無機非金屬材料試卷

1、中國礦業(yè)大學(xué)(北京)無機非金屬材料學(xué)試卷標(biāo)準(zhǔn)答案（01級A型） 得分： 姓名： 班級： 學(xué)號： 題號一二三四五六得分一、填空題（22分）1. 玻璃粘度的參考點中，應(yīng)力能在幾分鐘內(nèi)消除，大致相當(dāng)于為粘度1012Pa.s的溫度稱之_退火_點；應(yīng)力能在幾小時內(nèi)消除，其粘度相當(dāng)于為1013.6Pa.s -1012的溫度稱之_應(yīng)變_點；相當(dāng)于粘度（3-15）×106Pa.s之間時的溫度稱之為_軟化溫度_。2. Sialon陶瓷是_Si_；_Al_；_O_；_N_四種元素組成。3. 請?zhí)钌舷铝泄杷猁}水泥代號的含義：P.0:_普通硅酸鹽水泥_；P.S:_礦渣硅酸鹽水泥_；P.P:_火山灰質(zhì)硅酸鹽水

2、泥_；P.F:_粉煤灰硅酸鹽水泥_。4. 石灰在消化過程中的分散可分為._吸附分散_；._化學(xué)分散_。5. 在未來燃?xì)廨啓C用高溫結(jié)構(gòu)材料的探求中，_Si3N4_和_Sialon_陶瓷是最有前景的。6. ZrO2陶瓷相變增韌是通過室溫下_t- ZrO2_轉(zhuǎn)變成_m- ZrO2_來實現(xiàn)的。7. 根據(jù)玻璃無規(guī)則學(xué)說觀點，按元素與氧結(jié)合的單鍵能的大小和能否生成玻璃可將氧化物分為：. _網(wǎng)絡(luò)生成體氧化物_；. _網(wǎng)絡(luò)外體氧化物_；._中間體氧化物。8. -半水石膏是_致密的、完整的、粗大的原生顆粒；-半水石膏是_片狀的、不規(guī)則的、由細(xì)小的_單個晶粒組成的次生顆粒。二、問答題（42分）1、什么是玻璃結(jié)構(gòu)？

3、典型的玻璃結(jié)構(gòu)有哪幾種？其主要結(jié)構(gòu)特征是什么？答：玻璃結(jié)構(gòu)是指玻璃中原子或離子在空間上的幾何配置以及它們在玻璃中形成的結(jié)構(gòu)形成體。（2分）典型的玻璃結(jié)構(gòu)有：（1）石英玻璃 其主要結(jié)構(gòu)特征是硅氧四面體SiO4以頂角互相連接，形成一種三維空間架狀結(jié)構(gòu)，其Si-O-Si鍵角分布完全是無序的。（2分）（2）鈉鈣硅玻璃 由于Na2O、CaO的加入硅氧四面體SiO4 三維空間架狀結(jié)構(gòu)中的橋氧斷裂，產(chǎn)生非橋氧而Na+、Ca+離子處于非橋氧附近的網(wǎng)隙（穴）中。（1分）（3）硼酸鹽玻璃 B2O3玻璃由硼氧三角體BO3組成二維層狀網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)堿金屬或堿土金屬氧化物加入到B2O3玻璃中時，使硼氧三角體BO3轉(zhuǎn)變成完全由

4、橋氧組成的硼氧四面體三維空間架狀結(jié)構(gòu)。即所謂的“硼氧反常性”結(jié)構(gòu)。（1分）（4）其它氧化物玻璃 如Al2O3、As2O3、Ga2O3、BeO、TeO2等氧化物均可形成玻璃。這些氧化物玻璃的結(jié)構(gòu)特點是均通過橋氧形成聚合結(jié)構(gòu)。（1分）2、典型玻璃著色劑有哪幾類？其著色機理有哪些？答：典型玻璃著色劑有三類：（1）離子著色劑，如V3-4+、Fe2-3+、Co2+、Ni2+、Ti2-4+、Mn2-3+、Ce3-4+等；（2）硫硒及其化合物著色劑如硫化鎘、硒化鎘等；金屬膠體著色劑，如銅紅、金紅、銀黃玻璃著色劑。（3分） 玻璃的顏色是玻璃對不同波長的光波選擇吸收、透射、反射的結(jié)果。一種物質(zhì)之所以能選擇性的吸

