无机材料科学基础资料整理版汇编Word格式.docx
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当Al2O3/Na2O<
1时：
Al2O3代替SiO2起“补网”作用，提高粘度当Al2O3/Na2O>
1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+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+
五，熔体中聚合物形成过程
说明熔体中聚合物形成过程？
答：
聚合物的形成是以硅氧四面体为基础单位，组成大小不同的聚合体。
可分为三个阶段
初期：
石英的分化；
中期：
缩聚并伴随变形。
后期：
在一定时间和一定温度下，聚合和解聚达到平衡。
六，玻璃结构参数的计算
根据玻璃类型确定Z,先计算R,在计算X（非桥氧）Y（桥氧）
6-5玻璃的组成是13wt%Na2O、13wt%CaO、74wt%SiO2，计算桥氧分数？
Na2O
CaO
SiO2
wt%
13
74
mol
0.21
0.23
1.23
mol%
12.6
13.8
73.6
R=（12.6+13.8+73.6×
2）/73.6=2.39
∵Z=4
∴X=2R﹣Z=2.39×
2﹣4=0.72
Y=Z﹣X=4﹣0.72=3.28
氧桥%=3.28/（3.28×
0.5+0.72）=69.5%
6-6有两种不同配比的玻璃，其组成如下：
序号
Na2O（wt%）
Al2O3（wt%）
SiO2（wt%）
1
8
12
80
2
试用玻璃结构参数说明两种玻璃高温下粘度的大小？
对于1：
Z=4
R1=O/Si=2.55∴X1=2R1﹣4=1.1
Y1=Z﹣X1=4﹣1.1=2.9
对于2：
R2=O/Si=2.45∴X2=2R2﹣4=0.9
Y2=4﹣X2=4﹣0.9=3.1
∵Y1﹤Y2
∴序号1的玻璃组成的粘度比序号2的玻璃小。
6-7在SiO2中应加入多少Na2O，使玻璃的O/Si=2.5，此时析晶能力是增强还是削弱？
设加入xmol的Na2O，而SiO2的量为ymol。
则O/Si=（x+2y）/y=2.5
∴x=y/2
即二者的物质量比为1:
2时，O/Si=2.5。
因为O/Si增加了，粘度下降，析晶能力增强了。
第5章热力学应用
一，热力学在凝聚态系中应用的特点
二，计算方法
三，纯固相参与的固相反应
第6章相平衡
一，独立析晶
二，三元相图分析
图（２）是最简单的三元系统投影图，图中等温线从高温到低温的次序t6>
t5>
t4>
t3>
t2>
t1根据此投影图回答：
（1）三个组分A、B、C熔点的高低次序是怎样排列的。
2）各液相面下降的陡势如何?
那一个最陡?
那一个最平坦?
（3）指出组成为65％A，15％B，20％C的系统的相组成点，此系统在什么温度下开始结晶?
结晶过程怎样?
（表明液、固相组成点的变化及结晶过程各阶段中发生的变化过程）。
（4）计算第一次析晶过程析出晶相的百分数是多少?
第二次析晶过程结束时，系统的相组成如何?
结晶结束时系统的相组成又如何?
（1）高→低
B→C→A
（2）B最陡，C次之，A最次；
（3）在M点所在的温度下开始析晶，
液相组成点M→M→1→E（结晶结束）固相组成点A→A→D→M
（4）第一次析晶仅析出晶相A，到M1时第一次析晶结束，晶相A的百分
数为65%，
结晶结束时，析晶相A、B、C，液相消失，固相组成点在M点。
三，复习提纲
（1）基本概念：
相图、自由度、组元数与独立组元数、吉布斯向律、杠杆规则、初晶区规则、三角形规则、背向线规则、切线规则；
（2）掌握相图的表示方法，包括单元系统相图、二元系统相图、三元系统相图；
对于单元系统相图，要求掌握点、线、区间的性质，会写无变量点的平衡式子；
对于二元系统相图，要求掌握点、线、区间的性质，会写无变量点的平衡式子，掌握冷却结晶过程的分析以及过程量的计算；
对于三元系统相图，要求掌握点、线、区间的性质，会写无变量点的平衡式子，掌握冷却结晶过程的分析以及过程量的计算。
典型三元相图
第7章扩散与固相反应
一，基本概念
非稳定扩散：
扩散物质浓度分布随时间变化的一类扩散。
稳定扩散：
扩散物质浓度分布不随时间变化的扩散过程。
无序扩散：
无化学位梯度、浓度梯度。
无外场推动力，由热起伏引起的扩散。
质点的扩散是无序的、随机的。
互扩散推动力：
多元系统中几种离子同时进行扩散，扩散过程中化学位梯度的变化。
间隙扩散：
质点从一个间隙到另一个间隙。
本征扩散：
主要出现肖特基和弗兰克尔点缺陷，由此点缺陷引起的扩散称为本征扩散。
非本征扩散：
因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，故称为非本征扩散。
菲克第一定律：
在扩散体系中，参与扩散质点的浓度因位置而异，且可随时间而变化。
正扩散：
受热力学因子作用，物质由高浓度处流向低浓度处，扩散结果使溶质趋于均匀化，D
>
0。
逆扩散：
受热力学因子作用，物质由低浓度处流向高浓度处，扩散结果使溶质趋于均匀化，D
<
二，扩散系数计算
Zn2+在ZnS中扩散时，563℃时的扩散系数为3×
10-14cm2/sec;
450℃时的扩散系数为1.0×
10-14cm2/sec，求：
（1）扩散的活化能和D0；
（2）750℃时的扩散系数。
（1）D=D0exp（-Q/RT）
T=563+273=836K时，D=3×
10-14cm2/s
T=450+273=723K时，D=1.0×
10-14cm2/s代入上式可求Q=48875J，D0=3.39×
10-15cm2/s
三，习题
1．试分析离子晶体中,阴离子扩散系数－般都小于阳离子扩散系数的原因?
