无机材料科学基础-陆佩文-课后答案

2-1 名词解释（a ）弗伦克尔缺陷与肖特基缺陷；（b ）刃型位错和螺型位错 （c ）类质同象与同质多晶

解：（a ）当晶体热振动时，一些能量足够大的原子离开平衡位置而挤到晶格点的间隙中，形成间隙原子，而原来位置上形成空位，这种缺陷称为弗伦克尔缺陷。如果正常格点上原子，热起伏后获得能量离开平衡位置，跃迁到晶体的表面，在原正常格点上留下空位，这种缺陷称为肖特基缺陷。（b ）滑移方向与位错线垂直的位错称为刃型位错。位错线与滑移方向相互平行的位错称为螺型位错。（c ）类质同象：物质结晶时，其晶体结构中部分原有的离子或原子位置被性质相似的其它离子或原子所占有，共同组成均匀的、呈单一相的晶体，不引起键性和晶体结构变化的现象。同质多晶：同一化学组成在不同热力学条件下形成结构不同的晶体的现象。

2-6（1）在CaF 2晶体中，弗仑克尔缺陷形成能为2.8eV ，肖特基缺陷的生成能为5.5eV ，计算在25℃和1600℃时热缺陷的浓度？（k ＝1.38×10－23J/K ）

（2）如果CaF 2晶体中，含有百万分之一的YF 3杂质，则在1600℃时，CaF 2晶体中时热缺陷占优势还是杂质缺陷占优势？说明原因。

解：（1）弗仑克尔缺陷形成能为2.8eV ，小于肖特基缺陷形成能5.5eV ，所以CaF 2晶体中主要是弗仑克尔缺陷，肖特基缺陷可忽略不计。-----------1分

当T ＝25℃＝298K 时，热缺陷浓度为：

242319298

1006.2)2981038.1210602.18.2exp()2exp(---⨯=⨯⨯⨯⨯⨯-=∆-=⎪⎭⎫ ⎝⎛kT G N n f ----2分 当T ＝1600℃＝1873K 时，热缺陷浓度为：

423191873

107.1)18731038.1210602.18.2exp()2exp(---⨯=⨯⨯⨯⨯⨯-=∆-=⎪⎭⎫ ⎝⎛kT G N n f -----2分 （2）CaF 2中含百万分之一（10－

6）的YF 3时的杂质缺陷反应为： Ca

F Ca CaF V F Y YF ''++−−→−∙62223 由此可知：[YF3]=2[Ca V '']，所以当加入10－

6YF3时，杂质缺陷的浓度为： 73105][2

1][-⨯==''YF V Ca 杂--------------------1分 此时，在1600℃下的热缺陷计算为：

Ca

i Ca V Ca Ca ''+→∙∙ x x ＋5×10－

7 则：8241089.2)107.1()exp(][]][[--∙∙⨯=⨯=∆-==''kT

G k Ca V Ca f Ca Ca i 即：871089.21

)105(--⨯=⨯+x x ，x ≈8.1×10－4 热缺陷浓度： 4

101.8][-⨯=≈''x V Ca 热------------------1分

显然：][][热杂Ca Ca

V V ''>''，所以在1600℃时是弗仑克尔热缺陷占优势 2-10 ZnO 是六方晶系，a=0.3242nm ，c=0.5195nm ，每个晶胞中含2个ZnO 分子，测得晶体密度分别为5.74，5.606 g/cm 3，求这两种情况下各产生什么型式的固溶体？

解：六方晶系的晶胞体积 V===4.73cm 3

在两种密度下晶胞的重量分别为

W 1=d 1v=5.74×4.73×10-23=2.72×10-22(g) W 2=d 2v=5.606×4.73×10-23=2.65×10-22(g)

理论上单位晶胞重

W= =2.69(g)

∴密度是d1时为间隙型固溶体，是d2时为置换型固溶体。

以AO 溶质溶解在B 2O 3溶剂中为例：

固 溶（3-1试简述硅酸盐熔体聚合物结构形成过程和结构特点？

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。

产物中有低聚物、高聚物、三维晶格碎片以及游离碱、吸附物，最后得到的熔体是不同聚合度的各种聚合物的混合物，构成硅酸盐结构。聚合物种类、大小和数量随熔体的组成和温度而变化

