无机材料科学基础试题 精炼题

点群、晶子假说、正尖晶石、网络变性剂、液相析晶、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。

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

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。

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。

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。

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

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。

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

反萤石结构：这种结构与萤石完全相同，只是阴、阳离子的个数及位置刚好与萤石中的相反，即金属离子占有萤石结构中F—的位置，而02—离子或其他负离子占Ca2+的位置，这种结构称为反萤石结构。（2.5分）

 晶胞：从晶体结构中取出来的以反映晶体周期性和对称性的最小重复单元。

触变性：是泥浆从稀释流动状态到稠化的凝聚状态之间存在的介于两者之间的中间状态。即泥浆静止不动时似凝固体，一经扰动或摇动，凝固的泥浆又重新获得流动。如再静止又重新凝固，可重复无数次。（2.5分）

硼反常现象：硼酸盐玻璃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，这种现象称硼反常现象

线缺陷：指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列所产生的缺陷。

面缺陷：指在两维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列所产生的缺陷。

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分）

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。

聚沉值：凡能引起溶胶明显聚沉（如溶胶变色浑浊）所需外加电解质的最小浓度称为聚沉值。（2.5分）

晶面指数：结晶学中经常用（hkl）来表示一组平行晶面，称为晶面指数。数字hkl是晶面在三个坐标轴（晶轴）上截距的倒数的互质整数比。

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。（2.5分）

解聚：在熔融SiO2中，O/Si比为2：1，[SiO4]连接成架状。若加入Na2O则使O/Si比例升高，随加入量增加，O/Si比可由原来的2：1逐步升高到4：1，[SiO4]连接方式可从架状变为层状、带状、链状、环状直至最后断裂而形成[SiO4]岛状，这种架状[SiO4]断裂称为熔融石英的分化过程，也即解聚。（2.5分）

点缺陷：三维方向上缺陷尺寸都处于原子大小的数量级上。（2.5分）

热缺陷：晶体温度高于绝对0K时，由于热起伏使一部分能量较大的质点（原子或离子）离开平衡位置所产生的空位和/或间隙质点。（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。

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。

泰曼温度：反应物开始呈现显著扩散作用的温度

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r24、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）

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）

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、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0.40Å、0.53Å和1.40Å；配位数为4时，一离子半径依次为0.26Å、0.40Å和1.38Å））。（8分）

答：CN=4, rAl3+/ro2-=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]；（4分）CN=6，rSi4+/ro2-=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]

9、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210、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？

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。

四、计算题（10分）

有两种不同配比的玻璃，其组成如下：

解：1#玻璃：Na2O/ Al2O3=10/12<1，所以Al3+在玻璃中起网络变性离子的作用（1分）

    R1=（10+12*3+78*2）/78=2.59    X1=2*2.59-4=1.18   Y1=4-1.18=2.82  （3分）

2#玻璃：Na2O/ Al2O3=20/6>1，所以Al3+在玻璃中起网络形成离子的作用（1分）

    R2=（20+6 *3+74*2）/（74+6*2）=2.16    X2=2*2.16-4=0.32   Y2=4-0.32=3.68（3分）

因而Y1R2         即2#玻璃桥氧分数大于1#, O/Si比小于1#玻璃,所以在高温下1#熔体黏度小于2#.   （2分）

五：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。

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）

六、相图分析（20分）

1、如图所示；（3分）

2、如图所示（7分）

3、F点低共熔点，LF→C3A+C12A7+C2S  （1分）

H点单转熔点，LH+CaO→C3A+C3S  （1分）

K点单转熔点，LK+C3S→C3A+C2S   （1分）

4、M点：

L→C2S L→C2S+C3S L+C2S→C3S

液：M------→a------------→y--------------→K始(LK+C3S→C2S+C3A)→K终（2分）

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

 C2S C2S+C3S C2S+C3S C2S+C3S+C3A

固：D---→D------→b---------→d---------------→M      （1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。（2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

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