材料科學基礎問答

1、&2.1以NaCl晶胞為例，試說明面心立方緊密堆積中的八面體 和四面體空隙的位置和數(shù)量。以NaCl晶胞中（001）面心的一 個球（Cl -離子）為例，它的正下方有1個八面體空隙（體心位 置），與其對稱，正上方也有1個八面體空隙；前后左右各有1 個八面體空隙（棱心位置）。所以共有6個八面體空隙與其直接 相鄰，由于每個八面體空隙由6個球構(gòu)成，所以屬于這個球的八 面體空隙數(shù)為6X 1/6=1。在這個晶胞中，這個球還與另外2個 面心、1個頂角上的球構(gòu)成4個四面體空隙（即1/8小立方體的 體心位置）；由于對稱性，在上面的晶胞中，也有4個四面體空 隙由這個參與構(gòu)成。所以共有8個四面體空隙與其直接相鄰，由

2、于每個四面體空隙由4個球構(gòu)成，所以屬于這個球的四面體空隙 數(shù)為 8 X 1/4=2。#2.2試解釋說明為什么在硅酸鹽結(jié)硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)分類依據(jù)是 什么？可分為哪幾類，每類的結(jié)構(gòu)特點是什么？（9分）答:硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)分類依據(jù)是:結(jié)構(gòu)中硅氧四面體的連接方式。 1.島狀：硅氧四面體孤立存在；2.組群狀：硅氧四面體以兩個、 三個、四個或六個，通過共用氧相連成硅氧四面體群體，群體之 間由其它陽離子連接；3.鏈狀：硅氧四面體通過共用氧相連，在 一維方向延伸成鏈狀，鏈與鏈之間由其它陽離子連接；4.層狀： 硅氧四面體通過三個共用氧在兩維平面內(nèi)延伸成硅氧四面體層 （高嶺石1:1型，蒙脫石、滑石2： 1）； 5.架

3、狀：每個硅氧四面體 的四個頂角都與相鄰的硅氧四面體共頂，形成三維空間結(jié)構(gòu)。#2.3鮑林規(guī)則：（1）配位體規(guī)則，圍繞每個陽離子，形成一個 陽離子配位多面體，陰、陽離子的距離決定了它們的半徑之和， 陽離子的配位數(shù)取決于它們的半徑之比，與電價無關。（2）靜 電價規(guī)則，在一個穩(wěn)定的離子化合物結(jié)構(gòu)中，每一個陰離子的 電價等于或者近似等于相鄰陽離子分配給這個陰離子的靜電價 強度總和。3。陰離子配位數(shù)多面體的共頂，共棱和共面規(guī)則） 在一個配位結(jié)構(gòu)中，兩個陰離子配位多面體共棱，特別是共面時， 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定會降低。（4）在一個含有不同陽離子的晶體結(jié)構(gòu)中， 電價高，配位數(shù)小的陽離子，趨向于不相互共享配位多面體要素。（

4、5）節(jié)約規(guī)則，在同一個晶體結(jié)構(gòu)中，本質(zhì)上不同的結(jié)構(gòu)單元 的數(shù)目趨向于最小數(shù)目。2.4MgO具有NaCl結(jié)構(gòu)。根據(jù)O2半徑為0.140nm和Mg2+半徑 為0.072nm，計算球狀離子所占據(jù)的體積分數(shù)和計算MgO的密 度。并說明為什么其體積分數(shù)小于74.05%? （10分）解：在MgO晶體中，正負離子直接相鄰，a0=2（r+r-）=0.424（nm） 體積分數(shù)=4x（4/3）x（0.143+0.0723）/0.4243=68.52%密度=4x（24.3+16）/6.023x1023x（0.424x10-7）3=3.5112（g/cm3）MgO 體積分數(shù)小于 74.05%， 原因在于 r+/r-=

5、0.072/0.14=0.42350.414，正負離子緊密接觸，而負離子之 間不直接接觸，即正離子將負離子形成的八面體空隙撐開了，負 離子不再是緊密堆積，所以其體積分數(shù)小于等徑球體緊密堆積的 體積分數(shù)74.05%。2.5影響離子晶體結(jié)構(gòu)的主要因素:1.化學式類型不同，2.陽、陰 離子半徑比值不同，3.極化性能影響配位數(shù)和晶體結(jié)構(gòu)類型。4.1試述晶體結(jié)構(gòu)中點缺陷的類型。以通用的表示法寫出晶體 中各種點缺陷的表示符號。試舉例寫出CaCl2中Ca2+S KCl中 K+或進入到心間隙中去的兩種點缺陷。答：晶體結(jié)構(gòu)中的點缺 陷類型共分為：間隙原子、空位和雜質(zhì)原子等三種。在MX晶體 中，間隙原子的表示符號

