级 材料科学基础复习参考材料1要点.docx
《级 材料科学基础复习参考材料1要点.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《级 材料科学基础复习参考材料1要点.docx（28页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
级材料科学基础复习参考材料1要点
2012级材料科学基础复习参考材料
第一部分名词解释
第2章
2-1CrystallineandNon-crystalline结晶态与非晶态（31,62，64）
非晶态是一种过冷液态，不是有长程有序，但因为它相对于液体熔点有很大的过冷，所以原子是定域化的
2-2Singlecrystallinematerialsandpolycrystallinematerials单晶与多晶材料（62）
Foracrystallinesolid,whentheperiodicandrepeatedarrangementofatomsisperfectorextendsthroughouttheentiretyofthespecimenwithoutinterruption,theresultisasinglecrystal.
Mostcrystallinearecomposedofacollectionofmanysmallcrystalsorgrains,suchmaterialsaretermedpolycrystalline.
2-3Crystalstructure,pointlatticeandunitcell晶体结构、空间点阵、单位晶胞（13~15）
晶体结构是指晶体中原子或分子的排列情况，由空间点阵+结构基元而构成，晶体结构的形式是无限多的。
空间点阵是把晶体结构中原子或分子等结构基元抽象为周围环境相同的阵点之后，描述晶体结构的周期性和对称性的图像。
单位晶胞是一个从晶体结构中取出来的反映晶体周期性和对称性的重复单元。
2-4Directionindicesandplaneindices晶向指数与晶面指数
晶体中各种方位上的原子面叫晶面，表示晶面的符号叫晶面指数
晶体中各个方向上的原子列叫晶向，表示晶向的符号叫晶向指数
2-5Coordinationnumberandcoordinationpolyhedron配位数与配位多面体（34，35，38-40,46）
配位多面体：
晶体结构中，使与某一原子或离子成配位关系的各个原子或离异离子的中心连线所构成的几何多面体，称为该原子或离子的配位多面体
2-6Isotropicandanisotropic各向同性与各向异性（63）
各向同性：
物体的物理、化学等方面的性质不会因方向的不同而有所变化的特征
各向异性：
材料在各方向的力学和物理性能呈现差异的特性
2-7Polymorphismandisomorphism同质多晶和类质同晶像（p49）
化学组成相同的物质，在不同的热力学条件下结晶成结构不同的晶体的现象称为同质多晶现象，化学组成不同的晶体，具有相似的化学式和相同晶形的现象，称为类质同晶像
2-8FluoritetypestructureandAnti-fluoritetypestructure萤石型结构与反萤石型结构
F-填充在八个小立方体中心，8个四面体全被占据，八面体全空（有1+12*1/4=4个八面体空隙，其中有12个位于棱的中点，为4个晶胞所共用，1个位于体心）
反萤石型结构中，阳离子与阴离子的位置相较于萤石型（CaF2）完全相反。
碱金属离子占据F离子的位置，氧负离子占据Ca2+的位置。
2-9Spineltypestructureandanti-spineltypestructure尖晶石型结构与反尖晶型结构
在尖晶石结构中，如果A离子占据四面体空隙，B离子占据八面体空隙，则称为正尖晶石。
反之，如果半数的B离子占据四面体空隙，A离子和另外半数的B离子占据八面体空隙，则称为反尖晶石。
2-10Reconstructiontransformationanddisplacementtransformation重建性转变和位移性转变（
重建性转变：
不能简单的通过原子位移来实现，转变前后结构差异大，必须破坏原子间的键，形成一个具有新键的结构
位移性转变：
位移性转变仅仅是结构畸变，转变前后结构差异较小。
转变时，并不打开任何键，或改变最终的临近配位数，只是原子的位置发生少许位移，使次级配位有所改变。
第6章
6-1Reversiblephasetransformationandirreversiblephasetransformation可逆多晶转变与不可逆多晶转变
6-3Congruenttransformation（melt）andincongruenttransformation（melt）一致转变（熔融）与不一致转变（熔融）（301）
6-4Independentcrystallization独立析晶
第7章
7-1Steady-statediffusionandnon-steady-statediffusion稳定（态）扩散与不稳定（态）扩散（130）
稳态扩散：
在稳态扩散过程中，扩散组元的浓度只随距离变化，而不随时间变化
非稳态扩散：
扩散组元的浓度不仅随距离x变化，也随时间变化的扩散称为非稳态扩散。
7-2Self-diffusionandinter-diffusion自扩散与互扩散（127）
