材料科學基礎-簡答題-答案要點

《材料科學基礎》簡答題

——答案要點第二章硅酸鹽晶體結構有何共同特點？答：（1）每一個Si4+存在于4個O2-為頂點的四面體中心，構成［SiO4］4-四面體，它是硅酸鹽晶體結構的基礎（2）［SiO4］4四面體的每個頂點，即O2-最多只能為兩個［SiO4］4-四面體所共有（3）兩個鄰近的［SiO4］4-四面體之間，如果要聯結，只以共頂而不以共棱或共面相聯結（4）［SiO4］4-四面體中的Si4+可以被A13+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，對骨干的結構并無多大的變化，但對它的性能卻影響很大簡述硅酸鹽晶體的分類依據是什么？可分為幾類，每類的結構特點是什么？答：硅酸鹽晶體結構是按晶體中硅氧四面體在空間的排列方式分為孤島狀、組群狀、鏈狀、層狀和架狀五類。這五類的［SiO4］四面體中，橋氧的數目也依次由0增加至4,非橋氧數由4減至0。硅離子是高電價低配位的陽離子，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。什么是同質多晶？簡述同質多晶轉變的類型及其各自的特點。。答：化學組成相同的物質，在不同的熱力學條件下形成結構不同的晶體現象，稱為同質多晶。根據同質多晶轉變時速度的快慢和晶體結構變化的不同，可將多晶轉變分為位移性轉變和重建性轉變。前者僅僅是結構畸變，轉變前后結構差異小，轉變時并不打開任何鍵或改變最鄰近的配位數，只是原子的位置發(fā)生少許位移，使次級配位有所改變；而后者不能簡單地通過原子位移來實現，轉變前后結構差異較大，必須破壞原子間的鍵，形成一個具有新鍵的結構。為什么石英不同系列變體之間的轉化溫度比同系列變體之間的轉化溫度高得多？答：由于石英不同系列變體之間轉變是重建性轉變，涉及晶體結構中鍵的破裂和重建；而同一系列變體之間的轉變是位移性轉變，不涉及晶體結構中鍵的破裂和重建，僅是鍵長、鍵角的調整。鈦酸鋇是一種重要的鐵電陶瓷，其晶型是鈣鈦礦結構，試問：（a） 屬于什么點陣？（b） 這個結構中離子的配位數為多少？（c） 這個結構遵守鮑林規(guī)則嗎？請做討論。答：（a）屬于立方面心點陣（b） Ti4+配位數為6；Ba2+配位數為12；O2-配位數為6。（c） 遵守鮑林規(guī)則。石棉礦如透閃石Ca2Mg5［Si4O11］（OH）2具有纖維狀結晶習性，而滑石Mg2［Si4O10］（OH）2卻具有片狀結晶習性，試解釋為什么？答：透閃石具有雙鏈結構，鏈內的Si-O鍵要比鏈5的Ca-O、Mg-O鍵強很多，所以很容易沿鏈間結合力較弱處劈裂成為纖維狀；滑石具有復網層結構，復網層由兩個［SiO4］層和中間的水鎂石層結構構成，復網層與復網層之間靠微弱的分之間作用力聯系，因分子間力弱，所以易沿分子間力聯系處解理成片狀。石墨、滑石和高嶺石都具有層狀結構，請說明他們結構的區(qū)別及由此引起的性質的差異。答：石墨中同層c原子進行SP2雜化，形成大n鍵，每一層都是六邊形網狀結構。由于間隙較大，電子可在同層中運動，可以導電，層間分子間力作用，所以石墨比較軟?；哂袕途W層結構，復網層由兩個［SiO4］層和中間的水鎂石層構成，即2：1層；由于八面體空隙全部被Mg離子占據，因此該結構也是三八面體型。由于復網層與復網層之間靠微弱的分之間作用力聯系，因分子間力弱，所以易沿分子間力聯系處解理成片狀。高嶺石具有單網層結構，單網層由一個［SiO4］層和水石層構成，即1：1層；由于八面體空隙2/3被Al離子占據，因此該結構也是二八面體型。由于高嶺石層間只能靠物理鍵來結合，因此高嶺石也容易解理成片狀小晶體。但單網層平行疊放時，層間靠氫鍵來結合，由于氫鍵結合比分之間力強，因此，水分子不易進入單網層之間，晶體不會因為水含量增加而膨脹。在硅酸鹽晶體中，Al3+為什么能部分置換硅氧骨架中的Si4+？該置換對硅酸鹽組成有何影響？