材料化学导论一11.docx

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材料化学导论一11

厦门大学“材料化学导论

（一）”作业

材料学院材料科学与工程系2010级材料科学与工程专业

主讲教师：

曾人杰；助教：

彭杰、范尚青

2011年6~8月

●交作业的时间

作业可在相关的“课后第2次（隔次）”交齐，也可由班长和学习委员在征求大部分同学的意见后，“统一”制定时间交齐；但一般不要拖过相关课后的第4次。

●对抄袭作业的处理

如发现同学间有明显的“抄袭”行为，两个相关同学的该次作业成绩，“皆”以零分计入期末总分；如发现有同学“抄袭”以前学长的作业，处理的原则同上。

●作业题的顺序、标题、内容和总数量

下面有些作业题在正课前先列出，目的是为同学们的学习提供个线索和参考。

但是，相关的内容在讲课后，先前列出的作业题的顺序、标题和具体内容，都会做适当的调整；所以，同学们不必费时先做后面的题目。

此外，由于是开卷考，并且一年级的“导论”课，最后的考题必然与作业会有一定的联系；所以，为保证“国家精品课程”的教学质量，作业的总题数为40题左右。

●本课程的主要参考书

[1]曾人杰.无机材料化学（上）.厦门:

厦门大学出版社.2001（获省优秀教学成果二等奖）

[2]曾人杰.无机材料化学（下）.2003（胶印本）[全书（含上、下册）为国家精品课程“材料化学导论”配套用书，将由“科学出版社”出版；曾被评为十一·五国家级教材]

（可按该书目录找到相应的参考文献，或相应的教科书）

●第一次课后的作业

1、试评述：

有人认为用液相烧结制备结构陶瓷，会比用固相烧结获得性能更好的材料。

[注：

结构陶瓷的概念、液相烧结和固相烧结的一般概念，课堂上已介绍过；更严格、详细的概念，请同学们从网上查看或参考本课程的教材下册（胶印本，或按其目录找到相应的参考文献）或相关的教科书]

●第二次课后的作业

2、请给出“fineceramics”适当的中文翻译，并写出对应该中文的至少另外2种英文名称？

3、试解释与“中国科学院上海硅酸盐研究所”相关的3个学术名称之间的联系：

（1）硅酸盐研究所；

（2）Inst.ofCeramics；（3）《无机材料学报》。

4、中国科学院上海硅酸盐研究所与原中国科学院上海冶金研究所（现为上海微系统与信息技术研究所）为邻居，试从学科和技术的角度理解这些现象。

5、试讨论：

早在上世纪80年代后期，发达国家如英国便已在高校的材料学院或材料系取消了“传统陶瓷”专业；而着重发展“特种陶瓷”专业。

●第三次课后的作业

7、福建的陶瓷生产基地主要有3个：

泉州的德化（日用瓷）、福州的闽清（电瓷）和泉州晋江的磁灶（瓷砖，等）。

磁灶在历史上就是陶瓷生产基地，试讨论其地名的由来，和瓷砖与磁砖的不同写法。

8、在无机非金属材料领域（如日用陶瓷、氧化铝陶瓷、碳化硼陶瓷、特种玻璃，等）里，常见一些的企业家，虽然没有机会受到过本专业的正规训练；但是事业却非常成功，而且还亲自掌握了该企业的核心技术。

