無(wú)機(jī)材料科學(xué)基礎(chǔ)教程課后答案

第一章晶體幾何基礎(chǔ)等同點(diǎn)：晶體結(jié)構(gòu)中，在同一取向上幾何環(huán)境和物質(zhì)環(huán)境皆相同的點(diǎn)?？臻g點(diǎn)陣：概括地表示晶體結(jié)構(gòu)中等同點(diǎn)排列規(guī)律的幾何圖形。結(jié)點(diǎn)：空間點(diǎn)陣中的點(diǎn)稱為結(jié)點(diǎn)。晶體：內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)在三維空間呈周期性重復(fù)排列的固體。對(duì)稱：物體相同部分作有規(guī)律的重復(fù)。對(duì)稱型：晶體結(jié)構(gòu)中所有點(diǎn)對(duì)稱要素(對(duì)稱面、對(duì)稱中心、對(duì)稱軸和旋轉(zhuǎn)反伸軸)的集合為。晶類：將對(duì)稱型相同的晶體歸為一類，稱為晶類?？臻g群：是指一個(gè)晶體結(jié)構(gòu)中所有對(duì)稱要素的集合。布拉菲格子：是指法國(guó)學(xué)者A.布拉菲根據(jù)晶體結(jié)構(gòu)的最高點(diǎn)群和平移群對(duì)稱及空間格子的晶胞：能夠反應(yīng)晶體結(jié)構(gòu)特征的最小單位。何圖形可表示晶體的基本特征？解答：⑴晶體結(jié)構(gòu)的基本特征：①晶體是內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)在三維空間作周期性重復(fù)排列的固體。⑵14種布拉菲格子的平行六面體單位格子可以表示晶體的基本特征。1-3晶體中有哪些對(duì)稱要素，用國(guó)際符號(hào)表示。螺旋軸—ns，滑移面—a、b、c、dc補(bǔ)充：晶體的基本性質(zhì)是什么？與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)有什么關(guān)系？解答：①自限性：晶體的多面體形態(tài)是其格子構(gòu)造在外形上的反映。②均一性和異向性：均一性是由于內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)周期性重復(fù)排列，晶體中的任何一部分在結(jié)構(gòu)③對(duì)稱性：是由于晶體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)排列的對(duì)稱。④最小內(nèi)能和最大穩(wěn)定性：在相同的熱力學(xué)條件下，較之同種化學(xué)成分的氣體、液體及非晶質(zhì)體，晶體的內(nèi)能最小。這是規(guī)則排列質(zhì)點(diǎn)間的引力和斥力達(dá)到平衡的原因。界的非晶質(zhì)體自發(fā)向晶體轉(zhuǎn)變，但晶體不可能自發(fā)地轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌飸B(tài)。第二章晶體化學(xué)基礎(chǔ)場(chǎng)答：配位數(shù)：晶體結(jié)構(gòu)中與一個(gè)離子直接相鄰的異號(hào)離子數(shù)。同質(zhì)多晶：同一化學(xué)組成在不同外界條件下(溫度、壓力、pH值等)，結(jié)晶成為兩種以上原來(lái)位置發(fā)生少許位移，使次級(jí)配位有所改變的一種多晶轉(zhuǎn)變形式。1MgO晶體中不同晶面的氧離子排布示意圖2-2面排列密度的定義為：在平面上球體所占的面積分?jǐn)?shù)。(a)畫出MgO(NaCl型)晶體(111)、(110)和(100)晶面上的原子排布圖；(b)計(jì)算這三個(gè)晶面的面排列密度。(a)(111)、(110)和(100)晶面上的氧離子排布情況如圖2-1所示。((b)在面心立方緊密堆積的單位晶胞中，((111)面：面排列密度=((110)面：面排列密度=((100)面：面排列密度=解：(1)立方體配位2-3試證明等徑球體六方緊密堆積的六方晶胞的軸比c/a≈。分別與上、下示意圖2-4設(shè)原子半徑為R，試計(jì)算體心立方堆積結(jié)構(gòu)的(100)、(110)、(111)面的面排列度和晶面族的面間距。((100)面：面排列密度=面間面間距=((110)面：面排列密度=面間面間距=((111)面：面排列密度=面間面間距=NaCl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。答：以NaCl晶胞中(001)面心的一個(gè)球(Cl-離子)為例，它的正下方有1個(gè)八面體空隙(體心位置)，與其對(duì)稱，正上方也有1個(gè)八面體空隙；前后左右各有1個(gè)八面體空隙(棱觸下列配位的臨界半徑比：(a)立方體配位；(b)八面體配位；(c)四面體配位；(d)三在立方體的對(duì)角線上正、負(fù)離子相互接觸，在立方體的棱上兩個(gè)負(fù)離子相互接觸。因此：(2)八面體配位(3)四面體配位在四面體中中心正離子與四個(gè)負(fù)離子直接接觸，四個(gè)負(fù)離子之間相互接觸(中心角))。