無(wú)機(jī)材料科學(xué)基礎(chǔ)課后答案

1、第二章 晶體結(jié)構(gòu)答案2-4定性描述晶體結(jié)構(gòu)的參量有哪些？定量描述晶體結(jié)構(gòu)的參量又有哪些？答：定性：對(duì)稱軸、對(duì)稱中心、晶系、點(diǎn)陣。定量：晶胞參數(shù)。2-5依據(jù)結(jié)合力的本質(zhì)不同，晶體中的鍵合作用分為哪幾類？其特點(diǎn)是什么？答：晶體中的鍵合作用可分為離子鍵、共價(jià)鍵、金屬鍵、范德華鍵和氫鍵。離子鍵的特點(diǎn)是沒(méi)有方向性和飽和性，結(jié)合力很大。共價(jià)鍵的特點(diǎn)是具有方向性和飽和性，結(jié)合力也很大。金屬鍵是沒(méi)有方向性和飽和性的的共價(jià)鍵，結(jié)合力是離子間的靜電庫(kù)侖力。范德華鍵是通過(guò)分子力而產(chǎn)生的鍵合，分子力很弱。氫鍵是兩個(gè)電負(fù)性較大的原子相結(jié)合形成的鍵，具有飽和性。2-6等徑球最緊密堆積的空隙有哪兩種？一個(gè)球的周圍有多少個(gè)四

2、面體空隙、多少個(gè)八面體空隙？答：等徑球最緊密堆積有六方和面心立方緊密堆積兩種，一個(gè)球的周圍有8個(gè)四面體空隙、6個(gè)八面體空隙。2-7n個(gè)等徑球作最緊密堆積時(shí)可形成多少個(gè)四面體空隙、多少個(gè)八面體空隙？不等徑球是如何進(jìn)行堆積的？答：n個(gè)等徑球作最緊密堆積時(shí)可形成n個(gè)八面體空隙、2n個(gè)四面體空隙。不等徑球體進(jìn)行緊密堆積時(shí)，可以看成由大球按等徑球體緊密堆積后，小球按其大小分別填充到其空隙中，稍大的小球填充八面體空隙，稍小的小球填充四面體空隙，形成不等徑球體緊密堆積。2-8寫(xiě)出面心立方格子的單位平行六面體上所有結(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。答：面心立方格子的單位平行六面體上所有結(jié)點(diǎn)為：（000）、（001）（100）（10

3、1）（110）（010）（011）（111）（0）（0）（0）（1）（1）（1）。2-9計(jì)算面心立方、密排六方晶胞中的原子數(shù)、配位數(shù)、堆積系數(shù)。答：面心：原子數(shù)4，配位數(shù)6，堆積密度六方：原子數(shù)6，配位數(shù)6，堆積密度2-10根據(jù)最緊密堆積原理，空間利用率越高，結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，金剛石結(jié)構(gòu)的空間利用率很低（只有34.01），為什么它也很穩(wěn)定？答：最緊密堆積原理是建立在質(zhì)點(diǎn)的電子云分布呈球形對(duì)稱以及無(wú)方向性的基礎(chǔ)上的，故只適用于典型的離子晶體和金屬晶體，而不能用最密堆積原理來(lái)衡量原子晶體的穩(wěn)定性。另外，金剛石的單鍵個(gè)數(shù)為4，即每個(gè)原子周圍有4個(gè)單鍵（或原子），由四面體以共頂方式共價(jià)結(jié)合形成三維空間結(jié)構(gòu)，

4、所以，雖然金剛石結(jié)構(gòu)的空間利用率很低（只有34.01），但是它也很穩(wěn)定。2-11證明等徑圓球六方最密堆積的空隙率為25.9。答：設(shè)球半徑為a，則球的體積為，球的z=4，則球的總體積（晶胞），立方體晶胞體積：(2a)3=16a3，空間利用率=球所占體積/空間體積=74.1%，空隙率=1-74.1%=25.9%。2-12金屬鎂原子作六方密堆積，測(cè)得它的密度為1.74g/cm3，求它的晶胞體積。答：設(shè)晶胞的體積為V,相對(duì)原子質(zhì)量為M,則晶胞體積nm32-13根據(jù)半徑比關(guān)系，說(shuō)明下列離子與O2配位時(shí)的配位數(shù)各是多少？已知rO20.132nm，rSi40.039nm，rK0.131nm，rAl30.05

5、7nm，rMg20.078nm。答：對(duì)于Si4+、K+、Al3+、Mg2+來(lái)說(shuō)，其依次是0.295、0.99、0.43、0.59；依據(jù)正離子配位數(shù)與正負(fù)離子半徑比的關(guān)系知配位數(shù)為：Si4+4；K+8；Al3+6；Mg2+6。2-14為什么石英不同系列變體之間的轉(zhuǎn)化溫度比同系列變體之間的轉(zhuǎn)化溫度高得多？答：石英同一系列之間的轉(zhuǎn)變是位移性轉(zhuǎn)變，不涉及晶體結(jié)構(gòu)中鍵的破裂和重建，僅是鍵長(zhǎng)、鍵角的調(diào)整、需要能量較低，且轉(zhuǎn)變迅速可逆；而不同系列之間的轉(zhuǎn)變屬于重建性轉(zhuǎn)變，都涉及到舊鍵的破裂和新鍵的重建，因而需要較的能量，且轉(zhuǎn)變速度緩慢；所以石英不同系列之間的轉(zhuǎn)化溫度比同系列變體之間轉(zhuǎn)化的溫度要高的多。2-1

6、5有效離子半徑可通過(guò)晶體結(jié)構(gòu)測(cè)定算出。在下面NaCl型結(jié)構(gòu)晶體中，測(cè)得MgS和MnS的晶胞參數(shù)均為a0.520nm（在這兩種結(jié)構(gòu)中，陰離子是相互接觸的）。若CaS（a0.567nm）、CaO（a0.480nm）和MgO（a0.420nm）為一般陽(yáng)離子陰離子接觸，試求這些晶體中各離子的半徑。答：MgS中a=0.502nm，陰離子相互接觸，a=2r-，rS2-=0.177nm；CaS中a=0.567nm，陰陽(yáng)離子相互接觸，a=2(r+r-)，rCa2+=0.107nm；CaO中a=0.408nm，a=2(r+r-)，rO2-=0.097nm；MgO中a=0.420nm，a=2(r+r-)，rMg2

7、+=0.113nm。2-16氟化鋰（LiF）為NaCl型結(jié)構(gòu)，測(cè)得其密度為2.6g/cm3，根據(jù)此數(shù)據(jù)計(jì)算晶胞參數(shù)，并將此值與你從離子半徑計(jì)算得到數(shù)值進(jìn)行比較。答：設(shè)晶胞的體積為V,相對(duì)原子質(zhì)量為M,對(duì)于NaCl型結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，其n=4,則晶胞體積nm3則晶胞參數(shù)：,根據(jù)離子半徑計(jì)算：a=2(r+r-)=4.14nm<a2-17Li2O的結(jié)構(gòu)是O2作面心立方堆積，Li占據(jù)所有四面體空隙位置，氧離子半徑為0.132nm。求：（1）計(jì)算負(fù)離子彼此接觸時(shí)，四面體空隙所能容納的最大陽(yáng)離子半徑，并與書(shū)末附表Li半徑比較，說(shuō)明此時(shí)O2能否互相接觸；（2）根據(jù)離子半徑數(shù)據(jù)求晶胞參數(shù)；（3）求Li2O的密度