6、為M|或X； （2分）空位缺陷的表示符號 為：Vm或Vx。（2分）如果進入MX晶體的雜質(zhì)原子是A，則其表 示符號可寫成：Am或Ax （取代式）以及A.（間隙式）。CaCl 夠 Ca - + 匕+ 2CICaCl 夠 Ca + 2V + 2Cl2K KC2iKCl#5.1試述影響置換型固溶體的固溶度的條件，和固溶體特點1.離子尺寸因素，| （r1-r2） /r1|離子鍵分子鍵3.與化學 組成的關系，B2O3是陶瓷釉中降低表面張力的首選組分，4.離 子晶體結(jié)構(gòu)類型的影響，熔體內(nèi)部質(zhì)點之間的相互作用越大，表 面張力越大。5.兩種熔體混合時，表面張力不具加和性。6.3玻璃通性（特性）:1.各向同性，2

7、.介穩(wěn)性3.熔融態(tài)向玻璃態(tài) 轉(zhuǎn)化的可逆與漸變性4.物理化學性質(zhì)變化的連續(xù)性6.4玻璃形成條件:1.熱力學條件，隨溫度降低，熔體釋放能量大 小不同，可有三種冷卻途徑:結(jié)晶化、玻璃化、分相。2.動力學 條件，成核速率與生長速率的極大值所處的溫度范圍很靠近，熔 體易析晶不易形成玻璃；若玻璃形成溫度附近粘度很大，易形成 過冷液體而不易析晶；臨界冷卻速率大，則形成玻璃困難而析晶 容易。3.結(jié)晶化學條件，氧化物的鍵強是決定它能否形成玻璃的 重要條件；形成玻璃必須具有極性共價鍵或金屬共價鍵型。6.5晶子學說和無規(guī)則網(wǎng)絡學說:晶子學說:玻璃內(nèi)部是由無數(shù)“晶子”組成，微晶子是帶有晶格變形的有序區(qū)域。它們分在 無

8、定形介中質(zhì)，晶子向無定形部分過渡是逐漸完成時，二者沒有 明顯界限。無規(guī)則網(wǎng)絡學說:凡是成為玻璃態(tài)的物質(zhì)和相應的晶 體結(jié)構(gòu)一樣，也是由一個三度空間網(wǎng)絡所構(gòu)成。這種網(wǎng)絡是由離 子多面體(三角體或四面體)構(gòu)筑起來的。晶體結(jié)構(gòu)網(wǎng)是由多 面體無數(shù)次有規(guī)律重復構(gòu)成，而玻璃中結(jié)構(gòu)多面體的重復沒有規(guī) 律性。同:玻璃是具有近程有序、遠程無序結(jié)構(gòu)特點的無定形物 質(zhì)。異:無規(guī)則-強調(diào)離子與多面體相互間排列的均勻性、連續(xù)性 及無序性，晶子-說明結(jié)構(gòu)的不均勻性和有序性是所有硅酸鹽玻 璃的共性。7.1影響濕潤的因素有那些？固體表面粗糙度的影響當真實接 觸角B小于90時，粗糙度越大，表面接觸角越小，就越容易 濕潤；當B大于

9、90，則粗糙度越大，越不利于濕潤。吸附 膜的影響吸附膜的存在使接觸角增大，起著阻礙作用。7.2說明吸附的本質(zhì)？吸附是固體表面力場與吸附分子發(fā)出的力 場相互作用的結(jié)果，它是發(fā)生在固體上的。根據(jù)相互作用力的性 質(zhì)不同，可分為物理吸附和化學吸附兩種。物理吸附：由分子間 引力引起的，這時吸附物分子與吸附劑晶格可看作是兩個分立的 系統(tǒng)?；瘜W吸附：伴隨有電子轉(zhuǎn)移的鍵合過程，這時應把吸附分 子與吸附劑晶格作為一個統(tǒng)一的系統(tǒng)來處理。7.3黏附的表面化學具體條件：1.濕潤性，2.黏附功，3.黏附面的界面張力4.相溶性或親和性7.3、什么是潤濕？改善潤濕的方法有那些？ (8分)潤濕：固 體與液體接觸后，體系(固體

10、+液體)的吉布斯自由能降低時， 就稱潤濕。改善潤濕的方法有：降低Y SL S、V兩相組成盡量 接近；(1.5分)降低Y LV在液相中加表面活性劑；(1.5分) 提高Y SV去除固體表面吸附膜；(1.5分)改變粗糙度。(1.5分) 7.4簡述固體表面粗糙度對濕潤性的影響？當真實接觸角小于 90度時，粗糙度越大，表面接觸角越小，就越容易濕潤；當真 實接觸角大于90度，則粗糙度越大，越不利于濕潤。什么是晶界結(jié)構(gòu)？晶界結(jié)構(gòu)是指晶界在多晶體中的形狀、結(jié)構(gòu) 和分布。7.5氧化鋁瓷件中需要被銀，已知1000C時 Y(Al2O3(S)=1.0 x103 N/m,Y(Ag (L)=0.92x103 N/m, y