5、收光波，是由于原子中的電子受到光能的激發(fā)，從能量較低的軌道躍遷到能量較高的軌道，也即從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)所致。因此只要基態(tài)與激發(fā)態(tài)之間的能量差處于可見光的能量范圍，相應(yīng)波長的光波就被吸收，從而顯示顏色。（2分）根據(jù)上述著色原理可將玻璃著色機理分為： （2分）（1）離子著色機理 過渡金屬離子的d軌道或f軌道會發(fā)生晶體場的分裂，其所產(chǎn)生的能量差大約在25000cm-1到14000 cm-1之間與某種波波長相當(dāng)可被吸收，以及金屬離子間發(fā)生電子或電荷轉(zhuǎn)移從而顯示顏色。（2）硫硒著色機理 由于硫硒為透明物質(zhì)，除透過的顏色以外其它顏色均被吸收而呈透過之色。（3）硫硒化合物著色機理 如硫化鎘、硒化鎘中的S、S

6、e活動電子同過渡金屬離子形成鍵，它類似于金屬鍵的自由電子，其禁帶寬度與可見光能量相等或小時可吸收部分可見光而顯示顏色。（4）金屬膠體著色機理 金屬膠體的著色機理是由于膠態(tài)金屬如銅、金、銀顆粒的光散射而引起的。3、為什么高鋁水泥可用于搶建修建工程施工？答：高鋁水泥又稱礬土水泥，其主要礦物是鋁酸一鈣（CA），是由Al2O3含量約為50%的水泥熟料磨細(xì)而成。（2分）高鋁水泥的水化主要是鋁酸一鈣（CA）的水化,其水化產(chǎn)物與溫度有很大的關(guān)系，在室溫下產(chǎn)生的水化產(chǎn)物主要為CAH10和C2AH8。CAH10和C2AH8均屬六方晶系，結(jié)晶形成的針狀和片狀晶體相互交叉搭連形成了非常堅固的結(jié)晶結(jié)構(gòu)網(wǎng)。此外較高溫度

7、下（>20）水化產(chǎn)物還有氫氧化鋁凝膠填充在結(jié)晶結(jié)構(gòu)網(wǎng)的空隙中，使結(jié)構(gòu)更加致密，從而導(dǎo)致了高鋁水泥可以有很高的機械強度。（3分）由于高鋁水泥的強度提高很快，24小時后可達(dá)到最高強度的80%，因此高鋁水泥可用來搶修搶建工程施工。（2分）4、什么是水泥的假凝現(xiàn)象？答：假凝是指水泥的一種不正常的早期固化或過早變硬現(xiàn)象。（3分）引起水泥的假凝現(xiàn)象的原因有：（1）C3A的含量太高，水泥水化時 C3A很快水化生成足夠多的水化鋁酸鈣C4AH13，形成松散的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)就會使水泥在瞬間很快凝結(jié)；（2分）（2）為此在水泥磨粉是通常都摻有石膏。如果水泥在磨粉時受到高溫，二水石膏脫水成半水石膏，水泥水化時半水石膏迅

8、速溶于水，溶解度也大，部分又重新水化析出二水石膏，形成針狀結(jié)晶網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而引起漿體固化。（1分）（3）當(dāng)石膏摻量較多，對于含堿較高的水泥，所含的硫酸鉀會與二水石膏形成鉀石膏結(jié)晶迅速長大，這也是造成假凝的原因。（1分）5、為什么含F(xiàn)e雜質(zhì)高的瓷器要求在還原氣氛下燒結(jié)？答：在氧化氣氛中，F(xiàn)e2O3分解溫度較高，此時由于釉面已?；瘹饪滓逊忾]，氣體不能排出，易形成膨脹氣泡，在還原氣氛下，F(xiàn)e2O3分解溫度降至中溫，氣體可以在釉面?；白杂梢莩霰苊夥饪壮霈F(xiàn)；（2分）在氧化氣氛中，F(xiàn)e2O3在堿含量較低的瓷坯玻璃相中的溶解度很低，冷卻時即由其中析出黃色膠體Fe2O3影響坯體顏色。在還原氣氛下，F(xiàn)e2O3