8、。解：根據(jù)上圖GO=FO=rmax，AB=BC=AC=AD=BD=CD=2由幾何關(guān)系知：=0.054nm比Li+的離子半徑rLi+=0.078nm小，所以此時(shí)O2-不能互相接觸。晶胞參數(shù)=0.373nmLi2O的密度g/cm32-18MgO和CaO同屬NaCl型結(jié)構(gòu)，而它們與水作用時(shí)則CaO要比MgO活潑，試解釋之。解：因?yàn)閞Mg2+與rCa2+不同，rCa2+>rMg2+，使CaO結(jié)構(gòu)較MgO疏松，H2O易于進(jìn)入，所以活潑。2-19CaF2的晶胞參數(shù)為0.547nm。（1）根據(jù)CaF2晶胞立體圖畫(huà)出CaF2晶胞在（001）面上的投影圖；（2）畫(huà)出CaF2（110）面上的離子排列簡(jiǎn)圖；（

9、3）正負(fù)離子半徑之和為多少？解（1）CaF2晶胞在（001）面上的投影圖（2）CaF2（110）面上的離子排列簡(jiǎn)圖（3）正負(fù)離子半徑之和2-20計(jì)算CdI2晶體中的I及CaTiO3晶體中O2的電價(jià)是否飽和？解：CdI2晶體中Cd2+的配位數(shù)CN=6，I-與三個(gè)在同一邊的Cd2+相連，且I-的配位數(shù)CN=3所以，即I-電價(jià)飽和CaTiO3晶體中，Ca2+的配位數(shù)CN=12，Ti4+的配位數(shù)CN=6，O2-的配位數(shù)CN=6所以，即O2-電價(jià)飽和。2-21（1）畫(huà)出O2作面心立方堆積時(shí)，各四面體空隙和八面體空隙的所在位置（以一個(gè)晶胞為結(jié)構(gòu)基元表示出來(lái)）；（2）計(jì)算四面體空隙數(shù)、八而休空隙數(shù)與O2數(shù)之

10、比解（1）略（2）四面體空隙數(shù)與O2數(shù)之比為2:1，八面體空隙數(shù)與O2數(shù)之比為1:12-22根據(jù)電價(jià)規(guī)則，在下面情況下，空隙內(nèi)各需填入何種價(jià)數(shù)的陽(yáng)離子，并對(duì)每一種結(jié)構(gòu)舉出個(gè)例子。（1）所有四面體空隙位置均填滿；（2）所有八面體空隙位置均填滿；（3）填滿半四面體空隙位置；（4）填滿半八面體空隙位置。答：分別為（1）陰陽(yáng)離子價(jià)態(tài)比應(yīng)為1:2如CaF2（2）陰陽(yáng)離子價(jià)態(tài)比應(yīng)為1:1如NaCl（3）陰陽(yáng)離子價(jià)態(tài)比應(yīng)為1:1如ZnS（4）陰陽(yáng)離子價(jià)態(tài)比應(yīng)為1:2如TiO22-23化學(xué)手冊(cè)中給出NH4Cl的密度為1.5g/cm3，X射線數(shù)據(jù)說(shuō)明NH4Cl有兩種晶體結(jié)構(gòu)，一種為NaCl型結(jié)構(gòu)，a0.726n

11、m；另一種為CsCl結(jié)構(gòu)，a0.387nm。上述密度值是哪一種晶型的？（NH4離子作為一個(gè)單元占據(jù)晶體點(diǎn)陣）。解：若NH4Cl為NaCl結(jié)構(gòu)則可由公式可得：=0.912g/cm3若NH4Cl為NaCl結(jié)構(gòu)，則可由公式可得：=1.505由計(jì)算可知NaCl型結(jié)構(gòu)的NH4Cl與化學(xué)手冊(cè)中給出NH4Cl的密度接近，所以該密度NaCl晶型2-24MnS有三種多晶體，其中兩種為NaCl型結(jié)構(gòu)，一種為立方ZnS型結(jié)構(gòu)，當(dāng)有立方型ZnS結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)镹aCl型結(jié)構(gòu)時(shí)，體積變化的百分?jǐn)?shù)是多少？已知CN6時(shí)，rMn20.08nm，rS20.184nm；CN4時(shí)，rMn20.073nm，rS20.167nm。解：當(dāng)為立

12、方ZnS型結(jié)構(gòu)時(shí)：=0.472nm當(dāng)為NaCl型結(jié)構(gòu)時(shí)：=2(rMn2+rS2-)=2(0.08+0.184)=0.384nm所以體積變化：=46.15%2-25鈦酸鋇是一種重要的鐵電陶瓷，其晶型是鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，試問(wèn)：（1）屬于什么點(diǎn)陣？（2）這個(gè)結(jié)構(gòu)中離子的配位數(shù)為若干？（3）這個(gè)結(jié)構(gòu)遵守鮑林規(guī)則嗎？請(qǐng)作充分討論。答：（1）屬于立方晶系（2）Ba2+、Ti4+和O2-的配位數(shù)分別為12、6和6（3）這個(gè)結(jié)構(gòu)遵守鮑林規(guī)則鮑林第一規(guī)則配位多面體規(guī)則對(duì)于Ti4+配位數(shù)為6對(duì)于Ba2+配位數(shù)為12符合鮑林第一規(guī)則鮑林第二規(guī)則電價(jià)規(guī)則即負(fù)離子電荷Z-=則O2-離子電荷=與O2-離子電荷相等，故符合鮑林第

13、二規(guī)則，又根據(jù)鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)知其配位多面體不存在共棱或共面的情況，結(jié)構(gòu)情況也符合鮑林第四規(guī)則不同配位體連接方式規(guī)則和鮑林第五規(guī)則節(jié)約規(guī)則所以鈣鈦礦結(jié)構(gòu)遵守鮑林規(guī)則。2-26硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)有何特點(diǎn)？怎樣表征其學(xué)式？答：硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，但不同的結(jié)構(gòu)之間具有下面的共同特點(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)中的Si4+離子位于O2-離子形成的四面體中心，構(gòu)成硅酸鹽晶體的基本結(jié)構(gòu)單元SiO4四面體。Si-O-Si是一條夾角不等的折線，一般在145°左右。（2）SiO4四面體的每個(gè)頂點(diǎn)，即O2-離子最多只能為兩個(gè)SiO4四面體所共用。（3）兩個(gè)相鄰的SiO4四面體之間只能共頂而不能共棱或共面連接。（4）SiO4

14、四面體中心的Si4+離子可以部分地被Al3+離子所取代，取代后結(jié)構(gòu)本身不發(fā)生太大變化，即所謂的同晶取代，但晶體的性質(zhì)發(fā)生了很大的變化。這為材料的改性提供了可能。硅酸鹽的化學(xué)式表征方法主要有以下兩種：（1）氧化物表示法將構(gòu)成硅酸鹽晶體的所有氧化物按一定的比例和順序全部寫(xiě)出來(lái)，先是1價(jià)的堿金屬氧化物，其次是2價(jià)、3價(jià)的金屬氧化物，最后是SiO2（2）無(wú)機(jī)絡(luò)合鹽表示法構(gòu)成硅酸鹽晶體的所有離子按一定的比例和順序全部寫(xiě)出來(lái)，再把相關(guān)的絡(luò)陰離子用中括號(hào)括起來(lái)即可。先是1價(jià)、2價(jià)的金屬離子，其次是Al3+離子和Si4+離子，最后是O2-離子和OH-離子。氧化物表示法的優(yōu)點(diǎn)在于一目了然的反應(yīng)出晶體的化學(xué)組成，

