材料物理化学习题

第三章熔体与非晶态固体
知识点：
1.黏度与组成的关系
答：组成是通过改变熔体构造而影响黏度的。

①一价金属氧化物
碱金属氧化物R2O引入到硅酸盐熔体中，使熔体黏度降低。

在简单碱金属硅酸盐系统
〔R2O—SiO2〕中，碱金属离子R+对黏度的影响与其本身的含量有关。

当R2O含量较低
时(O/Si比值较低)，参加的正离子的半径越小，降低黏度的作用就越大，起次序是：Li+
＞Na+＞K+；当熔体中R2O含量较高(O/Si比值较高)时，R2O对黏度影响的次序是：Li+
＞Na+＞K+。

②二价金属氧化物
二价碱土金属氧化物对黏度的影响比拟复杂，综合各种效应，R2+降低黏度的次序是：
Pb2+＞Ba2+＞Sr2+＞Cd2+＞Ca2+＞Zn2+＞Mg2+.
③高价金属氧化物
一般地，在熔体中引入SiO2、Al2O3、B2O3、ZrO2等高价氧化物时，会导致黏度升高。

2.硼反常现象：当数量不多的碱金属氧化物同B2O3一起熔融时，碱金属所提供的氧不像熔
融SiO2玻璃中作为非桥氧出现在构造中，而是使硼氧三角体转变为由桥氧组成的硼氧四面体，致使B2O3玻璃从原来两度空间的层状构造局部转变为三度空间的架状构造，从而加强了网络构造，并使玻璃的各种物理性能变好。

这与一样条件下的硅酸盐玻璃相比，其性能随碱金属或碱土金属参加量的变化规律相反，所以称之为硼反常现象。

3.非晶态固体——玻璃的通性
①各项同性：无内应力存在的均质玻璃在各个方向的物理性质，如折射率、硬度、导
电性、弹性模量、热膨胀系数、导热系数等都是一样的；
②热力学介稳性：玻璃具有析晶不稳定性与析晶困难相对稳定性的统一；
③熔融态向玻璃态转化的可逆性与渐变性：熔体向玻璃体转化的过程是在较宽的温度
范围内完成得，随着温度的下降，熔体的黏度越来越大，且变化是连续的，最后形
成固相的玻璃，其间没有新相出现，因此具有渐变性；由玻璃加热变为熔体的过程
也是渐变的，因此具有可逆性。

④熔融态向玻璃态转化时物理、化学性质随温度变化的连续性
⑤物理、化学性质随成分变化的连续性。

4.桥氧与非桥氧
在熔体中，与两个Si相连的氧〔O〕称为桥氧〔O b〕，仅与一个Si相连的氧(O)称为非桥
氧〔O nb〕。

5.玻璃转变温度或脆性温度Tg，对应黏度为1×1012Pa·s；玻璃软化温度Tf对应的黏度
为1×108Pa·s。

玻璃转变温度Tg是区分玻璃与其它非晶态固体〔如硅胶、树脂〕的重要
特征。

Tg＜Tf
课后问答题：
22
答：构造差异：
硅酸盐玻璃：石英玻璃是硅酸盐玻璃的根底。

石英玻璃是硅氧四面体[SiO 4]以顶角
相连而组成的三维架状构造。

由于Si —O —Si 键角变动范围大，使石英玻璃中[SiO 4]四面体排列成无规那么网络构造。

SiO 2是硅酸盐玻璃中的主要氧化物。

硼酸盐玻璃：B 和O 交替排列的平面六角环的B —O 集团是硼酸盐玻璃的重要基元，
这些环通过B —O —B 链连成三维网络。

B 2O 3是网络形成剂。

这种连环构造与石英玻璃硅氧四面体的不规那么网络不同，任何O —B 三角体的周围空间并不完全被临接的三角体所填充，两个原子接近的可能性较小。

性能差异：
硅酸盐玻璃：试剂和气体介质化学稳定性好、硬度高、生产方法简单等优点。

硼酸盐玻璃：硼酸盐玻璃有某些优异的特性。

例如：硼酐是唯一能用以制造有吸收
慢中子的氧化物玻璃；氧化硼玻璃的转化温度比硅酸盐玻璃低得多；硼对中子射线的灵敏度高，硼酸盐玻璃作为原子反响堆的窗口对材料起屏蔽中子射线的作用。

