无机非金属材料科学基础答案最终版
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无机材料科学基础课后习题答案3
⽆机材料科学基础课后习题答案33-1 名词解释（a）萤⽯型和反萤⽯型（b）类质同晶和同质多晶（c）⼆⼋⾯体型与三⼋⾯体型（d）同晶取代与阳离⼦交换（e）尖晶⽯与反尖晶⽯答：（a）萤⽯型：CaF2型结构中，Ca2+按⾯⼼⽴⽅紧密排列，F-占据晶胞中全部四⾯体空隙。
反萤⽯型：阳离⼦和阴离⼦的位置与CaF2型结构完全相反，即碱⾦属离⼦占据F-的位置，O2-占据Ca2+的位置。
（b）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。
（c）⼆⼋⾯体型：在层状硅酸盐矿物中，若有三分之⼆的⼋⾯体空隙被阳离⼦所填充称为⼆⼋⾯体型结构三⼋⾯体型：在层状硅酸盐矿物中，若全部的⼋⾯体空隙被阳离⼦所填充称为三⼋⾯体型结构。
（d）同晶取代：杂质离⼦取代晶体结构中某⼀结点上的离⼦⽽不改变晶体结构类型的现象。
阳离⼦交换：在粘⼟矿物中，当结构中的同晶取代主要发⽣在铝氧层时，⼀些电价低、半径⼤的阳离⼦（如K+、Na+等）将进⼊晶体结构来平衡多余的负电荷，它们与晶体的结合不很牢固，在⼀定条件下可以被其它阳离⼦交换。
（e）正尖晶⽯：在AB2O4尖晶⽯型晶体结构中，若A2+分布在四⾯体空隙、⽽B3+分布于⼋⾯体空隙，称为正尖晶⽯；反尖晶⽯：若A2+分布在⼋⾯体空隙、⽽B3+⼀半分布于四⾯体空隙另⼀半分布于⼋⾯体空隙，通式为B(AB)O4，称为反尖晶⽯。
3-2 （a）在氧离⼦⾯⼼⽴⽅密堆积的晶胞中，画出适合氧离⼦位置的间隙类型及位置，⼋⾯体间隙位置数与氧离⼦数之⽐为若⼲？四⾯体间隙位置数与氧离⼦数之⽐⼜为若⼲？（b）在氧离⼦⾯⼼⽴⽅密堆积结构中，对于获得稳定结构各需何种价离⼦，其中：（1）所有⼋⾯体间隙位置均填满；（2）所有四⾯体间隙位置均填满；（3）填满⼀半⼋⾯体间隙位置；（4）填满⼀半四⾯体间隙位置。
无机材料科学基础课后习题答案
名师整理优秀资源4.1 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。
4.2试述晶体结构中点缺陷的类型。
以通用的表示法写出晶体中各种点缺陷的表示符号。
试举例写出CaCl2中Ca2+置换KCl中K+或进入到KCl间隙中去的两种点缺陷反应表示式。
解：晶体结构中的点缺陷类型共分：间隙原子、空位和杂质原子等三种。
在MX晶体中，间隙原子的表示符号为MI或XI；空位缺陷的表示符号为：VM或VX。
如果进入MX晶体的杂质原子是A，则其表示符号可写成：AM或AX（取代式）以及Ai（间隙式）。
当CaCl2中Ca2+置换KCl中K+而出现点缺陷，其缺陷反应式如下：++2Cl CaCl Cl2CaCl2中Ca2+进入到KCl间隙中而形成点缺陷的反应式为：+2CaCl+2Cl Cl24.3在缺陷反应方程式中，所谓位置平衡、电中性、质量平衡是指什么？解：位置平衡是指在化合物MaXb中，M格点数与X格点数保持正确。
电中性是指在方程式两边应具有相同的b：X=a：M的比例关系，即．名师整理优秀资源有效电荷。
质量平衡是指方程式两边应保持物质质量的守恒。
4.4（a）在MgO晶体中，肖特基缺陷的生成能为6ev，计算在25℃和1600℃时热缺陷的浓度。
（b）如果MgO晶体中，含有百万分之一mol的Al2O3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？说明原因。
解：（a）根据热缺陷浓度公式：（－）exp由题意△G=6ev=6×1.602×10-19=9.612×10-19JK=1.38×10-23 J/KT1=25+273=298K T2=1600+273=1873K-5110=1.92：×exp 298K-9×10=8exp1873K：（b）在MgO中加入百万分之一的Al2O3杂质，缺陷反应方程为：[ ]杂质。
无机非金属材料科学基础答案6~10部分
第六章6-4 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。
6-6 根据Al2O3－SiO2系统相图说明：（1）铝硅质耐火材料：硅砖（含SiO2＞98％）、粘土砖（含Al2O335％～50％）、高铝砖（含Al2O360％～90％）、刚玉砖（含Al2O3＞90％）内，各有哪些主要的晶相？（2）为了保持较高的耐火度，在生产硅砖时应注意什么？（3）若耐火材料出现40％的液相便软化不能使用，试计算含40mol％Al2O3的粘土砖的最高使用温度。
解：（1）硅砖（含SiO2>98%）主要晶相： SiO2、2Al2O3·2SiO3固溶体（莫来石），粘土砖（含Al20335 ～50%）主要晶相：SiO2、A3S2，高铝砖（含Al20360 ～90%）主要晶相：60～72%A3S2 72 ～90% Al2O3、A3S2。
