材料科学基础(试题12)

无机材料科学基础卷12一、名词解释（24分）（8*3分）晶胞、晶子假说、正尖晶石、肖特基缺陷、非均匀成核、本征扩散、晶粒生长、液相独立析晶二、问答题（60分）1、简述硅酸盐晶体结构分类的原则和各类结构中硅氧四面体的形状。（10分）2、说明高岭石和蒙脱石的结构特点，并解释为什么蒙脱石具有膨胀性和高的阳离子交换容量，而高岭石则不具有膨胀性、阳离子交换容量也很低。（10分）3、网络变性体（如Na2O）加到石英玻璃中，使硅氧比增加。实验观察到当O/Si=2.5~3时，即达到形成玻璃的极限，根据结构解释为什么在2O/Si2.5的碱和硅石混合物可以形成玻璃,而O/Si=3的碱和硅石混合物结晶而不形成玻璃?（10分）4、什么是润湿？改善润湿的方法有那些？（10分）5、说明影响扩散的因素？（10分）6、MoO3和CaCO3反应时，反应机理受到CaCO3颗粒大小的影响。当MoO3：CaCO3＝1：1，MoO3的粒径r1为0.036mm，CaCO3的粒径r2为0.13mm时，反应是扩散控制的；而当CaCO3：MoO3＝15：1，r2＜0.03mm时，反应由升华控制，试解释这种现象。（10分）三、相图分析（16分）右图为生成一个三元化合物的三元相图，1.判断三元化合物AmBn的性质，说明理由？2.标出边界曲线的温降方向（转熔界限用双箭头）；3.指出无变量点的性质（E、N）；EN4．分析点1，2的结晶路程。无机材料科学基础试卷十二标准答案及评分标准一、名词解释（24分）（8*3分）晶胞：指晶体结构中的平行六面体单位，其形状大小与对应的空间格子中的单位平行六面体一致。晶子假说：苏联学者列别捷夫提出晶子假说，他认为玻璃是高分散晶体（晶子）的结合体，硅酸盐玻璃的晶子的化学性质取决于玻璃的化学组成，玻璃的结构特征为微不均匀性和近程有序性。正尖晶石；二价阳离子分布在1／8四面体空隙中，三价阳离子分布在l／2八面体空隙的尖晶石。肖特基缺陷：如果正常格点上的原子，热起伏过程中获得能量离开平衡位置，迁移到晶体的表面，在晶格内正常格点上留下空位，即为肖特基缺陷。非均匀成核：借助于表面、界面、微粒裂纹、器壁以及各种催化位置而形成晶核的过程。本征扩散：是指空位来源于晶体结构中本征热缺陷而引起质点的迁移。晶粒生长：无应变的材料在热处理时，平均晶粒尺寸在不改变其分布的情况下，连续增大的过程。液相独立析晶：是在转熔过程中发生的，由于冷却速度较快，被回收的晶相有可能会被新析出的固相包裹起来，使转熔过程不能继续进行，从而使液相进行另一个单独的析晶过程，就是液相独立析晶。二、问答题（60分）1、简述硅酸盐晶体结构分类的原则和各类结构中硅氧四面体的形状。（10分）答：硅酸盐晶体结构分类的原则：结构中硅氧四面体的连接方式。（2.5分）各类结构中硅氧四面体的形状：岛状结构：四面体；组群状结构；（1.5分）双四面体、三节环、四节环和六节环；（1.5分）链状结构：单链、双链；（1.5分）层状结构：平面层；（1.5分）架状结构：三维空间延伸的骨架。（1.5分）2．说明高岭石和蒙脱石的结构特点，并解释为什么蒙脱石具有膨胀性和高的阳离子交换容量，而高岭石则不具有膨胀性、阳离子交换容量也很低。（10分）答：高岭石的阳离子交换容量较小，而蒙脱石的阳离子交换容量较大。因为高岭石是1:1型结构，离子的取代很少，单网层与单网层之间以氢键相连，氢键强于范氏键，水化阳离子不易进入层间，因此阳离子交换容量较小。（5分）而蒙脱石是为2:1型结构，铝氧八面体层中大约1/3的Al3+被Mg2+取代，为了平衡多余的负电价，在结构单位层之间有其它阳离子进入，而且以水化阳离子的形式进人结构。水化阳离子和硅氧四面体中O2-离子的作用力较弱，因而，这种水化阳离子在一定条件下容易被交换出来。C轴可膨胀以及阳离子交换容量大，是蒙脱石结构上的特征。（5分）3．网络变性体（如Na2O）加到石英玻璃中，使硅氧比增加。实验观察到当O/Si=2.5~3时，即达到形成玻璃的极限，根据结构解释为什么在2O/Si2.5的碱和硅石混合物可以形成玻璃,而O/Si=3的碱和硅石混合物结晶而不形成玻璃?（10分）答：在2O/Si2.5的碱和硅石混合物中，氧硅比较低，在高温熔体中高聚物含量较高，熔体黏度较高，不易析晶，所以可以形成玻璃；（5分）而在O/Si=3的碱和硅石混合物中，氧硅比较高，在高温熔体中低聚物含量较高，熔体黏度较低，所以易析晶，而不形成玻璃。（5分）4．什么是润湿？改善润湿的方法有那些？（10分）答：润湿：固体与液体接触后，体系（固体+液体）的吉布斯自由能降低时，就称润湿。（2分）改善润湿的方法有：①降低γSLS、V两相组成尽量接近；（2分）②降低γLV在液相中加表面活性剂；（2分）③提高γSV去除固体表面吸附膜；（2分）④改变粗糙度。（2分）5．说明影响扩散的因素？（10分）答：（1）化学键：共价键方向性限制不利间隙扩散，空位扩散为主。金属键离子键以空位扩散为主，间隙离子较小时以间隙扩散为主。（2分）（2）缺陷：缺陷部位会成为质点扩散的快速通道，有利扩散。（2分）（3）温度：D=D0exp（-Q/RT）Q不变，温度升高扩散系数增大有利扩散。Q越大温度变化对扩散系数越敏感。（2分）（4）杂质：杂质与介质形成化合物降低扩散速度；杂质与空位缔合有利扩散；杂质含量大本征扩散和非本征扩散的温度转折点升高。（2分）（5）扩散物质的性质和扩散介质的结构：扩散质点和介质的性质差异大利于扩散。（2分）6．MoO3和CaCO3反应时，反应机理受到CaCO3颗粒大小的影响。当MoO3：CaCO3＝1：1，MoO3的粒径r1为0.036mm，CaCO3的粒径r2为0.13mm时，反应是扩散控制的；而当CaCO3：MoO3＝15：1，r2＜0.03mm时，反应由升华控制，试解释这种现象。（10分）4.答：当MoO3的粒径r1为0.036mm，CaCO3的粒径r2为0.13mm时,CaCO3颗粒大于MoO3，由于产物层较厚，扩散阻力较大，反应由扩散控制，反应速率随着CaCO3颗粒度减小而加速，（5分）当r2r1时存在过量CaCO3，，反应由MoO3粒径升华控制，并随着MoO3粒径减小而加剧。（5分）判断三元化合物AmBn的性质，说明理由？三、相图分析（16分）1．判断三元化合物AmBn的性质不一致熔融二元化合物。（1分）2．标出边界曲线的温降方向（转熔界限用双箭头）；见下图（5分）3．指出无变量点的性质（E、N）；（2分）E：单转熔点F：低共溶点分析点1，2的结晶路程；（8分）