綜合測(cè)試9及答案無(wú)機(jī)材料科學(xué)基礎(chǔ).pdf

測(cè)試九 問(wèn)答與計(jì)算 1（5分）Si和Al的原子量非常接近（分別為28.09和26.98），但 SiO2及Al2O3的密度相差很大（分別為 2.65 g/cm3及 3.96 g/cm3）試運(yùn) 用晶體結(jié)構(gòu)及鮑林規(guī)則說(shuō)明這一差別。 2（15分）石墨、云母和高嶺石具有相似的結(jié)構(gòu)，請(qǐng)分析它們結(jié)構(gòu) 的區(qū)別以及由此引起的性質(zhì)上的差異。 3（1）（5分）在MgO晶體中，肖特基缺陷的生成能為6 ev，分別 計(jì)算 25 和 1600時(shí)熱缺陷的濃度。（2）（5分）如果MgO晶體 中，含有百萬(wàn)分之一的Al2O3雜質(zhì)，則在 1600 時(shí)，MgO晶體中是熱 缺陷占優(yōu)勢(shì)還是雜質(zhì)缺陷占優(yōu)勢(shì)？請(qǐng)說(shuō)明原因。 4（15分）非化學(xué)計(jì)量缺陷的濃度與周圍氣氛的性質(zhì)、壓力大小相 關(guān)，如果增大周圍氧氣的分壓，非化學(xué)計(jì)量化合物的密度將發(fā)生怎樣的 變化？為什么？ 5（10分）在組成為16Na2O.xB2O3.(84-x)SiO2的熔體中，當(dāng)x 15mol時(shí)，增加B2O3 的含量，反而會(huì)使粘度降低，為什么？ 6（10分）用Na2CO3和Na2SiO3分別稀釋同一粘土泥漿，試比較電 解質(zhì)加入量相同時(shí)，兩種泥漿的流動(dòng)性、觸變性和坯體致密度的大小。 7（10分）試說(shuō)明 中各項(xiàng)所代表的意義，并解釋同樣是間隙擴(kuò)散機(jī)構(gòu)，為什么在相同的溫 度下，雜質(zhì)在介質(zhì)中的擴(kuò)散系數(shù)比介質(zhì)本身形成間隙離子的擴(kuò)散系數(shù) 大？ 8（10分）擴(kuò)散系數(shù)與哪些因素有關(guān)？為什么？為什么可以認(rèn)為濃 度梯度大小基本上不影響D值，但濃度梯度大則擴(kuò)散得快又如何解釋？ 9（1）（8分）當(dāng)測(cè)量氧化鋁水化物的分解速率時(shí)，一個(gè)學(xué)生發(fā) 現(xiàn)在等溫實(shí)驗(yàn)期間，重量損失隨時(shí)間線性增加到50左右。超出50 時(shí)重量損失的速率就小于線性規(guī)律。線性等溫速率隨溫度指數(shù)地增加， 溫度從 451增加到 493時(shí)速率增大10倍，試計(jì)算反應(yīng)活化能。 （2）（7分）何謂礦化劑？在固相反應(yīng)中加入少量礦化劑可促進(jìn)反應(yīng)加 速進(jìn)行，解釋其原因。 10（10分）為什么在成核生長(zhǎng)機(jī)理相變中，要有一點(diǎn)過(guò)冷或過(guò)熱才 能發(fā)生相變？什么情況下需要過(guò)冷，什么情況下需要過(guò)熱？ 11（10分）當(dāng)球形晶核在液態(tài)中形成時(shí)，整個(gè)自由焓的變化G 4r2+4/3r3Gv，式中r為球形晶核的半徑，為液態(tài)中晶核的表面 能，Gv為液相中單位體積晶核形成的體積自由焓變。求證晶核的臨界 半徑rc和成核勢(shì)壘Gc。如在液態(tài)中形成邊長(zhǎng)為a的立方體晶核時(shí)，求晶 核的臨界立方體邊長(zhǎng)ac和成核勢(shì)壘Gc。 12（10分）在 1500 MgO正常晶粒長(zhǎng)大期間，觀察到晶體在 1小 時(shí)內(nèi)從 1 m直徑長(zhǎng)大到10 m。如已知晶界擴(kuò)散能為60 kcal/mol，試 推測(cè)在 1600 下 4小時(shí)后晶粒的大小，并解釋為什么在燒結(jié)粉末體中 加入少量添加物可促進(jìn)燒結(jié)？ 