7-3Vacancydiffusionandinterstitialdiffusion空位扩散和间隙扩散（129）
间隙扩散：
这是原子扩散的一种机制，对于间隙原子来说，由于其尺寸较小，处于晶格间隙中，在扩散时，间隙原子从一个间隙位臵跳到相邻的另一个间隙位臵，形成原子的移动。
7-4Intrinsicdiffusionandextrinsicdiffusion本征扩散与非本征扩散
第二部分综合、简答题
第3章
3.1影响置换型固溶体形成的因素有哪些？
Explainthefactorsaffectingtheformationofsubstitutionalsolidsolution
（1）离子尺寸：
15%规律：
1.（R1-R2）/R1>15%不连续。
2.<15%连续。
3.>40%不能形成固熔体。
（2）离子价：
电价相同，形成连续固熔体。
（3）晶体结构因素：
基质，杂质结构相同，形成连续固熔体。
（4）场强因素。
（5）电负性：
差值小，形成固熔体。
差值大形成化合物。
3.2影响间隙型固溶体形成的因素有哪些？
Explainthefactorsaffectingtheformationofinterstitialsolidsolution
（1）杂质质点大小：
即添加的原子愈小，易形成固溶体，反之亦然。
（2）晶体（基质）结构：
离子尺寸是与晶体结构的关系密切相关的，在一定程度上来说，结构中间隙的大小起了决定性的作用。
一般晶体中空隙愈大，结构愈疏松，易形成固溶体。
（3）电价因素：
外来杂质原子进人间隙时，必然引起晶体结构中电价的不平衡，这时可以通过生成空位，产生部分取代或离子的价态变化来保持电价平衡。
3.3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。
Explainthedifferencesbetweensolidsolution,compoundsandmixturesinviewoftheirchemicalandphasecomposition.
固溶体
机械混合物
化合物
形成原因
以原子尺寸“溶解”生成
粉末混合
原子间相互反映生成
相数
均匀单相
多相
单相均匀
化学计量
不遵守定比定律
遵守定比定律
化学组成
不确定
有几种混合物就有多少化学组成
确定
3.4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
Explainthesimilaritiesanddifferencesofsolidsolutions,crystaldefectsandnon-stoichiometricmaterials.
固溶体、晶格缺陷、非化学计量化合物都是点缺陷，是晶体结构缺陷，都是单相均匀的固体，结构同主晶相。
热缺陷——本征缺陷；固溶体——非本征缺陷；
分类
形成原因
形成条件
缺陷反应
化学式
溶解度、缺陷浓度
热缺陷
肖特基
弗伦克尔
热起伏
T>0k
O
+
MM
Mi··+
MX
MX
只受温度控制
固溶体
无限，有限，置换，间隙
搀杂
溶解
大小，电负性，电价，结构
无：
受温度控制
有：
搀杂量<固溶度受温度控制
搀杂量>固溶度受固溶度控制
非化学计量化合物
阳缺
阴间
阳间
阴缺
环境中气氛性质和压力变化
Fe1-xO
UO2+x
Zn1+xO
TiO2-X
[h·]∝
[
]∝
[
]∝
[
]∝
3.5非化学计量化合物有何特点？
为什么非化学计量化合物都是n型或p型半导体材料？
Explainthecharacteristicsofnon-stoichiometricmaterials.Whymostnon-stoichiometricmaterialsaren-typeorp-typesemiconductors?
非化学计量化合物的特点：
非化学计量化合物产生及缺陷浓度与气氛性质、压力有关；可以看作是高价化合物与低价化合物的固溶体；缺陷浓度与温度有关，这点可以从平衡常数看出；非化学计量化合物都是半导体。
由于负离子缺位和间隙正离子使金属离子过剩产生金属离子过剩（n型）半导体，正离子缺位和间隙负离子使负离子过剩产生负离子过剩（p型）半导体。
3.6如果增大周围氧气的分压，非化学计量化合物Fe1-xO和Zn1+xO的密度将会发生怎样的变化，为什么？
（导出密度与氧分压的关系式）
WorkoutthemathematicalexpressionfortherelationshipbetweenthedensitiesofFe1-xOandZn1+xOcrystallinematerialsandtheoxygenpressure.
解：
Zn（g）
Zni·+e’
Zn（g）+1/2O2=ZnO
Zni·+e’+1/2O2
ZnO
[ZnO]=[e’]
∴PO2
[Zni·]
ρ
O2（g）
OO+VFe’’+2h·
k=[OO][VFe’’][h·]/PO21/2=4[OO][VFe’’]3/PO21/2
[VFe’’]∝PO2-1/6，
∴PO2
[VFe’’]
ρ
3.7说明为什么只有置换型固溶体的两个组分之间才能相互完全溶解，而填隙型固溶体则不能。
Explainwhyitispossibletoformcompletesutstitutionalsolidsolutions,whereastheformationsofcompleteinterstitialsolidsolutionsareimpossible.
