第一章晶体结构习题.docx

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第一章晶体结构习题

第一章晶体结构习题

1、概念：

晶体，晶体结构，空间点阵，离子半径，离子极化，配位数，固溶体，合金

2、在正交简单点阵、底心点阵、体心点阵、面心点阵中分别画出（110）、（001两组晶面，并指出每个晶面上的结点数？

3、设有某一晶面在x、y、z三个坐标轴上的截距分别为1a，2b，3c，求该晶面符号？

4、在立方晶系中，一晶面在x轴的截距为1，在y轴的截距为1/2，且平行于z轴，一晶向上某点坐标为x=1/2，y=0，z=1，求出其晶面指数和晶向指数，并绘图示之？

答：

根据晶面和晶向指数的标定方法可知，题中晶面指数为（120），如图中ABCD，晶向指数为[102]如图中OP。

7、什么叫离子极化？

极化对晶体结构有什么影响？

在离子紧密堆积时，带电荷的离子所产生的电场必然要对另一离子的电子云发生作用（吸引或排斥），因而使这个离子的大小和形状发生了改变,这种现象叫离子极化。

极化会对晶体结构产生显著影响，主要表现为极化会导致离子间距离缩短，离子配位数降低，同时变形的电子云相互重叠，使键性由离子键向共价键过渡，最终使晶体结构类型发生变化．

8、氧化镁（MgO）与氯化钠（NaCl）具有相同结构。

求

（1）MgO的晶格常数；

（2）MgO的密度？

（Ar（Mg）=24，Ar（O）=16）

解：

（1）

（2）每一个单位晶胞中含有4个Mg2+及4个O2-，1mol的Mg2+具有24g的质量，1mol的O2-具有16g的质量。

9、已知MgO晶体中Mg2+和O2-在三维空间有规律地相间排列，其晶体结构相当于两套面心立方点阵互相套叠在一起，晶胞常数a=b=c=4.20，α=β=γ=90℃,请回答:

①画出MgO晶体二维和三维空间的晶体结构图.

②从①的图形中抽象出MgO晶体的空间点阵图形.

3从②中划分出单位空间格子,计算其结点数.

12、画出MgO晶体（面心立方点阵）在（100）、（110）、（111）晶面上的结点和离子排布图.

13、已知γCs+=0.169nm，γCl-=0.181nm。

1、试用鲍林规则分析CsCl的晶体结构；

2、画出（111）面上的结点和离子排布图；

3、计算晶胞中离子堆积系数（即致密度）。

第二章晶体缺陷习题

1、分析比较ThO2、TiO2、MgO结构中间隙大小。

答：

ThO2是萤石型结构，晶胞中有巨大孔隙，TiO2是金红石型结构，Ti4+占据一半八面体孔隙，MgO是氯化钠型结构，MgO2+占满八面体孔隙，所以，孔隙由大到小顺序：

