無機材料科學基礎 陸佩文 課后問題詳解

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1、word 2-1名詞解釋（a）弗倫克爾缺陷與肖特基缺陷；（b）刃型位錯和螺型位錯（c）類質(zhì)同象與同質(zhì)多晶解：（a）當晶體熱振動時，一些能量足夠大的原子離開平衡位置而擠到晶格點的間隙中，形成間隙原子，而原來位置上形成空位，這種缺陷稱為弗倫克爾缺陷。如果正常格點上原子，熱起伏后獲得能量離開平衡位置，躍遷到晶體的表面，在原正常格點上留下空位，這種缺陷稱為肖特基缺陷。（b）滑移方向與位錯線垂直的位錯稱為刃型位錯。位錯線與滑移方向相互平行的位錯稱為螺型位錯。（c）類質(zhì)同象：物質(zhì)結(jié)晶時，其晶體結(jié)構中部分原有的離子或原子位置被性質(zhì)相似的其它離子或原子所占有，共同組成均勻的、呈單一相的晶體，不引起鍵性和晶體

2、結(jié)構變化的現(xiàn)象。同質(zhì)多晶：同一化學組成在不同熱力學條件下形成結(jié)構不同的晶體的現(xiàn)象。2-6（1）在CaF2晶體中，弗侖克爾缺陷形成能為2.8eV，肖特基缺陷的生成能為5.5eV，計算在25℃和1600℃時熱缺陷的濃度？（k＝1.38×10－23J/K） （2）如果CaF2晶體中，含有百萬分之一的YF3雜質(zhì)，則在1600℃時，CaF2晶體中時熱缺陷占優(yōu)勢還是雜質(zhì)缺陷占優(yōu)勢？說明原因。 解：（1）弗侖克爾缺陷形成能為2.8eV，小于肖特基缺陷形成能5.5eV，所以CaF2晶體中主要是弗侖克爾缺陷，肖特基缺陷可忽略不計。-----------1分 當T＝25℃＝298K時，熱缺陷濃度為：

3、----2分 當T＝1600℃＝1873K時，熱缺陷濃度為： -----2分 （2）CaF2中含百萬分之一（10－6）的YF3時的雜質(zhì)缺陷反應為： 由此可知：[YF3]=2[]，所以當加入10－6YF3時，雜質(zhì)缺陷的濃度為： --------------------1分 此時，在1600℃下的熱缺陷計算為： x x＋5×10－7 則： 即：，x ≈8.1×10－4 熱缺陷濃度： ------------------1分 顯然：，所以在1600℃時是弗侖克爾熱缺陷占優(yōu)勢 2-10 ZnO是六方晶系，a=

4、0.3242nm，c=0.5195nm，每個晶胞中含2個ZnO分子，測得晶體密度分別為5.74，5.606 g/cm3，求這兩種情況下各產(chǎn)生什么型式的固溶體？ 解：六方晶系的晶胞體積 V===4.73cm3 在兩種密度下晶胞的重量分別為 W1=d1v=5.74×4.73×10-23=2.72×10-22(g) W2=d2v=5.606×4.73×10-23=2.65×10-22(g) 理論上單位晶胞重 W= =2.69(g) ∴密度是d1時為間隙型固溶體，是d2時為置換型固溶體。 2-12從化學組成、相組成考慮，固溶體、化合物和機械混合物的區(qū)別 ? 固溶體 機械混合

5、物 化合物 形成原因 以原子尺寸“溶解”生成 粉末混合 原子間相互反映生成 相數(shù) 均勻單相 多相 單相均勻 化學計量 不遵守定比定律 ? 遵守定比定律 化學組成 不確定 有幾種混合物就有多少化學組成 確定 以AO溶質(zhì)溶解在B2O3溶劑中為例： 比 較 項 固 溶 體 化 合 物 機 械 混 合 物 化學組成 （x?=0～2） AB2O4 AO+B2O3 相組成 均勻單相 單相 兩相有界面 3-1試簡述硅酸鹽熔體聚合物結(jié)構形成過程和結(jié)構特點？ 答：聚合物的形成是以硅氧四面體為基礎單位，組成大小不同的聚合體。 可分為三個階段 初

