2010-b--无机材料科学基础答案.doc

1、江西理工大学二o一o年硕士研究生入学考试试题考试科目：无机材料科学基础(B) （标准答案）一、 名词解释：（每小题6分，共30分） 1、 晶体、晶胞晶体：质点在三维空间作有序排列的固体晶胞：是晶体结构中的最小单元。2、热缺陷、杂质缺陷热缺陷：晶体内部质点由热运动所引起的点缺陷（空位和填隙原子），可分为肖特基缺陷和弗伦克尔缺陷。杂质缺陷：晶体内部离子或原子由于被其它杂质离子或原子置换后所产生的空位和填隙原子等点缺陷。3、晶子学说和无规则网络学说晶子学说：玻璃结构是一种原子集合体，即无数“晶子”分布在无定形介质中，“晶子”不同一般微晶，而是带有晶格极度变形的微小有序区域，在“晶子”中心质点排列较有

2、规律，亦远离中心则变形程度亦大，从“晶子”中心到无定形部分的过渡是渐变的，两者之间无明显界限。晶子学说强调玻璃结构的不均匀性、不连续性及有序性方面的特征。无规则网络学说：玻璃结构与相应的晶体结构相似，同样形成连续的三维空间网络结构。但玻璃网络与晶体网络不同，玻璃网络是不规则的、非周期性的，因此内能较高。强调均匀性、连续性及无序性等方面的结构特征。4、扩散系数：是单位浓度梯度下的扩散通量。扩散通量：单位时间通过单位面积的原子数量。5、烧结、固相反应烧结：一种或多种固体粉末经过成型，在加热到一定温度后开始收缩，在低于熔点温度下变成致密、坚硬的烧结体，这个过程叫烧结。 固态反应：固体直接参与反应并起

3、化学变化，同时至少在固体内部或外部的一个过程中起控制作用。二、 问答题（40分）1、 硅酸盐晶体结构有何特点? 可分为几类, 每类的结构特点及其典型晶体实例是什么? （10）答：一 硅酸盐结构的共同特点： （1） 形成硅氧四面体SiO4 (2) 硅氧四面体SiO4的每个顶点O离子最多只能为两个硅氧四面体所共有。 (3) 两个相邻硅氧四面体之间只能共顶而不能共棱、共面 （4）硅氧四面体的中心离子Si可部分地被Al离子所取代，其结构本身并不发生大的变化，但晶体性质却可以发生很大变化。 二、分为五类，其结构特点如下：根据硅氧四面体结合方式的不同，将硅酸盐的结构分为：（1）岛状结构：硅氧四面体顶点之间

4、没连接一起，无桥氧，与金属离子键合达到电价平衡。如镁橄榄石（2）组群状结构：少数几个硅氧四面体（小于6）两两相连，形成环状结构（或组群状结构）。如绿柱石（3）链状结构：硅氧四面体在一维方向上两两相连形成单链或双链。如单链透闪石；双链透辉石（4）层状结构：处在同一平面上三个顶点的硅氧四面体都为桥氧。如云母、高岭土（5）架状结构：硅氧四面体的四个顶点都为桥氧。如石英、长石2、 影响熔体黏度的因素有哪些？试分析金属氧化物对降低硅酸盐熔体黏度的差异。（10）答：（1）影响因素：主要因素是温度和组成。温度升高，黏度减小；熔体组成不同，质点间的作用力不等，使得影响黏度的活化能有所差异，从而表现出黏度上的差

5、异。（2）不同电价金属氧化物对降低硅酸盐熔体黏度的差异：一价碱金属氧化物：电荷少，离子半径大，与氧的作用力较小，提供了系统的“自由氧”而使O/Si比增加，导致原来的硅氧负离子团解聚成较简单的结构单位，因而使活化能减低，能降低熔体黏度。离子半径越小的阳离子对降低黏度的作用越大。二价金属氧化物：能降低熔体黏度。但离子势Z/r较大的则能夺取硅氧负离子团中的O2-来包围自己，使黏度增大。R降低黏度的次序是：Ba2+Sr2+Ca2+Mg2+，CaO和ZnO表现较为奇特。离子极化对黏度有重要影响。高价金属氧化物：在熔体中引入SiO2、Al2O3、ZrO2、ThO2等氧化物时，因这些阳离子离子势大，作用力矩