9、被還原為FeO，后者能在較低溫度下與SiO2反應(yīng)生成淡藍(lán)色易溶的玻璃態(tài)物質(zhì)FeSiO3使坯體呈淡青色，且提高瓷器的透光性改善瓷器的色澤；（3分） 此外Fe2O3被還原為FeO，與SiO2反應(yīng)生成低熔點的硅酸鹽，并降低玻璃相的粘度，增加表面張力，促使坯體在較低溫度下燒結(jié)并有很大的收縮。（2分）6、耐火材料按化學(xué)、礦物組成可分為哪幾類？答：耐火材料是由多種礦物組成，按其化學(xué)、礦物組成可分為以下6大類：（1分） （1）硅酸鋁質(zhì)耐火材料，如粘土磚、高鋁磚等；（1分）（2）硅質(zhì)耐火材料，如硅磚、熔融石英制品等；（1分）（3）鎂質(zhì)、鎂鋯質(zhì)、白云石質(zhì)耐火材料，如鎂磚、鎂鉻磚、白云石磚等；（1分）（4）碳質(zhì)耐

10、火材料，如碳磚、石墨磚等；（1分）（5）鋯質(zhì)耐火材料，如鋯英石磚、鋯剛玉磚等；（1分）（6）特殊耐火材料，如氧化物、碳化物、氮化物等特殊性能耐火材料。（1分）三、論述題（36分）1、什么是玻璃的退火？什么是玻璃的淬火？試述它們在玻璃生產(chǎn)加工中的作用。答：玻璃的退火為了消除永久應(yīng)力，將玻璃加熱至低于Tg附近的某一溫度加熱保溫，使各部分溫度梯度消除，應(yīng)力得到松弛，最后緩慢冷卻以消除變形和位移產(chǎn)生的殘余應(yīng)力或使之減少至最低限度值，這種熱處理工藝稱之為玻璃的退火。（3分）玻璃的淬火將玻璃加熱至Tg以上5060,在冷卻介質(zhì)中急速冷卻，在這一過程中玻璃的內(nèi)層和外層表面將產(chǎn)生很大的溫度梯度。由于Tg以上的玻

11、璃具有粘彈性，受力后會會產(chǎn)生位移和變形，使由溫度梯度產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力（外張內(nèi)壓）消失而處于應(yīng)力松弛狀態(tài)（內(nèi)張外壓）。在應(yīng)變點以下冷卻由于玻璃已成為彈性體，冷卻到室溫時雖然消除了應(yīng)變點以下冷卻時溫度梯度產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力但Tg以上松弛的應(yīng)力轉(zhuǎn)化為永久應(yīng)力而被保留下來，使玻璃表面形成一層均勻分布的壓應(yīng)力層。這種熱處理工藝稱之為玻璃的淬火。（3分） a退火的作用：消除玻璃制品熱成形過程中的內(nèi)應(yīng)力，避免玻璃制品熱成形冷卻過程中以及以后存放、使用、加工過程中產(chǎn)生炸裂。（2分）b淬火的作用：(1)減少表面裂紋數(shù)，改善表面質(zhì)量；(2)提高玻璃的機械性能(玻璃的強度和熱穩(wěn)定性)； (3)提高使用的安全性，由于表面壓應(yīng)力

12、作用，不產(chǎn)生尖銳角的碎片。（4分）2、試述粘土、長石、石英在傳統(tǒng)陶瓷制作上的作用。答：粘土是自然界中硅酸鹽巖石（如長石、云母）經(jīng)過長期風(fēng)化作用而形成的一種土狀礦物混和體；長石是有規(guī)則空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的硅酸鹽，是長石族礦物的總稱；石英是一種結(jié)晶狀SiO2的天然礦物。粘土、石英、長石是構(gòu)成傳統(tǒng)陶瓷的三大基本組分。（3分）它們在傳統(tǒng)陶瓷制備中的作用如下：粘土的作用是：a 當(dāng)其與水混合時，有很好的可塑性，在陶瓷坯料中起塑化和粘結(jié)作用；b 能賦予陶瓷坯體以塑性變形或注漿能力，可保證干坯的強度及燒結(jié)制品的使用性能；c 是陶瓷能夠成型的基礎(chǔ)，也是粘土質(zhì)陶瓷成瓷的基礎(chǔ)。（3分）石英的作用是：a 石英原料是脊性料，

