無機材料科學基礎復習題

1、1、我們把基本上能為同一點陣所貫穿的晶體叫做單晶(體)。由許多小的單晶體按照不同的取向聚集而成的晶體稱為多晶；結構重復的周期很少的稱為微晶。 2、晶胞參數確定了晶胞的大小與形狀。3、根據晶體的對稱性，按照有無某種特征對稱元素將晶體分為7個晶系，晶系按對稱性的高低分為三個晶族。4、晶面指數越大，則該種平面點陣點密度越小，且相鄰兩平面點陣間的距離越小。5、在離子晶體中，一般陰離子半徑較大，主極化能力較低陽離子半徑相對較小，當電價較高時其主極化作用大，而被極化程度較低。6、聚合體的種類、大小和數量隨熔體組成和溫度而變化。 7、Tg 是玻璃形成溫度，又稱脆性溫度、Tf 是軟化溫度。8、網絡形成體的鍵強

2、比網絡改變體高，在一定溫度和組成時，鍵強愈高，熔體中負離子集團也愈牢固。因此鍵的破壞和重新組合也愈困難，成核勢壘也愈高，故不易析晶而形成玻璃。 9、熔體中質點間化學鍵的性質對玻璃的形成也有重要的作用。一般地說具有極性共價鍵和半金屬共價鍵的離子才能生成玻璃。10、范得華力來源三方面：定向作用力 (靜電力)、誘導作用力、分散作用力 (色散力)11、空位擴散活化能包括空位形成能和空位遷移能。12、產生二次再結晶的重要原因是粒度不均勻和燒結溫度偏高，防止二次再結晶的有效方法是加添加劑。13、晶界結構按兩個晶粒之間夾角分為小角度晶界和大角度晶界；按晶界兩邊原子排列的連貫性可分為共格、半共格、非共格14、

3、按潤濕的程度，潤濕可分為浸漬潤濕、附著潤濕、鋪展?jié)櫇袢N情況 。名詞解釋：18分 6題非穩(wěn)定擴散：擴散過程中任一點濃度隨時間變化；穩(wěn)定擴散：擴散質點濃度分布不隨時間變化。無序擴散：無化學位梯度、濃度梯度、無外場推動力，由熱起伏引起的擴散。質點的擴散是無序的、隨機的。本征擴散：主要出現了肖特基和弗蘭克爾點缺陷，由此點缺陷引起的擴散為本征擴散（空位來源于晶體結構中本征熱缺陷而引起的質點遷移）；非本征擴散：空位來源于摻雜而引起的質點遷移。一級相變：相變時兩相化學勢相等，但化學勢的一級偏微商不相等。發(fā)生一級相變時有潛熱和體積的變化；二級相變：相變時兩相化學勢相等，其一階偏微商也相等，但二階偏微商不相等

4、。發(fā)生二級相變時無潛熱和體積變化，只有熱容量、膨脹系數和壓縮系數的變化。（1）燒結：粉料受壓成型后在高溫作用下而致密化的物理過程。燒成：坯體經過高溫處理成為制品的過程，燒成包括多種物理變化和化學變化。燒成的含義包括的范圍廣，燒結只是燒成過程中的一個重要部分。（2）晶粒生長：無應變的材料在熱處理時，平均晶粒尺寸在不改變其分布的情況下，連續(xù)增大的過程。二次再結晶：少數巨大晶粒在細晶消耗時成核長大過程。（3）固相燒結：固態(tài)粉末在適當的溫度、壓力、氣氛和時間條件下，通過物質與氣孔之間的傳質，變?yōu)閳杂?、致密燒結體的過程。液相燒結：有液相參加的燒結過程。晶體的基本特征：自范性、對稱性、各向異性、晶體的均勻

