无机材料科学基础试卷(6-10章)

无机材料科学基础试卷一、名词解释液相独立析晶：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。二次再结晶：少数巨大晶粒在细晶消耗时成核长大过程。晶粒生长：平衡晶粒尺寸在不改变其分布的情况下，连续增大的过程。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。非本征扩散：受固溶引入的杂质离子的电价和浓度等外界因素所控制的扩散。或由不等价杂质离子取代造成晶格空位，由此而引起的质点迁移。一级相变：体系由一相变为另一相时，如两相的化学势相等但化学势的一级偏微商(一级导数)不相等的称为一级相变二级相变：相变时两相化学势相等，其一级偏微商也相等，但二级偏微商不等的称为二级相变。液相烧结：凡有液相参加的烧结过程称为液相烧结。固相烧结：固态粉末在适当的温度、压力、气氛和时间条件下，通过物质与气孔之间的传质，变为坚硬、致密烧结体的过程。均匀成核：晶核从均匀的单相熔体中产生的过程。非均匀成核：是指借助于表面、界面、微粒裂纹器壁以及各种催化位置等而形成晶核的过程稳定扩散：若扩散物质在扩散层dx内各处的浓度不随时间而变化，即dc/dt=0。这种扩散称稳定扩散。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。三角形规则：原始熔体组成点所在副三角形的三个顶点表示的物质即为其结晶产物；与这三个物质相应的初初晶区所包围的三元无变量点是其结晶结束点。连线规则：将一界线（或其延长线）与相应的连线（或其延长线）相交，其交点是该界线上的温度最高点。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。不一致熔化合物：是一种不稳定的化合物，加热到一定温度会发生分解，分解产物是一种液相和一种固相，液相和固相的组成与化合物组成都不相同。烧结：由于固态中分子（或原子）的相互吸引，通过加热，使粉末体产生颗粒粘结，经过物质迁移使粉末体产生强度并导致致密化和再结晶的过程。（2.5）泰曼温度：反应物开始呈现显著扩散作用的温度。玻璃分相：一个均匀的玻璃相在一定的温度和组成范围内有可能分成两个互不溶解或部分溶解的玻璃相(或液相)，并相互共存的现象称为玻璃的分相(或称液相不混溶现象)二、选择题1.据范特荷夫规则,纯固相反应，反应过程是（A）A.放热过程B.等温过程C.吸热过程2.在反应温度下，当固相反应的某一相发生晶型转变时，反应速度是（B）A.无影响B.加快C.减慢3.表面扩散系数Ds，界面扩散系数Dg，晶格扩散系Db的关系是（A）A.Ds﹥Dg﹥DbB.Ds﹥Db﹥DgC.Db﹥Ds﹥DgD.Db﹥Dg﹥Ds4、表面扩散活化能Qs，界面扩散活化能Qg，晶格扩散活化能Qb的关系是（B）A.Qs﹥Qg﹥QbB.Qb﹥Qg﹥QsC.Qb﹥Qs﹥QgD.Qs﹥Qb﹥Qg5.同一种物质在晶体中的扩散系数（C）在玻璃中的扩散系数A．大于B．等于C．小于D．不确定6.A，B进行反应生成AmBn,为扩散控制的固相反应，若DB》DA，则在AmBn-A界面上，反应物B的浓度CB为（B）A.1B.0C.不确定7.烧结中晶界移动的推动力是（B）A.表面能B.晶界两侧自由焓差C.空位浓度差8.陶瓷经烧结后在宏观上的变化表述不正确的是（D）A.强度增加B.体积收缩C.气孔率降低D.致密度减少9.金斯特林格方程采用的反应截面模型为（B）A.平板B.球体C.球壳D.圆柱10、杨德尔方程采用的反应截面模型为A。A.平板B.球体C.球壳D.圆柱11.下列过程中，哪一个能使烧结体的强度增加而不引起坯体收缩？(A)A.蒸发-凝聚B.体积扩散C.流动传质D.溶解-沉淀12.下列属于逆扩散过程的是（B）A.二次再结晶B.杂质的富集于晶界C.布朗运动13.在制造透明Al2O3陶瓷材料时，原料粉末的粒度为2μm，在烧结温度下保温30分钟，测得晶粒尺寸为10μm。若在同一烧结温度下保温4小时，晶粒尺寸为（D）,为抑制晶粒生长加入0.1％MgO，此时若保温4小时，晶粒尺寸为（B）。A.16μmB.20μmC.24μmD.28μm14、在扩散系数的热力学关系中，)lnln1(iiN称为扩散系数的热力学因子。在非理想混合体系中：当扩散系数的热力学因子＞0时，扩散结果使溶质（C）当扩散系数的热力学因子＜0时，扩散结果使溶质（A）a.发生偏聚b.浓度不改变c.浓度趋于均匀15、一般情况下，离子晶体较大离子的扩散多半是通过（A）A.空位机构B.直接易位C.间隙扩散D.亚间隙机构三、填空题（18分）1.烧结的主要传质方式有蒸发-凝聚传质、扩散传质、流动传质和溶解-沉淀传质四种，产生这四种传质的原因依次为（压力差）、（空位浓度差）、（应力-应变）和（溶解度）。线收缩ΔL/L与烧结时间的关系依次为：ΔL/L=0、ΔL/L～t2/5、ΔL/L～t和ΔL/L～t1/3。2.均匀成核的成核速率Iv由（受核化位垒影响的成核率因子）和（受原子扩散影响的成核率因子）因子所决定的。3.菲克第一定律的应用条件是（稳定扩散），菲克第二定律的应用条件是（不稳定扩散）。4.液-固相变过程的推动力为（过冷度）、（过饱和浓度）和（过饱和蒸汽压）。