11、(Ag (L) /Al 2O3(S)=1.77x103 N/m、(10 分)解：由于 YSV=YSL+YLVCOS0 cosO= -0.84 .0= 147 90 液態(tài)銀不能濕潤氧化鋁瓷件表面，但 可以通過降低ysl使其小于ysv，從而達到濕潤目的。方法：加 入一些金屬降低Ysl。必須現(xiàn)將陶瓷表面磨平并拋光。保持陶瓷 表面清潔，去除吸附膜(2分)。膠體性質(zhì):泥漿流動性、穩(wěn)定性，觸變性，黏土膨脹性，可塑性 8.1影響粘土可塑性的因素，采用什么措施來提高的可塑性：1) 含水量的影響，2)電解質(zhì)，3)顆粒大小和形狀，4)黏土的礦 物組成，5)泥料處理工藝，6)腐殖質(zhì)含量，添加劑。工藝措 施：泥料經(jīng)過

12、真空練泥排除氣體；經(jīng)過一定時間陳腐使水分均 勻;適宜的腐殖質(zhì)含量;添加塑化劑等方法提高瘠性物料的塑化。 影響粘土觸變性的因素:是泥漿靜止不動時似凝固體，一經(jīng)擾動 或搖動，凝固的泥漿又重新獲得流動性。如再靜止又重新凝固， 這樣可以重復無數(shù)次。1.黏土泥漿含水量，2.粘土礦物組成，3.粘土膠粒大小與形狀，4,電解質(zhì)種類與數(shù)量，5.溫度8.2粘土帶負電的主要原因。粘土層面上的負電荷，粘土晶格 內(nèi)離子的同晶置換。吸附在粘土表面的腐殖質(zhì)物質(zhì)的解離，產(chǎn) 生負電荷粘土邊面斷裂，使得顆粒邊面帶負電，這是高嶺石類 粘土帶負電的主要原因。4.粘土的負電荷一般都遠大于正電荷。8.3用KCl和CaCl2分別稀釋同一種

13、黏土泥漿，當電解質(zhì)加入量相 同時，試比較兩種泥漿下列性質(zhì)的差異。(6分)(1)泥漿的流動性KClCaCl2 (2)泥漿的觸變性KClCaCl2 (3) 泥漿的可塑性KClCaCl2 (5)黏土 的Z電位KClCaCl2 (6)泥漿的穩(wěn)定性KClCaCl28.4黏土陽離子交換排列順序：H+Al3+Ba2+Sr2+Ca2+Mg2+NH +K+Na+Li+ (1)離子置換能力 大 一 一 一- 一 、 4 一 . . . 一 . (3)泥漿的流動性一 (4)泥漿 的穩(wěn)定性一 (5)黏土的結(jié)合水一8.5用Na CO和Na SiO分別稀釋同一種粘土(以高嶺石礦物為主) 泥漿，試比較有何差別？由于陰離子作

14、用Na CO3的。點位比 Na SiO大，加Na CO的泥漿注漿速率和觸變性大，加Na siO的 、2._、3 .一 .2.3、.23泥漿流動性和坯體致密度大。8.6在粘土水系統(tǒng)中，有哪幾種形式的水存在？其在粘土膠團周 圍的分布如何？ (10分)答：水在粘土膠粒的周圍隨著距離增 大結(jié)合力的減弱而分成牢固結(jié)合水、疏松結(jié)合水和自由水，粘土 顆粒吸附著完全定向的水分子層和水化陽離子，這部分與膠核形 成一個整體，一起在介質(zhì)中移動，其中的水稱為牢固結(jié)合水，在 牢固結(jié)合水周圍一部分定向程度較差的水稱疏松結(jié)合水，不能和 粘土膠粒一起移動，在其之外的為自由水。影響結(jié)合水量的因 素:黏土礦物組成，黏土分散度，黏