13、可降低可塑性，減少收縮變形，加快干燥；b 在高溫時可部分溶于長石玻璃中，增加液相粘度，減少高溫時的坯體變形；c未熔石英與莫來石一起構(gòu)成坯體骨架增加強度；d 在釉料中增加石英含量可提高釉的熔融溫度和粘度，提高釉的耐磨性和耐腐蝕性能。（3分） 長石的作用是：a 在陶瓷原料中起熔劑作用，可降低陶瓷產(chǎn)品的燒結(jié)溫度；b與石英原料高溫熔化后形成的玻璃態(tài)物質(zhì)是構(gòu)成釉的主要成分；c 長石原料也是脊性料，可提高坯體的疏水性，有利于提高坯體的干躁速度。（3分）3. 試述硅酸鹽水泥的水化過程。答： 在硅酸鹽水泥熟料中的主要礦物有：a 硅酸三鈣（C3S）; b硅酸二鈣（C2S）; c硅酸鈣（CS）; d 鋁酸三鈣（C

14、3A）; e鋁鐵酸四鈣（C4FA）以及一些玻璃體和含堿化合物。（2分） 硅酸鹽水泥的水化過程是上述單礦物水化過程及其反應(yīng)產(chǎn)物的綜合。硅酸三鈣（C3S）水化產(chǎn)物是水化硅酸鈣（C-S-H）和氫氧化鈣（CH）；硅酸二鈣（C2S）的水化過程與C3S水化過程極為相似，但水化速率很慢約為其1/20左右，其水化產(chǎn)物與C3S水化過程相同；鋁酸三鈣（C3A）水化反應(yīng)迅速其水化產(chǎn)物是C4AH13、C3AH6晶體，在石膏、氧化鈣存在的條件下，雖然也快速水化形成C4AH13但其接著與石膏反應(yīng)形成鈣礬石（AFt相）。鋁鐵酸四鈣（C4FA）水化反應(yīng)迅速比C3A水化速率稍慢，其水化產(chǎn)物是水化鋁酸鈣和水化鐵酸鈣的固溶體，在石

15、膏、氧化鈣存在的條件下，也形成鈣礬石（AFt相）。（3分）根據(jù)水泥的水化過程的放熱曲線將水泥的水化過程簡單的化為三個階段: a形成鈣礬石形成期（AFt相）；b C3S水化期；c 結(jié)構(gòu)形成和發(fā)展期。水泥的水化具體過程可描述如下：水泥加水后，C3A立即發(fā)生水化反應(yīng)在水泥顆粒表面形成鈣礬石（AFt相）針狀晶體；接著C3S和 C4FA也很快水化，生成無定型水化硅酸鈣（C-S-H）和氫氧化鈣（CH）或水化鋁酸鈣等六方板狀晶體；由于鈣礬石的不斷生成使液相中的SO42-離子逐漸減少并耗盡后就會產(chǎn)生單硫型水化硫鋁（鐵）鈣（AFm）；若石膏不足，還有C3A 或C4FA過剩，則會生成AFm和C4（A，F(xiàn)）H13的

16、固溶體，甚至單獨的C4（A，F(xiàn)）H13并轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定地等軸晶體C3（A，F(xiàn)）H6。隨著水化產(chǎn)物的增多并逐漸填滿由水所占的空間，漸填連接、互相交織發(fā)展成硬化的漿體結(jié)構(gòu)。（5分）由于水泥是多礦物、多組分的體系，各熟料礦物不可能單獨進行水化，它們之間的相互作用必然對水化過程有一定的影響。例如，由于C3S較快水化，Ca2+濃度增加可使C2S的水化有所加速；又如C3A 、C4FA都要與SO42-離子結(jié)合，C3A水化反應(yīng)快速勢必影響C4FA水化反應(yīng)速度。（2分） 中國礦業(yè)大學(xué)(北京)無機非金屬材料學(xué)試卷（A型） 得分： 姓名： 班級： 學(xué)號： 題號一二三四五六得分一、填空題（20分）1. 玻璃粘度的參考點中

