無機(jī)材料科學(xué)基礎(chǔ)試卷

1、一、名詞解釋（20 分）：1. 不一致熔融化合物，連線規(guī)則答： 不一致熔化合物是一種不穩(wěn)定的化合物，加熱到一定溫度會(huì)發(fā)生分解，分解產(chǎn)物是一種液相和一種固相，液相和固相的組成與化合物組成都不相同。（分）連線規(guī)則：將一界線（或其延長線）與相應(yīng)的連線（或其延長線）相交，其交點(diǎn)是該界線上的溫度最高點(diǎn)。（分）2. 非本征擴(kuò)散，穩(wěn)定擴(kuò)散非本征擴(kuò)散：受固溶引入的雜質(zhì)離子的電價(jià)和濃度等外界因素所控制的擴(kuò)散?；蛴刹坏葍r(jià)雜質(zhì)離子取代造成晶格空位，由此而引起的質(zhì)點(diǎn)遷移。（）穩(wěn)定擴(kuò)散：若擴(kuò)散物質(zhì)在擴(kuò)散層dx 內(nèi)各處的濃度不隨時(shí)間而變化，即 dc/dt=0 。 這種擴(kuò)散稱穩(wěn)定擴(kuò)散。（分）3. 非均勻成核, 一級(jí)相變非均

2、勻成核：是指借助于表面、界面、 微粒裂紋器壁以及各種催化位置等而形成晶核的過程一級(jí)相變：體系由一相變?yōu)榱硪幌鄷r(shí)，如兩相的化學(xué)勢相等但化學(xué)勢的一級(jí)偏微商（一級(jí)導(dǎo)數(shù) ）不相等的稱為一級(jí)相變。（）4. 晶粒生長，二次再結(jié)晶晶粒生長：平衡晶粒尺寸在不改變其分布的情況下，連續(xù)增大的過程。（分）二次再結(jié)晶：是少數(shù)巨大晶粒在細(xì)晶消耗時(shí)成核長大的過程。（分）5. 一致熔融化合物，三角形規(guī)則答：一致熔融化合物是一種穩(wěn)定的化合物，與正常的純物質(zhì)一樣具有固定的熔點(diǎn)，熔化時(shí)，產(chǎn)生的液相與化合物組成相同。（分）三角形規(guī)則：原始熔體組成點(diǎn)所在副三角形的三個(gè)頂點(diǎn)表示的物質(zhì)即為其結(jié)晶產(chǎn)物；與這三個(gè)物質(zhì)相應(yīng)的初初晶區(qū)所包圍的三

3、元無變量點(diǎn)是其結(jié)晶結(jié)束點(diǎn)。（分）6. 晶粒生長，二次再結(jié)晶晶粒生長：平衡晶粒尺寸在不改變其分布的情況下，連續(xù)增大的過程。（分）二次再結(jié)晶：是少數(shù)巨大晶粒在細(xì)晶消耗時(shí)成核長大的過程。（分）7. 液相獨(dú)立析晶，切線規(guī)則答：液相獨(dú)立析晶：是在轉(zhuǎn)熔過程中發(fā)生的，由于冷卻速度較快，被回收的晶相有可能會(huì)被新析出的固相包裹起來，使轉(zhuǎn)熔過程不能繼續(xù)進(jìn)行，從而使液相進(jìn)行另一個(gè)單獨(dú)的析晶過程，就是液相獨(dú)立析晶。（）切線規(guī)則：將界線上某一點(diǎn)所作的切線與相應(yīng)的連線相交，如交點(diǎn)在連線上，則表示界線上該處具有共熔性質(zhì)；如交點(diǎn)在連線的延長線上，則表示界線上該處具有轉(zhuǎn)熔性質(zhì)，遠(yuǎn)離交點(diǎn)的晶相被回吸。8. 本征擴(kuò)散，不穩(wěn)定擴(kuò)散，