15、可以按此配料來(lái)進(jìn)行晶體的實(shí)驗(yàn)室合成。用無(wú)機(jī)絡(luò)合鹽法則可以比較直觀的反應(yīng)出晶體所屬的結(jié)構(gòu)類型，進(jìn)而可以對(duì)晶體結(jié)構(gòu)及性質(zhì)作出一定程度的預(yù)測(cè)。兩種表示方法之間可以相互轉(zhuǎn)換。2-27硅酸鹽晶體的分類依據(jù)是什么？可分為那幾類，每類的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是什么？答：硅酸鹽晶體主要是根據(jù)SiO4在結(jié)構(gòu)中的排列結(jié)合方式來(lái)分類，具體可以分為五類：島狀、組群狀、鏈狀、層狀和架狀。結(jié)構(gòu)和組成上的特征見(jiàn)下表：結(jié)構(gòu)類型SiO4共用O2-數(shù)形狀絡(luò)陰離子團(tuán)Si:OI島狀0四面體SiO44-1:4組群狀1222雙四面體三節(jié)環(huán)四節(jié)環(huán)六節(jié)環(huán)Si2O76-Si3O96-Si4O128-Si6O1812-2:71:31:31:3鏈狀22、3單鏈

16、雙鏈Si2O64-Si4O116-1:34:11層狀3平面層Si4O104-4:10架狀4骨架SiO44-(AlxSi4-x)O8x-1:41:42-28下列硅酸鹽礦物各屬何種結(jié)構(gòu)類型：Mg2SiO4，KAlSi3O8，CaMgSi2O6，Mg3Si4O10（OH）2，Ca2AlAlSiO7。答：分別為島狀；架狀；單鏈；層狀（復(fù)網(wǎng)）；組群（雙四面體）。2-29根據(jù)Mg2SiO4在（100）面的投影圖回答：（1）結(jié)構(gòu)中有幾種配位多面體，各配位多面體間的連接方式怎樣？（2）O2的電價(jià)是否飽和？（3）晶胞的分子數(shù)是多少？（4）Si4和Mg2所占的四面體空隙和八面體空隙的分?jǐn)?shù)是多少？解：（1）有兩種配

17、位多面體，SiO4，MgO6，同層的MgO6八面體共棱，如59MgO6和49MgO6共棱75O2-和27O2-，不同層的MgO6八面體共頂，如1MgO6和51MgO6共頂是22O2-，同層的MgO6與SiO4共頂，如TMgO6和7SiO4共頂22O2-，不同層的MgO6與SiO4共棱，TMgO6和43SiO4共28O2-和28O2-；（2）O2-與3個(gè)MgO6和1個(gè)SiO4，所以O(shè)2-飽和（3）z=4；（4）Si4+占四面體空隙=1/8，Mg2+占八面體空隙=1/2。2-30石棉礦如透閃石Ca2Mg5Si4O11（OH）2具有纖維狀結(jié)晶習(xí)性，而滑石Mg3Si4O10（OH）2卻具有片狀結(jié)晶習(xí)性

18、，試解釋之。解：透閃石雙鏈結(jié)構(gòu)，鏈內(nèi)的Si-O鍵要比鏈5的Ca-O、Mg-O鍵強(qiáng)很多，所以很容易沿鏈間結(jié)合力較弱處劈裂成為纖維狀；滑石復(fù)網(wǎng)層結(jié)構(gòu)，復(fù)網(wǎng)層由兩個(gè)SiO4層和中間的水鎂石層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，復(fù)網(wǎng)層與復(fù)網(wǎng)層之間靠教弱的分之間作用力聯(lián)系，因分子間力弱，所以易沿分子間力聯(lián)系處解理成片狀。2-31石墨、滑石和高嶺石具有層狀結(jié)構(gòu)，說(shuō)明它們結(jié)構(gòu)的區(qū)別及由此引起的性質(zhì)上的差異。解：石墨與滑石和高嶺石比較，石墨中同層C原子進(jìn)行SP2雜化，形成大鍵，每一層都是六邊形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。由于間隙較大，電子可在同層中運(yùn)動(dòng)，可以導(dǎo)電，層間分子間力作用，所以石墨比較軟?；透邘X石區(qū)別主要是滑石是Mg2+取代Al3+的2:1

19、型結(jié)構(gòu)八面體層為三八面體型結(jié)構(gòu)而高嶺石為1:1型二八面體結(jié)構(gòu)2-32（1）在硅酸鹽晶體中，Al3為什么能部分置換硅氧骨架中的Si4；（2）Al3置換Si4后，對(duì)硅酸鹽組成有何影響？（3）用電價(jià)規(guī)則說(shuō)明Al3置換骨架中的Si4時(shí)，通常不超過(guò)一半，否則將使結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。解：（1）Al3+可與O2-形成AlO45-；Al3+與Si4+處于第二周期，性質(zhì)類似，易于進(jìn)入硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)中與Si4+發(fā)生同晶取代，由于遵循鮑林規(guī)則，所以只能部分取代；（2）Al3+置換Si4+是部分取代，Al3+取代Si4+時(shí)，結(jié)構(gòu)單元AlSiO4ASiO5，失去了電中性，有過(guò)剩的負(fù)電荷，為了保持電中性，將有一些半徑較大而電荷較

20、低的陽(yáng)離子如K+、Ca2+、Ba2+進(jìn)入結(jié)構(gòu)中；（3）設(shè)Al3+置換了一半的Si4+，則O2-與一個(gè)Si4+一個(gè)Al3+相連，陽(yáng)離子靜電鍵強(qiáng)度=3/4×1+4/4×1=7/4，O2-電荷數(shù)為-2，二者相差為1/4，若取代超過(guò)一半，二者相差必然>1/4，造成結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。第三章 晶體結(jié)構(gòu)缺陷答案3-2試述位錯(cuò)的基本類型及其特點(diǎn)。解：位錯(cuò)主要有兩種：刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)。刃型位錯(cuò)特點(diǎn)：滑移方向與位錯(cuò)線垂直，符號(hào)，有多余半片原子面。螺型位錯(cuò)特點(diǎn)：滑移方向與位錯(cuò)線平行，與位錯(cuò)線垂直的面不是平面，呈螺施狀，稱螺型位錯(cuò)。3-3非化學(xué)計(jì)量化合物有何特點(diǎn)？為什么非化學(xué)計(jì)量化合物都是n型或

21、p型半導(dǎo)體材料？解：非化學(xué)計(jì)量化合物的特點(diǎn)：非化學(xué)計(jì)量化合物產(chǎn)生及缺陷濃度與氣氛性質(zhì)、壓力有關(guān)；可以看作是高價(jià)化合物與低價(jià)化合物的固溶體；缺陷濃度與溫度有關(guān)，這點(diǎn)可以從平衡常數(shù)看出；非化學(xué)計(jì)量化合物都是半導(dǎo)體。由于負(fù)離子缺位和間隙正離子使金屬離子過(guò)剩產(chǎn)生金屬離子過(guò)剩（n型）半導(dǎo)體，正離子缺位和間隙負(fù)離子使負(fù)離子過(guò)剩產(chǎn)生負(fù)離子過(guò)剩（p型）半導(dǎo)體。3-4影響置換型固溶體和間隙型固溶體形成的因素有哪些？解：影響形成置換型固溶體影響因素：（1）離子尺寸：15%規(guī)律：1.（R1-R2）/R1>15%不連續(xù)。2.<15%連續(xù)。3.>40%不能形成固熔體。（2）離子價(jià)：電價(jià)相同，形成連續(xù)固

