ΔH s =251kJ/mol ，R=8.314J/mo1·K ） 解：在KCl 晶体中掺入10-5mo1％CaCl 2，缺陷方程为： 则掺杂引起的空位浓度为'710K V -??=?? 欲使扩散以热缺陷为主，则''K K V V ????>????肖 即7exp()102s H RT -?->

无机材料科学基础答案第十章

10-1 名词解释：烧结烧结温度泰曼温度液相烧结固相烧结初次再结晶晶粒长大二次再结晶 （1）烧结：粉末或压坯在低于主要组分熔点的温度下的热处理，目的在于通过颗粒间的冶金结合以提高其强度。 （2）烧结温度：坯体在高温作用下，发生一系列物理化学反应，最后显气孔率接近于零，达到致密程度最大值时，工艺上称此种状态为"烧结"，达到烧结时相应的温度，称为"烧结温度"。 （3）泰曼温度：固体晶格开始明显流动的温度，一般在固体熔点（绝对温度）的2/3处的温度。在煅烧时，固体粒子在塔曼温度之前主要是离子或分子沿晶体表面迁移，在晶格内部空间扩散（容积扩散）和再结晶。而在塔曼温度以上，主要为烧结，结晶黏结长大。 （4）液相烧结：烧结温度高于被烧结体中熔点低的组分从而有液相出现的烧结。 （5）固相烧结：在固态状态下进行的烧结。 （6）初次再结晶：初次再结晶是在已发生塑性变形的基质中出现新生的无应变晶粒的成核和长大过程。 （7）晶粒长大：是指多晶体材料在高温保温过程中系统平均晶粒尺寸逐步上升的现象. （8）二次再结晶：再结晶结束后正常长大被抑制而发生的少数晶粒异常长大的现象。 10-2 烧结推动力是什么？它可凭哪些方式推动物质的迁移，各适用于何种烧结机理? 解：推动力有：（1）粉状物料的表面能与多晶烧结体的晶界能的差值， 烧结推动力与相变和化学反应的能量相比很小，因而不能自发进行，必须加热!! （2）颗粒堆积后，有很多细小气孔弯曲表面由于表面张力而产生压力差， （3）表面能与颗粒之间形成的毛细管力。 传质方式：（1）扩散（表面扩散、界面扩散、体积扩散）；（2）蒸发与凝聚；（3）溶解与沉淀；（4）黏滞流动和塑性流动等，一般烧结过程中各不同阶段有不同的传质机理，即烧结过程中往往有几种传质机理在起作用。 10-3 下列过程中，哪一个能使烧结体强度增大，而不产生坯体宏观上的收缩? 试说明理由。 （1）蒸发－冷凝；（2）体积扩散；（3）粘性流动；（4）晶界扩散；（5）表面扩散；（6）溶解－沉淀

无机材料科学基础教程考试题库

无机材料科学基础试卷7 一、名词解释（20分） 1、正尖晶石、反尖晶石； 2、线缺陷、面缺陷； 3、晶子学说、无规则网络学说； 4、可塑性、晶胞参数； 二、选择题（10分） 1、下列性质中（）不是晶体的基本性质。 A、自限性 B、最小内能性 C、有限性 D、各向异性 2、晶体在三结晶轴上的截距分别为2a、3b、6c。该晶面的晶面指数为（）。 A、（236） B、（326） C、（321） D、（123） 3、依据等径球体的堆积原理得出，六方密堆积的堆积系数（）立方密堆积的堆积系数。 A、大于 B、小于 C、等于 D、不确定 4、某晶体AB，A—的电荷数为1，A—B键的S=1/6，则A+的配位数为（）。 A、4 B、12 C、8 D、6 5、在单位晶胞的CaF2晶体中，其八面体空隙和四面体空隙的数量分别为 （）。 A、4，8 B、8，4 C、1，2 D、2，4 6、在ABO3(钙钛矿)型结构中，B离子占有（）。 A、四面体空隙 B、八面体空隙 C、立方体空隙 D、三方柱空隙晶体 7、在硅酸盐熔体中，当R=O/Si减小时，相应熔体组成和性质发生变化，熔体析晶能力（），熔体的黏度（），低聚物数量（）。 A、增大 B、减小 C、不变 D、不确定 8、当固体表面能为1.2J/m2，液体表面能为0.9 J/m2，液固界面能为1.1 J/m2时， 降低固体表面粗糙度，（）润湿性能。 A、降低 B、改善 C、不影响 9、一种玻璃的组成为32.8%CaO，6.0 Al2O3%，61.2 SiO2%，此玻璃中的Al3+可视为网络（），玻璃结构参数Y=（）。 A、变性离子，3.26 B、形成离子，3.26 C、变性离子，2.34 D、形成离子，2.34 10、黏土泥浆胶溶必须使介质呈（）。 A、酸性 B、碱性 C、中性 11、可以根据3T曲线求出熔体的临界冷却速率。熔体的临界冷却速率越小，就 （）形成玻璃。 A、越难 B、越容易 C、很快 D、缓慢

无机材料科学基础答案..