6、期：石英的分化； 中期：縮聚并伴隨變形； 后期：在一定時間和一定溫度下，聚合和解聚達到平衡。 產(chǎn)物中有低聚物、高聚物、三維晶格碎片以及游離堿、吸附物，最后得到的熔體是不同聚合度的各種聚合物的混合物，構成硅酸鹽結(jié)構。聚合物種類、大小和數(shù)量隨熔體的組成和溫度而變化 3-2簡述影響熔體粘度的因素？ 答：影響熔體粘度的主要因素：溫度和熔體的組成。 堿性氧化物含量增加，劇烈降低粘度。 隨溫度降低，熔體粘度按指數(shù)關系遞增。 3-3名詞解釋（并比較其異同） ⑴ 晶子學說和無規(guī)則網(wǎng)絡學說⑵單鍵強⑶分化和縮

7、聚⑷網(wǎng)絡形成劑和網(wǎng)絡變性劑 答：⑴晶子學說：玻璃部是由無數(shù)“晶子”組成，微晶子是帶有晶格變形的有序區(qū)域。它們分散在無定形介中質(zhì)，晶子向無定形部分過渡是逐漸完成時，二者沒有明顯界限。 無規(guī)則網(wǎng)絡學說：凡是成為玻璃態(tài)的物質(zhì)和相應的晶體結(jié)構一樣，也是由一個三度空間網(wǎng)絡所構成。這種網(wǎng)絡是由離子多面體（三角體或四面體）構筑起來的。晶體結(jié)構網(wǎng)是由多面體無數(shù)次有規(guī)律重復構成，而玻璃中結(jié)構多面體的重復沒有規(guī)律性。 ⑵單鍵強：單鍵強即為各種化合物分解能與該種化合物配位數(shù)的商。 ⑶分化過程：架狀[SiO4]斷裂稱為熔融石英的分化過程。 縮聚過程：分化過程產(chǎn)生的低聚化合物相互發(fā)生作用，形

8、成級次較高的聚合物，次過程為縮聚過程。 ⑷網(wǎng)絡形成劑：正離子是網(wǎng)絡形成離子，對應氧化物能單獨形成玻璃。即凡氧化物的單鍵能/熔點﹥0.74kJ/mol.k 者稱為網(wǎng)絡形成劑。 網(wǎng)絡變性劑：這類氧化物不能形成玻璃，但能改變網(wǎng)絡結(jié)構，從而使玻璃性質(zhì)改變，即單鍵強/熔點﹤ 0.125kJ/mol.k者稱為網(wǎng)絡變形劑。 3-4玻璃的組成是13wt%Na2O、13wt%CaO、74wt%SiO2，計算非橋氧分數(shù)？ 解： ? Na2O CaO SiO2 wt% 13 13 74 mol 0.21 0.23 1.23 mol% 12.6 13.

9、8 73.6 R=(12.6+13.8+73.6 ×2)/ 73.6=2.36∵Z=4 ∴X=2R﹣Z=2.39×2﹣4=0.72 Y=Z﹣X= 4﹣0.72=3.28 非氧橋%==0.72/（3.28×0.5+0.72） =30.5% 3-5試用實驗方法鑒別晶體SiO2、SiO2玻璃、硅膠和SiO2熔體。它們的結(jié)構有什么不同？ 答：利用X—射線檢測。晶體SiO2—質(zhì)點在三維空間做有規(guī)律的排列，各向異性。 SiO2熔體—部結(jié)構為架狀，近程有序，遠程無序。 SiO2玻璃—各向同性。硅膠—疏松多孔。 3-9在SiO2中應加入多

10、少Na2O，使玻璃的O/Si=2.5，此時析晶能力是增強還是削弱？ 解：設加入x mol的Na2O，而SiO2的量為y mol。則O/Si=（x+2y）/ y =2.5 ∴x=y/2 即二者的物質(zhì)量比為1:2時，O/Si=2.5。因為O/Si增加了，粘度下降，析晶能力增強了 3-11有一組二元硅酸鹽熔體，其R值變化規(guī)律如下，寫出熔體一系列性質(zhì)的變化規(guī)律(用箭頭表示) R＝2； 2.5 ； 3 ; 3.5 ; 4 (1) 游離堿含量 (2) O/Si (3) 低聚合物數(shù)量(