22、熔體。（3）晶體結(jié)構(gòu)因素：基質(zhì)，雜質(zhì)結(jié)構(gòu)相同，形成連續(xù)固熔體。（4）場(chǎng)強(qiáng)因素。（5）電負(fù)性：差值小，形成固熔體。差值大形成化合物。影響形成間隙型固溶體影響因素：（1）雜質(zhì)質(zhì)點(diǎn)大?。杭刺砑拥脑佑。仔纬晒倘荏w，反之亦然。（2）晶體（基質(zhì)）結(jié)構(gòu)：離子尺寸是與晶體結(jié)構(gòu)的關(guān)系密切相關(guān)的，在一定程度上來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)中間隙的大小起了決定性的作用。一般晶體中空隙愈大，結(jié)構(gòu)愈疏松，易形成固溶體。（3）電價(jià)因素：外來(lái)雜質(zhì)原子進(jìn)人間隙時(shí)，必然引起晶體結(jié)構(gòu)中電價(jià)的不平衡，這時(shí)可以通過(guò)生成空位，產(chǎn)生部分取代或離子的價(jià)態(tài)變化來(lái)保持電價(jià)平衡。3-5試分析形成固溶體后對(duì)晶體性質(zhì)的影響。解：影響有：（1）穩(wěn)定晶格，阻止某些晶

23、型轉(zhuǎn)變的發(fā)生；（2）活化晶格，形成固溶體后，晶格結(jié)構(gòu)有一定畸變，處于高能量的活化狀態(tài)，有利于進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)；（3）固溶強(qiáng)化，溶質(zhì)原子的溶入，使固溶體的強(qiáng)度、硬度升高；（4）形成固溶體后對(duì)材料物理性質(zhì)的影響：固溶體的電學(xué)、熱學(xué)、磁學(xué)等物理性質(zhì)也隨成分而連續(xù)變化，但一般都不是線性關(guān)系。固溶體的強(qiáng)度與硬度往往高于各組元，而塑性則較低3-6說(shuō)明下列符號(hào)的含義：VNa，VNa'，VCl，（VNa'VCl），CaK，CaCa，Cai解：鈉原子空位；鈉離子空位，帶一個(gè)單位負(fù)電荷；氯離子空位，帶一個(gè)單位正電荷；最鄰近的Na+空位、Cl-空位形成的締合中心；Ca2+占據(jù)K.位置，帶一個(gè)單位正電荷；

24、Ca原子位于Ca原子位置上；Ca2+處于晶格間隙位置。3-7寫(xiě)出下列缺陷反應(yīng)式：（l）NaCl溶入CaCl2中形成空位型固溶體；（2）CaCl2溶入NaCl中形成空位型固溶體；（3）NaCl形成肖特基缺陷；（4）Agl形成弗倫克爾缺陷（Ag+進(jìn)入間隙）。解：（1）NaClNaCa+ClCl+VCl·（2）CaCl2CaNa·+2ClCl+VNa（3）OVNa+VCl·（4）AgAgVAg+Agi·3-8MgO的密度是3.58g/cm3，其晶格參數(shù)是0.42nm，計(jì)算單位晶胞MgO的肖特基缺陷數(shù)。解：設(shè)有缺陷的MgO晶胞的晶胞分子數(shù)為x，晶胞體積V=（4.

25、20）3，x=VN0/M=3.96,單位晶胞的肖脫基缺陷數(shù)=4-x=0.04。3-9MgO（NaCl型結(jié)構(gòu)）和Li2O（反螢石型結(jié)構(gòu)）均以氧的立方密堆為基礎(chǔ)，而且陽(yáng)離子都在這種排列的間隙中，但在MgO中主要的點(diǎn)缺陷是肖特基缺陷，而在Li2O中是弗倫克爾型，請(qǐng)解釋原因。解：Mg占據(jù)四面體空隙，Li占據(jù)八面體空隙。3-10MgO晶體的肖特基缺陷生成能為84kJ/mol，計(jì)算該晶體1000K和1500K的缺陷濃度。（答：6.4×103，3.5×102）解：n/N=exp（-E/2RT），R=8.314，T=1000k：n/N=6.4×10-3；T=1500k：n/N=3

26、.5×10-2。3-11非化學(xué)計(jì)量化合物FexO中，F(xiàn)e3+Fe2+0.1，求FexO中的空位濃度及x值。（答：2.25×105；0.956）解：Fe2O32FeFe·+3OO+VFey2yyFe3+2yFe2+1-3yO，X=1-y=1-0.0435=0.9565,Fe0.9565OVFe=2.22×10-23-12非化學(xué)計(jì)量缺陷的濃度與周圍氣氛的性質(zhì)、壓力大小相關(guān)，如果增大周圍氧氣的分壓非化學(xué)計(jì)量化合物Fe1-xO及Zn1+xO的密度將發(fā)生怎么樣的變化？增大還是減小？為什么？解：Zn（g）Zni·+eZn（g）+1/2O2=ZnOZni&#

27、183;+e+1/2O2ZnOZnO=ePO2Zni·O2（g）OO+VFe+2h·k=OOVFeh·/PO21/2=4OOVFe3/PO21/2VFePO2-1/6，PO2VFe3-13對(duì)于刃位錯(cuò)和螺位錯(cuò)，區(qū)別其位錯(cuò)線方向、伯氏矢量和位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方向的特點(diǎn)。解：刃位錯(cuò)：位錯(cuò)線垂直于位錯(cuò)線垂直于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方向；螺位錯(cuò)：位錯(cuò)線平行于位錯(cuò)線平行于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方向。3-15有兩個(gè)相同符號(hào)的刃位錯(cuò)，在同一滑移面上相遇，它們將是排斥還是吸引？解：排斥，張應(yīng)力重疊，壓應(yīng)力重疊。3-16晶界對(duì)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)將發(fā)生怎么樣的影響？能預(yù)計(jì)嗎？解：晶界對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)起阻礙作用。3-17晶界有小角度晶界與

28、大角度晶界之分，大角度晶界能用位錯(cuò)的陣列來(lái)描述嗎？解：不能，在大角度晶界中，原子排列接近于無(wú)序的狀態(tài)，而位錯(cuò)之間的距離可能只有1、2個(gè)原子的大小，不適用于大角度晶界。3-18從化學(xué)組成、相組成考慮，試比較固溶體與化合物、機(jī)械混合物的差別。固溶體機(jī)械混合物化合物形成原因以原子尺寸“溶解”生成粉末混合原子間相互反映生成相數(shù)均勻單相多相單相均勻化學(xué)計(jì)量不遵守定比定律遵守定比定律化學(xué)組成不確定有幾種混合物就有多少化學(xué)組成確定以AO溶質(zhì)溶解在B2O3溶劑中為例：比較項(xiàng)固溶體化合物機(jī)械混合物化學(xué)組成（x=02）AB2O4AO+B2O3相組成均勻單相單相兩相有界面3-19試闡明固溶體、晶格缺陷和非化學(xué)計(jì)量化