3-2简述影响熔体粘度的因素？

答：影响熔体粘度的主要因素：温度和熔体的组成。

碱性氧化物含量增加，剧烈降低粘度。

随温度降低，熔体粘度按指数关系递增。

3-3 名词解释（并比较其异同）

⑴ 晶子学说和无规则网络学说 ⑵ 单键强 ⑶ 分化和缩聚 ⑷ 网络形成剂和网络变性剂

答：⑴晶子学说：玻璃内部是由无数“晶子”组成，微晶子是带有晶格变形的有序区域。它们分散在无定形介中质，

晶子向无定形部分过渡是逐渐完成时，二者没有明显界限。

无规则网络学说：凡是成为玻璃态的物质和相应的晶体结构一样，也是由一个三度空间网络所构成。这种

网络是由离子多面体（三角体或四面体）构筑起来的。晶体结构网是由多面体无数次有

规律重复构成，而玻璃中结构多面体的重复没有规律性。

⑵单键强：单键强即为各种化合物分解能与该种化合物配位数的商。

⑶分化过程：架状[SiO 4]断裂称为熔融石英的分化过程。

缩聚过程：分化过程产生的低聚化合物相互发生作用，形成级次较高的聚合物，次过程为缩聚过程。 ⑷网络形成剂：正离子是网络形成离子，对应氧化物能单独形成玻璃。即凡氧化物的单键能/熔点﹥

0.74kJ/mol .k 者称为网络形成剂。

网络变性剂：这类氧化物不能形成玻璃，但能改变网络结构，从而使玻璃性质改变，即单键强/熔点﹤ 0.125kJ/mol .k 者称为网络变形剂。

3-4玻璃的组成是13wt%Na 2O 、13wt%CaO 、74wt%SiO 2，计算非桥氧分数？

解：

Na 2O CaO SiO 2 wt%

13 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=2.36 ∵Z=4 ∴X=2R ﹣Z=2.39×2﹣4=0.72

Y=Z ﹣X= 4﹣0.72=3.28 非氧桥%=Y/2

＋X X =0.72/（3.28×0.5+0.72） =30.5% 3-5试用实验方法鉴别晶体SiO 2、SiO 2玻璃、硅胶和SiO 2熔体。它们的结构有什么不同？

答：利用X —射线检测。 晶体SiO 2—质点在三维空间做有规律的排列，各向异性。 SiO 2熔体—内部结构为架状，近程有序，远程无序。 SiO 2玻璃—各向同性。 硅胶—疏松多孔。

3-9在SiO 2中应加入多少Na 2O ，使玻璃的O/Si=2.5，此时析晶能力是增强还是削弱？

解：设加入x mol 的Na 2O ，而SiO 2的量为y mol 。 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

3-11 有一组二元硅酸盐熔体，其R 值变化规律如下，写出熔体一系列性质的变化规律(用箭头表示) R ＝2； 2.5 ； 3 ; 3.5 ; 4

(1) 游离碱含量 (2) O/Si

(3) 低聚合物数量(4) 熔体粘度

(5) 形成玻璃能力(6) 析晶能力

4-5试解释粘土结构水和结合水（牢固结合水、松结合水）、自由水的区别，分析后两种水在胶团中的作用范围及其对工艺性能的影响。

解： 粘土结构水是粘土结构中的水；由于粘土颗粒一般带负电，又因水是极性分子，当粘土颗粒分散于水中时，在粘土表面负电场的作用下，水分子以一定取向分布在粘土颗粒周围以氢键与其表面上的氧和氢氧基结合，负电端向外。在第一层水分子的外围形成一个负电表面，因而又吸引第二层水分子。负电场对水分子的引力作用，随着离开粘土表面距离的增加而减弱，因此水分子的排列也有定向逐渐过渡到混乱。靠近内层形成的定向排列的水分子层称为牢固结合水，围绕在粘土颗粒周围，与粘土颗粒形成一个整体，一起在介质中运动，其厚度约为3－10个水分子厚。在牢固结合水的外围吸引着一部分定向程度较差的水分子层称为松结合水，由于离开粘土颗粒表面较远，他们之间的结合力较小。在松结合水以外的水叫自由水。结合水的密度大，热容小，界电常数小，冰点低等，在物理性质上与自由水不同。粘土和水结合的数量可以用测量润饰热来判断。粘土与这三种水结合的状态与数量将会影响粘土－水系统的工艺性能。在粘土含水量一定的情况下，若结合水减少，则自由水就多，此时粘土胶的体积减小，容易移动，因而泥浆粘度小，流动性好；当结合水量多时，水膜厚，利于粘土胶粒间的滑动，则可塑性好。

4-7黏土胶粒分散在水中时，因吸附层与扩散层各带有相反的电荷，所以相对移动时两者之间就存在着电位差，这个电位差称电动电位或ζ-电位。其数值对黏土泥浆的稳定性有重要的作用。

8-3 大 小

（1）离子置换能力

（2）黏土的ζ-电位

（3）泥浆的流动性

（4）泥浆的稳定性

（5）黏土的结合水

（6）泥浆的触变性

（7）泥团的可塑性