武汉理工大学材料工艺与设备答案.docx

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武汉理工大学材料工艺与设备答案

填空题（30分）简答题（40分）论述题（20分）推导计算题（10分）

1.三大材料

无机非金属材料、金属材料、有机高分子材料

2.什么是玻璃转变现象

当物质由固体加热或由液体冷却时，在相当于晶态物质熔点绝对温度的2/3-1/2温度附近出现热膨胀，比热等性能的突变。

3.如何理解玻璃的四个通性

各向同性：

玻璃态物质的质点排列是无规则的，是统计均匀的，其理化性质在任何方向都是相同的

无固定熔点：

玻璃态物质由固体转变为液体是在一定的温度范围内进行的，并且没有新的晶体生成

亚稳性：

玻璃是由熔体几句冷却而得到的，因为温度下降黏度增加。

质点来不及做有规则排列形成晶体，没有放出结晶潜热

性质变化的连续性：

玻璃的性质随成分发生连续和逐渐变化。

性质变化的可逆性：

从熔体状态冷却过程中，可以多次进行，其物理化学性质产生逐渐和连续的变化，而且是可逆的，没有生成新相。

4.玻璃的结构特点

近程有序，远程无序

5.玻璃的结构理论及其学术内容

晶子学说：

a.玻璃是由极微细的有序区域——“晶子”组成。

b.晶子分散在无序区域当中，由晶子——到无序区域的过渡是逐步的，没有严格的界限。

c.晶子不同于一般微晶，它是尺寸小的晶格极度变形的有序排列的区域。

d.晶子中心部份，有序程度最高。

e.晶子大小7～20A2～4个[SiO4][SiO4]玻璃结构单元

f. 晶子占玻璃10～20%

无规则网络学说

a.玻璃中的键状态或结构单元和晶体相似。

如石英玻璃，[SiO4]四面体构成三维网络，但缺乏周期性和相对称性。

b.氧化物成玻有四个条件

△一个氧原子不能够和两个以上的阳离子结合，O的配位数不能大于2。

△中心阳离子周围的氧离子数不能过多，一般是3～4。

△网络中氧配位多面体之间，只以顶角相连，不能共棱，更不能共面。

△网络当中每个氧配位多面体至少有三个顶角共用。

6.什么是铝（硼）反常现象

铝酸盐玻璃（硼酸盐玻璃）与相同条件下的硅酸盐玻璃相比，其性质随三氧化二铝或三氧化二硼加入量的变化规律相反

铝反常：

Al2O3在硅酸盐玻璃中也有4和6两种配位状态。

当Na2O/Al2O3>1时，Al3+离子位于四面体中，粘度增加；

当Na2O/Al2O3<1时，Al3+离子位于八面体中，粘度降低。

硼反常：

B2O3含量较少时，以[BO4]四面体形式存在。

粘度随B2O3含量的增加而增大。

当硼含量增至Na2O/B2O3<1时，以[BO3]三角体中，使结构疏松，粘度下降。

7.玻璃生产工艺中的四大稳、玻璃熔制过程的四小稳

四大稳：

原料稳（成分，含水率，粒度）

燃料稳（热值，供应压力，温度等）

熔化稳（投料量，温度曲线，熔化质量等）

成型、退火稳（拉引速度，原板宽度，板的厚度，退火温度等）

四小稳：

温度稳、压力稳、液面稳、泡界线稳

8.玻璃的熔制过程五个阶段及其特点

（1）硅酸盐的形成（800～900℃）

Na2O+SiO2→Na2SiO3CaO+SiO2→CaSiO3

MgO+SiO2→MgSiO3

（2）玻璃的形成

当温度继续上升时，硅酸盐烧结物和剩余二氧化硅开始熔融并且互相溶解和扩散，由不透明的半熔融烧结物转变为透明玻璃液。

但玻璃液中存在大量的气泡，化学组成和性质不均匀，有很多条纹。

CaCO3→CaO+CO2Na2CO3→Na2O+CO2

（3）玻璃的澄清

是指使玻璃液继续加热，降低熔体粘度，排除可见气泡的过程。

澄清温度一般是1400～1500℃，此时玻璃液粘度约为10Pa.s

（4）玻璃的均化

均化：

就是排除条纹（消除不均体），在澄清温度附近，使玻璃达到化学均匀和热均匀。

影响均化的因素：

扩散，表面张力，流动。

（5）玻璃的冷却

就是将合格的玻璃液冷却到成型所需要的温度，其温度根据玻璃品种的不同而不同。

