无机材料科学基础.docx
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无机材料科学基础
第二章晶体结构与晶体结构中的缺陷
2-1氯化铯（CsCl）属萤石结构，如果Cs+离子半径为0.170nm，Cl-离子半径为0.181nm，计算球状离子所占据的空间分数（堆积系数）。
假设Cs+和Cl-离子沿立方对角线接触。
2-2（a）MgO具有NaCl结构。
根据O2-半径为0.140nm和Mg2+半径为0.072nm，计算球状离子所占据的空间分数（堆积系数）。
（b）计算MgO的密度。
2-3氧化锂（Li2O）的晶胞结构构成：
O2-离子呈面心立方堆积，Li+离子占据所有四面体空隙。
计算：
（a）晶胞常数；（b）Li2O的密度；（c）O2-离子密堆积的结构格子，其空隙所能容纳的最大正离子半径是多大？
（d）有0.01mol%SrO溶于Li2O中的固溶体的密度。
（注：
Li+离子半径：
0.74?
，O2-离子半径：
1.40?
）
2-4ThO2具有CaF2结构。
Th4+离子半径为0.100nm。
O2-离子半径为0.140nm。
（a）实际结构中的Th4+正离子配位数与预计配位数是否一致？
（b）结构遵循鲍林规则否？
2-5石墨、云母和高岭石具有相似的结构。
说明他们的结构区别及由此引起的性质上的差异。
2-6（a）在氧离子立方密堆中，画出适合于阳离子位置的间隙类型和位置，八面体间隙位置数与氧离子数之比为多少？
四面体间隙位置数与氧离子数之比为多少？
（b）用键强度和鲍林规则来解释，对于获得稳定的结构各需要何种价离子，其中：
1）所有八面体间隙位置均填满，
2）所有四面体间隙位置均填满，
3）填满一半八面体间隙位置，
4）填满一半四面体间隙位置
并对每一种举出一个结构类型名称和正负离子配位数。
2-7很简明地说明下列名词的含义：
类质同晶现象，同质多象现象，多型现象，反结构（如反萤石结构），倒反结构（如反尖晶石结构）。
2-8Si和Al的原子量非常接近（分别为28.09和26.98），但SiO2及Al2O3的密度相差很大（分别为2.65及3.96）。
运用晶体结构及鲍林规则说明这一差别。
2-9（a）计算三重配位时阳离子和阴离子半径比的下限。
（b）对B3+（r0=0.20?
），O2-（r0=1.40?
）。
试预测其配位数。
（c）通常实验中观察到的是三角配位，试做出解释。
2-10（a）在MgO晶体中，肖特基缺陷的生成能为6eV，计算在25℃和1600℃时热缺陷的浓度。
（b）如果MgO晶体中，含有百万分之一的Al2O3杂质，则在1600℃时，MgO晶体是热缺陷占优势还是杂质缺陷占优势？
说明原因。
2-11?
对某晶体的缺陷测定生成能为84kJ/mol，计算该晶体在1000K和1500K时的缺陷浓度。
2-12?
试述晶体结构中点缺陷的类型。
以通用的表示法写出晶体中各种点缺陷的表示符号。
试举例写出CaCl2中Ca2+置换KCl中K+或进入到KCl间隙中去的两种点缺陷反应表示式。
2-13?
