无机材料基础

第一章熔体与玻璃一、概念熔体：介于气体和固体之间的一种物质状态，它具有流动性和各向同性，和气体相似，但又具有较大的凝聚力和很小的压缩性和固体相似。玻璃：由熔体过冷而制得的一种非晶态。黏度：流体（液体或气体）抵抗流动的量度表面张力：作用于表面单位长度上与表面相切的力表面能：熔体与另一相接触的相分界面上（一般另一相指空气）在恒温、恒容条件下增加一个单位新表面所需要做的功二、简答影响表面张力的因素:温度，组成，结构，介质影响熔体黏度的主要因素：化学组成：o/si↑黏度↓温度：T↑黏度↓玻璃的通性:1各向同性，远程无序；2热力学介稳性，黏度↑，转变速率↓3熔融态向玻璃态转化的可逆性与渐变4熔融态向玻璃态转化时，物理化学性质随温度变化的连续性5物理化学性质随成分变化的连续性第五章、表面与界面一、概念离子吸附：粘土颗粒带负电，必然吸附介质中阳离子来中和阳离子交换：所媳妇的阳离子又能被溶液中其他浓度大价数高的阳离子所交换。阳离子交换容量：pH=7时，每100g粘土所吸附离子的毫克当量数。热力学电位差：粘土质点表面与扩散层总电位差。电动电位：吸附层（一）扩散层（十）所带电荷相反，点位不同，相对运动时存在电位差。表面力：在固体表面，质点排列的周期重复性中断，使处于表面边界上的质点力场对称性破坏，表现出剩余的键力，称之为固体表面力。脊性物料悬浮：1.控制PH值2.利用有机表面物质的吸附性，使粉料悬浮塑化：1.加入天然黏土类矿物2.加入有机高分子化合物二、简答1.固体材料双电层的形成：离子极化变形与位移重排的过程，处于表面的负离子只受到上下与内侧正离子的作用，而外侧是不饱和的电子云将被拉向内侧的正离子一方而发生极化变形，该负离子诱导成偶极子。作用力极大，计划率小的正离子应处于稳定的晶格位置，为降低表面能各离子周围作用能应尽量趋于对称，所以正离子在内部质点作用下向晶体靠拢，而易极化的负离子受诱导极化偶极子排斥而推向外侧，从而行成表面双键层。2.𝛾ss/𝛾sL比值与角𝛗及润湿性关系3.粘土带电原因：当板面带负电：类质同晶取代，吸附腐殖质；当表面断键：PH＜6，一个单位正电荷，PH=7不带电PH＞8两个单位负电荷；综上所述，粘土带负电。4.影响电动电位的因素：黏土表面电荷密度，双电层厚度，介质的介电常数，电解质阳离子的作用，黏土胶粒形状和大小，表面光滑程度,有机腐蚀质。5.泥浆的触变性：1黏土泥浆的含水量2黏土矿物组成3黏土胶粒大小与形状4电解质种类与数量5温度第七章扩散一、概念扩散：由构成物质的微粒(离子、原子、分子)的热运动而产生的物质迁移现象称为扩散。扩散的宏观表现是物质的定向输送。稳定扩散：扩散过程中扩散物质的浓度分布不随时间变化的扩散过程。不稳定扩散：扩散物质浓度分布随时间变化的一类扩散。互扩散：有浓度差的扩散。自扩散：没有浓度差的扩散。顺扩散（下坡扩散）：由高浓度区域向低浓度区域的扩散。逆扩散（上坡扩散）：由低浓度区域向高浓度区域的扩散。表面扩散：沿表面进行的扩散。晶界扩散：沿晶界进行的扩散。本征扩散：由热涨落引起本径热缺陷作为迁移的载体的扩散。非本体扩散：由热涨落引起(如固溶杂质、电价或浓度)缺陷或非化学计量缺陷导致的扩散有序扩散：有规律的有序的进行扩散。无序扩散：符合布朗扩散理论，无取向推动力，质点迁移完全无序，随机，只表示质点离开平衡位置的频率程度，扩散结构并不引起定向扩散流。