试从学科的特点和技术的角度评述这一现象；也可以厦门及其周边地区的知名企业为例。

●第四次课后的作业

10、试简答：

（1）一次颗粒的概念；

（2）二次颗粒的概念；

（3）团聚的英文名称；

（4）硬团聚和软团聚的主要差别。

11、试简答：

粉末颗粒在液体中分散的两种主要方法。

12、试讨论：

（1）粉末团聚所带来的危害。

（2）从普通（传统）陶瓷往精细陶瓷发展、进而研究纳米陶瓷的主要推动力是什么？

（3）用纳米粉制备纳米结构陶瓷的不利因素。

13、普通（传统）陶瓷和精细陶瓷的主要区别是什么？

[注

（1）可从颗粒（晶粒）尺寸的角度进行讨论；

（2）最好再从陶瓷材料的化学组成，所使用的原料、制备方法和主要设备，材料的性质等方面，进行较全面的讨论]。

14、从结合键的角度分析金属、陶瓷、高分子材料的主要性能特点。

●第五次课后的作业（相图）

16、有硅砖（主要成分为SiO2）的新窑开始使用时，在846K的温度时应如何控制升温速率？

为什么？

17．请画出下述2类相图的草图（并试答括号内的问题）：

（1）一种物质随着另一种物质的加入，其熔点（或凝固点）下降（并简述该原理在实际工作中的应用）。

（2）一种物质随着另一种物质的加入，其熔点（或凝固点）上升（试讨论该原理的可能用途）。

18、试讨论如何降低固体粉末混合物（如玻璃配合料）的熔化温度？

19、试运用“使玻璃分相、进一步制备富含SiO2玻璃（高硅氧玻璃）”的原理，用图示和文字简述设计和制备一个亚微观层次的复合材料。

[提示：

请注意到以下3个事实：

（1）SiO2（其高温相是a—方石英）的熔点高达1,713℃；使之熔化、制备（纯SiO2的）石英玻璃条件比较严酷。

（2）如果冷却速度足够地快，SiO2熔体会来不及结晶，变成石英玻璃。

（3）如下的Na2O—SiO2相图，在右下方有个介稳的二液相区。

]

●第六次课后的作业（缺陷、固溶体、位错）

21、至少在2003年以前，词典上只有憎油或亲水（hydrophilic）、亲油或憎水（hydrophobic）、两亲（amphiphilic）英文单词；试构造两憎表面的英文单词（词类不限）并稍解释这和两憎表面的概念。

22、对于光导纤维的芯料而言，是少量二氧化钛被包围在二氧化硅的环境之中；对于皮料而言，少量的二氧化硅存在于二氧化钛之中。

这会导致Lee等人报道[6]，对于SiO2/TiO2复合纤维来说，若二氧化硅含量高达80~90%，即使热处理温度高打1473K，锐钛矿相也不会转变为金红石。

这种情况可能是大量的玻璃态—二氧化硅包围了二氧化钛，限制了二氧化钛要发生晶型转变所必须的外形和体积变化，阻滞了二氧化钛的晶型转变，因而在1473K时没有出现金红石。

大量的二氧化硅包围了二氧化钛，限制了二氧化钛晶型转变，使得锐钛矿转变为金红石的温度大大提高”；任课教师把这种情况总结成环境对晶型转变的“限制效应” 。

请评论上面这段议论。

23、何谓非化学计量化合物？

其与固溶体有何联系？

24、试评述：

某物理专业博士论文主要内容是研究氧化锌（化学式可写成Zn1+xO）中（处于氧化锌晶格中填隙位置的）缺陷锌离子的价态。

第七次课后的作业（扩散、相变）

26、设有生成物和反应物都为氧化物的典型固相反应：

A+BC；一般而言，反应的控制步骤是什么？

27、关于斯宾那多分解，

（1）有人认为利用原理，可以制备复合材料；试评述此说法；

（2）请给出“斯宾那多分解”常用的英文名称。

描述此过程还有其他的名称，请给出至少其他3个中文名称。

●第八次课后的作业（玻璃态）

29、设有一块透明纯氧化铝圆片，您如何（用最简单的方法）判断它是单晶体、陶瓷或是玻璃体？

30、试讨论和评述“超导微晶体玻璃”的思路。

●第九次课后的作业（固相反应）

33、试评述：

大部分相关专利是，在某个温度下一次性（对原料粉末混合物、或对用化学法获得的先驱体粉末，等）进行高温热处理，以获得钇铝石榴石（YAG，分子式3Y2O3·5Al2O3）粉末。

●第十次课后的作业（烧结）

36、试简答：

粉末高温热处理，可以称为烧结（sintering）吗？

为什么？

37、试用图、配以简单的文字，从亚微观结构角度说明，单晶、玻璃、多晶精细陶瓷（固相烧结）、多晶陶瓷（液相烧结）的主要区别。

38、试讨论：

温度、压力和气氛对精细陶瓷制备过程的意义。

39、试讨论评估一个陶瓷实验室研究层次和领域的主要指标。

材料化学导论

材料系09级本科作业

（2010.3—2010.7）

习题

1按本书的观点和所提供的资料，请简要回答：

（1）无机材料化学的核心内容；缺陷化学（和固溶体）

（2）无机材料化学领域里最常用的2项分析技术；

XRD——X射线衍射；电子显微镜

（3）无机材料化学的3个主要特点，并稍解释；

1、跳跃性思维：

与基础理论演绎法不同；“猜测”是无机材料化学常用的一种跳跃性思维。

2、综合性：

无机材料化学是材料化学家从材料科学、材料工艺与技术的角度出发，把固体物理、固体化学、相关理论（例如固体力学，生物学，甚至医学，等）和工程方面有关无机材料研究的化学内容集中起来，加以分析、综合和提高，形成的一门独立学科。