11、4) 熔體粘度 (5) 形成玻璃能力(6) 析晶能力 4-5試解釋粘土結(jié)構水和結(jié)合水（牢固結(jié)合水、松結(jié)合水）、自由水的區(qū)別，分析后兩種水在膠團中的作用圍及其對工藝性能的影響。 解： 粘土結(jié)構水是粘土結(jié)構中的水；由于粘土顆粒一般帶負電，又因水是極性分子，當粘土顆粒分散于水中時，在粘土表面負電場的作用下，水分子以一定取向分布在粘土顆粒周圍以氫鍵與其表面上的氧和氫氧基結(jié)合，負電端向外。在第一層水分子的外圍形成一個負電表面，因而又吸引第二層水分子。負電場對水分子的引力作用，隨著離開粘土表面距離的增加而減弱，因此水分子的排列也有定向逐漸過渡到混亂?？拷鼘有纬傻亩ㄏ蚺帕械乃肿訉臃Q為牢固結(jié)合水

12、，圍繞在粘土顆粒周圍，與粘土顆粒形成一個整體，一起在介質(zhì)中運動，其厚度約為3－10個水分子厚。在牢固結(jié)合水的外圍吸引著一部分定向程度較差的水分子層稱為松結(jié)合水，由于離開粘土顆粒表面較遠，他們之間的結(jié)合力較小。在松結(jié)合水以外的水叫自由水。結(jié)合水的密度大，熱容小，界電常數(shù)小，冰點低等，在物理性質(zhì)上與自由水不同。粘土和水結(jié)合的數(shù)量可以用測量潤飾熱來判斷。粘土與這三種水結(jié)合的狀態(tài)與數(shù)量將會影響粘土－水系統(tǒng)的工藝性能。在粘土含水量一定的情況下，若結(jié)合水減少，則自由水就多，此時粘土膠的體積減小，容易移動，因而泥漿粘度小，流動性好；當結(jié)合水量多時，水膜厚，利于粘土膠粒間的滑動，則可塑性好。 4-7黏土

13、膠粒分散在水中時，因吸附層與擴散層各帶有相反的電荷，所以相對移動時兩者之間就存在著電位差，這個電位差稱電動電位或ζ-電位。其數(shù)值對黏土泥漿的穩(wěn)定性有重要的作用。 8-3????????????? 大?????????????????????? ?。?）離子置換能力（2）黏土的ζ-電位（3）泥漿的流動性（4）泥漿的穩(wěn)定性（5）黏土的結(jié)合水 （6）泥漿的觸變性 （7）泥團的可塑性 4-10影響粘土可塑性的因素有哪些？生產(chǎn)上可以采用什么措施來提高或降低粘土的可塑性以滿足成型工藝的需要？ ?（1）含水量?，（2）電解質(zhì)，（3）顆粒大小，（4）黏土的礦物組成，（5）泥料處理工藝，（6）腐殖質(zhì)含

14、量，添加劑。（9分）?工藝措施：? ??????????泥料經(jīng)過真空練泥排除氣體；經(jīng)過一定時間腐使水分均勻；適宜的腐殖質(zhì)含量；添加塑化劑等方法提高瘠性物料的塑化 6-1名詞解釋 凝聚系統(tǒng)：不含氣相或氣相可以忽略的系統(tǒng)。 介穩(wěn)平衡：即熱力學非平衡態(tài)，能量處于較高狀態(tài)，經(jīng)常出現(xiàn)于硅酸鹽系統(tǒng)中。 連線規(guī)則：將一界線（或其延長線）與相應的連線（或其延長線）相交，其交點是該界線上的溫度最高點。 切線規(guī)則：將界線上某一點所作的切線與相應的連線相交，如交點在連線上，則表示界線上該處具有共熔性質(zhì)；如交點在連線的延長線上，則表示界線上該處具有轉(zhuǎn)熔性質(zhì)，遠離交點的晶相被回吸。 不一致熔融化合物：是一

