结晶学基础
晶体与非晶体
晶体（crystal）是内部质点(原子、离子或分子)在三维空间周期性地重复排列构成的固体物质。
内部质点不作规则排列，不具有格子构造的固体，称为非晶体
对称要素和对称型及其表示
在进行对称操作时所借助的几何要素——点、线、面等，称为对称要素。
微观对称要素主要有以下三种
平移轴：是一直线方向，相应的对称变换为沿此直线方向平移一定的距离。
螺旋轴：也是一种复合的对称要素，其辅助几何要素为一根假想的直线及与之平行的直线方向。相应的对称变换是绕此直线旋转一定角度和沿此直线方向平移的结合（左旋和右旋）。
滑移面（象移面）：是一种复合的对称要素，其辅助几何要素有两个，一个假想的平面和平行此平面的某一
直线方向。相应的对称变换是对此平面的反映和沿此直线方向平移的联合。
对称型：对称要素的组合（集合），包含了晶体中全部对称要素的总和及其相互间的组合，又称为点群。
晶体的对称分类（原则和分类体系）
分类原则
晶族的划分：根据有无高次轴及其数目分为高级、中级和低级晶族。
晶系的划分：根据对称型的具体特点（Ln、Lin的
轴次和数目）分为七个晶系。
具体分类（见表）
晶体定向原则及结晶符号
晶体的定向就是选择结晶轴、建立坐标轴，通常有三轴定向（米氏定向）和四轴定向（布拉维定向）
结晶符号
结晶符号：表示晶面、晶棱等在晶体上方位的简单的数字符号。
晶面符号（米氏符号）：由晶面在三个坐标轴的截距系数p、q、r的倒数比，经简化后按a、b、c轴次序连写在一起，再加小括号而得。其通式(hkl)，其中h、k、l称为晶面的米氏指数。
结晶轴与对称轴
结晶轴又称之为晶轴，按一定法则在晶体中人为地选择的三根（或四根）坐标轴。通常，具有最高对称次数之轴，选作结晶轴之一。
对称轴(symmetry axis) （Ln）：是一假想的直线，相应的对称操作为围绕此直线的旋转后，可使相同部分重复。旋转一周重复的次数称为轴次n。重复时所旋
转的最小角度称基转角α。两者之间的关系为n=360°/α。
七大晶系及其特点
见图。
晶胞与空间格子（单位平行六面体）
构成晶格的最基本的几何单元称为晶胞（Unit Cell），
其形状、大小与空间格子的平行六面体单位相同，保留了整个晶格的所有特征。
空间格子（lattice）就是表示晶体内部结构中质点周期性重复排列规律的几何图形。
平行六面体：空间格子的最小组成单元，即空间格子由一系列平行排列的平行六面体组成，这样的六面体称为晶胞。
晶体化学
等大球体紧密堆积的基本形式及所形成的空隙类型
堆积方式
六方最紧密堆积：ABAB……紧密堆积方式，其球体在空间的分布与六方空间格子相对应，最紧密堆积层//（0001），金属锇、铱等；
立方最紧密堆积：ABCABC……紧密堆积方式，其球体在空间的分布与立方面心空间格子相对应，最紧密堆积层//（111），金属铜、金、铂等。
空隙（以六方最紧密堆积为例）
–在最紧密堆积中存在两种空隙：四面体和八面体空隙，分别由四个球和六个球的中心连线构成。
–每个球周围存在六个八面体空隙和8个四面体空隙，但分别由6、4个球体所共有。
若晶体由n个等大球体作最紧密堆积时，就必定有n 个八面体空隙和2n个四面体空隙。
配位数（CN）与配位多面体及其形状，影响配位体形状的主要影响因素
配位多面体的形状有三角形、四面体、八面体、立方体、三方柱、直线等
正负离子半径比：R+/R-增大，正离子CN增加。
（离子极化及其对晶体结构和性质的影响）
离子极化：离子在外电场作用下改变其形状和大小。每个离子都有极化和被极化现象，即极化包括这两个过程。
极化会导致离子间距离缩短，离子配位数降低；同时变形的电子云相互重叠，使键性由离子键向共价键过渡，最终使晶体结构类型发生变化。使其正负电荷中心不重合，产生电偶极矩。
离子极化对化合物性质的影响
1、化合物的溶解度降低
离子的相互极化改变了彼此的电荷分布，导致离子间距离的缩短和轨道的重叠，离子键逐渐向共价键过渡，使化合物在水中的溶解度变小。由于偶极水分子的吸引，离子键结合的无机化合物一般是可溶于水的，而共价型的无机晶体，却难溶于水。
2、晶格类型的转变
由于相互极化作用，AgF（离子型）→AgCl→AgBr→Agl （共价型），键型的过渡缩短了离子间的距离，晶体的配位数要发生变化。
3、导致化合物颜色的加深
同一类型的化合物离子相互极化越强，颜色越深
AgF(乳白)、AgCl(白)、AgBr(浅黄)、Agl(黄)。
同质多像（多晶型现象）与类质同像