29、合物三者之間的異同點(diǎn)，列出簡(jiǎn)明表格比較。解：固溶體、晶格缺陷、非化學(xué)計(jì)量化合物都是點(diǎn)缺陷，是晶體結(jié)構(gòu)缺陷，都是單相均勻的固體，結(jié)構(gòu)同主晶相。熱缺陷本征缺陷；固溶體非本征缺陷；分類形成原因形成條件缺陷反應(yīng)化學(xué)式溶解度、缺陷濃度熱缺陷肖特基弗倫克爾熱起伏T>0kO+MMMi··+MXMX只受溫度控制固溶體無(wú)限，有限，置換，間隙攙雜溶解大小，電負(fù)性，電價(jià)，結(jié)構(gòu)無(wú)：受溫度控制有：攙雜量<固溶度受溫度控制攙雜量>固溶度受固溶度控制非化學(xué)計(jì)量化合物陽(yáng)缺陰間陽(yáng)間陰缺環(huán)境中氣氛性質(zhì)和壓力變化Fe1-xOUO2+xZn1+xOTiO2-Xh·3-21Al2O3在M

30、gO中形成有限固溶體，在低共熔溫度1995時(shí)約有18wtAl2O3溶入MgO中，假設(shè)MgO單位晶胞尺寸變化可忽略不計(jì)。試預(yù)計(jì)下列情況的密度變化。1）Al3+為填隙離子；2）Al3+為置換離子。解：（a）Al3+為填隙離子：缺陷反應(yīng)為：（1）固溶式分子式：（b）Al3+為置換離子：缺陷反應(yīng)為：（2）固溶式分子式：（3）取100g試樣為基準(zhǔn)：（為摩爾數(shù)）（m為摩爾數(shù)）MgO中固溶18%wt的Al2O3后的分子式為：2.035MgO·0.176Al2O3或Mg2.035Al0.352O2.563（4）（4）式各項(xiàng)除以2.563得Mg0.794Al0.137O（5）由（5）式得x=0.137

31、代入（2）（3）式，對(duì)（a）有即（b）有設(shè)：固溶前后晶胞體積不變，則密度變化為：（，分別代表固溶前后密度） 所以，固溶后的密度小于固溶前的密度。3-22對(duì)硫鐵礦進(jìn)行化學(xué)分析：按分析數(shù)據(jù)的Fe/S計(jì)算，得出兩種可能的成分：Fe1-xS和FeS1-x，前者意味著是Fe空位的缺陷結(jié)構(gòu)，后者是Fe被置換。設(shè)想用一種實(shí)驗(yàn)方法以確定該礦物究竟屬哪一類成分？解：Fe1-xS中存在Fe空位，非化學(xué)計(jì)量，存在h·P型半導(dǎo)體；FeS1-x中金屬離子過(guò)剩，存在S2-空位，存在N型半導(dǎo)體；因Fe1-xS、FeS1-x分屬不同類型半導(dǎo)體，通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定其半導(dǎo)體性質(zhì)即可。3-23說(shuō)明為什么只有置換型固溶體的兩個(gè)組

32、分之間才能相互完全溶解，而填隙型固溶體則不能。解：（1）晶體中間隙位置是有限的，容納雜質(zhì)質(zhì)點(diǎn)能力<10%；（2）間隙式固溶體的生成，一般都使晶格常數(shù)增大，增加到一定的程度，使晶格變得不穩(wěn)定而離解；置換固溶體形成是同號(hào)離子交換位置，不會(huì)對(duì)接產(chǎn)生影響，所以可形成連續(xù)固溶體。3-24對(duì)于MgO、Al2O3和Cr2O3，其正、負(fù)離子半徑比分別為0.47、0.36和0.40，則Al2O3和Al2O3形成連續(xù)固溶體。（1）這個(gè)結(jié)果可能嗎？為什么？（2）試預(yù)計(jì)，在MgOCr2O3系統(tǒng)中的固溶度是有限的還是無(wú)限的？為什么？解：（1）Al2O3與Cr2O3能形成連續(xù)固溶體，原因：1）結(jié)構(gòu)內(nèi)型相同，同屬于剛

33、玉結(jié)構(gòu)。2）（2）MgO與Cr2O3的固溶度為有限原因:結(jié)構(gòu)類型不同MgO屬于NaCl型結(jié)構(gòu)，Cr2O3屬剛玉結(jié)構(gòu)。雖然也不可能形成連續(xù)固溶體。3-25某種NiO是非化學(xué)計(jì)量的，如果NiO中Ni3+Ni2+104，問(wèn)每1m3中有多少載流子？解：設(shè)非化學(xué)計(jì)量化合物為NixO，Ni2O32+3+y2yyNi3+2yNi2+1-3yONi3+/Ni2+=2y/（1-3y）=10-x則y=5×10-5，x=1-y=0.99995，Ni0.99995O每m3中有多少載流子即為空位濃度：=y/（1+x）=2.5×10-5。3-26在MgOAl2O3和PbTiO3PbZrO3中哪一對(duì)形成

34、有限固溶體，哪一對(duì)形成無(wú)限固溶體，為什么？解：MgO-AL2O3：，即rMg、rAl半徑相差大，MgO（NaCl型）、AL2O3（剛玉）結(jié)構(gòu)類型差別大，形成有限固溶體；PbTiO3-PbZrO3形成無(wú)限固溶體，因?yàn)楸M管Ti4+、Zr4+半徑相差較大（15.28）,但都是（ABO3）鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)，Ti4+、Zr4+都填充八面體空隙，該空隙體積較大，可填入的陽(yáng)離子的半徑r值可在一定范圍內(nèi)變化，而不至于使結(jié)構(gòu)變化。3-27CeO2為螢石結(jié)構(gòu)，其中加入15mol%CaO形成固溶體，測(cè)得固溶體密度d7.01g/cm3，晶胞參數(shù)a0.5417nm，試通過(guò)計(jì)算判斷生成的是哪一種類型固溶體。已知原子量Ce14

35、0.12，Ca40.08，O16.00。解：對(duì)于CaO-CeO2固溶體來(lái)說(shuō)，從滿足電中性來(lái)看，可以形成氧離子空位的固溶體也可形成Ca2+嵌入陰離子間隙中的固溶體，其固溶方程為：對(duì)于置換式固溶體有x=0.15，1-x=0.85，2-x=1.85，所以置換式固溶體化學(xué)式Ca0.15Ce0.85O1.85。有因?yàn)镃eO2屬于螢石結(jié)構(gòu)，晶胞分子數(shù)Z=4，晶胞中有Ca2+、Ce4+、O2-三種質(zhì)點(diǎn)。晶胞質(zhì)量對(duì)于間隙固溶體，其化學(xué)式Ca2yCe1-yO2，與已知組成Ca0.15Ce0.85O1.85相比，O2-不同，Ca0.15Ce0.85O1.85Ca0.15×2/1.85Ce0.83