3、应用性：

无机材料化学是把与物理、化学、其他理论（固体力学等）、材料科学中与化学有关的内容，直接应用到无机材料中，把理论和实际直接联系起来，表现了很强的应用性。

（4）对于无机非金属材料学科而言，“无机材料化学”的地位如何?

无机材料化学是无机非金属材料这一学科最核心的内容

2按本书所提供的资料，请

（1）列出与“无机材料化学”关系最密切的学科或分支；关于化学、材料科学（暨陶瓷学、金属学）的主要著作和教材，写出作者（译著的原作者暨国籍和译者）、书名、出版社、出版时间、该书的主要特色。

（1）作者：

[美]KingeryWD,BowenHK,UhlmannDR.

清华大学材料系译.

书名：

IntroductiontoCeramics.

《陶瓷导论》

出版社：

IntroductiontoCeramics：

Wiley-Interscience

《陶瓷导论》中国建筑工业出版社.

出版时间：

IntroductiontoCeramics.第一版：

1976.第二版：

1982.《陶瓷导论》：

1987

主要特色：

这本《陶瓷导论》所叙述的理论原则，几乎涉及到包括金属材料在内的无机材料的化学方面所有内容。

（2）作者：

[英]R.W.Cahn,P.Haasen

北京科技大学金属物理教研组译或北京钢铁学院金属物理教研室译

书名：

PhysicalMetallurgy

《物理金属学》

出版社：

PhysicalMetallurgy：

North-Holland

《物理金属学》：

科学出版社

出版时间：

PhysicalMetallurgy：

1970

《物理金属学》：

1984

主要特色：

以金属材料为研究对象，内容与《陶瓷导论》十分接近。

（3）作者：

[英]A.R.West

苏勉曾,谢高阳,申泮文译.

书名：

SolidStateChemistryanditsApplications.

《固体化学及其应用》

出版社：

SolidStateChemistryanditsApplications：

JohnWileyandSons

《固体化学及其应用》：

复旦大学出版社

出版时间：

SolidStateChemistryanditsApplications：

1984

《固体化学及其应用》：

1989

主要特色：

本书包括固体化学的定义、制备方法,无机固体的表征、物理技术的应用、热分析、结晶化学及其研究方法,固液体及相变的特性,离子电导和固体电解质,固体的电子性质和能滞理论等。

