材料科學(xué)基礎(chǔ)-簡(jiǎn)答題答案

1、材料科學(xué)基礎(chǔ)簡(jiǎn)答題答案要點(diǎn)第二章1.硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)有何共同特點(diǎn)？答：（1）每一個(gè)Si存在于4個(gè)O為頂點(diǎn)的四面體中心，構(gòu)成SiO四面體，它是硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)（2）SiO四面體的每個(gè)頂點(diǎn)，即O最多只能為兩個(gè)SiO四面體所共有（3）兩個(gè)鄰近的SiO四面體之間，如果要聯(lián)結(jié)，只以共頂而不以共棱或共面相聯(lián)結(jié)（4）SiO四面體中的Si可以被Al置換形成硅鋁氧骨干，骨干外的金屬離子容易被其它金屬離子置換，置換不同的離子，對(duì)骨干的結(jié)構(gòu)并無(wú)多大的變化，但對(duì)它的性能卻影響很大2.簡(jiǎn)述硅酸鹽晶體的分類(lèi)依據(jù)是什么？可分為幾類(lèi)，每類(lèi)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是什么？答：硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)是按晶體中硅氧四面體在空間的排列方式分為孤島狀、組

2、群狀、鏈狀、層狀和架狀五類(lèi)。這五類(lèi)的SiO4四面體中，橋氧的數(shù)目也依次由0增加至4，非橋氧數(shù)由4減至0。硅離子是高電價(jià)低配位的陽(yáng)離子，因此在硅酸鹽晶體中，SiO4只能以共頂方式相連，而不能以共棱或共面方式相連。3.什么是同質(zhì)多晶？簡(jiǎn)述同質(zhì)多晶轉(zhuǎn)變的類(lèi)型及其各自的特點(diǎn)。答：化學(xué)組成相同的物質(zhì)，在不同的熱力學(xué)條件下形成結(jié)構(gòu)不同的晶體現(xiàn)象，稱(chēng)為同質(zhì)多晶。根據(jù)同質(zhì)多晶轉(zhuǎn)變時(shí)速度的快慢和晶體結(jié)構(gòu)變化的不同，可將多晶轉(zhuǎn)變分為位移性轉(zhuǎn)變和重建性轉(zhuǎn)變。前者僅僅是結(jié)構(gòu)畸變，轉(zhuǎn)變前后結(jié)構(gòu)差異小，轉(zhuǎn)變時(shí)并不打開(kāi)任何鍵或改變最鄰近的配位數(shù)，只是原子的位置發(fā)生少許位移，使次級(jí)配位有所改變；而后者不能簡(jiǎn)單地通過(guò)原子位移來(lái)

3、實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)變前后結(jié)構(gòu)差異較大，必須破壞原子間的鍵，形成一個(gè)具有新鍵的結(jié)構(gòu)。4.為什么石英不同系列變體之間的轉(zhuǎn)化溫度比同系列變體之間的轉(zhuǎn)化溫度高得多？答：由于石英不同系列變體之間轉(zhuǎn)變是重建性轉(zhuǎn)變，涉及晶體結(jié)構(gòu)中鍵的破裂和重建；而同一系列變體之間的轉(zhuǎn)變是位移性轉(zhuǎn)變，不涉及晶體結(jié)構(gòu)中鍵的破裂和重建，僅是鍵長(zhǎng)、鍵角的調(diào)整。5.鈦酸鋇是一種重要的鐵電陶瓷，其晶型是鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，試問(wèn)：(a)屬于什么點(diǎn)陣？(b)這個(gè)結(jié)構(gòu)中離子的配位數(shù)為多少？(c)這個(gè)結(jié)構(gòu)遵守鮑林規(guī)則嗎？請(qǐng)做討論。答：(a) 屬于立方面心點(diǎn)陣（b）Ti配位數(shù)為6；Ba配位數(shù)為12；O配位數(shù)為6。（c）遵守鮑林規(guī)則。6.石棉礦如透閃石CaMgSi