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的密度将发生怎样的变化？
增大？
减小？
为什么？
2-14对于MgO、Al2O3和Cr2O3,其正负离子半径分别为0.47、0.36和0.40。
Al2O3和Cr2O3形成连续固溶体。
（a）这个结果可能吗？
为什么？
（b）试预计，在MgO—Cr2O3系统中的固溶度是有限还是很大的？
为什么？
第三章熔体和玻璃体
1名词解释：
晶子假说和无规则网络假说；网络形成剂和网络变形剂；单键强
2试分析影响熔体粘度的因素有哪些？
3简述玻璃的通性。
4简述随着Na2O加入量的增加，SiO2熔体的粘度将如何变化？
并根据熔体结构理论解释其原因。
（6分）
5试比较硅酸盐玻璃与硼酸盐玻璃在结构与性能上的差异。
6玻璃的组成是13mol%Na2O、13mol%CaO、74mol%SiO2，计算结构参数。
7试计算Na2O·SiO2玻璃的结构参数。
8有两种不同配比的玻璃器组成如下：
序号
Na2O（wt%）
Al2O3（wt%）
SiO2（wt%）
1
8
12
80
2
12
8
80
试用玻璃结构参数说明两种玻璃高温下粘度的大小？
9一种熔体在1300℃的粘度是3100dPa·s，在800℃是108dPa·s，在1050℃其粘度为多少？
在此温度下急冷能否形成玻璃？
10某熔体粘度在727℃时是108dPa·s，在1156℃时是104dPa·s，在什么温度下它是107dPa·s？
求该熔体的粘性流动活化能？
11有一组二元硅酸盐熔体，其R值变化规律如下，写出熔体一系列性质的变化规律（用箭头表示：
R=2；2.5；3；3.5；4
增大
∙游离碱含量；
∙O/Si比；
∙低聚物数量；
∙熔体粘度；
∙形成玻璃能力；
∙析晶能力。
第四章表面与界面
1何谓表面张力和表面能？
在固态和液态二者有何差别？
2解释泥浆的稳定性与触变性。
3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┾Ba2┾Sr2┾Ca2┾Mg2┾NH4┾K┾Na┾Li┾
（1）阳离子置换能力；
（2）粘土的ζ电位；
（3）粘土的结合水；
（4）泥浆的流动性；
（5）泥浆的稳定性；
（6）泥浆的触变性；
（7）泥团的可塑性；
4.试比较用Na2CO3和Na2SiO3分别稀释同一种粘土泥浆，当电解质加入量相同时，两种泥浆的稳定性和流动性有何差别？
5.在真空中条件下Al2O3的表面张力为0.9N/m，液态铁的表面张力为1.72N/m，同样条件下液体铁与固体氧化铝的界面张力为2.3N/m，问液态铁能否润湿氧化铝表面？
如何提高润湿性能？
6.具有面心立方晶格的晶体，其（110）、（100）、（111）面上表面原子密度分别为0.55，0.785，0.907，试回答哪一个晶面上固-气表面能将是最低的，为什么？
7.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0.9N/m，液体与固体的界面能为0.6N/m，测得接触角为70.52o。
8.求Si3N4的表面张力。
9.把Si3N4在低共熔温度下进行热处理，测试其热腐蚀的槽角为60o，求Si3N4的晶界能？
10.氧化铝瓷件需要被银，已知1000oC时
，
，
，问液态银能否润湿氧化铝瓷件表面？
可以用什么方法改善它们之间的润湿性？
11.试解释粘土结构水、结合水（牢固结合水、松结合水）和自由水的区别，分析后两种水在胶团中的作用范围及其对工艺性能的影响？
12.影响粘土可塑性的因素有哪些？
生产上可以采用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？
第六章相平衡
6-1简述SiO2的多晶转变现象，说明为什么在硅酸盐产品中SiO2经常以介稳状态存在。
6-2如图6-1，绘出在低共熔点以上有多晶转变的二元系统的不同组成试样的冷却曲线，并在冷却曲线的不同阶段标明系统中所存在的平衡相。
图6-1图6-2图6-3
6-3如图6-2，具有不一致熔融化合物的二元系统，在低共熔点E发生如下析晶过程：
L?
A＋AmBn?
