材料科学基础作业习题及答案Word文档下载推荐.docx
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11、根据半径比关系，说明下列离子与O2—配位时的配位数各是多?
ro2-=0.132nm
rSi4+=0.039nm
rK+=0.133nm
rAl3+=0.057nm
rMg2+=0.078nm
12、为什么石英不同系列变体之间的转化温度比同系列变体之间的转化温度高得多？
13、有效离子半径可通过晶体结构测定算出。
在下面NaCl型结构晶体中，测得MgS和MnS的晶胞参数均为a=0.52nm（在这两种结构中，阴离子是相互接触的）。
若CaS（a=0.567nm）、CaO（a=0.48nm）和MgO（a=0.42nm）为一般阳离子——阴离子接触，试求这些晶体中各离子的半径。
14、氟化锂（LiF）为NaCl型结构，测得其密度为2.6g／cm3，根据此数据汁算晶胞参数，并将此值与你从离子半径计算得到数值进行比较。
15、Li2O的结构是O2-作面心立方堆积，Li+占据所有四面体空隙位置。
求：
（1）计算四面体空隙所能容纳的最大阳离子半径，并与书末附表Li+半径比较，说明此时O2-能否互相接触。
（2）根据离子半径数据求晶胞参数。
（3）求Li2O的密度。
16、试解释对于AX型化合物来说，正负离子为一价时多形成离子化合物。
二价时则形成的离子化合物减少（如ZnS为共价型化合物），到了三价、四价（如AlN，SiC）则是形成共价化合物了。
17、MgO和CaO同属NaCl型结构，而它们与水作用时则CaO要比MgO活泼，试解释之。
18、根据CaF2晶胞图画出CaF2晶胞的投影图。
19、算一算CdI2晶体中的I-及CaTiO3晶体中O2-的电价是否饱和。
20、
（1）画出O2-作而心立方堆积时，各四面体空隙和八面体空隙的所在位置（以一个晶胞为结构基元表示出来）。
（2）计算四面体空隙数、八而休空隙数与O2-数之比。
（3）根据电价规则，在下面情况下，空隙内各需填入何种价数的阳离子，并对每一种结构举出—个例子。
（a）所有四面体空隙位置均填满；
（b）所有八而体空隙位置均填满；
（c）填满—半四面体空隙位置；
（d）填满—半八面休空隙位置。
21、下列硅酸盐矿物各属何种结构类型：
Mg2[SiO4]，K[AISi3O8]，CaMg[Si2O6]，Mg3[Si4O10]（OH）2，Ca2Al[AlSiO7]。
22、根据Mg2[SiO4]在（110）面的投影图回答：
（1）结构中有几种配位多面体，各配位多面体间的连接方式怎样?
（2）O2-的电价是否饱和?
（3）晶胞的分子数是多少?
（4）Si4+和Mg2+所占的四面体空隙和八面体空隙的分数是多少?
23、石棉矿如透闪石Ca2Mg5[Si4O11]（OH）2具有纤维状结晶习性，而滑石Mg2[Si4O10]（OH）2却具有片状结晶习性，试解释之。
24、石墨、滑石和高岭石具有层状结构，说明它们结构的区别及由此引起的性质上的差异。
25、
（1）在硅酸盐晶体中，Al3+为什么能部分置换硅氧骨架中的Si4+；
（2）Al3+置换Si4+后，对硅酸盐组成有何影响?
（3）用电价规则说明Al3+置换骨架中的Si4+时，通常不超过一半，否则将使结构不稳定。
晶体结构缺陷
1、说明下列符号的含义：
VNa，VNa’，VCl•，.（VNa’VCl•），CaK•，CaCa，Cai••
2、写出下列缺陷反应式：
（1）NaCl溶入CaCl2中形成空位型固溶体；
（2）CaCl2溶人NaC1中形成空位型固溶体；
（3）NaCl形成肖脱基缺陷；
（4）AgI形成弗仑克尔缺陷（Ag+进入间隙）。
3、MgO的密度是3.58克／厘米3，其晶格参数是0.42nm，计算单位晶胞MgO的肖脱基缺陷数。
4、（a）MgO晶体中，肖脱基缺陷的生成能为6eV，计算在25℃和1600℃时热缺陷的浓度。
（b）如果MgO晶体中，含有百万分之一摩尔的A12O3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。
5、MgO晶体的肖特基缺陷生成能为84kJ／mol，计算该晶体在1000K和1500K的缺陷浓度。
6、非化学计量化合物FexO中，Fe3+／Fe2+=0.1，求FexO中的空位浓度及x值。
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Fe1-XO及Zn1+XO的密度将发生怎么样的变化?