13如圖所示為ABC三元系統(tǒng)相圖，在ABC內(nèi)有D1、D2、 D3、D4四個(gè)化合物。 （1）（2分）說(shuō)明四個(gè)化合物的性質(zhì)； （2）（8分）劃分副三角形，分析E、F、G、H、I、J、K點(diǎn)的性質(zhì)， 并寫出相平衡方程式； （3）（2分）用箭頭標(biāo)出DABC邊上及各界線上的溫降方向，并判斷 各界線性質(zhì)； （3）（5分）分析點(diǎn)配料組成為M的熔體從高溫冷卻至低溫的平衡析 晶過(guò)程，寫出相平衡表達(dá)式； （4）（3分）計(jì)算M熔體在冷卻析晶過(guò)程中，其液相組成剛達(dá)到結(jié)晶 結(jié)束點(diǎn)時(shí)，平衡共存各相的百分含量。 答案九 1（5分）Si和Al的原子量非常接近（分別為28.09和26.98），但SiO2 及Al2O3的密度相差很大（分別為2.65 g/cm3及3.96 g/cm3）試運(yùn)用晶體 結(jié)構(gòu)及鮑林規(guī)則說(shuō)明這一差別。 解：在Al2O3中，Al3+的擇優(yōu)配位數(shù)為6，鍵強(qiáng)度為 ，要求四個(gè)鋁原子與每個(gè)O2-直接相鄰；而O2-采取近似六方密堆積排 列，鋁原子充填于三分之二的八面體空隙中，使Al2O3晶體結(jié)構(gòu)緊密， 孔隙率低。在SiO2晶體中，Si4+屬于高價(jià)低配位性質(zhì)的正離子，為求穩(wěn) 定，則整個(gè)結(jié)構(gòu)以硅氧四面體SiO4頂角相聯(lián)成骨架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)疏松， 空隙率大。從而可知，SiO2的單位晶胞體積比Al2O3大得多。在 兩者原 子量接近的情況下，SiO2晶體的密度就會(huì)顯得小得多。 2（15分）石墨、云母和高嶺石具有相似的結(jié)構(gòu)，請(qǐng)分析它們結(jié)構(gòu)的 區(qū)別以及由此引起的性質(zhì)上的差異。 解：石墨、云母和高嶺石均具有層狀結(jié)構(gòu)，但層的形狀及層間情況各 不相同。石墨的每層基面上的碳原子有強(qiáng)的定向共價(jià)鍵結(jié)合在一起形成 六角形排列，層與層之間由微弱的范德華力鍵合，使石墨結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng) 的方向性，表現(xiàn)出垂直于層方向的線膨脹系數(shù)比層平面方向大27倍。 云母具有復(fù)網(wǎng)層狀（21層狀）結(jié)構(gòu)，其硅氧片中有四分之一的 Si4+被Al3+取代，表現(xiàn)出荷電性，于是在兩復(fù)網(wǎng)層的六節(jié)環(huán)間隙中，存 在著配位數(shù)為12的K+。K+呈統(tǒng)計(jì)分布，與硅氧層的結(jié)合能力較弱，所 以云母在層面上易發(fā)生解理，可被剝成片狀。 高嶺石的結(jié)構(gòu)是單網(wǎng)層狀（1：1層狀），層與層以氫鍵相聯(lián)成一整 體。由于層間的結(jié)合力弱（比分子間力強(qiáng)），使它容易理解為片狀小晶 體，但OH-O之間仍有一定的吸引力，單網(wǎng)層間不易進(jìn)入水分子，故不 因水含量增加而發(fā)生膨脹。 3（1）（5分）在MgO晶體中，肖特基缺陷的生成能為6 ev，分別計(jì) 算25 和1600時(shí)熱缺陷的濃度。（2）（5分）如果MgO晶體中，含 有百萬(wàn)分之一的Al2O3雜質(zhì)，則在1600 時(shí)，MgO晶體中是熱缺陷占優(yōu) 勢(shì)還是雜質(zhì)缺陷占優(yōu)勢(shì)？請(qǐng)說(shuō)明原因。 