无机材料科学基础试卷4

无机材料科学基础试卷四

一、名词解释（20分）（8*2.5分）

点群、晶子假说、正尖晶石、网络变性剂、液相独立析晶、本征扩散、二级相变、液相烧结

点群：又名对称型，是指宏观晶体中对称要素的集合。

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。

网络变性剂：单键强度＜250KJ/mol。这类氧化物不能形成玻璃，但能改变网络结构，从而使玻璃性质改变。

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。

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。

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。 二、问答题（70分）

1、 试比较伊利石和蒙脱石的结构特点。（8分）

答：伊利石和蒙脱石是2：l型结构（1分），其结构皆属于单斜晶系；都存在同晶取代，蒙脱石同晶取代主要发生在八面体层中（1分），而伊利石是发生在硅氧面体层中（1分）；蒙脱石的电荷不平衡由进入层间的水化阳离子补偿，这种水化阳离子在层间无固定位置，结合力弱，容易被交换出来（2分）；伊利石的电荷不平衡由进入层间的K+离子补偿，K+离子有固定位置和配位数，结合较牢固（2分），因此蒙脱石的阳离子交换能力比伊利石强，蒙脱石结构中有层间水，并有膨胀性，而伊利石没有（1分）。 2、 试解释说明为什么在硅酸盐结构中Al3+经常取代[SiO4]中Si4+，但Si4+一般不会

置换[AlO6]中的Al3+？（（配位数为6时，S14＋、A13＋和O2－的离子半径分别为0.40Å、0.53Å和1.40Å；配位数为4时，一离子半径依次为0.26Å、0.40Å和1.38Å））。（7分）

答：CN=4, rAl3+/ro2-=0.4/1.38=0.29,Al3+四配位稳定，故在硅酸盐结构中Al3+经常取代[SiO4]中Si形成[AlO4]；（3.5分）CN=6，rSi/ro=0.4/1.38=0.29,Si四配位稳定，六配位不稳定，故在硅酸盐结构中Si4+一般不会置换[AlO6]中的Al3+，形成[SiO6]。（3.5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2<O/Si<2.5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? （7分） 答：在2<O/Si<2.5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；（3.5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

4+

4+

2-4+

易析晶，而不形成玻璃。（3.5分）

4、 什么是润湿？改善润湿的方法有那些？（8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γ

②降低γ③提高γ

LVSV

SL

S、V 两相组成尽量接近；（1.5分）

在液相中加表面活性剂；（1.5分） 去除固体表面吸附膜；（1.5分）

④改变粗糙度。（1.5分）

5、说明影响扩散的因素？（6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）缺陷：缺陷部位会成为质点扩散的快速通道，有利扩散。

（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。

（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。

（5）扩散物质的性质：扩散质点和介质的性质差异大利于扩散

（6）扩散介质的结构：结构紧密不利扩散。

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。（7分）

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r2<r1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。（3.5分） 7、试写出少量MgO掺杂到A12O3中和少量YF3掺杂到CaF2中的缺陷反应方程与对应的固溶式。（7分）

解：少量MgO掺杂到A12O3中缺陷反应方程及固溶式为：

，（3.5分）

少量YF3掺杂到CaF2中缺陷反应方程及固溶式如下：

，

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）

（3.5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）

在制造透明Al2O3材料时，原始粉料粒度为2μm，烧结至最高温度保温半小时，测得晶粒尺寸为10μm，试问保温2小时，晶粒尺寸多大？为抑制晶粒生长加入0.1％MgO，此时若保温2小时，晶粒尺寸又有多大？ 解：（1）G2-G02=kt 102-22 =k.0.5 得k＝192 G2-22=192*2 G 20μm （4分） (2) G-G0=kt k=1984

G3 –8=1984*2 G 15.84μm （4分）

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