因此：(4)三角體配位2-7一個(gè)面心立方緊密堆積的金屬晶體，其原子量為M，密度是cm3。試計(jì)算其晶格常數(shù)和解：根據(jù)密度定義，晶格常數(shù)原原子間距=六六方晶胞(1/3)：第三章晶體結(jié)構(gòu)aClOMgO體積分?jǐn)?shù)=4×(4π/3)×+/=%密度=4×+16)/[×1023××10-7)3]=(g/cm3)MgOrr接觸，而負(fù)離子之間不直接接觸，等徑球體緊密堆積的體積分?jǐn)?shù)%。2-10半徑為R的球，相互接觸排列成體心立方結(jié)構(gòu)，試計(jì)算能填入其空隙中的最大小球半徑r。體心立方結(jié)構(gòu)晶胞中最大的空隙的坐標(biāo)為(0，1/2，1/4)。方緊密堆積略有不同(如圖2-3所示)。設(shè)：大球半徑為R，小球半徑為r。則位于立方體面心、棱心位置的八面體空隙能夠填充的位于立方體(,,0)位置的四面體空隙能夠填充的最大的小球尺寸為：2-11純鐵在912℃由體心立方結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成面心立方，體積隨之減小%。根據(jù)面心立方結(jié)構(gòu)的3-1名詞解釋(a)螢石型和反螢石型(b)類質(zhì)同晶和同質(zhì)多晶(c)二八面體型與三八面體型(d)同晶取代與陽(yáng)離子交換(e)尖晶石與反尖晶石(b)類質(zhì)同象：物質(zhì)結(jié)晶時(shí)，其晶體結(jié)構(gòu)中部分原有的離子或原子位置被性質(zhì)相似的其它同質(zhì)多晶：同一化學(xué)組成在不同熱力學(xué)條件下形成結(jié)構(gòu)不同的晶體的現(xiàn)象。(c)二八面體型：在層狀硅酸鹽礦物中，若有三分之二的八面體空隙被陽(yáng)離子所填充稱為二八面體型結(jié)構(gòu)(d)同晶取代：雜質(zhì)離子取代晶體結(jié)構(gòu)中某一結(jié)點(diǎn)上的離子而不改變晶體結(jié)構(gòu)類型的現(xiàn)象。陽(yáng)離子交換：在粘土礦物中，當(dāng)結(jié)構(gòu)中的同晶取代主要發(fā)生在鋁氧層時(shí)，一些電價(jià)低、半徑大的陽(yáng)離子(如K+、Na+等)將進(jìn)入晶體結(jié)構(gòu)來(lái)平衡多余的負(fù)電荷，它們與晶體的結(jié)合不很牢固，在一定條件下可以被其它陽(yáng)離子交換。(e)正尖晶石：在AB2O4尖晶石型晶體結(jié)構(gòu)中，若A2+分布在四面體空隙、而B3+分布于八面體空隙，稱為正尖四面體四面體空隙另一半分布于八面體空隙，通式為B(AB)O4，3-2(a)在氧離子面心立方密堆積的晶胞中，畫出適合(b)在氧離子面心立方密堆積結(jié)構(gòu)中，對(duì)于獲得穩(wěn)定結(jié)(1)所有八面體間隙位置均填滿；(2)所有四面體間隙位置均填滿；(3)填滿一半八面體間隙位置；(4)填滿一半四面體間隙位置。并對(duì)每一種堆積方式舉一晶體實(shí)例說(shuō)明之。解：(a)參見2-5題解答。(b)對(duì)于氧離子緊密堆積的晶體，獲得穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)所需(1)填滿所有的八面體空隙，2價(jià)陽(yáng)離子，MgO；(2)填滿所有的四面體空隙，1價(jià)陽(yáng)離子，Li2O；(3)填滿一半的八面體空隙，4價(jià)陽(yáng)離子，TiO2；(4)填滿一半的四面體空隙，2價(jià)陽(yáng)離子，ZnO。gO占據(jù)晶胞的體積分?jǐn)?shù))；計(jì)算MgO的密度。代入上式并解方程得：3-5試解釋(c)綠寶石和透輝石中Si:O都為1:3，前者為環(huán)狀結(jié)構(gòu)，后者為鏈狀結(jié)構(gòu)。(b)按照陽(yáng)、陰離子半徑比與配位數(shù)之間的關(guān)系，Al3+與Mg2+的配位數(shù)均應(yīng)該為6，填入八面體空隙。但是，根據(jù)鮑林規(guī)則，高電價(jià)離子填充于低配位的四面體空隙時(shí)，排斥力要比(c)綠寶石和透輝石中Si:O都為1:3。但是，綠寶石中的其它陽(yáng)離子Be2+和Al3+的離子半徑較小，配位數(shù)較小(4或6)，相互間斥力較大，所以綠寶石通過[SiO4]頂角相連形成l構(gòu)較穩(wěn)定。透輝石中是Mg2+和Ca2+，離子半徑較大，配位數(shù)較大(分別為6和8)，相互間斥力較小，所以透輝石通過[SiO4]頂角相連形成單鏈，離子堆積結(jié)合狀態(tài)比較緊密。3-6敘述硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)分類原則及各種類型的特點(diǎn)，并舉一例說(shuō)明之。結(jié)構(gòu)類型共用氧數(shù)形狀絡(luò)陰離子氧硅比實(shí)例044石Mg[SiO]24組群狀1~2六節(jié)環(huán)618~332618鏈狀2~3263~CaMg[SiO]26狀3平面層410滑石Mg[SiO](OH)34102架狀4骨架[SiO]2石英SiO 223-7堇青石與綠寶石有相同結(jié)構(gòu)，分析其有顯著的離子電導(dǎo)，較小的熱膨脹系數(shù)的原因。