5.固体内粒子的主要迁移方式有（空位机构）、（间隙机构）。6.如晶体纯度降低，扩散系数与温度关系曲线中本征与非本征扩散的转折点（向左）。7.合成镁铝尖晶石，可选择的原料为MgCO3,MgO,γ-Al2O3,α-Al2O3,从提高反应速率的角度出发选择（MgCO3），（α-Al2O3）原料较好。8.析晶相变过程的推动力是，，；在均匀成核时，临界成核位垒ΔGk=（1/3Akγ）,其值相当于（新相界面能的1/3）具有临界半径rk的粒子数nk/N=（exp（-ΔGk/RT））。9.液-固相变时，非均匀成核位垒与接触角θ有关，当θ为（180º）时，非均匀成核位垒与均匀成核位垒相等。10.成核生长机理的相变过程需要有一定的过冷或过热，相变才能发生，在（相变过程放热）情况下需要过冷。11.在制硅砖时，加入氧化铁和氧化钙的原因（作为矿化剂，产生不同晶型石英溶解度不同的液相），能否加入氧化铝（不能）。12.在液相线以下的分相区的亚稳区内，其分解机理为（成核-生长机理），新相成（孤立的球形颗粒）状，不稳定区的分解机理为（旋节分解区（Spinodale）），新相成（高度连续性的非球形颗粒）状。13、扩散系数D=D0exp(-Q/RT)中，空位扩散活化能Q由（空位形成能），（质点迁移能）组成，间隙扩散活化能Q由（间隙原子迁移能）组成。14、在三元系统中，无变量点有三种，分别是（最低共熔点）、（双升点）和（双降点）15、本征扩散是由（本征扩散是由本征热缺陷所产生的空位而引起的质点迁移，本征扩散的活化能由）而引起的质点迁移，本征扩散的活化能由（空位形成能和）和（质点迁移能两部分组成）两部分组成。16、从熔体中析晶的过程分二步完成，首先是（成核），然后就是（晶体生长）过程。17、根据扩散的热力学理论，扩散的推动力是（化学位梯度），而发生逆扩散的条件是（热力学因子小于零）。18、熔体是物质在液相温度以上存在的一种高能量状态，在冷却的过程中可以出现（结晶化）、（玻璃化）和（分相）三种不同的相变过程。四、问答题1、试比较杨德尔方程和金斯特林格方程的优缺点及其适用条件。（8分）答：杨德尔方程在反应初期具有很好的适应性，但杨氏模型中假设球形颗粒反应截面积始终不变，因而只适用反应初期转化率较低的情况。（4分）而金氏模型中考虑在反应进程中反应截面积随反应进程变化这一事实，因而金氏方程适用范围更广，可以适合反应初、中期。两个方程都只适用于稳定扩散的情况。（4分）2、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。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，（3.5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。3、二次再结晶与晶粒生长有何异同？生产中避免二次再结晶的方法有哪些？答：相同点:（1）两者推动力均为界面两侧质点的吉布斯自由能之差；（2）进行方式都是通过界面迁移。（1分）不同点：（1）前者是个别晶粒异常生长，后者是晶粒尺寸均匀生长；（2）前者气孔被包裹到晶粒内部，后者气孔维持在晶界交汇处。（2分）生产中避免二次再结晶的方法有：（1）合理选择原料的细度，提高粉料粒度的均匀性；（2）控制温度；（3）引入添加剂。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。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。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。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。5、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？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扩散生成NiCr2O4。而DCr3+DNi2+DO2，Cr3+扩散速度快，而Ni2+扩散速度慢。（4分）（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)1/3]2=KJt。6、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。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。7、用图例说明过冷度对核化、晶化速率和晶粒尺寸等的影响，如无析晶区又要使其析晶应采取什么措施？要使自发析晶能力大的熔体形成玻璃应采取什么措施？（8分）答：过冷度过大或过小对成核与生长速率均不利，只有在一定过冷度下才能有最大成核和生长速率，如下图。（4分）若ΔT大，控制在成核率较大处析晶，易得晶粒多而尺寸小的细晶；（1分）若ΔT小，控制在生长速率较大处析晶则容易获得晶粒少而尺寸大的粗晶；（1分）如果成核与生长两曲线完全分开而不重叠，则无析晶区，该熔体易形成玻璃而不易析晶；