4、答：本征擴(kuò)散：空位來源于晶體結(jié)構(gòu)中本征熱缺陷，由此而引起的質(zhì)點(diǎn)遷移。（）不穩(wěn)定擴(kuò)散：擴(kuò)散物質(zhì)在擴(kuò)散層dx內(nèi)的濃度隨時(shí)間而變化，即 dc/dtw0。這種擴(kuò)散稱為不穩(wěn)定擴(kuò)散。（分）9. 均勻成核，二級(jí)相變,答：均勻成核是晶核從均勻的單相熔體中產(chǎn)生的過程。（分）相變時(shí)兩相化學(xué)勢相等，其一級(jí)偏微商也相等，但二級(jí)偏微商不等的相變。（分）10. 燒結(jié)，泰曼溫度答：燒結(jié)：由于固態(tài)中分子（或原子）的相互吸引，通過加熱，使粉末體產(chǎn)生顆粒粘結(jié)，經(jīng)過物質(zhì)遷移使粉末體產(chǎn)生強(qiáng)度并導(dǎo)致致密化和再結(jié)晶的過程。（）泰曼溫度：反應(yīng)物開始呈現(xiàn)顯著擴(kuò)散作用的溫度。（）二、選擇題（12 分）：1. 據(jù)范特荷夫規(guī)則,純固相反應(yīng)，反應(yīng)過

5、程是（A）A.放熱過程B.等溫過程C吸熱過程2. 在反應(yīng)溫度下，當(dāng)固相反應(yīng)的某一相發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變時(shí)，反應(yīng)速度是（B）A. 無影響B(tài). 加快C. 減慢3. 表面擴(kuò)散系數(shù)Ds,界面擴(kuò)散系數(shù) Dg,晶格擴(kuò)散系Db的關(guān)系是（A）>Dg>DbB. Ds> Db> Dg> Ds> DgD. Db> Dg> Ds4.同一種物質(zhì)在晶體中的擴(kuò)散系數(shù)（C）在玻璃中的擴(kuò)散系數(shù)5. A, B進(jìn)行反應(yīng)生成 AmBn,為擴(kuò)散控制的固相反應(yīng)，若 DBDA,則在AmBn-A界面上，反應(yīng)物B的濃度CB為（B）B.0 C不確定6 .燒結(jié)中晶界移動(dòng)的推動(dòng)力是（B）A.表面能B.晶界兩側(cè)

6、自由次t差C.空位濃度差7 .陶瓷經(jīng)燒結(jié)后在宏觀上的變化表述不正確的是（D）A.強(qiáng)度增加B.體積收縮C氣孔率降低D.致密度減少8 . 金斯特林格方程采用的反應(yīng)截面模型為（B）A.平板B.球體C.球殼D圓柱9 .下列過程中，哪一個(gè)能使燒結(jié)體的強(qiáng)度增加而不引起坯體收縮（A）A.蒸發(fā)-凝聚B.體積擴(kuò)散C流動(dòng)傳質(zhì)D.溶解-沉淀10 .下列屬于逆擴(kuò)散過程的是（B）A.二次再結(jié)晶B.雜質(zhì)的富集于晶界C布朗運(yùn)動(dòng)11 .在制造透明A12O3陶瓷材料時(shí)，原料粉末的粒度為 2m,在燒結(jié)溫度下保溫 30分鐘, 測得晶粒尺寸為10 m。若在同一燒結(jié)溫度下保溫 4小時(shí)，晶粒尺寸為（D）,為抑制晶粒 生長加入 MgO,此

7、時(shí)若保溫4小時(shí)，晶粒尺寸為（B）。A. 16 dm B. 20 d m C. 24 d m D. 28 dm7.同一種物質(zhì)在晶體中的擴(kuò)散系數(shù)（C）在玻璃中的擴(kuò)散系數(shù)A.大于 B.等于 C.小于 D.不確定10.純固相反應(yīng)，反應(yīng)過程是（A）A.放熱過程B.等溫過程C吸熱過程1 、楊德爾方程采用的反應(yīng)截面模型為（ A ）。A. 平板B. 球體C. 球殼D. 圓柱3、一般情況下，離子晶體較大離子的擴(kuò)散多半是通過（A）A.空位機(jī)構(gòu)B.直接易位C.間隙擴(kuò)散D.亞間隙機(jī)構(gòu)4、在反應(yīng)溫度下，當(dāng)固相反應(yīng)的某一相發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變時(shí)，反應(yīng)速度是（A）A.加快B.減慢C.無影響5、表面擴(kuò)散活化能 Qs,界面擴(kuò)散活化能