第四章 晶体中的点缺陷和线缺陷
知识点：
1. 热缺陷〔本征缺陷〕的根本类型：
①费仑克尔缺陷：当某个原子由于能量涨落而获得足够大的动能时，它就可能脱离正常点阵格点位置，调到邻近的原子间隙中去，形成一个填隙离子，并在原位置留下一个空位，于是在晶体构造中便产生了点缺陷。

特点：空位和填隙原子是成对产生的、等量的。

②肖特基缺陷：晶体内部正常格点上的原子获取额外动能，脱离格点并迁移至晶体的外表，而使晶体内部留下空位的另一种点缺陷。

特点：正离子空位和负离子空位成对产生，晶体体积增大。

③反肖特基缺陷：与肖特基缺陷过程相反，晶体外表的正常原子脱离格点并迁移进入晶体内部成为填隙离子的点缺陷。

2.平衡态热缺陷浓度：
3.固溶体的分类：溶质原子进入晶体后，可以占据基质晶体中正常格点的位置，生成取代〔置换〕型固溶体；假设杂质原子或离子进入溶剂晶格中的间隙位置，那么生成的固溶体称为填隙型固溶体。

4.当晶体中原子或离子排列的周期性在一维线状区域内遭到破坏时，晶体的缺陷将具有线状几何特征，常称为线缺陷或位错。

线缺陷又分为刃型位错，螺型位错，混合位错。

5.位错的滑移：位错沿着滑移面的移动。

刃型位错的攀移：刃型位错在垂直滑移面的方向上运动。

6.位错增殖：经剧烈变形后，金属晶体中位错密度可增加4—5个数量级的现象说明晶体在变形过程中位错不仅能运动，而且能大量增殖。

课后问答题：
4.5试阐述机械混合物、固溶体、化合物和非化学计量化合物之间的异同点。

P127
答：假设晶态固相A ，B 形成的机械混合物那么通常是指A ，B 相以颗粒态混合，A 和B 分别保持原有的构造和性能A ，B 不是均匀的单相而是两相或多相。

)2exp(T
k W N n c B s －==
固溶体：假设晶相A，B形成固溶体，那么A，B中相关的原子或离子间发生原子尺度的混合，形成具有A，B相晶体构造的均匀单晶态物质。

假设晶态固相A，B形成的机械混合物那么通常是指A，B相以颗粒态混合，A和B分别保持原有的构造和性能A，B不是均匀的单相而是两相或多相。

假设形成化合物，那么所形成的化合物在组成构造和性能上可以完全不同于A或B相，其相关原子或离子在数量上将有固定的化学计量比。

组成化合物的组分原子数间不存在整数比的固态化合物称为非化学计量化合物。

化学计量化合物可以看成是变价元素高价态与低价态氧化物之间由于环境中氧分压的变化形成的固溶体，它是不等价置换型固溶体的一个特例。

第五章外表与界面
知识点：
1．无机材料相界面的润湿与黏附
根据润湿的程度不同可将润湿分为附着润湿，铺展润湿，浸渍润湿三种。

①附着润湿指液体和固体接触后，变液—气界面和固—气界面为固—液界面，其单位面积吉布斯自由焓变化为：ΔG1 ＝γSL －(γLV ＋γSV )，附着功为：W＝γLV＋γSV －γSL，W愈大表示固液界面结合愈牢，即附着润湿愈强。

②液滴在固体外表上的铺展是由固—气，固—液和液—气三个界面X力所决定的，有γSV=γSL+γLVcosθ；F=γLV cosθ＝γSV －γSL〔式中，θ—润湿角；F—润湿X力〕。