相同的化学组成，具有不同的晶体结构的现象。转变过程中配位数不同、堆积方式不同和键长、键角不同。一般而言，位移性转变比重组性转变要快。
晶体结构中的某些离子、原子或分子的位置，一部分被性质相近的其他离子、原子或分子所占据，但晶体结构型式、化学键类型及离子正负电荷的平衡保持不变或基本不变，仅晶胞参数和物理性质（如折射率、密度等）随置换数量的改变而作线性变化的现象
典型晶体结构
晶体结构表示方法（或方式）
晶体结构的描述通常有三种方法：
1、坐标法：给出单位晶胞中各质点的空间坐标，这种方法最规范。
2、球体紧密堆积法：对金属晶体和一些离子晶体的结构描述非常有用。金属原子往往按紧密堆积排列，离子晶体可以看成阴离子作紧密堆积，阳离子充填其空隙。
3、配位多面体及连接方式法：适用于结构比较复杂的晶体，易于认识和理解晶体结构，如硅酸盐晶体结构。对于简单的晶体结构，这种方法并不一定方便。
典型结构（金刚石、石墨、闪锌矿型与纤锌矿型、萤石型与反萤石型、正尖晶石型与反尖晶石型）
1金刚石：等轴晶系，Fd3m空间群，立方面心格子。晶形（八面体、菱形十二面体、立方体、六四面体等）。硬度最高，导热性极好，具半导体性能，解理。
2石墨：六方晶系。性质：硬度低，易加工，熔点高，有润滑感，导电性能好，解理极完全。
3闪锌矿型：立方晶系，纤锌矿型：六方晶系，热释电性，可产生声电效应。
4萤石晶体结构：立方晶系Fm3m空间群，立方面心格子。Ca2+的配位数为8，而F-的配位数是4。萤石的硬度为莫氏4级，熔点1410℃，密度3.18g/cm3，水中溶解度0.002。
5反萤石型结构：结构与萤石完全相同，只是阴、阳离子的位置完全互换的晶体，如Li2O、Na2O、K2O等。其中Li+、Na+、K+离子占有萤石结构中F-的位置，而O2-离子占Ca2+的位置。
由于萤石结构中有一半的立方体空隙没有被Ca 2+填充，所以，在{111}面网方向上存在着相互毗邻的同号离子层，其静电斥力将起主要作用，导致晶体在平行于{111}面网的方向上易发生解理，因此萤石常呈八面
体解理。
晶体结构与性质的关系（解理、硬度、熔点、溶解性、导热性、导电性等）
硅酸盐结构
硅氧骨干的类型及特点
1岛状硅氧骨干：Si-O四面体以孤立状态存在，被其他阳离子所隔开，硅氧四面体之间没有共用氧，Si：O=1：4。
2组群状硅氧骨干：2、3、4、6个硅氧四面体通过共用氧硅氧四面体群体，群体之间由其他阳离子按一定的配位形式连接起来。两个[Si-O]四面体——双四面体[Si2O7]，Si：O=2：7；3、4、6个则形成封闭的三环、四环、六环及六方双环，Si：O=1：3。
3链状硅氧骨干：[Si-O]以共角顶方式连接成沿一个方向无限延伸的链，常见的有单链和双链，链与链之间通过其他阳离子按一定的配位关系连接起来。
4层状硅氧骨干：[Si-O]四面体以角顶相连，在两度空间上形成无限延伸的层，[Si-O]四面体以三个角顶（O）与相邻[Si-O]相连。
5架状硅氧骨干：每个[Si-O4]四面体的四个角顶都与相邻的[Si-O4]四面体相连，排列成三维空间的“架”，每个氧与两个硅相连，所有的氧都为桥氧，如SiO2。在架状硅酸盐的硅氧骨干中，必须有部分Si4+被Al3 所替代，氧出现的剩余电荷与其他阳离子相连，这些阳离子一般为离子半径大、电荷低的阳离子，如
K+、Na+、Ca2+、Ba2+等。
（桥氧与非桥氧）
桥氧：连接两个[Si-O]四面体的氧，电价饱和，称
为桥氧或惰性氧。
非桥氧：只位于一个[Si-O]四面体角顶的氧，称为非桥氧、活性氧、端氧或自由氧。
1：1型层状结构与2：1型层状结构及其典型的硅酸盐结构（高岭石与蒙脱石）
层状硅酸盐结构中基本单元层由一层四面体层和一层八面体层相连而形成的，称为1：1型或双层结构或单网层层状结构；
由两层四面体夹一层八面体构成层状结构称为2：1
型或三层型或复网层层状结构；
层与层之间只能以微弱的分子键或OH-产生的氢键来
联系，键力弱，结构单元之间可能存在水分子，若有类质同象替代，Al3+→Si4+，Mg2+、Fe2+→Al3+，结
构单位中电荷失衡，则进入一些电价低、离子半径大的阳离子，如K+、Na+或水化阳离子。
高岭石结构
高岭石的化学式为A14(Si4O10)·(OH)8。其结构属于
三斜晶系，C1空间群。a0＝0.5139nm，b0＝0.8932nm，c0＝0.7371nm，α＝91°36′，β＝104°48′，γ
