无机非金属材料试卷2011-

1、中国矿业大学(北京)无机非金属材料学试卷标准答案（01级A型） 得分： 姓名： 班级： 学号： 题号一二三四五六得分一、填空题（22分）1. 玻璃粘度的参考点中，应力能在几分钟内消除，大致相当于为粘度1012Pa.s的温度称之_退火_点；应力能在几小时内消除，其粘度相当于为1013.6Pa.s -1012的温度称之_应变_点；相当于粘度（3-15）×106Pa.s之间时的温度称之为_软化温度_。2. Sialon陶瓷是_Si_；_Al_；_O_；_N_四种元素组成。3. 请填上下列硅酸盐水泥代号的含义：P.0:_普通硅酸盐水泥_；P.S:_矿渣硅酸盐水泥_；P.P:_火山灰质硅酸盐水

2、泥_；P.F:_粉煤灰硅酸盐水泥_。4. 石灰在消化过程中的分散可分为._吸附分散_；._化学分散_。5. 在未来燃气轮机用高温结构材料的探求中，_Si3N4_和_Sialon_陶瓷是最有前景的。6. ZrO2陶瓷相变增韧是通过室温下_t- ZrO2_转变成_m- ZrO2_来实现的。7. 根据玻璃无规则学说观点，按元素与氧结合的单键能的大小和能否生成玻璃可将氧化物分为：. _网络生成体氧化物_；. _网络外体氧化物_；._中间体氧化物。8. -半水石膏是_致密的、完整的、粗大的原生颗粒；-半水石膏是_片状的、不规则的、由细小的_单个晶粒组成的次生颗粒。二、问答题（42分）1、什么是玻璃结构？

3、典型的玻璃结构有哪几种？其主要结构特征是什么？答：玻璃结构是指玻璃中原子或离子在空间上的几何配置以及它们在玻璃中形成的结构形成体。（2分）典型的玻璃结构有：（1）石英玻璃 其主要结构特征是硅氧四面体SiO4以顶角互相连接，形成一种三维空间架状结构，其Si-O-Si键角分布完全是无序的。（2分）（2）钠钙硅玻璃 由于Na2O、CaO的加入硅氧四面体SiO4 三维空间架状结构中的桥氧断裂，产生非桥氧而Na+、Ca+离子处于非桥氧附近的网隙（穴）中。（1分）（3）硼酸盐玻璃 B2O3玻璃由硼氧三角体BO3组成二维层状网络，当碱金属或碱土金属氧化物加入到B2O3玻璃中时，使硼氧三角体BO3转变成完全由

4、桥氧组成的硼氧四面体三维空间架状结构。即所谓的“硼氧反常性”结构。（1分）（4）其它氧化物玻璃 如Al2O3、As2O3、Ga2O3、BeO、TeO2等氧化物均可形成玻璃。这些氧化物玻璃的结构特点是均通过桥氧形成聚合结构。（1分）2、典型玻璃着色剂有哪几类？其着色机理有哪些？答：典型玻璃着色剂有三类：（1）离子着色剂，如V3-4+、Fe2-3+、Co2+、Ni2+、Ti2-4+、Mn2-3+、Ce3-4+等；（2）硫硒及其化合物着色剂如硫化镉、硒化镉等；金属胶体着色剂，如铜红、金红、银黄玻璃着色剂。（3分） 玻璃的颜色是玻璃对不同波长的光波选择吸收、透射、反射的结果。一种物质之所以能选择性的吸

5、收光波，是由于原子中的电子受到光能的激发，从能量较低的轨道跃迁到能量较高的轨道，也即从基态跃迁到激发态所致。因此只要基态与激发态之间的能量差处于可见光的能量范围，相应波长的光波就被吸收，从而显示颜色。（2分）根据上述着色原理可将玻璃着色机理分为： （2分）（1）离子着色机理 过渡金属离子的d轨道或f轨道会发生晶体场的分裂，其所产生的能量差大约在25000cm-1到14000 cm-1之间与某种波波长相当可被吸收，以及金属离子间发生电子或电荷转移从而显示颜色。（2）硫硒着色机理 由于硫硒为透明物质，除透过的颜色以外其它颜色均被吸收而呈透过之色。（3）硫硒化合物着色机理 如硫化镉、硒化镉中的S、S