36、5;2/1.85O2間隙式固溶體化學(xué)式Ca0.13×2/1.85Ce1.7/1.85O2同理可得實(shí)測(cè)密度為d=7.01，接近于d2形成間隙固溶體，存在間隙Ca離子第五章 固體表面與界面答案5-2何謂表面張力和表面能？在固態(tài)和液態(tài)這兩者有何差別？解：表面張力：垂直作用在單位長(zhǎng)度線段上的表面緊縮力或?qū)⑽矬w表面增大一個(gè)單位所需作的功；=力/總長(zhǎng)度（N/m）表面能：恒溫、恒壓、恒組成情況下，可逆地增加物系表面積須對(duì)物質(zhì)所做的非體積功稱為表面能；J/m2=N/m液體：不能承受剪應(yīng)力，外力所做的功表現(xiàn)為表面積的擴(kuò)展，因?yàn)楸砻鎻埩εc表面能數(shù)量是相同的；固體：能承受剪切應(yīng)力，外力的作用表現(xiàn)為表面積的

37、增加和部分的塑性形變，表面張力與表面能不等。5-3在石英玻璃熔體下20cm處形成半徑5×108m的氣泡，熔體密度為2200kg/m3，表面張力為0.29N/m，大氣壓力為1.01×105Pa，求形成此氣泡所需最低內(nèi)壓力是多少？解：P1（熔體柱靜壓力）=hg=0.2×2200×9.81=4316.4Pa附加壓力=2×0.29/5×10-8=1.16×107Pa故形成此氣泡所需壓力至少為P=P1+P+P大氣=4316.4+1.16×107+1.01×105=117.04×105Pa5-4（1）什么是

38、彎曲表面的附加壓力？其正負(fù)根據(jù)什么劃分？（2）設(shè)表面張力為0.9J/m2，計(jì)算曲率半徑為0.5m、5m的曲面附加壓力？解：（1）由于表面張力的存在，使彎曲表面上產(chǎn)生一個(gè)附加壓力，如果平面的壓力為P0，彎曲表面產(chǎn)生的壓力差為P，則總壓力為P=P0+P。附加壓力的正負(fù)取決于曲面的曲率，凸面為正，凹面為負(fù)。（2）根據(jù)Laplace公式：可算得P=0.9×（1/0.5+1/5）=1.98×106Pa5-5什么是吸附和粘附？當(dāng)用焊錫來(lái)焊接銅絲時(shí)，用挫刀除去表面層，可使焊接更加牢固，請(qǐng)解釋這種現(xiàn)象？解：吸附：固體表面力場(chǎng)與被吸附分子發(fā)生的力場(chǎng)相互作用的結(jié)果，發(fā)生在固體表面上，分物理吸附

39、和化學(xué)吸附；粘附：指兩個(gè)發(fā)生接觸的表面之間的吸引，發(fā)生在固液界面上；銅絲放在空氣中，其表面層被吸附膜（氧化膜）所覆蓋，焊錫焊接銅絲時(shí)，只是將吸附膜粘在一起，錫與吸附膜粘附的粘附功小，銼刀除去表面層露出真正銅絲表面（去掉氧化膜），錫與銅相似材料粘附很牢固。5-6在高溫將某金屬熔于Al2O3片上。（1）若Al2O3的表面能估計(jì)為1J/m2，此熔融金屬的表面能也與之相似，界面能估計(jì)約為0.3J/m2，問(wèn)接觸角是多少？（2）若液相表面能只有Al2O3表面能的一半，而界面能是Al2O3表面張力的2倍，試估計(jì)接觸角的大?。拷猓海?）根據(jù)Yong方程：將已知數(shù)據(jù)代入上式=0.7，所以可算得接觸角約為45.6

40、度（2）將已知數(shù)據(jù)代入Yong方程=0.8，可算得接觸角約為36.9度。5-7在20及常壓下，將半徑為103m的汞分散成半徑為109m的小汞滴，求此過(guò)程所需作的功是多少？已知20時(shí)汞的表面張力0.47N/m。解：此過(guò)程所需作的功應(yīng)等于系統(tǒng)表面能的增加,即=59w5-8在2080的Al2O3（L）內(nèi)有一半徑為108m的小氣泡，求該氣泡所受的附加壓力是多大？已知2080時(shí)Al2O3（L）的表面張力為0.700N/m。解：根據(jù)公式，可算得P=2×0.7/108=1.4×108N5-9 20時(shí)苯的表面張力為0.0289N/m，其飽和蒸氣壓為10013Pa，若在20時(shí)將苯分散成半徑為

41、106m的小滴，計(jì)算：（1）苯滴上的附加壓力；（2）苯滴上的蒸氣壓與平面上苯液飽和蒸氣壓之比。解：（1）根據(jù)公式，可算得P=2×0.0289/106=5.78×104N（2）根據(jù)開(kāi)爾文方程，簡(jiǎn)化為查得苯的密度為879kg/m3將已知數(shù)據(jù)代入公式右邊=0.002=苯滴上的蒸氣壓與平面上苯液飽和蒸氣壓之比=1.0025-10 20時(shí)，水的飽和蒸氣壓力為2338Pa，密度為998.3kg/m3，表面張力為0.07275N/m，求半徑為109m的水滴在20時(shí)的飽和蒸氣壓為多少？解：根據(jù)公式，可算得P=2×0.07275/109=1.455×108N/m2根據(jù)開(kāi)爾

42、文方程，簡(jiǎn)化為，將已知條件代入可算得：=1.077P=6864Pa最后算得半徑為109m的水滴在20時(shí)的飽和蒸氣壓P為6864Pa5-11若在101325Pa，100的水中產(chǎn)生了一個(gè)半徑為108m的小氣泡，問(wèn)該小氣泡能否存在并長(zhǎng)大？此時(shí)水的密度為958kg/m3，表面張力為0.0589N/m。解：根據(jù)公式，可算得附加壓力為P=2×0.0589/108=1.178×107Pa對(duì)于液體中的氣泡，氣泡的壓力為P=P0P=1013251.178×1070所以該小氣泡不能存在。5-12 17時(shí)大顆粒的1，2二硝基苯在水中的溶解度為0.0059mol/L，1，2二硝基苯固體與

43、溶液的界面張力為0.0257N/m，計(jì)算直徑為108m的1，2二硝基苯在水中的溶解度。1，2二硝基苯固體的密度為1565kg/m3。解：根據(jù)公式，將已知數(shù)據(jù)代入，即=114.42，由此又可算得直徑為108m的1，2二硝基苯在水中的溶解度為0.029mol/L5-13在某一定溫度下，對(duì)H2在Cu（s）上的吸附測(cè)得以下數(shù)據(jù)：PH×103Pa）5.06610.1315.2020.2725.33p/V（×105Pa/L）4.2567.60011.6514.8917.73其中V是不同壓力下每克Cu上吸附H2的體積（標(biāo)準(zhǔn)狀況），求朗格繆爾公式中的Vs。解：根據(jù)朗格繆爾公式公式兩邊乘以p

44、,得以p/v對(duì)p做圖，則斜率為1/vs所作圖基本為直線，證明符合朗格繆爾等溫式，斜率為0.0007，則Vs=1428.6L5-14 20時(shí)，乙醚水、汞乙醚及汞水的界面張力分別為0.0107、0.379及0.375N/m，在乙醚與汞的界面上滴一滴水，求其接觸角。解：，5-15在真空下的氧化鋁表面張力約為0.9N/m，液態(tài)鐵的表面張力為1.72N/m，同樣條件下液態(tài)鐵氧化鋁的界面張力為2.3N/m，問(wèn)接觸角有多大？液態(tài)鐵能否潤(rùn)濕氧化鋁？解：=-0.814，所以不能潤(rùn)濕。5-16考慮四種聯(lián)接作用：焊接、燒結(jié)、粘附接合和玻璃金屬的封接，請(qǐng)從原子尺度考慮，解釋這些聯(lián)接作用相互間有何差異？解：焊接：兩種或