4、O（OH）具有纖維狀結(jié)晶習(xí)性，而滑石MgSiO（OH）卻具有片狀結(jié)晶習(xí)性，試解釋為什么？答：透閃石具有雙鏈結(jié)構(gòu)，鏈內(nèi)的Si-O鍵要比鏈5的Ca-O、Mg-O鍵強(qiáng)很多，所以很容易沿鏈間結(jié)合力較弱處劈裂成為纖維狀；滑石具有復(fù)網(wǎng)層結(jié)構(gòu)，復(fù)網(wǎng)層由兩個(gè)SiO層和中間的水鎂石層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，復(fù)網(wǎng)層與復(fù)網(wǎng)層之間靠微弱的分之間作用力聯(lián)系，因分子間力弱，所以易沿分子間力聯(lián)系處解理成片狀。7.石墨、滑石和高嶺石都具有層狀結(jié)構(gòu)，請(qǐng)說(shuō)明他們結(jié)構(gòu)的區(qū)別及由此引起的性質(zhì)的差異。答：石墨中同層C原子進(jìn)行SP2雜化，形成大鍵，每一層都是六邊形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。由于間隙較大，電子可在同層中運(yùn)動(dòng)，可以導(dǎo)電，層間分子間力作用，所以石墨比較軟。

5、滑石具有復(fù)網(wǎng)層結(jié)構(gòu)，復(fù)網(wǎng)層由兩個(gè)SiO層和中間的水鎂石層構(gòu)成，即2：1層；由于八面體空隙全部被Mg離子占據(jù)，因此該結(jié)構(gòu)也是三八面體型。由于復(fù)網(wǎng)層與復(fù)網(wǎng)層之間靠微弱的分之間作用力聯(lián)系，因分子間力弱，所以易沿分子間力聯(lián)系處解理成片狀。高嶺石具有單網(wǎng)層結(jié)構(gòu)，單網(wǎng)層由一個(gè)SiO層和水石層構(gòu)成，即1：1層；由于八面體空隙2/3被Al離子占據(jù)，因此該結(jié)構(gòu)也是二八面體型。由于高嶺石層間只能靠物理鍵來(lái)結(jié)合，因此高嶺石也容易解理成片狀小晶體。但單網(wǎng)層平行疊放時(shí)，層間靠氫鍵來(lái)結(jié)合，由于氫鍵結(jié)合比分之間力強(qiáng)，因此，水分子不易進(jìn)入單網(wǎng)層之間，晶體不會(huì)因?yàn)樗吭黾佣蛎洝?.在硅酸鹽晶體中，Al3+為什么能部分置換硅

6、氧骨架中的Si4+？該置換對(duì)硅酸鹽組成有何影響？答：（1）Al可與O形成AlO；Al與Si處于第二周期，性質(zhì)類(lèi)似，易于進(jìn)入硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)中與Si發(fā)生同晶取代，由于鮑林規(guī)則，只能部分取代；（2）Al置換Si是部分取代，Al取代Si時(shí)，結(jié)構(gòu)單元AlSiOASiO，失去了電中性，有過(guò)剩的負(fù)電荷，為了保持電中性，將有一些半徑較大而電荷較低的陽(yáng)離子如K、Ca、Ba進(jìn)入結(jié)構(gòu)中。第三章9.什么是刃位錯(cuò)、螺旋位錯(cuò)？他們的基本區(qū)別是什么？答：刃位錯(cuò)：在位錯(cuò)線(xiàn)附近原子失去正常有規(guī)律排列，并滑移一段距離，由此產(chǎn)生的缺陷即是。螺旋位錯(cuò)：在位錯(cuò)線(xiàn)附近原子失去正常有規(guī)律排列，產(chǎn)生螺旋位移，這種缺陷即是?；緟^(qū)別：刃位錯(cuò)：

7、滑移方向與位錯(cuò)線(xiàn)垂直，位錯(cuò)增加了半片原子面。螺旋位錯(cuò)：滑移方向與位錯(cuò)線(xiàn)平行。質(zhì)點(diǎn)以位錯(cuò)線(xiàn)為軸做螺旋狀排列。10.什么是肖特基缺陷、弗蘭克爾缺陷？他們屬于何種缺陷？發(fā)生缺陷時(shí)位置數(shù)各發(fā)生何種變化？答：肖特基缺陷：晶體的結(jié)構(gòu)基元，從正常的結(jié)點(diǎn)位置上位移到晶體的表面而正常位置上出現(xiàn)了空位，這種缺陷即是。位置數(shù)增殖，體積增大。弗蘭克爾缺陷：晶體結(jié)構(gòu)中的結(jié)構(gòu)基元，從正常的結(jié)點(diǎn)位置上位移到晶體的間隙位置上，而正常位置上出現(xiàn)了空位，這種缺陷即是。位置數(shù)不增殖，體積不增大。11.說(shuō)明非化學(xué)計(jì)量化合物與無(wú)限固溶體的異同答：(1)、非化學(xué)計(jì)量化合物與無(wú)限固溶體的共同點(diǎn)：（a）都屬于晶體結(jié)構(gòu)缺陷中的點(diǎn)缺陷；（b）相