润湿的先决条件是γSV>γSL或γSL很小。

θ>90°，不润湿；θ<90°，润湿；θ＝0°，液体铺开，完全润湿。

③浸渍润湿指固体浸入液体中的过程。

浸渍润湿比外表自由能的变化：－ΔG＝γLV cos θ＝γSV －γSL。

假设γSV > γSL ,那么θ<90°,浸渍润湿过程将自发进展，此时ΔG<0；假设γSV < γSL，那么θ>90°，要将固体浸入液体之中必须做功，此时ΔG>0。

④润湿的共同点是：液体将气体从固体外表排挤开，使原有的固—气〔或气—液〕界面消失，取而代之的是固—液界面。

铺展是润湿的最高标准，能铺展那么必能附着和浸渍。

2．吸附是一种物质的原子或分子附着在另一种物质外表现象。

外表改性：是利用固体外表的吸附特性，通过各种外表处理技术来改变固体的构造和性质，以适应个种预期的要求。

课后问答题：
5.8什么叫润湿？试分析影响润湿的条件并简述改善润湿的措施。

答：定义：固液接触后，体系〔液体+固体〕吉布斯自由能降低时就称为润湿。

影响润湿的条件及改善润湿的措施：
①γSV↑，一般采用外表处理，提高外表光洁度，除去吸附物。

②γSL↓，采用两相化学性质一样物质。

③γLV↓，采用外表活性剂
④外表粗糙度系数n↑或↓
5.9陶瓷原料球磨时，湿磨的效率往往高于干磨，如果再参加外表活性剂，那么可进一步提高球磨效率，试分析这些现象的机理。

答：湿磨时，磨与原料之间发生润湿，液体将气体从固体外表排挤开，使原有的固—气界面消失，取而代之的是固—液界面，体系吉布斯自由焓降低，外表X力也降低，因此可以提高球磨效率；而外表活性剂是指能够降低体系的外表X力的物质，因此可以进一步提高球磨效率。

5.16试解释黏土构造水、结合水〔结实结合水、疏松结合水〕、自由水的区别，分析后两种水对泥浆流动性和黏土可塑性的影响。

答：黏土构造水是以OH基形式存在于黏土晶格构造内的水；其作用范围在黏土晶格构造内部；脱水后粘土构造破坏；
结实结合水是紧靠粘土颗粒〔胶核〕、束缚很紧的一层完全定向的水分子层；其作用范围在黏土胶粒外3—10水分子层；密度小，热容小介电常数小，冰点低；
疏松结合水是结实结合水周围，自由水之内的水，与黏土颗粒形成一个整体〔胶粒〕，在介质中一起移动；其作用范围在黏土胶粒外＜60水分子层；密度小，热容小介电常数小，冰点低；
自由水是疏松结合水以外的水。

其作用范围在黏土胶粒外＞60水分子层。

在黏土含水量一定的情况下，假设结合水减少，那么自由水就多，此时，黏土胶粒的体积减小，移动容易，因而泥浆黏度小，流动性好；当结合水量增多时，水膜厚，利于黏土胶粒间的滑动，那么可塑性好。

通常，对于塑性泥料，含水量要求到达松结合水状态，而流动泥浆那么要求有自由水存在。

5.17黏土的很多性能与吸附阳离子的种类有关，指出黏土吸附以下不同阳离子后的性能变化规律。

H+Al3+Ba2+Sr2+Ca2+Mg2+NH4+K+Na+Li+
答：1，离子置换能力：从H+到Li+减弱；
2，黏土的§-电位：从H+到Li+增大；
3，黏土的结合水：从H+到Li+增大；
4，泥浆的流动性：从H+到Li+增大；
5，泥浆的稳定性：从H+到Li+增大；
6，泥浆的触变性：从H+到Li+减小；
7，泥团的可塑性：从H+到Li+减弱。