答：（1）A13+可與O2-形成［AlO4］5-；Al3+與Si4+處于第二周期，性質類似，易于進入硅酸鹽晶體結構中與Si4+發(fā)生同晶取代，由于鮑林規(guī)則，只能部分取代；（2）A13+置換Si4+是部分取代，A13+取代Si4+時，結構單元［A1SiO4］［ASiO5］，失去了電中性，有過剩的負電荷，為了保持電中性，將有一些半徑較大而電荷較低的陽離子如K+、Ca2+、Ba2+進入結構中。第三章什么是刃位錯、螺旋位錯？他們的基本區(qū)別是什么？答：刃位錯：在位錯線附近原子失去正常有規(guī)律排列，并滑移一段距離，由此產生的缺陷即是。螺旋位錯：在位錯線附近原子失去正常有規(guī)律排列，產生螺旋位移，這種缺陷即是?；緟^(qū)別：刃位錯：滑移方向與位錯線垂直，位錯增加了半片原子面。螺旋位錯：滑移方向與位錯線平行。質點以位錯線為軸做螺旋狀排列。什么是肖特基缺陷、弗蘭克爾缺陷？他們屬于何種缺陷？發(fā)生缺陷時位置數各發(fā)生何種變化？答：肖特基缺陷：晶體的結構基元，從正常的結點位置上位移到晶體的表面而正常位置上出現了空位，這種缺陷即是。位置數增殖，體積增大。弗蘭克爾缺陷：晶體結構中的結構基元，從正常的結點位置上位移到晶體的間隙位置上，而正常位置上出現了空位，這種缺陷即是。位置數不增殖，體積不增大。說明非化學計量化合物與無限固溶體的異同答：（1）、非化學計量化合物與無限固溶體的共同點：（a）都屬于晶體結構缺陷中的點缺陷；（b）相組成均為均勻單相。（2）不同之處在于：（a） 形成原因不同。非化學計量化合物由氣氛性質和壓力變化引起，而無限固溶體則由摻雜溶解而引起。（b） 形成條件不同。前者只有變價元素氧化物在氧化或還原氣氛中才能形成，而后者則需滿足離子半徑和電負性差值較小、保持電中性、結構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，而后者可以在整個組成范圍內變化。TiO2-x和Fe1-xO分別為具有陰離子空位和陽離子空位的非化學計量化合物。試說明其導電率和密度隨氧分壓PO2變化的規(guī)律。（以缺陷方程幫助說明）答：（1）TiO2x的缺陷反應方程為：根據質量守恒定律可得，故其密度隨氧分壓增加而增加，而電導率隨氧分壓的增加而減小，與氧分壓的1/6次方成反比。（2）Fe1xO缺陷反應方程式為：根據質量守恒定律可得，故其密度隨氧分壓增加而下降，而電導率隨氧分壓的增加而增加，與氧分壓的1/6次方成正比。簡述形成置換型固溶體的條件是什么？并舉一實例。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滿足'皂昂N。（2） 晶體結構類型相同。（3） 相互替代的兩個離子電價相同或復合替代離子電價總和相同。（4） 相互替代的兩個離子電負性相近。溫門^^日 、陸籬I|QX例如： 睡 日，固溶式為：Mg1-xNixO（x=0~1）簡述形成間隙型固溶體的條件是什么？并舉一實例。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、離子價、電負性、結構等因素。（1） 雜質質點大小。即添加的原子愈小，易形成固溶體。（2） 晶體（基質）結構。但離子尺寸是與晶體結構的關系密切相關的，在一定程度上來說，結構中間隙的大小起了決定性的作用?；|晶體中空隙愈大，結構愈疏松，易形成固溶體。（3） 電價因素。保持電價平衡。說明為什么只有置換型固溶體的兩個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，容納雜質質點能力＜10%，而且間隙式固溶體的生成，一般都使晶格常數增大，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離子交換位置，不會對其晶格產生此種影響，所以可形成連續(xù)固溶體。試分析形成固溶體后對晶體性質的影響。答：（1）穩(wěn)定晶格，阻止晶型轉變的發(fā)生。（2） 活化晶格（3） 固溶強化判斷下列系統是否能形成固溶體，如果能，則形成什么固溶體？為什么？

