無(wú)機(jī)材料科學(xué)基礎(chǔ)復(fù)習(xí)題

1、1、我們把基本上能為同一點(diǎn)陣所貫穿的晶體叫做單晶(體)。由許多小的單晶體按照不同的取向聚集而成的晶體稱為多晶；結(jié)構(gòu)重復(fù)的周期很少的稱為微晶。 2、晶胞參數(shù)確定了晶胞的大小與形狀。3、根據(jù)晶體的對(duì)稱性，按照有無(wú)某種特征對(duì)稱元素將晶體分為7個(gè)晶系，晶系按對(duì)稱性的高低分為三個(gè)晶族。4、晶面指數(shù)越大，則該種平面點(diǎn)陣點(diǎn)密度越小，且相鄰兩平面點(diǎn)陣間的距離越小。5、在離子晶體中，一般陰離子半徑較大，主極化能力較低陽(yáng)離子半徑相對(duì)較小，當(dāng)電價(jià)較高時(shí)其主極化作用大，而被極化程度較低。6、聚合體的種類(lèi)、大小和數(shù)量隨熔體組成和溫度而變化。 7、Tg 是玻璃形成溫度，又稱脆性溫度、Tf 是軟化溫度。8、網(wǎng)絡(luò)形成體的鍵強(qiáng)

2、比網(wǎng)絡(luò)改變體高，在一定溫度和組成時(shí)，鍵強(qiáng)愈高，熔體中負(fù)離子集團(tuán)也愈牢固。因此鍵的破壞和重新組合也愈困難，成核勢(shì)壘也愈高，故不易析晶而形成玻璃。 9、熔體中質(zhì)點(diǎn)間化學(xué)鍵的性質(zhì)對(duì)玻璃的形成也有重要的作用。一般地說(shuō)具有極性共價(jià)鍵和半金屬共價(jià)鍵的離子才能生成玻璃。10、范得華力來(lái)源三方面：定向作用力 (靜電力)、誘導(dǎo)作用力、分散作用力 (色散力)11、空位擴(kuò)散活化能包括空位形成能和空位遷移能。12、產(chǎn)生二次再結(jié)晶的重要原因是粒度不均勻和燒結(jié)溫度偏高，防止二次再結(jié)晶的有效方法是加添加劑。13、晶界結(jié)構(gòu)按兩個(gè)晶粒之間夾角分為小角度晶界和大角度晶界；按晶界兩邊原子排列的連貫性可分為共格、半共格、非共格14、

3、按潤(rùn)濕的程度，潤(rùn)濕可分為浸漬潤(rùn)濕、附著潤(rùn)濕、鋪展?jié)櫇袢N情況 。名詞解釋?zhuān)?8分 6題非穩(wěn)定擴(kuò)散：擴(kuò)散過(guò)程中任一點(diǎn)濃度隨時(shí)間變化；穩(wěn)定擴(kuò)散：擴(kuò)散質(zhì)點(diǎn)濃度分布不隨時(shí)間變化。無(wú)序擴(kuò)散：無(wú)化學(xué)位梯度、濃度梯度、無(wú)外場(chǎng)推動(dòng)力，由熱起伏引起的擴(kuò)散。質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散是無(wú)序的、隨機(jī)的。本征擴(kuò)散：主要出現(xiàn)了肖特基和弗蘭克爾點(diǎn)缺陷，由此點(diǎn)缺陷引起的擴(kuò)散為本征擴(kuò)散（空位來(lái)源于晶體結(jié)構(gòu)中本征熱缺陷而引起的質(zhì)點(diǎn)遷移）；非本征擴(kuò)散：空位來(lái)源于摻雜而引起的質(zhì)點(diǎn)遷移。一級(jí)相變：相變時(shí)兩相化學(xué)勢(shì)相等，但化學(xué)勢(shì)的一級(jí)偏微商不相等。發(fā)生一級(jí)相變時(shí)有潛熱和體積的變化；二級(jí)相變：相變時(shí)兩相化學(xué)勢(shì)相等，其一階偏微商也相等，但二階偏微商不相等

4、。發(fā)生二級(jí)相變時(shí)無(wú)潛熱和體積變化，只有熱容量、膨脹系數(shù)和壓縮系數(shù)的變化。（1）燒結(jié)：粉料受壓成型后在高溫作用下而致密化的物理過(guò)程。燒成：坯體經(jīng)過(guò)高溫處理成為制品的過(guò)程，燒成包括多種物理變化和化學(xué)變化。燒成的含義包括的范圍廣，燒結(jié)只是燒成過(guò)程中的一個(gè)重要部分。（2）晶粒生長(zhǎng)：無(wú)應(yīng)變的材料在熱處理時(shí)，平均晶粒尺寸在不改變其分布的情況下，連續(xù)增大的過(guò)程。二次再結(jié)晶：少數(shù)巨大晶粒在細(xì)晶消耗時(shí)成核長(zhǎng)大過(guò)程。（3）固相燒結(jié)：固態(tài)粉末在適當(dāng)?shù)臏囟取毫?、氣氛和時(shí)間條件下，通過(guò)物質(zhì)與氣孔之間的傳質(zhì)，變?yōu)閳?jiān)硬、致密燒結(jié)體的過(guò)程。液相燒結(jié)：有液相參加的燒結(jié)過(guò)程。晶體的基本特征：自范性、對(duì)稱性、各向異性、晶體的均勻