E点B含量为20％。
化合物AmBn含B量为64％。
今有C1和C2两种配料，C1中B含量是C2中B含量的1.5倍，且高温熔融冷却析晶时，从该二配料中析出的初晶相含量相等。
试计算C1和C2的组成。
6-4如图6-3，用蓝线标出熔体2冷却结晶过程液相状态点的变化途径，用红线标出固相状态点的变化途径。
说明结晶过程各阶段系统所发生的相变化。
6-5在三元系统的浓度三角形上画出下列配料的组成点，并分析其变化规律。
①A=10%B=70%C=20%；②A=10%B=20%C=70%；③A=70%B=20%C=10%。
今有配料①3Kg，配料②2Kg配料①5Kg，若将此三配料混合加热至完全熔融，试依据杠杆规则用作图方法求熔体的组成点。
6-6凝聚系统三元相图中液相面、分界曲线其自由度是多少？
哪些变量可以改变？
6-7纯物质在任意指定温度下，固、液、气三相可以平衡共存，请用相律说明这个结论是否正确？
请举例说明。
6-8试完成图6-4料点1、2、3的结晶路程（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相变化）。
图6-4图6-5
6-9图6-5为生成一个三元化合物的三元相图
1、判断三元化合物N的性质。
2、标出边界曲线的温降方向（转熔界线用双箭头）。
3、指出无变量点K、L、M的性质。
4、分析点1、2的结晶路程。
6-10在图6-6所示的相图中完成下面各个问题。
（1）画出此相图的副三角形并说明根据什么？
（2）画出各个界线的温度下降方向并说明根据什么？
（3）找出一致分界曲线和不一致分界曲线？
说明根据什么？
（4）判断最低共熔点，双升点（单转熔点），双降点（双转熔点）？
并说明根据什么？
（5）写出P点的析晶路线？
（6）P点的最后析晶产物是什么？
根据什么判断？
图6-6图6-7
6-11图6-7是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）。
6-12图6-8是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S1、S2、S3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）写出组成为H的混合物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；写出组成H的混合物在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）。
6-13如图6-9为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F、G、H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M1在完全平衡条件下的冷却结晶过程；
（5）写出组成点M2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）。
图6-8图6-9
6-14A-B-C三元相图如图6-10所示，试分析：
（1）划分付三角形；
（2）标出界线的性质（共熔界线用单箭头，转熔界线用双箭头）；
（3）指出三元化合物S的性质；
（4）说明M、L、K点的性质，并列出相变式；
（5）分析点1和点2的析晶路程（表明液、固相组成点的变化，并在液相变化的路径中注明各阶段的相变化和自由度数）。
图6-10图6-11
6-15A-B-C三元相图如图6-11所示，分析相图回答下列问题：
（1）说明D、E、F、G、H、I六个化合物的性质；
（2）画出有意义的副三角形
（3）用单、双箭
（4）分析1#、2#熔体的冷却平衡结晶过程并写出相变式；
（5）熔体1#、2#的冷却平衡结晶过程头表示界线的性质（ST为晶型转变界线）。
6-16如图6-10为A-B-C三元系统相图，根据相图回答下列问题：
（1）标出各条界线的温度下降方向及性质
（2）判断化合物Ｓ1、Ｓ2、Ｓ3的性质
（3）写出各无变点的性质及其平衡特征式
图6-12
?
?
?
?
（4）写出熔体Ｍ的冷却析晶过程。
6-17图6-13为SiO2-CaO-Al2O3相图，请回答：
（1）画出此相图的h、k、f点相对应的副三角形？
（2）画出交于h、k、f点的界线的温度下降方向？
（3）找出交于h、k、f点的界线一致分界曲线和不一致分界曲线？
（4）判断三元无变点h、k、f点的性质？
（5）1点的最后析晶产物是什么？
（6）2点的液相组成点到达终点的瞬间，其固相量和液相量分别是多少?
?
?
?
?
