材料科学基础问答

1、&2.1以NaCl晶胞为例，试说明面心立方紧密堆积中的八面体 和四面体空隙的位置和数量。以NaCl晶胞中（001）面心的一 个球（Cl -离子）为例，它的正下方有1个八面体空隙（体心位 置），与其对称，正上方也有1个八面体空隙；前后左右各有1 个八面体空隙（棱心位置）。所以共有6个八面体空隙与其直接 相邻，由于每个八面体空隙由6个球构成，所以属于这个球的八 面体空隙数为6X 1/6=1。在这个晶胞中，这个球还与另外2个 面心、1个顶角上的球构成4个四面体空隙（即1/8小立方体的 体心位置）；由于对称性，在上面的晶胞中，也有4个四面体空 隙由这个参与构成。所以共有8个四面体空隙与其直接相邻，由

2、于每个四面体空隙由4个球构成，所以属于这个球的四面体空隙 数为 8 X 1/4=2。#2.2试解释说明为什么在硅酸盐结硅酸盐晶体结构分类依据是 什么？可分为哪几类，每类的结构特点是什么？（9分）答:硅酸盐晶体结构分类依据是:结构中硅氧四面体的连接方式。 1.岛状：硅氧四面体孤立存在；2.组群状：硅氧四面体以两个、 三个、四个或六个，通过共用氧相连成硅氧四面体群体，群体之 间由其它阳离子连接；3.链状：硅氧四面体通过共用氧相连，在 一维方向延伸成链状，链与链之间由其它阳离子连接；4.层状： 硅氧四面体通过三个共用氧在两维平面内延伸成硅氧四面体层 （高岭石1:1型，蒙脱石、滑石2： 1）； 5.架

3、状：每个硅氧四面体 的四个顶角都与相邻的硅氧四面体共顶，形成三维空间结构。#2.3鲍林规则：（1）配位体规则，围绕每个阳离子，形成一个 阳离子配位多面体，阴、阳离子的距离决定了它们的半径之和， 阳离子的配位数取决于它们的半径之比，与电价无关。（2）静 电价规则，在一个稳定的离子化合物结构中，每一个阴离子的 电价等于或者近似等于相邻阳离子分配给这个阴离子的静电价 强度总和。3。阴离子配位数多面体的共顶，共棱和共面规则） 在一个配位结构中，两个阴离子配位多面体共棱，特别是共面时， 结构稳定会降低。（4）在一个含有不同阳离子的晶体结构中， 电价高，配位数小的阳离子，趋向于不相互共享配位多面体要素。（

4、5）节约规则，在同一个晶体结构中，本质上不同的结构单元 的数目趋向于最小数目。2.4MgO具有NaCl结构。根据O2半径为0.140nm和Mg2+半径 为0.072nm，计算球状离子所占据的体积分数和计算MgO的密 度。并说明为什么其体积分数小于74.05%? （10分）解：在MgO晶体中，正负离子直接相邻，a0=2（r+r-）=0.424（nm） 体积分数=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 体积分数小于 74.05%， 原因在于 r+/r-=

5、0.072/0.14=0.42350.414，正负离子紧密接触，而负离子之 间不直接接触，即正离子将负离子形成的八面体空隙撑开了，负 离子不再是紧密堆积，所以其体积分数小于等径球体紧密堆积的 体积分数74.05%。2.5影响离子晶体结构的主要因素:1.化学式类型不同，2.阳、阴 离子半径比值不同，3.极化性能影响配位数和晶体结构类型。4.1试述晶体结构中点缺陷的类型。以通用的表示法写出晶体 中各种点缺陷的表示符号。试举例写出CaCl2中Ca2+S KCl中 K+或进入到心间隙中去的两种点缺陷。答：晶体结构中的点缺 陷类型共分为：间隙原子、空位和杂质原子等三种。在MX晶体 中，间隙原子的表示符号