45、兩種以上材質(zhì)（同種或異種）,通過(guò)加熱或加壓或二者并用,來(lái)達(dá)到原子之間的結(jié)合而形成永久性連接的工藝過(guò)程叫焊接.焊接時(shí)周圍的條件，包括：母材材質(zhì)、板厚、坡口形狀、接頭形式、拘束狀態(tài)、環(huán)境溫度及濕度、清潔度以及根據(jù)上述諸因素而確定的焊絲（或焊條）種類及直徑、焊接電流、電壓、焊接速度、焊接順序、熔敷方法、運(yùn)槍（或運(yùn)條）方法等。焊件坡口及表面如果有油（油漆）、水、銹等雜質(zhì)，熔入焊縫中會(huì)產(chǎn)生氣孔、夾雜、夾渣、裂紋等缺陷，給焊接接頭帶來(lái)危害和隱患。燒結(jié)：是賦予材料性能的一種高溫處理工藝，原子向接觸點(diǎn)的擴(kuò)散使顆粒間行形成粘結(jié)，進(jìn)一步擴(kuò)散最終填滿各種剩下的孔隙并使材料的致密度提高。是粉末或粉末壓坯加熱到低于其中

46、基本成分的熔點(diǎn)的溫度，然后以一定的方法和速度冷卻到室溫的過(guò)程。燒結(jié)的結(jié)果是粉末顆粒之間發(fā)生粘結(jié)，燒結(jié)體的強(qiáng)度增加，把粉末顆粒的聚集體變成為晶粒的聚結(jié)體，從而獲得所需的物理、機(jī)械性能的制品或材料。低溫預(yù)燒階段:在此階段主要發(fā)生金屬的回復(fù)及吸附氣體和水分的揮發(fā)，壓坯內(nèi)成形劑的分解和排除等。中溫升溫?zé)Y(jié)階段:此階段開(kāi)始出現(xiàn)再結(jié)晶，在顆粒內(nèi)，變形的晶粒得以恢復(fù)，改組為新晶粒，同時(shí)表面的氧化物被還原，顆粒界面形成燒結(jié)頸。高溫保溫完成燒結(jié)階段:此階段中的擴(kuò)散和流動(dòng)充分的進(jìn)行和接近完成，形成大量閉孔，并繼續(xù)縮小，使孔隙尺寸和孔隙總數(shù)有所減少，燒結(jié)體密度明顯增加。粘附現(xiàn)象的本質(zhì)和吸附一樣都是兩種物質(zhì)之間表面力

47、作用的結(jié)果。粘附作用可通過(guò)兩相相對(duì)滑動(dòng)時(shí)的摩擦、固體粉末的聚集和燒結(jié)等現(xiàn)象表現(xiàn)出來(lái)。玻璃和金屬的封接，受許多因素的支配。影響封接件最主要的因素有如下四方面：（1）金屬的氧化在玻璃與金屬氣密封接前，通常把金屬適度氧化，健金屬氧化物處于玻璃與金屬之間。這一步驟對(duì)封接是十分必要的，也是玻璃封接的一種微觀調(diào)控手段。金屬的氧化處理，是影響玻璃與金屬封接最重要的因素，其中氧化機(jī)理是探討封接技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題。（2）玻璃和金屬的膨脹系數(shù)玻璃和金屬膨脹系數(shù)的一致性，是形成良好封接的宏觀調(diào)控手段。當(dāng)玻璃熔體與金屬封接時(shí)，處于高溫下的玻璃有足夠的粘滯流動(dòng)性。它一面變形，一面隨著金屬的熱收縮曲線而收縮。然而，隨著溫度的

48、降低，玻璃逐漸失去其流動(dòng)性，以致跟不上金屬的熱收縮而逐漸從金屬的收縮曲線上分離開(kāi)來(lái)。該變化既連續(xù)，又取決于冷卻速率，因而無(wú)法確定哪一點(diǎn)溫度是玻璃從金屬收縮曲線上分出來(lái)的特定溫度。通常為方便起見(jiàn)，用一特定溫度TM來(lái)表示玻璃固著于金屬時(shí)的狀態(tài)。這就是說(shuō)，當(dāng)TTM，玻璃具有完全的流動(dòng)性，且不產(chǎn)生應(yīng)力。當(dāng)TTM，封接玻璃沿著固有的熱收縮曲線收縮，這個(gè)特定溫度TM稱為固化溫度，它與玻璃的應(yīng)變溫度甚為接近。在任意溫度T時(shí)，產(chǎn)生與金屬間的收縮差d，并在封接件內(nèi)產(chǎn)生與d成比例的應(yīng)力。當(dāng)應(yīng)力超過(guò)玻璃的強(qiáng)度極限時(shí)，玻璃即遭到破壞，影響封接件氣密性。在固化溫度TM以下，兩者熱收縮曲線的相對(duì)關(guān)系實(shí)質(zhì)上反映了膨脹系數(shù)的

49、匹配程度，即從TM起始的玻璃與金屬的收縮差應(yīng)為：d=（ag-am）（TM-T）（1-1）式1-1中ag與am分別表示各種玻璃和金屬?gòu)腡M到兩者匹配溫度T的膨脹系數(shù)。為了使玻璃消除永久應(yīng)力，封接件需經(jīng)退火，良好的退火對(duì)封接質(zhì)量有著重要的意義。退火后的封接件不應(yīng)快速冷卻，因?yàn)榻饘俦炔ＡУ膶?dǎo)熱性好，因而金屬比玻璃冷得快。當(dāng)金屬和玻璃的膨脹系數(shù)相同時(shí)，這種不同的冷卻速率導(dǎo)致金屬比玻璃收縮大，當(dāng)玻璃失去流動(dòng)性后，金屬就不得不在窄的范圍內(nèi)冷卻，兩者長(zhǎng)度的改變影響到玻璃和金屬的附著能力。如果開(kāi)始快速冷卻的溫度超過(guò)玻璃的影響退火溫度下限，玻璃將處于拉伸狀態(tài)。為了防止這種拉應(yīng)力的產(chǎn)生以及為了使玻璃略帶壓力，玻璃

50、和金屬封接后，往往在煤氣火焰上單獨(dú)地加熱金屬部分。（3）玻璃的強(qiáng)度和界面擴(kuò)散在考慮到玻璃和金屬膨脹系數(shù)匹配的基礎(chǔ)上，提高破璃的機(jī)械強(qiáng)度、尤其是抗拉強(qiáng)度，這對(duì)于封接件受到熱沖擊或者因溫度梯度引起的熱應(yīng)力乃至受到使用中的外力時(shí)都是有利的。一般玻璃的抗壓強(qiáng)度可以很高，達(dá)到6001500MPa，而抗拉強(qiáng)度極低僅是抗壓強(qiáng)度的1O%左右。實(shí)際上只是抗拉強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。如有可能，采用結(jié)晶化破璃封接，這是提高玻璃抗拉強(qiáng)度的有效途徑，它通?？梢赃_(dá)到原始玻璃抗拉強(qiáng)度的35倍，甚至5倍以上。必須指出，封接處大量氣泡（尤其是成串氣泡）的存在是很有害的，因?yàn)樗芙档蜋C(jī)械強(qiáng)度和造成慢性漏氣。溶解在金屬中的氣體在封接加熱時(shí)