增大还是减小?
为什么?
8、对于刃位错和螺位错，区别其位错线方向、柏氏矢量和位错运动方向的特点。
9、图2.1是晶体二维图形，内含有一个正刃位错和一个负刃位错。
（a）围绕两个位错柏格斯回路，最后得柏格斯矢量若干？
（b）围绕每个位错分别作柏氏回路，其结果又怎样?
10、有两个相同符号的刃位错，在同一滑移面上相遇，它们将是排斥还是吸引？
11、晶界对位错的运动将发生怎么样的影响？
能预计吗？
12、晶界有小角度晶界与大角度晶界之分，大角度晶界能用位错的阵列来描述吗？
13、试述影响置换型固溶体的固溶度的条件。
14、从化学组成、相组成考虑，试比较固溶体与化合物、机械混合物的差别。
15、试阐明固溶体、晶格缺陷和非化学计量化合物三者之间的异同点，列出简明表格比较。
16、在面心立方空间点阵中，面心位置的原子数比立方体顶角位置的原子数多三倍。
原子B溶入A晶格的面心位置中，形成置换型固溶体，其成分应该是A3B呢还是A2B？
17、Al2O3在MgO中形成有限固溶体，在低共熔温度1995℃时，约有18重量％Al2O3溶入MgO中，假设MgO单位晶胞尺寸变化可忽略不计。
试预计下列情况的密度变化。
（a）O2-为填隙离子。
（b）A13+为置换离子。
18、对磁硫铁矿进行化学分析：
按分析数据的Fe／S计算，得出两种可能的成分：
Fe1-xS和FeS1-x。
前者意味着是Fe空位的缺陷结构；
后者是Fe被置换。
设想用一种实验方法以确定该矿物究竟属哪一类成分。
19、说明为什么只有置换型固溶体的两个组份之间才能相互完全溶解，而填隙型固溶体则不能。
20、如果
（1）溶剂和溶质原子的原子半径相差超过±
15％；
（2）两元素的电负性相差超过±
0.4％，通常这一对元素将不利于形成置换型固溶体，其中前一因素往往起主导作用。
仅根据提供的资料提出哪一对金属大概不会形成连续固溶体：
Ta—W，Pt—Pb．Co一Ni，Co—Zn，Ti—Ta。
金属
原子半径（nm）
晶体结构
Ti
Co
Ni
0.1461
0.1251
0.1246
六方（<
883℃）
体心立方（>
427℃）
面心立方（~427℃）
面心立方
Zn
Ta
W
Pt
Pd
0.1332
0.1430
0.1370
0.1387
0.1750
六方
体心立方
21、对于MgO、Al2O3，和Cr2O3，其正、负离子半径比分别为0.47、0.36和0.40，则A1203和Cr23形成连续固溶体。
（a）这个结果可能吗?
（b）试预计，在MgO—Cr2O3系统中的固溶度是有限的还是无限的?
22、某种NiO是非化学计量的，如果NiO中Ni3+/Ni2+=10-4，问每m3中有多少载流子。
23、在MgO-Al2O3和PbTiO2-PbZrO3中哪一对形成有限固溶体，哪一对形成无限固溶体，为什么?