(1)MgO-CaO(3)MgO-Al2O3已知：r(1)MgO-CaO(3)MgO-Al2O3已知：r =0.072nmM^2+r =0.039nmAl3+r=0.072nmZr4+(2)MgO-CoO(4)PbZrO3-PbTiO3r=0.100nmCa2+r=0.061nmTi4+r=0.070nmCo2+r=0.140nmO2-TOC\o"1-5"\h\z答：對于MgO-CaO：=2,-，皿2,=0.100-0?072=28%，此二氧化物結構相同，電r 0.100Ca2+價相同，電負性接近，但離子半徑相關較大，＞15%，故只能形成有限置換型固溶體。對于MgO-CoO：rMg2, °,=0.072-0.070=278%，此二氧化物結構相同，電r 0.072 .Mg2+價相同，離子半徑相差極小，電負性相差不大。故能形成連續(xù)置換型固溶體。對于MgO-Al2O3：%,-、,=0.072二0.039=4583%，此二氧化物結構不相，r 0.072 .Mg2+半徑相差極大，電負性相差較大，因此，該二氧化物易形成化合物。對于PbZrO3-PbTiO3：；*二￡+=們072二O.061=1527%，此二氧化物結構相同，r 0.072 *Ti4+電價相同，離子半徑相差剛大于15%，但由于該化合物構造相對較為復雜，晶胞較大，因而對半徑的寬容度增大，故此二化合物能形成連續(xù)置換型固溶體。試比較固溶體與化合物、機械混合物的差別。答：固溶體機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'相數單相均勻多相單相均勻'化學計量不遵守定比定律/遵守定比定律化學組成不確定有幾種混合物就有多少化學組成確定試闡述固溶體、熱缺陷和非化學計量化合物三者的異同點。答：種類 固溶體 熱缺陷非化學計量物共同點從缺陷的角度講，三者均是點缺陷，是晶體結構缺陷，都是單相均

缺陷產生的原因不同外來雜質的引入，屬于非本征缺陷熱起伏，屬于本征缺陷基質晶體與介質中某些組分發(fā)生交換，屬于非本征缺陷缺陷產生的機理及表現形式不同缺陷發(fā)生在基質組元與外加組元之間。表現形式為外加組元占據基質組元質點或間隙的位置缺陷發(fā)生于基質晶體自身質點的遷移。表現形式為產生空穴或間隙質點在形式上，可看作為缺陷發(fā)生于同種離子不同價態(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的濃度主要與溫度有關主要與溫度、氣氛、壓力有關勻的固體，結構同主晶相。不同點20.試寫出以下缺陷方程，每組寫二個合理的方程，并判斷可能成立的方程是那20.一種？再寫出每組方程的固溶式。答：21.（1）（2）（3）（1）A1A1O—MgO>NiO—Fe2O答：21.（1）（2）（3）（1）A1A1O—MgO>NiO—Fe2O3>CaF―yf^2Mgo>2Al.+V"+3OoMgMg固溶式為Al2xMgi_3xOA1O Mgo>2Al.+O”+2O2 3 MgiO前者可能。固溶式為Al2xMgi2xOi+x（2）NiO—Fe2O3>2NiO Fe2o3>2Ni+V..+2OFeOO3NiOYeO>2Ni+Ni..+3OFeiO前者可能。（3）CaF―yf^Ca'+V.+2F2 YFF固溶式為Ni2xFe22x°3x固溶式為CaxYi-xF3x3CaFyf3>2CaY+Ca.+6F「后者可能。試寫出以下缺陷方程，每組寫二個合理的方程，并判斷可能成立的方程是那一種？再寫出每組方程的固溶式。（1）UOy2o3>2（2）A1O—TiO>>(3)MgO—人i2o3>答：(1)3UO—矽t3U.+V'、'+6O固溶式為UYO2 YYO 3x2-4x2UO2y2o3>2氣+O"+3Oo 固溶式為U2Y22O3前者可能。