第六章相平衡与相图
知识点：
1.相：是指系统中具有一样物理性质和化学性质的均匀局部。

在一元系统中：C=1；那么F=C-P+2。

自由度F=3-P，P表示相数。

2表示影响因素为温度和压强两项。

在二元凝聚系统中：C=2，那么F=C-P+1，自由度F=3-P,1表示只有温度对凝聚系统有影响。

第七章固体中质点的扩散
知识点：
1．稳定扩散：扩散物质的浓度分布不随时间变化的扩散过程。

不稳定扩散：扩散物质的浓度分布随时间变化的一类扩散。

2．扩散的一般推动力：根本驱动力应该是化学位梯度。

3．本征扩散：仅由本身的热缺陷作为迁移载体的扩散，包括位错扩散、空位扩散、间隙扩散；非本征扩散：非热能引起，如由杂质引起的缺陷而进展的扩散。

4．Fick第一定律〔扩散方程〕：在任何由浓度梯度驱动的扩散体系中，物质将沿其浓度场决定的负梯度方向进展扩散，其扩散流大小与浓度梯度成正比。

适用于扩散质点浓度不随时间变化的稳定扩散。

Fick第二定律〔扩散方程〕：描述不稳定扩散条件下介质中各点物质浓度由于扩散而发生的变化。

适用于不同性质的扩散体系；可用于求解扩散质点浓度分布随时间和距离而变化的不稳定扩散。

第八章固态化学反响
知识点：
1．影响固相化学反响的因素：p299★
①反响物化学组成与构造的影响：反响物化学组成与构造是影响固相反响的内因。

状态
质点间的化学键性质、各种缺陷的多少都会影响反响速。

利用多晶转变、热分解、脱水
反响等过程引起晶格效应来提高生产效率。

②反响物颗粒尺寸及分布的影响：颗粒愈小，反响愈剧烈，R0愈小，比外表↑，反响截
面↑，键强分布曲率变平，弱键比。

③反响温度和压力与气氛的影响：温度变化对化学反响影响较大。

P的影响：
对纯固相：P可显著改变粉料颗粒间的接触状态，如缩短颗粒间距离，增大接触面积，
高固相反响速率；对有液、气相参与的固相反响：反响不是通过固相粒子直接接触进展的，P增大影响不明显，有时相反。

气氛的影响：
气氛可直接影响晶体外表缺陷的浓度和扩散机构与速度。

④矿化剂及其它影响因素
矿化剂：在反响过程中不与反响物或反响产物起化学反响, 但可以不同的方式和程度影
响反响的某些环节。

矿化剂的作用：1，影响晶核的生成速度2，影响结晶速度及晶格构造；3、降低体系共
熔点，改善液相性质等。

课后问答题：
1．试比拟杨德尔方程和金斯特林格方程的优缺点及其适用条件。

答：两个方程都只适用于稳定扩散的情况。

杨德尔方程在反响初期具有很好的适应性，但杨德尔模型中假设球星颗粒截面始终不变，因而只适用反响初期转化率较低的情况。

而金斯特林格方程考虑了在反响进程中反响截面面积随反响过程变化这一事实，因而金斯特林格方程适用范围更广，可以适合反响初中期。

第九章固态相变
知识点：
1，重构型相变、位移型相变、马氏体相变、有序—无序相变、无公度相变的定义和特
点〔有特点的才写〕。

答：重构型相变：在相变过程中物相的构造单元间发生化学键的断裂和重建，并形成一
种新的构造；位移型相变：在相变过程中不涉及母相构造中化学键的断裂和重建，而只
有原子或离子位置的微小位移，或其键角的微小转动。

马氏体是在钢高温淬火过程中通
过相变而得到的一种高硬度产物，其对应的相变称为马氏体相变。

特点：①是以晶格剪
切畸变为主、无成分变化、无扩散的位移型相变②在热力学和动力学上特点显著，如相
变无特定的温度点、转变动力学速率可高达声速等③具有鲜明的结晶学特点：沿母相习
性平面生长、形成与母相保持着确定的切变共格结晶学关系的新相的相变过程。