解：（1）根據(jù)熱缺陷濃度公式 已知： 當(dāng)T25298K及T16001873K時(shí)， （2）在MgO中加入Al2O3的雜質(zhì)缺陷反應(yīng)為： （1） 由（1）式可知：Al2O3VMg 當(dāng)加入106 Al2O3時(shí)，雜質(zhì)缺陷的濃度為VMg雜Al2O310 6 而在1600下的熱缺陷VMg熱8109 顯然：VMg雜VMg熱 即：雜質(zhì)缺陷占優(yōu)勢(shì)。 4（15分）非化學(xué)計(jì)量缺陷的濃度與周圍氣氛的性質(zhì)、壓力大小相 關(guān)，如果增大周圍氧氣的分壓，非化學(xué)計(jì)量化合物的密度將發(fā)生怎樣的 變化？為什么？ 解：TiO2x、ZrO2x氧離子空位型：有 ，則PO2： ，密度 或 Fe1xO、Cu2-xO陽(yáng)離子空位型：有 ，則PO2： ，密度 或 Zn1+x和Cd1+xO陽(yáng)離子填隙型：有 ，則PO2： ，密度 UO2+x氧離子填隙型：有 ，則PO2： ，密度 5（10分）在組成為16Na2O.xB2O3.(84-x)SiO2的熔體中，當(dāng)x 15mol時(shí)，增加B2O3 的含量，反而會(huì)使粘度降低，為什么？ 解：當(dāng)x=0時(shí)，組成為16Na2O. 84SiO2 R= = =2.19 x=2 RZ=22.194=0.38（平均非橋氧數(shù)）結(jié)構(gòu)中的每個(gè)SiO4 中有0.38個(gè)非橋氧，存在部分?jǐn)嗑W(wǎng)。 （1）當(dāng)x1 游離氧充足 引入的B3+處于BO4中，加入到SiO4中，網(wǎng)絡(luò)起連網(wǎng)作用，聚合程 度增加，粘度增加。 （2）x=15mol%時(shí)（考慮到Na2O的揮發(fā)，一般為 =1）結(jié)構(gòu)最緊密，粘度最大。 （3）x15mol%時(shí), CaSiO3 （b）式反應(yīng)更完全，能形成更多的Na粘土，電位 粘度 流動(dòng)性 （3）SiO32為硅酸鹽聚合陰離子，帶負(fù)電，其表面幾何形狀與粘土 顆粒邊界相適應(yīng)，則易被吸附在粘土顆粒邊面上（或吸附在版面上）。 當(dāng)粘土邊面帶正電荷時(shí)，它能有效地中和邊面正電荷；當(dāng)粘土邊面不帶 電荷時(shí)，它能被吸附在邊面上使之帶上負(fù)電荷。由于這種聚合陰離子的 作用，導(dǎo)致原來(lái)粘土顆粒間邊面、邊邊結(jié)合轉(zhuǎn)變?yōu)槊婷媾帕?，?來(lái)面面排列的顆粒間斥力進(jìn)一步增加，則泥漿充分被稀釋，粘度， 流動(dòng)性。 7（10分）試說(shuō)明 中各項(xiàng)所代表的意義，并解釋同樣是間隙擴(kuò)散機(jī)構(gòu)，為什么在相同的溫 度下，雜質(zhì)在介質(zhì)中的擴(kuò)散系數(shù)比介質(zhì)本身形成間隙離子的擴(kuò)散系數(shù) 大？ 解： 決定于晶體結(jié)構(gòu)的幾何因子，對(duì)于體心或面心立方1 a0晶體的晶格常數(shù) 0原子在晶格平衡位置上的振動(dòng)頻率（約1013次秒） 、 空位（缺陷）形成熵、熱焓 、 空位（缺陷）遷移熵、熱焓 R氣體常數(shù)，R8.314J/molK T溫度（K） 對(duì)雜質(zhì)而言， 0 而Q + Q：D， 即：雜質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)大 8（10分）擴(kuò)散系數(shù)與哪些因素有關(guān)？為什么？為什么可以認(rèn)為濃度 梯度大小基本上不影響D值，但濃度梯度大則擴(kuò)散得快又如何解釋？ 解：影響擴(kuò)散系數(shù)D的因素： （1） T D； Q D （2）擴(kuò)散物質(zhì)的性質(zhì)：擴(kuò)散粒子性質(zhì)與擴(kuò)散介質(zhì)性質(zhì)間差異越大， D值越大。擴(kuò)散粒子半徑越小，D值越大。 （3）擴(kuò)散介質(zhì)的結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)越致密，D越小。 （4）位錯(cuò)、晶界、表面：處于位錯(cuò)、晶界、表面處的質(zhì)點(diǎn)，D較 大。 D表面（107cm2/s）D晶界（1010 cm2/s）D內(nèi)部（1014 cm2/s） （5）雜質(zhì)（第三組元）： 第三組元與擴(kuò)散介質(zhì)形成化合物對(duì)擴(kuò)散離子產(chǎn)生附加鍵力，則D 減小。 第三組元不與擴(kuò)散介質(zhì)形成化合物使擴(kuò)散介質(zhì)晶格產(chǎn)生畸變，則 D增大。 （6）粘度： r：D；：D 由于： D為比例系數(shù)，與 無(wú)關(guān) 可以認(rèn)為濃度梯度大小基本上不影響D值。但 ： ，擴(kuò)散得快 9（1）（8分）當(dāng)測(cè)量氧化鋁水化物的分解速率時(shí)，一個(gè)學(xué)生發(fā)現(xiàn) 在等溫實(shí)驗(yàn)期間，重量損失隨時(shí)間線性增加到50左右。超出50時(shí) 重量損失的速率就小于線性規(guī)律。線性等溫速率隨溫度指數(shù)地增加，溫 度從451增加到493時(shí)速率增大10倍，試計(jì)算反應(yīng)活化能。（2） （7分）何謂礦化劑？在固相反應(yīng)中加入少量礦化劑可促進(jìn)反應(yīng)加速進(jìn) 行，解釋其原因。 解： 由題意可知：當(dāng)T從451增加至493時(shí)， 故： 得：活化能 。 10（10分）為什么在成核生長(zhǎng)機(jī)理相變中，要有一點(diǎn)過(guò)冷或過(guò)熱才 能發(fā)生相變？什么情況下需要過(guò)冷，什么情況下需要過(guò)熱？ 解：相變要自發(fā)進(jìn)行必須 0即在相變過(guò)程放熱的情況下，系統(tǒng)必須“過(guò)冷”才 能使相變得以進(jìn)行。 當(dāng) 0時(shí)， 0，TOT0，系統(tǒng)必須過(guò)熱。 11當(dāng)球形晶核在液態(tài)中形成時(shí)，整個(gè)自由焓的變化G4r2 +4/3r3Gv，式中r為球形晶核的半徑，為液態(tài)中晶核的表面能，Gv 為液相中單位體積晶核形成的體積自由焓變。求證晶核的臨界半徑rc和 成核勢(shì)壘Gc。如在液態(tài)中形成邊長(zhǎng)為a的立方體晶核時(shí)，求晶核的臨 界立方體邊長(zhǎng)ac和成核勢(shì)壘Gc。（10分） 解： 將rc代入 得： 如在液態(tài)中形成邊長(zhǎng)為a的立方體晶核時(shí)， 則： ， 將ac代入 12在1500 MgO正常晶粒長(zhǎng)大期間，觀察到晶體在 1小時(shí)內(nèi)從 1 m 直徑長(zhǎng)大到10 m。如已知晶界擴(kuò)散能為60 kcal/mol，試推測(cè)在1600 下 4小時(shí)后晶粒的大小，并解釋為什么在燒結(jié)粉末體中加入少量添加 物可促進(jìn)燒結(jié)？（10分） 解：G2G02kt 1001k11 k199 1500 1600 添加物的作用： （1）與燒結(jié)物形成固熔體：使晶格畸變而活化，可降低燒結(jié)溫度， 提高燒結(jié)速度，對(duì)形成空位型或間隙型固熔體其作用尤為強(qiáng)烈。 （2）阻止晶型轉(zhuǎn)變：由于晶型轉(zhuǎn)變會(huì)帶來(lái)較大體積效應(yīng)使致密化困 難，則阻止晶型轉(zhuǎn)變可促進(jìn)燒結(jié)；抑止晶粒長(zhǎng)大：主要是阻止二次再結(jié) 晶，抑止晶粒的異常長(zhǎng)大。 （3）產(chǎn)生液相：A）形成低共熔體。B）添加物本身熔點(diǎn)低，由于液 體的存在大大促進(jìn)顆粒重排和傳質(zhì)過(guò)程，則加入添加物，使得在較低溫 度下產(chǎn)生液相而促進(jìn)燒結(jié)。