无机材料科学基础题库--简答题.docx

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1、简答题1/粘度及其影响因素（以硅酸盐熔体为例）粘度：使相距一定距离的两个平行平面以一定速度相对移动所需的力硅酸盐熔体粘度及组成的关系-粘度的大小由熔体中硅氧四面体网络连接程度决定碱金属、碱土金属：熔体分化，网络断裂程度增加，粘度降低碱金属的硅酸盐熔体中加入Al2O3：当Al2O3/Na2O1时，Al进入AlO6位置中，粘度降低碱金属的硅酸盐熔体中加入B2O3：最初加入的B2O3，处于BO4中结构聚集紧密，粘度升高；随着硼含量增加，硼处于三角体中网络结构疏松，粘度下降R+对粘度的影响：浓度:O/Si低时，Si-O键决定粘度随R+半径减小，熔体粘度减小 O/Si高时，SiO4靠键力R-O相连随R+

2、半径减小，熔体粘度增大碱土金属离子：R2+浓度的影响：O/Si比离子极化对粘度的影响：离子变形，共价键成分增加减弱了Si-O键力，粘度降低 Pb2+Ba2+Cd2+Zn2+Ca2+Mg2+2.表面能及其影响因素（以硅酸盐熔体为例）表面能：将表面增大一个单位面积所需要作的功组成对硅酸盐熔体表面张力的影响: Al2O3、CaO、MgO、SiO2增大表面张力；K2O、PbO、B2O3、Sb2O3、Cr2O3降低表面张力化学键型对熔体表面张力的影响: 具有金属键的熔体表面张力共价键离子键分子键温度的影响：大多数硅酸盐熔体的表面张力随着温度的升高而降低温度升高100，表面张力降低1%3.玻璃结构的晶子假

3、说学说要点：硅酸盐玻璃由无数“晶子”组成。“晶子”不同于一般微晶，是带有晶格变形的有序区域，分散于无定形介质中，“晶子”到无定形介质的过渡是逐步完成的，两者之间无明显界线。（3分）意义及评价：揭示了玻璃的结构特征：微不均匀性、近程有序性。不足之处：晶子含量、化学组成未能合理确定。（2分）4.玻璃结构的无规则网络假说学说要点：玻璃态物质也是由一个三度空间网络所构成。 网络由离子多面体构筑而成，排列没有规律性。 网络形成离子位于多面体的中心，网络变性离子均匀、无序地分布在空隙中。氧化物形成玻璃的规则:每个氧离子最多及两个网络形成离子相连。 多面体中阳离子的配位数4。 氧多面体相互共角而不共棱或共面

4、。 每个多面体至少有3个角及相邻多面体共用。两种假说各有优缺点，两种观点正在逐步靠近。两种观点比较一致的看法-玻璃是近程有序、远程无序的无定形物质。晶子假说：着重于玻璃结构的微不均匀性、有序性。无规则网络假说：着重于玻璃结构的均匀性、连续性、无序性、统计性。两种假说各自能解释玻璃的一些性质和变化规律。5.润湿及其分类P115润湿：固体及液体接触后，体系的吉布斯自由能降低的现象。（2分）分类：附着润湿、铺展润湿、浸渍润湿（3分）6.固相反应及烧结固相反应的定义及特点广义：固相参及的化学反应 狭义：固体及固体发生化学反应生成新的固体固相反应的特点：固相反应是非均相反应，反应速度较慢固相反应需要高温

5、，固相反应开始的温度远低于反应物的熔点或系统低共熔温度：泰曼温度固相反应包括相界面的化学反应、固相内的物质迁移两个过程当反应物之一存在多晶转变时，转变温度通常也是反应开始明显进行的温度-海德华定律论述题：1.毛细管现象、玻璃板间的防潮、烧结推动力影响润湿的因素表面张力gsv和gsl相差越大、glv越小，润湿越好粗糙度实际表面具有一定的粗糙度真正表面积比表观面积大真实接触角q90时，粗糙度越大，愈不利于润湿吸附膜吸附降低表面能gsv，不利于润湿粘土荷电的主要原因： 粘土晶格内离子的同晶置换（主要产生负电荷）粘土表面的腐殖质离解（羧基、酚羧基）活性边表面上的破键（高岭石两性电荷）粘土的阳离子交换性