离子晶体一般为阴离子作密堆积，阳离子填充在四面体或八面体空隙中。
所以阳离子较易扩散。
如果阴离子进行扩散，则要改变晶体堆积方式，阻力大。
从而就会拆散离子晶体的结构骨架。
2.试从结构和能量的观点解释为什么D表面>
D晶面>
D晶内
固体表面质点在表面力作用下，导致表面质点的极化、变形、重排并引起原来的晶格畸变，表面结构不同于内部，并使表面处于较高的能量状态。
晶体的内部质点排列有周期性，每个质点力场是对称的，质点在表面迁移所需活化能较晶体内部小，则相应的扩散系数大。
同理，晶界上质点排列方式不同于内部，排列混乱，存在着空位、位错等缺陷，使之处于应力畸变状态，具有较高能量，质点在晶界迁移所需的活化能较晶内小，扩散系数大。
但晶界上质点与晶体内部相比，由于晶界上质点受两个晶粒作用达到平衡态，处于某种过渡的排列方式，其能量较晶体表面质点低，质点迁移阻力较大因而D晶界<
D表面。
3．浓度差会引起扩散，扩散是否总是从高浓度处向低浓度处进行?
为什么?
扩散的基本推动力是化学位梯度，只不过在一般情况下以浓度梯度的方式表现出来；
扩散是从高化学位处流向低化学位处，最终系统各处的化学位相等。
如果低浓度处化学势高，则可进行负扩散，如玻璃的分相过程。
四，复习提纲
（1）基本概念：
扩散、扩散的本质、扩散的结果，扩散动力，正扩散和负扩散，自扩散和互扩散极其特点，扩散通量，稳定扩散和非稳定扩散，无序扩散及特点。
（2）固体扩散的微观机构有哪几种，哪些是实际存在的，为什么？
菲克第一定律和菲克第二定律的一维表达式，各自的物理意义是什么，会运用菲克第一定律和菲克第二定律解决实际问题。
（3）无序扩散系数D=1/6×
qd2中，d和q的物理意义；
通过分析影响q的因素以及以体心立方晶体为例，得出无序扩散系数的数学表达式Dr=αa02Ndγ，由此得出空位扩散系数的表达式Dv=αa02¦
Ã
0exp[（¦
¤
S*+ΔSf）/R]exp[-（¦
H*+ΔHf）/RT]，再进一步得出空位扩散系数的宏观表达式D=D0exp（-Q/RT）。
（4）自扩散系数D*=fDr。
（5）间隙扩散系数的表达式。
（6）一个扩散系统中，扩散系数与温度的关系（D——1/T），为什么？
（7）克肯达尔效应得含义及其应用意义。
（8）分析影响扩散系数的因素。
第8章相变
9-2什么叫相变？
按照相变机理来划分，可分为哪些相变?
相变是物质系统不同相之间的相互转变。
按相变机理来分，可以分为扩散型相变和非扩散型相变和半扩散型相变。
依靠原子或离子长距离扩散进行的相变叫扩散型相变。
非扩散型型相变指原子或离子发生移动，但相对位移不超过原子间距。
9-3分析发生固态相变时组分及过冷度变化相变驱动力的影响。
相变驱动力是在相变温度下新旧相的体自由能之差（
），而且
是新相形成的必要条件。
当两个组元混合形成固溶体时，混合后的体系的自由能会发生变化。
可以通过自由能-成分曲线来确定其相变驱动力的大小。
过冷度是相变临界温度与实际转变温度之差，相变形核的热力学条件是要有过冷度。
已知驱动力
与过冷度
之间的关系是：
这进一步说明了形核的热力学条件。
9-4马氏体相变具有什么特征？
它和成核－生成相变有何差别?
