1、无机材料科学基础试题卷610章无机材料科学基础试卷1、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
2、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/dt0。这种扩散称为不稳定扩
3、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
4、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)2、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.DsDgDb B. DsDbDgC.DbDsDg D. DbD
5、gDs4、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.QsQgQb B. QbQgQsC.QbQsQg D. QsQbQg 5. 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DBDA，则在AmBn-A界面上，反应物B的浓度CB为（ B ）A.1 B.0 C.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
6、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2m，在烧结温度下保温30分钟，测得晶粒尺寸为10m。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0.1MgO
7、，此时若保温4小时，晶粒尺寸为（ B ）。 A. 16m B. 20m C. 24m D. 28m 14、在扩散系数的热力学关系中， 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
8、力差 ）、（ 空位浓度差 ）、（ 应力-应变 ）和（ 溶解度 ）。线收缩L/L与烧结时间的关系依次为：L/L=0、L/Lt2/5、L/Lt和L/Lt1/3。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
9、折点（ 向左 ）。7. 合成镁铝尖晶石，可选择的原料为MgCO3 , MgO, -Al2O3, -Al2O3, 从提高反应速率的角度出发选择（ MgCO3 ），（ -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Gk=（ 1/3Ak ）,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（-Gk/RT） ）。9. 液-固相变时，非均匀成核位垒与接触角有关，当为（ 180 ）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
10、. 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
11、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
12、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 ：CaCO31：1，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 ：MoO315：1，r20.03mm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.
13、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r2DNi2+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)1/32=KJt。6、在扩散
14、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
15、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T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T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；若要使其在一定过冷度下析晶，一般采用移动成核曲线的位置，使它向生长曲线靠拢。可以用加人适当的核化剂，使成核位垒降低，用非均匀成核代替均匀成核。使两曲线重叠而容易析晶。（1分）要使自发析晶能力大的熔体形成玻璃，采取增加冷却速度以迅速越过析晶区的方法，使熔体来