6、大，趋向于形成更为复杂巨大的聚合阴离子团，使黏滞活化能增大，黏度增高。混合碱效应：同时加入R2O和RO，比单一加入的黏度还大。CaF加入使黏度降低。3、什么叫斯宾那多分解 ? 它和成核生成机理有何差别 ? （10）答：斯宾那多分解又称调幅分解，是通过偏聚机制而不是成核生长机制进行相变，相变时由一种固溶体分解成结构与母相相同而成分不同的两种固溶体，分解产物只有贫溶质区和富溶质区，二者之间没有清晰的相界面。斯宾那多分解和成核生成相变的差别见下表成核生长调幅分解热力学自由能与浓度的二阶导数08.6110-91600MgO晶体中杂质缺陷占优势。3、 (10分) 巳知Zn2+ 和Cr2+在尖晶石ZnCr

7、O4中的自扩散系数与温度的关系分别为 1） 试求1403K时Zn2+ 和Cr2+在ZnCrO4中的扩散系数。2） 如将细铂丝涂在两种氧化物ZnO和Cr2O3的分界线上，然后将这些压制成型的样品进行扩散退火。（标记物铂丝非常细，不影响离子在不同氧化物之间的扩散）。根据所得数据判断铂丝将向哪一方向移动？3 答(1)(2.5分)(2.5分)(2)因为,所以铂丝向Cr2O3方向移动。(5分)4、熔体析晶过程在 1000 时，单位体积自由焓变化 GV=418J/cm3 ；在 900 时是 2090Jcm 3 。设固液界面能 SL =510-5 J/cm 2，求： (1) 在 900 和 1000 时的，

8、临界晶核半径；(5分)(2) 在 900 和 1000 时进行相变所需的能量（5分）5、在1500Al2O3正常晶粒生长期间，观察到晶体1h内从1um长大到10um，如已知晶界扩散活化能为335kJ/mol，试预测在1700下保温时间为4h后，晶粒尺寸是多少？你估计加入0.5MgO杂质对晶粒生长速率会有什么影响？（10）解: 根据晶粒正常生长公式 D2Do2=kt 得：10212=k11 k1=991500 k1=A exp() A=7.391011假若A不随温度变化1700 k2=7.391011 exp()=739保温4个小时：D2(0.5)2=7394 D=54.37um加入杂质后，降低

9、晶粒生长速度，采用公式： D3Do3=kt计算 即D3=14.35um四、 分析、作图题（35分）1、推导固态反应中扩散动力学方程的杨德方程（10分）解：按菲克定律 dm/dt=DS*dC/dx A物质在A界面层和跨过反应层的B界面层的浓度分别为100%和0，则上式为： dm/dt=DS*1/xdx/dt=k4D/xx2=K4t由 G=1(1x/R)3得：x=R02(1-(1-G)1/3)2=K4t或 dG/dt=Kj(1-G)2/3/1-(1-G)1/32、分析相图：ABC三元相图如下图所示，要求回答以下问题：（1）说明化合物S的熔融性质（2）（2）标注各界线上温度下降的方向，界线性质，转熔

10、线用双箭头表示；（4）（3）确定无变量点的性质，写出各点相平衡关系式；（6）（4）组成点为1、2、3和4各溶体的冷却结晶过程。并标明在无变量点时各相的含量（8）；(5)分别将组成点为5和6的物系，在平衡条件下加热到完全熔融，说明其固液相组成的变化途径（5）答：（1）S是不一致熔融的三元化合物(2)（2）见图所示(4)（3）P1、P2、E为无变量点P1是单转熔点，平衡反应为：LP1+A-S+CP2是单转熔点，平衡反应为：LP2+A-S+BE是低共熔点，平衡反应为：LE -S+B+C（6分）（4）（8分）1点冷却路线：液相线1（LA）a(L+AS)P1(A+L P1C+S)P1固相线 AAD12点冷却路线：液相线2b（LA）b(LA+S)固相线 AA23点冷却路线：液相线3（LA）e(L+AS)f(LS)g(LS+B)E(LS+B+C)E固相线 A A S S (S+B)F34点冷却路线：液相线4（LA）h(LA +B) P2(L+A S+B) P2(LS+B)E固相线 A A G 4（5）（5分）5点加热路线：固相组成的变化途径：5HA 液相组成的变化途径 P2i56点加热路线：固相组成的变化途径：6IA 液相组成的变化途径 EP1l66