24、将CaO外加到ZrO2中去能生成不等价置换固溶体，在1600℃时，该固体具有立方萤石结构，经x射线分析测定，当溶入0.15摩尔CaO时，晶胞参数a=5.131A，实验测定密度D=0.5477克／cm3，对于CaO-Zr02固溶体来说，从满足电中性来看，可以形成氧离子空位的固溶体也可形成Ca2+嵌入阴离子间隙中的固溶体，其固溶方程为：
请写出两种固溶体的化学式，并通过计算密度，判断生成的是哪一种固溶体。
非晶态结构与性质
1．试述石英晶体、石英熔体、Na2O•2SiO2熔体结构和性质上的区别。
2．某熔体粘度在727℃时是108泊，1156℃时是104泊，要获得粘度为107泊的熔体，要加热到什么温度?
3．在Na2O—SiO2系统及RO—SiO2系统中随着SiO2含量的增加，熔体的粘度将升高而表面张力则降低，说明原因。
4．说明在一定温度下同组成的玻璃比晶体具有较高的内能及晶体具有一定的熔点而玻璃体没有固定熔点的原因。
5．某窗玻璃含14Na2O－14CaO－72SiO2（重量百分数），求非桥氧百分数。
6．网络外体（如Na2O）加到SiO2熔体中，使氧硅比增加，当O/Si≈2.5～3时，即达到形成玻璃的极限，O/Si>
3时，则不能形成玻璃，为什么?
7．按照在形成氧化物玻璃中的作用，把下列氧化物分为网络变体，中间体和网络形成体：
SiO2，Na2O，B2O3，CaO，Al2O3，P2O5，K2O，BaO。
8．以B203为例解释具有混合键氧化物容易形成玻璃的原因。
9．试述微晶学说与无规则网络学说的主要观点，并比较两种学说在解释玻璃结构上的共同点和分歧。
10．什么是硼反常现象?
为什么会产生这些现象?
11．已知石英玻璃的密度为2.3g/cm3，假定玻璃中原子尺寸与晶体SiO2相同，试计算该玻璃的原于堆积系数是多少?
12．根据教材的T—T—T曲线，计算A、B、C三种物质的临界冷却速度，哪一种物质易形成玻璃?
哪一种难形成玻璃?
表面结构与性质
1．什么叫表面张力和表面能?
在固态下和液态下这两者有何差别?
2．一般说来，同一种物质，其固体的表面能要比液体的表面能大，试说明原因。
3．什么叫吸附、粘附?
当用焊锡来焊接铜丝时，用锉刀除去表面层，可使焊接更加牢固，请解释这种现象。
4．方镁石的表面能为1000尔格/cm2，如果密度为3.68克/cm3，求将其粉碎为1u颗粒时，每克需能量多少卡?
5．试说明晶界能总小于两个相邻晶粒的表面能之和的原因。
7．1克石英在粉碎机中轧成粒度为1u的粉末时，重量增至1.02克，若这是吸附了空气中水分的结果，试求吸附水膜的厚度（假定破碎后颗粒为立方体）。
8．真空中Al2O3的表面张力约为900erg／cm2，液态铁的表面张力为1729erg/cm2，同样条件下，界面张力（液态铁—氧化铝）约为2300erg/cm2，问接触角有多大?
液态铁能否润湿氧化铝?
9．表面张力为500erg/cm2的某液态硅酸盐与某种多晶氯化物表面相接触，接触角θ=45°
；
若与此氧化物相混合，则在三晶粒交界处，形成液态小球，二面角φ平均为90°
，假如没有液态硅酸盐时，氧化物－氧化物界面的界面张力为1000dyn/cm，试计算氧化物的表面张力。
10．MgO-Al2O3-SiO2系统的低共熔物，放在Si3N4陶瓷片上，在低共溶温度下，液相的表面张力为900erg/cm2，液体与固体的界面能为600erg/cm2，测得接触角为70.52°
，
（1）求Si3N4的表面张力。
（2）把Si3N4在低共熔温度下进行热处理，测得其腐蚀的槽角为123.75°
，求Si3N4的晶界能。
（3）如果把20％的低共熔物与Si3N4粉末混合，加热到低共溶温度下，试画出由低共熔物与Si3N4混合组成的陶瓷显微结构示意图。
复习提纲
1．基本概念：
表面、晶界、相界、弛豫表面、重构表面、黏附、润湿、吸附
2．固体是如何降低系统的表面能的，为什么相同组成的固体的表面能总是高于液体的表面能；
3．固体的表面力场的分类和本质，晶体的表面结构特点，表面粗糙度、表面微裂纹对表面力场的影响；
4．固体的界面行为对固体表面结构和性质的影响；
粗糙表面的润湿行为；
相平衡与相图
1．固体硫有两种晶型（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。
2．图
（1）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，并把图中各无变点的平衡特征用式子表示出来。
（2）系统中哪种晶型为稳定相?