（2）为了保持硅砖的耐火度，要严格防止原料中混如Al203。
SiO2熔点为1723 ℃，SiO2液相很陡，加入少量的Al203后，硅砖中会产生大量的液相，SiO2的熔点剧烈下降。
如加入1wt% Al203，在低共熔点（1595 ℃）时产生的液相量为1/5.5=18.2% ，会使硅砖的耐火度大大下降；（3）根据相图，当出现40%液相时，由杆杠规则可知，，得x=0.1, 在相图中作出析晶路线，可以估计出粘土砖的最高温度约为1670 ℃。
6-9图6-15为生成2个一致熔融二元化合物的三元系统，据图回答下列问题：（l）可将其划分为几个副三角形？（2）标出图中各边界及相区界线上温度下降方向。
（3）判断各无变量点的性质，并写出相平衡关系式。
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长春理工大学无机材料科学基础教程Inorganic materials science-based tutorial——制作人：左手天堂班级：0906112时间：2011.09.10第三章3-1 名词解释（a）萤石型和反萤石型（b）类质同晶和同质多晶（c）二八面体型与三八面体型（d）同晶取代与阳离子交换（e）尖晶石与反尖晶石答：（a）萤石型：CaF2型结构中，Ca2+按面心立方紧密排列，F-占据晶胞中全部四面体空隙。
反萤石型：阳离子和阴离子的位置与CaF2型结构完全相反，即碱金属离子占据F-的位置，O2-占据Ca2+的位置。
（b）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。
（c）二八面体型：在层状硅酸盐矿物中，若有三分之二的八面体空隙被阳离子所填充称为二八面体型结构三八面体型：在层状硅酸盐矿物中，若全部的八面体空隙被阳离子所填充称为三八面体型结构。
（d）同晶取代：杂质离子取代晶体结构中某一结点上的离子而不改变晶体结构类型的现象。
阳离子交换：在粘土矿物中，当结构中的同晶取代主要发生在铝氧层时，一些电价低、半径大的阳离子（如K+、Na+等）将进入晶体结构来平衡多余的负电荷，它们与晶体的结合不很牢固，在一定条件下可以被其它阳离子交换。
（e）正尖晶石：在AB2O4尖晶石型晶体结构中，若A2+分布在四面体空隙、而B3+分布于八面体空隙，称为正尖晶石；反尖晶石：若A2+分布在八面体空隙、而B3+一半分布于四面体空隙另一半分布于八面体空隙，通式为B(AB)O4，称为反尖晶石。
3-2 （a）在氧离子面心立方密堆积的晶胞中，画出适合氧离子位置的间隙类型及位置，八面体间隙位置数与氧离子数之比为若干？四面体间隙位置数与氧离子数之比又为若干？（b）在氧离子面心立方密堆积结构中，对于获得稳定结构各需何种价离子，其中：（1）所有八面体间隙位置均填满；（2）所有四面体间隙位置均填满；（3）填满一半八面体间隙位置；（4）填满一半四面体间隙位置。
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请根据已给出的诸点完成此相图的草图。
解草图如下图6-6 6-12已知A和B两组成构成具有低共熔点的有限固溶体的二元系统。
试根据下列实验数据绘制粗略相图。
已知A的熔点为1000℃，B熔点为700℃。
含B为25mol％的试样在500℃完全凝固，其中含73.3mol％初晶相SA（B）和26.7mol％（SA（B）＋SB（A））共生体。
无机材料科学基础课后答案
第六章答案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为自由度变量。
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。
已知C1中B含量是C2中B含量的1.5倍，且在达低共熔点温度前的冷却析晶过程中，从该二配料中析出的初晶相含量相等。
试计算C1和C2的组成。
图6-5解设A－B二元相图中组成以质量百分数表示。
和两种配料量均为G（kg）。
据题意，初相在低共溶点前析出，则和二配料组成必在AP之间（若在PB之间，初相比在转熔点P前析出）。
第四图错，具有低共熔点的有限固溶体二元系统相图中γ固溶体不可能存在。
第五图错，具有转熔点的有限固溶体二元系统相图中γ固溶体不可能存在。
6-9根据图6-4所示的二元系统相图回解（1）注明各相区；（2）写出无变量点的性质及其相平衡关系；（3）写出M1和M2熔体的平衡冷却析晶过程；（4）计算从熔体刚冷至TP温度及离开TP温度时系统中存在各相的百分含量。
解草图如下图6-6 6-12已知A和B两组成构成具有低共熔点的有限固溶体的二元系统。
试根据下列实验数据绘制粗略相图。
已知A的熔点为1000℃，B熔点为700℃。
含B为25mol％的试样在500℃完全凝固，其中含73.3mol％初晶相SA（B）和26.7mol％（SA（B）＋SB（A））共生体。