6、为M|或X； （2分）空位缺陷的表示符号 为：Vm或Vx。（2分）如果进入MX晶体的杂质原子是A，则其表 示符号可写成：Am或Ax （取代式）以及A.（间隙式）。CaCl 够 Ca - + 匕+ 2CICaCl 够 Ca + 2V + 2Cl2K KC2iKCl#5.1试述影响置换型固溶体的固溶度的条件，和固溶体特点1.离子尺寸因素，| （r1-r2） /r1|离子键分子键3.与化学 组成的关系，B2O3是陶瓷釉中降低表面张力的首选组分，4.离 子晶体结构类型的影响，熔体内部质点之间的相互作用越大，表 面张力越大。5.两种熔体混合时，表面张力不具加和性。6.3玻璃通性（特性）:1.各向同性，2

7、.介稳性3.熔融态向玻璃态 转化的可逆与渐变性4.物理化学性质变化的连续性6.4玻璃形成条件:1.热力学条件，随温度降低，熔体释放能量大 小不同，可有三种冷却途径:结晶化、玻璃化、分相。2.动力学 条件，成核速率与生长速率的极大值所处的温度范围很靠近，熔 体易析晶不易形成玻璃；若玻璃形成温度附近粘度很大，易形成 过冷液体而不易析晶；临界冷却速率大，则形成玻璃困难而析晶 容易。3.结晶化学条件，氧化物的键强是决定它能否形成玻璃的 重要条件；形成玻璃必须具有极性共价键或金属共价键型。6.5晶子学说和无规则网络学说:晶子学说:玻璃内部是由无数“晶子”组成，微晶子是带有晶格变形的有序区域。它们分在 无

8、定形介中质，晶子向无定形部分过渡是逐渐完成时，二者没有 明显界限。无规则网络学说:凡是成为玻璃态的物质和相应的晶 体结构一样，也是由一个三度空间网络所构成。这种网络是由离 子多面体(三角体或四面体)构筑起来的。晶体结构网是由多 面体无数次有规律重复构成，而玻璃中结构多面体的重复没有规 律性。同:玻璃是具有近程有序、远程无序结构特点的无定形物 质。异:无规则-强调离子与多面体相互间排列的均匀性、连续性 及无序性，晶子-说明结构的不均匀性和有序性是所有硅酸盐玻 璃的共性。7.1影响湿润的因素有那些？固体表面粗糙度的影响当真实接 触角B小于90时，粗糙度越大，表面接触角越小，就越容易 湿润；当B大于

9、90，则粗糙度越大，越不利于湿润。吸附 膜的影响吸附膜的存在使接触角增大，起着阻碍作用。7.2说明吸附的本质？吸附是固体表面力场与吸附分子发出的力 场相互作用的结果，它是发生在固体上的。根据相互作用力的性 质不同，可分为物理吸附和化学吸附两种。物理吸附：由分子间 引力引起的，这时吸附物分子与吸附剂晶格可看作是两个分立的 系统。化学吸附：伴随有电子转移的键合过程，这时应把吸附分 子与吸附剂晶格作为一个统一的系统来处理。7.3黏附的表面化学具体条件：1.湿润性，2.黏附功，3.黏附面的界面张力4.相溶性或亲和性7.3、什么是润湿？改善润湿的方法有那些？ (8分)润湿：固 体与液体接触后，体系(固体