16、不及析晶而玻璃化。（1分）8、说明影响扩散的因素？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。 9影响固相反应的因素有那些？答：影响固相反应的因
17、素有反应物化学组成与结构的影响；颗粒度和分布影响；反应温度、压力、气氛影响；矿化剂的影响。（6分）10晶界移动遇到气孔时会出现几种情况，从实现致密化目的考虑，晶界应如何移动？怎样控制？（10分）答：烧结初期，晶界上气孔数目很多，此时气孔阻止晶界移动，Vb=0。（2分）烧结中、后期，温度控制适当，气孔逐渐减少。可以出现Vb=Vp，此时晶界带动气孔以正常速度移动，使气孔保持在晶界上，气孔可以利用晶界作为空位传递的快速通道而迅速汇集或消失。（2分）继续升温导致VbVp，晶界越过气孔而向曲率中心移动，气孔包入晶体内部，只能通过体积扩散排除，这是十分困难的。（2分）从实现致密化目的考虑，晶界应带动气孔以
18、正常速度移动，使气孔保持在晶界上，气孔可以利用晶界作为空位传递的快速通道而迅速汇集或消失。（2分）控制方法：控制温度，加入外加剂等。11. 相变过程的推动力是什么？（8分）答：总的推动力：相变过程前后自由能的差值1、相变过程的温度条件在等温等压下，G=H-TS 在平衡条件下，G0，则S=H/T0式中：T0相变的平衡温度；H相变热。在任意一温度了的不平衡条件下，则有G=H-TS0若H与S不随温度而变化，G=H-TH/T0=H（T0-T）/T0=HT/T0相变过程放热HO，要使GO，TO，要使G0，须有TT0,过热。因此相平衡理论温度与系统实际温度之差即为该相变过程的推动力。 (2分) 2相变过程
19、的压力和浓度条件(1)气相，恒温下G=RTlnP0/P 欲使G P0 即汽相过饱和。(2分)(2)溶液 G=RTlnC0/C 欲使G C0 即液相过饱和。 (2分) 综上所述，相变过程的推动力应为过冷度、过饱和浓度、过饱和蒸汽压。即相变时系统温度、浓度和压力与相平衡时温度、浓度和压力之差值。(2分)12、说明影响烧结的因素？ （6分）（1）、粉末的粒度。细颗粒增加了烧结推动力，缩短原子扩散距离，提高颗粒在液相中的溶解度，从而导致烧结过程的加速。 （2）、外加剂的作用。在固相烧结中，有少量外加剂可与主晶相形成固溶体，促进缺陷增加，在液相烧结中，外加剂改变液相的性质（如粘度，组成等），促进烧结。
20、（3）、烧结温度：晶体中晶格能越大，离子结合也越牢固，离子扩散也越困难，烧结温度越高。 （4）、 保温时间：高温段以体积扩散为主，以短时间为好，低温段为表面扩散为主，低温时间越长，不仅不引起致密化，反而会因表面扩散，改变了气孔的形状而给制品性能带来损害，要尽可能快地从低温升到高温，以创造体积扩散条件。 （5）、气氛的影响：氧化，还原，中性。 （6）、成形压力影响：一般说成型压力越大颗粒间接触越紧密，对烧结越有利。13、典型的传质过程有哪些？各采用什么烧结模型？分析产生的原因是什么 ？典型的传质过程有：固相烧结的蒸发-凝聚传质、扩散传质，液相烧结的流动传质、溶解-沉淀传质。固相烧结的蒸发-凝聚传
21、质过程采用中心距不变的双球模型。固相烧结的扩散传质、液相烧结的流动传质、溶解-沉淀传质过程采用中心距缩短的双球模型14、试述烧结的推动力和晶粒生长的推动力。并比较两者的大小。解：烧结推动力是粉状物料的表面能（sv）大于多晶烧结体的晶界能（gb），即svg 。晶粒生长的推动力是晶界两侧物质的自由焓差，使界面向晶界曲率半径小的晶粒中心推进 烧结的推动力较大，约为420J/g。晶粒生长的推动力较小，约为0.42J/g，因而烧结推动力比晶粒生长推动力约大十倍。 15、在烧结期间，晶粒长大能促进胚体致密化吗？晶粒长大能够影响烧结速率吗？试说明之。解：晶粒生长是界面移动的结果，并不是原子定向向颈部迁移得传
22、质过程，因而不能促进胚体致密化。晶界移动可以引起原子跃迁，也可使气孔移入晶粒内，从而影响烧结速率。因而晶界移动速率需进行控制。16、试说明晶界能总是小于相邻二个晶粒表面能之和；解：在恒温恒压条件下增加单位表面积时体系自由能的增量称为表面能，而形成单位新界面所需要的能量称为界面能。表面能和界面能的本质是处在表面或界面上的质点受到不对称力场作用，与晶体内部质点相比具有较高的能量。晶粒的表面能指晶粒与气相接触，界面能通常指两个晶粒相接触。显然，晶粒与气相接触时，表面质点受到力场的不对称性远远大于两个晶粒相接触时。因此，界面能总是小于相邻二个晶粒表面能之和。18、影响陶瓷烧结的主要因素有哪些？答：1、