17、，相當(dāng)于粘度為10Pa.s的溫度稱之_熔化_溫度；相當(dāng)于(3-15)×106Pa.s之間的溫度稱之為_軟化_溫度。2. 長石的分類不是按照化學(xué)組成，而是按照長石的解理情況來分的。3. ZrO2陶瓷相變增韌機制有幾種，可分為1、 ；2、_；3、_。4. Sialon陶瓷是Si3N4-Al2O3-SiO2-AlN一系列化合物的總稱。5. C4AF鐵相固溶體又稱才利特或C礦。6. ZrO2陶瓷相變增韌是通過室溫下相變切變轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定相來實現(xiàn)的。7. 在鐵電陶瓷中為改善其性能常添加一定的添加劑，凡是能移動居里點的添加劑稱為移動劑；能壓低居里點的峰值，并使隨溫度的變化變得平坦的添加劑稱為展寬劑。

18、8. 在鐵氧體陶瓷MeFeO4(Me代表二價金屬)結(jié)構(gòu)中，正型尖晶石磁性具有_磁性；反型尖晶石具有_磁性；9. 在Y1Ba2Cu3O7-X系高溫超導(dǎo)陶瓷中氧含量對高溫超導(dǎo)性有重要影響，其中當(dāng)氧含量為0X0.5時具有_性；因為在Y-Ba-Cu-O陶瓷結(jié)構(gòu)中Cu-O面有_空位。10. 熱敏陶瓷是某類陶瓷的電阻率隨溫度發(fā)生變化的材料，其中PTC 為正溫度系數(shù)熱敏陶瓷；NTC為負(fù)溫度系數(shù)熱敏陶瓷；CTR為臨界溫度熱敏陶瓷。二、問答題（50分）1、什么是玻璃？它有哪些通性？答：其通性有：各向同性、介穩(wěn)性、無固定熔點、性質(zhì)變化的連續(xù)性和可逆性2、什么是澄清劑？它有哪幾類？其澄清機制是什么？答：澄清劑就是加

19、入玻璃熔體中，用來排除其熔化過程中可見氣泡的物質(zhì)。根據(jù)其作用機制可把澄清劑分為三類：變價氧化物類澄清劑、硫酸鹽類澄清劑和鹵化物類澄清劑。變價氧化物類澄清劑的澄清劑機制是該類澄清劑在低溫下吸收氧氣，高溫下放出氧氣，溶解于玻璃液中中經(jīng)擴散進入核泡，使氣泡長大而排除；硫酸鹽類澄清劑的澄清劑機制是該類澄清劑分解后產(chǎn)生O2和SO2，對氣泡的長大和溶解起作用；鹵化物類澄清劑的澄清劑機制是該類澄清劑降低玻璃粘度，使氣泡易于上升排除。3、為什么水泥磨粉時通常都要摻有二水石膏？答：4、硅酸三鈣C3S的水化產(chǎn)物有哪些？答：C3S的水化反應(yīng)可用下式來描述：C3S的早期水化反應(yīng)：由物理擴散屏蔽理論可知，C3S在水中是

20、一致溶解的，最初生成的第一水化物C3SHn很快在C3S周圍形成一種物理擴散屏蔽層，阻礙其進一步水化，導(dǎo)致誘導(dǎo)期開始。當(dāng)?shù)谝凰镛D(zhuǎn)變?yōu)檩^易使離子通過的第二水化物（C/S0.81.5）時，水化重新加速，較多的Ca+和OH-進入液相達(dá)到飽和，并加快放熱，誘導(dǎo)期結(jié)束。由晶格缺陷理論可知，C3S的早期水化并不遍及整個離子表面，而是首先發(fā)生在有晶格缺陷的活化點上。由晶核形成延緩理論可知，C3S的早期水化是Ca2+和OH-的不一致溶解，C3S的表面成為缺鈣的“富硅層”，導(dǎo)致誘導(dǎo)期產(chǎn)生，一直到液相中Ca+和OH-緩慢增長，達(dá)到足夠的過飽和度，才形成穩(wěn)定的Ca（OH）2晶體，促使C3S溶解加速，誘導(dǎo)期結(jié)束，加

