无机材料科学基础试卷2

无机材料科学基础试卷二

一、名词解释（20分）（8*2.5分）

刃位错、类质同晶、对称型、弗伦克尔缺陷、均匀成核、不稳定扩散、一致熔融化合物、二次再结晶

刃位错：柏格斯矢量与位错线垂直的位错。

类质同晶：物质结晶时，其晶体结构中本应由某种离子或原子占有的配位位置，一部分被介质中性质相似的它种离子或原子占有，共同结晶成均匀的呈单一相的混合晶体，但不引起键性或晶体结构型式发生质变的现象称为类质同晶。

对称型，是指宏观晶体中对称要素的集合。

弗伦克尔缺陷：正常晶格上的原子进入晶格间隙形成填隙原子，在原来的位置上形成空位。 均匀成核：晶核从均匀的单相熔体中产生的过程。

不稳定扩散：扩散物质在扩散层dx内的浓度随时间而变化，即dc/dt≠0。这种扩散称为不稳定扩散

一致熔融化合物：是一种稳定的化合物。它与正常的纯物质一样具有固定的熔点，熔化时，所产生的液相与化合物组成相同，故称一致熔融化合物。

二次再结晶：少数巨大晶粒在细晶消耗时成核长大过程。 二、 问答题（70分） 1、 说明熔体中聚合物形成过程？从结构上来说明在SiO2熔体中随着Na2O加入量的不同，熔体

粘度、形成玻璃能力如何变化，为什么? （6分）

答：熔体中聚合物形成分三个阶段。初期：主要是石英颗粒的分化；中期：缩聚并伴随变形；后期：在一定时间和一定温度下，聚合和解聚达到平衡。（3分）

在SiO2熔体中随着Na2O加入量的增加，分化的不断进行，熔体中高聚合度的聚合物的含量不断减少，低聚合度的聚合物的含量不断增加，导致熔体粘度降低、形成玻璃能力下降。（3分） 2、用NaCl和NH4Cl分别稀释同一种黏土泥浆，当电解质加入量相同时，试比较两种泥浆下列性质

的差异。（6分）

（1）泥浆的流动性 （2）泥浆的触变性 （3）泥浆的可塑性 （4）坯体的致密度 （5）黏土的δ电位 （6）泥浆的流动性 答：（1）泥浆的流动性 NaCl> NH4Cl （2）泥浆的触变性 NaCl< NH4Cl

（3）泥浆的可塑性 NaCl< NH4Cl （4）坯体的致密度 NaCl> NH4Cl （5）黏土的δ电位 NaCl> NH4Cl （6）泥浆的流动性 NaCl> NH4Cl

3、硅酸盐晶体结构分类依据是什么？可分为哪几类，每类的结构特点是什么？（9分） 答：硅酸盐晶体结构分类依据是：结构中硅氧四面体的连接方式。（1.5分）

可分为岛状：硅氧四面体孤立存在；（1.5分）组群状：硅氧四面体以两个、三个、四个或六个，通过共用氧相连成硅氧四面体群体，群体之间由其它阳离子连接；（1.5分）链状：硅氧四面体通过共用氧相连，在一维方向延伸成链状，链与链之间由其它阳离子连接；（1.5分）层状：硅氧四面体通过三个共用氧在两维平面内延伸成硅氧四面体层；（1.5分）架状：每个硅氧四面体的四个顶角都与相邻的硅氧四面体共顶，形成三维空间结构。（1.5分）

4、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。（9分）

答：不稳分解：在此区域内，液相会自发分相，不需要克服热力学势垒；无成核-长大过程，分相所需时间极短，第二相组成随时间连续变化。在不稳分解分相区内，随着温度的降低、时间的延长，析出的第二相在母液中相互贯通，形成蠕虫状结构。（4分）

成核-生成：在此区域内，在热力学上，系统对微小的组成起伏是亚稳的，形成新相需要做功，即存在成核势垒，新相形成如同结晶过程的成核-长大机理，分相所需时间长，分出的第二相组成不随时间变化。随着温度的降低、时间的延长，析出的第二相在母液中逐渐长大，形成孤立球状结构。 用TEM观察分相以后形貌，若两相无明显的连续性，第二相呈孤立球状，则为成核-生长分相；若两相形成互相交织的\"蠕虫状\"，则为不稳分解相变过程。（4分）