23、影响陶瓷烧结的主要因素有：（1）原始粉料的粒度；（2）外加剂的作用；（3）烧结温度与保温时间；（4）盐类的选择及煅烧条件；（5）气氛的影响；（6）成型压力。 19、陶瓷的显微结构主要由哪些基本因子构成？答：陶瓷是由晶体、玻璃体和气孔组成的多晶多相材料。其显微结构包括晶体的种类和含量，晶粒尺寸和形状，玻璃相的含量和分布情况，晶粒之间、晶粒与玻璃相之间的界面，气孔的数量、尺寸、分布等20、氧化铝烧结到接近理论密度时，可使可见光几乎透过100，用它来装钠蒸气（在超过大气压的压力下）作为路灯。为通过烧结实现这一点，请你列出研究方案。答：制备透明氧化铝陶瓷的主要技术措施是：（1）采用高纯氧化铝原料，Al
24、2O399.9%，无杂质和玻璃相；（2）添加0.10.5%MgO，在晶粒表面生成镁铝尖晶石，降低晶界移动速度，抑制晶粒生长；（3）在氢气或真空中烧结，促进气孔扩散；（4）采用热压烧结，提高制品致密度。21、纯固相反应在热力学上有何特点？为什么固相反应有气体或液体参加时，范特荷夫规则就不适用了？解：一切实际可以进行的纯固相反应，其反应几乎总是放热的，这一规律性的现象称为范特荷夫规则。此规则的热力学基础是因为对纯固相反应而言，反应的熵变S往往很小以致于趋于零。所以反应自由焓变化GH。而纯固相反应的热力学必要条件是G0，这样H0（即放热）的反应才能发生。对于有液相或气相参与的固相反应，S可以变得很大
25、，范特荷夫规则不再适用。22、马氏体相变具有什么特征？它和成核好生长机理有何区别?解：马氏体相变具有如下特征：（1）相变体和母体之间的界面保持既不扭曲变形也不旋转。这种界面称习性平面（Habit plane），其结晶学方向不变。（2）无扩散的位移式相变。（3）相变速率可高达声速。（4）相变不是在特定的温度，而是在一个温度范围内进行。 成核生长的新相与母相有完全不同的晶格结构，新相是在特定的温度下产生的，相变具有核化和晶化位垒。23、纯物质在任意指定温度下，固、液、气三相可以平衡共存，请用相律说明这个结论是否正确？请举例说明。答：这个结论不正确。因为，固、液、气三相平衡时，相律为：F=C-P+2
26、，其中，C=1，P=3，则F=0，即自由度为0温度和压力均不可以变化。这时不能够指定温度。例如：水在0度时是三相共存，温度一变固、液、气三相就不平衡了。所以温度不能任意指定温度。24、为什么非均相成核比均相成核更易进行？因为：G#c =Gc。f（）并且：f（）=(2+COS)(1- COS)2/4，当：=90度时，f（）=(2+COS)(1- COS)2/4=(2+0)(1- 0)2/4=2/4=1/2，所以：G#c =Gc。f（）=1/2。Gc，即：非均相成核所需能量是均相成核的一半，杂质存在有利成核。25、说明斯宾那多分解相变和成核-生长相变的主要区别？ 组成变-不变；相分布和尺寸有规律-
27、无规律；相颗粒高度连续性非球型-连续性差的球型26、反应颗粒尺寸对加快固相反应的影响。 杨德尔方程：Kt=R021-(1-G)1/32 ；金斯特林格动力学方程积分式: Kk.t=(2DC0/R02n.)t=1-2/3G-(1-G)2/3 公式中：R0-反应物等径球颗粒半径；G -转化率；Kk-速度常数；t-时间；D-扩散系数；n-分子数；C0-初始气体浓度；-分子量；-产物密度。 由公式可见：速度常数K与R0颗粒半径平方成反比，颗粒越小，反应体系比表面积越大，反应界面和扩散截面也相应增加，因此反应速率增大。威尔表面学说：颗粒尺寸减小，键强分布曲线变平，弱键比例增加，故而使反应和扩散能力增强。五
28、 相图分析1、右图为生成一个三元化合物的三元相图，(1)判断三元化合物D的性质，说明理由？不一致熔融三元化合物，因其组成点不在其初晶区内。（2分）(2)标出边界曲线的温降方向（转熔界限用双箭头）； 见图 （3分）(3)指出无变量点的性质（E、F、G）；（3分）E ：单转熔点 F ：低共溶点 G ：单转熔点(4)分析点M1，M2的结晶路程；（6分）(5)计算M2点液相刚到结晶结束点和结晶结束后各相的含量。 M2点液相刚到结晶结束点时存在C、D、液相LL%= fM2/Ff C%=（FM2/Ff）（Df/DC） D%=（FM2/Ff）（Cf/DC） 结晶结束后存在A、D、C，各相的含量过M2点作平行线或用双线法求得，C%=Ag A%=Ch D%=gh 2、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