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第六章答案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为自由度变量。
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。
已知C1中B含量是C2中B含量的1.5倍，且在达低共熔点温度前的冷却析晶过程中，从该二配料中析出的初晶相含量相等。
试计算C1和C2的组成。
图6-5解设A－B二元相图中组成以质量百分数表示。
和两种配料量均为G（kg）。
据题意，初相在低共溶点前析出，则和二配料组成必在AP之间（若在PB之间，初相比在转熔点P前析出）。
第四图错，具有低共熔点的有限固溶体二元系统相图中γ固溶体不可能存在。
第五图错，具有转熔点的有限固溶体二元系统相图中γ固溶体不可能存在。
6-9根据图6-4所示的二元系统相图回解（1）注明各相区；（2）写出无变量点的性质及其相平衡关系；（3）写出M1和M2熔体的平衡冷却析晶过程；（4）计算从熔体刚冷至TP温度及离开TP温度时系统中存在各相的百分含量。
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长春理工大学无机材料科学基础教程Inorganic materials science-based tutorial——制作人：左手天堂班级：0906112时间：2011.09.10第三章3-1 名词解释（a）萤石型和反萤石型（b）类质同晶和同质多晶（c）二八面体型与三八面体型（d）同晶取代与阳离子交换（e）尖晶石与反尖晶石答：（a）萤石型：CaF2型结构中，Ca2+按面心立方紧密排列，F-占据晶胞中全部四面体空隙。
反萤石型：阳离子和阴离子的位置与CaF2型结构完全相反，即碱金属离子占据F-的位置，O2-占据Ca2+的位置。
（b）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。
（c）二八面体型：在层状硅酸盐矿物中，若有三分之二的八面体空隙被阳离子所填充称为二八面体型结构三八面体型：在层状硅酸盐矿物中，若全部的八面体空隙被阳离子所填充称为三八面体型结构。
（d）同晶取代：杂质离子取代晶体结构中某一结点上的离子而不改变晶体结构类型的现象。
阳离子交换：在粘土矿物中，当结构中的同晶取代主要发生在铝氧层时，一些电价低、半径大的阳离子（如K+、Na+等）将进入晶体结构来平衡多余的负电荷，它们与晶体的结合不很牢固，在一定条件下可以被其它阳离子交换。
（e）正尖晶石：在AB2O4尖晶石型晶体结构中，若A2+分布在四面体空隙、而B3+分布于八面体空隙，称为正尖晶石；反尖晶石：若A2+分布在八面体空隙、而B3+一半分布于四面体空隙另一半分布于八面体空隙，通式为B(AB)O4，称为反尖晶石。
3-2 （a）在氧离子面心立方密堆积的晶胞中，画出适合氧离子位置的间隙类型及位置，八面体间隙位置数与氧离子数之比为若干？四面体间隙位置数与氧离子数之比又为若干？（b）在氧离子面心立方密堆积结构中，对于获得稳定结构各需何种价离子，其中：（1）所有八面体间隙位置均填满；（2）所有四面体间隙位置均填满；（3）填满一半八面体间隙位置；（4）填满一半四面体间隙位置。
《无机材料科学基础》第九章复习题及答案
12.陶瓷的显微结构主要由哪些基本因子构成？
答：陶瓷是由晶体、玻璃体和气孔组成的多晶多相材料，其显 微结构包括晶体的种类和含量，晶粒尺寸和形状，玻璃相的含 量和分布情况，晶粒之间、晶粒与玻璃相之间的界面，气孔的 数量、尺寸、分布等。
13.氧化铝烧结到接近理论密度时，可使可见光几乎透过100％， 用它来装钠蒸气（在超过大气压的压力下）作为路灯。为通过 烧结实现这一点，请你列出研究方案。
2. 烧结的推动力和晶粒生长的推动力。并比较两者的大小？
解：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。
无机材料科学基础
第断题：（正确的打，错误的打）
1. 烧结中始终可以只有一相是固态。
（×）
2. 液相烧结与固相烧结的推动力都是表面能。
（√）
3. 二次再结晶对坯体致密化有利。
（×）
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。
（√）
5. 晶粒长大源于小晶体的相互粘结。
答：制备透明氧化铝陶瓷的主要技术措施是：（1）采用高纯 氧化铝原料，Al2O3>99.9%，无杂质和玻璃相；（2）添加 0.1～0.5%MgO，在晶粒表面生成镁铝尖晶石，降低晶界移动 速度，抑制晶粒生长；（3）在氢气或真空中烧结，促进气孔 扩散；（4）采用热压烧结，提高制品致密度。
6.试说明晶界能总是小于相邻二个晶粒表面能之和？