二、简答1、质点迁移的微观机制图P2607.1易位扩散：两个相邻节点位置上的质点直接交换位置进行迁移环易位机制：几个节点位置上的质点以封闭的环形依次变换位置进行迁移空位机制：质点从节点位置上迁移到相邻的空位上间隙机制：间隙质点穿过晶格迁移到另一个间隙位置准间隙机制：间隙质点从间隙位置迁移到节点位置，并将质点位置上的质点撞离节点位置而成为新的间隙质点难易顺序：空位间隙准间隙环形易位（易---难）3、影响扩散的因素扩散介质结构的影响：越紧密越困难扩散相与扩散介质的性质差异：差异越大，系数越大错位，晶界和表面对扩散的影响结构缺陷的影响温度与杂质的影响：Q越大，温度影响越明显第六章固相反应一、概念固相反应定义：广义：凡是有固相参与的化学反应。狭义：常指固体与固体间发生化学反应生成新固体产物的过程。二、简答1.杨德尔方程假设：反应物是半径为R0的等径球体；反应物A为扩散相，即A成分总是包围着B的颗粒，而且A、B与产物完全接触，反应自球面向中心进行。A的浓度在产物层中呈线性的，在界面上浓度保持不变。方程：𝐅(𝐆)=[𝟏−(𝟏−𝐆)𝟏𝟑]𝟐=𝐤𝐭缺陷：反应初期，反应层薄时，反应界面可用平面处理，反应层厚时不适用；当反应物密度与产物密度相等时才适用。适用范围：反应初期；转化率较小；反应物密度与产物密度相等六、金斯特林格方程假设：A为扩散相，B为半径为R的球体，反应在球体B表面进行，A和B生成AB，AB产物层厚度随t不断增大；A在A—AB中扩散阻力小于在AB中扩散度为半径R的函数；方程：𝐅(𝐆)=𝟏−𝟐𝟑𝐆−(𝟏−𝐆)𝟐𝟑=𝐤𝐭缺陷：没有考虑反应物与产物密度不同所带来的提及效应；使用范围：反应由扩散控制；G大，用金斯特林格方程；反应物密度与产物密度2.影响固相反应因素反应物颗粒及均匀性的影响；半径↓，速率↑；颗粒径均匀，速率↑反应温度的影响；T↑，速度↑压力的影响：压力↑，反应截面↑，速率↑反应物化学组成和结构的影响：是影响固相反应的内因，是决定反应方向和反应速率的重要因素。矿物剂：影响晶核的生成速度；影响结晶速度和晶格结构；降低体系共熔点，改善液相性质。其他影响：气氛；研磨第七章固态烧结一、概念烧结：压制成型后的粉状物料在低于熔点的高温作用下、通过坯体颗粒相互粘结和物质传递，气孔排除，体积收缩，强度提高、逐渐变成具有一定的几何形状和坚固整体的过程。初次再结晶：是指在已发生塑形形变的茎质中出现新生的无应变结晶颗粒的成核和生长过程。二次再结晶：是少数巨大晶粒在细晶粒消耗时的异常长大过程。二、简答1．烧结过程（三个阶段）烧结初期：坯体中颗粒重排，接触处产生键合，空隙变形、缩小（即大气孔消失），固-气总表面积没有变化烧结中期：传质开始，粒界增大，空隙进一步变形、缩小，但仍然连通，形如隧道烧结后期：传质继续进行，粒子长大，气孔变成孤立闭气孔，密度达到95%以上，制品强度提高。2.二次再结晶的危害晶界快速移动，包裹气孔（杂质）：微观结构不均匀,难以致密化晶界不平衡移动，内应力存在：烧结中造成微观裂纹，力学性能恶化宏观性能不一致：电/光等功能性能下降，产品重复性，再现性差二次再结晶的影响因素①原料粒度及均匀性②坯体成型压力不均匀③烧结温度过高、烧结速率过快④局部不均匀液相如何有效控制二次再结晶？①合理的烧结温度制度！避免致密化速率过快（晶界移动速率过快）包裹气孔；②合理原料粒度及均匀性，减少大颗粒可能性，成型均匀性；③最好方法：烧结添加剂—生成晶界填隙，抑制晶界快速移动，加速气孔排除3.影响烧结的因素①烧结温度和时间②外加剂③气氛④物料粒度和活性⑤压力、4.烧结机理A点原子释放能量ΔG后稳定在晶粒Ⅱ内随着跃迁不断发生晶界就向着晶粒Ⅰ曲率中心推移，导致晶粒Ⅱ长大，晶粒Ⅰ缩小直至晶界平化，晶界两侧自由能相等。