无机材料科学基础复习
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第一章
1、结晶学的发展,从其研究内容看主要包括以下几个方面:
(1) 晶体生长学:研究天然及人工晶体的形成,生长和变化的过程与机理以及控制和影响它们的因素。
(2) 几何结晶学:研究晶体外表几何多面体的形状及其间的规律
(3) 晶体结构学:研究晶体内部结构中质点排列的规律性以及晶体结构的不完整性
(4) 晶体化学:研究晶体的化学组成以及晶体结构与性质之间关系及其规律
(5) 晶体物理学:研究晶体的各项物理性质及其产生的机理
2、晶体:晶体是内部质点在三维空间按周期性重复排列的固体,或者说晶体是格子构造的固体。
3、晶体的共同特征:是内部质点在三维空间按周期性的重复排列。不具备这一特征的物体不是晶体。
4、晶体的基本性质:
(1)结晶均一性:由于晶体内部结构的特征,因此,晶体在其任一部位上都具有相同的性质。
(2)各向异性:晶体在不同的方向上表现出性质的差异称为晶体的各向异性。
(3)自限性:晶体能自发的形成封闭的凸几何多面体外形的特征,称为晶体的自限性或自范性。
(4)对称性:晶体中的相同部分(包括晶面、晶棱)以及晶体的性质能够在不同的方向或位置上有规律的重复出现
(5)最小内能性:在相同的热力学条件下,晶体与同组成的气体、液体及非晶质固体相比其内能最小。因此,晶体最稳定。
5、对称:是指液体中相同部分之间的有规律重复。
6、对称操作:是指能使对称物体中各相同部分做有规律重复的变换动作, 又称对称变换。
7、晶体的对称要素:(1)对称中心(符号C)(2)对称面(符号P)(3)对称轴(符号Ln)(4)倒转轴(Lin)(5)映转轴(Lsn)
8、对称型(32种):宏观晶体中对称要素的集合,包含了宏观晶体中全部对称要素的总和以及它们相互间的组合关系。
9、三大晶族、七个晶系:P7
10、整数定律:若以平行于三根不共面晶棱的直线为坐标轴,则晶体上任意两个晶面在三个坐标轴上截距的比值之比为一简单整数比。
第二章 晶体结构与晶体结构中的缺陷
2-1 氯化铯(CsCl)属萤石结构,如果Cs+离子半径为0.170nm,Cl-离子半径为0.181nm,计算球状离子所占据的空间分数(堆积系数)。假设Cs+和Cl-离子沿立方对角线接触。
2-2 (a)MgO具有NaCl结构。根据O2-半径为0.140nm和Mg2+半径为0.072nm,计算球状离子所占据的空间分数(堆积系数)。
(b)计算MgO的密度。
2-3 氧化锂(Li2O)的晶胞结构构成:O2-离子呈面心立方堆积,Li+离子占据所有四面体空隙。计算:(a)晶胞常数;(b)Li2O的密度;(c)O2-离子密堆积的结构格子,其空隙所能容纳的最大正离子半径是多大?(d)有0.01mol%SrO溶于Li2O中的固溶体的密度。(注:Li+离子半径:0.74? ,O2-离子半径:1.40?)
2-4 ThO2 具有CaF2结构。Th4+离子半径为0.100 nm。O2-离子半径为0.140 nm。
(a)实际结构中的Th4+正离子配位数与预计配位数是否一致?
(b)结构遵循鲍林规则否?
2-5 石墨、云母和高岭石具有相似的结构。说明他们的结构区别及由此引起的性质上的差异。
2-6(a)在氧离子立方密堆中,画出适合于阳离子位置的间隙类型和位置,八面体间隙位置数与氧离子数之比为多少?四面体间隙位置数与氧离子数之比为多少?(b)用键强度和鲍林规则来解释,对于获得稳定的结构各需要何种价离子,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
并对每一种举出一个结构类型名称和正负离子配位数。
2-7 很简明地说明下列名词的含义:类质同晶现象,同质多象现象,多型现象,反结构(如反萤石结构),倒反结构(如反尖晶石结构)。
2-8 Si 和Al的原子量非常接近(分别为28.09和26.98),但SiO2及Al2O3的密度相差很大(分别为2.65及3.96)。运用晶体结构及鲍林规则说明这一差别。
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。
第六章 相平衡和相图
6-1名词解释
相组元数 独立组元数 自由度 相图 相平衡 凝聚系统 介稳平衡 无变量点 可逆多晶转变 不可逆多晶转变 一级变体间转变 二级变体间转变 一致熔融化合物 不一致熔融化合物 共熔界线 转熔界线 连线规则 切线规则 低共熔点( 三升点) 单转熔点(双升点) 双转熔点(双降点) 液相独立析晶
6-2什么是吉布斯相律它有什么实际意义
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
图6-1 图6-2
6-4如图6-1是钙长石(CaAl2Si2O)的单元系统相图,请根据相图回答:(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
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
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。
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 6-8今通过实验测得如图6-3所示的各相图,试判断这些相图的正确性。如果有错,请指出错在何处并说明理由。
图6-3
6-9根据图6-4所示的二元系统相图回答:(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。