固溶式為Al2xTi12xO2x固溶式為Al4xTii-3xO2固溶式為Mg2xAl22xO3x固溶式為Mg'x固溶式為Al2xTi12xO2x固溶式為Al4xTii-3xO2固溶式為Mg2xAl22xO3x固溶式為Mg'xALq23 TiOO2A1O to2>3Al'+Al...+6O23 Tii O前者可能。(3)2MgOai2o3>2Mg'+V..+2OAlOO3MgOai2o3>2Mg'+Mg..+3OAl iO前者可能。22.試寫出少量MgO摻雜到A12O3中和少量YF3摻雜到CaF2中的缺陷反應方程與對應的固溶式。答：A、YF曾>Y.+F+2FB、2YFcaF2>2Y.+v''+6F3 CaCaFA可能性較大。因螢石晶體中存較多的八面體空隙，F-離子半徑較小，形成填隙型固溶體比較穩(wěn)定。第四章簡述硅酸鹽熔體結構的聚合物理論。答：硅酸鹽熔體中聚合物的形成過程大致可分為三個階段。初期：主要是石英顆粒的分化;中期：縮聚反應并伴隨聚合物的變形；后期：在一定溫度（高溫）和一定時間（足夠長）下達到聚合。分化平衡。產物中有低聚物、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，構成硅酸鹽熔體結構。聚合物的種類、大小和數量隨熔體組成和溫度而變化。簡述玻璃的通性。答：（A）各向同性，（B）介穩(wěn)性，（C）熔融態(tài)向玻璃態(tài)轉化的可逆與漸變性，（D）熔融態(tài)向玻璃態(tài)轉化時物理、化學性能隨溫度變化的連續(xù)性簡述玻璃形成的結晶化學條件。答：（1）聚合陰離子團大小與排列方式；（2）鍵強:根據各氧化物的單鍵強（化合物的分解能以該種化合物的配位數除只得的商值）大小可將氧化物分為玻璃形成體（＞335kJ/mol）,玻璃網絡變性體（＜250kJ/mol）,玻璃中間體（250—335kJ/mol）。（3）鍵型：形成玻璃必須具有極性共價鍵或金屬共價鍵。試從結構上比較硅酸鹽晶體和硅酸鹽玻璃的區(qū)別答：硅酸鹽玻璃在結構上與相應的硅酸鹽晶體有顯著的區(qū)別：（1） 在晶體中，［SiO4］按一定的對稱規(guī)律排列；在玻璃中則是無序的。（2） 在晶體中，骨架外的M+或M2+金屬陽離子占據了點陣的固定位置；在玻璃中則是統計均勻地分布在骨架的空腔內，并起著平衡非橋氧負電荷的作用。（3） 在晶體中，只有當骨架外的陽離子半徑相近時，才能發(fā)生同晶置換；在玻璃中則不論半徑如何，只要遵守靜電價規(guī)則，骨架外陽離子均能發(fā)生相互置換。（4） 在晶體中（除固溶體外），氧化物之間有固定的化學計量；在玻璃中氧化物可以非化學計量的任意比例混合。試從結構上比較硅酸鹽晶體和硅酸鹽玻璃的異同點。答：（1）共同點：硅酸鹽玻璃和硅酸鹽晶體隨O/Si比由2增加到4,從結構上均由三維網絡骨架而變?yōu)楣聧u狀四面體。無論是結晶態(tài)還是玻璃態(tài)，四面體中的Si4+都可以被半徑相近的離子置換而不破壞骨架。除Si4+和O2-以外的其它離子相互位置也有一定的配位原則。（2）不同點：A、在晶體中，硅氧骨架按一定的對稱規(guī)律排列；在玻璃中則是無序的。B、晶體中，骨架外的金屬陽離子（一價或二價）占據了點陣的固定位置；在玻璃中，它們統計均勻地分布在骨架的空腔內，并起著平衡氧負電荷的作用。C、在晶體中，只有當骨架外陽離子半徑相近時，才能發(fā)生同晶置換；在玻璃中則不論半徑如何，只要遵守靜電價規(guī)則，骨架外陽離子均能發(fā)生互相置換。D、在晶體中（除固溶體外），氧化物之間有固定的化學計量；在玻璃中氧化物可以非化學講師的任意比例混合。簡述玻璃結構的晶子學說及其優(yōu)缺點。答：微晶學說：玻璃結構是一種不連續(xù)的原子集合體，即無她晶子”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，可以是獨立原子團或一定組成的化合物和固溶體等微晶多相體，與該玻璃物系的相平衡有關；“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，愈遠離中心則變形程度愈大；從“晶子”部分到無定形部分的過渡是逐步完成的，兩者之間無明顯界限。