随温度
升降而出现低温有序和高温无序的可逆转变过程称为有序－无序相变，它的发生常会伴
随超构造现象的出现。

无公度相变是指晶态物质失去平移对称性的相变过程。

2．一级相变：自由能函数的一阶导数在相变点上是不连续的。

特点：自由能函数的一
阶导数在相变点上不连续，体系的熵和体积将发生突变，意味着相变过程将伴随着相变
潜热和体积变化。

二级相变：自由能函数的一阶导数在相变点上是连续的，二阶导数在
相变点上是不连续的。

特点：相变时两相化学势相等，其一级偏微熵也相等，而二级偏
微熵不等。

体系的熵和体积在相变过程中无跳跃变化，但二级相变将带来系统的比热容、
压缩率、热膨胀系数等性质发生突变。

3．相变热力学推动力应为过冷度〔相变过程放热时，否那么为过热〕、过饱和浓度、过
饱和蒸汽压〔相变过程与浓度和蒸汽压有关时〕。

P319 ★
4．均匀成核：组成一定，熔体均匀一相，在T0温度下析晶，发生在整个熔体内部，析
出物质组成与熔体一致。

非均匀成核－－有外加界面参加的成核。

5．玻璃析晶：玻璃析晶指由于玻璃的内能较同组成的晶体为高，所以玻璃处于介
稳状态，在一定条件下存在着自发地析出晶体的倾向，这种出现晶体的现象叫做
玻璃析晶。

玻璃分相：在高温时是均匀的玻璃态物质，冷却至一定温度范围内，有可
能分解成两种或更多种互不溶解(或局部溶解)的液相(或玻璃相)的现象。

6，结晶是指由气相或液相物质在一定条件下转变成晶体的过程。

第十章固态烧结
知识点
1．液相烧结：但凡有液相参与的烧结过程。

固相烧结；在烧结温度下，根本上无液相出现的烧结如：高纯氧化物之间的烧结。

晶粒生长是指无应变的材料在热处理时，平均晶粒尺寸在不改变其分布的情况下连续增
大的过程。

2．烧结：由于固态中分子〔或原子〕的相互吸引，通过加热，使粉末体产生颗粒黏结，
经过物质迁移使粉末体产生强度并导致致密化和再结晶的过程，称为烧结。

P354
烧成：包括多种物理和化学变化，如脱水、胚体内气体分解、多相反响和熔融、溶解、
烧结等。

在一定的温度范围内烧制成致密体的全过程。

3．二次再结晶是指少数巨大晶粒在细晶粒消耗时的异常长大过程。

4．烧结的推动力：粉状物料的外表能大于多晶烧结体的晶界能。

P355★
5．烧结的特点：颗粒间接触面积扩大，颗粒聚集，颗粒中心距逼近，逐渐形成晶界，
气孔形状变化，体积缩小，从连同的气孔变成各自孤立的气孔并逐渐缩小，以致最后大
局部甚至全部气孔从胚体中排除。

随着烧结温度的升高而逐渐推进。

P353
6．固相反响开场温度常远低于反响物的熔点或系统低共熔点温度；此温度与反响物内
部开场呈现明显扩散作用的温度一致，称为泰曼温度，或烧结开场温度。

7．晶界在烧结中的作用：
①晶界是气孔〔空位源〕通向烧结体外地主要扩散通道
②晶界上溶质的偏聚可以延缓晶界的移动。

溶质易在晶界上偏析，在胚体中参加少量溶质，可逆制晶界移动，使气孔在烧结的的始终都保持在晶界上，防止晶粒的不连续生长。

③晶界对扩散传质烧结过程是有利的。

课后问答题：
10．12影响烧结的因素有哪些？最易控制的因素有哪几个？P378★
答：1.原始粉料的粒度：细颗粒由于增加了烧结的推动力，缩短了原子扩散距离和提高
了颗粒在液相中的溶解度而导致烧结过程的加速。