5、性、晶體確定的熔點、晶體對的X-射線衍射 、最小內能性對稱操作： 一個物體運動或變換，使得變換后的物體與變換前不可區(qū)分（復原，重合）配位數：在絡合物中配位數指的是與中心離子直接成鍵的配位原子數目。固體表面力：晶體中每個質點周圍都存在著一個力場，在晶體內部，質點力場是對稱的。但在固體表面，質點排列的周期重復性中斷，使處于表面邊界上的質點力場對稱性破壞，表現出剩余的鍵力。問答題：20分 4題1、什么叫表面張力和表面能 ? 在固態(tài)下和液態(tài)下這兩者有何差別 ? 答：表面張力：垂直作用在單位長度線段上的表面緊縮力或將物體表面增大一個單位所需作的功。表面能：恒溫、恒壓、恒組成情況下，可逆地增加物系表面積須

6、對物質所做的非體積功稱為表面能；液體：不能承受剪應力，外力所做的功表現為表面積的擴展，因為表面張力與表面能數量是相同的；固體：能承受剪切應力，外力的作用表現為表面積的增加和部分的塑性形變，表面張力與表面能不等。2、一般說來，同一種物質，其固體的表面能要比液體的表面能大，試說明原因。 解：同一種物質，其液體固體的表面結構不同，液體分子可自由移動，總是通過形成球形表面來降低其表面能；固體則不能，固體質點不能自由移動，只能通過表面質點的極化、變形、重排來降低系統的表面能，固體表面處于高能量狀態(tài)（由于表面力的存在）。3、濃度差會引起擴散，擴散是否總是從高濃度處向低濃度處進行?為什么?解：擴散的基本推動

7、力是化學位梯度，只不過在一般情況下以濃度梯度的方式表現出來；擴散是從高化學位處流向低化學位處，最終系統各處的化學位相等。如果低濃度處化學勢高，則可進行負擴散，如玻璃的分相過程。4、試比較楊德爾方程和金斯特林格方程的優(yōu)缺點及其適用條件。解：楊德爾方程在反應初期具有很好的適應性，但楊氏模型中假設球形顆粒反應截面積始終不變，因而只適用反應初期轉化率較低的情況。而金氏模型中考慮在反應進程中反應截面積隨反應進程變化這一事實，因而金氏方程適用范圍更廣，可以適合反應初、中期。兩個方程都只適用于穩(wěn)定擴散的情況。5、說明影響燒結的因素？答：（1）粉末的粒度。細顆粒增加了燒結推動力，縮短原子擴散距離，提高顆粒在液

8、相中的溶解度，從而導致燒結過程的加速；（2）外加劑的作用。在固相燒結中，有少量外加劑可與主晶相形成固溶體，促進缺陷增加，在液相燒結中，外加劑改變液相的性質（如粘度，組成等），促進燒結。 （3）燒結溫度：晶體中晶格能越大，離子結合也越牢固，離子擴散也越困難，燒結溫度越高。 （4）保溫時間：高溫段以體積擴散為主，以短時間為好，低溫段為表面擴散為主，低溫時間越長，不僅不引起致密化，反而會因表面擴散，改變了氣孔的形狀而給制品性能帶來損害，要盡可能快地從低溫升到高溫，以創(chuàng)造體積擴散條件。（5）氣氛的影響：氧化，還原，中性。 （6）成形壓力影響：一般說成型壓力越大顆粒間接觸越緊密，對燒結越有利。6、固相燒

9、結與液相燒結的主要傳質方式？固相燒結與液相燒結之間有何相同與不同之處？答：固相燒結的主要傳質方式有蒸發(fā)-凝聚傳質和擴散傳質，液相燒結的主要傳質方式有溶解-沉淀傳質和流動傳質。固相燒結與液相燒結的共同點是燒結的推動力都是表面能；燒結過程都是由顆粒重排、物質傳遞與氣孔充填、晶粒生長等階段組成。不同點是：由于流動傳質比擴散傳質速度快，因而致密化速率高；固相燒結主要與原料粒度和活性、燒結溫度、氣氛成型壓力等因素有關，液相燒結與液相數量、液相性質、液-固潤濕情況、固相在液相中的溶解度等有關。7、燒結過程是怎樣產生的，各階段的特征是什么?解：燒結過程是經過成型的固體粉狀顆粒在加熱到低于熔點溫度的溫度下，產