解：在恒温恒压条件下增加单位表面积时体系自由能的增量称 为表面能，而形成单位新界面所需要的能量称为界面能。表面 能和界面能的本质是处在表面或界面上的质点受到不对称力场 作用，与晶体内部质点相比具有较高的能量。晶粒的表面能指 晶粒与气相接触，界面能通常指两个晶粒相接触。显然，晶粒 与气相接触时，表面质点受到力场的不对称性远远大于两个晶 粒相接触时。因此，界面能总是小于相邻二个晶粒表面能之和。
无机非金属材料科学基础课后习题及答案
第二章答案2-1略。
2-2（1）一晶面在x、y、z轴上的截距分别为2a、3b、6c，求该晶面的晶面指数；（2）一晶面在x、y、z轴上的截距分别为a/3、b/2、c，求出该晶面的晶面指数。
答：（1）h:k:l==3:2:1,∴该晶面的晶面指数为（321）；（2）h:k:l=3:2:1，∴该晶面的晶面指数为（321）。
2-3在立方晶系晶胞中画出下列晶面指数和晶向指数：（001）与[]，（111）与[]，（）与[111]，（）与[236]，（257）与[]，（123）与[]，（102），（），（），[110]，[]，[]答：2-4定性描述晶体结构的参量有哪些？定量描述晶体结构的参量又有哪些？答：定性：对称轴、对称中心、晶系、点阵。
定量：晶胞参数。
2-5依据结合力的本质不同，晶体中的键合作用分为哪几类？其特点是什么？答：晶体中的键合作用可分为离子键、共价键、金属键、范德华键和氢键。
离子键的特点是没有方向性和饱和性，结合力很大。
共价键的特点是具有方向性和饱和性，结合力也很大。
金属键是没有方向性和饱和性的的共价键，结合力是离子间的静电库仑力。
范德华键是通过分子力而产生的键合，分子力很弱。
氢键是两个电负性较大的原子相结合形成的键，具有饱和性。
2-6等径球最紧密堆积的空隙有哪两种？一个球的周围有多少个四面体空隙、多少个八面体空隙？答：等径球最紧密堆积有六方和面心立方紧密堆积两种，一个球的周围有8个四面体空隙、6个八面体空隙。
2-7n个等径球作最紧密堆积时可形成多少个四面体空隙、多少个八面体空隙？不等径球是如何进行堆积的？答：n个等径球作最紧密堆积时可形成n个八面体空隙、2n个四面体空隙。
不等径球体进行紧密堆积时，可以看成由大球按等径球体紧密堆积后，小球按其大小分别填充到其空隙中，稍大的小球填充八面体空隙，稍小的小球填充四面体空隙，形成不等径球体紧密堆积。
2-8写出面心立方格子的单位平行六面体上所有结点的坐标。
答：面心立方格子的单位平行六面体上所有结点为：（000）、（001）（100）（101）（110）（010）（011）（111）（0）（0）（0）（1）（1）（1）。
无机非金属材料科学基础课后习题答案
第一章答案20、（1）略；（2）四面体空隙数/O2-数=2:1，八面体空隙数/O2-数=1:1；（3）(a)CN=4，z+/4×8=2，z+=1，Na2O，Li2O；(b)CN=6，z+/6×6=2，z+=2，FeO，MnO；（c）CN=4，z+/4×4=2，z+=4，ZnS，SiC；(d)CN=6，z+/6×3=2，z+=4，MnO2。
21、解：岛状；架状；单链；层状（复网）；组群（双四面体）。
22、解：（1）有两种配位多面体，[SiO4]，[MgO6]，同层的[MgO6]八面体共棱，如59[MgO6]和49[MgO6]共棱75O2-和27O2-，不同层的[MgO6]八面体共顶，如1[MgO6]和51[MgO6]共顶是22O2-，同层的[MgO6]与[SiO4]共顶，如T[MgO6]和7[SiO4]共顶22O2-，不同层的[MgO6]与[SiO4]共棱，T[MgO6]和43[SiO4]共28O2-和28O2-；（3）z=4；（4）Si4+占四面体空隙=1/8，Mg2+占八面体空隙=1/2。
23、解：透闪石双链结构，链内的Si-O键要比链5的Ca-O、Mg-O键强很多，所以很容易沿链间结合力较弱处劈裂成为纤维状；滑石复网层结构，复网层由两个[SiO4]层和中间的水镁石层结构构成，复网层与复网层之间靠教弱的分之间作用力联系，因分子间力弱，所以易沿分子间力联系处解理成片状。
24、解：石墨中同层C原子进行SP2杂化，形成大Π键，每一层都是六边形网状结构。
由于间隙较大，电子可在同层中运动，可以导电，层间分子间力作用，所以石墨比较软。
25、解：（1）Al3+可与O2-形成[AlO4]5-；Al3+与Si4+处于第二周期，性质类似，易于进入硅酸盐晶体结构中与Si4+发生同晶取代，由于鲍林规则，只能部分取代；（2）Al3+置换Si4+是部分取代，Al3+取代Si4+时，结构单元[AlSiO4][ASiO5]，失去了电中性，有过剩的负电荷，为了保持电中性，将有一些半径较大而电荷较低的阳离子如K+、Ca2+、Ba2+进入结构中；（3）设Al3+置换了一半的Si4+，则O2-与一个Si4+一个Al3+相连，阳离子静电键强度=3/4×1+4/4×1=7/4，O2-电荷数为-2，二者相差为1/4，若取代超过一半，二者相差必然>1/4，造成结构不稳定。
材料科学基础作业答案