6、粘土颗粒带负电吸附介质中的阳离子被吸附的阳离子能被溶液中其它浓度大、价数高的阳离子交换粘土的离子交换反应的特点同号离子相互交换等当量交换交换和吸附可逆离子交换不影响粘土本身结构粘土的阳离子交换容量（cation exchange capacity，简称c.e.c）100g干粘土吸附的离子的毫克当量数影响阳离子交换容量的因素粘土矿物的组成和结构（同晶置换、晶格层间结合）粘土的细度含腐殖质数量溶液的pH值离子浓度鉴定矿物组成阳离子交换能力的影响因素阳离子的电荷数粘土对阳离子的吸附能力次序：M3+M2+M+H+：容积小、电荷密度高，粘土对它吸力最强离子水化膜的厚度同价离子，半径愈小，水化膜愈厚：Li

7、+Na+K+不同价离子：高价离子及粘土颗粒表面的静电引力的影响超过水化膜厚度的影响粘土的阳离子交换序：离子价效应、离子水化半径H+Al3+Ba2+Sr2+Ca2+Mg2+NH4+K+Na+Li+影响粘土结合水量的因素：粘土的矿物组成粘土的分散度高岭石的结合水量随粒度减小而增高，蒙脱石的结合水量及颗粒度无关粘土吸附阳离子的种类粘土的结合水量一般及粘土阳离子交换量成正比含同一种交换性阳离子的粘土，蒙脱石的结合水量比高岭石的大含不同价阳离子的粘土的结合水量：粘土及一价阳离子结合水量及二价阳离子结合的水量及三价阳离子结合的水量泥浆的触变性触变状态：泥浆静止不动时似凝固体，一经扰动或摇动，凝固的泥浆又重

8、新获得流动性。触变是凝胶体及溶胶体之间的可逆转化过程。泥浆具有触变性的原因触变状态是介于分散和凝聚之间的中间状态不完全胶溶的粘土颗粒的边面上残留少量正电荷或边面负电荷不足以排斥板面负电荷形成局部边-面或边-边结合三维网状架构，大量自由水被包裹在网状空隙中空间架构疏松、很不稳定稍加剪切力就能破坏结构，释放“自由水”，泥浆恢复流动性。一旦静止三维网状架构又重新建立影响泥浆触变性的因素粘土泥浆含水量泥浆稀边-面静电引力小，胶粒定向性弱不易形成触变结构粘土矿物组成水化膨胀方式：溶剂分子渗入颗粒间、溶剂分子渗入单位晶格内粘土胶粒大小、形状颗粒细，平板状、条状颗粒易形成触变结构电解质种类及数量粘土吸附阳离

9、子价数小、半径小触变效应小温度温度升高，触变结构不易建立影响可塑性的因素含水量含水量适当（15-25%），才能呈现最大的可塑性吸附阳离子H+Al3+Ba2+Ca2+Mg2+NH4+K+Na+Li+粘土矿物组成蒙脱石比表面积大毛细管力大，塑性高粘土颗粒大小和形状板状、短柱状优于球状、立方体状影响扩散的因素外部因素温度的影响：热激活过程 杂质的影响异价离子掺杂空位，晶格畸变相应离子的扩散系数增大杂质及扩散介质形成化合物、发生淀析活化能升高，扩散速率下降杂质原子及结构中的空位缔合空位总浓度增加，有利于扩散气氛的影响固溶体类型的影响间隙型固溶体比置换型固溶体容易扩散内部因素晶体组成的复杂性 化学键的影

10、响金属键、离子键、共价键材料，空位机构扩散-空位形成能DHf、原子迁移能DHM原子间结合力越强、原子排列越紧密，扩散激活能Q值越高结构缺陷的影响晶界原子排列紊乱、结构开放，扩散快结构中位错密度越高，位错对原子扩散的贡献越大Db:Dg:Ds=10-14:10-10:10-78、请简述扩散的微观机制有哪些？影响扩散的因素又有哪些？（10分）答：置换机制：包括空位机制和直接换位及环形换位机制，其中空位机制是主要机制，直接换位及环形换位机制需要的激活能很高，只有在高温时才能出现。间隙机制：包括间隙机制和填隙机制，其中间隙机制是主要机制。（5分）影响扩散的主要因素有：温度（温度越高，扩散速度越快）；晶体