＝89°54′；Z＝1高岭石结构是1 :1型，是一层硅氧四面体和一层铝氧八面体相连。在铝氧八面体层中，每一个Al3+离子和四个OH-离子以及二个O2-离子相连。这种两层型结构单位在ab平面内无限伸展，在c 轴方向是两层的结构单位重复排列。
蒙脱石结构
蒙脱石的化学式为(MxnH2O)(A12-xMgx)(Si4O10)(OH)2。其结构属于单斜晶系C2／m空间群；a0=0.523nm，
b0=0.906nm，c0值可变，单位晶胞中Z＝2。蒙脱石是2：1型结构，即两层硅氧四面体中间夹一层铝氧八面体层。在铝氧八面体层中，大约有的A13+被Mg2+离
子所取代，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。由于结构中Al3+可被Mg2+取代，使复网层并不呈电中性，带有少量负电荷（一般为-0.33e，也可有很大变化）；因而复网层之间有斥力，使略带正电性的水化正离子易于进入层间；与此同时，水分子也易渗透进入层间，使晶胞c轴膨胀，随含水量变化，由0.960nm变化至2.140nm因此，蒙脱石又称为澎润土。
二八面体与三八面体
二八面体：八面体以共棱方式相连，八面体中的O2-只被两个阳离子所共有，如[Al-O6]八面体，只有2/3的八面体空隙被填充。
三八面体：八面体以共棱方式相连，八面体中的O2-被三个阳离子所共有，如[Mg-O6]八面体，八面体空隙全部被金属离子所占据。
位移性转变与重组性转变
位移性转变：石英变体中纵向之间的变化均不涉及晶体结构中键的破裂和重建，转变过程迅速而可逆，往往只是键之间的角度稍变而已。
重建型转变：横向之间的转变涉及到键的破裂和重建，其过程相当缓慢。
以典型硅酸盐矿物为例说明不同类型硅酸盐结构，并说明结构与性质的关系
岛状硅酸盐：结构中每个O2-离子同时和1个[SiO4]和3个[MgO6]相连接，因此，O2-的电价是饱和的，晶体结构稳定。由于Mg-O键和Si-O键都比较强，所以，镁橄榄石表现出较高的硬度，熔点达到1890℃，是镁质耐火材料的主要矿物。同时，由于结构中各个方向上键力分布比较均匀，所以，橄榄石结构没有明显的解理，破碎后呈现粒状。
组群状硅酸盐：绿柱石结构的六节环内没有其它离子存在，使晶体结构中存在大的环形空腔。当有电价低、半径小的离子（如Na+）存在时，在直流电场中，晶体会表现出显著的离子电导，在交流电场中会有较大的介电损耗；当晶体受热时，质点热振动的振幅增大，大的空腔使晶体不会有明显的膨胀，因而表现出较小的膨胀系数。结晶学方面，绿柱石的晶体常呈现六方或复六方柱晶形。
链状硅酸盐：具有良好的电绝缘性能，是高频无线电陶瓷和微晶玻璃的主要晶相。柱状解理，柱状或纤维状结晶习性。
层状硅酸盐：蒙脱石晶胞c轴长度随含水量而变化，甚至空气湿度的波动也能导致c轴参数的变化，所以，晶体易于膨胀或压缩。加水膨胀，加热脱水并产生较大收缩，一直干燥到脱去结构水之前，其晶格结构不会被破坏。随层间水进入的正离子使复网层电价平衡，它们易于被交换，使矿物具有很高的阳离子交换能力。架状结构（石英和长石等）：SiO2结构中Si-O键的强度很高，键力分别在三维空间比较均匀，因此SiO2晶体的熔点高、硬度大、化学稳定性好，无明显解理。
硅酸盐结构的共性及变化规律
—化学成分
—类型与Si/O比例关系
硅酸盐结构中，Si-O键性质与结构中其他阳离子和Si：O有关。不同Si-O骨干中Si：O的比值见下表。从孤立四面体到架状硅氧骨干Si：O由4：16递增到4：8，在Si-O-A关系中，Si-O作用递增，而O-A作用递减，从而使Si的离子化趋势逐渐增强。
—Si-O键性及Si-O-Si键角的变化
—Al的作用
—离子替代规律离子堆积等
离子堆积
硅酸盐结构中，离子堆积情况与硅氧骨干型式有关。岛状硅酸盐中，离子作紧密堆积，当阳离子的配位数为4或6、阴阳离子半径比值也与配位数相符合的情况下，氧离子作最紧密堆积；当阳离子的配位数大于6，则氧离子不作紧密堆积，但整个结构仍为紧密堆积。环状硅酸盐结构中，环与环之间平行排列，且尽可能排列得最紧密，氧离子不做紧密堆积。链状和层状硅酸盐，硅氧骨干彼此平行排列，并尽可能紧密。架状硅酸盐中，离子不作紧密堆积。
SiO2 的主要变体及其结构特点
石英的三个主要变体：α-石英、α-鳞石英和α-方石英。在α-石英中，相当于以共用氧为对称中心的两个硅氧四面体中，Si-O-Si键由180°转变为150°。在α-鳞石英中，两个共角顶的硅氧四面体的连接方式相当于中间有一个对称面。在α-方石英中，两个共角顶的硅氧四面体相连，相当于以共用氧为对称中心。