8、Qg,晶格擴(kuò)散活化能 Qb的關(guān)系是（B）>Qg>QbB. Qb> Qg>Qs> Qs> QgD. Qs> Qb> Qg4.下列屬于逆擴(kuò)散過程的是（B）A.二次再結(jié)晶B.晶界的內(nèi)吸附C布朗運(yùn)動(dòng)7.以下屬于馬氏體相變特征的是（A）A.無擴(kuò)散性B.不存在習(xí)性平面C.相變速度低D.有特定的轉(zhuǎn)變溫度三、填空題（18分）1 .燒結(jié)的主要傳質(zhì)方式有蒸發(fā)-凝聚傳質(zhì)、擴(kuò)散傳質(zhì)、流動(dòng)傳質(zhì)和溶解 -沉淀傳質(zhì)四種，產(chǎn)生 這四種傳質(zhì)的原因依次為（ 壓力差）、（空位濃度差）、（應(yīng)力一應(yīng)變）和（溶解度）。2 .均勻成核的成核速率 Iv由 （受核化位率影響的成核率因子） 和 （

9、受原子擴(kuò)散影響的成核率因子）因子所決定的。3 .菲克第一定律的應(yīng)用條件是（穩(wěn)定擴(kuò)散）,菲克第二定律的應(yīng)用條件是（不穩(wěn)定擴(kuò)散）。4 .液-固相變過程的推動(dòng)力為（過冷度）、（過飽和濃度）和（過飽和蒸汽壓）。5 .固體內(nèi)粒子的主要遷移方式有（空位機(jī)構(gòu)）、（間隙機(jī)構(gòu)）。6 .如晶體純度降低，擴(kuò)散系數(shù)與溫度關(guān)系曲線中本征與非本征擴(kuò)散的轉(zhuǎn)折點(diǎn)（向左）。7 .合成鎂鋁尖晶石，可選擇的原料為MgCO3 , MgO, 丫A12O3, a-A12O3,從提高反應(yīng)速率的角度出發(fā)選擇（MgCO3） , （ a -A12O3）原料較好。8 .在均勻成核時(shí)，臨界成核位壘AGk= （1/3Ak力，其值相當(dāng)于（新相界面能的1

10、/3）具有臨界半徑 rk的粒子數(shù)nk/N= fexp f-AGk/RT）。9 .液-固相變時(shí)，非均勻成核位壘與接觸角。有關(guān)，當(dāng)。為（180o）時(shí)，非均勻成核位壘與均勻成核位壘相等。10 .成核生長機(jī)理的相變過程需要有一定的過冷或過熱，相變才能發(fā)生，在（相變過程放熱）情況下需要過冷。11 .在制硅醇時(shí)，加入氧化鐵和氧化鈣的原因（ 作為礦化劑，產(chǎn)生不同晶型石英溶解度不同 的液相）,能否加入氧化鋁（丕也）。成核-生長機(jī)理）,新相成（孤立12 .在液相線以下的分相區(qū)的亞穩(wěn)區(qū)內(nèi)，其分解機(jī)理為（的球形顆粒）狀，不穩(wěn)定區(qū)的分解機(jī)理為（旋節(jié)分解區(qū)（ Spinodale）,新相成（高度連續(xù) 性的非球形顆粒）狀。