微晶學說強調了玻璃結構的不均勻性、不連續(xù)性及有序性等方面特征，成功地解釋了玻璃折射率在加熱過程中的突變現象。簡述玻璃結構的無規(guī)則網絡學說及其優(yōu)缺點。答：玻璃的結構與相應的晶體結構相似，同樣形成連續(xù)的三維空間網絡結構。但玻璃的網絡與晶體的網絡不同，玻璃的網絡是不規(guī)則的、非周期性的，因此玻璃的內能比晶體的內能要大。由于玻璃的強度與晶體的強度屬于同一個數量級，玻璃的內能與相應晶體的內能相差并不多，因此它們的結構單元（四面體或三角體）應是相同的，不同之處在與排列的周期性。網絡學說強調了玻璃中離子與多面體相互間排列的均勻性、連續(xù)性及無序性等方面結構特征。簡述硼酸鹽玻璃由于Na2O加入量的變化出現的硼反?，F象。答：當數量不多的堿金屬氧化物同B2O3一起熔融時，堿金屬所提供的氧不像熔融SiO2玻璃中作為非橋氧出現在結構中，而是使硼氧三角體轉變?yōu)橛蓸蜓踅M成的硼氧四面體，致使B2O3玻璃從原來兩度空間的層狀結構部分轉變?yōu)槿瓤臻g的架狀結構，從而加強了網絡結構，并使玻璃的各種物理性能變好。這與相同條件下的硅酸鹽玻璃相比，其性能隨堿金屬或堿土金屬加入量的變化規(guī)律相反，所以稱之為硼反?，F象。試以晶體、玻璃兩種不同狀態(tài)為例，說明無機材料組成、結構和性能之間的聯系。答：化合物晶體中原子具有固定的比例，質點的排列具有周期性，因此，晶體具有對稱性、自范性、各向異性、最小內能性、結晶均一性等性質。因此，晶體具有固定的熔點。而玻璃則因其原子間比例可在一定范圍內連續(xù)變化，其中質點的排列具有近程有序而遠程無序的特征，以硅酸鹽玻璃為例，其中的陰離子團的聚合度大小不等，因此，玻璃因其宏觀統計性的均勻，導致了其具有各向同性的性質，因其陰離子團的聚合度大小不等，故當其受熱時，由于不同聚合度的陰離子團受熱后能產生相對移動的溫度不同，因此，導致了其無固定熔點，而只能先軟化逐步達到熔融狀態(tài)。此外，晶體中若的離子相互取代，必須滿足一定的條件，如：離子尺寸不能相差太大，取代離子與其它離子間亦呈某種配位關系，導致了其某些性質的變化，如陽離子交換吸附性能等。而玻璃不然，其中的雜質離子只要符合電價平衡關系即可，對于性質的影響也連續(xù)變化的，等等。試述石英晶體、石英熔體、Na2O?2SiO2熔體三者在結構和性質上的區(qū)別。答：區(qū)別石英晶體石英熔體NaO?2SiO 2 2 結構［SiO］按共頂方式對稱有4規(guī)律有序排列，遠程有序基本結構單元［SiO］呈4架狀結構，遠程無序基本結構單元［Si6Oi8］12-呈六節(jié)環(huán)或八節(jié)環(huán)，遠程無序性質固體無流動性，熔點高，硬度大，導電性差，結構穩(wěn)定，化學穩(wěn)定性好有流動性，n大，電導率大，表面張力大有流動性，n較石英熔體小，電導率大，表面張力大第五章何為表面張力和表面能？在固態(tài)和液態(tài)這兩者有何區(qū)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；。力/總長度N/m表面能：恒溫、恒壓、恒組成情況下，可逆地增加物系表面積須對物質所做的非體積功稱為表面能；J/m2=N/m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。試說明晶界能總小于兩個相鄰晶粒的表面能之和的原因。答：結構相同而取向不同的晶體相互接觸，其接觸界面稱晶界。若相鄰晶粒的原子彼此無作用，那么，每單位面積晶界能將等于兩晶粒表面能之和。但實際上，兩個相鄰晶粒的表面層上的原子間存在相互作用，且很強，兩者都力圖使晶界上質點排列符合于自己的取向，所以晶界上原子形成某種過渡的排列方式，與晶格內卻不同，晶界上原子排列疏松，處于