• 材料的结构是理解和控制性能的中心环节，结构 的最微细水平是 原子结构 ，第二个水平是 原子 排列方式 ，第三个水平是 显微组织 。
• 2. 根据材料的性能特点和用途，材料分为
结构材料 和 功能材料 两大类。 • 根据原子之间的键合特点，材料分为 金属 、
陶瓷(无机非金属） 、 高分子 和复合材料四大类。
• 12、硅酸盐晶体结构中的基本结构单元是 硅 氧四面体[SiO4]。
• 13、几种硅酸盐晶体的络阴离子分别为[Si2O7]6-、 [Si2O6]4-、[Si4O10]4-、[AlSi3O8]1-，它们的晶体 结构类型分别为 组群状 ， 链状 ， 层状 ，和 架状 。
• 14、表征晶体中晶向和晶面的方法有 解析法 和 图示 法。（晶体投影图 ）
• MgO的分子量为（24.305 +15.999 ）40.30， •阿佛加得罗常数是6.0238×1023， •每个MgO 分子的质量A为： 40.30/(6.0238×1023)。
MgO结构：z=4 • MgO的密度ρ
Z M a /3 N A 4 4 (0 0 ..3 4 0 2 4 /( 6 .1 0 0 2 7 )1 3 0 2 3 ) 3 .5 1 (g /c m 3 )
第三章 晶体结构缺陷 P116
• 一、填空题 • 1、按几何组态，晶体中的缺陷分为 点缺陷 、 线
缺陷 、面缺陷 和体缺陷。 • 2、点缺陷主要包括 空位、 间隙原子、置换原子 ；
线缺陷有 位错 ；面缺陷包括 晶界、相界、表面 等。 • 3、描述位错性质及特征的是 柏氏矢量b 。 • 4、位错的类型有 刃位错 、 螺位错 和 混合位 错。
• 5、位错线与柏氏矢量垂直的位错为 刃位错 ，位错 线与柏氏矢量平行的位错称为 螺位错 。
• 2. 根据材料的性能特点和用途，材料分为
结构材料 和 功能材料 两大类。 • 根据原子之间的键合特点，材料分为 金属 、
陶瓷(无机非金属） 、 高分子 和复合材料四大类。
• 12、硅酸盐晶体结构中的基本结构单元是 硅 氧四面体[SiO4]。
• 13、几种硅酸盐晶体的络阴离子分别为[Si2O7]6-、 [Si2O6]4-、[Si4O10]4-、[AlSi3O8]1-，它们的晶体 结构类型分别为 组群状 ， 链状 ， 层状 ，和 架状 。
• 14、表征晶体中晶向和晶面的方法有 解析法 和 图示 法。（晶体投影图 ）
• MgO的分子量为（24.305 +15.999 ）40.30， •阿佛加得罗常数是6.0238×1023， •每个MgO 分子的质量A为： 40.30/(6.0238×1023)。
MgO结构：z=4 • MgO的密度ρ
Z M a /3 N A 4 4 (0 0 ..3 4 0 2 4 /( 6 .1 0 0 2 7 )1 3 0 2 3 ) 3 .5 1 (g /c m 3 )
第三章 晶体结构缺陷 P116
• 一、填空题 • 1、按几何组态，晶体中的缺陷分为 点缺陷 、 线
缺陷 、面缺陷 和体缺陷。 • 2、点缺陷主要包括 空位、 间隙原子、置换原子 ；
线缺陷有 位错 ；面缺陷包括 晶界、相界、表面 等。 • 3、描述位错性质及特征的是 柏氏矢量b 。 • 4、位错的类型有 刃位错 、 螺位错 和 混合位 错。
• 5、位错线与柏氏矢量垂直的位错为 刃位错 ，位错 线与柏氏矢量平行的位错称为 螺位错 。
无机非金属材料科学基础习题
1.1 名词解释：等同点、结点、空间点阵、晶体、对称、对称型、晶系、晶类、布拉菲格子、晶胞、晶胞参数、晶体定向、晶面指数、晶向指数、晶带轴定律1.2 略述从一个晶体结构中抽取点阵的意义和方法？空间点阵与晶体结构有何对应关系？1.3 什么叫对称性？晶体的对称性有何特点，为什么？1.4 晶体中有哪些对称要素，用国际符号表示。
1.5 试找出正四面体、正八面体和立方体中的所有对称元素，并确定其所属点群、晶系。
1.6 根据什么将14种布拉维点阵分成七个晶系？各晶系特点如何？为什么14种布拉维点阵中有正交底心而无四方底心和立方底心点阵型式？以图说明。
说明七个晶系的对称特点及晶体几何常数的关系。
1.7 什么叫单位平行六面体（或单位）？在三维点阵中选取单位平行六面体应遵循哪些原则？为什么？1.8 a≠b≠c, α=β=γ=90℃的晶体属于什么晶系？a≠b≠c, α≠β≠γ≠90°的晶体属什么晶系？能否据此确定这二种晶体的布拉维点阵？1.9 一个四方晶系晶体的晶面，其上的截距分别为3a、4 a，6c，求该晶面的晶面指数。
1.10 四方晶系晶体a＝b，c＝1/2a。
一晶面在X、Y、Z轴上的截距分别为2a, 3b和6c。
给出该晶面的密勒指数。
1.11 某一晶面在x、y、z三个坐标轴上的截距分别为1a，∞b,3c，求该晶面符号。
1.12 在正交简单点阵、底心点阵、体心点阵、面心点阵中分别标出（110）、（011）、（101）三组晶面，并指出每个晶面上的结点数。