6、e活动电子同过渡金属离子形成键，它类似于金属键的自由电子，其禁带宽度与可见光能量相等或小时可吸收部分可见光而显示颜色。（4）金属胶体着色机理 金属胶体的着色机理是由于胶态金属如铜、金、银颗粒的光散射而引起的。3、为什么高铝水泥可用于抢建修建工程施工？答：高铝水泥又称矾土水泥，其主要矿物是铝酸一钙（CA），是由Al2O3含量约为50%的水泥熟料磨细而成。（2分）高铝水泥的水化主要是铝酸一钙（CA）的水化,其水化产物与温度有很大的关系，在室温下产生的水化产物主要为CAH10和C2AH8。CAH10和C2AH8均属六方晶系，结晶形成的针状和片状晶体相互交叉搭连形成了非常坚固的结晶结构网。此外较高温度

7、下（>20）水化产物还有氢氧化铝凝胶填充在结晶结构网的空隙中，使结构更加致密，从而导致了高铝水泥可以有很高的机械强度。（3分）由于高铝水泥的强度提高很快，24小时后可达到最高强度的80%，因此高铝水泥可用来抢修抢建工程施工。（2分）4、什么是水泥的假凝现象？答：假凝是指水泥的一种不正常的早期固化或过早变硬现象。（3分）引起水泥的假凝现象的原因有：（1）C3A的含量太高，水泥水化时 C3A很快水化生成足够多的水化铝酸钙C4AH13，形成松散的网络结构就会使水泥在瞬间很快凝结；（2分）（2）为此在水泥磨粉是通常都掺有石膏。如果水泥在磨粉时受到高温，二水石膏脱水成半水石膏，水泥水化时半水石膏迅

8、速溶于水，溶解度也大，部分又重新水化析出二水石膏，形成针状结晶网状结构，从而引起浆体固化。（1分）（3）当石膏掺量较多，对于含碱较高的水泥，所含的硫酸钾会与二水石膏形成钾石膏结晶迅速长大，这也是造成假凝的原因。（1分）5、为什么含Fe杂质高的瓷器要求在还原气氛下烧结？答：在氧化气氛中，Fe2O3分解温度较高，此时由于釉面已玻化气孔已封闭，气体不能排出，易形成膨胀气泡，在还原气氛下，Fe2O3分解温度降至中温，气体可以在釉面玻化前自由逸出避免封孔出现；（2分）在氧化气氛中，Fe2O3在碱含量较低的瓷坯玻璃相中的溶解度很低，冷却时即由其中析出黄色胶体Fe2O3影响坯体颜色。在还原气氛下，Fe2O3

9、被还原为FeO，后者能在较低温度下与SiO2反应生成淡蓝色易溶的玻璃态物质FeSiO3使坯体呈淡青色，且提高瓷器的透光性改善瓷器的色泽；（3分） 此外Fe2O3被还原为FeO，与SiO2反应生成低熔点的硅酸盐，并降低玻璃相的粘度，增加表面张力，促使坯体在较低温度下烧结并有很大的收缩。（2分）6、耐火材料按化学、矿物组成可分为哪几类？答：耐火材料是由多种矿物组成，按其化学、矿物组成可分为以下6大类：（1分） （1）硅酸铝质耐火材料，如粘土砖、高铝砖等；（1分）（2）硅质耐火材料，如硅砖、熔融石英制品等；（1分）（3）镁质、镁锆质、白云石质耐火材料，如镁砖、镁铬砖、白云石砖等；（1分）（4）碳质耐