图6-13图6-14
6-18图6-14为CaO-A12O3-SiO2系统的富钙部分相图，对于硅酸盐水泥的生产有一定的参考价值。
试：
（1）画出有意义的付三角形；
（2）用单、双箭头表示界线的性质；
（3）说明F、H、K三个化合物的性质和写出各点的相平衡式；
（4）分析M#熔体的冷却平衡结晶过程并写出相变式；
（5）并说明硅酸盐水泥熟料落在小圆圈内的理由；
（6）为何在缓慢冷却到无变量点K（1455℃）时再要急剧冷却到室温？
6-19图6-15为CaO-A12O3-SiO2相图，分析相图回答下列问题：
（1）画出此相图的h、k、f点相对应的副三角形？
（2）画出交于h、k、f点的界线的温度下降方向？
（3）找出交于h、k、f点的界线一致分界曲线和不一致分界曲线？
（4）判断三元无变点h、k、f点的性质？
（5）图中1点的最后析晶产物是什么？
（6）图中2点的液相组成点到达终点的瞬间，其固相量和液相量分别是多少？
图6-15
6-20图6-16为SiO2-K2O-Al2O3相图，请回答：
（1）画出此相图的b、c点相对应的副三角形？
（2）画出交于b、c点的界线的温度下降方向？
（3）找出交于b、c点的界线一致分界曲线和不一致分界曲线？
（4）判断三元无变点b、c点的性质？
（5）P点的最后析晶产物是什么？
（6）液相组成点到达分界曲线的瞬间，其固相量和液相量分别是多少？
（7）在石英的相变中，属于重建型相变的是（），属于位移式相变的是（）。
a．α-石英→α-鳞石英b．α-石英→β-石英
c．α-鳞石英→α-方石英d．α方石英→β-方石英
图6-16图6-17
6-21图6-17为SiO2-K2O-Al2O3相图，请回答：
（1）画出此相图的b、c点相对应的副三角形？
（2）画出交于b、c点的界线的温度下降方向？
（3）找出交于b、c点的界线一致分界曲线和不一致分界曲线？
（4）判断三元无变点b、c点的性质？
（5）P点的最后析晶产物是什么？
（6）液相组成点到达分界曲线的瞬间，其固相量和液相量分别是多少？
6-22图6-18为部分MgO-A12O3-SiO2相图，相图中有一组成点A，请回答：
（1）点A的晶相组成是什么？
（2）将A点加热，判断初始液相的出现温度，首先全部熔化成液相的晶相是什么，最后熔化的晶相是什么？
（3）求点A开始出现液相至全部熔融的加热变化过程；
（4）首先熔化的晶相全部变成液相时，求此时的液相量（用线段表示）。
图6-18
第七章扩散与固相反应
7-1名词解释（试比较异同）；
（1）无序扩散和晶格扩散；
（2）本征扩散和非本征扩散；
（3）自扩散和互扩散；
（4）稳定扩散和不稳定扩散。
7-2欲使Ca2+在CaO中的扩散直至CaO的熔点（2600℃）都是非本征扩散，要求三价杂质离子有什么样的浓度？
试对你在计算中所作的各种特性值的估计作充分说明。
（已知CaO的肖特基缺陷形成能为6eV）
7-3试根据图7-12查取：
（1）CaO在1145℃和1393℃的扩散系数值。
（2）Al2O3在1650℃和1716℃的扩散系数值；并计算CaO和Al2O3中Ca2+和Al3+扩散激活能和D0值。
7-4试讨论从室温到熔融温度范围内，氯化锌添加剂（10-4mol%）对NaCl单晶中所有离子（Zn、Na和Cl）的扩散能力的影响。
7-5试从扩散介质的结构、性质、晶粒尺寸、扩散物浓度、杂质等方面分析影响扩散的因素。
7-6根据ZnS烧结的数据测定了扩散系数。
在450℃和563℃时，分别测得扩散系数为1.0×10-4cm2/s和3×10-4cm2/s。
（1）确定激活能和D0。
（2）根据你对结构的了解，请从运动的观点和缺陷的产生来推断激活能的含义。
（3）根据ZnS和ZnO相互类似，预测D随硫的分压而变化的关系。
7-7碳、氮、氢在体心立方铁中的扩散激活能分别为84kJ/mol、75kJ/mol和13kJ/mol，试对此差异进行分析和解释。
?