5、性、晶體確定的熔點(diǎn)、晶體對(duì)的X-射線衍射 、最小內(nèi)能性對(duì)稱操作： 一個(gè)物體運(yùn)動(dòng)或變換，使得變換后的物體與變換前不可區(qū)分（復(fù)原，重合）配位數(shù)：在絡(luò)合物中配位數(shù)指的是與中心離子直接成鍵的配位原子數(shù)目。固體表面力：晶體中每個(gè)質(zhì)點(diǎn)周?chē)即嬖谥粋€(gè)力場(chǎng)，在晶體內(nèi)部，質(zhì)點(diǎn)力場(chǎng)是對(duì)稱的。但在固體表面，質(zhì)點(diǎn)排列的周期重復(fù)性中斷，使處于表面邊界上的質(zhì)點(diǎn)力場(chǎng)對(duì)稱性破壞，表現(xiàn)出剩余的鍵力。問(wèn)答題：20分 4題1、什么叫表面張力和表面能 ? 在固態(tài)下和液態(tài)下這兩者有何差別 ? 答：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。表面能：恒溫、恒壓、恒組成情況下，可逆地增加物系表面積須

6、對(duì)物質(zhì)所做的非體積功稱為表面能；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)為表面積的增加和部分的塑性形變，表面張力與表面能不等。2、一般說(shuō)來(lái)，同一種物質(zhì)，其固體的表面能要比液體的表面能大，試說(shuō)明原因。 解：同一種物質(zhì)，其液體固體的表面結(jié)構(gòu)不同，液體分子可自由移動(dòng)，總是通過(guò)形成球形表面來(lái)降低其表面能；固體則不能，固體質(zhì)點(diǎn)不能自由移動(dòng)，只能通過(guò)表面質(zhì)點(diǎn)的極化、變形、重排來(lái)降低系統(tǒng)的表面能，固體表面處于高能量狀態(tài)（由于表面力的存在）。3、濃度差會(huì)引起擴(kuò)散，擴(kuò)散是否總是從高濃度處向低濃度處進(jìn)行?為什么?解：擴(kuò)散的基本推動(dòng)

7、力是化學(xué)位梯度，只不過(guò)在一般情況下以濃度梯度的方式表現(xiàn)出來(lái)；擴(kuò)散是從高化學(xué)位處流向低化學(xué)位處，最終系統(tǒng)各處的化學(xué)位相等。如果低濃度處化學(xué)勢(shì)高，則可進(jìn)行負(fù)擴(kuò)散，如玻璃的分相過(guò)程。4、試比較楊德?tīng)柗匠毯徒鹚固亓指穹匠痰膬?yōu)缺點(diǎn)及其適用條件。解：楊德?tīng)柗匠淘诜磻?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)初期轉(zhuǎn)化率較低的情況。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。5、說(shuō)明影響燒結(jié)的因素？答：（1）粉末的粒度。細(xì)顆粒增加了燒結(jié)推動(dòng)力，縮短原子擴(kuò)散距離，提高顆粒在液

8、相中的溶解度，從而導(dǎo)致燒結(jié)過(guò)程的加速；（2）外加劑的作用。在固相燒結(jié)中，有少量外加劑可與主晶相形成固溶體，促進(jìn)缺陷增加，在液相燒結(jié)中，外加劑改變液相的性質(zhì)（如粘度，組成等），促進(jìn)燒結(jié)。 （3）燒結(jié)溫度：晶體中晶格能越大，離子結(jié)合也越牢固，離子擴(kuò)散也越困難，燒結(jié)溫度越高。 （4）保溫時(shí)間：高溫段以體積擴(kuò)散為主，以短時(shí)間為好，低溫段為表面擴(kuò)散為主，低溫時(shí)間越長(zhǎng)，不僅不引起致密化，反而會(huì)因表面擴(kuò)散，改變了氣孔的形狀而給制品性能帶來(lái)?yè)p害，要盡可能快地從低溫升到高溫，以創(chuàng)造體積擴(kuò)散條件。（5）氣氛的影響：氧化，還原，中性。 （6）成形壓力影響：一般說(shuō)成型壓力越大顆粒間接觸越緊密，對(duì)燒結(jié)越有利。6、固相燒

