材料科学基础-简答题-答案要点

——答案要点

第二章

1. 硅酸盐晶体结构有何共同特点？

答：（1）每一个Si4+存在于4个O2-为顶点的四面体中心，构成[SiO4]4-四面体，它是硅酸盐晶体结构的基础（2）[SiO4]4四面体的每个顶点，即O2-最多只能为两个[SiO4]4-四面体所共有（3）两个邻近的[SiO4]4-四面体之间，如果要联结，只以共顶而不以共棱或共面相联结（4）[SiO4]4-四面体中的Si4+可以被Al3+置换形成硅铝氧骨干，骨干外的金属离子容易被其它金属离子置换，置换不同的离子，对骨干的结构并无多大的变化，但对它的性能却影响很大

2. 简述硅酸盐晶体的分类依据是什么？可分为几类，每类的结构特点是什么？

答：硅酸盐晶体结构是按晶体中硅氧四面体在空间的排列方式分为孤岛状、组群状、链状、层状和架状五类。这五类的[SiO4]四面体中，桥氧的数目也依次由0增加至4，非桥氧数由4减至0。硅离子是高电价低配位的阳离子，因此在硅酸盐晶体中，[SiO4]只能以共顶方式相连，而不能以共棱或共面方式相连。

3. 什么是同质多晶？简述同质多晶转变的类型及其各自的特点。。

答：化学组成相同的物质，在不同的热力学条件下形成结构不同的晶体现象，称为同质多晶。根据同质多晶转变时速度的快慢和晶体结构变化的不同，可将多晶转变分为位移性转变和重建性转变。前者仅仅是结构畸变，转变前后结构差异小，转变时并不打开任何键或改变最邻近的配位数，只是原子的位置发生少许位移，使次级配位有所改变；而后者不能简单地通过原子位移来实现，转变前后结构差异较大，必须破坏原子间的键，形成一个具有新键的结构。

4. 为什么石英不同系列变体之间的转化温度比同系列变体之间的转化温度高

得多？

答：由于石英不同系列变体之间转变是重建性转变，涉及晶体结构中键的破裂和重建；而同一系列变体之间的转变是位移性转变，不涉及晶体结构中键的破裂和重建，仅是键长、键角的调整。

5. 钛酸钡是一种重要的铁电陶瓷，其晶型是钙钛矿结构，试问： (a) 属于什么点阵？

(b) 这个结构中离子的配位数为多少？ (c) 这个结构遵守鲍林规则吗？请做讨论。

答：(a) 属于立方面心点阵

（b）Ti4+配位数为6；Ba2+配位数为12；O2-配位数为6。 （c）遵守鲍林规则。

6. 石棉矿如透闪石Ca2Mg5[Si4O11]（OH）2具有纤维状结晶习性，而滑石

Mg2[Si4O10]（OH）2却具有片状结晶习性，试解释为什么？

答：透闪石具有双链结构，链内的Si-O键要比链5的Ca-O、Mg-O键强很多，所以很容易

沿链间结合力较弱处劈裂成为纤维状；滑石具有复网层结构，复网层由两个[SiO4]层和中间的水镁石层结构构成，复网层与复网层之间靠微弱的分之间作用力联系，因分子间力弱，所以易沿分子间力联系处解理成片状。

7. 石墨、滑石和高岭石都具有层状结构，请说明他们结构的区别及由此引起的

性质的差异。

答：石墨中同层C原子进行SP2杂化，形成大Π键，每一层都是六边形网状结构。由于间隙较大，电子可在同层中运动，可以导电，层间分子间力作用，所以石墨比较软。

滑石具有复网层结构，复网层由两个[SiO4]层和中间的水镁石层构成，即2：1层；由于八面体空隙全部被Mg离子占据，因此该结构也是三八面体型。由于复网层与复网层之间靠微弱的分之间作用力联系，因分子间力弱，所以易沿分子间力联系处解理成片状。

高岭石具有单网层结构，单网层由一个[SiO4]层和水石层构成，即1：1层；由于八面体空隙2/3被Al离子占据，因此该结构也是二八面体型。由于高岭石层间只能靠物理键来结合，因此高岭石也容易解理成片状小晶体。但单网层平行叠放时，层间靠氢键来结合，由于氢键结合比分之间力强，因此，水分子不易进入单网层之间，晶体不会因为水含量增加而膨胀。