15、土吸附陽離子種類等。8.7用實驗方法鑒別晶體sio2、sio2玻璃、硅膠、sio2熔體。X-射線檢測。晶體-質(zhì)點在三維空間做有規(guī)律的排列，各向異性。 熔體-內(nèi)部結(jié)構(gòu)為架狀，近程有序，遠程無序。玻璃-各向同性。 硅膠-疏松多孔。8.8黏土膠團：1.黏土晶粒表面上氧與氫氧基可以與靠近表面的 水分子通過氫鍵而鍵合，2.黏土表面負電荷在黏土附近存在一個 靜電場，使極性水分子定向排列，3.粘土表面吸附著水化陽離子 8.9 Z電位：黏土膠粒分散在水中時，因吸附層與擴散層各帶有 相反的電荷，所以相對移動時兩者之間就存在著電位差。影響因 素:1.陽離子濃度，2.陽離子的電價，3.黏土表面的電荷密度、雙 電層厚

16、度、介質(zhì)介電常數(shù)4.黏土礦物組成、電解質(zhì)陰離子作用、 黏土膠粒形狀和大小、表面光滑程度等8.10泥漿膠溶條件:介質(zhì)呈堿性，必須有一價堿金屬陽離子交換 黏土原來吸附的離子，陰離子作用11.1說明影響擴散的因素。1)晶體組成的復雜性2)化學鍵的 影響3)結(jié)構(gòu)缺陷的影響4)溫度與雜質(zhì)對擴散的影響13.1、影響固相反應的因素有那些？ ： 1.反應物化學組成與結(jié)構(gòu) 的影響；2.反應物顆粒尺寸和分布影響；3.反應溫度、壓力、氣 氛影響；4.礦化劑及其他影響因素。13.2固相反應的特點(1)與大多數(shù)氣、液反應不同，固相反應 屬非均相反應。(2)固相反應開始溫度常遠低于反應物的熔點 或系統(tǒng)低共融溫度。F(F(

17、G) = 1 - (1-G)2/Kt14.1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）固態(tài)燒結(jié)的主要傳質(zhì)方式：蒸發(fā)-凝聚，擴散傳質(zhì)，塑性流*12.1用圖例說明過冷度對核化、晶化速率和晶粒尺寸等的影 響，如無析晶區(qū)又要使其析晶應措施？使自發(fā)析晶能力大的熔 體形成玻璃應措施？過冷度過大或過小對成核與生長速率均不 利，只有在一定過冷度下才能有最大成核和生長速率，如下圖。 若 T大，控制在成核率較大處析晶，易得晶粒多而尺寸小的細穩(wěn)第二相組成不隨時間變化形貌 有 穩(wěn)第二相組成不隨時間變化形貌 有 界面 能量 擴散 時間第二相分離成孤立的球形顆粒顆粒尺寸和位置在母液中是無序第一相分布在尺寸

18、上和間距上均有規(guī)則: 在分相開始界面有突變 分相需要位壘正擴散分相所需時間長 動力學障礙大第二相組成隨時間而連續(xù)向兩個極端組控制成型壓力，引入添加劑抑制晶界的生長等。（10分） 變化.直至達到平衡組成第一.相分離成有高度連續(xù)性的非球形顆粒11試從微觀質(zhì)點的排列狀態(tài)和表面的幾何狀態(tài)來描述固體表面 的結(jié)構(gòu)特點。：從微觀質(zhì)點的排列來說，表面質(zhì)點會通過極化、 變形和重排引起原來晶格的畸變來降低固體表面的表面能，最 終，表面的負離子被推向外側(cè)，正離子被拉向內(nèi)側(cè)從而形成了表 面的雙電層的結(jié)構(gòu)、。從表面的幾何結(jié)構(gòu)來說，固體的實際表面 是不規(guī)則和粗糙的，存在著無數(shù)臺階、裂鍵和凹凸不平的峰谷， 這些不同的幾何狀

19、態(tài)會對表面性質(zhì)產(chǎn)生影響。22.MOO3 和 CaCO3 反應時，。：當CaCO3 : MoO3由1:1升高到15:1以及CaCO3顆粒逐漸變細后， MoO3升華到CaCO3表面反應所生成的產(chǎn)物擴散層很薄，故擴 散極為迅速。因此整個反應的速度將由MoO3升華到CaCO3表 面的速度決定。反應的動力學過程由如下方程描述：晶；若AT小，控制在生長速率較大處析晶則容易獲得晶粒少而 尺寸大的粗晶。如果無析晶區(qū)，即成核與生長兩曲線完全分開而 不重疊，若要使其在一定過冷度下析晶，一般采用移動成核曲線 的位置，使它向生長曲線靠攏?？梢杂眉尤诉m當?shù)暮嘶瘎钩?核位壘降低，用非均勻成核代替均勻成核。使兩曲線重疊而容易 析晶。（1分）要使自發(fā)析晶能力大的熔體形成玻璃，采取增加 冷卻速度以迅速越過析晶區(qū)的方法，使熔體來不及析晶而玻璃 化。12.2什么是亞穩(wěn)分解和旋節(jié)分解？試從成分、形貌、有序性、 界面、能量