10、火材料，如碳砖、石墨砖等；（1分）（5）锆质耐火材料，如锆英石砖、锆刚玉砖等；（1分）（6）特殊耐火材料，如氧化物、碳化物、氮化物等特殊性能耐火材料。（1分）三、论述题（36分）1、什么是玻璃的退火？什么是玻璃的淬火？试述它们在玻璃生产加工中的作用。答：玻璃的退火为了消除永久应力，将玻璃加热至低于Tg附近的某一温度加热保温，使各部分温度梯度消除，应力得到松弛，最后缓慢冷却以消除变形和位移产生的残余应力或使之减少至最低限度值，这种热处理工艺称之为玻璃的退火。（3分）玻璃的淬火将玻璃加热至Tg以上5060,在冷却介质中急速冷却，在这一过程中玻璃的内层和外层表面将产生很大的温度梯度。由于Tg以上的玻

11、璃具有粘弹性，受力后会会产生位移和变形，使由温度梯度产生的内应力（外张内压）消失而处于应力松弛状态（内张外压）。在应变点以下冷却由于玻璃已成为弹性体，冷却到室温时虽然消除了应变点以下冷却时温度梯度产生的内应力但Tg以上松弛的应力转化为永久应力而被保留下来，使玻璃表面形成一层均匀分布的压应力层。这种热处理工艺称之为玻璃的淬火。（3分） a退火的作用：消除玻璃制品热成形过程中的内应力，避免玻璃制品热成形冷却过程中以及以后存放、使用、加工过程中产生炸裂。（2分）b淬火的作用：(1)减少表面裂纹数，改善表面质量；(2)提高玻璃的机械性能(玻璃的强度和热稳定性)； (3)提高使用的安全性，由于表面压应力

12、作用，不产生尖锐角的碎片。（4分）2、试述粘土、长石、石英在传统陶瓷制作上的作用。答：粘土是自然界中硅酸盐岩石（如长石、云母）经过长期风化作用而形成的一种土状矿物混和体；长石是有规则空间网架结构的硅酸盐，是长石族矿物的总称；石英是一种结晶状SiO2的天然矿物。粘土、石英、长石是构成传统陶瓷的三大基本组分。（3分）它们在传统陶瓷制备中的作用如下：粘土的作用是：a 当其与水混合时，有很好的可塑性，在陶瓷坯料中起塑化和粘结作用；b 能赋予陶瓷坯体以塑性变形或注浆能力，可保证干坯的强度及烧结制品的使用性能；c 是陶瓷能够成型的基础，也是粘土质陶瓷成瓷的基础。（3分）石英的作用是：a 石英原料是脊性料，

13、可降低可塑性，减少收缩变形，加快干燥；b 在高温时可部分溶于长石玻璃中，增加液相粘度，减少高温时的坯体变形；c未熔石英与莫来石一起构成坯体骨架增加强度；d 在釉料中增加石英含量可提高釉的熔融温度和粘度，提高釉的耐磨性和耐腐蚀性能。（3分） 长石的作用是：a 在陶瓷原料中起熔剂作用，可降低陶瓷产品的烧结温度；b与石英原料高温熔化后形成的玻璃态物质是构成釉的主要成分；c 长石原料也是脊性料，可提高坯体的疏水性，有利于提高坯体的干躁速度。（3分）3. 试述硅酸盐水泥的水化过程。答： 在硅酸盐水泥熟料中的主要矿物有：a 硅酸三钙（C3S）; b硅酸二钙（C2S）; c硅酸钙（CS）; d 铝酸三钙（C

14、3A）; e铝铁酸四钙（C4FA）以及一些玻璃体和含碱化合物。（2分） 硅酸盐水泥的水化过程是上述单矿物水化过程及其反应产物的综合。硅酸三钙（C3S）水化产物是水化硅酸钙（C-S-H）和氢氧化钙（CH）；硅酸二钙（C2S）的水化过程与C3S水化过程极为相似，但水化速率很慢约为其1/20左右，其水化产物与C3S水化过程相同；铝酸三钙（C3A）水化反应迅速其水化产物是C4AH13、C3AH6晶体，在石膏、氧化钙存在的条件下，虽然也快速水化形成C4AH13但其接着与石膏反应形成钙矾石（AFt相）。铝铁酸四钙（C4FA）水化反应迅速比C3A水化速率稍慢，其水化产物是水化铝酸钙和水化铁酸钙的固溶体，在石