7-8当测量氧化铝-水化物的分解速率时，发现在等温实验期间，质量损失随时间线性增加到50%左右。
超过50%时，质量损失的速率就小于线性规律。
线性等温速率随温度指数地增加。
温度从451℃增大到493℃时速率增大10倍。
试计算活化能。
这是一个扩散控制的反应、一般反应或是界面控制的反应？
7-9MoO3和CaCO3反应时，反应机理受到CaCO3颗粒大小的影响，当MoO3:
CaCO3＝1:
1；
=0.036mm，
=0.13mm时，反应是扩散控制的。
当CaCO3:
MoO3＝15:
1；
<0.03mm时，反应由升华控制，试解释这种现象。
7-10试比较杨德尔方程和金斯特林格方程的优缺点及其适用条件。
7-11
（1）试推测在贫铁的Fe3O4中Fe2+扩散系数与氧分压的关系。
（2）试推测在铁过剩的Fe2O3中氧分压与氧扩散系数的关系。
7-12由MgO和Fe2O3制取MgFe2O4时，预先在界面上埋入标志物，然后让其进行反应，
（a）若反应是由Mg2+和Fe3+互扩散进行的，标志物的位置将如何改变？
（b）当只有Fe3+和O2-共同向MgO扩散时，情况又如何？
（c）在存在氧化还原反应的情况下，Mg2+和Fe3+互扩散时，标志物又将如何移动？
（提示：
标志物朝扩散快的一端移动。
）
7-13Fe2+在FeO中的扩散活化能异常低，为23kcal/mol，而Mg2+在MgO中的扩散活化能则高得多，为83kcal/mol，为什么？
7-14碳在体心立方铁中的扩散活化能为20kcal/mol，与Fe2+在FeO中的扩散活化能相近，这是否说明二者的扩散机制相同？
为什么？
7-15由CaO和SiO2（分子比2:
1）形成2CaO·SiO2。
反应在1440℃～1500℃的活化能E＝547.58KJ/mol，1450℃时反应速度常数K=2.29×10-4s-1
求：
（1）1450℃时反应的半衰期。
（2）1500℃时反应速度常数。
7-16氢在金属中容易扩散，当温度较高，压力较大时，用金属容器储存氢气极易渗漏。
讨论稳定状态下金属容器中的氢气通过器壁扩散渗漏的情况，并提出减少氢气扩散逸失的措施（一维稳定扩散）。
7-17Co2+在CoO中、Fe2+在FeO中的扩散活化能比Mg2+在MgO中、Ca2+在CaO中的扩散活化能低得多，分析其原因。
7-18如果要合成镁铝尖晶石（MgAl2O4），可供选择的原料为MgCO3、Mg（OH）2、MgO、Al2O3·3H2O、γ-Al2O3、α-Al2O3，从提高反应速率的角度出发，选择什么原料较好？
说明原因。
第八章相变
8-1名词解释
一级相变与二级相变；
均匀成核与非均匀成核；
临界晶核；成核势垒；玻璃析晶与玻璃分相；马氏体相变；
8-2分析说明：
为什么非均相成核比均相成核更易进行？
8-3分析说明：
相变过程的推动力。
8-4马氏体相变具有什么特征？
它和成核生长机理有何区别？
8-5当一个球形晶核在液态中形成时，其自由能的变化△G=4πr2γ+4/3πr3△GV，式中r为球形晶核的半径；γ为液态晶核的表面能；△GV为单位体积晶核形成时释放的体积自由能，求临界半径rK和临界核化自由能△GK。
8-6如果液态中形成一个边长为a的立方体晶核时，其自由能△G将写成什么形式？
求出此时晶核的临界立方体边长aK和临界核化自由能△GK，并与8-5题比较，哪一种形状的△G大，为什么？