8、組成均為均勻單相。(2)不同之處在于：（a）形成原因不同。非化學(xué)計(jì)量化合物由氣氛性質(zhì)和壓力變化引起，而無(wú)限固溶體則由摻雜溶解而引起。（b）形成條件不同。前者只有變價(jià)元素氧化物在氧化或還原氣氛中才能形成，而后者則需滿(mǎn)足離子半徑和電負(fù)性差值較小、保持電中性、結(jié)構(gòu)相同等條件才能形成。（c）組成范圍不同。前者的組成變化范圍很小，而后者可以在整個(gè)組成范圍內(nèi)變化。12.TiO和FeO分別為具有陰離子空位和陽(yáng)離子空位的非化學(xué)計(jì)量化合物。試說(shuō)明其導(dǎo)電率和密度隨氧分壓PO變化的規(guī)律。（以缺陷方程幫助說(shuō)明）答：（1）TiO的缺陷反應(yīng)方程為：根據(jù)質(zhì)量守恒定律可得 ，故其密度隨氧分壓增加而增加，而電導(dǎo)率隨氧分壓的增加

9、而減小，與氧分壓的1/6次方成反比。（2）Fe1-xO缺陷反應(yīng)方程式為：根據(jù)質(zhì)量守恒定律可得，故其密度隨氧分壓增加而下降，而電導(dǎo)率隨氧分壓的增加而增加，與氧分壓的1/6次方成正比。13.簡(jiǎn)述形成置換型固溶體的條件是什么？并舉一實(shí)例。答：形成連續(xù)置換型固溶體的條件：（1）離子尺寸因素。相互替代的兩離子尺寸應(yīng)滿(mǎn)足。（2）晶體結(jié)構(gòu)類(lèi)型相同。（3）相互替代的兩個(gè)離子電價(jià)相同或復(fù)合替代離子電價(jià)總和相同。（4）相互替代的兩個(gè)離子電負(fù)性相近。例如：，固溶式為：Mg1-xNixO（x=01）14.簡(jiǎn)述形成間隙型固溶體的條件是什么？并舉一實(shí)例。答：形成間隙型固溶體的條件：間隙型固溶體的固溶度仍然取決于離子尺寸、

10、離子價(jià)、電負(fù)性、結(jié)構(gòu)等因素。(1)雜質(zhì)質(zhì)點(diǎn)大小。即添加的原子愈小，易形成固溶體。(2)晶體（基質(zhì)）結(jié)構(gòu)。但離子尺寸是與晶體結(jié)構(gòu)的關(guān)系密切相關(guān)的，在一定程度上來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)中間隙的大小起了決定性的作用?；|(zhì)晶體中空隙愈大，結(jié)構(gòu)愈疏松，易形成固溶體。(3)電價(jià)因素。保持電價(jià)平衡。15.說(shuō)明為什么只有置換型固溶體的兩個(gè)組分之間才能相互完全溶解，而間隙型固溶體則不能。答：晶體中間隙位置是有限的，容納雜質(zhì)質(zhì)點(diǎn)能力10%，而且間隙式固溶體的生成，一般都使晶格常數(shù)增大，增加到一定的程度，使晶格變得不穩(wěn)定而離解；置換固溶體形成是同號(hào)離子交換位置，不會(huì)對(duì)其晶格產(chǎn)生此種影響，所以可形成連續(xù)固溶體。16.試分析形成固溶

11、體后對(duì)晶體性質(zhì)的影響。答：(1)穩(wěn)定晶格，阻止晶型轉(zhuǎn)變的發(fā)生。（2）活化晶格（3）固溶強(qiáng)化17.判斷下列系統(tǒng)是否能形成固溶體，如果能，則形成什么固溶體？為什么？(1)MgO-CaO (2)MgO-CoO(3)MgO-Al2O3(4)PbZrO3-PbTiO3已知：答：對(duì)于MgO-CaO：，此二氧化物結(jié)構(gòu)相同，電價(jià)相同，電負(fù)性接近，但離子半徑相關(guān)較大，15%，故只能形成有限置換型固溶體。對(duì)于MgO-CoO：，此二氧化物結(jié)構(gòu)相同，電價(jià)相同，離子半徑相差極小，電負(fù)性相差不大。故能形成連續(xù)置換型固溶體。對(duì)于MgO-Al2O3：，此二氧化物結(jié)構(gòu)不相，半徑相差極大，電負(fù)性相差較大，因此，該二氧化物易形成化