（4）[印]Rao.固体化学新方向

（5）苏勉曾．固体化学导论．北京大学出版社.1986。

（6）冯端．金属物理学．科学出版社.1998。

（7）[英]Moulson.电子陶瓷。

。

。

列出以上3个以上，可以给满分。

有的列出了徐如人的无机合成的两本书和固体化学新方向这本书应该也可以。

4试解释与中国科学院上海硅酸盐研究所相关的3种学术名称之间的联系：

（1）硅酸盐研究所；

（2）Inst.ofCeramics；（3）《无机材料学报》。

参考答案：

Inst.ofCeramics是硅酸盐研究所的英文；《无机材料学报》是中国科学院上海硅酸盐研究所所办的刊物；也是中国无机材料领域最权威的刊物之一。

5中国科学院上海硅酸盐研究所与原中国科学院上海冶金研究所（现为上海微系统与信息技术研究所）为邻居，试从学科和技术的角度理解这些现象。

参考答案：

从技术的角度来看：

硅酸盐和冶金学研究的一些基本原理、研究方法和测试手段有着惊人的相似。

从学科发展的角度来看：

中国科学院上海硅酸盐研究所渊源于1928年成立的国立中央研究院工程研究所，1954年更名为中国科学院冶金陶瓷研究所。

1959年独立建所，定名为中国科学院硅酸盐化学与工学研究所，1984年中国科学院上海硅酸盐研究所中从事冶金研究的部分划分出来，定名为中科院上海冶金研究所。

6.从结合键的角度分析金属、陶瓷、高分子材料的主要性能特点。

答案（要点）：

金属材料：

主要以金属键为主，大多数金属强度和硬度较高，塑性较好。

陶瓷材料：

以共价键和离子键为主，硬、脆，不易变形，熔点高。

高分子材料：

分子内部以共价键为主，分子间为分子键和氢键为主。

7.请从颗粒（晶粒）尺寸的角度，讨论普通（传统）陶瓷和精细陶瓷的主要区别是什么？

（注：

最好再从陶瓷材料的化学组成，所使用的原料、制备方法和主要设备，材料的性质等方面，进行较全面的讨论）。

答案（要点）:

普通陶瓷的颗粒尺寸一般为100微米以上，精细陶瓷的颗粒尺寸一般为亚微米至几十微米之间。

其他：

（1）化学组成上，突破了传统陶瓷为硅酸盐的界限，精细陶瓷一般是氧化物、氮化物、碳化物，等。

（2）在原料上，传统陶瓷以天然粘土为主要原料、与产地关系极大。

精细陶瓷一般以化工原料为主要，原料的成分与产地关系不大。

。

（3）在制备方法上，传统陶瓷常采用液相烧结，以模压和炉窑为主要生产手段；而精细陶瓷常采用固相烧结，广泛采用冷等静压；真空烧结，气氛烧结、热（等静压）压等手段。

（4）在性能上，特种陶瓷有比传统陶瓷优越的高强度、高硬度、高韧性、耐高温、耐腐蚀性等，还有磁、电、光、声、生物等方面具有的特殊性质。

8.参考本章正文和所列出的相关文献，试简答:

（1）一次颗粒的概念和英文名称；

（2）二次颗粒的概念；

（3）粉末团聚的概念和英文名称；

（4）团聚参数的概念；

（5）硬团聚和软团聚的基本概念；

（6）粉末团聚所带来的危害。

答案（要点）:

（1）一次颗粒是指粉末团聚前的颗粒。

一次颗粒的英文名称：

primaryparticle

（2）二次顆粒是指粉末团聚后的颗粒。

（3）粉体团聚是指原生的粉体颗粒在制备、分离、处理及存放过程中相互连接形成较大的颗粒的现象。

团聚的英文名称：

agglomeration[ə,glɑmə'reʃən]

（4）团聚参数：

团聚体平均包含粉末一次颗粒的数目，可以通过一次颗粒粒径与二次颗粒粒径之比求得。

（二次粒径/一次粒径）

（5）软团聚能用化学法或一般的机械方法打开。

硬团聚能不用化学法或一般的机械方法打开。

（6）在陶瓷烧结过程中，粉末团聚形成的气孔或空穴通常无法完全排除，从而形成微裂纹，根据格里菲斯（Griffith）微裂纹理论：

材料的断裂强度是由材料中尺寸最大的裂纹决定；所以，微裂纹的存在会导致材料强度的降低。

此外，粉末团聚还会影响材料的其他性能。

9.请简答：

（1）陶瓷、硅酸盐的英文名称；

（2）适用于“精细陶瓷”的至少3种英文名称；

（3）XRD，SEM和TEM的英文全称和中文名称。

（1）陶瓷:

ceramic;

硅酸盐:

silicate['sɪlɪkɪt]

（2）fineceramics；

advancedceramics；

highperformanceceramics。

（3）XRD:

X-raydiffraction[dɪ'frækʃən]X射线衍射

SEM:

scanningelectronicmicroscope扫描电子显微镜（-copy）

TEM:

transmissionelectronicmicroscope透射电子显微镜（-copy）

10.在无机非金属材料领域（如日用陶瓷、氧化铝陶瓷、碳化硼陶瓷、特种玻璃，等）里，常见一些的企业家，虽然没有机会受到过本专业的正规训练；但是事业却非常成功，而且还亲自掌握了该企业的核心技术。

试从学科的特点和技术的角度评述这一现象；也可以厦门及其周边地区的知名企业为例。

答案（要点）:

