无机材料科学基础试题

1.在三元系统中，无变量点有三种，分别是（最低共熔点）(双升点)(双降点)。

2.单元系统的最大自由度数为（2），这两个自由度是（温度）（压力）。

3.具有一个低共熔点的简单二元系统，两个组分在液态时能以任意比例互溶，形成（单相溶液），但在固态则（完全不互溶），两个组分从液相中（分别析晶）。

4.固相反应的温度（远低于）反应物的熔点或系统低共熔温度。

二、比较下列概念（20分，每题4分）

1. 稳定扩散和不稳定扩散

若扩散物质在扩散层dx内浓度不随时间变化，即dc/dt=0为稳定扩散；②dc/dt ≠0为不稳定扩散。②

2. 固相烧结和液相烧结

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。②

液相烧结：有液相参加的烧结过程。②

3. 均匀成核和非均匀成核

均匀成核：从均匀的单相熔体中产生晶核的过程，其成核几率处处相同。②

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。②

4. 烧结和熔融

共同点：由晶格中原子振幅在加热的情况下增大，使原子间联系减弱引起。②不同点：熔融时，全部组元变成液相；烧结时，至少有一个组元为固态。②

5.一级相变与二级相变

一级相变: 凡新旧两相的化学位相等，化学位的一次偏导不相等的相变。②

二级相变:凡新旧两相的化学位相等，化学位的一次偏导也相等，但化学位的二次偏导不相等的相变。②

三、简答题（20分，每题4分）

1．试述烧结的推动力和晶粒生长的推动力，并比较两者之大小。

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。②

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。①

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。①

2.从热力学角度讨论相变过程的温度条件

相变过程的推动力：相变推动力为过冷度（过热度）的函数，相平衡理论温度与系统实际温度之差即为相变过程的推动力。①

∆G=∆H-T∆H/T0=∆HT0-T/T0=∆H.∆T/T0式中：T0--相变平衡温度，∆H--相变热，T---任意温度。

自发反应时：∆G<0,即∆H.∆T/T0<0 ①

相变放热（凝聚，结晶）：∆H<0 则须：∆T>0，T0>T ，过冷，即实际温度比理论温度要低，相变才能自发进行。①

相变吸热（蒸发，熔融）：∆H>0 ，∆T<0 ，T03. 反应颗粒尺寸对加快固相反应的影响。

杨德尔方程：Kt=R02[1-(1-G)1/3]2；①

金斯特林格动力学方程积分式: K k.t=(2DµC0/R02ρn.)t=1-2/3G-(1-G)2/3①

公式中：R0---反应物等径球颗粒半径；G ---转化率；K k---速度常数；t---时间；D---扩散系数；n---分子数；C0---初始气体浓度；µ---分子量；ρ---产物密度。

由公式可见：速度常数K与R0颗粒半径平方成反比，颗粒越小，反应体系比表面积越大，反应界面和扩散截面也相应增加，因此反应速率增大。威尔表面学说：颗粒尺寸减小，键强分布曲线变平，弱键比例增加，故而使反应和扩散能力增强。②

4. 纯物质在任意指定温度下，固、液、气三相可以平衡共存，请用相律说明这个结论是否正确？请举例说明。

答：这个结论不正确。①因为，固、液、气三相平衡时，相律为：F=C-P+2，其中，C=1，P=3，则F=0，即自由度为0温度和压力均不可以变化。这时不能够指定温度。②例如：水在0度时是三相共存，温度一变固、液、气三相就不平衡了。所以温度不能任意指定温度。①

五、（10分）

1．影响陶瓷烧结的主要因素有哪些？

2．为得到高质量的钛酸钙电介质瓷，制备工艺中可采取什么措施？

答：1、影响陶瓷烧结的主要因素有：（1）原始粉料的粒度；①（2）外加剂的作用；①（3）烧结温度与保温时间；①（4）盐类的选择及煅烧条件；①（5）气氛的影响；①（6）成型压力。①

2、为得到高质量的钛酸钙电介质瓷，主要措施：（1）原料球磨后应烘干，

不能过滤脱水，防止Ca(OH)

2流失影响配比；①（2）添加少量ZrO

2

和CoO，降低

烧成温度，扩大烧结温度范围；①（3）必须在氧化气氛中合成原料或烧结，防止产生非化学计量化合物，影响电性能；①（4）控制好烧结温度和保温时间，防止晶粒长大，使产品“正烧”，防止“生烧”和“过烧”，以降低气孔率。①

六、（20分）下图为CaO-A1

2O

3

-SiO

2

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；

五、解：1、如图所示；②

2如图所示；②

3、F点低共熔点，LF→C3A+C12A7+C2S②

H点单转熔点，L H+CaO→C3A+C3S ②

K点单转熔点，L K+C3S→C3A+C2S ②

4、M点：⑥

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

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。④