在玻璃工业中，利用玻璃分相可以改进结构和玻璃性能，制备新型玻璃。例如通过硼硅酸盐玻璃分相制备微孔玻璃、高硅氧玻璃，通过分相促进锂铝硅微晶玻璃的核化和晶化，通过磷硅酸盐玻璃的分相制备乳浊玻璃等。（1分） 5、 在硅酸盐晶体结构中，[SiO4]四面体或孤立存在，或共顶存连接，而不共棱更不共面，解释之。

（6分）

答：根据鲍林规则，高电价低配位的阳离子与阴离子形成的配位多面体以共棱，特别是共面方式存在时，结构的稳定性降低。在硅酸盐晶体结构中，[SiO4]四面体以共棱、共面方式相连时，中心阳离子间距较孤立存在或共顶存连接时小，中心阳离子间的斥力大，尤其是共面时斥力更大，结构不稳定，因此在硅酸盐晶体结构中，[SiO4]四面体或孤立存在，或共顶存连接，而不共棱更不共面。（6分） 6、如果NiO和Cr2O3球形颗粒之间反应生成NiCr2O4是通过产物层扩散进行的，请回答（：1）若1300℃，DCr3+>>DNi2+>DO2-，控制NiCr2O4生成速率的扩散是哪一种离子的扩散？为什么？ （2）试分析早期的这一反应转化率G-t关系应符合哪一个动力学方程？（6分） 答：（1）控制NiCr2O4生成速率的扩散是Ni2+离子。因为NiO与Cr2O3主要阳离子经过产物层的逆向

3+2+

扩散生成NiCr2O4。而DCr3+>>DNi2+>DO2，Cr扩散速度快，而Ni扩散速度慢。（4分）

1/32

（2）这一反应早期转化率与时间之间的关系应符合杨德尔方程[1-(1-G)]=KJt。（2分）

7、在扩散传质的烧结过程中，使坯体致密的推动力是什么？哪些方法可促进烧结？说明原因。（8分）

答：在扩散传质的烧结过程中，系统内不同部位（颈部、颗粒接触点、颗粒内部）空位浓度不同，导致原子或质点由颗粒接触点向颈部迁移，填充到气孔中。因此使坯体致密化的推动力是空位浓度差。（4分） 对于扩散传质：（1）控制原料的起始粒度非常重要，颗粒细小的原料可促进烧结，因为颈部增长速率x/r与原料起始粒度r的3/5次方成反比；（2）温度对烧结过程有决定性作用，扩散系数与温度呈指数关系，因此提高温度可加速烧结。（4分）

8、下图为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？（20分） 解：

1、如图所示；（1.5分）

2、如图所示；（4分）

3、F点低共熔点，LF→C3A+C12A7+C2S （1.5分） H点单转熔点，LH+CaO→C3A+C3S（1.5分） K点单转熔点，LK+C3S→C3A+C2S（1.5分） 4、M点：

L→C2S L→C2S+C3S L+C2S→C3S

液：M---→a--------→y---------→K始(LK+C3S→C2S+C3A)→K终 f=2 f=1 f=1 f=0 C2S C2S+C3S C2S+C3S C2S+C3S+C3A

固：D---→D----→b----→d---------→M （4分）

5、因为硅酸盐水泥熟料中三个主要矿物是C3S、C2S、C3A。根据三角形规则，只有当组成点落在C3S-C2S-C3A付三角形中，烧成以后才能得到这三种矿物。从早期强度和后期强度、水化速度、矿物的形成条件等因素考虑，水泥熟料C3S的含量应当最高，C2S次之，C3A最少。根据杠杆规则，水泥熟料的组成点应当位于C3S-C2S-C3A付三角形中小圆圈内。（3分）

6、因为缓慢冷却到K点，可以通过转熔反应L+C2S→C3S得到尽可能多的C3S。到达K点后，急剧冷却到室温，可以（1）防止C3S含量降低，因为K点的转熔反应LK+C3S→C2S+C3A；（2）使C2S生成水硬性的β-C2S，而不是非水硬性的γ-C2S；（3）液相成为玻璃相，可以提高熟料的易磨性。（3分）

三、 计算题（10分）

-5+

在KCl晶体中掺入10mo1％CaCl2，低温时KCl中的K离子扩散以非本征扩散为主，试回答在

+

多高温度以上，K离子扩散以热缺陷控制的本征扩散为主？（KCl的肖特基缺陷形成能ΔHs=251kJ/mol，R=8.314J/mo1·K）

-5

解：在KCl晶体中掺入10mo1％CaCl2，缺陷方程为：

则掺杂引起的空位浓度为 （5分） 欲使扩散以热缺陷为主，则

即 即

解得T>936.5K （5分）