那种晶型为介稳相?
（3）各晶型之间的转变是单向转变还是双向转变?
3．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。
4．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％液相便软化不能使用，试计算含40（mol）Al2O3的粘土砖的最高使用温度。
5．在CaO-SiO2系统与Al2O3-SiO2系统中SiO2的液相线都很陡，为什么在硅砖中可掺人约2％的CaO作矿化剂而不会降低硅砖的耐火度，但在硅砖中却要严格防止原料中混入Al2O3否则会使硅砖耐火度大大下降。
6．加热粘土矿物高岭石（Al2O3·
2SiO2·
2H2O）至600℃时，高岭石分解为水蒸气和Al2O3·
2SiO2，继续加热到1595℃时会发生什么变化？
在这温度下长时间保温达到平衡，系统的相组成如何？
当系统生成40％液相时，应达到什么温度？
在什么温度下该粘土完全熔融?
7．图（２）是最简单的三元系统投影图，图中等温线从高温到低温的次序是t6>
t5>
t4>
t3>
t2>
t1根据此投影图回答：
（1）三个组分A、B、C熔点的高低次序是怎样排列的。
（2）各液相面下降的陡势如何?
那一个最陡?
那一个最平坦?
（3）指出组成为65％A，15％B，20％C的系统的相组成点，此系统在什么温度下开始结晶?
结晶过程怎样?
（表明液、固相组成点的变化及结晶过程各阶段中发生的变化过程）。
（4）计算第一次析晶过程析出晶相的百分数是多少?
第二次析晶过程结束时，系统的相组成如何?
结晶结束时系统的相组成又如何?
8．图（3）为生成二个一致熔融二元化合物的三元系统，据图回答下列问题：
（1）可将其划分为几个简单的三元系统?
（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，并将它们的平衡特征式子表示出来。
9．图（４）是生成一致熔融二元化合物（BC）的三元系统投影图。
设有组成为：
A：
35％，B：
35％，C：
30％的熔体，试确定其在图中的位置。
冷却时该熔体在何温度下开始析出晶体。
10．如图（5）A-B-C三元系统相图，根据相图回答下列问题：
1．在图上划分副三角形、用箭头表示各条界线上温度下降方向及界线的性质；
2．判断化合物D、M的性质；
3．写出各三元无变量点的性质及其对应的平衡关系式；
4．写出组成点G在完全平衡条件下的冷却结晶过程；
5．写出组成点H在完全平衡条件下进行加热时，开始出现液相的温度和完全熔融的温度；
写出完全平衡条件下进行冷却，结晶结束时各物质的百分含量（用线段比表示）。
11．根据图（6）回答下列问题：
（1）说明化合物S1、S2的性质；
（2）在图中划分分三元系统及用箭头指示出各界线的温度下降方向及性质；
（3）指出各无变点的性质并写出各点的平衡关系；
（4）写出1、3组成的熔体的冷却结晶过程（表明液、固相组成点的变化及结晶过程各阶段系统中发生的变化过程）。
并总结判断结晶产物和结晶过程结束点的规律；
（5）计算熔体l结晶结束时各相百分含量，若在第三次结晶过程开始前将其急冷却（这时液相凝固成为玻璃相）各相的百分含量又如何?
（用线段表示即可）；
（6）加热组成2的三元混合物将于哪一点温度开始出现液相?
在该温度下生成的最大液相量是多少?
