材料科学基础期末复习

材料科学基础复习1、正尖晶石，反尖晶石；萤石结构，反萤石结构；位移型转变，重建型转变；二八面体，三八面体；同质多晶，异质同晶。正尖晶石答：在尖晶石AB2O4型结构中，如果A离子占据四面体空隙，B离子占据八面体空隙，则称为正尖晶石。(A)[B2]O4反尖晶石型结构答：如果半数的B离子占据四面体空隙，A离子和另外半数的B离子占据八面体空隙，则称为反尖晶石。(B)[AB]O4萤石结构:答：Ca2+作立方紧密堆积,F-充填于全部的四面体空隙,八面体空隙全部空着，因此在八个F-之间存在有较大的空洞，为阴离子F-的扩散提供条件反萤石结构：答：晶体结构与萤石完全相同，只是阴、阳离子的位置完全互换。如：Li2O、Na2O、K2O等。其中Li+、Na+、K+离子占有结构中F-离子的位置，而O2-或其它离子占有Ca2+离子的位置。叫做反同形体。位移型转变：答：同一系列（即纵向）之间的转变不涉及晶体结构中键的破裂和重建，仅是键长和键角的调整，转变迅速且可逆重建型转变：答：不同系列（即横向）之间的转变，如α-石英和α-磷石英，α-磷石英和α-方石英之间的转变都涉及键的破裂和重建，转变速度缓慢二八面体：答：八面体以共棱方式相连，但八面体中的O2-离子只被两个其它阳离子所共用，这种八面体称为二八面体。三八面体：答：八面体仍共棱方式相连，但八面体中的O2-离子被其它三个阳离所共用，称为三八面体。同质多晶：答：化学组成相同的物质，在不同的热力学条件下形成不同的晶体的现象。异质同晶：答：化学组成相似或相近，在相同的热力学条件下，形成的晶体具有相同的结构，这种现象称为类质同晶现象。2、架状结构，层状结构，岛状结构。岛状结构:硅酸盐晶体结构中的硅氧四面体以孤立状态存在,它们之间通过其它正离子的配位多面体连结。层状结构:硅氧四面体通过三个共同氧连接，在二维平面内延伸成一个硅氧四面体层。架状结构：架状结构硅酸盐晶体其结构特征是每个硅氧四面体的四个角顶都与相邻的硅氧四面体共顶3、解释在AX型晶体结构中，NaCl型结构最多？答：在AX型晶体结构中，一般阴离子X的半径较大，而阳离子A的半径较小，所以阴离子做紧密堆积，阳离子填充在其空隙中。大多数AX型化合物的r+/r-比在0.414—0.732之间，应填充在八面体空隙中。即具有NaCl型结构；并且NaCl型晶体结构的对称性较高，那么有些在0.732—1.00之间的晶体，其晶格能相差很小，且由于极化结果，也趋向于NaCl型结构，所以AX型晶体结构中，NaCl型结构最多。4、用NaCl结构理论解释水泥熟料中死烧MgO和CaO结构的不同？答：NaCl结构是一种立方面心格子，其中阴离子按最紧密方式堆积，阳离子充填于全部的八面体的空隙中，阴阳离子的配位数都为6。水泥熟料中死烧MgO和CaO结构与NaCl结构，结构非常稳定水化速度缓慢，会影响水泥的安定性。但由于Ca2+半径比Mg2+半径大得多，因而在CaO结构中，O2-被“撑开”，这样，CaO结构不如MgO的结构稳定，游离CaO水化速度比游离MgO要快些，游离CaO加热即可水化，而游离MgO经压蒸才能水化。5、TiO2的性质及应用1.在光学性质上具有很高的折射率。为集成光学棱镜材料。2.在电学性质上具有高的介电系数。因此，成为制备光学玻璃的原料，也是无线电陶瓷中需要得晶相。3.TiO2的纳米和介孔材料有催化、净化效果，用于光催化下的净化功能6、为什么对称轴不存在5次和高于6次以上的轴？1.因为5次和高于6次对称轴的存在都违反晶体的格子构造规律，它们所构成的面网网孔均不能无间隙地排满整个平面，结果在面网上就出现空隙，这在晶体格子构造中是不可能存在的2.另外，从基转角α来看，只有等于360o、180o、120o、90o、60o、0o,才能整除360o，即n=360/α为整数。3.正五边形上两平行行列ad和bc得结点间距不等，违反空间格子规律，所以5次对称轴在晶体上是不存在的。7、用岛状结构理论解释水泥熟料中γ－C2S和β－C2S结构的不同？