21、速期開始。斯卡尼和楊提出，當(dāng)與水接觸后，C3S表面有晶格缺陷的部位很快發(fā)生Ca2+和OH-的不一致溶解，形成一個“富硅層”。在負(fù)電荷表面吸附了Ca2+，形成一個正的Zeta電位，導(dǎo)致C3S溶解受阻而出現(xiàn)誘導(dǎo)期，但由于C3S的不一致溶解的進行，Ca（OH）2的濃度繼續(xù)增高，當(dāng)達(dá)到一定的過飽和度時，Ca（OH）2析晶，導(dǎo)致誘導(dǎo)期結(jié)束，同時還會有C-S-H沉淀析出。C3S的中期水化在C3S水化的加速期，伴隨著Ca（OH）2和C-S-H的形成和長大，其過飽和度降低，使其生長速度變慢。C3S的水化受阻，水化加速過程就轉(zhuǎn)為減速階段。最初的產(chǎn)物，大部分生長在顆粒原始周界外由水所填充的空間，而后期的生長在顆粒

22、周界以內(nèi)的區(qū)域進行，這兩部分的C-S-H，分別稱為“外部產(chǎn)物”和“內(nèi)部產(chǎn)物”，隨內(nèi)部產(chǎn)物的形成和發(fā)展，C3S的水化由減速期向穩(wěn)定期轉(zhuǎn)變，進入水化后期。C3S的后期水化在水化過程中存在一個界面區(qū)，并逐漸推向顆粒內(nèi)部。水解所形成的H+在內(nèi)部產(chǎn)物中從一個氧原子轉(zhuǎn)移到另一個氧原子，一直到達(dá)C3S并與之作用，而界面區(qū)部分Ca2+和Si4+則通過內(nèi)部產(chǎn)物向外遷移，從而使C3S轉(zhuǎn)化成內(nèi)部C-S-H。隨著界面區(qū)的向內(nèi)推進，水化繼續(xù)進行。而作為內(nèi)部產(chǎn)物的C-S-H在形貌和成分等方面和外部C-S-H有所差異，通常是較為密實。5、什么叫觸變厚化現(xiàn)象？答：二、論述題（30分）1、什么是熱鋼化？什么是化學(xué)鋼化？試述玻璃

23、的鋼化原理與作用。答：玻璃的熱鋼化就是在一定的條件下是玻璃進行淬火而使表面產(chǎn)生一層均勻分布的壓應(yīng)力，從而使其強度提高的熱處理工藝?；瘜W(xué)鋼化就是基于玻璃表面離子的遷移為機理的。其過程是把加熱的含堿玻璃浸于熔融鹽中處理，通過玻璃與熔鹽的離子交換改變玻璃表面的化學(xué)組成，使得玻璃表面形成壓應(yīng)力層。按壓應(yīng)力產(chǎn)生的原理可以分為以下幾種類型：1.低溫型處理工藝：在退火溫度下，以熔鹽中半徑大的離子置換玻璃中半徑大的離子，使玻璃表面積壓產(chǎn)生壓應(yīng)力層。2.高溫型處理工藝：在轉(zhuǎn)變溫度以上，以熔鹽中半徑小的離子置換玻璃中半徑大的離子，在玻璃表面形成熱膨脹系數(shù)比主體玻璃小的薄層，當(dāng)冷卻時，因表層與主體玻璃收縮不一致而在玻璃表面形成壓應(yīng)力。3.電輔助處理：上述兩種工藝都是在濃度梯度情況下進行離子交換的，促進李子交換的另一途徑使產(chǎn)生電場梯度，即使用電流以增大玻璃中離子遷移率。2、試述陶，炻，瓷在組成、結(jié)構(gòu)