11、6.如雜質(zhì)的量增加，擴(kuò)散系數(shù)與溫度關(guān)系曲線中本征與非本征擴(kuò)散的轉(zhuǎn)折點(diǎn)（ 血攵）。9.液-固相變時(shí)，非均勻成核位壘與接觸角。有關(guān)，當(dāng)。為（_0_° ）時(shí)，非均勻成核位壘為零。1、根據(jù)擴(kuò)散的熱力學(xué)理論， 擴(kuò)散的推動(dòng)力是 （化學(xué)位梯度），而發(fā)生逆擴(kuò)散的條件是（愁力學(xué)因子v 0,正擴(kuò)散0 ）。2、熔體是物質(zhì)在液相溫度以上存在的一種高能量狀態(tài)，在冷卻的過程中可以出現(xiàn)（結(jié)晶化）、（玻璃化）和 （分相化） 三種不同的相變過程。3、馬氏體相變具有以下的一些特征：（存在習(xí)性平面）、（相變速率高）、（無特定相變溫度）和（）等。4、從熔體中析晶的過程分二步完成，首先是 （,然后就是 （晶體生長）過程。 均

12、勻成核的成核速率IV由（P ）和（D ）因子所決定的。本征擴(kuò)散是由（熱缺陷）而引起的質(zhì)點(diǎn)遷移，本征擴(kuò)散的活化能由（形成能）和（空位遷移能）兩部分組成。熔體的析晶過程分二步完成，先是（），然后是（）過程。均勻成核的成核速率Iu由（）因子（）和（）因子所決定的。7、菲克第一定律 J=-Ddc/dx的應(yīng)用條件是（穩(wěn)定擴(kuò)散），菲克第二定律dc/dt=Ddc/dx的應(yīng)用條件是（非穩(wěn)定擴(kuò)散）8、相變過程的推動(dòng)力為（ 過冷度）、寸飽和度） 和 （討飽和蒸汽壓）9、在三元系統(tǒng)中，無變量點(diǎn)有三種，分別是（ 低共熔）、（單轉(zhuǎn)熔） 和 （雙轉(zhuǎn)熔）11、擴(kuò)散系數(shù)D=D0exp（-Q/RT）中，空位擴(kuò)散活化能 Q由（形

13、成能）（空位遷移能）組成， 間隙擴(kuò)散活化能 Q由（間隙原子遷移能）組成。12、實(shí)驗(yàn)測得NaCl的擴(kuò)散系數(shù)與溫度關(guān)系如右圖所示；如提高NaCl晶體純度，兩直線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)變化規(guī)律為（向下移動(dòng)）高溫區(qū)是（蟲£）擴(kuò)散，低溫區(qū)是（非本征）擴(kuò)散。14、析晶相變過程的推動(dòng)力是（過冷度），過飽和濃度），（過飽和蒸汽壓）；在均勻成核時(shí)，臨界成核位壘A Gk= （1/3Ak力，其值相當(dāng)于（新相界面能的1/3 ）,具有臨界半徑 rk的粒子數(shù)nk/N=（ exp （-AGk/RT）。15、液-固相變時(shí)，非均勻成核位壘與接觸角。有關(guān)，當(dāng)。為（90° ）時(shí)，核化位壘下降一半16、成核生長機(jī)理的相變過程需

14、要有一定的過冷或過熱，相變才能發(fā)生，在（小0 ）情況下需要過冷，（小0 ）情況下需要過熱。18、某硅酸鹽熔體，無析晶區(qū)，要使其析晶應(yīng)采?。尤氤珊藙?作為成核基體.移動(dòng)成核速率曲線）辦法；自發(fā)析晶能力大的熔體，采取（ 急冷）的措施使熔體來不及析晶而玻璃化。19、在液相線以下的分相區(qū)的亞穩(wěn)區(qū)內(nèi)，其分解機(jī)理為（成核生長機(jī)理）,新相成（孤立球形狀）狀，不穩(wěn)定區(qū)的分解機(jī)理為（ 調(diào)幅分解機(jī)理）,新相成（連續(xù)蠕蟲）狀。四、簡答題（32分）1、影響固相反應(yīng)的因素有那些（6分）答：影響固相反應(yīng)的因素有反應(yīng)物化學(xué)組成與結(jié)構(gòu)的影響；顆粒度和分布影響；反應(yīng)溫度、壓力、氣氛影響；礦化劑的影響。（6分）2、從熱力學(xué)、動(dòng)