10、生顆粒粘結；通過物質傳遞，使成型題逐漸變成具有一定幾何形狀和性能的整體的過程。燒結初期：顆粒僅發(fā)生重排和鍵和，顆粒和空隙形狀變化很小，頸部相對變化 x/r<0.3 ，線收縮率小于0.06 。燒結中期：（1）燒結中期，頸部進一步擴大，顆粒變形較大，氣孔由不規(guī)則的形狀逐漸變成由三個顆粒包圍的，近似圓柱形的氣孔，且氣孔是聯通的。（2）晶界開始移動，顆粒正常長大。與氣孔接觸的顆粒表面為空位源，質點擴散以體積擴散和晶界擴散為主而擴散到氣孔表面，空位返鄉(xiāng)擴散而消失。（3）坯體氣孔率降為5%左右，收縮達90%。燒結末期：（1）進入燒結末期，氣孔封閉，相互孤立，理想情況為四個顆粒包圍，近似球狀。（2）晶

11、粒明顯長大，只有擴散機理是重要的，質點通過晶界擴散和體積擴散，進入晶界間近似球狀的氣孔中。（3）收縮率達90100%， 密度達理論值的95% 以上。7、有人試圖用延長燒結時間來提高產品致密度，你以為此法是否可行，為什么？解：延長燒結時間一般都為不同程度地促使燒結完成，但對粘性流動機理的燒結較為明顯，而對體積擴散和表面擴散機理影響較小。對體積擴散和表面擴散，低溫下以表面擴散為主，高溫下以體積擴散為主，而表面擴散并不改變?yōu)榕黧w的致密度，因此，可適當延長高溫燒結時間。另外，在燒結后期，不合理的延長燒結時間，有時會加劇二次再結晶作用，反而得不到充分致密的制品。8、特種燒結和常規(guī)燒結有什么區(qū)別? 試舉例

12、說明。解：常規(guī)燒結過程主要是基于顆粒間的接觸與鍵合，以及在表面張力推動下物質的傳遞過程。其總體的推動力由系統表面能提供。這就決定了其致密化是有一定限度的。常規(guī)條件下坯體密度很難達到理論密度值。對于特種燒結，它是為了適應特種材料對性能的要求而產生的。這些燒結 過程除了常規(guī)燒結中由系統表面能提供的驅動力之外，還由特殊工藝條件增加了系統燒結的驅動力，因此提高了坯體的燒結速率，大大增加了坯體的致密化程度。例如熱壓燒結，它是加壓成型與加壓燒結同時進行的一種燒結工藝。由于同時加溫加壓，有利于粉末顆粒的接觸、擴散和流動等傳質過程，降低了燒結溫度和燒結時間，抑制了晶粒的長大。其容易獲得接近理論密度、氣孔率接近

13、零的燒結體。9、詳細說明外加劑對燒結的影響?答：（1）外加劑與燒結主體形成固溶體使主晶格畸變，缺陷增加，有利結構基元移動而促進燒結；（2）外加劑與燒結主體形成液相，促進燒結；（3）外加劑與燒結主體形成化合物，促進燒結；（4）外加劑阻止多晶轉變，促進燒結；（5）外加劑起擴大燒結范圍的作用。10、馬氏體相變具有什么特征？特征：（1）母相與馬氏體之間不改變結晶學方位關系（新相總是沿一定的結晶學面形成，新相與母相之間有嚴格的取向關系）；（2）相變時不發(fā)生擴散，是一種無擴散相變，馬氏體在化學組成上與母體完全相同；（3）轉變速度極快；（4）馬氏體相變過程需要成核取動力，有開始溫度和終了溫度11、點陣必須具