15、膏、氧化钙存在的条件下，也形成钙矾石（AFt相）。（3分）根据水泥的水化过程的放热曲线将水泥的水化过程简单的化为三个阶段: a形成钙矾石形成期（AFt相）；b C3S水化期；c 结构形成和发展期。水泥的水化具体过程可描述如下：水泥加水后，C3A立即发生水化反应在水泥颗粒表面形成钙矾石（AFt相）针状晶体；接着C3S和 C4FA也很快水化，生成无定型水化硅酸钙（C-S-H）和氢氧化钙（CH）或水化铝酸钙等六方板状晶体；由于钙矾石的不断生成使液相中的SO42-离子逐渐减少并耗尽后就会产生单硫型水化硫铝（铁）钙（AFm）；若石膏不足，还有C3A 或C4FA过剩，则会生成AFm和C4（A，F）H13的

16、固溶体，甚至单独的C4（A，F）H13并转变为稳定地等轴晶体C3（A，F）H6。随着水化产物的增多并逐渐填满由水所占的空间，渐填连接、互相交织发展成硬化的浆体结构。（5分）由于水泥是多矿物、多组分的体系，各熟料矿物不可能单独进行水化，它们之间的相互作用必然对水化过程有一定的影响。例如，由于C3S较快水化，Ca2+浓度增加可使C2S的水化有所加速；又如C3A 、C4FA都要与SO42-离子结合，C3A水化反应快速势必影响C4FA水化反应速度。（2分） 中国矿业大学(北京)无机非金属材料学试卷（A型） 得分： 姓名： 班级： 学号： 题号一二三四五六得分一、填空题（20分）1. 玻璃粘度的参考点中

17、，相当于粘度为10Pa.s的温度称之_熔化_温度；相当于(3-15)×106Pa.s之间的温度称之为_软化_温度。2. 长石的分类不是按照化学组成，而是按照长石的解理情况来分的。3. ZrO2陶瓷相变增韧机制有几种，可分为1、 ；2、_；3、_。4. Sialon陶瓷是Si3N4-Al2O3-SiO2-AlN一系列化合物的总称。5. C4AF铁相固溶体又称才利特或C矿。6. ZrO2陶瓷相变增韧是通过室温下相变切变转变成稳定相来实现的。7. 在铁电陶瓷中为改善其性能常添加一定的添加剂，凡是能移动居里点的添加剂称为移动剂；能压低居里点的峰值，并使随温度的变化变得平坦的添加剂称为展宽剂。

18、8. 在铁氧体陶瓷MeFeO4(Me代表二价金属)结构中，正型尖晶石磁性具有_磁性；反型尖晶石具有_磁性；9. 在Y1Ba2Cu3O7-X系高温超导陶瓷中氧含量对高温超导性有重要影响，其中当氧含量为0X0.5时具有_性；因为在Y-Ba-Cu-O陶瓷结构中Cu-O面有_空位。10. 热敏陶瓷是某类陶瓷的电阻率随温度发生变化的材料，其中PTC 为正温度系数热敏陶瓷；NTC为负温度系数热敏陶瓷；CTR为临界温度热敏陶瓷。二、问答题（50分）1、什么是玻璃？它有哪些通性？答：其通性有：各向同性、介稳性、无固定熔点、性质变化的连续性和可逆性2、什么是澄清剂？它有哪几类？其澄清机制是什么？答：澄清剂就是加

19、入玻璃熔体中，用来排除其熔化过程中可见气泡的物质。根据其作用机制可把澄清剂分为三类：变价氧化物类澄清剂、硫酸盐类澄清剂和卤化物类澄清剂。变价氧化物类澄清剂的澄清剂机制是该类澄清剂在低温下吸收氧气，高温下放出氧气，溶解于玻璃液中中经扩散进入核泡，使气泡长大而排除；硫酸盐类澄清剂的澄清剂机制是该类澄清剂分解后产生O2和SO2，对气泡的长大和溶解起作用；卤化物类澄清剂的澄清剂机制是该类澄清剂降低玻璃粘度，使气泡易于上升排除。3、为什么水泥磨粉时通常都要掺有二水石膏？答：4、硅酸三钙C3S的水化产物有哪些？答：C3S的水化反应可用下式来描述：C3S的早期水化反应：由物理扩散屏蔽理论可知，C3S在水中是