1.13 在立方晶系中画出下列晶面：a）（001）；b）（110）；c）（111）。
在所画的晶面上分别标明下列晶向：a）[210]；b）[111]；c）[101]。
1.14 试说明在等轴晶系中，（111）、（111）、（222）、（110）与（111）面之间的几何关系。
1.15 在立方晶系晶胞中画出下列晶面指数和晶向指数：（001）与[210]，(111)与[112]，(110)与[111]，（322）与[236]，(257)与[111]，(123)与[121]，(102)，(112)，(213)，[110]，[111]，[120]，[ 321]。
无机非金属材料专业无机材料科学基础试卷A卷标准答案及评分标准
命题教师： 教研室主任签字： 20XX级无机非金属材料工程专业无机材料科学基础试题A 参考答案及评分标准一、名词解释参考答案： 1同质多晶：化学组成相同的物质，在不同的热力学条件下形成结构不同的晶体的现象，称为同质多晶现象。
2置换固溶体：置换离子和被置换离子电价相同，性质相近，形成一对一的置换，所成的固溶体称为置换固溶体。
3刃位错：晶体中形成的位错线方向与滑移方向垂直的位错称为刃位错。
4表面改性：利用固体表面吸附特性，通过各种表面处理改变固体表面的结构和性质，以适应各种预期的要求。
5二次重结晶：少数大颗粒在细晶消耗时成核长大过程。
评分标准：本题共计10分，每题2分。
回答只要描述正确即给满分，意思部分正确酌情给分，意思完全不正确不得分。
二、填空题参考答案：1.晶体中键的类型有共价键、离子键、金属键和范氏键四种。
2在氯化钠、氯化铯和立方硫化锌晶胞中，它们的“分子数”分别是4、1和4。
3与固体相接触的界面一般分为表面、界面和相界面。
4 Ca +V Cl +Cl cl Na Ca +Na i +2Cl cl5表面改性实质上是通过改变固体表面结构状态和官能团来实现。
6烧结的推动力是表面张力的降低，初次再结晶的推动力是基质塑性变形所增加的能量。
7按相变机理不同，相变分为成核-生长相变、连续型相变、有序-无序转变和马氏体相变。
8菲克第一定律和菲克第二定律本质上是一个定律，均表明扩散的结果总是使不均匀体系均匀化，由非平衡逐渐达到平衡。
9固相反应类型包括加成反应、造膜反应、置换反应、转变反应和热分解反应。
10根据外来组元在基质晶体中的固溶度分类，固溶体分为连续固溶体和有限固溶体。
评分标准：本题共计5分，每题1分。
回答正确即得分，不正确不得分。
命题教师：教研室主任签字：20XX级无机非金属材料工程专业无机材料科学基础试题A参考答案及评分标准三、简答题参考答题要点：1.硅酸盐晶体的结构特点是什么？答：（1）硅酸盐结构中的Si4+间不存在直接的键，而键的联接是通过O2-来实现的。
2010-2011(1)2008级无机非金属材料专业无机材料科学基础试卷B卷标准答案及评分标准
命题教师：教研室主任签字：2008级无机非金属材料工程专业无机材料科学基础试题B参考答案及评分标准一、名词解释参考答案：1晶粒长大：是指在烧结中、后期，细小晶粒逐渐长大，伴随着一部分晶粒的缩小或消失过程，其结果是平均晶粒尺寸增加。
2晶体：具有空间格子构造的固体称为晶体。
静电键强度：正离子分配给与它配位的每个负离子的电价数。
3螺位错：位错线方向同滑移方向平行称为螺位错。
4固相烧结：是指松散的粉末或经压制具有一定形状的粉末压坯被置于不超过其熔点的设定温度中，在一定的气氛保护下，保温一段时间的操作过程。
5固溶体：一种物质的质点溶到另外一种物质中，形成单一、均匀的固相体系称为固溶体。
评分标准：本题共计10分，每题2分。
回答只要描述正确即给满分，意思部分正确酌情给分，意思完全不正确不得分。
二、填空题参考答案：1等径球最紧密堆积有六方最紧密堆积和面心立方最紧密堆积两种。
2钾长石的组成用氧化物的形式表示为K2O.Al2O3.6SiO2。
3根据外来组元在基质晶体中的固溶度分类，固溶体分为连续固溶体和有限固溶体。
4 CaCl2Ca Na+Cl i+Cl cl CaCl2Na+2Cl cl5硅酸盐中，O/Si比值由4:1到2:1过程中，[SiO4]的连接方式可从岛状、环状、链状、带状、层状，最终过渡到架状。
6分子间引力主要来源于定向作用、诱导作用和色散作用三种不同的效应。
7影响黏土离子交换容量的因素有黏土矿物组成、黏土的分散度、溶液PH值、有机质含量和介质温度。
8晶粒长大的推动力是晶界过剩的自由能，二次再结晶的推动力是晶界过剩的界面能。
9固相反应类型包括加成反应、造膜反应、置换反应、转变反应和热分解反应。
10扩散的本质是质点的无规则运动。
固体扩散机构主要有易位扩散机构、间隙扩散机构、空位扩散机第 1 页，共 4 页命题教师：教研室主任签字：2008级无机非金属材料工程专业无机材料科学基础试题B参考答案及评分标准构。