答：堇青石Mg2Al3[AlSi5O18]具有綠寶石結(jié)構(gòu)，以(3Al3++2Mg2+)置換綠寶石中的 增大，但由于能夠向結(jié)構(gòu)空隙中膨脹，所以不發(fā)生明顯的體積膨脹，因而熱膨脹系數(shù)較小。3-8(a)什么叫陽(yáng)離子交換？(b)從結(jié)構(gòu)上說(shuō)明高嶺石、蒙脫石陽(yáng)離子交換容量差異的原因。(c)比較蒙脫石、伊利石同晶取代的不同，說(shuō)明在平衡負(fù)電荷時(shí)為什么前者以水化陽(yáng)離子形式進(jìn)入結(jié)構(gòu)單元層，而后者以配位陽(yáng)離子形式進(jìn)入結(jié)構(gòu)單元層。e(如Na+、Ca2+等)進(jìn)入層間，來(lái)平衡多余的負(fù)電荷，在一定條件下這些陽(yáng)離子可以被其它(b)高嶺石的陽(yáng)離子交換容量較小，而蒙脫石的陽(yáng)離子交換容量較大。因?yàn)楦邘X石是1:1水化陽(yáng)離子容易進(jìn)入復(fù)網(wǎng)層間以平衡多余的負(fù)電荷，因此蒙脫石的陽(yáng)離子交換容量較大。 被Mg2+所取代，平衡電荷的水化陽(yáng)離子半徑大，而且水化陽(yáng)離子與負(fù)電荷之間距離遠(yuǎn)，覆K構(gòu)成[KO12]，K+與硅氧層中的負(fù)電荷距離近，結(jié)合力較強(qiáng)，因此以配位離子形式進(jìn)入結(jié)構(gòu)單原因在于Mg2+和Ca2+兩種離子的離子半徑不同、配位數(shù)不同、配位氧離子不同(橋氧或非橋氧)。(金紅石型)結(jié)構(gòu)同，CaF2則有螢石型結(jié)構(gòu)，分析其原因。答：堿土金屬離子Be2+、Mg2+、Ca2+，隨著原子序數(shù)的增大，離子半徑逐漸增大，極化性密相鄰)，所以并沒有達(dá)到緊密堆積(緊密堆積時(shí)每個(gè)原子同時(shí)與12個(gè)原子緊密相鄰)，其晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在很多空隙。所以其堆積系數(shù)僅為34%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于緊密堆積的%。第四章晶體結(jié)構(gòu)缺陷習(xí)題與解答名詞解釋(a)弗倫克爾缺陷與肖特基缺陷；(b)刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)解：(a)當(dāng)晶體熱振動(dòng)時(shí)，一些能量足夠大的原子離開平衡位置而擠到晶格點(diǎn)的間隙中，稱為肖特基缺陷。(b)滑移方向與位錯(cuò)線垂直的位錯(cuò)稱為刃型位錯(cuò)。位錯(cuò)線與滑移方向相互平行的位錯(cuò)稱為螺型位錯(cuò)。試述晶體結(jié)構(gòu)中點(diǎn)缺陷的類型。以通用的表示法寫出晶體中各種點(diǎn)缺陷的表示符號(hào)。試舉例解：晶體結(jié)構(gòu)中的點(diǎn)缺陷類型共分：間隙原子、空位和雜質(zhì)原子等三種。在MX晶體中，間原子是A，則其表示符號(hào)可寫成：AM或AX(取代式)以及Ai(間隙式)。aCl+2ClaCl2Cl置平衡、電中性、質(zhì)量平衡是指什么？b。電中性是指在方程式兩邊應(yīng)具有相同的有效電荷。質(zhì)量平衡是指方程式兩邊應(yīng)保持物質(zhì)質(zhì)量的守恒。 熱缺陷占優(yōu)勢(shì)還是雜質(zhì)缺陷占優(yōu)勢(shì)？說(shuō)明原因。解：(a)根據(jù)熱缺陷濃度公式：expexp(－)由題意△G=6ev=6××10-19=×10-19JK=×10-23J/KT1=25+273=298KT2=1600+273=1873K=(b)在MgO中加入百萬(wàn)分之一的Al2O3雜質(zhì)，缺陷反應(yīng)方程為：此時(shí)產(chǎn)生此時(shí)產(chǎn)生的缺陷為[]雜質(zhì)。]]=[AlO]=10-6雜質(zhì)23由(由(a)計(jì)算結(jié)果可知：在1873K，[]熱=8×10-9]，所以在]＞[雜質(zhì)熱expexp(－)2O(g)→O+V+2h由題意△GO(g)→O+V+2h則112解：(a)在Al2O3中，添加%的Cr2O3，生成淡紅寶石的缺陷反應(yīng)式為：Cr2O3Cr2O3生成置換式雜質(zhì)原子點(diǎn)缺陷。其缺陷濃度為：%×＝%＝4×10-3%(b)當(dāng)添加%的NiO在Al2O3中，生成黃寶石的缺陷反應(yīng)式為：O×＝%解：(a)非化學(xué)計(jì)量化合物Fe1-xO，是由于正離子空位，引起負(fù)離子過剩：FeO(g)→2Fe+V+OFeFeO22O按質(zhì)量作用定律，平衡常數(shù)O體質(zhì)量減小，則FeO的密度也將減小。1-x (b)非化學(xué)計(jì)量化合物ZnO，由于正離子填隙，使金屬離子過剩：1+x+2+2e′+2K=[]2K=[][e′]得[]P-1/6O晶體質(zhì)量減小，則ZnO的密度也將減小。