在什么温度下完全熔融?
写出它的加热过程。
12．下图为具有化合物生成的三元系统相图，根据此三元系统相图解答下列问题
（1）判断各化合物的性质；
（2）用箭头表示相区界线温度变化方向及界线性质；
（3）划分副三角形，并写出各三元无变量点的平衡过程及性质；
（4）用规范化写法写出M点对应组分的平衡结晶过程；
（5）N点对应的三元组成点加热时在那一点温度下开始出现？
哪一点温度下完全熔化？
13．根据图（7）回答下列问题：
（1）用箭头标出各界线的温度下降方向及性质；
（2）指出各无变点的性质，并写出其平衡关系；
（3）写出熔体M的结晶过程，说明液相离开R点的原因；
（4）画出AB、BC二元系统相图。
14．比较各种三元无变量点（低共熔点，双升点，双降点，过渡点和多晶转变点）的特点。
写出它们的相平衡关系。
15．对课本的MgO-Al2O3-Si02系统和K2O—Al2O3-SiO2系统相图划分副三角形。
16．参看CaO-Al2O3-Si02系统相图，回答下列问题：
（1）组成为66％CaO，26％Si02，8％Al2O3，即书中3点的水泥配料将于什么温度开始出现液相?
这时生成的最大液相量是多少（根据详6图CaO-C2S-C12A4部分系统计算）。
（2）为了得到较高的C2S含量，题
（1）组成的水泥烧成后急冷好，还是缓冷让其充分结晶好?
（3）欲得到题
（1）组成的水泥，若只用高岭土和石灰石（Al2O3·
2Si02·
2H20和CaCO3）配料，能否得到该水泥的组成点?
为什么?
若不能，需要加入何种原料?
并计算出所需各种原料的百分含量。
17．根据Na2O-CaO-SiO2系统相图回答：
（1）组成为13％Na2O，13％CaO，74％SiO2玻璃配合料将于什么温度熔化?
在什么温度完全熔融?
（2）上面组成的玻璃，当加热到1050℃，1000℃，900℃，800℃时，可能会析出什么晶体?
（3）NC2S6晶体加热时是否会不一致熔化?
分解出什么晶体，熔化温度如何?
18．在陶瓷生产中一般出现35％液相就足以使瓷坯玻化。
而当液相达到45％时，将使瓷坯变形，成为过烧。
根据课本MgO-Al2O3-SiO2具体计算含10％偏高岭，90％偏滑石的配料的烧成温度范围。
19．计算含50％高岭石，30％长石，20％石英的一个瓷器配方在1250℃烧成达到平衡时的相组成及各相的相对量。
20．根据课本图K20-Al2O3-SiO2系统相图。
如果要使瓷器中仅含有40％莫来石晶相及60％的玻璃相、原料中应含K2O若干?
若仅从长石石中获得，K2O原料中长石的配比应是多少?
21．高铝水泥的配料通常选择在CA相区范围内，生产时常烧至熔融后冷却制得，高铝水泥主要矿物CA，而C2AS没有水硬性，因此希望水泥中不含C2AS。
这样在CA相区内应取什么范围的配料才好，为什么（注意生产时不可能完全平衡．而会出现独立结晶过程）?
（1）基本概念：
相图、自由度、组元数与独立组元数、吉布斯向律、杠杆规则、初晶区规则、三角形规则、背向线规则、切线规则；
（2）掌握相图的表示方法，包括单元系统相图、二元系统相图、三元系统相图；
对于单元系统相图，要求掌握点、线、区间的性质，会写无变量点的平衡式子；
对于二元系统相图，要求掌握点、线、区间的性质，会写无变量点的平衡式子，掌握冷却结晶过程的分析以及过程量的计算；
对于三元系统相图，要求掌握点、线、区间的性质，会写无变量点的平衡式子，掌握冷却结晶过程的分析以及过程量的计算。
图
（1）
图
（2）
图（3）
图（4）
图（5）
图（6）
图（7）
图（8）
扩散
1．解释并区分下列概
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