镁橄榄石中如果Mg2+离子位置全部换成Ca2+离子，就是水泥熟料中的γ-C2S的结构,其中Ca2+的配位数为6.结构稳定，活性低在水泥中几乎是惰性的。但如其中的Ca2+的配位数为8和6两种配位时，是β-C2S，则属单斜晶系，随亦为岛式结构，由于其配位不规则，化学性质活泼，能与水发生水化反应。8、分析说明高岭石，蒙脱石结构特点及其结构差异，并说明性质和结构的相关性。答：高岭石：1:1层状结构，有解理性，层间为氢键。因此可交换的阳离子容量小。水分子不易进入单网层之间，晶体不会因为水含量增加膨胀，固具有很好的可塑性。蒙脱石：2:1层状结构，有解理性，层间为范氏键，易吸水，有膨润性。具有很高的阳离子交换能力。对Na、Ca、Mg、Al、H等正离子均有强的交换性。9、用晶体结构理论解释石灰石中方解石的结构答：石灰石中方解石的结构可看成是变了形的NaCl结构形式，只要将NaCl的三次轴竖立并加压，使棱的夹角由90°变至101°55′，然后以Ca2+代替Na+，CO2-3代替Cl-。在CO2-3中的C4+在中心，三个O2-围绕C在一平面上成一等边三角形。Ca2+的配位数为6。10、无机化合物晶体结构的表示方法有几种？1.晶胞结构图:有立体图和投影图两种。可用于结构简单的直观图形。对于复杂晶体结构，用不同坐标面的投影图。2.坐标系：给出单位晶胞中各个质点的空间坐标，就能清楚地了解晶体的结构。只适应简单结构。3.球体紧密堆积和填充空隙情况：这是对金属晶体和离子晶体结构描述的最好描述。4.配位多面体及其连接方式：对结构复杂的晶体，如硅酸盐类，用此法。5.晶胞分子数(Z)：指单位晶胞中所含晶体“分子”个数11、表征硅酸盐晶体的化学式方法有几种，分别是什么？并进行比较。答：表征硅酸盐晶体的化学式方法有两种。一种是所谓的氧化物法，即把构成硅酸盐晶体的所有氧化物按一定的比例和顺序全部写出来，先是+1价碱金属氧化物，其次是+2价，+3价的金属氧化物，最后是SiO2。例如，钾长石的化学式写成K2O·Al2O3·6SiO2；高岭石：Al2O3.2SiO2·2H2O另一种是无机络盐表示法，是把是构成硅酸盐晶体的所有离子按照一定比例和顺序全部写出来，再把相关的络阴离子用中括号[]括起来即可，先是+1价、+2价的金属离子，其次是Al3+和Si4+离子，最后是O2-或OH-离子。如钾长石为K[AlSi3O8]，高岭石：Al2[Si2O5](OH)4比较：氧化物表示法的优点在于一目了然地反映出晶体的化学组成，可以按此组成配料来进行晶体的实验室合成。无机络盐表示法则可以比较直观地反映出晶体所属的结构类型，进而可对晶体结构及性质作出一定程度的预测，两种表示方法之间可以相互转换12.什么是弗伦克尔缺陷？其特征如何？答：由于晶格上原子的热振动，一部分能量较大的原子离开正常位置，进入间隙变成填隙原子，并在原来的位置留下一个空位1.空位、填隙原子成对出现，两者数量相等；2.晶体的体积不发生改变；3.间隙——六方、面心立方密堆中的四面体和八面体空隙;4.不需要自由表面；5.一般情况下，离子晶体中阳离子比阴离子小，即正负离子半径相差大时，易形成Frenkel缺陷。13.什么是肖特基缺陷？其特征如何？答：正常格点上的原子迁移到表面，从而在晶体内部留下空位。1.只有空位，没有填隙原子；2.如果是离子晶体，阳离子空位和阴离子空位成对出现，两者数量相等，保持电中性；3.需要有自由表面；4.伴随新表面的产生，晶体体积增加；5.正负离子半径相差不大时，Schottky缺陷为主；14.非化学计量化合物及特点。答：实际的化合物中，有一些化合物不符合定比定律，负离子与正离子的比例并不是一个简单的固定的比例关系，这些化合物称为非化学计量化合物。】非化学计量化合物的特点：1）非化学计量化合物产生及缺陷浓度与气氛性质、压力有关；2）可以看作是高价化合物与低价化合物的固溶体；15.为什么非计量化合物都是N型或P型半导体材料？