11、结构及类型（包括致密度、固溶度、各向异性等）；晶体缺陷；化学成分（包括浓度、第三组元等）（5分）试分析影响固相反应（solid state reaction）的主要因素。（10分）解答：烧结温度和保温时间（2.5分）、压力和气氛（2.5分）、物料状态（粒度、成型压力、前驱物类型）（2.5分）、烧结助剂（2.5分）。反应物化学组成及结构的影响：内因热力学角度：DG负值越大，反应的热力学推动力越大结构观点：化学键、缺陷、晶型、结晶状态多晶转变、热分解、脱水反应；热处理晶格活化反应物间的比例影响反应物表面积、截面积的大小改变产物层厚度，影响反应速率反应物颗粒尺寸及分布的影响反应速度常数K值反比于颗粒

12、半径的平方颗粒尺寸反应界面、扩散截面、颗粒表面结构颗粒尺寸越小，反应体系比表面积越大，反应界面、扩散截面越大，反应速度越快；颗粒尺寸减小，键强分布曲线变平，弱键比例增加，反应和扩散能力增强。物料颗粒尺寸的不同可能引起反应机理的变化例：CaCO3、MoO3等分子比600的反应：CaCO3颗粒尺寸大于MoO3时，反应由扩散控制；CaCO3颗粒尺寸小于MoO3时，反应由MoO3的升华过程控制。物料颗粒粒径分布的影响反应温度、压力及气氛的影响温度升高有利于反应进行温度升高，固体结构中质点热振动动能增大，反应能力、扩散能力增强；温度变化对化学反应的影响大于对扩散的影响。压力的影响对不同反应类型压力的影响

13、不同对于纯固相反应，增大压力可改善粉料颗粒之间的接触状态-缩短颗粒之间距离、增加接触面积提高固相反应速率；对于有液相、气相参及的固相反应，需要具体考虑。气氛的影响改变固体吸附特性影响表面反应活性；影响非化学计量化合物的表面缺陷浓度、扩散机构及速率。矿化剂及其它影响因素矿化剂的作用影响晶核的生成速率；影响结晶速率及晶格结构；降低体系共熔点，改善液相性质。矿化机理及反应物形成固溶体而使其晶格活化；及反应物形成活性中间体；矿化剂离子对反应物离子产生极化作用促使其晶格畸变和活化；及反应物形成低共熔体，使体系在较低温度下出现液相。工程方面的因素换热传质效率传热方式按相变机理分类成核-生长型相变由组成波动

14、程度大、空间范围小的起伏开始发生相变，初期起伏形成新相核心，然后新相核心长大均匀成核、非均匀成核连续型相变由组成波动程度小、空间波动范围广的起伏引起的相变，起伏连续地生长而形成新相有序-无序转变位置、位向、电子、核旋转状态马氏体相变晶体在外加应力的作用下通过晶体的一个分立体积的剪切作用以极迅速的速率进行的相变。试述马氏体相变的特点。（10分）解答：马氏体相变：晶体在外加应力作用下通过晶体的一个分立体积的剪切作用以极迅速的速率进行的相变。（2分）结晶学特征：相变后晶格仍是连续的，新相和母相之间严格的取向关系是靠切变维持共格晶界关系，存在习性平面和晶面的定向关系。（2分）马氏体相变是无扩散性的位移

15、式相变。（2分）马氏体相变以很高的速度进行，有时高达声速。（2分）马氏体相变没有一个特点的温度，而是在一个温度范围内进行。（2分）亚稳区的特征：亚稳区具有不平衡状态的特征，是物相在理论上不能稳定存在，而实际上却能稳定存在的区域；在亚稳区内，物系不能自发产生新相，要产生新相，必然要越过亚稳区过冷却；在亚稳区内虽然不能自发产生新相，但是当有外来杂质存在时，或在外界能量影响下，也有可能在亚稳区内形成新相亚稳区缩小。影响析晶能力的因素熔体组成熔体系统中组成愈简单，析晶愈容易当熔体组成位于相界线上，特别是在低共熔点上时，析晶能力降低熔体的结构熔体结构网络的断裂程度网络断裂越多，熔体越易析晶-析晶能力：岛