马氏体相变是替换原子经无扩散切变位移（均匀或不均匀）并由此产生形状改变和表面浮凸、曾不变平面应变特征的一级形核、长大的相变。
特征：
具有剪切均匀整齐性、不发生原子扩散、相变速度快、相变有一定范围、有很大的切变型弹性应变能。
成核－生长过程中存在扩散相变，母相与晶相组成可相同可不同，转变速度较慢，无明显的开始和终了温度。
9-10为什么在成核一生长机理相变中，要有一点过冷或过热才能发生相变?
什么情况下需过冷，什么情况下需过热？
由热力学公式
平衡
得
:
相变平衡温度；
：
相变热。
温度Ｔ时，系统处于不平衡状态，则
，要使相变自发进行，须使
，
则
，即必须使
，才能发生相变。
对于放热过程如结晶，凝聚
，则
，必须过冷。
对于吸热过程如蒸发，熔融
，必须过热。
9-11何谓均匀成核？
何谓不均匀成核？
晶核剂对熔体结晶过程的临界晶核半径r*有何影响?
均匀成核——在均匀介质中进行，在整体介质中的核化可能性相同，与界面，缺陷无非均匀成核——在异相界面上进行，如容器壁，气泡界面或附着于外加物（杂质或晶核剂）
，使用晶核剂可以降低
，因此
下降。
9-12
在不均匀成核的情况下，相变活化能与表面张力有关，试讨论不均匀成核的活化能
△Gh*与接触角θ的关系，并证明当
时，△Gh*是均匀成核活化能的一半。
（１）
（２）
（３）
（４）
平衡时
（５）
将（２）（３）（４）（５）代入（１）式，并令
由上式可以看出，当
时，
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。
马氏体相变是无扩散性的位移式相变。
马氏体相变以很高的速度进行，有时高达声速。
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。
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/r2>
1.5）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
第10章烧结
10-1名词解释：
烧结
烧结温度
泰曼温度
液相烧结
固相烧结
初次再结晶
晶粒长大
二次再结晶
（1）烧结：
粉末或压坯在低于主要组分熔点的温度下的热处理，目的在于通过颗粒间的冶金结合以提高其强度。
（2）烧结温度：
坯体在高温作用下，发生一系列物理化学反应，最后显气孔率接近于零，达到致密程度最大值时，工艺上称此种状态为"
烧结"
，达到烧结时相应的温度，称为"
烧结温度"
。
（3）泰曼温度：
固体晶格开始明显流动的温度，一般在固体熔点（绝对温度）的2/3处的温度。
在煅烧时，固体粒子在塔曼温度之前主要是离子或分子沿晶体表面迁移，在晶格内部空间扩散（容积扩散）和再结晶。
而在塔曼温度以上，主要为烧结，结晶黏结长大。
（4）液相烧结：
烧结温度高于被烧结体中熔点低的组分从而有液相出现的烧结。
（5）固相烧结：
在固态状态下进行的烧结。
（6）初次再结晶：
初次再结晶是在已发生塑性变形的基质中出现新生的无应变晶粒的成核和长大过程。
（7）晶粒长大：
是指多晶体材料在高温保温过程中系统平均晶粒尺寸逐步上升的现象.
（8）二次再结晶：
再结晶结束后正常长大被抑制而发生的少数晶粒异常长大的现象。
10-2烧结推动力是什么？
它可凭哪些方式推动物质的迁移，各适用于何种烧结机理?
推动力有：
（1）粉状物料的表面能与多晶烧结体的晶界能的差值，烧结推动力与相变和化学反应的能量相比很小，因而不能自发进行，必须加热!
!
（2）颗粒堆积后，有很多细小气孔弯曲表面由于表面张力而产生压力差，
（3）表面能与颗粒之间形成的毛细管力。
传质方式：
（1）扩散（表面扩散、界面扩散、体积扩散）；
（2）蒸发与凝聚；
（3）溶解与沉淀；
（4）黏滞流动和塑性流动等，一般烧结过程中各不同阶段有不同的传质机理，即烧结过程中往往有几种传质机理在起作用。
10-3下列过程中，哪一个能使烧结体强度增大，而不产生坯体宏观上的收缩?