无机非金属材料领域的最重要的学科之一“材料科学基础”或“无机材料化学”，有如下明显的特点：

1、跳跃性思维：

与基础理论演绎法不同，由于演绎法还无法解决无机材料化学的许多重大问题，“猜测”的跳跃性思维往往是最常用的方法；2、综合性：

无机材料化学是材料化学家从材料科学、材料工艺与技术的角度出发，把固体物理、固体化学、相关理论（例如固体力学，生物学，甚至医学，等）和工程方面有关无机材料研究的化学内容集中起来，加以分析、综合和提高，形成的一门独立学科。

3、应用性：

无机材料化学是把与物理、化学、相关理论、材料科学中与化学有关的内容，直接应用到无机材料中，把理论和实际直接联系起来，表现了很强的应用性。

因而在无机非金属材料领域，一些企业家虽然没有机会受到过本专业的正规训练，但有大量的实践，并对该领域有较好的宏观了解，因而事业能成功，并且掌握了该企业的核心技术。

由于演绎法还无法推导出无机非金属材料的制备条件，相关的制备关键往往是（在一定原则指导下）通过实践摸索出来的；因而从技术上来讲，上述企业家的成功也是一种很正常的现象。

11.名词解释：

粉末颗粒表面的ζ-电位和功用。

答案（要点）:

固体颗粒表面因为破键而带电荷，与固体表面接触的液体（吸附层）带相反的电荷，产生双电层；（可随固体颗粒运动的）吸附层和液体不动层之间的电位差，称为ζ电位。

由于ζ电位的存在，带同种电荷的陶瓷微粒之间存在着排斥力。

ζ电位较高时，颗粒间的排斥力较大；会抵消颗粒间的范德华吸引力，使颗粒呈分散状态。

12.试简答：

粉末颗粒在液体中分散的两种主要方法。

答案（要点）:

1、调节体系的pH值或电解质的浓度，获得较高的ζ-电位绝对值，使粉末颗粒在液体中分散；此即静电稳定机制。

2、控制（两亲结构的）高分子分散剂的种类（链的长度等）和浓度（有个最佳值），即利用高分子的空间位阻作用使粉末颗粒在液体中分散。

13.试评述：

用纳米粉制备结构陶瓷。

（提示：

从粉末团聚和晶界两方面讨论）

答案（要点）:

即使采用无团聚的纳米粉并严格控制烧结条件，烧结后晶粒大小仍然在纳米级，也会因其晶界过多、玻璃态的比例过大，导致高温蠕变和高温强度等其相关性能不佳。

14.试评述：

有人认为利用斯宾那多分解（Spinodaldecomposition）的原理，可以制备复合材料。

答案（要点）:

一般来说，材料发生“斯宾那多分解”后，会成为2个相，即分解成为物理和化学完全相同的2个部分。

此现象常被应用到高硅氧玻璃（二氧化硅含量高的玻璃）制备中。

斯宾那多分解后的多（两）相结构，可直接作为制备（亚微观层次）复合材料的基础。

15.（1986年6月，Bednorz和Müller先发现了La–Ba–Cu–O系统、接着于1987年9月发现了Y–Ba–Cu–O系统的钙钛矿型高温超导陶瓷）。

试设计一个方案，用玻璃陶瓷（glassceramics，即微晶玻璃）法，也获得高温超导电性；并稍解释方案设计的思路。

答案（要点）:

例如，把Y–Ba–Cu–O系统熔化，再快速冷却以制成玻璃，然后微晶化，渗流效应使各个微晶体形成超导网络。

16.试评述温度、压力和气氛对精细陶瓷制备过程的意义。

答案（要点）:

高温使固体质点能充分进行（扩散）运动，以顺利完成固相反应和烧结。

压力使气孔易于排除，使烧结得以顺利完成。

气氛（例如H2气氛下N2和O2的分压为零）以利于（空气）气孔排除。

17、简述料浆水系统分散的静电稳定性原理.