15、種不穩(wěn)定的化合物。加熱這種化合物到某一溫度便發(fā)生分解，分解產(chǎn)物是一種液相和一種晶相，兩者組成與化合物組成皆不相同，故稱不一致熔融化合物。 6-5具有不一致熔融二元化合物的二元相圖〔圖10-12（c）〕在低共熔點E發(fā)生如下析晶過程：LA+C，已知E點的B含量為20%，化合物C的B含量為64%。今有C1，C2兩種配料，已知C1中B含量是C2中B含量的1.5倍，且在高溫熔融冷卻析晶時，從該二配料中析出的初相（即達到低共熔溫度前析出的第一種晶體）含量相等。請計算C1，C2的組成。. 解：設C2中B含量為x, 則C1中B含量為1.5x，由題意得： 所以C1組成B含量為26％，C2組成B含量

16、為17.3％。 6-6 今通過實驗測得如圖6-3所示的各相圖，試判斷這些相圖的正確性。如果有錯，請指出錯在何處？并說明理由。 圖6-3 ???解：第一圖錯，B組元有一個固定的熔點，因此液相線和固相線在B側(cè)應交于一點。 ???第二圖錯，A、B組元具有一個低共熔點，因此A、B的兩條液相線應交于一點。 ???第三圖錯，析晶過程中，達到共熔點后，系統(tǒng)進入低共熔過程，從液相中析出固溶體α、β，系統(tǒng)進入三相平衡狀態(tài)，系統(tǒng)的溫度不能變，因此中間的那條線應與AB平行。 ???第四圖錯，具有低共熔點的有限固溶體二元系統(tǒng)相圖中γ固溶體不可能存在。 ???第五圖錯，具有轉(zhuǎn)熔點的有限固溶體二元系統(tǒng)相

17、圖中γ固溶體不可能存在。 ??6-11 圖6-6是一個未完成的具有一個不一致熔化合物并形成固溶體的二元系統(tǒng)相圖。請根據(jù)已給出的諸點完成此相圖的草圖。 6-7已知A，B兩組分構成具有低共熔點的有限固溶體二元相圖〔圖10-12（i）〕。試根據(jù)下列實驗數(shù)據(jù)繪制相圖的大致形狀：A的熔點為1000℃，B的熔點為700℃。含B為0.25mol的試樣在500℃完全凝固，其中含0.733 mol初相α和0.267mol（α＋β）共生體。含B為0.5mol的試樣在同一溫度下完全凝固，其中含0.4 mol初相α和0.6mol（α＋β）共生體，而α相總量占晶相總量的50%。實驗數(shù)據(jù)均在達到平衡狀態(tài)時測定。 解

18、：設C點含B為x%,E點含B為y%，D點含B為z%，由題意借助杠桿規(guī)則得關系式： ????? 解得：?x=5.1％ y=79.9％ z=94.9％ 由此可確定C、D、E三點的位置，從而繪出其草圖 6-23試分析圖6-11上配料點1、2、3的結(jié)晶過程，寫出結(jié)晶過程的相平衡表達式（表明液、固相組成點的變化及結(jié)晶過程各階段系統(tǒng)中發(fā)生的相變化和自由度數(shù)的變化）。 ????解：1點冷卻析晶過程： ??2點冷卻析晶過程： ?3點冷卻析晶過程： ???? 圖6-11?????????????????????????????????圖6-12 ????6-24圖6-12所示為生

19、成一個三元化合物的三元系統(tǒng)相圖。（1）判斷三元化合物N的性質(zhì)；（2）標出界線上的溫降方向（轉(zhuǎn)熔界線用雙箭頭）；（3）指出無變量點K、L、M的性質(zhì)，并寫出相平衡方程；（4）分析點l、2的結(jié)晶過程，寫出結(jié)晶過程的相平衡表達式。 ????解：? （1）N為不一致熔融三元化合物 ?? （2）如圖所示 ?? （3）副△A? 對應M? 低共熔點?? ??????? 副△B? 對應L?? 低共熔點?? ??????? 副△ABN? 對應K?? 單轉(zhuǎn)熔點?? ?? （4）1的結(jié)晶過程： ????2的結(jié)晶過程： 影響濕潤的因素有那些？ 答：⑴固體表面粗糙度當真實接觸角θ小于90°時，粗