晶粒生长是晶界移动的结果5．晶粒正常长大时，如果晶界受到第二项杂质的阻碍，其移动可出现三种情况：①晶界能量一定，晶界移动被杂质或气孔影响继续移动。这是气孔利用晶界的快速通道排除，坯体不断致密。②晶界能量小，晶界移动被杂质或气孔所阻挡，晶粒正常长大或停止。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，这是将出现二次再结晶现象。6.烧结的各种传质产生的原因、条件、特点？烧结分为固态烧结和固态烧结两大类固态烧结主要传质方式有蒸发—凝聚传质和扩散传质。计算题一、具有一个不一致熔化合物AmBm的二院系统，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，其配料点分置于E点两侧。已知C1中B含量是C2中B含量的1.5倍，且在到达低共熔点温度钱的冷却析晶过程中，从这两种配料中析出的初晶相含量相等。计算C1和C2的组成。项目蒸发-凝聚扩散流动溶解-沉淀原因压力差△P空位浓度差△C应力-应变溶解度△C条件△P＞1~10Par＜10μm△C＞n0/Nr＜5μm粘性流动η小塑性流动τ＞f可观的液相量，固相在液相中溶解度大固-液润湿特点凸面蒸发，凹面凝聚△L/L=0空位与结构基元相对扩散中心距缩短流动同时引起颗粒重排△L/L∝t致密化速率最高接触点溶解到平面上沉积，小晶粒处溶解到大晶粒沉积传质同时又是晶粒生长过程公式6255LKrtL23(1)LtLrdKdtr工艺控制温度（蒸气压）粒度温度（扩散系数）粒度粘度粒度粒度温度（溶解度）粘度液相数量2133Kxrtr3155KXrtr41332136LKrtLxKrtr解：设：C2中B含量为X，C1中B的含量为1.5X。20−𝑥20=1.5𝑥−2064−20X=17.297二、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；（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）（口为→）P点为单转熔点：PLADQ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）三、在真空下的氧化铝表面张力约为0.9N/m，液态铁表面张力约为1.72N/m。同样条件下，液态铁-氧化铝的界面张力为2.3N/m，请问接触角有多大，液态铁能否润湿氧化铝润湿角：𝐜𝐨𝐬⁡𝛉=𝛄𝐬𝐯−𝛄𝐒𝐋𝛄𝐋𝐕S：固体V：气体L：液体𝛄𝐬𝐯为氧化铝表面张力𝛄𝐒𝐋为液态铁-氧化铝的界面张力𝛄𝐋𝐕为液态铁表面张力计算后角度大于90度为能润湿，小羽90度为不能润湿四、将𝐌𝐠𝐎−𝐀𝐥𝟐𝐎𝟑−𝐒𝐢𝐎𝟐系统的低共熔物放在𝐒𝐢𝟑𝐍𝟒陶瓷片上，在低共熔温度下，液相表面张力为0.9N/m，液体与固体的界面能为0.6J/𝐦𝟐，测得接触角为70.52度。1.求𝐒𝐢𝟑𝐍𝟒表面张力2.把𝐒𝐢𝟑𝐍𝟒在低共熔温度下进行热处理，测试其热腐蚀的槽角为60度。1ELDQB2ELSBQ3ELCSQ4ELCAQ求𝐒𝐢𝟑𝐍𝟒的晶界能。1，同上一题2，润湿角公式𝛄𝐬𝐬=𝟐𝛄𝐬𝐯𝐜𝐨𝐬⁡𝛗𝟐𝛄𝐬𝐬为晶界能𝛄𝐬𝐯为上一问所求𝐒𝐢𝟑𝐍𝟒表面张力𝛗为槽角五、计算下面玻璃的结构参数及非桥氧分数1.𝐍𝐚𝟐𝐎·𝐒𝐢𝐎𝟐2.𝐍𝐚𝟐𝐎·𝐂𝐚𝐎·𝐀𝐥𝟐𝐎𝟑·𝐒𝐢𝐎𝟐公式：X=2R-Z,Y=2Z-2R硅的Z=4，硼酸盐Z=3。X是非桥氧数，Y是桥氧数，R是氧硅比1的氧硅比为3：1，2的氧硅比为7：3（其中铝当作硅算）结构参数就是桥氧数Y