Zeta电位：

固体颗粒表面因破键而带电荷，称热力学电位；与固体表面接触的液体（吸附层）带相反的电荷，产生双电层；（可随固体颗粒运动的）吸附层和液体不动层之间的电位差，称为ζ（读成zeta）电位或电动电位。

图1胶体粒子的结构及电位示意图（换成分为几图的，效果会好些）

据DLVO理论：

带电胶粒之间存在2种相互作用力：

双电层重叠时的静电斥力和粒子间的长程范德华吸引力，它们的相互作用决定了胶体的稳定性。

当吸引力占优势时，溶胶发生聚沉；而当排斥占优势，并大到足以阻碍胶粒由于布朗运动而发生碰撞聚集沉时，则胶体处于稳定状态。

（1）Zeta电位-pH值关系理论曲线

图2Zeta电位-pH值关系理论曲线

（2）电解质的影响

如下文的图3，出现极值的原因，是电解质（离子强度）的影响。

（3）氧化铝料浆体系的zeta-电位pH关系曲线

图3给出了Al2O3料件的zeta电位-pH曲线和粘度-pH曲线。

图3Al2O3浆料的ζ-电位（实线），粘度（虚线）和pH值的关系

由图可见，当pH<9时，zeta电位为正值，且在pH=3时，zeta电位达到最大正值；当pH>9时（碱性介质），zeta电位为负值，在pH=12时，zeta电位的绝对值达最大。

pH=9时，zeta电位为0，是体系的等电位点（即iep点）。

出现这种情况是由于Al2O3是两性氧化物；在酸性介质中，存在Al（OH）2+或/和Al（OH）2+等碱性基团，Al2O3颗粒表面因“优先吸附”它们而带正电。

在碱性介质中，类似的分析可知Al2O3颗粒表面带负电；在电性逆转时，出现iep点。

当pH<9时，随着pH变小，zeta电位变大，在酸性部分取得较大的值。

这是由于[H+]增大后，Al2O3颗粒表面吸附的Al（OH）2+或/和Al（OH）2+增多所致；而当pH>9时（碱性介质），随着pH增大，zeta电位变大，也可用类似的方法解释。

Zeta电位出现极值，是因为pH过大或过小时，（酸、碱）电解质的浓度过大，离子强度过高，压缩双电层，使zeta电位下降。

18、简述粉末—水系统（料浆）分散的立体稳定（空间位阻稳定）原理，和表面活性剂的浓度—系统粘度关系。

教科书常见的说法是，当2个带有聚合物吸附层的粒子靠拢打破吸附层相互接触后，吸附层压缩，聚合物分子失去结构熵而产生熵斥力位能使料浆稳定。

对于初学者而言，下面的说法（来自英文专业书）更可取：

当2个带有聚合物吸附层的粒子靠拢后，如果聚合物的长链互相链接，会降低混乱度，违反了“熵增大”的自然规律；所以，聚合物长链互相链接不可能，只能发生排斥。

图3典型的料浆粘度—表面活性剂浓度关系

图3给出了典型的料浆粘度—表面活性剂浓度关系，以pH值为3.1的Al2O3料浆为例，研究阿拉伯树胶加入量对Al2O3浆料流动性的影响。

从图可见，为了增加Al2O3浆料的流动性，可以加入1.0～1.5%阿拉伯树胶；而为了使它聚沉，则应加入0.21～0.23%的阿拉伯树胶。

这是由于在高浓度下形成空间稳定效应，而在低浓度下形成搭桥效应之故，料浆的粘度会随着阿拉伯树胶加入量的减少而出现一个极大值。

不过，表面活性剂浓度过高，超过了“单层吸附”的情况，此时加入的表面活性剂不但不会使料浆分散，而是料浆液体的黏度提高，导致了料浆粘度的提高。

19、碳化硼是一种超硬材料、其晶体会比陶瓷硬度还高，有人问，为什么不把它制成晶体？

一般的材料（特别是碳化硼之类）制成单晶和加工非常困难：

（1）制成单晶一般用“提拉法”，需要液相，所需温度非常高，对设备的要求高；

（2）晶体难以长成较大的单晶，无法达到应用的要求；

（3）单晶加工更为困难。

20、早在二十年多前，英国大部分材料专业，其硕、博士生课题，已经不再研究普通陶瓷，试评述这一现象。

普通陶瓷属劳动密集型产业，在发达国家里不适宜发展；对这方面的人才也要求不多；普通陶瓷所需要的基本理论和技术，精细陶瓷所涉及的，已能满足。

精细陶瓷能满足社会和科技发展对材料性能要求的需要；精细陶瓷带来的附加价值较高。

21、画出表示：

①单晶；②玻璃；③特种陶瓷；④普通陶瓷简图

单晶玻璃