10、+液体)的吉布斯自由能降低时， 就称润湿。改善润湿的方法有：降低Y SL S、V两相组成尽量 接近；(1.5分)降低Y LV在液相中加表面活性剂；(1.5分) 提高Y SV去除固体表面吸附膜；(1.5分)改变粗糙度。(1.5分) 7.4简述固体表面粗糙度对湿润性的影响？当真实接触角小于 90度时，粗糙度越大，表面接触角越小，就越容易湿润；当真 实接触角大于90度，则粗糙度越大，越不利于湿润。什么是晶界结构？晶界结构是指晶界在多晶体中的形状、结构 和分布。7.5氧化铝瓷件中需要被银，已知1000C时 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 液态银不能湿润氧化铝瓷件表面，但 可以通过降低ysl使其小于ysv，从而达到湿润目的。方法：加 入一些金属降低Ysl。必须现将陶瓷表面磨平并抛光。保持陶瓷 表面清洁，去除吸附膜(2分)。胶体性质:泥浆流动性、稳定性，触变性，黏土膨胀性，可塑性 8.1影响粘土可塑性的因素，采用什么措施来提高的可塑性：1) 含水量的影响，2)电解质，3)颗粒大小和形状，4)黏土的矿 物组成，5)泥料处理工艺，6)腐殖质含量，添加剂。工艺措 施：泥料经过

12、真空练泥排除气体；经过一定时间陈腐使水分均 匀;适宜的腐殖质含量;添加塑化剂等方法提高瘠性物料的塑化。 影响粘土触变性的因素:是泥浆静止不动时似凝固体，一经扰动 或摇动，凝固的泥浆又重新获得流动性。如再静止又重新凝固， 这样可以重复无数次。1.黏土泥浆含水量，2.粘土矿物组成，3.粘土胶粒大小与形状，4,电解质种类与数量，5.温度8.2粘土带负电的主要原因。粘土层面上的负电荷，粘土晶格 内离子的同晶置换。吸附在粘土表面的腐殖质物质的解离，产 生负电荷粘土边面断裂，使得颗粒边面带负电，这是高岭石类 粘土带负电的主要原因。4.粘土的负电荷一般都远大于正电荷。8.3用KCl和CaCl2分别稀释同一种

13、黏土泥浆，当电解质加入量相 同时，试比较两种泥浆下列性质的差异。(6分)(1)泥浆的流动性KClCaCl2 (2)泥浆的触变性KClCaCl2 (3) 泥浆的可塑性KClCaCl2 (5)黏土 的Z电位KClCaCl2 (6)泥浆的稳定性KClCaCl28.4黏土阳离子交换排列顺序：H+Al3+Ba2+Sr2+Ca2+Mg2+NH +K+Na+Li+ (1)离子置换能力 大 一 一 一- 一 、 4 一 . . . 一 . (3)泥浆的流动性一 (4)泥浆 的稳定性一 (5)黏土的结合水一8.5用Na CO和Na SiO分别稀释同一种粘土(以高岭石矿物为主) 泥浆，试比较有何差别？由于阴离子作

14、用Na CO3的。点位比 Na SiO大，加Na CO的泥浆注浆速率和触变性大，加Na siO的 、2._、3 .一 .2.3、.23泥浆流动性和坯体致密度大。8.6在粘土水系统中，有哪几种形式的水存在？其在粘土胶团周 围的分布如何？ (10分)答：水在粘土胶粒的周围随着距离增 大结合力的减弱而分成牢固结合水、疏松结合水和自由水，粘土 颗粒吸附着完全定向的水分子层和水化阳离子，这部分与胶核形 成一个整体，一起在介质中移动，其中的水称为牢固结合水，在 牢固结合水周围一部分定向程度较差的水称疏松结合水，不能和 粘土胶粒一起移动，在其之外的为自由水。影响结合水量的因 素:黏土矿物组成，黏土分散度，黏

15、土吸附阳离子种类等。8.7用实验方法鉴别晶体sio2、sio2玻璃、硅胶、sio2熔体。X-射线检测。晶体-质点在三维空间做有规律的排列，各向异性。 熔体-内部结构为架状，近程有序，远程无序。玻璃-各向同性。 硅胶-疏松多孔。8.8黏土胶团：1.黏土晶粒表面上氧与氢氧基可以与靠近表面的 水分子通过氢键而键合，2.黏土表面负电荷在黏土附近存在一个 静电场，使极性水分子定向排列，3.粘土表面吸附着水化阳离子 8.9 Z电位：黏土胶粒分散在水中时，因吸附层与扩散层各带有 相反的电荷，所以相对移动时两者之间就存在着电位差。影响因 素:1.阳离子浓度，2.阳离子的电价，3.黏土表面的电荷密度、双 电层厚