2.烧结助剂：在固相烧结中加少量烧结助剂，可与主晶形成固溶体促进缺陷增加；在那
液相烧结中参加烧结助剂能改善液相的性质，因而能起到促进烧结的作用。

3.烧结温度与时间：高温短时间烧结是制造致密陶瓷材料的好方法。

4．气氛：根据材料的组成，烧结条件，外加剂种类和数量来选择适宜的气氛有助于促
进烧结。

5.盐类的选择及其煅烧条件：在通常条件下，原始配料均以盐类形式参加，经加热后以氧化物形式发生烧结。

用能够生成粒度小、晶格常数较大、微晶较小、构造松弛的MgO的原料盐来获得活性MgO，其烧结活性良好。

6.成型压力的影响：成型压力愈大，颗粒间接触越严密，对烧结越有利。

最易控制的因素有：烧结助剂、烧结温度与时间、盐类的选择及其煅烧条件。

10．16固相烧结与液相烧结有何异同点？液相烧结有哪些类型，各有何特点？
一样点：推动力〔能量差〕都是外表，烧结过程也是由颗粒重排、气孔填充、晶粒生长等阶段组成；
相异点：流动传质速率比扩散传质快，因而致密液相烧结的致密化速率高，从而使液相烧结在比固态烧结温度低得多的情况下获得致密的烧结体。

液相烧结的类型及其特点：
①黏性流动，当液相量较大，由于高温流体出现牛顿型流动而产生的传质。

②塑性流动，当胚体中液相含量很少时，高温下流动不能看成是纯牛顿型流动。

10．17试比拟各种传质过程产生的原因、条件、特点和工艺控制要素。

P357
1．蒸发－凝聚传质
产生原因：曲率半径差异产生DP
条件：颗粒足够小〔压力显著〕，r <10mm特点：烧结时颈部区域扩大，球的形状改变为椭圆，气孔形状改变，但球与球之间的中心距不变，也就是在这种传质过程中胚体不发生收缩。

工艺控制要素：原料初始粒度R越小，烧结速率越大。

烧结温度T越大，蒸汽压越大，促进烧结。

另外，延长烧结时间不能显著促进烧结结果。

2．扩散传质：产生原因：空位浓度差。

条件：有物质向气孔迁移，气孔作为空位源，空位进展反向迁移。

颗粒点接触处的应力促使扩散传质中物质的定向迁移。

特点：在宏观上表现为气孔率下降和胚体收缩。

工艺控制要素：①烧结时间，以扩散传质为主的传质手段，用延长时间来到达胚体致密化的目的是不妥当的。

②原料的起始粒度：粒度要适当的小一点，因为小颗粒在同样的时间内致密化速率很高。

③温度：温度升高，扩散系数明显增大，那么必然加快烧结的进展。

3. 流动传质：产生原因：应力与变力。

特点：整排原子沿着应力方向移动，流动并引起重排，致密化速率高。

条件：黏性流动黏度小，塑性流动屈服值。

影响因素：颗粒起始粒径、黏度和外表X力。

影响因素：黏度和黏度随温度变化越小，粒径越小，烧结速率越大。

4溶解—沉淀传质：产生原因：由于颗粒接触点处〔或小晶粒〕在液相中的溶解度大于自由外表〔或大晶粒〕处的溶解度。

这样就在两个对应部位上产生化学位梯度。

化学位梯度使物质发生迁移，通过液相传递而导致晶粒生长和胚体致密化。

条件：①显著数量的液相；
②固相在液相内有显著的可溶性；③液体润湿固相。

特点：溶解—沉淀传质，同时又是晶粒生长。

影响因素：致密化速率与温度，液相数量成正比，与粒度、黏度成反比。