ThO2→TiO2→MgO。

2、解释为什么MgO晶体中主要的点缺陷是肖特基型，而Li2O中主要的点缺陷是弗仑克尔型。

答：

MgO晶体属氯化钠型，结构中无八面体孔隙，只有四面体孔隙，结构致密，而Li2O属反萤石结构，晶胞中有巨大孔隙。

3、

写出CaCl2加入KCl中的缺陷反应方程式，至少写出两个。

4、写出下列缺陷反应方程式

5、写出下列缺陷反应方程式（至少写两个）。

第3章熔体和玻璃体习题

1、熔体粘度在727℃时是108泊，在1156℃时是104泊，在什么温度下它是107泊？

2、一种玻璃的组成为80wt％SiO2和20wt％Na2O，试计算其非桥氧百分数？

3、、玻璃的组成是13wt％Na2O，13wt％CaO和74wt％SiO2，计算非桥氧分数？

4、、按照下列元素在形成氧化物玻璃中的作用，把它们区分为网络改变体，中间体或网络形成体（玻璃形成体）：

Si、Na、B、Ca、Al、P、K、Ba。

5、计算下面三种玻璃的网络参数，比较粘度大小，并解释原因？

（1）Na2O•SiO2，

（2）Na2O•2SiO2，（3）3Na2O•Al2O3•SiO2。

答：

（1）Z1=4，R1=3，X1=2R1-Z1=2，Y1=2Z1-2R1=2；

（2）Z2=4，R2=5/2，X2=2R2-Z2=1，Y2=2Z2-2R2=3；

（3）因为Na2O/Al2O3≥1，所以Al2O3做为网络形成体，

Z3=4，R3=8/3，X3=2R3-Z3=4/3，Y3=2Z3-2R3=8/3；

Y越大，网络连接越紧密，强度越大，粘度也越大；反之，Y越小，网络连接越疏松，网络空穴越大，网络改变剂离子在网络空穴中越易移动，粘度越小。

因为Y2＞Y3＞Y1，所以η2＞η3＞η1。

6、计算下面三种玻璃的网络参数，比较粘度大小，并解释原因。

（1）Na2O•SiO2，

（2）Na2O•2SiO2，（3）Na2O•3SiO2

答：

（1）Z1=4，R1=3，X1=2R1-Z1=2，Y1=2Z1-2R1=2；

（2）Z2=4，R2=5/2，X2=2R2-Z2=1，Y2=2Z2-2R2=3；

（3）Z3=4，R3=7/3，X3=2R3-Z3=2/3，Y3=2Z3-2R3=10/3；

Y越大，网络连接越紧密，强度越大，粘度也越大；反之，Y越小，网络连接越疏松，网络空穴越大，网络改变离子在网络空穴中越易移动，粘度越小。

因为Y3＞Y2＞Y1，所以η3＞η2＞η1。

第四章表面与界面

1、什么叫表面张力和表面能？

3、什么叫吸附、粘附？

当用焊锡来焊接铜丝时，用挫刀除去表面层，可使焊接更加牢固，请解释这种现象。

答：

吸附：

固体表面力场与被吸附分子发生的力场相互作用的结果，发生在固体表面上，分物理吸附和化学吸附。

粘附：

指两个发生接触的表面之间的吸引，发生在固液界面上。

铜丝放在空气中，其表面层被吸附膜所覆盖，焊锡焊接铜丝时，只是将吸附膜结在一起，锡与吸附膜粘附的粘附功小，锉刀除去表面层露出真正钢丝表面上，锡与铜相似材料粘附很牢固。

4、（a）什么叫弯曲表面的附加压力？

其正负根据什么来划分？

（b）设表面张力为900尔格/厘米2，计算曲率半径为0.5μm、5μm的曲面附加压力？

曲面上的附加压力：

由于表面张力作用，弯曲表面存在一个附加压力△P，弯曲表面的附加压力△P总是指向曲面的曲率中心，当曲面为凸面时，△P为正值，当曲面为凹面时，△P为负值。

5、已知：

真空中氧化铝的表面张力为820erg/cm2，液态铁的表面张力为1720erg/cm2，同样条件下，界面张力（液态铁－氧化铝）为2000erg/cm2，

问：

液态铁能否润湿氧化铝？

（同时画图表示）

答：

受力情况如图所示：

6、MgO－Al2O3－SiO2系统的低共熔物，放在Si3N4陶瓷片上，在低共熔温度下，液相的表面张力为900尔格/厘米2，液体与固体的界面能为600尔格/厘米2，测得接触角为70.520