结构缺陷
晶体结构缺陷及其类型
按几何形状：点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷等。按形成原因：热缺陷、杂质缺陷、非化学计量缺陷和其它原因的缺陷等。
点缺陷的类型
填隙质点：原子或离子进入晶体中正常结点之间的间隙位置，成为填隙质点或称间隙质点。
空位：正常结点没有被原子或离子所占据，成为空结
点，称为空位。
杂质质点：外来原子或离子进入晶格就成为晶体中的杂质。这种杂质原子或离子可以取代原来晶格中的原子或离子而进入正常结点的位置，这称为取代原子或离子，也可以进入本来就没有原子的间隙位置生成间隙式杂质质点。
热缺陷（本征缺陷）
当晶体的温度高于绝对0K时，由于晶格内原子热振动，使一部分能量较大的原子离开平衡位置造成缺陷，这种缺陷称为热缺陷。弗伦克尔缺陷和肖特基缺陷。
点缺陷的表示方式
用一个主要符号来表明缺陷的种类，而用一个下标来表示这个缺陷的位置。缺陷的有效电荷在符号的上标表示。如用上标“·”表示有效正电荷，用“′”表示有效负电荷，用“×”表示有效零电荷。
VM和VX分别表示M原子位置和X原子位置是空的。Mi和Xi分别表示M及X原子处在晶格间隙位置。
MX的含义是M原子占据X原子的位置。（CaZr 表示
Ca2+离子占据Zr4+离子位置）。
（缺陷反应方程的书写原则）
（缺陷反应的实例（会写并判断合理性））
（位错的类型）
固溶体与非化学计量化合
物
固溶体与非化学计量化合物
凡在固态条件下，一种组分(溶剂)内“溶解”了其它组分(溶质)而形成的单一、均匀的晶态固体称为固溶体，单相均匀的晶态物质，结构与主晶相相同。
在普通化学中，定比定律认为，化合物中不同原子的数量要保持固定的比例。但在实际的化合物，有一些并不符合定比定律，正、负离子的比例并不是一个简
单的固定比例关系。这些化合物称为非化学计量化合物。
固溶体与类质同象
形成固溶体后对晶体性质的影响
1、稳定晶格，阻止某些晶型转变的发生
2、活化晶格
3、固溶强化
4、形成固溶体后对材料物理性质的影响
固溶体的类型
1按溶质原子在溶剂晶格中的位置划分
取代(置换)型的固溶体：溶质原子进入晶体后，可以进入原来晶体中正常格点位置——类质同象。
填隙型固溶体：杂质原子如果进入溶剂晶格中的
间隙位置。
2按溶质原子在溶剂晶体中的溶解度分类
连续固溶体：是指溶质和溶剂可以按任意比例相互固溶。
有限固溶体：则表示溶质只能以一定的限量溶入溶剂，
第三章练习题1 一、填空题 1.玻璃具有下列通性：各向同性、介稳性、熔融态向玻璃态转化的可逆与渐变性、熔融态向玻璃态转化时物理、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，体系的粘度低、析晶能力大。 3.物质在熔点时的粘度越高越容易形成玻璃，Tg/Tm 大于2/3(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结晶化、玻璃化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Li2O < Na2O < K2O。 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R2+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，B3+开始处于[BO3]三角形中使结构网络疏松，粘度下降。 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■■■■■■■■■■■■
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
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
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）、
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。
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