8-7由A向B转变的相变中，单位体积自由焓变化△GV在1000℃时为-419J/cm3。
在900℃时为-2093J/cm3，设A-B间界面能为0.5N/m，求：
（1）在900℃和1000℃时的临界半径；
（2）在1000℃进行相变时所需的能量。
8-8锗液态的平衡结晶温度为1231K，单位体积结晶潜热为34.71KJ/cm3，在过冷度为200K时可以均匀成核，其成核临界半径为10-9m，问锗的晶-液表面能为多少？
8-9
（1）比较MgO-SiO2和CaO-SiO2二元系统的液-液分相组成范围的大小，并说明原因。
（2）从一个硅酸盐熔体系统制备微晶玻璃，此系统的热处理温度曲线一般应具备什么特点？
8-10试用图例说明过冷度对核化、晶化速率、析晶范围、析晶数量和晶粒尺寸等的影响。
8-11在非均匀成核的情况下，成核活化能与表面张力有关，讨论非均匀成核的活化能与接触角q的关系。
8-12对比不稳分解和均匀成核成长这两种相变过程。
讨论热力学和动力学特性以及过冷度和时间对产物组织的影响。
如何用实验方法区分这两种过程？
在玻璃工业中，分相有何作用？
请举例说明。
8-13若在液相中形成第二相颗粒时体积自由能变化为108J/m3，比表面能为1J/m2，应变能忽略不计，试求均匀成核时晶核的临界半径。
8-14在非均匀成核的情况下，相变活化能与表面张力有关，试讨论不均匀成核的活化能△Gr*与接触角θ的关系，并证明当θ=90。
时，△Gr*是均匀成核活化能的一半。
8-15铁的原子量为55.84，密度为7.32g/cm3，熔点为1593℃，熔化热为11.5kJ／mol，固液界面能为204erg/cm2，试求在过冷度为10℃、100℃时的临界晶核大小并估计这些晶核分别由多少个晶胞所组成（已知铁为体心立方晶格，晶格常数a=0.305nm）
8-16什么叫Spinodale分解？
它和成核－生成机理有何区别？
第九章烧结
9-1名词解释
熔融温度、烧结温度与泰曼温度；
体积密度、理论密度与相对密度；
液相烧结与固相烧结；
晶粒生长与二次再结晶；
晶粒平均尺寸与晶粒极限尺寸；
9-2烧结的模型有哪几种？
各适应于哪些典型的传质过程？
9-3设固-气界面能为0.1J/m2，若用直径为1um的粒子组成压块体积1cm3，试计算由烧结推动力而产生的能量是多少？
9-4粉料粒度为5μm时，经2h烧结后，x/r=0.1。
若不考虑晶粒生长，烧结至x/r=0.2。
并分别通过蒸发-凝聚；体积扩散；粘性流动；溶解-沉淀传质，各需要多少时间？
若烧结时间为8h，各个传质过程的颈部增长x/r又是多少？
9-5如9-4题的粉料粒度为16μm，烧结至x/r=0.2，各个传质需要多长时间？
若烧结时间为8h，各个传质过程的颈部增长x/r又是多少？
从两题的计算结果，讨论粒度与烧结时间对4种传质过程的影响程度。
9-6在烧结过程中，哪些能使烧结产物强度增加，而不产生致密化过程？
试说明理由。
（1）蒸发-凝聚；
（2）体积扩散；（3）粘性流动；（4）晶界扩散；（5）表面扩散；（6）溶解-沉淀。
9-7在烧结Al2O3材料时，原始粉料粒度为2μm，烧结至最高温度时保温0.5h，测得晶粒尺寸为10μm，试问若保温2h，晶粒尺寸为多大？
若加入0.1%MgO,也同样保温2h，晶粒尺寸又有多大？
9-8在1500℃下MgO正
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