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.'..长春理工大学无机材料科学基础教程Inorganic materials science-based tutorial制作人：左手天堂——0906112班级：2011.09.10时间：'..第三章3-1 名词解释（a）萤石型和反萤石型（b）类质同晶和同质多晶（c）二八面体型与三八面体型（d）同晶取代与阳离子交换（e）尖晶石与反尖晶石2+-占据晶按面心立方紧密排列，CaF型结构中，CaF答：（a）萤石型：2胞中全部四面体空隙。
反萤石型：阳离子和阴离子的位置与CaF型结构完全相反，即碱金属2-2-2+的位置。
O占据离子占据FCa的位置，（b）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。
（c）二八面体型：在层状硅酸盐矿物中，若有三分之二的八面体空隙被阳离子所填充称为二八面体型结构三八面体型：在层状硅酸盐矿物中，若全部的八面体空隙被阳离子所填充称为三八面体型结构。
（d）同晶取代：杂质离子取代晶体结构中某一结点上的离子而不改变晶体结构类型的现象。
阳离子交换：在粘土矿物中，当结构中的同晶取代主要发生在铝氧层时，++等）将进入晶体结构来平衡、一些电价低、半径大的阳离子（如KNa多余的负电荷，它们与晶体的结合不很牢固，在一定条件下可以被其它阳离子交换。
（e）正尖晶石：在ABO尖晶石型晶体结422+3+分布AB分布在四面体空隙、而构中，若于八面体空隙，称为正尖晶石；2+3+B分布在八面体空隙、而A反尖晶石：若一半分布于四面体空隙另一半分布于八面体空隙，通式为B(AB)O，称为反尖晶石。
43-2 （a）在氧离子面心立方密堆积的晶胞中，画出适合氧离子位置的间隙类型及位置，八面体间隙位置数与氧离子数之比为若干？四面体间隙位置数与氧离子数之比又为若干？（b）在氧离子面心立方密堆积结构中，对于获得稳定结构各需何种价离子，其中：）所有八面体间隙位置均填满；1（'..（2）所有四面体间隙位置均填满；（3）填满一半八面体间隙位置；（4）填满一半四面体间隙位置。
并对每一种堆积方式举一晶体实例说明之。
解：（a）参见2-5题解答。
（b）对于氧离子紧密堆积的晶体，获得稳定的结构所需电价离子及实例如下：填满所有的八面体空隙，2价阳离子，MgO；（2）填满所有的四面体空隙，1价阳离子，LiO；2（3）填满一半的八面体空隙，4价阳离子，TiO；2（4）填满一半的四面体空隙，2价阳离子，ZnO。
2+2-半径为0.140nmOMg，计算半径为0.072nm，3-3 MgO晶体结构，MgO晶体中离子堆积系数（球状离子所占据晶胞的体积分数）；计算MgO的密度。
+-)=0.424(nm) a0=2(r+r解：在MgO晶体中，正负离子直接相邻，体积分数=4×(4π/3)×(0.143+0.0723)/0.4243=68.52%3)(0.424×10-7)3]=3.5112(g/cm密度=4×(24.3+16)/[6.023×1023×3-5试解释：在AX型晶体结构中，NaCl型结构最多；答：（a）在AX型晶体结构中，一般阴离子X的半径较大，而阳离子A的半径较小，所以X做紧密堆积，A填充在其空隙中。
大多数AX+-在0.414～/r0.732型化合物的r之间，应该填充在八面体空隙，即具有NaCl型结构；并且NaCl型晶体结构的对称性较高，所以AX 型化合物大多具有NaCl型结构。
3-6叙述硅酸盐晶体结构分类原则及各种类型的特点，并举一例说明之。
解：硅酸盐矿物按照硅氧四面体的连接方式进行分类，具体类型见表3-1。
表3-1 硅酸盐矿物的结构类型例实络阴离子氧硅比共用氧数结构类型形状4-] Mg[SiO SiO]4 镁橄榄石岛状 0 四面体 [42412-组群状 1～2 六节环 [SiO] 3.5～3 绿宝石BeAl[SiO] 183661824-链状 2～3 单链[SiO] 3～2.5 透辉石CaMg[SiO] 62624-层状 3 平面层 [SiO] 2.5 滑石Mg[SiO](OH) 24410103架状 4 骨架 [SiO] 2 石英SiO 22'..3-7 堇青石与绿宝石有相同结构，分析其有显著的离子电导，较小的热膨胀系数的原因。
3+2+）置换具有绿宝石结构，以（3Al+2MgO答：堇青石MgAl[AlSi]183522+3+）。
6个[SiO绿宝石中的（3Be]+2Al通过顶角相连形成六节环，沿c4轴方向上下迭置的六节环内形成了一个空腔，成为离子迁移的通道，因而具有显著的离子电导；另外离子受热后，振幅增大，但由于能够向结构空隙中膨胀，所以不发生明显的体积膨胀，因而热膨胀系数较小。
3-11 金刚石结构中C原子按面心立方排列，为什么其堆积系数仅为34%。
答：为了分析晶体结构方便起见，金刚石结构中C原子可以看成按面心立方排列。
但实际上由于C原子之间是共价键，具有方向性和饱和性，每个C原子只与4个C原子形成价键（紧密相邻），所以并没有达到紧密堆积（紧密堆积时每个原子同时与12个原子紧密相邻），其晶体结构内部存在很多空隙。