1+x解：非化學(xué)計(jì)量化合物FeO，可認(rèn)為是α(mol)的FeO溶入FeO中，缺陷反應(yīng)式為：x2322Fe+V+3O23O為：FeFeFeO非化學(xué)計(jì)量氧化物TiO2-x的制備強(qiáng)烈依賴于氧分壓和溫度：(a)試列出其缺陷反應(yīng)式。(b)求其缺陷濃度表達(dá)式。解：非化學(xué)計(jì)量氧化物TiO2-x，其晶格缺陷屬于負(fù)離子缺位而使金屬離子過剩的類型。(a)缺陷反應(yīng)式為：22Ti?/FONT>O↑→2+Ti2OOO→+2e′+O↑O2(b)缺陷濃度表達(dá)式：試比較刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)的異同點(diǎn)。????????????????????????????表4-1刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)的異同點(diǎn)螺型位螺型位錯(cuò)刃型位錯(cuò)與柏格斯矢量位錯(cuò)分類位錯(cuò)是否引起晶與柏格斯矢量位錯(cuò)分類位錯(cuò)是否引起晶體畸變和形成應(yīng)力場(chǎng)位錯(cuò)類型柏格斯矢量與螺型位錯(cuò)線平行螺形位錯(cuò)分為左旋和右旋引起晶體畸變和形成應(yīng)晶格畸變?cè)叫≈挥袔讉€(gè)原子間距的線陷錯(cuò)線垂直刃性位錯(cuò)有正負(fù)之分引起晶體畸變和形成應(yīng)小只有幾個(gè)原子間距的線陷第五章固溶體習(xí)題與解答試述影響置換型固溶體的固溶度的條件。1.離子尺寸因素從晶體穩(wěn)定性考慮，相互替代的離子尺寸愈相近，則固溶體愈穩(wěn)定。若以r和r分別代表12若此值在15~30%時(shí)，可以形成有限置換型固溶體。而此值>30%時(shí)，不能形成固溶體。2、晶體的結(jié)構(gòu)類型形成連續(xù)固溶體的兩個(gè)組分必須具有完全相同的晶體結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)不同最多只能生成有限固溶3、離子的電價(jià)因素4、電負(fù)性因素電負(fù)性相近，有利于固溶體的生成。從化學(xué)組成、相組成考慮，試比較固溶體與化合物、機(jī)械混合物的差別。 (以AO溶質(zhì)溶解在BO溶劑中為例)23化合化合物機(jī)械混合物2323BAO(x=0~2)2-xx相組成兩相組成兩相有界面試闡明固溶體、晶格缺陷和非化學(xué)計(jì)量化合物三者之間的異同點(diǎn)。列出簡(jiǎn)明表格比較。有限固溶體間隙型有限固溶體間隙型組分缺陷晶格熱振動(dòng)摻雜溶解環(huán)境中氣表5-2固溶體、晶格缺陷和非化學(xué)計(jì)量化合物比較成形成條件缺陷反應(yīng)固溶式溶解度因特基陷0特基陷克克陷MMMXX=XX<體BAO受體BAO受溫度控制x=0~1AO1-xx同近摻雜量<固溶度，受溫度YF摻雜量<固溶度，受溫度YF3體結(jié)構(gòu)開<30%，Ca2+[h]+位2[h]+位2VO氧化物在氧化氣氛中氛性氛性質(zhì)和壓力變化2O隙隙位[]+U[]2+→+2e2+→+2e′22O氧化物在還原氣氛中+2試寫出少量MgO摻雜到AlO中和少量YF摻雜到CaF中的缺陷方程。(a)判斷方程的合理2332性。(b)寫出每一方程對(duì)應(yīng)的固溶式。+3+3OO(1)2+2MgO2++2O(2)OYFYFY+F+2F(3)3FF(4)2Y+3F2Y3+→3Ca2+。這樣即可寫出一組缺陷方程。其次考慮不等價(jià)離子等量置換，如方程(2)和 (3)2Mg2+→2Al3+；Y3+→Ca2+。這樣又可寫出一組缺陷方程。在這兩組方程中，從結(jié)晶化離子晶體中(除螢石型)較少見。上述四個(gè)方程以(2)和(3)較合理。當(dāng)然正確的判斷必須用固溶體密度測(cè)定法來(lái)決定。((b)(1)一塊金黃色的人造黃玉，化學(xué)分析結(jié)果認(rèn)為，是在AlO中添加了%NiO和%CrO。試寫出缺2323陷反應(yīng)方程(置換型)及化學(xué)式。解：NiO和CrO固溶入AlO的缺陷反應(yīng)為：23232O23∵2NiO→2AlO23CrO→AlO2323AlO所占晶格為：23＋2＋＝(AlO)23mol23molNiO：molmolCrO：mol23AlO·NiO·CrO2323或=2－－=2－x－y=3－x解：六方晶系的晶胞體積gcm3，V===在兩種密度下晶胞的重量分別為1122理論上單位晶胞重W==(g)m對(duì)(am∴密度是d時(shí)為間隙型固溶體，是dm對(duì)(am12對(duì)于MgO、AlO和CrO，其正、負(fù)離子半徑比分別為、和。AlO和CrO形成連續(xù)固溶體。23232323(a)這個(gè)結(jié)果可能嗎？為什么？(b)試預(yù)計(jì)，在MgO－CrO系統(tǒng)中的固溶度是有限還是很23解：(a)AlO與CrO有可能形成連續(xù)固溶體。因?yàn)椋?323=10%＜15=10%＜15%①=②結(jié)構(gòu)類型相同，均屬剛玉型結(jié)構(gòu)。 (b)對(duì)于MgO－CrO系統(tǒng)，由于結(jié)構(gòu)類型相差較大，前者為NaCl型，后者為剛玉型。雖然23===%＜15%，也不可能形成完全互溶的固溶體，而只能是有限固溶。AlO在MgO中將形成有限固溶體，在低共熔溫度1995℃時(shí)，約有18wt%AlO溶入MgO中，2323)(b)Al3+為置換離子：取100g試樣為基準(zhǔn)：(為摩爾數(shù))＝＝＝MgO2323(5)式各項(xiàng)除以得(6)由(6)式得x=代入(2)(4)式，)有)有b設(shè)：固溶前后晶胞體積不變，則密度變化為：==((，分別代表固溶前后密度)所以，固溶后的密度小于固溶前的密度。用YF加入CaF中形成固溶體，實(shí)驗(yàn)測(cè)得固溶體的晶胞參數(shù)a=，測(cè)得固溶體密度ρ=cm3，32試計(jì)算說(shuō)明固溶體的類型？(元素的相對(duì)原子質(zhì)量：Y=；Ca=；F=)YFYFY+F+2F(1)3F2Y+V3F方程(1)和(2)的固溶式：(1)CaYF(2)CaYF1-xx2+x(1-3/2x)x2按題意x=代入上述固溶式得：間隙型固溶體分子式為置換型固溶體分子式為；它們的密度分別設(shè)為ρ和ρ。CaF是螢石型晶體，單位晶胞內(nèi)含有4個(gè)螢石分子。122=1221213121第六章熔體和非晶態(tài)固體答：聚合物的形成是以硅氧四面體為基礎(chǔ)單位，組成大小不同的聚合體?？煞譃槿齻€(gè)階段初期：石英的分化；隨溫度降低，熔體粘度按指數(shù)關(guān)系遞增。6-3名詞解釋(并比較其異同)⑴晶子學(xué)說(shuō)和無(wú)規(guī)則網(wǎng)絡(luò)學(xué)說(shuō)⑵單鍵強(qiáng)⑶分化和縮聚⑷網(wǎng)絡(luò)形成劑和網(wǎng)絡(luò)變性劑沒有明顯界限?？臻g網(wǎng)絡(luò)所構(gòu)成。這種網(wǎng)絡(luò)是由離子多面體(三角體或四面體)玻璃中結(jié)構(gòu)多面體的重復(fù)沒有規(guī)律性。⑵單鍵強(qiáng)：?jiǎn)捂I強(qiáng)即為各種化合物分解能與該種化合物配位數(shù)的商。⑶分化過程：架狀[SiO]斷裂稱為熔融石英的分化過程。4即單鍵強(qiáng)/熔點(diǎn)﹤者稱為網(wǎng)絡(luò)變形劑。?答：利用X—射線檢測(cè)。晶體SiO—質(zhì)點(diǎn)在三維空間做有規(guī)律的排列，各向異性。2SiO狀，近程有序，遠(yuǎn)程無(wú)序。2SiO玻璃—各向同性。2硅膠—疏松多孔。?6-5玻璃的組成是13wt%NaO、13wt%CaO、74wt%SiO，計(jì)算橋氧分?jǐn)?shù)？22 ? ?NaOCaOSiO 22wt%131374mol R= R=++×2)/=???SiOSiO2(wt%)1288232參數(shù)說(shuō)明兩種玻璃高溫下粘度的大??？Z=4R=O/Si=11112222212?6-7在SiO中應(yīng)加入多少NaO，使玻璃的O/Si=，此時(shí)析晶能力是增強(qiáng)還是削弱？22解：設(shè)加入xmol的NaO，而SiO的量為ymol。22?6-8有一種平板玻璃組成為14NaO—13CaO—73SiO(wt%重量百分比)，其密度為cm3,22計(jì)算玻璃的原子堆積系數(shù)(AFP)為多少？計(jì)算該玻璃的結(jié)構(gòu)參數(shù)值？?解：該玻璃的平均分子量GM=×62+×56+×=nNoGM10-24××1023/=個(gè)/?3V=×4/3π[×2×+×+×+(++×2)×]=?2aOSiO2wt%molmol%R=++×2)/=6-9試比較硅酸鹽玻璃與硼酸鹽玻璃在結(jié)構(gòu)與性能上的差異。答：結(jié)構(gòu)差異：硅酸鹽玻璃：石英玻璃是硅酸鹽玻璃的基礎(chǔ)。石英玻璃是硅氧四面體[SiO]4動(dòng)范圍大，使石英玻璃中[SiO]四面體排列成無(wú)規(guī)則網(wǎng)絡(luò)結(jié)4構(gòu)。SiO是硅酸鹽玻璃中的主要氧化物。2重要基元，這些環(huán)通過B—O—B鏈連成三維網(wǎng)絡(luò)。BO是網(wǎng)23絡(luò)形成劑。這種連環(huán)結(jié)構(gòu)與石英玻璃硅氧四面體的不規(guī)則網(wǎng)角體所填充，兩個(gè)原子接近的可能性較小。點(diǎn)。點(diǎn)造有吸收慢中子的氧化物玻璃；氧化硼玻璃的轉(zhuǎn)化溫度比硅酸鹽玻璃低得多；硼對(duì)中子射線的靈敏度高，硼酸鹽玻璃作為原子反應(yīng)堆的窗口對(duì)材料起屏蔽中子射線的作用。6-10解釋硼酸鹽玻璃的硼反?，F(xiàn)象？答：硼反?，F(xiàn)象：隨著NaO(RO)含量的增加，橋氧數(shù)增大，熱膨脹系數(shù)逐漸下降。222升，這種反?，F(xiàn)象就是硼反?，F(xiàn)象。硼反?，F(xiàn)象原因：當(dāng)數(shù)量不多的堿金屬氧化物同BO一起熔融時(shí)，堿金屬所提供23的氧不像熔融SiO玻璃中作為非橋氧出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)中，而是使硼轉(zhuǎn)變?yōu)橛蓸蜓踅M成的硼氧四2面體。