（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123.750，求Si3N4的晶界能？

7、在高温将某金属熔于Al2O3片上。

（1）若Al2O3的表面能估计为1000尔格/厘米2，此熔融金属的表面能也与之相似，界面能估计约为3000尔格/厘米2，问接触角是多少？

（2）若液相表面能只有Al2O3表面能的一半，而界面能是Al2O3表面张力的两倍，试估计接触角的大小？

第五章粘土-水系统胶体化学

1、由实验测得粘土胶体粒子是荷电的，试从理论上分析粘土胶粒荷电的原因？

答：

粘土粒子板面上的负电荷：

（1）粘土晶格内离子的类质同晶置换造成电价不平衡使之板面上带负电。

（2）吸附在粘土表面的腐殖质离解而产生的负电荷。

粘土粒子边棱上的正电荷：

粘土粒子沿垂直层方向断键时，由于PH不同，导致粘土粒子带不同的电荷，当在PH＜6酸性介质中时，粘土边棱带正电荷。

当PH＞8时，粘土边棱带负电荷，当PH=7时，粘土边棱不带电。

综上所述：

粘土的正电荷和负电荷的代数和就是粘土的净电荷，由于粘土的负电荷一般都远远大于正电荷，因此粘土都带有净负电荷。

2、试分析影响泥浆流动性和触变性的诸因素。

3、影响粘土可塑性的因素有哪些？

生产上可以采取什么措施来提高或降低粘土的可塑性以满足成型工艺的需要？

4、粘土的很多性能与吸附阳离子种类有关，指出粘土吸附下列不同阳离子后的性能变化规律（以箭头表示大小）

H＋，Al3＋，Sr2＋，Ca2＋，Mg2＋，NH4＋，K＋，Na＋，Li＋

❑离子置换能力；由大→小

❑粘土的ζ－电位；由小→大

❑粘土的结合水；由小→多

❑泥浆的流动性；由小→大

❑泥浆的稳定性；由小→大

❑泥浆的触变性；由强→弱

❑泥团的可塑性；由强→弱

❑泥浆的滤水性；由弱→强

❑泥浆的浇注时间；由长→短

第六章相平衡

一、已知：

A－B－C三元系统相图如下，试回答下列问题

1、写出各化合物性质；

2、划分三角形；

3、用箭头表示界线温度下降方向及各界线性质；

4、判断各无变量点性质，并写出相应相平衡关系式；

5、写出熔体n的冷却析晶过程；

1、D为不一致熔二元化合物，S为一致熔三元化合物；

2、如图；

3、如图；

4、E1、E2、E3为低共熔点，

，

，

；P为双升点，

；

5、

2、已知：

A－B－C三元系统相图如下，试回答下列问题：

（1）写出各化合物性质；

（2）划分三角形；

（3）用箭头表示界线温度下降方向及各界线性质；

（4）判断各无变量点性质，并写出相应相平衡关系式；

（5）写出熔体R的冷却析晶过程；

答

（1）D为不一致熔融二元化合物，S为一致熔融二元化合物，Q为不一致熔融三元化合物。

（2）见图。

（3）见图。

（4）P点为单转熔点：

E1点为低共熔点：

E2点为单转熔点：

E3点为单转熔点：

E4点为单转熔点：

（5）

3、已知：

A－B－C三元系统相图如下，试回答下列问题

①、写出各化合物性质；

②、划分三角形；

③、用箭头表示界线温度下降方向及各界线性质；

④、判断各无变量点性质，并写出相应相平衡关系式；

4写出熔体M的冷却析晶过程；

1、化合物D为高温稳定低温分解的二元化合物，化合物F为低温稳定高温分解的二元化合物。

4、P点为双升点，

，E点为低共熔点，

，Q点为过渡点

，S点为过渡点

。

5、

4、已知：

A-B-C三元系统相图如下，试分析下列问题：

（1）判断化合物性质；

（2）划分三角形；

（3）判断界线性质及温度下降方向；

（4）判断无变量点性质及相平衡关系式；

（5）写出物系点M的析晶路程；

答：

（1）S为不一致熔融二元化合物，D为高温稳定低温分解的二元化合物（不一致熔融二元化合物）；

（2）如图；

（3）如图；

（4）E1点为过渡点

E2点为单转熔点

E3为低共熔点

（5）

第七章扩散

1、设有以直径为3cm的厚壁管道，被厚度为0.001cm的铁膜片隔开，在膜片的一边，每1cm3中含有5×1019个N原子，该气体不断地通过管道。

在膜片另一边的气体中，每1cm3中含有1×1018个N原子，如果氮在铁中的扩散系数是4×10-7cm2/S，试计算700℃时通过铁膜片的氮原子总数。

2、已知200℃时铝在铜中的扩散系数为2.5×10-20cm2/s,在500℃则为3.1×10-13m2/s,试求铝在铜中的扩散活化能.