答：N型半导体：阴离子空位的产生，束缚了自由电子，在电场的作用下，这些电子发生迁移，而形成电子导电，可以看作N型半导体。P型半导体：结构中产生正离子孔穴，引入电子孔穴，在电场作用下运动而导电，可以看作P型半导体。在非计量化合物中，有阴离子缺位型、阳离子填隙型，这两种缺陷都产生电子导电，所以是N型半导体材料。还有阴离子间隙型、阳离子空隙型，这两种缺陷都产生电子空穴，在电场作用下运动而导电，所以是P型半导体材料。16.试写出下列缺陷方程及化学式(1)TiO2Al2O3(2)CaOThO2(3)Y2O3MgO(4)Al2O3ZrO2(解题规律：低价阳离子置换高价阳离子时，以阳离子为配平，阴离子空位高价阳离子置换低价阳离子时，以阴离子为配平，阳离子空位)17.影响形成置换固溶体的因素有哪些？1.原子或离子尺寸的影响2.晶体结构类型的影响3.离子类型和键性4.电价因素18.形成固溶体后对晶体性质的影响？1、稳定晶格，阻止某些晶型转变的发生2、活化晶格3、固溶强化4、形成固溶体后对材料物理性质的影响（固溶体的电学、热学、磁学等物理性质也随成分而连续变化，但一般都不是线性关系。固溶体的强度与硬度往往高于各组元，而塑性则较低）5、催化剂（固溶体由于具有可变价阳离子，可随不同气氛而变化，使得在其晶格结构不变的情况下容易做到对还原性气体赋予其晶格中的氧，从氧化性气体中取得氧溶入晶格中，从而起到催化消除有害气体的作用。）6、固溶体电性能（固溶体形成对材料电学性能有很大影响，几乎所有功能陶瓷材料均与固溶体有关）7、透明陶瓷及人造宝石（利用加入杂质离子可以对晶体的光学性能进行调节或改变。）19.写出缺陷反应及固溶体的化学式（1）氧化钛固溶在氧化铝中（2）氧化钇固溶在氧化镁中（3）氯化钙固溶在氯化钾中20、玻璃的分相。熔体在冷却过程中，在一定的温度和组成范围内，质点迁移使熔体内某些组成偏聚，从而形成两个互不混容的，组成不同的玻璃相。21、形成氧化物玻璃的规则？1、网络中每个氧离子最多与两个网络形成离子相联。2、氧多面体中，阳离子配位数必须是最小的，即为4或3。3、一定是共顶连接，不能共棱或共面，使能量最低。4、每个氧多面体至少有三个顶角是与相邻多面体公共有以形成连续的无规则空间结构网络。22、解释硼酸盐玻璃的硼反常现象引入断网离子，使三角体变成四面体，由层状变成架状，由于四面体的存在有补网作用，出现硼反常现象，有个极值变化。这与相同条件下的硅酸盐玻璃相比，其性能刚好相反。所以称为硼反常现象23、有两种玻璃组成（mol%）如下：•序号Na2OCaOAl2O3SiO2•120101060•2101872•试计算玻璃的结构参数，并比较两种玻璃的高温下粘度何者大？24.硅酸盐晶体与硅酸盐玻璃在结构上的区别？答：（1）在硅酸盐晶体中，[SiO4]骨架按一定的对称规律有序排列；在硅酸盐玻璃中[SiO4]骨架的排列是无序的。（2）在硅酸盐晶体中，[SiO4]骨架外的网络外离子占据了点阵中的一定位置；而在硅酸盐玻璃中，网络变性离子统计地分布在[SiO4]骨架的空腔内，使氧的负电荷得以平衡。（3）在硅酸盐晶体中，只有当外来阳离子半径与晶体中的阳离子半径相近时，才能发生同晶置换；而在硅酸盐玻璃中，骨架外阳离子不论半径是否相近，均能发生置换，只要求遵守静电价规则。（4）在晶体中（如这种晶体不是固溶体），原始组份（氧化物）相互间有简单的固定比例，即符合化学计量；而在玻璃中，氧化物可以以任意的比例混合，即不符合化学计量。25.网络形成体，网络变性体。答：网络形成体(其中正离子为网络形成离子)，其单键强度大于335kJ/mo1。这类氧化物能单独形成玻璃。网络变性体(正离子称为网络变性离子)，其单键强度小于250kJ/mol。这类氧化物不能单独形成玻璃，但能改变网络结构，从而使玻璃性质改变。十一章26.稳定扩散，非稳定扩散稳定扩散：稳定扩散是指在垂直扩散方向的任一平面上，单位时间内通过该平面单位面积的粒子数一定，即任一点的浓度不随时间而变化，扩散通量不随位置变