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。
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
6-1 略。 6-2 什么是吉布斯相律？它有什么实际意义？ 解：相律是吉布斯根据热力学原理得出的相平衡基本定律，又称吉布斯相律，用于描述达到相平衡时系统中自由度数与组分数和相数之间的关系。一般形式的数学表达式为F＝C－P＋2。其中F为自由度数，C为组分数，P为相数，2代表温度和压力两个变量。应用相率可以很方便地确定平衡体系的自由度数。 6-3 固体硫有两种晶型，即单斜硫、斜方硫，因此，硫系统可能有四个相，如果某人实验得到这四个相平衡共存，试判断这个实验有无问题？ 解：有问题，根据相律，F=C-P+2=1-P+2=3-P，系统平衡时，F=0 ，则P=3 ，硫系统只能是三相平衡系统。 图 6-1 图6-2 6-4 如图6-1是钙长石（CaAl2Si2O）的单元系统相图，请根据相图回解：（1）六方、正交和三斜钙长石的熔点各是多少？（2）三斜和六方晶型的转变是可逆的还是不可逆的？你是如何判断出来的？（3）正交晶型是热力学稳定态？还是介稳态？ 解：（1）六方钙长石熔点约1300℃（B点），正钙长石熔点约1180℃（C点），三斜钙长石的熔点约为1750℃（A点）。 （2）三斜与六方晶型的转变是可逆的。因为六方晶型加热到转变温度会转变成三斜晶型，而高温稳定的三斜晶型冷却到转变温度又会转变成六方晶型。 （3）正交晶型是介稳态。
6-5 图6-2是具有多晶转变的某物质的相图，其中DEF线是熔体的蒸发曲线。 KE是晶型 I的升华曲线；GF是晶型II的升华曲线；JG是晶型III的升华曲线，回答下列问题：（1）在图中标明各相的相区，并写出图中各无变量点的相平衡关系；（2）系统中哪种晶型为稳定相？哪种晶型为介稳相？（3）各晶型之间的转变是可逆转变还是不可逆转变？ 解：（1）KEC为晶型Ⅰ的相区，EFBC 过冷液体的介稳区，AGFB晶型Ⅱ的介稳区， JGA晶型Ⅲ的介稳区，CED是液相区，KED是气相区； （2）晶型Ⅰ为稳定相，晶型Ⅱ、Ⅲ为介稳相；因为晶型Ⅱ、Ⅲ的蒸汽压高于晶型Ⅰ的，即它们的自由能较高，有自发转变为自由能较低的晶型Ⅰ的趋势； （3）晶型Ⅰ转变为晶型Ⅱ、Ⅲ是单向的，不可逆的，多晶转变点的温度高于两种晶型的熔点；晶型Ⅱ、Ⅲ之间的转变是可逆的，双向的，多晶转变点温度低于Ⅱ、Ⅲ的熔点。 6-6 在SiO2系统相图中，找出两个可逆多晶转变和两个不可逆多晶转变的例子。 解：可逆多晶转变：β-石英←→α-石英α-石英←→α-鳞石英 不可逆多晶转变：β-方石英←→β-石英γ-鳞石英←→β-石英 6-7 C2S有哪几种晶型？在加热和冷却过程中它们如何转变？β-C2S为什么能自发地转变成γ-C2S？在生产中如何防止β-C2S 转变为γ-C2S？ 解：C2S有、、、四种晶型，它们之间的转变如右图所示。由于β-C2S 是一种热力学非平衡态，没有能稳定存在的温度区间，因而在相图上没有出现β-C2S的相区。C3S和β-C2S 是硅酸盐水泥中含量最高的两种水硬性矿物，但当水泥熟料缓慢冷却时，C3S将会分解，β-C2S将转变为无水硬活性的γ-C2S。为了避免这种情况的发生，生产上采取急冷措施，将C3S和β-C2S迅速越过分解温度或晶型转变温度，在低温下以介稳态保存下来。
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
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
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%
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）
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？
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
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 -?->
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