（1）晶体中间隙位置是有限的，容纳杂质质点能力<10%；
（2）间隙式固溶体的生成，一般都使晶格常数增大，增加到一定的程度，使晶格变得不稳定而离解；置换固溶体形成是同号离子交换位置，不会对接产生影响，所以可形成连续固溶体。
3.8材料科学基础习题3.7，即[例3.1和3.2]
Showthedefectsreactionequationsforthefollowingreactions:
（1）NaClsolvesinCaCl2toformvacancy-typesolidsolution;
（2）CaCl2solvesinNaCltoformvacancy-typesolidsolution;
（3）SchottkydefectsforminNaCl;
（4）FrenkeldefectsforminAgI（Ag+ionsentertheinterstitialsites）
（5）
3.8FMSQAP5.11
第4章
4.1试简述硅酸盐熔体聚合物结构形成的过程和结构特点。
聚合物的形成是以硅氧四面体为基础单位，组成大小不同的聚合体。
可分为三个阶段：
初期：
石英的分化，架状[SiO4]断裂，在熔体中形成了各种聚合程度的聚合物。
中期：
缩聚并伴随变形一般链状聚合物易发生围绕Si-O轴转动同时弯曲，层状聚合物使层本身发生褶皱、翘曲、架状聚合物热缺陷增多，同时Si-O-Si键角发生变化。
[SiO4]Na4+[Si2O7]Na6——[Si3O10]Na8+Na2O（短键）
3[Si3O10]Na8——[Si6O18]Na12+2Na2O（六节环）
后期：
在一定时间和温度范围内，聚合和解聚达到平衡。
缩聚释放的Na2O又能进一步侵蚀石英骨架而使其分化出低聚物，如此循环，直到体系达到分化-缩聚平衡为止。
4.2试述石英晶体SiO2、石英熔体Na2O·2SiO2熔体结构和性质上的区别。
石英晶体
石英熔体
Na2O•2SiO2
结构
[SiO4]按共顶方式对称有规律有序排列，远程有序
基本结构单元[SiO4]呈架状结构，远程无序
基本结构单元[Si6O18]12-呈六节环或八节环，远程无序
性质
固体无流动性，熔点高，硬度大，导电性差，结构稳定，化学稳定性好
有流动性，η大，电导率大，表面张力大
有流动性，η较石英熔体小，电导率大，表面张力大
4.3影响熔体粘度的因素有哪些？
试分析一价碱金属氧化物降低硅酸盐熔体粘度的原因。
（1）影响熔体粘度的主要因素：
温度和熔体的组成。
碱性氧化物含量增加，剧烈降低粘度。
随温度降低，熔体粘度按指数关系递增。
（2）通常碱金属氧化物（Li2O、Na2O、K2O、Rb2O、Cs2O）能降低熔体粘度。
这些正离子由于电荷少、半径大、和O2－的作用力较小，提供了系统中的“自由氧”而使O/Si比值增加，导致原来硅氧负离子团解聚成较简单的结构单位，因而使活化能减低、粘度变小。
4.4为什么极性共价键化合物的熔体冷却时容易形成玻璃？
Whymeltsofthecompoundswithpolarcovalentbondaretendstoformglassduringcooling?
离子键向共价键过渡的混合键称为急性共价键称为极性共价键，它主要在于S-P电子形成杂化轨道，并构成σ键和π键。
这种混合键既具有共价键的方向性和饱和性，不易改变键长和键角的倾向，促进生成具有固定结构的配位多面体，构成玻璃的近程有序；又具有离子键易改变键角、易形成无对称变形的趋势，促进配位多面体不按一定方向连接的不对称变形，构成玻璃远程无序的网络结构。
因此极性共价键的物质比较易形成玻璃态。
4.5试从结构上比较硅酸盐晶体和硅酸盐玻璃的区别。
Comparethesimilaritiesanddifferencesinthestructuresofsilicatecrystalsandsilicateglasses.
硅酸盐晶体有周期性重复的结构,而玻璃体式非晶态的没有上述特点.
4.6试简述淬火玻璃与退火玻璃在结构与性能上有何差异。
Comparethesimilaritiesanddifferencesinthestructuresandpropertiesofrapidly-cooledandslowly-cooledglasses.