14、備的三個條件點陣點必須無窮多；每個點陣點必須處于相同的環(huán)境；點陣在平移方向的周期必須相同。12、晶體結構和空間點陣的區(qū)別空間點陣是晶體中質點排列的幾何學抽象，用以描述和分析晶體結構的周期性和對稱性，由于各陣點的周圍環(huán)境相同，它只能有14種類型晶體結構則是晶體中實際質點（原子、離子或分子）的具體排列情況，它們能組成各種類型的排列，因此，實際存在的晶體結構是無限的。13、聚合物理論要點有哪些？（1）、 硅酸鹽熔體是由不同級次、不同大小、不同數量的聚合物組成的混合物。所謂的聚合物是指由SiO4連接起來的硅酸鹽聚離子。（2）、 聚合物的種類、大小、分布決定熔體結構，各種聚合物處于不斷的物理運動和化學運

15、動中，并在一定條件下達到平衡。（3）、聚合物的分布決定熔體結構，分布一定，結構一定。（4）、 熔體中聚合物被R，R2結合起來，結合力決定 熔體性質。（5）聚合物的種類、大小、數量隨溫度和組成而發(fā)生變化。14、晶子學說的要點有哪些？玻璃結構是一種不連續(xù)的原子集合體，即無數“晶子”分散在無定形介質中；“晶子”的化學性質和數量取決于玻璃的化學組成；“晶子”不同于一般微晶，而是帶有晶格極度變形的微小有序區(qū)域，在“晶子”中心質點排列較有規(guī)律，愈遠離中心則變形愈大；從“晶子”部分到無定形部分的過渡是逐步完成的，兩者之間無明顯界線15、固體表面的不均勻性，體現在那些方面： （1） 絕大多數晶體是各向異性，因

16、而同一晶體可以有許多性能不同的表面。（2）同一種物質制備和加工條件不同也會有不同的表面性質。（3）晶格缺陷、空位或位錯而造成表面不均勻。（4）在空氣中暴露，表面被外來物質所污染，吸附外來原子可占據不同的表面位置，形成有序或無序排列，也引起表面不均勻。（5）固體表面無論怎么光滑，從原子尺寸衡量，實際上也是凹凸不平的。16、濃度差會引起擴散，擴散是否總是從高濃度處向低濃度處進行?為什么?解：擴散的基本推動力是化學位梯度，只不過在一般情況下以濃度梯度的方式表現出來；擴散是從高化學位處流向低化學位處，最終系統各處的化學位相等。如果低濃度處化學勢高，則可進行負擴散，如玻璃的分相過程。計算與證明題： 1、

17、（1）一晶面在x、y、z軸上的截距分別為2a、3b、6c，求出該晶面的米勒指數；（2）一晶面在x、y、z軸上的截距分別為a/3、b/2、c，求出該晶面的米勒指數。解：（1） h：k：l=1/2：1/3：1/6=3：2：1， 該晶面的米勒指數為（321）；（2）（321）2、設原子半徑為R，試計算體心立方堆積結構的（100）、（110）、（111）面的面排列密度和晶面族的面間距。解：在體心立方堆積結構中：（100）面：面排列密度= 面間距=（110）面：面排列密度= 面間距= （111）面：面排列密度=面間距= 3、試根據原子半徑R計算面心立方晶胞、六方晶胞、體心立方晶胞的體積。解：面心立方晶胞

18、：六方晶胞（1/3）：體心立方晶胞：4、已知Mg2+半徑為0.072nm，O2-半徑為0.140nm，計算MgO晶體結構的堆積系數與密度。解：MgO為NaCl型，O2-做密堆積，Mg2+填充空隙。 =0.140nm，=0.072nm，=4，晶胞中質點體積：，晶胞體積=，堆積系數=晶胞中MgO體積/晶胞體積=68.5%，密度=晶胞中MgO質量/晶胞體積=3.49g/cm3。5、臨界半徑比的定義是：緊密堆積的陰離子恰好互相接觸，并與中心的陽離子也恰好接觸的條件下，陽離子半徑與陰離子半徑之比。即每種配位體的陽、陰離子半徑比的下限。計算下列配位的臨界半徑比：（a）立方體配位；（b）八面體配位；（c）四