16、状链状层状架状当碱金属氧化物含量相同时，随着阳离子半径增大，析晶能力增强熔体结构网络破坏比较严重时，加入中间体氧化物时熔体析晶能力下降熔体中所含网络变性体及中间体氧化物的作用电场强度较大的（Z/r21.5）网络变性离子（Li+、Mg2+、La3+、Zr4+）使熔体析晶容易易极化的阳离子（Pb2+、Bi3+）使熔体析晶能力降低中间体氧化物Al2O3、Ga2O3使熔体析晶能力减弱3. 界面情况析晶过程需要克服由亚稳的玻璃态稳定的晶态所需越过的势垒各相的分界面（微分相液滴、微小杂质、坩埚壁、玻璃-空气界面）有利于析晶4. 外加剂微量外加剂或杂质促进晶体的生长9、试述烧结及固相反应的异同点。（5分）相

17、同之处：都在低于材料熔点或熔融温度之下进行，在过程的自始至终至少有一相是固态。不同之处：烧结：可以只有单组元，或者两组元参加，但两组元并不发生化学反应，仅仅是在表面能驱动下，由粉体变成致密体（显微组织排列致密、结晶程度完善），伴随着物理性能的变化。固相反应必须至少有两组元参加，并且发生化学反应，生成结构、性能不同于原组元的化合物。烧结程度的衡量坯体收缩率气孔率吸水率相对密度（烧结体密度及理论密度之比）液相烧结及固相烧结的比较共同点：推动力都是表面能颗粒重排、气孔充填、晶粒长大不同点：液相烧结致密化速率高、烧结温度低影响液相烧结的因素液相数量、液相性质（粘度和表面张力等）、液相及固相润湿情况、固

18、相在液相中的溶解度晶粒生长及二次再结晶的区别晶粒生长：晶粒尺寸均匀地生长；平均尺寸增长，不存在晶核，界面处于平衡状态，界面上无应力；气孔维持在晶界上或晶界交汇处 二次再结晶：个别晶粒异常生长；大晶粒界面上有应力存在；气孔被包裹到晶粒内部影响烧结的因素原始粉料的粒度细颗粒，增加烧结推动力、缩短原子扩散距离、提高颗粒在液相中的溶解度烧结过程加速、烧结温度降低起始粒径细而均匀可以防止二次再结晶，少量大颗粒的存在，易发生晶粒异常生长而不利烧结氧化物材料最适宜的粉末粒度为0.05-0.5mm原料粉末的粒度不同，烧结机理有时也会发生变化 外加剂的作用外加剂及烧结主体形成固溶体离子大小、晶格类型、电价数固溶

19、体主晶相晶格畸变、缺陷增加，便于结构基元移动而促进烧结形成有限置换型固溶体比形成连续固溶体更有助于促进烧结外加剂离子的电价和半径及烧结主体离子的电价、半径相差愈大，晶格畸变程度愈大，促进烧结的作用也愈明显外加剂及烧结主体形成液相液相中扩散传质阻力小、流动传质速度快降低烧结温度、提高坯体的致密度 外加剂及烧结主体形成化合物抑制二次再结晶、消除晶界上的气孔促进坯体致密化 外加剂阻止多晶转变ZrO2加入5%CaO阴离子缺位固溶体，抑制晶型转变，促进致密化 外加剂起扩大烧结范围的作用外加剂只有加入量适当时才能促进烧结，如不恰当地选择外加剂或加入量过多，反而会引起阻碍烧结的作用。烧结温度和保温时间晶体的

20、晶格能愈大，离子扩散愈困难，所需烧结温度愈高提高烧结温度对固相扩散、溶解-沉淀等传质都是有利的单纯提高烧结温度不仅浪费燃料，而且还会促使二次再结晶而使制品性能恶化；在有液相的烧结中，温度过高使液相量增加，粘度下降，使制品变形在烧结高温阶段以体积扩散为主，在低温阶段以表面扩散为主高温短时间烧结是制造致密陶瓷材料的好方法气氛的影响烧结气氛：氧化、还原、中性 在由扩散控制的氧化物烧结中，气氛的影响及扩散控制因素有关，及气孔内气体的扩散和溶解能力有关 进入封闭气孔内气体的原子尺寸愈小，愈易于扩散，气孔消除愈容易 当样品中含有铅、锂、铋等易挥发物质时，控制烧结时的气氛更为重要 成型压力的影响 成型压力愈大，颗粒间接触愈紧密，对烧结愈有利但若压力过大使粉料超过塑性变形限度，就会发生脆性断裂第 7 页