致使BO玻璃從原來(lái)二度空間層狀結(jié)構(gòu)部分轉(zhuǎn)變?yōu)槿瓤臻g的架狀結(jié)構(gòu)，從而加強(qiáng)了23土金屬加入量的變化規(guī)律相反。第七章固體表面與界面7-1分析說(shuō)明：焊接、燒結(jié)、粘附接合和玻璃-金屬封接的作用原理？??7-2MgO—AlO—SiO系統(tǒng)的低共熔物放在SiN陶瓷片上，在低共熔溫度下，液相的表面23234張力為900×10-3N/m，液體與固體的界面能為600×10-3N/m，測(cè)得接觸角為°，解：⑴已知SVSLLV⑵已知求SiN的表面張力。34把SiN在低共熔溫度下進(jìn)行熱處理，測(cè)試其熱腐蝕的槽角60°，求SiN3434γ=900×10-3N/mγ=600×10-3N/mθ=°LVSLγ=2γCOSФ/2=2×900×10-3×COS60/2=mSSSV?7-3氧化鋁瓷件中需要被銀，已知1000℃時(shí)γ=×10-3N/m,γ=×10-3N/m,(Al2O3(S))(Ag(L))=×10-3N/m,問液態(tài)銀能否濕潤(rùn)氧化鋁瓷件表面？用什么方法改善它們之間的濕/Al2O3(S))SVSLLV∴液態(tài)銀不能濕潤(rùn)氧化鋁瓷件表面，但可以通過降低γ使其小于γ，從而達(dá)到SLSV方法如下：加入一些金屬降低γ。SL于濕潤(rùn)。⑵吸附膜吸附膜的存在使接觸角增大，起著阻礙作用。?物理吸附：由分子間引力引起的，這時(shí)吸附物分子與吸附劑晶格可看作是兩個(gè)分立2化學(xué)吸附：伴隨有電子轉(zhuǎn)移的鍵合過程，這時(shí)應(yīng)把吸附分子與吸附劑晶格作為一個(gè)?答：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。?答：兩種不同熱膨脹系數(shù)的晶相，在高溫燃燒時(shí)，兩個(gè)相完全密合接觸，處于一種無(wú)應(yīng)力狀態(tài)，但當(dāng)它們冷卻時(shí)，由于熱膨脹系數(shù)不同，收縮不同，晶界中就會(huì)存在應(yīng)力。晶界中的應(yīng)力大則有可能在晶界上出現(xiàn)裂紋，甚至使多晶體破裂，小則保持在晶界內(nèi)。第十章相平衡解：凝聚系統(tǒng)：不含氣相或氣相可以忽略的系統(tǒng)。。是一種無(wú)變量點(diǎn)，系統(tǒng)冷卻時(shí)幾種晶相同時(shí)從熔液中析出，或加熱時(shí)同時(shí)融化。雙升點(diǎn)：處于交叉位的單轉(zhuǎn)熔點(diǎn)。雙降點(diǎn)：處于共軛位的雙轉(zhuǎn)熔點(diǎn)。馬鞍點(diǎn)：三元相圖界線上溫度最高點(diǎn)，同時(shí)又是二元系統(tǒng)溫度的最低點(diǎn)。連線規(guī)則：將一界線(或其延長(zhǎng)線)與相應(yīng)的連線(或其延長(zhǎng)線)相交，其交點(diǎn)是該界線上高點(diǎn)。個(gè)物質(zhì)相應(yīng)的初初晶區(qū)所包圍的三元無(wú)變量點(diǎn)是其結(jié)晶結(jié)束點(diǎn)。則該無(wú)變點(diǎn)為雙轉(zhuǎn)熔點(diǎn)。2解：在573℃以下的低溫，SiO的穩(wěn)定晶型為b－石英，加熱至573℃轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷匦偷腶－2。如果加熱速度過快，為介穩(wěn)態(tài)的g－鱗石英。加熱時(shí)g－鱗石英仍在原轉(zhuǎn)變溫度以同樣的速度先后轉(zhuǎn)變?yōu)閎－過冷，在180~270℃轉(zhuǎn)變?yōu)榻榉€(wěn)狀態(tài)的b－方石英；當(dāng)加熱b－方石英仍在180~270℃迅速轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定狀態(tài)的a－方石英。熔融狀態(tài)的SiO由于粘度很大，冷卻時(shí)往往成為過冷的2液相－－石英玻璃。雖然它是介穩(wěn)態(tài)，由于粘度很大在常溫下可以長(zhǎng)期不變。如果在1000℃逆地轉(zhuǎn)變?yōu)閍－方石英。對(duì)SiO的相圖進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，SiO的所有處于介穩(wěn)狀態(tài)的熔體的22飽和蒸汽壓都比相同溫度范圍內(nèi)處于熱力學(xué)穩(wěn)定態(tài)的熔體的飽和蒸汽壓高。而理論和實(shí)踐證同，在不同的加熱或冷卻速率下，硅酸鹽制品中經(jīng)常出現(xiàn)介穩(wěn)態(tài)晶相。3.SiO具有很高的熔點(diǎn)，硅酸鹽玻璃的熔制溫度也很高?，F(xiàn)要選擇一種氧化物與SiO在22800℃的低溫下形成均一的二元氧化物玻璃，請(qǐng)問，選何種氧化物？加入量是多少？222222溫下形成均一的二元氧化物玻璃。程：LA+C，已知E點(diǎn)的B含量為20%，化合物C的B含量為64%。今有C，C兩種配料，12已知C中B含量是C中B含量的倍，且在高溫熔融冷卻析晶時(shí)，從該二配料中析出的初相12 (即達(dá)到低共熔溫度前析出的第一種晶體)含量相等。