應力畸變狀態(tài)，晶界上原子比晶界內部相同原子有較高的能量，這種作用部分抵消了表面質點的剩余的鍵力。因此晶界結構和表面結構不同導致了晶界能總小于兩個相鄰晶粒的表面能之和。第六章純物質在任意指定溫度下，固、液、氣三相可以平衡共存，請用相律說明這個結論是否正確？請舉例說明。答：這個結論不正確。因為，固、液、氣三相平衡時，相律為：F=C-P+2,其中，C=1，P=3,則F=0，即自由度為0溫度和壓力均不可以變化。這時不能夠指定溫度。例如：水在0度時是三相共存，溫度一變固、液、氣三相就不平衡了。所以溫度不能任意指定溫度。第七章TOC\o"1-5"\h\z簡述擴散的微觀機制。 -答：（1）易位擴散機制，即原子的擴散是通過相鄰原子直接對調位置而進行的。 \（2）間隙擴散機制，即指原子通過晶體間隙位置進行擴散的方式，該機制適 \用于間隙型固溶體中間隙原子的擴散。間隙機構引起晶格變形大，只有間隙數\原子與晶格位置上的原子尺寸相比較是很小時，才會發(fā)生。 散V（3） 空位擴散機制，即指晶格中由于本征熱缺陷或雜質離子不等價取代而存擴在空位，空位與周圍原子交換位置，這種空位與原子做相反方向的潛意識金屬或離子化合物中原子主要擴散方式。 NaCl晶體中摻雜微量CaCl2時，Na+的擴散系數D與溫度T的關系如圖，試分析圖中曲線出現兩段不同斜率直線（即圖中曲線有一轉折點A）的原因。若提高NaCl的純度，圖中曲線的轉折點將如何變化？答：低溫時為不等價置換產生的空位引起的非本征擴散，高溫為熱缺陷為主的本征擴散，兩者的活化能不同，從而出現轉折。提高NaCl的純度，圖中曲線的轉折點將向低溫方向移動。說明影響擴散系數的因素？答：化學鍵：共價鍵方向性限制不利間隙擴散，空位擴散為主。金屬鍵離子鍵以空位擴散為主，間隙離子較小時以間隙擴散為主。缺陷：缺陷部位會成為質點擴散的快速通道，有利擴散。溫度：D=D0exp（-Q/RT）Q不變，溫度升高擴散系數增大有利擴散。Q越大溫度變化對擴散系數越敏感。雜質：雜質與介質形成化合物降低擴散速度；雜質與空位締合有利擴散；雜質含量大本征擴散和非本征擴散的溫度轉折點升高。擴散物質的性質：擴散質點和介質的性質差異大利于擴散擴散介質的結構：結構緊密不利擴散。試分析離子晶體中，陰離子擴散系數-般都小于陽離子擴散系數的原因。答：離子晶體一般為陰離子作密堆積，陽離子填充在四面體或八面體空隙中。所以陽離子較易擴散。如果陰離子進行擴散，則要改變晶體堆積方式，阻力大。從而就會拆散離子晶

體的結構骨架。試從結構和能量的觀點解釋為什么D表面少晶面>D晶內。答：固體表面質點在表面力作用下，導致表面質點的極化、變形、重排并引起原來的晶格畸變，表面結構不同于內部，并使表面處于較高的能量狀態(tài)。晶體的內部質點排列有周期性，每個質點力場是對稱的，質點在表面遷移所需活化能較晶體內部小，則相應的擴散系數大。同理，晶界上質點排列方式不同于內部，排列混亂，存在著空位、位錯等缺陷，使之處于應力畸變狀態(tài)，具有較高能量，質點在晶界遷移所需的活化能較晶內小，擴散系數大。但晶界上質點與晶體內部相比，由于晶界上質點受兩個晶粒作用達到平衡態(tài)，處于某種過渡的排列方式，其能量較晶體表面質點低，質點遷移阻力較大因而D晶界<D表面。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？答：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。第八章推導并簡述相變過程的溫度條件。答：相變推動力為過冷度（過熱度）的函數，相平衡理論溫度與系統實際溫度之差即為相變過程的推動力。AG=AH-TAH/T0=AHTO-T/TO=AH.AT/TO式中：T0--相變平衡溫度，AH--相變熱，T--任意溫度。自發(fā)反應時：AG<0,即AH.AT/T0<0相變放熱（凝聚，結晶）：AH<0則須：AT>0，T0>T，過冷，即實際溫度比理論溫度要低，相變才能自發(fā)進行。