3、912℃时铁具有同素异构转变，试比较碳在面心立方铁和体心立方铁中扩散系数的大小，并对差别进行解释。

已知扩散系数的相关数据为：

体心立方铁的扩散系数大于面心立方铁的扩散系数，原因为扩散介质结构越紧密，扩散越困难，在单位体心立方晶格中含有2个铁原子，在单位面心立方晶格中含有4个铁原子，体心立方晶格的致密度比面心立方晶格的小，所以在体心立方晶格中的扩散系数大。

4、指出图中的固体扩散的微观机构，请排出扩散的难易程度，并解释原因？

答：

（a）空位扩散；（b）间隙扩散；（c）准间隙扩散；（d）易位扩散；（e）环形扩散。

从易到难的顺序为：

空位扩散＞间隙扩散＞准间隙扩散＞环形扩散＞易位扩散。

对于离子晶体来说，负离子做紧密堆积，正离子填充空隙，处于晶格位置的粒子势能最低，所以说易位扩散所需活化能最大，在扩散过程是最难的；环形扩散，是正离子互相配合一起运动，在理论上可能的，但在实际扩散机构中正离子之间要同时运动，也需要较大活化能；准间隙扩散是间隙内的离子将正常格点的离子挤出，需要较大活化能；在间隙位置和空位处的粒子势能较高，故空位扩散所需活化能最小，因而空位扩散是最常见的扩散机理，其次是间隙扩散。

第八章固相反应

1、由Al2O3、SiO2反应生成莫来石，由扩散控制并符合杨德尔方程，实验在温度保持不变的条件下，当反应进行1h的时候，测知已有15%的反应物发生了反应。

（1）将在多少时间内全部反应物都生成产物？

（2）为了加速莫来石的生成，应采取什么有效措施？

2、由Al2O3和SiO2粉末反应生成莫来石，过程由扩散控制，扩散活化能为50千卡/摩尔，1400℃下，1小时完成10%，求1500℃下，1小时和4小时各完成多少？

（应用杨德尔方程计算）

3、分别写出杨德尔与金斯特林格固相反应动力学方程，并指出它们的局限性和应用范围。

（8分）

答：

杨德尔方程

局限性：

杨德尔在推导过程中，把球形反应面作为平面处理；计算转化率时使重量比等于体积比。

适用范围：

反应产物层较薄，转化率较小，反应初期，反应物密度和产物密度相等时才适用。

金斯特林格方程

适用范围：

较大转化率，反应物密度和产物密度相等时才适用。

局限性：

假设了反应物与反应产物体密相等，故计算仍不够准确。

4、粒径为1μm球状Al2O3由过量的MgO微粒包围，观察尖晶石的形成，在恒定温度下，第一个小时有20%的Al2O3起了反应，计算完全反应的时间？

（1）用杨德尔方程计算；

（2）用金斯特林格方程计算；

解：

（1）

将t1=1h，G1=20%，G2=100%代入上式中，求得t2=194.6h

（2）

将t1=1h，G1=20%，G2=100%代入上式中，求得t2=68h

第九章烧结

1、液相烧结有几种类型，各有何特点？

2、名词解释

烧结，液相烧结、固相烧结；晶粒生长，二次再结晶；

3、下列过程中哪一个能使烧结产物强度增大，而不产生致密化过程？

试说明之。

（1）蒸发－凝聚，

（2）体积扩散，（3）粘性流动，（4）表面扩散，（5）溶解沉淀

4、试分析二次再结晶产生的原因、危害及在工艺上怎么控制二次再结晶?

答：

造成二次再结晶的原因主要是原始物料粒度不均匀及烧结温度偏高，其次是成型压力不均匀及局部有不均匀的液相等。

二次再结晶出现后，由于个别晶粒异常长大，使气孔不能排除，坯体不再致密，加之大晶粒的晶界有应力存在，使其内部易出现隐裂纹，继续烧结时坯体易膨胀而开裂，使烧结体的机械、电学性能下降。

工艺上常采用引入适当的添加剂，以减缓晶界的移动速率，使气孔及时沿晶界排出，从而延缓二次再结晶的发生。

5、晶界遇到夹杂物时会出现几种情况，从实现致密化目的考虑，晶界应如何移动？

答：

①晶界能量较小，晶界移动被杂质或气孔所阻挡，晶粒正常长大停止。

②晶界具有一定的能量，晶界带动杂质或气孔继续移动，这时气孔利用晶界的快速通道排除，坯体不断致密。

③晶界能量大，晶界越过杂质或气孔，把气孔包裹在晶粒内部。

由于气孔脱离晶界，再不能利用晶界这样的快速通道而排除，使烧结停止，致密度不再增加。

这时将出现二次再结晶现象。

从实现致密化角度考虑，最好是第二种运动方式。