51、放出，是產(chǎn)生氣泡的一個(gè)原因，這在鎢、鉬、鉑等金屬是少見(jiàn)的，而鎳、鐵及其合金較多。為此，除選用真空治煉法制得的金屬外，通?？衫迷谡婵罩谢驓錃庵屑訜峤饘兕A(yù)先去氣來(lái)消除此因素。產(chǎn)生氣泡的另一個(gè)原因是碳，特別是金屬表面層中的碳，在封接時(shí)會(huì)氧化成二氧化碳?xì)怏w而造成氣泡，這在鎳、鐵及其合金中亦較其它金屬為嚴(yán)重。解決過(guò)個(gè)問(wèn)題的方法是把金屬放在濕氫或真空中退火，以去掉氣體和碳。從面杜絕氣泡的產(chǎn)生。遇火溫度一般在900I100，時(shí)間根據(jù)金屬的厚度而定。在封接界面附近有兩類情況：一類是兩種不同材料之間的封接，在交界面直接產(chǎn)生相互擴(kuò)散。例如玻璃和玻璃光學(xué)研磨封接，以及金屬之間的熔接。另一類是為便于封接，交界處放入

52、異種材料。例如玻璃和金屬、陶瓷與金屬難以直接發(fā)生相互擴(kuò)散的封接。這種場(chǎng)臺(tái)下產(chǎn)生熔化擴(kuò)散現(xiàn)象。然而，無(wú)論是相互擴(kuò)散或是熔化擴(kuò)散界面附近的組成、性質(zhì)和材質(zhì)內(nèi)部的組成、性質(zhì)是不同的，這種變化對(duì)封接件的穩(wěn)定性有很大的影響。（4）封接件的形狀、尺寸以及表面粗糙度封接件內(nèi)的應(yīng)力大小和分布情況，受到封接件形狀與尺寸的影響。當(dāng)應(yīng)力超過(guò)封接材料的強(qiáng)度極限時(shí)，勢(shì)必?fù)p傷封接制品。一般地說(shuō)，封接后，如果封接件僅僅作為電子管或電真空器件的一個(gè)組成部分，尚需繼續(xù)進(jìn)行加工，或者用來(lái)和同樣的電子管或電子器件的封接部進(jìn)行封接，則需再一次熱處理或經(jīng)受機(jī)械力的作用。外力造成的暫時(shí)應(yīng)力將與材料相互間的熱收縮應(yīng)力復(fù)合在一起。與材料間熱

53、收縮差同時(shí)形成的永久應(yīng)力和由各種原因構(gòu)成的暫時(shí)應(yīng)力復(fù)合的結(jié)果，其值是相當(dāng)可觀的。如果忽視了形狀與尺寸對(duì)應(yīng)力的影響，則有可能影響到封接件的穩(wěn)定性。例如在生產(chǎn)實(shí)踐中，為了減輕這種應(yīng)力，可以利用金屬薄邊的可塑性進(jìn)行封接，甚至可以利用金屬的彈性來(lái)進(jìn)行封接。此外，在粘附性試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)，如果底料上凹凸均勻，則粘附性良好，必然對(duì)封接產(chǎn)生有利的影響。5-17 MgOAl2O3SiO2系統(tǒng)的低共熔物放在Si3N4陶瓷片上，在低共熔溫度下，液相的表面張力為900mN/rn液體與固體的界面能為600mN/m，測(cè)得接觸角為70.52o。（1）求Si3N4的表面張力；（2）把Si3N4在低共熔溫度下進(jìn)行熱處理，測(cè)試其熱

54、腐蝕的槽角為60，求Si3N4的晶界能？解：（1）=900cos70.520+600=900mN/M（2）=2×900cos300=1558.8mN/M5-18氧化鋁瓷件中需要披銀，已知1000時(shí)mN/m；mN/m；mN/m，問(wèn)液態(tài)銀能否潤(rùn)濕氧化鋁瓷件表面？可以用什么方法改善它們之間的潤(rùn)濕性？解：=-0.8370不能潤(rùn)濕，陶瓷元件表面披銀，必須先將瓷件表面磨平并拋光，才能提高瓷件與銀層之間的潤(rùn)濕性。5-19根據(jù)圖5-13和表5-2可知，具有面心立方晶格不同晶面（110）、（100）、（111）上，原子密度不同，試回答，那一個(gè)晶面上固氣表面能將是最低的？為什么？解：根據(jù)公式表面能，其中

55、為固體表面能，為晶格能，為阿弗加德羅常數(shù)，為1m2表面上的原子數(shù)目。和分別為表示第i個(gè)原子在晶體體積內(nèi)和表面上時(shí)，最鄰近的原子的數(shù)目，在面心立方體晶體中在（111）面上為6，在（100）面上為4，在（110）面上為2.將上述數(shù)據(jù)帶入公式，得則：因而，（111）原子密排面上原子能最低。5-20試解釋粘土結(jié)構(gòu)水和結(jié)合水（牢固結(jié)合水、松結(jié)合水）、自由水的區(qū)別，分析后兩種水在膠團(tuán)中的作用范圍及其對(duì)工藝性能的影響。解：粘土結(jié)構(gòu)水是粘土結(jié)構(gòu)中的水；由于粘土顆粒一般帶負(fù)電，又因水是極性分子，當(dāng)粘土顆粒分散于水中時(shí)，在粘土表面負(fù)電場(chǎng)的作用下，水分子以一定取向分布在粘土顆粒周圍以氫鍵與其表面上的氧和氫氧基結(jié)合，

56、負(fù)電端向外。在第一層水分子的外圍形成一個(gè)負(fù)電表面，因而又吸引第二層水分子。負(fù)電場(chǎng)對(duì)水分子的引力作用，隨著離開(kāi)粘土表面距離的增加而減弱，因此水分子的排列也有定向逐漸過(guò)渡到混亂?？拷鼉?nèi)層形成的定向排列的水分子層稱為牢固結(jié)合水，圍繞在粘土顆粒周圍，與粘土顆粒形成一個(gè)整體，一起在介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)，其厚度約為310個(gè)水分子厚。在牢固結(jié)合水的外圍吸引著一部分定向程度較差的水分子層稱為松結(jié)合水，由于離開(kāi)粘土顆粒表面較遠(yuǎn)，他們之間的結(jié)合力較小。在松結(jié)合水以外的水叫自由水。結(jié)合水的密度大，熱容小，界電常數(shù)小，冰點(diǎn)低等，在物理性質(zhì)上與自由水不同。粘土和水結(jié)合的數(shù)量可以用測(cè)量潤(rùn)飾熱來(lái)判斷。粘土與這三種水結(jié)合的狀態(tài)與數(shù)量將會(huì)影響粘土水系統(tǒng)的工藝性能。在粘土含水量一定的情況下，若結(jié)合水減少，則自由水就多，此時(shí)粘土膠的體積減小，容易移動(dòng)，因而泥漿粘度小，流動(dòng)性好；當(dāng)結(jié)合水量多時(shí)，水膜厚，利于粘土膠粒間的滑動(dòng)，則可塑性好。5-22粘土的很多性能與吸附陽(yáng)離子種類有關(guān)。指出粘土吸附下列不同陽(yáng)離子后的性能變化規(guī)律，（以箭頭表示：）HAl3Ba