16、度、介质介电常数4.黏土矿物组成、电解质阴离子作用、 黏土胶粒形状和大小、表面光滑程度等8.10泥浆胶溶条件:介质呈碱性，必须有一价碱金属阳离子交换 黏土原来吸附的离子，阴离子作用11.1说明影响扩散的因素。1)晶体组成的复杂性2)化学键的 影响3)结构缺陷的影响4)温度与杂质对扩散的影响13.1、影响固相反应的因素有那些？ ： 1.反应物化学组成与结构 的影响；2.反应物颗粒尺寸和分布影响；3.反应温度、压力、气 氛影响；4.矿化剂及其他影响因素。13.2固相反应的特点(1)与大多数气、液反应不同，固相反应 属非均相反应。(2)固相反应开始温度常远低于反应物的熔点 或系统低共融温度。F(F(

17、G) = 1 - (1-G)2/Kt14.1烧结的主要传质方式有那些？分析产生的原因是什么？（8 分）固态烧结的主要传质方式：蒸发-凝聚，扩散传质，塑性流*12.1用图例说明过冷度对核化、晶化速率和晶粒尺寸等的影 响，如无析晶区又要使其析晶应措施？使自发析晶能力大的熔 体形成玻璃应措施？过冷度过大或过小对成核与生长速率均不 利，只有在一定过冷度下才能有最大成核和生长速率，如下图。 若 T大，控制在成核率较大处析晶，易得晶粒多而尺寸小的细稳第二相组成不随时间变化形貌 有 稳第二相组成不随时间变化形貌 有 界面 能量 扩散 时间第二相分离成孤立的球形颗粒颗粒尺寸和位置在母液中是无序第一相分布在尺寸

18、上和间距上均有规则: 在分相开始界面有突变 分相需要位垒正扩散分相所需时间长 动力学障碍大第二相组成随时间而连续向两个极端组控制成型压力，引入添加剂抑制晶界的生长等。（10分） 变化.直至达到平衡组成第一.相分离成有高度连续性的非球形颗粒11试从微观质点的排列状态和表面的几何状态来描述固体表面 的结构特点。：从微观质点的排列来说，表面质点会通过极化、 变形和重排引起原来晶格的畸变来降低固体表面的表面能，最 终，表面的负离子被推向外侧，正离子被拉向内侧从而形成了表 面的双电层的结构、。从表面的几何结构来说，固体的实际表面 是不规则和粗糙的，存在着无数台阶、裂键和凹凸不平的峰谷， 这些不同的几何状

19、态会对表面性质产生影响。22.MOO3 和 CaCO3 反应时，。：当CaCO3 : MoO3由1:1升高到15:1以及CaCO3颗粒逐渐变细后， MoO3升华到CaCO3表面反应所生成的产物扩散层很薄，故扩 散极为迅速。因此整个反应的速度将由MoO3升华到CaCO3表 面的速度决定。反应的动力学过程由如下方程描述：晶；若AT小，控制在生长速率较大处析晶则容易获得晶粒少而 尺寸大的粗晶。如果无析晶区，即成核与生长两曲线完全分开而 不重叠，若要使其在一定过冷度下析晶，一般采用移动成核曲线 的位置，使它向生长曲线靠拢。可以用加人适当的核化剂，使成 核位垒降低，用非均匀成核代替均匀成核。使两曲线重叠而容易 析晶。（1分）要使自发析晶能力大的熔体形成玻璃，采取增加 冷却速度以迅速越过析晶区的方法，使熔体来不及析晶而玻璃 化。12.2什么是亚稳分解和旋节分解？试从成分、形貌、有序性、 界面、能量