12、合物。對(duì)于PbZrO3-PbTiO3：，此二氧化物結(jié)構(gòu)相同，電價(jià)相同，離子半徑相差剛大于15%，但由于該化合物構(gòu)造相對(duì)較為復(fù)雜，晶胞較大，因而對(duì)半徑的寬容度增大，故此二化合物能形成連續(xù)置換型固溶體。18.試比較固溶體與化合物、機(jī)械混合物的差別。答：固溶體機(jī)械混合物化合物形成原因以原子尺寸“溶解”生成粉末混合原子間相互反映生成相數(shù)單相均勻多相單相均勻化學(xué)計(jì)量不遵守定比定律/遵守定比定律化學(xué)組成不確定有幾種混合物就有多少化學(xué)組成確定19.試闡述固溶體、熱缺陷和非化學(xué)計(jì)量化合物三者的異同點(diǎn)。答：種類(lèi)固溶體熱缺陷非化學(xué)計(jì)量物共同點(diǎn)從缺陷的角度講，三者均是點(diǎn)缺陷，是晶體結(jié)構(gòu)缺陷，都是單相均勻的固體，結(jié)構(gòu)

13、同主晶相。不同點(diǎn)缺陷產(chǎn)生的原因不同外來(lái)雜質(zhì)的引入，屬于非本征缺陷熱起伏，屬于本征缺陷基質(zhì)晶體與介質(zhì)中某些組分發(fā)生交換，屬于非本征缺陷缺陷產(chǎn)生的機(jī)理及表現(xiàn)形式不同缺陷發(fā)生在基質(zhì)組元與外加組元之間。表現(xiàn)形式為外加組元占據(jù)基質(zhì)組元質(zhì)點(diǎn)或間隙的位置缺陷發(fā)生于基質(zhì)晶體自身質(zhì)點(diǎn)的遷移。表現(xiàn)形式為產(chǎn)生空穴或間隙質(zhì)點(diǎn)在形式上，可看作為缺陷發(fā)生于同種離子不同價(jià)態(tài)間的相互置換決定缺陷濃度的因素不同主要取決于雜質(zhì)的濃度主要與溫度有關(guān)主要與溫度、氣氛、壓力有關(guān)20.試寫(xiě)出以下缺陷方程，每組寫(xiě)二個(gè)合理的方程，并判斷可能成立的方程是那一種？再寫(xiě)出每組方程的固溶式。（1）（2）（3）答：（1）固溶式為固溶式為前者可能。（2

14、）固溶式為固溶式為前者可能。（3）固溶式為固溶式為后者可能。21.試寫(xiě)出以下缺陷方程，每組寫(xiě)二個(gè)合理的方程，并判斷可能成立的方程是那一種？再寫(xiě)出每組方程的固溶式。（1）（2）（3）答：（1）固溶式為固溶式為前者可能。（2）固溶式為固溶式為前者可能。（3）固溶式為固溶式為前者可能。22.試寫(xiě)出少量MgO摻雜到A12O3中和少量YF3摻雜到CaF2中的缺陷反應(yīng)方程與對(duì)應(yīng)的固溶式。答：A、B、A可能性較大。因螢石晶體中存較多的八面體空隙，F(xiàn)-離子半徑較小，形成填隙型固溶體比較穩(wěn)定。第四章23.簡(jiǎn)述硅酸鹽熔體結(jié)構(gòu)的聚合物理論。答：硅酸鹽熔體中聚合物的形成過(guò)程大致可分為三個(gè)階段。初期：主要是石英顆粒的分

15、化；中期：縮聚反應(yīng)并伴隨聚合物的變形；后期：在一定溫度(高溫)和一定時(shí)間(足夠長(zhǎng))下達(dá)到聚合分化平衡。產(chǎn)物中有低聚物、高聚物、三維碎片、游離堿、吸附物，最后得到的熔體是不同聚合程度的各種聚合體的混合物，構(gòu)成硅酸鹽熔體結(jié)構(gòu)。聚合物的種類(lèi)、大小和數(shù)量隨熔體組成和溫度而變化。24.簡(jiǎn)述玻璃的通性。答：（A）各向同性，（B）介穩(wěn)性，（C）熔融態(tài)向玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化的可逆與漸變性，（D）熔融態(tài)向玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化時(shí)物理、化學(xué)性能隨溫度變化的連續(xù)性25.簡(jiǎn)述玻璃形成的結(jié)晶化學(xué)條件。答：(1)聚合陰離子團(tuán)大小與排列方式；(2)鍵強(qiáng):根據(jù)各氧化物的單鍵強(qiáng)（化合物的分解能以該種化合物的配位數(shù)除只得的商值）大小可將氧化物分為玻璃