20、糙度越大，表面接觸角越小，就越容易濕潤；當θ大于90°，則粗糙度越大，越不利于濕潤。 ⑵吸附膜吸附膜的存在使接觸角增大，起著阻礙作用。 ?7-5 說明吸附的本質(zhì)？ 答：吸附是固體表面力場與吸附分子發(fā)出的力場相互作用的結(jié)果，它是發(fā)生在固體上的。根據(jù)相互作用力的性質(zhì)不同，可分為物理吸附和化學吸附兩種。 物理吸附：由分子間引力引起的，這時吸附物分子與吸附劑晶格可看作是兩個分立的系統(tǒng)。 化學吸附：伴隨有電子轉(zhuǎn)移的鍵合過程，這時應把吸附分子與吸附劑晶格作為一個統(tǒng)一的系統(tǒng)來處理。 什么是晶界結(jié)構？ 答：晶界結(jié)構是指晶界在多晶體中的形狀、結(jié)構和分布。

21、 試比較硅酸鹽玻璃與硼酸鹽玻璃在結(jié)構與性能上的差異。 答：結(jié)構差異：硅酸鹽玻璃：石英玻璃是硅酸鹽玻璃的基礎。石英玻璃是硅氧四面體[SiO4]以頂角相連而組成的三維架狀結(jié)構。由于Si—O—Si鍵角變動圍大，使石英玻璃中[SiO4]四面體排列成無規(guī)則網(wǎng)絡結(jié)構。SiO2是硅酸鹽玻璃中的主要氧化物。 硼酸鹽玻璃：B和O交替排列的平面六角環(huán)的B—O集團是硼酸鹽玻璃的重要基元，這些環(huán)通過B—O—B鏈連成三維網(wǎng)絡。B2O3是網(wǎng)絡形成劑。這種連環(huán)結(jié)構與石英玻璃硅氧四面體的不規(guī)則網(wǎng)絡不同，任何O—B三角體的周圍空間并不完全被臨接的三角體所填充，兩個原子接近的可能性較小。 性能差異：硅酸鹽玻璃：試劑和氣體介

22、質(zhì)化學穩(wěn)定性好、硬度高、生產(chǎn)方法簡單等優(yōu)點。 硼酸鹽玻璃：硼酸鹽玻璃有某些優(yōu)異的特性。例如：硼酐是唯一能用以制造有吸收慢中子的氧化物玻璃；氧化硼玻璃的轉(zhuǎn)化溫度比硅酸鹽玻璃低得多；硼對中子射線的靈敏度高，硼酸鹽玻璃作為原子反應堆的窗口對材料起屏蔽中子射線的作用。 試說明晶粒之間的晶界應力的大小對晶體性能的影響？ 答：兩種不同熱膨脹系數(shù)的晶相，在高溫燃燒時，兩個相完全密合接觸，處于一種無應力狀態(tài)，但當它們冷卻時，由于熱膨脹系數(shù)不同，收縮不同，晶界中就會存在應力。晶界中的應力大則有可能在晶界上出現(xiàn)裂紋，甚至使多晶體破裂，小則保持在晶界。 牢固結(jié)構水 吸附在黏土礦物層間及表面的定向水分子層

23、，它與黏土膠粒形成整體并一起移動 松結(jié)構水 黏土表面定向排列過度到非定向排列的水層，它處于膠粒的擴散含水量低，黏度小而流動度大的性質(zhì)。。 一級相變：體系由一相變?yōu)榱硪幌鄷r，如兩相的化學勢相等但化學勢的一級偏微商(一級導數(shù))不相等的稱為一級相變。 二次再結(jié)晶：是液相獨立析晶：是在轉(zhuǎn)熔過程中發(fā)生的，由于冷卻速度較快，被回收的晶相有可能會被新析出的固相包裹起來，使轉(zhuǎn)熔過程不能繼續(xù)進行，從而使液相進行另一個單獨的析晶過程，就是液相獨立析晶 五 相圖分析(20分) 1劃分副三角形；（見圖）(4分) 2標出各條界線上的溫度變化方向（見圖）；(4分) 3判斷各無變點的性質(zhì)；E點為低共熔