15、力學(xué)特性、形貌等對比不穩(wěn)分解和均勻成核成長這兩種相變過程。如何用實(shí)驗(yàn)方法區(qū)分這兩種過程（9分）答：不穩(wěn)分解：在此區(qū)域內(nèi)，液相會(huì)自發(fā)分相，不需要克服熱力學(xué)勢壘，無成核-長大過程，分相所需時(shí)間極短，第二相組成隨時(shí)間連續(xù)變化，在不穩(wěn)分解分相區(qū)內(nèi)，隨著溫度的降低、時(shí)間的延長，析出的第二相在母液中相互貫通，形成蠕蟲狀結(jié)構(gòu)。（4分）成核-生成：在此區(qū)域內(nèi)，在熱力學(xué)上，系統(tǒng)對微小的組成起伏是亞穩(wěn)的，形成新相需要做功，即存在成核勢壘，新相形成如同結(jié)晶過程的成核-長大機(jī)理，分相所需時(shí)間長，分出的第二相組成不隨時(shí)間變化。 隨著溫度的降低、時(shí)間的延長，析出的第二相在母液中逐漸長大, 形成孤立球狀結(jié)構(gòu)。（4分）用TE

16、M觀察分相以后形貌，若兩相無明顯的連續(xù)性，第二相呈孤立球狀，則為成核-生長分相；若兩相形成互相交織的 “蠕蟲狀"，則為不穩(wěn)分解相變過程。（1分）3 .晶界移動(dòng)遇到氣孔時(shí)會(huì)出現(xiàn)幾種情況，從實(shí)現(xiàn)致密化目的考慮，晶界應(yīng)如何移動(dòng)怎樣控制（10分）答：燒結(jié)初期，晶界上氣孔數(shù)目很多，此時(shí)氣孔阻止晶界移動(dòng)，Vb=0o （2分）燒結(jié)中、后期，溫度控制適當(dāng)，氣孔逐漸減少?？梢猿霈F(xiàn)Vb=Vp,此時(shí)晶界帶動(dòng)氣孔以正常速度移動(dòng)，使氣孔保持在晶界上，氣孔可以利用晶界作為空位傳遞的快速通道而迅速匯集或消失。（2分）繼續(xù)升溫導(dǎo)致 VbVp,晶界越過氣孔而向曲率中心移動(dòng)，氣孔包入晶體內(nèi)部，只能通過體積擴(kuò)散排除，這是

17、十分困難的。（2分）從實(shí)現(xiàn)致密化目的考慮，晶界應(yīng)帶動(dòng)氣孔以正常速度移動(dòng)，使氣孔保持在晶界上， 氣孔可以利用晶界作為空位傳遞的快速通道而迅速匯集或消失。（2分）控制方法：控制溫度，加入外加劑等。（2分）4 .試比較楊德爾方程和金斯特林格方程的優(yōu)缺點(diǎn)及其適用條件。（7分）答：楊德爾方程在反應(yīng)初期具有很好的適應(yīng)性，但楊氏模型中假設(shè)球形顆粒反應(yīng)截面積始終不變，因而只適用反應(yīng)初期車t化率較低的情況。（4分）而金氏模型中考慮在反應(yīng)進(jìn)程中反應(yīng)截面積隨反應(yīng)進(jìn)程變化這一事實(shí)，因而金氏方程適用范圍更廣，可以適合反應(yīng)初、中期。兩個(gè)方程都只適用于穩(wěn)定擴(kuò)散的情況。（4分）5 .相變過程的推動(dòng)力層什么（8分）答：總的推動(dòng)

18、力：相變過程前后自由能的差值、相變過程的溫度條件在等溫等壓下，A G=A H-TA S在平衡條彳下，A G= 0,則A S=A H/T0式中：T0相變的平衡溫度；A H相變熱。在任意一溫度了的不平衡條件下，則有AG=A H-TA Sw 0若A H與A S不隨溫度而變化，AG=A H-TA H/T0= A H （ T0-T） /T0= AHA T/T0相變過程放熱A H<O,要使A G<0,須有A T>O, T<T0,過冷；相變過程吸熱A H>O,要使A G<0,須有A T<0, T>T0,過熱。因此相平衡理論溫度與系統(tǒng)實(shí)際溫度之差即為該相變過程的