19、面體配位；（d）三角形配位。解：（1）立方體配位在立方體的對角線上正、負離子相互接觸，在立方體的棱上兩個負離子相互接觸。因此：（2）八面體配位在八面體中，中心對稱的一對陰離子中心連線上正、負離子相互接觸，棱上兩個負離子相互接觸。因此：（3）四面體配位在四面體中中心正離子與四個負離子直接接觸，四個負離子之間相互接觸（中心角）。因此：底面上對角中心線長為： （4）三角體配位在三角體中，在同一個平面上中心正離子與三個負離子直接接觸，三個負離子之間相互接觸。因此：ro2-=0.132nm   rSi4+=0.039nm   rK+=0.133nm &#

20、160; rAl3+=0.057nm   rMg2+=0.078nm6、證明等徑圓球面心立方最密堆積的空隙率為25.9。解：設球半徑為a，則球的體積為4/3a3，求的z=4，則球的總體積（晶胞）4×4/3a3，立方體晶胞體積：，空間利用率=球所占體積/空間體積=74.1%，空隙率=1-74.1%=25.9%。7、MgOAl2O3SiO2系統的低共熔物放在Si3N4 陶瓷片上，在低共熔溫度下，液相的表面張力為900×10-3N/m，液體與固體的界面能為600×10-3N/m，測得接觸角為70.52°，求（1）Si3N4的表面張力。（2）

21、把Si3N4在低共熔溫度下進行熱處理，測試其熱腐蝕的槽角60°，求Si3N4的晶界能？ 解：（1）已知LV=900×10-3N/m SL=600×10-3N/m =70.52° SV=SL+LVcos=600×10-3+900×10-3×cos70.25=900.13×10-3N/m （2）已知=60° SS=2SV cos/2 =2×900×10-3×cos60/2 =1.559N/m8、一個面心立方緊密堆積的金屬晶體，其原子量為M，密度是8.94g/cm3。試計算其晶格常

22、數和原子間距。解：根據密度定義，晶格常數原子間距= 9、真空中Al2O3的表面張力約為900Nm-1，液態(tài)鐵的表面張力為1729 Nm-1，同樣條件下，界面張力 ( 液態(tài)鐵氧化鋁 ) 約為 2300 Nm-1，問接觸角有多大 ? 液態(tài)鐵能否潤濕氧化鋁 ?解： sg = lg cos + ls =144 ° 7' >90 °，不能潤濕。10、當鋅向銅內擴散時，已知在x點處鋅的含量為2.5×1017個鋅原子/cm3， 300時每分鐘每mm2要擴散60個鋅原子，求與x點相距2mm處鋅原子的濃度。（已知鋅在銅內的擴散體系中D0=0.34×10-14

23、m2s；Q=18.5kJmol）解：看成一維穩(wěn)定擴散，根據菲克第一定律：，,Cx=2.5×1017個/cm3，x-x2=2mm，Jx=60個/60Smm2，擴散系數宏觀表達式 ，D0=0.34×10-14m2/s，Q=1.85×104J/mol，R=8.314J/mol·K，T=300+273=573K，D=0.34×10-14exp（-3.88）=0.34×10-14×0.02=6.8×10-17m2/s，Cx=2.5×1017/10-6=2.5×1023，C2=cx-2.94×10

24、19=2.5×102311、在制造硅半導體器體中，常使硼擴散到硅單晶中，若在1600K溫度下，保持硼在硅單晶表面的濃度恒定（恒定源半無限擴散），要求距表面10-3cm深度處硼的濃度是表面濃度的一半，問需要多長時間（已知D1600 =8×10-12cm2/sec）？解：不穩(wěn)定擴散恒定源半無限擴散，已知，已知x=10-3cm，D，求解t=1.25×105s=34.7h。12、當一種純液體過冷到平衡凝固溫度 （T0）以下時，固相與液相間的自由焓差越來越負。試證明在溫度T0附近隨溫度變化的關系近似地為：，式中為凝固潛熱。解：，平衡溫度T0時，T<T0時，13、為什么在成核一生成機理相變中，要有一