8. 在硅酸盐晶体中，Al3+为什么能部分置换硅氧骨架中的Si4+？该置换对硅酸

盐组成有何影响？

答：（1）Al3+可与O2-形成[AlO4]5-；Al3+与Si4+处于第二周期，性质类似，易于进入硅酸盐晶体结构中与Si4+发生同晶取代，由于鲍林规则，只能部分取代；

（2）Al3+置换Si4+是部分取代，Al3+取代Si4+时，结构单元[AlSiO4][ASiO5]，失去了电中性，有过剩的负电荷，为了保持电中性，将有一些半径较大而电荷较低的阳离子如K+、Ca2+、Ba2+进入结构中。

第三章

9. 什么是刃位错、螺旋位错？他们的基本区别是什么？

答：刃位错：在位错线附近原子失去正常有规律排列，并滑移一段距离，由此产生的缺陷

即是。

螺旋位错：在位错线附近原子失去正常有规律排列，产生螺旋位移，这种缺陷即是。 基本区别：刃位错：滑移方向与位错线垂直，位错增加了半片原子面。螺旋位错：滑移方向与位错线平行。质点以位错线为轴做螺旋状排列。

10. 什么是肖特基缺陷、弗兰克尔缺陷？他们属于何种缺陷？发生缺陷时位置数

各发生何种变化？

答：肖特基缺陷：晶体的结构基元，从正常的结点位置上位移到晶体的表面而正常位置上出现了空位，这种缺陷即是。位置数增殖，体积增大。

弗兰克尔缺陷：晶体结构中的结构基元，从正常的结点位置上位移到晶体的间隙位置上，而正常位置上出现了空位，这种缺陷即是。位置数不增殖，体积不增大。

11. 说明非化学计量化合物与无限固溶体的异同

答：(1)、非化学计量化合物与无限固溶体的共同点：

（a）都属于晶体结构缺陷中的点缺陷；（b）相组成均为均匀单相。 (2)不同之处在于：

（a）形成原因不同。非化学计量化合物由气氛性质和压力变化引起，而无限固溶体则由掺杂溶解而引起。

（b）形成条件不同。前者只有变价元素氧化物在氧化或还原气氛中才能形成，而后者则需满足离子半径和电负性差值较小、保持电中性、结构相同等条件才能形成。

（c）组成范围不同。前者的组成变化范围很小，而后者可以在整个组成范围内变化。

12. TiO2-x和Fe1-xO分别为具有阴离子空位和阳离子空位的非化学计量化合物。

试说明其导电率和密度随氧分压PO2变化的规律。（以缺陷方程帮助说明）

答：（1）TiO2-x的缺陷反应方程为：

根据质量守恒定律可得 ，故其密度随氧分压增加而增加，而电导率随氧分压的增加而减小，与氧分压的1/6次方成反比。 （2）Fe1-xO缺陷反应方程式为：

根据质量守恒定律可得 ，故其密度随氧分压增加而下降，而电导率随氧分压

的增加而增加，与氧分压的1/6次方成正比。 13. 简述形成置换型固溶体的条件是什么？并举一实例。

答：形成连续置换型固溶体的条件：

（1）离子尺寸因素。相互替代的两离子尺寸应满足 （2）晶体结构类型相同。

（3）相互替代的两个离子电价相同或复合替代离子电价总和相同。 （4）相互替代的两个离子电负性相近。 例如：

，固溶式为：Mg1-xNixO（x=0~1）

。

14. 简述形成间隙型固溶体的条件是什么？并举一实例。

答：形成间隙型固溶体的条件：

间隙型固溶体的固溶度仍然取决于离子尺寸、离子价、电负性、结构等因素。 (1) 杂质质点大小。即添加的原子愈小，易形成固溶体。

(2) 晶体（基质）结构。但离子尺寸是与晶体结构的关系密切相关的，在一定程度上来说，

结构中间隙的大小起了决定性的作用。基质晶体中空隙愈大，结构愈疏松，易形成固溶体。

(3) 电价因素。保持电价平衡。

15. 说明为什么只有置换型固溶体的两个组分之间才能相互完全溶解，而间隙型

固溶体则不能。

答：晶体中间隙位置是有限的，容纳杂质质点能力≤10%，而且间隙式固溶体的生成，一般都使晶格常数增大，增加到一定的程度，使晶格变得不稳定而离解；置换固溶体形成是同号离子交换位置，不会对其晶格产生此种影响，所以可形成连续固溶体。