16、形成體（335kJ/mol），玻璃網(wǎng)絡(luò)變性體（D晶面D晶內(nèi)。答：固體表面質(zhì)點(diǎn)在表面力作用下，導(dǎo)致表面質(zhì)點(diǎn)的極化、變形、重排并引起原來(lái)的晶格畸變，表面結(jié)構(gòu)不同于內(nèi)部，并使表面處于較高的能量狀態(tài)。晶體的內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)排列有周期性，每個(gè)質(zhì)點(diǎn)力場(chǎng)是對(duì)稱(chēng)的，質(zhì)點(diǎn)在表面遷移所需活化能較晶體內(nèi)部小，則相應(yīng)的擴(kuò)散系數(shù)大。同理，晶界上質(zhì)點(diǎn)排列方式不同于內(nèi)部，排列混亂，存在著空位、位錯(cuò)等缺陷，使之處于應(yīng)力畸變狀態(tài)，具有較高能量，質(zhì)點(diǎn)在晶界遷移所需的活化能較晶內(nèi)小，擴(kuò)散系數(shù)大。但晶界上質(zhì)點(diǎn)與晶體內(nèi)部相比，由于晶界上質(zhì)點(diǎn)受兩個(gè)晶粒作用達(dá)到平衡態(tài)，處于某種過(guò)渡的排列方式，其能量較晶體表面質(zhì)點(diǎn)低，質(zhì)點(diǎn)遷移阻力較大因而D晶界D表

17、面。41.濃度差會(huì)引起擴(kuò)散，擴(kuò)散是否總是從高濃度處向低濃度處進(jìn)行，為什么？答：擴(kuò)散的基本推動(dòng)力是化學(xué)位梯度，只不過(guò)在一般情況下以濃度梯度的方式表現(xiàn)出來(lái)；擴(kuò)散是從高化學(xué)位處流向低化學(xué)位處，最終系統(tǒng)各處的化學(xué)位相等。如果低濃度處化學(xué)勢(shì)高，則可進(jìn)行負(fù)擴(kuò)散，如玻璃的分相過(guò)程。第八章42.推導(dǎo)并簡(jiǎn)述相變過(guò)程的溫度條件。答：相變推動(dòng)力為過(guò)冷度（過(guò)熱度）的函數(shù)，相平衡理論溫度與系統(tǒng)實(shí)際溫度之差即為相變過(guò)程的推動(dòng)力。G=H-TH/T0=HT0-T/T0=H.T/T0式中：T0-相變平衡溫度，H-相變熱，T-任意溫度。自發(fā)反應(yīng)時(shí)：G0,即H.T/T00相變放熱（凝聚，結(jié)晶）：H0，T0T，過(guò)冷，即實(shí)際溫度比理論

18、溫度要低，相變才能自發(fā)進(jìn)行。相變吸熱（蒸發(fā)，熔融）：H0，T0，T0gb。生長(zhǎng)的推動(dòng)力是晶界兩側(cè)物質(zhì)的自由焓差，使界面向晶界曲率半徑小的晶粒中心推進(jìn)。燒結(jié)的推動(dòng)力較大，約為420J/g。晶粒生長(zhǎng)的推動(dòng)力較小，約為0.42J/g，因而燒結(jié)推動(dòng)力比晶粒生長(zhǎng)推動(dòng)力約大十倍。61.二次再結(jié)晶產(chǎn)生的原因是什么？可以采取哪些措施來(lái)防止它的產(chǎn)生？答：原始粒度不均勻；燒結(jié)溫度偏高；燒結(jié)速率太快；坯體成型壓力不均勻；局部有不均勻液相等。為防止晶粒異常生長(zhǎng)，應(yīng)適當(dāng)控制溫度來(lái)防止晶界移動(dòng)速率過(guò)快；引入適當(dāng)?shù)奶砑觿?，能抑制晶界的遷移，加速氣孔排除。62.試分析二次再結(jié)晶過(guò)程對(duì)材料性能有何種效應(yīng)?答：二次再結(jié)晶發(fā)生后,由于個(gè)別晶粒異常長(zhǎng)大,氣孔進(jìn)入晶粒內(nèi)部,成為孤立閉氣孔,不易排除,使燒結(jié)速率降低甚至停止,坯體不再致密；加之大晶粒的晶界上有應(yīng)力存在,使其內(nèi)部易出現(xiàn)隱裂紋,繼續(xù)燒結(jié)時(shí)坯體易膨脹而開(kāi)裂,使燒結(jié)體的機(jī)械,電學(xué)性能下降。63.有人試圖用延長(zhǎng)燒結(jié)時(shí)間來(lái)提高產(chǎn)品