請(qǐng)計(jì)算C，C的組成。12設(shè)C中B含量為x,則C中B含量為，由題意得：215.已知A，B兩組分構(gòu)成具有低共熔點(diǎn)的有限固溶體二元相圖〔圖10-12(i)〕。試根據(jù)均在達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)測(cè)定。???6.在三元系統(tǒng)的濃度三角形上畫出下列配料的組成點(diǎn)，并注意其變化規(guī)律。1.A=10%,B=70%,C=20%(質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，下同)2.A=10%,B=20%,C=70%3.A=70%,B=20%,C=10%今有配料(1)3kg，配料(2)2kg，配料(3)5kg，若將此三配料混合加熱至完全熔融，試根據(jù)杠桿規(guī)則用作圖法求熔體的組成。解：根據(jù)題中所給條件，在濃度三角形中找到三個(gè)配料組成點(diǎn)的位置。連接配料(1)與配料(2)的組成點(diǎn)，按杠桿規(guī)則求其混合后的組成點(diǎn)。再將此點(diǎn)與配料(3)的組成點(diǎn)連接，此連線的中點(diǎn)即為所求的熔體組成點(diǎn)。7.圖〔10-24(e)〕是具有雙降升點(diǎn)的生成一個(gè)不一致熔融三元化合物的三元相圖。請(qǐng)分范8.在(圖10-36)中：的方向及界線的性質(zhì)；解：(1)、(2)見圖解；4656?344?35-37)中點(diǎn)1、2熔體的析晶路程。(注：S、1、E在一條直線上)。10.在NaO-CaO-SiO相圖(圖10-35)中：22(4)分析并寫出M點(diǎn)的析晶路程(M點(diǎn)在CS與NCS連線的延長(zhǎng)線上，注意穿相區(qū)的情況)。6表10-14NaO-CaO-SiO系統(tǒng)富硅部分的無(wú)變量點(diǎn)的性質(zhì)22化學(xué)組成(wt％)平衡溫平衡性質(zhì)相化學(xué)組成(wt％)平衡溫平衡性質(zhì)相平衡SiO2232中點(diǎn)號(hào)低共熔點(diǎn)低共熔點(diǎn)223雙升點(diǎn)雙升點(diǎn)雙升點(diǎn)223336NS2+NCS56低共熔低共熔點(diǎn)低共熔點(diǎn)雙降點(diǎn)變23856782385678385L+S(石英)+NCSNCS365CS3699雙升點(diǎn)雙升點(diǎn)變變NCS+S(石英)L+βCS23233623CS、轉(zhuǎn)熔等一系列反應(yīng)，連穿三個(gè)相區(qū)，最終在4點(diǎn)析晶結(jié)束。2232232解：在KO-AlO-SiO系統(tǒng)相圖的配料三角形(圖10-32)中根據(jù)長(zhǎng)石與脫水高嶺土的含量2232確定配料組成點(diǎn)，然后在產(chǎn)物三角形(圖10-32)找最終平衡相，根據(jù)杠桿規(guī)則計(jì)算各相組第十一章擴(kuò)散11-1名詞解釋(試比較其同)1．無(wú)序擴(kuò)散：原子或離子的無(wú)規(guī)則擴(kuò)散遷移運(yùn)動(dòng)發(fā)生在結(jié)構(gòu)無(wú)序的非晶態(tài)材料中，晶格擴(kuò)散：原子或離子在晶體結(jié)構(gòu)中不斷地改變位置而出現(xiàn)由一處向另一處的無(wú)規(guī)則遷移運(yùn)動(dòng)，稱為晶格擴(kuò)散。4．穩(wěn)定擴(kuò)散：是指擴(kuò)散物質(zhì)的濃度分布不隨時(shí)間變化的擴(kuò)散過程，使用菲克第一定律可解決穩(wěn)定擴(kuò)散問題。借助于菲克第二定律。質(zhì)離子有什么樣的濃度？試對(duì)你在計(jì)算中所作的各種特性值的估計(jì)作充分說(shuō)明。(已知MgOMgm溫至靠近熔點(diǎn)(T=3098k)時(shí)肖特基空位濃度為：MMgl2根1.38根10_23根3000JxgOxmgMgMgMgMgMg1T=1145℃,1030.705,Dca2/CaO2.0301013T1T=1393℃,1030.600,Dca2/CaO4.9201012T0解得：Q=6045kcal/molD=×10-4cm2/sec0Okkk31103:TD12×10-11=Dexp(-Q/×1989)0×10-12=Dexp(-Q/×1923)0得Q=mol0在二根金晶體圓棒的端點(diǎn)涂上示蹤原子Au*，并把兩棒端點(diǎn)連接，如圖11-16(A)M為實(shí)驗(yàn)中示蹤原子總量，求此時(shí)金的自擴(kuò)散系數(shù)。CMexpx2/4Dt設(shè)表面層的飽和濃度為Cs則C/Csexp(x2/4Dt)或2Dt4Dt2x11?lnN4Kt4Dt2NaclNaNaClNamol10-6(mol)n(E)n(E)11—6影響擴(kuò)散的因素有：1)晶體組成的復(fù)雜性。在大多數(shù)實(shí)際固體材料中，整個(gè)擴(kuò)散可能是兩種或兩種以上的原子或離子同時(shí)參與的集體行為，所以實(shí)測(cè)得到的相應(yīng)擴(kuò)散系數(shù)應(yīng)是~種擴(kuò)散組分本身彼此間的相互作用?