1、熔体的概念：不同聚合程度的各种聚合物的混合物 硅酸盐熔体的粘度与组成的关系（决定硅酸盐熔体粘度大小的主要因素是硅氧四面体网络连接程度） 在熔体中加入LiO2、Na2O 、K2O 和BaO 、PbO 等，随加入量增加，粘度显著下降。 在含碱金属的硅酸盐熔体中，当Al2O3/Na2O ≤1时，用Al2O3代替SiO2可以起“补 网”作用，从而提高粘度。一般加入 Al2O3、SiO2和ZrO2有类似的效果。流动度为粘度的倒数，Φ＝粘度的理论解释：绝对速度理论 η＝η０exp(ΔE/kT) 自由体积理论 ＝B exp ［］＝Ａexp( ) 过剩熵理论＝Cexp ［］＝Cexp （）2、非晶态物质的特点 ：近程有序，远程无序3、玻璃的通性 (1)各向同性（若有应力，为各向异性） （2）介稳性 （3）熔融态向玻璃态转化的可逆与渐变性 (4)、熔融态向玻璃态转化时其物化性质随温度变化的连续性 4、Tg 、Tf , 相对应的粘度和特点 钠钙硅酸盐熔体粘度与温度关系表明：熔融温度范围内，粘度为 50~500dPa ·s 。工作温度范围粘度较高，约103~107dPa ·s 。退火温度范围粘度更高，约 1012.5~1013.5 dPa ·s 。 Tg-脆性温度、退火温度，Tf-软化温度、可拉丝的最低温度5、 单键强度 > 335 kJ/mol(或80 kcal/mol)的氧化物——网络形成体。单键强度< 250 kJ/mol(或60 kcal/mol)的氧化物——网络变性体。 在250～335 kJ/mol 为——中间体，其作用介于玻璃的网络形成体和网络变性体之间。 6、玻璃形成的热力学观点： 熔体是物质在 TM 以上存在的一种高能状态。据随温度降低，熔体释放能量大小不同，冷却途径分为结晶化,玻璃化，分相 ΔGv 越大析晶动力越大，越不容易形成玻璃。 ΔGv 越小析晶动力越小，越容易形成玻璃。 玻璃形成的动力学观点：＝单键强度正离子的配位数 氧化物分解能 )(00T T KV 0T T B )(0T T C D P 0 T T B 1

无机材料科学基础综合测试9

测试九问答与计算 1．（5分）Si和Al的原子量非常接近（分别为28.09和26.98），但SiO 2及Al 2 O 3 的密度相差很大（分别为 2.65 g/cm3及 3.96 g/cm3）试运用晶体结构 及鲍林规则说明这一差别。 2．（15分）石墨、云母和高岭石具有相似的结构，请分析它们结构的区别以及由此引起的性质上的差异。 3．（1）（5分）在MgO晶体中，肖特基缺陷的生成能为6 ev，分别计算 25 ℃和 1600℃时热缺陷的浓度。（2）（5分）如果MgO晶体中，含有百万分 之一的Al 2O 3 杂质，则在 1600 ℃时，MgO晶体中是热缺陷占优势还是杂质缺陷占优势？请说明原因。 4．（15分）非化学计量缺陷的浓度与周围气氛的性质、压力大小相关，如果增大周围氧气的分压，非化学计量化合物的密度将发生怎样的变化？为什么？ 5．（10分）在组成为16Na 2O.xB 2 O 3 .(84-x)SiO 2 的熔体中，当x<15 mol％时，增加B 2 O 3 的含量使粘度升高；当x> 15mol％时，增加B 2 O 3 的含量，反而会使 粘度降低，为什么？ 6．（10分）用Na 2CO 3 和Na 2 SiO 3 分别稀释同一粘土泥浆，试比较电解质加入量相同时，两种泥浆的流动性、触变性和坯体致密度的大小。 7．（10分）试说明中各项所代表的意义，并解释同样是间隙扩散机构，为什么在相同的温度下，杂质在介质中的扩散系数比介质本身形成间隙离子的扩散系数大？ 8．（10分）扩散系数与哪些因素有关？为什么？为什么可以认为浓度梯度大小基本上不影响D值，但浓度梯度大则扩散得快又如何解释？ 9．（1）（8分）当测量氧化铝－水化物的分解速率时，一个学生发现在等温实验期间，重量损失随时间线性增加到50％左右。超出50％时重量损失的速率就小于线性规律。线性等温速率随温度指数地增加，温度从 451℃增加到 493℃时速率增大10倍，试计算反应活化能。（2）（7分）何谓矿化剂？在固相反应中加入少量矿化剂可促进反应加速进行，解释其原因。 10．（10分）为什么在成核生长机理相变中，要有一点过冷或过热才能发生相变？什么情况下需要过冷，什么情况下需要过热？ 11．（10分）当球形晶核在液态中形成时，整个自由焓的变化ΔG＝4πr2γ+4/3πr3ΔGv，式中r为球形晶核的半径，γ为液态中晶核的表面能，ΔGv为 液相中单位体积晶核形成的体积自由焓变。求证晶核的临界半径r c 和成核势垒ΔG c 。如在液态中形成边长为a的立方体晶核时，求晶核的临界立方体边长a c 和成核势垒ΔG c 。 12．（10分）在 1500 ℃MgO正常晶粒长大期间，观察到晶体在 1小时内从 1 μm直径长大到10 μm。如已知晶界扩散能为60 kcal/mol，试推测在 1600 ℃下 4小时后晶粒的大小，并解释为什么在烧结粉末体中加入少量添加物可促进烧结？