16. 试分析形成固溶体后对晶体性质的影响。

答：(1)稳定晶格，阻止晶型转变的发生。 （2）活化晶格 （3）固溶强化

17. 判断下列系统是否能形成固溶体，如果能，则形成什么固溶体？为什么？

(1)MgO-CaO (2)MgO-CoO (3)MgO-Al2O3 (4)PbZrO3-PbTiO3 已知：rMg20.072nm rCa20.100nm rCo20.070nm rAl30.039nm rTi40.061nm rO20.140nm rZr40.072nm

答：对于MgO-CaO：rCa2rMg2rCa20.1000.07228%，此二氧化物结构相同，电

0.100价相同，电负性接近，但离子半径相关较大，＞15%，故只能形成有限置换型固溶体。 对于MgO-CoO：rMg2rCo2rMg20.0720.0702.78%，此二氧化物结构相同，电

0.072价相同，离子半径相差极小，电负性相差不大。故能形成连续置换型固溶体。 对于MgO-Al2O3：rMg2rAl3rMg20.0720.03945.83%，此二氧化物结构不相，

0.072半径相差极大，电负性相差较大，因此，该二氧化物易形成化合物。 对于PbZrO3-PbTiO3：rTi4rZr4rTi40.0720.06115.27%，此二氧化物结构相同，

0.072电价相同，离子半径相差刚大于15%，但由于该化合物构造相对较为复杂，晶胞较大，因而对半径的宽容度增大，故此二化合物能形成连续置换型固溶体。

18. 试比较固溶体与化合物、机械混合物的差别。

答： 形成原因 相数 化学计量 化学组成 固溶体 以原子尺寸“溶解”生成 单相均匀 不遵守定比定律 不确定 机械混合物 粉末混合 多相 / 有几种混合物就有多少化学组成 化合物 原子间相互反映生成 单相均匀 遵守定比定律 确定 19. 试阐述固溶体、热缺陷和非化学计量化合物三者的异同点。

答： 种类 共同点 固溶体 热缺陷 非化学计量物 从缺陷的角度讲，三者均是点缺陷，是晶体结构缺陷，都是单相均匀的固体，结构同主晶相。 不缺陷产生的原同因不同 点 缺陷产生的机理及表现形式不同 外来杂质的引入，属于非本征缺陷 缺陷发生在基质组元与外加组元之间。表现形式为外加组元占据基质组元质点或间隙的位置 主要取决于杂质的浓度 热起伏，属于本征缺陷 缺陷发生于基质晶体自身质点的迁移。表现形式为产生空穴或间隙质点 主要与温度有关 基质晶体与介质中某些组分发生交换，属于非本征缺陷 在形式上，可看作为缺陷发生于同种离子不同价态间的相互置换 主要与温度、气氛、压力有关 决定缺陷浓度的因素不同 20. 试写出以下缺陷方程，每组写二个合理的方程，并判断可能成立的方程是那

一种？再写出每组方程的固溶式。 （1）A12O3MgO

2O3 （2）NiOFe3（3）CaF2YF

.''答：（1）A12O32AlMgVMg3OO 固溶式为 Al2xMg1-3xO

MgO.A12O32AlMgOi''2OO 固溶式为 Al2xMg1-2xO1+x

MgO前者可能。

23 （2）NiOFeOFe2O3'..2NiO2NiFeVO2OO 固溶式为 Ni2xFe2-2xO3-x Fe2O3'3NiO2NiFeNii..3OO 固溶式为 Ni3xFe2-2xO3

前者可能。

'.3（3）CaF2CaYVF2FF 固溶式为 CaxY1-xF3-x YF3'3CaF22CaYCai..6FF 固溶式为 Ca3xY1-2xF3

YF后者可能。

21. 试写出以下缺陷方程，每组写二个合理的方程，并判断可能成立的方程是那

一种？再写出每组方程的固溶式。

2O3（1）UO2Y

2（2）A12O3TiO A12O3（3）MgO

.23答：（1）3UO23UYVY'''6OO 固溶式为 U3xY2-4xO

Y2O3.2UO22UYOi''3OO 固溶式为 U2xY2-2xO3+x

YO前者可能。

'..2（2）A12O32AlTiVO3OO 固溶式为 Al2xTi1-2xO2-x TiO2'2A12O33AlTiAli...6OO 固溶式为 Al4xTi1-3xO2

TiO前者可能。

'..23（3）2MgO2MgAlVO2OO 固溶式为 Mg2xAl2-2xO3-x A12O3'3MgO2MgAlMgi..3OO 固溶式为 Mg3xAl2-2xO3

