08本科-材料科学基础(B)答案

材料科学基础（B）考试试题（答案）

一、名词解释（每小题5分，共20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、点缺陷、线缺陷

点缺陷：亦称为零维缺陷，缺陷尺寸为原子大小数量级，包括空位、间隙原子、杂质原子和色心等。

线缺陷：亦称一维缺陷或位错，是指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列所产生的缺陷，包括棱位错和螺形位错；

3、硼反常现象

硼反常现象：当数量不多的碱金属氧化物同氧化硼一起熔融时，碱金属所提供的氧不象熔融玻璃中作为非桥氧出现在结构中，而是使硼氧三角体转变为桥氧组成的硼氧四面体，致使玻璃从原来两度空间的层状结构转变为三度空间的架状结构，从而加强了网络结构，并使玻璃的各种物理性能变好。这与相同条件下的硅酸盐玻璃相比，其性能随碱金属或碱土金属加入量的变化规律相反，所以称之为硼反常现象；

4、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

1、影响置换型和间隙型固熔体形成的因素有那些?（10）

答：（一）影响置换型固溶体形成的因素：

（1）原子或离子半径：△r=（r1-r2）/r1<15%时形成连续固溶体；15%<△r <30%时形成有限固溶体；△r >30%时难于形成固溶体。

（2）晶体结构类型相同是形成是形成连续固溶体的必要条件。

（3）离子类型和化学键相同或相近容易形成固容体。

（4）电价要保持电中性。

（二）影响间隙型固溶体形成的因素：

（1）杂质质点越小，易形成固溶体。

（2）晶体结构。结构疏松易形成固溶体。

（3）电价要保持平衡。

2、试述石英晶体、石英熔体、Na2O•2SiO2熔体结构和性质上的区别。（10）答：（1）结构区别

石英晶体：以硅氧四面体为基本结构基元，硅氧四面体之间相互连接，在空间

上有序排列；

石英熔体：也是以以硅氧四面体为基本结构基元，但硅氧四面体中Si —O 键之间的交角大小以及硅氧四面体在空间上的连接是无序的；

Na 2O•2SiO 2熔体结构：在结构上与石英熔体相似，由于该熔体中有Na 2O 组分，Na +与SiO 2中的O 形成非桥氧。

（2）性能区别：石英晶体与石英熔体虽然成分相同，但二者性能有一定差别，石英晶体质点排列有序，所以内能最低，化学性能更稳定；石英熔体质点排列无序，相对石英晶体而言，内能更高，化学稳定性相对较差；由于Na 2O•2SiO 2熔体中的Na —O —Si 键比SiO 2熔体中O —Si 键更弱，因此Na 2O•2SiO 2熔体比SiO 2熔体的化学稳定性差，膨胀系数大，而且熔体黏度也更小。

3、分析影响固相反应的因素。（10）

答：固相反应的影响因素包括：

（1）反应物化学组成。反应自由焓减小 △G<0；增加反应物的面积；矿化剂的作用。

（2）反应物颗粒度与均匀性。粒度越小，均匀度好，有利反应进行。

（3）反应温度。温度高，有利于反应和质点扩散。

（4）压力与气氛。

（5）反应物活性。

三、计算题（35分）

1、试写出下列缺陷方程：(5)

①−−→−2ThO

CaO

②−−→−MgO O Y 32

2、将CaO 外加到ZrO2中去能生成不等价置换固溶体，在1600℃时，该固体具有立方萤石结构，经x 射线分析测定，当溶入0.15摩尔CaO 时，晶胞参数a=5.131A ，实验测定密度D=0.5477克／cm3，对于CaO-Zr02固溶体来说，从满足电中性来看，可以形成氧离子空位的固溶体也可形成Ca2+嵌入阴离子间隙中的固溶体，其固溶方程为：

请写出两种固溶体的化学式，并通过计算密度，判断生成的是哪一种固溶体。（10）

（其中Zr 的原子量为91.22，Ca 的原子量为40.08，O 原子量为16，阿佛加德罗常数为6.023×1023）

解：

（1）两种固溶体缺陷的方程式

−−→−2ZrO CaO Zr Ca +''o V +O O 阴离子空位固溶体的化学式为：

Zr 0.85Ca 0.15O 1.85

2−−→−2ZrO CaO Zr Ca +''i Ca +2O O 阳离子填隙固溶体的化学式为：

Zr 0.925Ca 0.15O 2

（2） ZrO 2-CaO 的密度：

阴离子空位固溶体密度:

ρ=V M =3923)

105131.0(1002.6485.1*164*)15.0*08.4085.0*22.91(-⨯⨯⨯⨯++=5.5656×103kg/m 3 阳离子填隙固溶体密度:

ρ=V M =3

923)105131.0(1002.642*164*)15.0*08.40925.0*22.91(-⨯⨯⨯⨯+++=6.0202×103kg/m 3 比较可知：所生成的固溶体为阴离子空位固溶体

3.铁的原子量为 55.84 ，密度为 7.32 g /cm 3，熔点为 1593 ℃，熔化热为 11495

J ／mol ，固液界面能为 2.04 ×10-5 J /cm 2 ，试求在过冷度为 10 ℃、 100 ℃

时的临界晶核大小并估计这些晶核分别由多少个晶胞所组成（已知铁为体心立方晶格，晶格常数 a=0.305 nm) （10）

4、在1500℃Al 2O 3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0.5℅MgO 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 G 2－Go 2=kt 得：

102－12=k 1·1 k 1=99

1500℃ k 1=A exp(873

18.314335000-⨯) A=7.39×1011 假若A 不随温度变化

1700℃ k 2=7.39×1011 exp(973

18.314335000-⨯)=739 保温4个小时：D 2－(0.5)2=739×4 D=54.37um

加入杂质后，降低晶粒生长速度，采用公式：

D 3－D o 3=kt 计算 即D 3=14.35um

四、作图、分析题（15’）

右图为生成一个三元化合物的三元相图：

①判断三元化合物S 的性质；(2)

②标出边界曲线的温降方向（转熔界线用双箭头）；(4’)