20、一致溶解的，最初生成的第一水化物C3SHn很快在C3S周围形成一种物理扩散屏蔽层，阻碍其进一步水化，导致诱导期开始。当第一水化物转变为较易使离子通过的第二水化物（C/S0.81.5）时，水化重新加速，较多的Ca+和OH-进入液相达到饱和，并加快放热，诱导期结束。由晶格缺陷理论可知，C3S的早期水化并不遍及整个离子表面，而是首先发生在有晶格缺陷的活化点上。由晶核形成延缓理论可知，C3S的早期水化是Ca2+和OH-的不一致溶解，C3S的表面成为缺钙的“富硅层”，导致诱导期产生，一直到液相中Ca+和OH-缓慢增长，达到足够的过饱和度，才形成稳定的Ca（OH）2晶体，促使C3S溶解加速，诱导期结束，加

21、速期开始。斯卡尼和杨提出，当与水接触后，C3S表面有晶格缺陷的部位很快发生Ca2+和OH-的不一致溶解，形成一个“富硅层”。在负电荷表面吸附了Ca2+，形成一个正的Zeta电位，导致C3S溶解受阻而出现诱导期，但由于C3S的不一致溶解的进行，Ca（OH）2的浓度继续增高，当达到一定的过饱和度时，Ca（OH）2析晶，导致诱导期结束，同时还会有C-S-H沉淀析出。C3S的中期水化在C3S水化的加速期，伴随着Ca（OH）2和C-S-H的形成和长大，其过饱和度降低，使其生长速度变慢。C3S的水化受阻，水化加速过程就转为减速阶段。最初的产物，大部分生长在颗粒原始周界外由水所填充的空间，而后期的生长在颗粒

22、周界以内的区域进行，这两部分的C-S-H，分别称为“外部产物”和“内部产物”，随内部产物的形成和发展，C3S的水化由减速期向稳定期转变，进入水化后期。C3S的后期水化在水化过程中存在一个界面区，并逐渐推向颗粒内部。水解所形成的H+在内部产物中从一个氧原子转移到另一个氧原子，一直到达C3S并与之作用，而界面区部分Ca2+和Si4+则通过内部产物向外迁移，从而使C3S转化成内部C-S-H。随着界面区的向内推进，水化继续进行。而作为内部产物的C-S-H在形貌和成分等方面和外部C-S-H有所差异，通常是较为密实。5、什么叫触变厚化现象？答：二、论述题（30分）1、什么是热钢化？什么是化学钢化？试述玻璃

23、的钢化原理与作用。答：玻璃的热钢化就是在一定的条件下是玻璃进行淬火而使表面产生一层均匀分布的压应力，从而使其强度提高的热处理工艺。化学钢化就是基于玻璃表面离子的迁移为机理的。其过程是把加热的含碱玻璃浸于熔融盐中处理，通过玻璃与熔盐的离子交换改变玻璃表面的化学组成，使得玻璃表面形成压应力层。按压应力产生的原理可以分为以下几种类型：1.低温型处理工艺：在退火温度下，以熔盐中半径大的离子置换玻璃中半径大的离子，使玻璃表面积压产生压应力层。2.高温型处理工艺：在转变温度以上，以熔盐中半径小的离子置换玻璃中半径大的离子，在玻璃表面形成热膨胀系数比主体玻璃小的薄层，当冷却时，因表层与主体玻璃收缩不一致而在玻璃表面形成压应力。3.电辅助处理：上述两种工艺都是在浓度梯度情况下进行离子交换的，促进李子交换的另一途径使产生电场梯度，即使用电流以增大玻璃中离子迁移率。2、试述陶，炻，瓷在组成、结构