试说明理由。
（1）蒸发－冷凝；
（2）体积扩散；
（3）粘性流动；
（4）晶界扩散；
（5）表面扩散；
（6）溶解－沉淀
蒸发－凝聚机理（凝聚速率＝颈部体积增加）
烧结时颈部扩大，气孔形状改变，但双球之间中心距不变，因此坯体不发生收缩，密度不变。
10-4什么是烧结过程？
烧结过程分为哪三个阶段？
各有何特点？
烧结过程：
粉末或压坯在低于主要组分熔点的温度下的热处理，目的在于通过颗粒间的粘结结合以提高其强度。
烧结过程大致可以分为三个界线不十分明显的阶段。
（1）液相流动与颗粒重排阶段：
温度升高，出现足够量液相，固相颗粒在DP作用下重新排列，颗粒堆积更紧密；
（2）固相溶解与再析出：
接触点处高的局部应力?
塑性变形和蠕变?
颗粒进一步重排；
（3）固相的的烧结：
小颗粒接触点处被溶解较大颗粒或自由表面沉积晶粒长大形状变化不断重排而致密化。
10-5烧结的模型有哪几种？
各适用于哪些典型传质过程？
粉体压块：
蒸发－凝聚，双球模型：
有液相参与的粘性蠕变扩散，Kingery和LSW：
溶解-沉淀
9、试述烧结与固相反应的异同点。
（5分）
相同之处：
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。
（2分）无机材料科学基础试卷十一
一、名词解释（20分）：
1.液相独立析晶，切线规则
2.本征扩散，不稳定扩散，
3.均匀成核，二级相变,
4.烧结，泰曼温度
二、选择题（12分）：
1.陶瓷经烧结后在宏观上的变化表述不正确的是（）
A.强度增加B.体积收缩C.气孔率降低D.致密度减少
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（）
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.Ds﹥Dg﹥DbB.Ds﹥Db﹥Dg
C.Db﹥Ds﹥DgD.Db﹥Dg﹥Ds
4.下列属于逆扩散过程的是（）
A.二次再结晶B.杂质的富集于晶界C.布朗运动
5.A，B进行反应生成AmBn,为扩散控制的固相反应，若DB》DA，则在AmBn-A界面上，反应物B的浓度CB为（）
A.1B.0C.不确定
6.烧结中晶界移动的推动力是（）
A.表面能B.晶界两侧自由焓差C.空位浓度差
7.同一种物质在晶体中的扩散系数（）在玻璃中的扩散系数
A．大于B．等于C．小于D．不确定
8.金斯特林格方程采用的反应截面模型为（）
A.平板B.球体C.球壳D.圆柱
9.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.蒸发-凝聚B.体积扩散C.流动传质D.溶解-沉淀
10.纯固相反应，反应过程是（）
A.放热过程B.等温过程C.吸热过程
11.在制造透明Al2O3陶瓷材料时，原料粉末的粒度为2μm，在烧结温度下保温30分钟，测得晶粒尺寸为10μm。
若在同一烧结温度下保温4小时，晶粒尺寸为（）,为抑制晶粒生长加入0.1％MgO，此时若保温4小时，晶粒尺寸为（）。
A.16μmB.20μmC.24μmD.28μm
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（）、（）、（）和（）。
2.均匀成核的成核速率Iv由（）和（）因子所决定的。
3.菲克第一定律的应用条件是（），菲克第二定律的应用条件是（）
4.液-固相变过程的推动力为（）、（）和（）。
5.
固体内粒子的主要迁移方式有（）、（）。
6.如杂质的量增加，扩散系数与温度关系曲线中本征与非本征扩散的转折点（）。
7.合成镁铝尖晶石，可选择的原料为MgCO3,MgO,γ-Al2O3,α-Al2O3,从提高反应速率的角度出发选择（），（）原料较好。
8.在均匀成核时，临界成核位垒ΔGk=（）,其值相当于（）
具有临界半径rk的粒子数nk/N=（）。
9.液-固相变时，非均匀成核位垒与接触角θ有关，当θ为（）时，非均匀成核位垒为零。
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（）情况下需要过冷。
11.在制硅砖时，加入氧化铁和氧化钙的原因（），能否加入氧化铝（）。
12.在液相线以下的分相区的亚稳区内，其分解机理为（），新相成（
）状，不稳定区的分解机理为（），新相成（）状。
四、简答题（32分）
1.MoO3和CaCO3反应时，反应机理受到CaCO3颗粒大小的影响，当MoO3：
CaCO3=1：
1，rMoO3=0.036㎜,rCaCO3=0.13㎜时,反应是扩散控制的。
当MoO3：
15，rCaCO3﹤0.03㎜
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