19、推動(dòng)力。（2分）.相變過程的壓力和濃度條件氣相，恒溫下A G=RTlnP0/P欲使AG <0,須P>P0即汽相過飽和。（2分）（2）溶液 AG=RTlnC0/C欲使A G <0,須C>C0即液相過飽和。（2分）綜上所述，相變過程的推動(dòng)力應(yīng)為過冷度、過飽和濃度、過飽和蒸汽壓。即相變時(shí)系統(tǒng)溫度、濃度和壓力與相平衡時(shí)溫度、濃度和壓力之差值。（2分）6 .燒結(jié)的主要傳質(zhì)方式有那些分析產(chǎn)生的原因是什么（8分）答：燒結(jié)初期，晶界上氣孔數(shù)目很多，此時(shí)氣孔阻止晶界移動(dòng)，Vb=0o （1分）燒結(jié)中、后期，溫度控制適當(dāng)，氣孔逐漸減少?？梢猿霈F(xiàn)Vb=Vp,此時(shí)晶界帶動(dòng)氣孔以正常速度移動(dòng)，使氣

20、孔保持在晶界上，氣孔可以利用晶界作為空位傳遞的快速通道而迅速匯集或消失。（2分）繼續(xù)升溫導(dǎo)致 VbVp,晶界越過氣孔而向曲率中心移動(dòng)，氣孔包入晶體內(nèi)部，只能通過體積擴(kuò)散排除，這是十分困難的。（2分）從實(shí)現(xiàn)致密化目的考慮，晶界應(yīng)帶動(dòng)氣孔以正常速度移動(dòng)，使氣孔保持在晶界上，氣孔可以利用晶界作為空位傳遞的快速通道而迅速匯集或消失。（1分）控制方法：控制溫度，加入外加劑等。（2分）7 .說明影響擴(kuò)散的因素（6分）答：化學(xué)鍵：共價(jià)鍵方向性限制不利間隙擴(kuò)散，空位擴(kuò)散為主。金屬鍵離子鍵以空位擴(kuò)散為主，間隙離子較小時(shí)以間隙擴(kuò)散為主。（1分）缺陷：缺陷部位會(huì)成為質(zhì)點(diǎn)擴(kuò)散的快速通道，有利擴(kuò)散。（1分）溫度:D=D

21、0exp （-Q/RT） Q不變，溫度升高擴(kuò)散系數(shù)增大有利擴(kuò)散。Q越大溫度變化對擴(kuò)散系數(shù)越敏感。（1分）雜質(zhì)：雜質(zhì)與介質(zhì)形成化合物降低擴(kuò)散速度；雜質(zhì)與空位締合有利擴(kuò)散；雜質(zhì)含量大本征擴(kuò)散和非本征擴(kuò)散的溫度轉(zhuǎn)折點(diǎn)升高。（1分）擴(kuò)散物質(zhì)的性質(zhì)：擴(kuò)散質(zhì)點(diǎn)和介質(zhì)的性質(zhì)差異大利于擴(kuò)散。（1分）擴(kuò)散介質(zhì)的結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)緊密不利擴(kuò)散。（1分）8、MoO3和CaCO3反應(yīng)時(shí)，反應(yīng)機(jī)理受到CaCO3顆粒大小的影響，當(dāng)MoO3: CaCO3 =1:MoO3: CaCO3 =1: 15, r CaCO3<mm1, r MoO3 = mm, r CaCO3 =mni時(shí), 反應(yīng)是擴(kuò)散控制的。 當(dāng)時(shí)，反應(yīng)由升華控制，試解釋這種現(xiàn)象。（8分）答：當(dāng)MoO3的粒徑r1為，CaCO3的粒徑r2為時(shí)，CaCO3顆粒較大且大于 MoO3 ,生成的產(chǎn)物層較厚，擴(kuò)散阻力較大，所以反應(yīng)由擴(kuò)散控制，反應(yīng)速率隨著CaCO3顆粒度減小而加速，（4分）當(dāng)r2<r1時(shí)存在過量CaCO3,由于產(chǎn)物層變薄，