消除和均衡由温度梯度产生的内应力的玻璃为退火玻璃，这类玻璃不易碎裂且切割方便。
淬火处理是将制品加热至接近其软化温度，使玻璃完全退火，然后进行迅速冷却（淬火处理）。
因此产生均匀的内应力，从而使玻璃表面产生预加压应力，增加了抗弯、抗冲击的抗扭曲变形的能力。
4.7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玻璃体没有固定熔点的原因。
玻璃的介稳性：
熔体转变为玻璃过程中，是快速冷却，使玻璃在低温下保留了高温时的结构状态，玻璃态是能量的介稳态，有自发放热而转变为晶体的趋势；玻璃无固定熔点：
熔体的结晶过程中，系统必有多个相出现，有固定熔点；熔体向玻璃体转变时，其过程是渐变的，无多个相出现，无固定的熔点，只有一个转化温度范围。
4.8何为硼反常现象，为什么会产生这一现象？
单纯含有B2O3和SiO2成分的熔体，由于它们的结构不同（前者是层状结构，后者是架状结构），因此难以形成均匀一致的熔体，是不可混溶的。
从高温冷却过程中，将各自富集成一个体系，形成互不溶解的两层玻璃（分相）。
当加入Na2O后，硼的结构发生变化通过Na2O提供的游离氧，由硼氧三角体[BO3]转变为硼氧四面体[BO4]，使硼的结构从层状结构向架状结构转变，为B2O3与SiO2形成均匀一致的玻璃创造条件。
在钠硅酸盐玻璃中加入氧化硼时，往往在性质变化曲线中产生极大值和极小值，这现象也称为硼反常现象。
4.9简述晶子学说与无规则网络学说要点，并比较两种学说在解释玻璃结构上的相同点与不同点。
Explaintheconceptofcrystallitetheoryanddisorderednetworktheoryforglasses,andcomparethesimilaritiesanddifferencesofthetwotheoriesindescribingthestructuresofglasses.
第6章
6.1材料科学基础习题6.7
Addingabout2%CaOinsilicarefractorybrickhaslittleinfluenceontherefractoriness,whileaddingsmallamountofAl2O3willseverelyloweringtherefractoriness.ExplainthereasonsbasedontheCaO-SiO2andAl2O3-SiO2phasediagrams.
SiO2中加入少量的CaO，在低共熔点1436℃时，液相量为2/37=5.4%，液相量增加不多，不会降低硅砖的耐火度，故可加少量CaO作矿化剂。
6.2材料科学基础习题6.20
ShownbelowisanA-B-Cternaryphasediagram.
WhattypesofthecompoundsS1andS2canbeclassifiedto,accordingtotheirmeltingbehaviors?
Drawthesub-ternaryphasediagramsinthemaindiagramandboundary,andindicatethetemperature-decreasingdirectionsandpropertiesoftheboundarylinesbyarrowmarks.
Explainthepropertiesofthenon-variablepointsandshowtheequilibriumequations.
Showthecoolingandcrystallizationprocessesofthemelt1andmelt3,thatis,describethechangeofthecompositionsoftheliquidandsolidphasesandtheprocessateachstage,byexpressions.
解：
（1）S1为一致熔融二元化合物，S2为不一致熔融化合物。
（2）如图所示。
（3）E低共熔点
P1单转熔点
P2单转熔点
（4）1组成的熔体的冷却结晶过程
3组成的熔体的冷却结晶过程
（5）熔体1结晶结束时各相百分含量
在第三次结晶过程开始前将其急冷却，各相的百分含量
（6）在P2点对应的温度开始出现液相，在该温度下出现的最大液相量为：
在2点对应的温度下完全熔融。
组成2加热过程：
6.3材料科学基础习题6.21
ShownbelowisanA-B-Cternaryphasediagram.
（1）WhattypeofthecompoundsScanbeclassifiedto,accordingtotheirmeltingbehaviors?
Indicatethetemperature-decreasingdirectionsandpropertiesoftheboundarylines,andexplainthepropertiesofthenon-variablepointsandtheequilibriumequations.
（2）Expressthecoolingandcrystallizationprocessesofthemelts1,2,3and4.
（3）Expresstheheatingandmeltingprocessesofthemixtures5and6.
解：
（1）化合物S为不一致熔融三元化合物；P1E、P2E均为共熔界线，P1P2为转熔界线；无变量点E为低共熔点，P1、P2均为单转熔点。
（2）组成点为1的熔体的冷却结晶过程：
组成点为2的熔体的冷却结晶过程：
组成点为3的熔体的冷却结晶过程：
组成点为4的熔体的冷却结晶过程：
（3）组成为5物系的熔融过程：
组成为6物系的熔融过程：
6.4材料科学基础习题6.22
ShownbelowisanA-B-Cternaryphasediagram.
（1）Indicatethetemperature-decreasingdirectionsandpropertiesoftheboundarylinesbyarrowmarks.
（2）Explainthepropertiesofthenon-variablepointsandshowtheequilibriumequations.
（3）ExpressthecoolingandcrystallizationprocessesofthemeltM,andexplainthereasonfortheliquidphasedepartfromR。
（4）DrawthebinaryphasediagramsofABandBC.
解：
（1）界线Ee2、e1P、ab、PE、RE、QR、e3Q均为共熔
升级会员 