24、點,P為轉(zhuǎn)熔點(4分) 4寫出各無變點的平衡反應式；LE=A+B+S LP+A=B+S (2分) 5寫出組成為M點的熔體析晶的路程；(見圖中線路) (6分) 1影響擴散的因素？（1）化學鍵（1）化學鍵（2）缺陷（3）溫度（4）雜質(zhì)（5）擴散物質(zhì)的性質(zhì)和擴散介質(zhì)的結(jié)構 2燒結(jié)的主要傳質(zhì)方式有那些?分析產(chǎn)生的原因是什么? （8分） 答：燒結(jié)初期，晶界上氣孔數(shù)目很多，此時氣孔阻止晶界移動，Vb=0。）燒結(jié)中、后期，溫度控制適當，氣孔逐漸減少?？梢猿霈F(xiàn)Vb=Vp，此時晶界帶動氣孔以正常速度移動，使氣孔保持在晶界上，氣孔可以利用晶界作為空位傳遞的快速通道而迅速匯集或消失。繼續(xù)升

25、溫導致Vb》Vp，晶界越過氣孔而向曲率中心移動，氣孔包入晶體部，只能通過體積擴散排除，這是十分困難的。從實現(xiàn)致密化目的考慮，晶界應帶動氣孔以正常速度移動，使氣孔保持在晶界上，氣孔可以利用晶界作為空位傳遞的快速通道而迅速匯集或消失。（1分） 控制方法：控制溫度，加入外加劑等。 3影響置換型固溶體和間隙型固溶體形成的因素有哪些？解：影響形成置換型固溶體影響因素： （1）離子尺寸：15%規(guī)律：1.（R1-R2）/R1>15%不連續(xù)。2.<15%連續(xù)。3.>40%不能形成固熔體。（2）離子價：電價相同，形成連續(xù)固熔體。 （ 3）晶體結(jié)構因素：基質(zhì)，雜質(zhì)結(jié)構相同，形成連續(xù)固熔體。（4）場強因素。（5

26、）電負性：差值小，形成固熔體。差值大形成化合物。影響形成間隙型固溶體影響因素：（1）雜質(zhì)質(zhì)點大?。杭刺砑拥脑佑。仔纬晒倘荏w，反之亦然。（2）晶體（基質(zhì)）結(jié)構：離子尺寸是與晶體結(jié)構的關系密切相關的，在一定程度上來說，結(jié)構中間隙的大小起了決定性的作用。一般晶體中空隙愈大，結(jié)構愈疏松，易形成固溶體。（3）電價因素：外來雜質(zhì)原子進人間隙時，必然引起晶體結(jié)構中電價的不平衡，這時可以通過生成空位，產(chǎn)生部分取代或離子的價態(tài)變化來保持電價平衡。 4試分析形成固溶體后對晶體性質(zhì)的影響。解：影響有：（1）穩(wěn)定晶格，阻止某些晶型轉(zhuǎn)變的發(fā)生；（2）活化晶格，形成固溶體后，晶格結(jié)構有一定畸變，處于高能量的活化狀態(tài)，有利于進行化學反應；（3）固溶強化，溶質(zhì)原子的溶入，使固溶體的強度、 硬度升高；（4）形成固溶體后對材料物理性質(zhì)的影響：固溶體的電學、熱學、磁學等物理性質(zhì)也隨成分而連續(xù)變化，但一般都不是線性關系。固溶體的強度與硬度往往高于各組元，而塑性則較低， 5影響瓷燒結(jié)的主要因素有哪些？ 答：1、影響瓷燒結(jié)的主要因素有：（1）原始粉料的粒度；（2）外加劑的作用；（3）燒結(jié)溫度與保溫時間；（4）鹽類的選擇及煅燒條件；（5）氣氛的影響；（6）成型壓力 8 / 8