相變吸熱（蒸發(fā)，熔融）：AH>0，AT<0，T0<T，過熱。即實際溫度比理論溫度要高，相變才能自發(fā)進行。試證明均相成核臨界狀態(tài)下，新相界面能yls與單位體積中舊相和新相之間的自由能差AGv有如下關系：r*=-2ylsZAGv（晶胚為球形，r*為晶胚的臨界半徑）。答：單位體積中半徑為r的晶胚數為n，則A（7二 ?可? + .沖Idr= ■3尸?習. +Sjzt."=0得臨界半徑：r*=-2y/AGv簡述影響結晶速率的因素。答：（1）界面情況。一般而言，玻璃表面比內部容易析晶；表面成核能力還與周圍氣氛有關。（2） 熔體結構。如果晶體的熔解熵小，則可認為晶體和熔體的結構十分相似，晶體容易從該熔體中生長出來。（3） 非化學計量。如果熔體和析出的晶體組成不同，則界面附近的熔體組成將不同于主熔體，組成不同會減少這些成分構成晶體的有效性，因而減小生長速率。⑷外加劑。微量外加劑或雜質會促進晶體的生長。馬氏體相變具有什么基本特征？它和成核生長機理有何區(qū)別？答：1、馬氏體相變有以下特征：（1）相變體和母體之間的界面保持既不扭曲變形也不旋轉。這種界面稱習性平面，其結晶學方向不變。（2）無擴散位移式相變。（3）相變速度高，有時可高達聲速。（4）相變不是在特定的溫度，而是在一個溫度范圍內進行。成核生長的新相與母相有完全不同的晶格結構，新相是在特定的相變溫度下產生的，相變具有核化與晶化位壘。簡述過冷度對晶核形成速率和晶體生長速率及析晶過程的影響。答：過冷度對于液一固相變過程的成核和晶體生長的影響較大。首先，過冷度是液一固相變的推動力，當體系處于過冷狀態(tài)時，核胚才能形成穩(wěn)定的晶核。隨著過冷度的增加，晶核形成的推動力增加，因此，晶核形成的速率加快。但若過冷度過大，則會導致體系內質點擴散速率減慢，從而導致晶核形成速率降低。因此，當過冷度適當時，才可能使成核速率達到最大。對于晶體生長速度而言，存在著與成核過程類似的影響，但晶核形成后，晶體生長的速度主要取決于質點的擴散速率，因此，對應于晶體生長速率最大的過冷度要比成核速率最大時過冷度低。對于總的結晶速率而言，只有當成核速率和晶體生長速度均較大時，其總結晶速率才能達到最大。當過冷度較低時，可能出現的情況是：晶體生長速率較大，而成核速率較小，此時，晶體晶粒大，但不多；當過冷度較大時，晶體生長速度下降，而成核速度增加，此時，晶核多但晶粒小。何謂均勻成核?何謂不均勻成核？晶核劑對熔體結晶過程的臨界晶核半徑r有何影響？答：均勻成核一一在均勻介質中進行，在整體介質中的核化可能性相同，與界面，缺陷無關。非均勻成核一一在異相界面上進行，如容器壁，氣泡界面或附著于外加物（雜質或晶核劑）。r*=弋戶晶核劑降低上，因此r“下降第九章48.若由MgO和A12O3球形顆粒之間的反應生成MgAl2O4是通過產物層的擴散進行的。（1）試畫出其反應的幾何圖形并根據拋物線方程推導出反應初期的速度方程。

(2)若在1300°C時、「叼畔，O2-基本不動，那么哪一種離子的擴散控制著MgAl2O4的生成？為什么？答：(1)條件：a、反應物是半徑為R。的等徑球粒B,x為產物層厚度b、 反應物A是擴散相，即A總是包圍著B的顆粒，且A,B同產物C是完全接觸的，反應自球表面向中心進行c、 A在產物層中的濃度梯度是線性的，且擴散截面積一定。1-11-叩二%二心 \以皿- 一站(2)整個反應過程中速度最慢的一步控制產物生成D小的控制產物生成，即DMg2+小，Mg2+擴散慢，整個反應由Mg2+的擴散慢，整個反應由Mg2+的擴散控制。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。答：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。簡述影響固相反應的因素？答：(1)、反應物化學組成和結構：直接決定反應方向和反應速度，即決定反應推動力的大小。