在冷却的过程中，要防止温度的上下波动，防止二次气泡的产生。

9.成分对玻璃的粘度的影响

1　氧硅比

硅氧四面体网络的连接程度与氧硅比的大小有关。

当氧硅比增大，硅氧四面体的连接程度降低，导致粘滞活化能降低，熔体黏度下降。

反之，黏度上升。

2　键强与离子的极化

在其他条件相同前提下，黏度随阳离子与氧的键力增大而增大。

当氧硅比很高时，硅氧四面体间连接较少，四面体间很大程度依靠键力R-O连接。

当氧硅比很低时，熔体中氧硅阴离子团很大，对黏度起主要作用的是硅氧四面体之间的键力。

这时R2O除提供“游离氧”以断裂硅氧网络外，R+离子在网络中还对Si-O键有反极化作用，减弱Si-O间的键力，降低熔体的黏度。

3　结构的对称性

结构不对称就可能在结构中存在缺陷或者薄弱环节，使黏度下降。

4　配位数

阳离子的配位状态对玻璃的黏度有重要影响。

10.玻璃的料性及其对生产的指导意义

料性：

随温度变化，粘度变化速率不同，这种情况称为玻璃具有不同的料性。

用料性来表示不同成分的玻璃的粘度与温度的关系。

料性短，变化率快，易于机械成型；料性长，变化率慢，不易成型。

11.粘度如何测量

1　旋转法

测定范围1-10^15Pa·s

将旋转体放到玻璃熔体中，当旋转体以一定角度旋转时，旋转体因玻璃熔体的粘滞阻力而产生扭力矩，通过测量扭力矩，即可获得玻璃熔体的黏度

此法设备复杂，但测量范围宽，容易实现自动化，缩短测定时间，操作简单，准确度和精确度高。

2　落球法

测定范围1-10^3Pa·s

原理是根据斯托克斯定律，即球在一个无边界的广阔液体中等速运动时，液体的粘度为

条件：

球体在无限范围的液体中运动，在实际测量中，需考虑边界条件的影响，通过引入仪器常数K加以修正。

特点：

设备简单容易制造，准确度较高。

操作不便，黏度值测定范围较窄。

3　拉丝法

测定范围10^7-10^14Pa·s,为低温黏度。

该法是用一定长度和直径的无缺陷的玻璃丝，在直立的管状电炉中受一定的荷重作用时，测量其伸长-时间曲线，利用后一阶段的伸长速率计算黏度

12.温度对玻璃粘度的影响

温度越高，粘度越小，稳定性越好。

13.影响玻璃表面张力有哪些因素

1　温度越高，质点热运动加剧，相互作用力减小，表面张力降低

2　外界气氛。

非极性气体对表面张力的影响较小。

而极性气体对玻璃表面张力的影响非常大，极性越大表面张力降低越大。

3　气氛影响。

实践表明，窑内气氛对表面张力影响很大。

在还原气氛下较氧化气氛下玻璃表面张力大20%左右。

4　各种氧化物对玻璃的表面张力有不同的影响。

14.玻璃表面张力的测量原理

拉脱法：

用测量一个已知周长的金属片从待测液体表面脱离时所需的力，来求得该液体的表面张力系数的方法称为拉脱法。

15.玻璃为什么会析晶

玻璃态物质转变为结晶物质的过程称为结晶过程。

热力学观点：

玻璃内能高于同成分晶体的内能，玻璃有析晶倾向。

熔体的能量和晶体的能量之差越大，则析晶倾向越大。

动力学观点：

冷却时熔体粘度增加甚快，质点移动困难。

16.玻璃结晶成核的机理

均相核化机理

当玻璃熔体的温度高于液相线温度，液相自由能小于固相，所以液态是稳定相。

当温度低于液相线温度，则固态变为稳定相。

从熔体微观结构看，液体中质点在熔点以上的“起伏”不可能导致形成稳定的新相，只有在低于熔点时，这种“起伏”导致相变。

异相核化机理

当系统中存在异相物质，这些物质的表面或结构中不连续性等可作为核化的良好位置，并成为诱导晶核，这种核化过程称为异相核化。

由于存在这类界面降低了界面能，使晶核形成速率加快，从而降低了整个过程自由能。

17.玻璃熔制所用的设备

玻璃熔窑：

池窑和坩埚窑。

按使用的热源分类：

火焰窑，电热窑，火焰+电热窑

18.浮法玻璃的成型原理

让处于高温熔融状态的玻璃液浮在比它重的金属液表面上，受表面张力作用使玻璃具有光洁平整的表面，并在其后的楞却硬化过程中加以保持，则能生产出接近抛光表面的平板玻璃。