9、結(jié)與液相燒結(jié)的主要傳質(zhì)方式？固相燒結(jié)與液相燒結(jié)之間有何相同與不同之處？答：固相燒結(jié)的主要傳質(zhì)方式有蒸發(fā)-凝聚傳質(zhì)和擴(kuò)散傳質(zhì)，液相燒結(jié)的主要傳質(zhì)方式有溶解-沉淀傳質(zhì)和流動(dòng)傳質(zhì)。固相燒結(jié)與液相燒結(jié)的共同點(diǎn)是燒結(jié)的推動(dòng)力都是表面能；燒結(jié)過(guò)程都是由顆粒重排、物質(zhì)傳遞與氣孔充填、晶粒生長(zhǎng)等階段組成。不同點(diǎn)是：由于流動(dòng)傳質(zhì)比擴(kuò)散傳質(zhì)速度快，因而致密化速率高；固相燒結(jié)主要與原料粒度和活性、燒結(jié)溫度、氣氛成型壓力等因素有關(guān)，液相燒結(jié)與液相數(shù)量、液相性質(zhì)、液-固潤(rùn)濕情況、固相在液相中的溶解度等有關(guān)。7、燒結(jié)過(guò)程是怎樣產(chǎn)生的，各階段的特征是什么?解：燒結(jié)過(guò)程是經(jīng)過(guò)成型的固體粉狀顆粒在加熱到低于熔點(diǎn)溫度的溫度下，產(chǎn)

10、生顆粒粘結(jié)；通過(guò)物質(zhì)傳遞，使成型題逐漸變成具有一定幾何形狀和性能的整體的過(guò)程。燒結(jié)初期：顆粒僅發(fā)生重排和鍵和，顆粒和空隙形狀變化很小，頸部相對(duì)變化 x/r90 ，不能潤(rùn)濕。10、當(dāng)鋅向銅內(nèi)擴(kuò)散時(shí)，已知在x點(diǎn)處鋅的含量為2.51017個(gè)鋅原子/cm3， 300時(shí)每分鐘每mm2要擴(kuò)散60個(gè)鋅原子，求與x點(diǎn)相距2mm處鋅原子的濃度。（已知鋅在銅內(nèi)的擴(kuò)散體系中D0=0.3410-14m2s；Q=18.5kJmol）解：看成一維穩(wěn)定擴(kuò)散，根據(jù)菲克第一定律：，,Cx=2.51017個(gè)/cm3，x-x2=2mm，Jx=60個(gè)/60Smm2，擴(kuò)散系數(shù)宏觀表達(dá)式 ，D0=0.3410-14m2/s，Q=1.85

11、104J/mol，R=8.314J/molK，T=300+273=573K，D=0.3410-14exp（-3.88）=0.3410-140.02=6.810-17m2/s，Cx=2.51017/10-6=2.51023，C2=cx-2.941019=2.5102311、在制造硅半導(dǎo)體器體中，常使硼擴(kuò)散到硅單晶中，若在1600K溫度下，保持硼在硅單晶表面的濃度恒定（恒定源半無(wú)限擴(kuò)散），要求距表面10-3cm深度處硼的濃度是表面濃度的一半，問(wèn)需要多長(zhǎng)時(shí)間（已知D1600 =810-12cm2/sec）？解：不穩(wěn)定擴(kuò)散恒定源半無(wú)限擴(kuò)散，已知，已知x=10-3cm，D，求解t=1.25105s=34

12、.7h。12、當(dāng)一種純液體過(guò)冷到平衡凝固溫度 （T0）以下時(shí)，固相與液相間的自由焓差越來(lái)越負(fù)。試證明在溫度T0附近隨溫度變化的關(guān)系近似地為：，式中為凝固潛熱。解：，平衡溫度T0時(shí)，TT0時(shí)，13、為什么在成核一生成機(jī)理相變中，要有一點(diǎn)過(guò)冷或過(guò)熱才能發(fā)生相變 ? 什么情況下需過(guò)冷，什么情況下需過(guò)熱。 解：由熱力學(xué)，平衡時(shí)， Tm：相變平衡溫度；H相變熱，溫度T時(shí)，系統(tǒng)處于不平衡狀態(tài)，則，要使相變自發(fā)進(jìn)行，對(duì)放熱過(guò)程如結(jié)晶，凝聚H0,Tm0，必須過(guò)冷；對(duì)吸熱過(guò)程如蒸發(fā)，熔融H0，則T0，必須過(guò)熱。14、如在液相中形成邊長(zhǎng)為 a 的立方體晶核時(shí)，求出“臨界核胚”立方體邊長(zhǎng) a*和 G*。為什么立方體

13、的 G*大于球形 G*? 解：, ，而，當(dāng)形成體積相同的核時(shí)（），立方體表面積（6a3）球形的表面積（），則，。15、試證明均相成核臨界狀態(tài)下，新相界面能與單位體積中舊相和新相之間的自由能差Gv有如下關(guān)系：=-r*/（2Gv）（晶胚為球形，r*為晶胚的臨界半徑）解：?jiǎn)挝惑w積中半徑為r的晶胚數(shù)為n，則，得臨界半徑：16、由Al2O3和SiO2粉末反應(yīng)生成莫來(lái)石，過(guò)程由擴(kuò)散控制，擴(kuò)散活化能為50千卡/摩爾，1400下，一小時(shí)完成10%，求1500下，一小時(shí)和四小時(shí)各完成多少？（應(yīng)用揚(yáng)德方程計(jì)算）解：由楊德?tīng)柗匠?，代?T=1400，G=10% t=1h，Q=50kcal/mol，求得k1673=0.001191，根據(jù)求得k1773=0.002791，代入楊德方程求出G1h=15.03，G4h=28.47。17、由Al2O3和SiO