結構中缺陷多，晶格能小反應速率加快。反應物粒度和分布：粒度小，反應接觸面大，反應截面大，導致反應速率加快；粒度小，表面效應大，弱鍵多，缺陷多，反應和擴散能力增強。粒度小且均勻，有利于反應的快速進行完全。粒度的變化會引起反應機理的變化，即控制過程會發(fā)生改變。反應溫度和壓力、氣氛：溫度高，反應加速。體現在化學反應速率常數增大，原因是擴散速率增大和活化質點增多。溫度對化學反應的影響大于對擴散的影響；對純固相反應，壓力大，改善顆粒接觸情況，對反應有利。對和氣相參與的反應，可能起消極作用。氣氛對非化學計量化學物參與的固相反應及缺陷的濃度、擴散機構均有影響。礦化劑及其它因素：礦化劑可影響晶核的生成速率、結晶速率及晶格結構、降低體系共熔點、改善液相性質等，可加速反應。其它如升溫速率亦會對反應有影響。如果要合成鎂鋁尖晶石(MgAl2O4)，可提供選擇的原料為MgCO3、Mg(OH)2、MgO、Al2O3?3H2O、y-Al2O3、a-Al2O3。從提高反應速率的角度出發(fā)，選擇什么原料較好，為什么？答：選擇MgCO3或Mg(OH)2及Al2O3?3H2O較好。其活性較高。這些原料在反應中進行熱分解和脫水，獲得具有較大比表面和晶格缺陷的初生態(tài)或無定形物質從而提高了反應活性，加劇了固相反應的進行。第十章談談粉體粒度對材料燒結的影響。（1） 、粉體粒度越細，表面能越大，燒結的驅動力越大，有利于燒結。（2） 、粒度越細，縮短了原子擴散距離和提高顆粒在液相中的溶解度，可降低燒結溫度，燒結加速。（3） 、粒度均勻，可有效防止二次再結晶，不會導致少量晶粒異常生長。（4） 、粒度不同，燒結機理可發(fā)生變化。細顆粒以晶界擴散或表面擴散機理進行燒結；粗顆粒則主要是按體積擴散機理進行燒結。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。試分析粉料粒度、燒結溫度及外力膀網燒結過程的影響。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。說明影響燒結的因素？答：（1）、燒結溫度、時間、物料粒度：燒結溫度是影響燒結的重要因素，溫度越高，物料蒸汽壓越大，擴散系數越大，液相粘度越小，均導致燒結加速；延長燒結時間，一般可促進燒結，但在燒結后期，不合理地延長燒結時間，有時會加劇二次再結晶作用，起反作用;粒度越小，表面效應越大，總表面能越大，有利于燒結。⑵物料活性：物料的晶格能越大，越穩(wěn)定，活性越低，越難燒結。應用機械力粉碎方法，提高物料粒度，是提高物料活性的途徑之一，但此法提高有限，且機械活化須耗費較多的能量。通過合理選擇燒結物料的原料，應用化學方法，將其適當處理，可增加物料晶格缺陷，提高燒結活性，降低燒結活化能，加速燒結。（3） 燒結助劑：選擇合適的燒結助劑，能促進燒結。燒結助劑的作用可分為以下幾個方面：一是與燒結物形成固溶體，使晶格發(fā)生畸變而得到活化，促進燒結；二是阻止晶型轉變，以減少燒結過程中出現的因晶型轉變發(fā)生的體積變化而導致坯體開裂；三是抑制晶粒長大，燒結助劑可與燒結物反應，產物分布于晶界上，抑制晶體的異常長大；四是可降低液相出現溫度，提高液相量，一般會促進燒結，但可能會降低燒結體的某些性能。（4） 氣氛：氣氛對燒結體致密化過程有以下兩方面的影響，一是物理作用，即燒結體內氣體的排出難易程度，與氣孔中的氣體的性質有關，氣體的分子（或原子）越小，越排出，反之，則不易排出；二是氣體介質中的某些氣體與燒結物中某些組分（如：其中含有變價元素）發(fā)生化學作用，將影響燒結體缺陷的濃度，斷而影響燒結。氣氛對燒結的影響較為復雜，與燒結過程的擴散機制有關。（5） 壓力：分生坯成型壓力和燒結時的外加壓力兩種。壓力增大，加速燒結。在擴散傳質的燒結過程中，使坯體致密的推動力是什么？哪些方法可促進燒結？說明原因。答：在擴散傳質的燒結過程中，系統內不同部位（頸部、顆粒