19.玻璃配合料的质量要求有哪些

1　同一原料应有适宜的粒度，不同原料之间保持一定的粒度比，保证配合料的均匀度，熔制速度，玻璃液均匀度，提高混合质量，防止配合料的分层。

2　应具有一定水分，使水在石英颗粒表面形成水膜。

3　需有一定的气体率，有利于玻璃液的澄清和均化。

4　混合均匀，保证玻璃液的均匀性。

20.玻璃浮法工艺为什么选择金属锡作为浮抛介质

浮法工艺对浮抛介质的要求：

①在1050℃温度下密度大于玻璃。

②金属的熔点低于600℃，沸点高于1050℃，1000℃左右的蒸汽压应尽可能低。

③在1000℃左右温度下，不与玻璃发生反应。

能满足以上条件的金属有镓，铟，锡三种，其中锡最便宜、无毒

21.玻璃退火的工艺制度

退火：

就是消除玻璃制品中热应力至允许值的热处理过程。

加热阶段：

玻璃进入退火窑后必须加热到退火温度。

保温阶段：

消除快速加热时玻璃存在的温度梯度，消除玻璃中固有的内应力。

慢冷阶段：

在固有应力消除后，防止降温过程中由于温度梯度产生的新应力。

快冷阶段：

指应变温度到室温区间，只产生暂时应力，不发生热破坏的情况下，尽快冷却。

22.论述玻璃的缺陷及其产生原因

气泡（气体夹杂物）：

一次气泡（产生的原因主要是澄清不良）

二次气泡（产生的原因有物理的和化学的两种）

结石（结晶夹杂物）：

配合料结石（由未融化的颗粒产生）

耐火材料结石（耐火材料受到侵蚀剥落或高温时与玻璃液作用）

析晶结石（玻璃在一定温度范围内，由于本身析晶而产生结石）

条纹和节瘤（玻璃态夹杂物）：

玻璃主体内存在的异类玻璃夹杂物。

包括熔制不均匀引起、窑碹玻璃滴引起、耐火材料被侵蚀引起、结石熔化引起

23.玻璃中的应力有哪些

按产生原因分为：

热应力（温度差）、结构应力（组成不一致）、机械应力（外力作用）

而热应力按其存在的特点又分为暂时应力和永久应力

24.水泥的定义、分类

加入适量水后可成塑性浆体，既能在空气中硬化又能在水中硬化，并能将砂石等材料牢固地胶结在一起的细粉状水硬性胶凝材料，通称为水泥

按用途和性能分为：

通用水泥、专用水泥、特性水泥

按所含主要水硬性矿物分类：

硅酸盐水泥，铝酸盐水泥，硫铝酸盐水泥，氟铝酸盐水泥，以工业废渣为主要组分的水泥

25.水泥、水泥熟料、硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥概念的区别。

水泥:

加入适量水后可成塑性浆体，既能在空气中硬化又能在水中硬化，并能将砂石等材料牢固地胶结在一起的细粉状水硬性胶凝材料，通称为水泥。

水泥熟料：

由主要含CaO，SiO2，Al2O3，Fe2O3的原料，按适当比例磨成细粉烧至部分熔融所得以硅酸钙为主要矿物成分的水硬性胶凝物质称为硅酸盐水泥熟料，简称熟料。

硅酸盐水泥：

凡由硅酸盐水泥熟料，0～5%石灰石或粒化高炉矿渣，适量石膏磨细所制成的水硬性胶凝材料。

普通硅酸盐：

由硅酸盐水泥熟料、5%-20%的混合材料及适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料

26.水泥的组成材料、水泥熟料的矿物以及生产水泥的原料等概念的区别

水泥的组成材料:

熟料、石膏、活性混合材、非活性混合材、窑灰

水泥熟料的矿物:

C3S、C2S、C3A、C4AF

水泥的原料:

由主要含CaO，SiO2，Al2O3，Fe2O3的原料，按适当比例磨成细粉烧至部分熔融所得以硅酸钙为主要矿物成分的水硬性胶凝物质称为硅酸盐水泥熟料，简称熟料

27.水泥熟料中主要矿物的性能及其水化反应？

硅酸三钙

1　C3S是硅酸盐水泥熟料的主要矿物，含量通常为50%左右，有时甚至高达60%

2　C3S只有在2065-1250℃范围内才稳定

3　在1250℃以下，分解为C2S和CaO，但反应很慢，故纯C3S在室温下可以亚稳存在

4　C3S含有少量的氧化镁、氧化铝、氧化铁等形成固