所以其堆积系数仅为34%，远远小于紧密堆积的74.05%。
第四章4.1 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。
4.2试述晶体结构中点缺陷的类型。
以通用的表示法写出晶体中各种点2++或进入到KCl中CaCaCl中K置换KCl缺陷的表示符号。
试举例写出2间隙中去的两种点缺陷反应表示式。
解：晶体结构中的点缺陷类型共分：间隙原子、空位和杂质原子等三种。
在MX晶体中，间隙原子的表示符号为MI或XI；空位缺陷的表示符号为：VM或VX。
如果进入MX晶体的杂质原子是A，则其表示符号可写成：AM或AX（取代式）以及Ai（间隙式）。
22++而出现点缺陷，其缺陷反应式如下：K CaKCl置换中当CaCl中+CaCl+2Cl Cl22+进入到KCl间隙中而形成点缺陷的反应式为：中CaClCa 2+2CaCl+2Cl Cl2'..4.3在缺陷反应方程式中，所谓位置平衡、电中性、质量平衡是指什么？解：位置平衡是指在化合物MaXb中，M格点数与X格点数保持正确的比例关系，即M：X=a：b。
电中性是指在方程式两边应具有相同的有效电荷。
质量平衡是指方程式两边应保持物质质量的守恒。
4.4（a）在MgO晶体中，肖特基缺陷的生成能为6ev，计算在25℃和1600℃时热缺陷的浓度。
（b）如果MgO晶体中，含有百万分之一mol的AlO杂质，则在1600℃时，MgO晶体中是热缺陷占优势还是杂质32缺陷占优势？说明原因。
解：（a）根据热缺陷浓度公式：（－）exp由题意△G=6ev=6×1.602×10-19=9.612×10-19JK=1.38×10-23 J/KT=25+273=298K T=1600+273=1873K 21-5110exp：=1.92 × 298K-9 101873K=8：×exp（b）在MgO中加入百万分之一的AlO杂质，缺陷反应方程为：32]此时产生的缺陷为杂质。
[]=[ ]杂质而由上式可知：[AlO 32∴当加入10-6 AlO时，杂质缺陷的浓度为32-6 ]=10=[Al O[] 32杂质[，）计算结果可知：在1873 K热=8×10-9由（a][ ]，所以在＞1873 K时杂质缺陷占优势。
显然：[ ]热杂质4.5对某晶体的缺陷测定生成能为84KJ/mol，计算该晶体在1000K和1500K时的缺陷浓度。
解：根据热缺陷浓度公式：（－）exp由题意△G=84KJ/mol=84000J/mol（exp则）'..其中R=8.314J/mol·K-310=6.4（）=1000K当T×时，exp= exp1-210=3.45（）当T=1500K×时，exp= exp24.6试写出在下列二种情况，生成什么缺陷？缺陷浓度是多少？（a）在AlO中，添加0.01mol%的CrO，生成淡红宝石（b）在AlO中，添332232加0.5mol%的NiO，生成黄宝石。
解：（a）在AlO中，添加0.01mol%的CrO，生成淡红宝石的缺陷3322反应式为：O Cr 320.01%×＝0.004%＝生成置换式杂质原子点缺陷。
其缺陷浓度为：4×10-3 %（b）当添加0.5mol%的NiO在AlO中，生成黄宝石的缺陷反应式为：32＋＋2O2NiO O×生成置换式的空位点缺陷。
其缺陷浓度为：0.5%＝0.3 %4.7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FeO及Zn1+xO的密度将发生1-x怎样变化？增大？减少？为什么？解：（a）非化学计量化合物FeO，是由于正离子空位，引起负离子1-x + V+O2Fe(g)O→过剩：2Fe + OFe2+2h O + VO(g) →O2按质量作用定律，平衡常数K=由此可得'..1/6P ] ﹠[V O即：铁空位的浓度和氧分压的1/6次方成正比，故当周围分压增大时，铁空位浓度增加，晶体质量减小，则FeO的密度也将减小。
x1-（b）非化学计量化合物ZnO，由于正离子填隙，使金属离子过剩：x1++ O+2eZnO ′(g) 2根据质量作用定律2]] [e ′K=[-1/6P[] 得O即：间隙离子的浓度与氧分压的1/6次方成反比，故增大周围氧分压，间隙离子浓度减小，晶体质量减小，则ZnO的密度也将减小。
x1+3+2+=0.1，求Fe/FeO中的空位浓度及4.8非化学计量化合物FeO中，Fe xx x值。
解：非化学计量化合物FeO，可认为是α(mol)的FeO溶入FeO中，32x缺陷反应式为：+ V+3O2Fe FeO O23α2αα此非化学计量化合物的组成为：FeO Fe2+3+0.1已知：Fe/Fe＝则：0.044＝α∴0.9562x∴＝α＝)3－+(1α－α＝1'..3+0.044 ＝∵[V]＝α又：1.956＝1+0.956＝正常格点数N＝1+x∴空位浓度为）试（a的制备强烈依赖于氧分压和温度：4.9 非化学计量氧化物TiO2-x）求其缺陷浓度表达式。