；U(kuò)散系數(shù)D有下面所謂的Darken方程得到聯(lián)系：D=(NDD=(ND+ND)(1+1)式中N，D分別表示二元體系各組成摩爾分?jǐn)?shù)濃度和自2n20擴(kuò)散系數(shù)。2)化學(xué)鍵的影響。在金屬鍵、離子鍵或共價(jià)鍵材料中，空位擴(kuò)散機(jī)構(gòu)始終是晶構(gòu)將占優(yōu)勢(shì)。3)結(jié)構(gòu)缺陷的影響。多晶材料由不同取向的晶粒相接合而構(gòu)成，因此晶粒與n20容易移動(dòng)的途徑，結(jié)構(gòu)中位錯(cuò)密度越高，位錯(cuò)對(duì)原子(或離子)擴(kuò)散的貢獻(xiàn)越大。4)溫度0ec3×10-4=Dexp(-Q/836R)0×10-4=Dexp(-Q/723R)R=0聯(lián)立求解可得：D=0.339cm2/sec,Q=mol=49014J/mol0源于晶體結(jié)構(gòu)中本征熱缺陷，結(jié)點(diǎn)原子成功躍遷到空位中的頻率與原子成功躍過能壘編GM的次數(shù)和該原子周圍出現(xiàn)空位的幾率有關(guān)，故空位擴(kuò)散活化能由空位形成能和空位遷移能兩隙原子所有鄰近的間隙位都是空著的，因此間隙機(jī)構(gòu)擴(kuò)散時(shí)可提供間隙原子躍遷的位置幾率可近似地看成為100%，故而間隙擴(kuò)散活化能只包括間隙原子遷移能。在實(shí)際晶體材料中空構(gòu)擴(kuò)散系數(shù)中應(yīng)考慮晶體結(jié)構(gòu)中總空位濃度N=N,+N。其中N,和N分別為本征空VVIVI位濃度和雜質(zhì)空位濃度。此時(shí)擴(kuò)散系數(shù)應(yīng)由下式表達(dá)：的空位濃度N,可遠(yuǎn)大于N，此時(shí)擴(kuò)散為本征缺陷所控制，擴(kuò)散活化能Q等于：VIQ=編H/2+編H當(dāng)溫度足夠低時(shí)，結(jié)構(gòu)中本征缺陷提供的空位濃度N,可遠(yuǎn)小于N，fMVIMM (RT)n12 (4)26(3RT) (4)26(3RT)26擴(kuò)散。顯然，在這種情況下影響擴(kuò)散系數(shù)(或活化能)的主要因素將該是它們的原子元素CNH原子半徑A。隨著原子半徑的減小，擴(kuò)散活化能減小。11-9a)貧鐵的FeO相當(dāng)于FeO+少許FeO，其結(jié)構(gòu)式可寫成：FeO；相應(yīng)的缺陷方程式34231-xFe22FeFeO[h.]2,]FeFe2Fe(4)2或D/FeO父PoFe1_x2b)鐵過剩的FeO相當(dāng)于FeO+少許FeO，其結(jié)構(gòu)式可寫成：FeO；相應(yīng)的缺陷反應(yīng)式為：23232+x3OoFeFe22O或?yàn)镺o)1O(g)個(gè)+2e,+V..O2O(4)2x2x211-10a)若反應(yīng)僅通過Mg2+、Fe3+互擴(kuò)散進(jìn)行，氧離子不發(fā)生遷移，則可認(rèn)為標(biāo)志物不發(fā)生移動(dòng)。即使有所移動(dòng)，也是微小的。它取決于氧離子晶格的萎縮或膨脹量的相對(duì)大小。b)若只有Fe3+和O-2共同向MgO中擴(kuò)散,則可望標(biāo)志物朝FeO方向移動(dòng)。2311-11對(duì)于離子晶體，離子電導(dǎo)與離子擴(kuò)散系數(shù)可由如下所謂愛因斯坦公式得到聯(lián)系：裝D因此，理論上對(duì)于任何濃度分布符合玻爾茲曼分布的帶電粒子平衡體系，上式都適用。這也是用電導(dǎo)法測(cè)量離子晶體中離子擴(kuò)散系數(shù)的理論依據(jù)。然而實(shí)驗(yàn)中也常出DkTDkT1)導(dǎo)電機(jī)制和擴(kuò)散機(jī)制不完全相同；2)晶體中可能有參與擴(kuò)散但不參與導(dǎo)電的中第十二章相變12-1名詞解釋1．一級(jí)相變：體系由一相變?yōu)榱硪幌鄷r(shí)，兩相的化學(xué)勢(shì)相等但化學(xué)勢(shì)的一級(jí)偏微商(一級(jí)導(dǎo)數(shù))不相等，即相變時(shí)有相變潛熱，并伴隨有體積改變。二級(jí)相變：相變時(shí)兩相化學(xué)勢(shì)相等，其一級(jí)偏微商也相等，但二級(jí)偏微商不等，即無(wú)相變潛熱，沒有體積的不連續(xù)變化，而2．玻璃析晶：當(dāng)玻璃熔體冷卻到析晶溫度范圍時(shí)，晶核形成和晶粒長(zhǎng)大速率均較大，導(dǎo)致有可能分成兩個(gè)互不溶解或部分溶解的玻璃相(或液相)，并相互共存，這種現(xiàn)象稱為玻璃C3．均勻成核：是指晶核從均勻的單相熔體中產(chǎn)生的幾率處處是相同的。非均勻成核：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。4．馬氏體相變：一個(gè)晶體在外加應(yīng)力的作用下通過晶體的一個(gè)分立體積的剪切作用以極迅速的速率而進(jìn)行相變稱為馬氏體轉(zhuǎn)變。33VVVcc33cc3(編Gv)(編Gv)c