A1O前者可能。

22. 试写出少量MgO掺杂到A12O3中和少量YF3掺杂到CaF2中的缺陷反应方程

与对应的固溶式。

.2答：A、 YF3YCaFi'2FF .''2B、 2YF32YCaVCa6FF

CaFCaFA可能性较大。因萤石晶体中存较多的八面体空隙，F-离子半径较小，形成填隙型固溶体比较稳定。

第四章

23. 简述硅酸盐熔体结构的聚合物理论。

答：硅酸盐熔体中聚合物的形成过程大致可分为三个阶段。初期：主要是石英颗粒的分化； 中期：缩聚反应并伴随聚合物的变形；后期：在一定温度(高温)和一定时间(足够长) 下达到聚合 分化平衡。 产物中有低聚物、高聚物、 三维碎片、游离碱、吸附物，最后得到的熔体是不同聚合程度的各种聚合体的混合物，构成硅酸盐熔体结构。聚合物的种类、大小和数量随熔体组成和温度而变化。

24. 简述玻璃的通性。

答：（A）各向同性，（B）介稳性，（C）熔融态向玻璃态转化的可逆与渐变性，（D）熔融态向玻璃态转化时物理、化学性能随温度变化的连续性

25. 简述玻璃形成的结晶化学条件。

答：(1)聚合阴离子团大小与排列方式；

(2)键强:根据各氧化物的单键强（化合物的分解能以该种化合物的配位数除只得的商值）大

小可将氧化物分为玻璃形成体（>335kJ/mol），玻璃网络变性体（<250kJ/mol），玻璃中间体（250—335kJ/mol）。

(3)键型：形成玻璃必须具有极性共价键或金属共价键。

26. 试从结构上比较硅酸盐晶体和硅酸盐玻璃的区别

答：硅酸盐玻璃在结构上与相应的硅酸盐晶体有显著的区别：

（1）在晶体中，[SiO4]按一定的对称规律排列；在玻璃中则是无序的。

（2）在晶体中，骨架外的M+或M2+金属阳离子占据了点阵的固定位置；在玻璃中则是统计均匀地分布在骨架的空腔内，并起着平衡非桥氧负电荷的作用。

（3）在晶体中，只有当骨架外的阳离子半径相近时，才能发生同晶置换；在玻璃中则不论半径如何，只要遵守静电价规则，骨架外阳离子均能发生相互置换。 （4）在晶体中（除固溶体外），氧化物之间有固定的化学计量；在玻璃中氧化物可以非化学计量的任意比例混合。

27. 试从结构上比较硅酸盐晶体和硅酸盐玻璃的异同点。

答：（1）共同点：硅酸盐玻璃和硅酸盐晶体随O/Si比由2增加到4，从结构上均由三维网络骨架而变为孤岛状四面体。无论是结晶态还是玻璃态，四面体中的Si4+都可以被半径相近

－

的离子置换而不破坏骨架。除Si4+和O2以外的其它离子相互位置也有一定的配位原则。 （2）不同点：A、在晶体中，硅氧骨架按一定的对称规律排列；在玻璃中则是无序的。B、晶体中，骨架外的金属阳离子（一价或二价）占据了点阵的固定位置；在玻璃中，它们统计均匀地分布在骨架的空腔内，并起着平衡氧负电荷的作用。C、在晶体中，只有当骨架外阳离子半径相近时，才能发生同晶置换；在玻璃中则不论半径如何，只要遵守静电价规则，骨架外阳离子均能发生互相置换。D、在晶体中（除固溶体外），氧化物之间有固定的化学计量；在玻璃中氧化物可以非化学讲师的任意比例混合。

28. 简述玻璃结构的晶子学说及其优缺点。

答：微晶学说：玻璃结构是一种不连续的原子集合体，即无数“晶子”分散在无定形介质中；“晶子”的化学性质和数量取决于玻璃的化学组成，可以是独立原子团或一定组成的化合物和固溶体等微晶多相体，与该玻璃物系的相平衡有关；“晶子”不同于一般微晶，而是带有晶格极度变形的微小有序区域，在“晶子”中心质点排列较有规律，愈远离中心则变形程度愈大；从“晶子”部分到无定形部分的过渡是逐步完成的，两者之间无明显界限。

微晶学说强调了玻璃结构的不均匀性、不连续性及有序性等方面特征，成功地解释了玻璃折射率在加热过程中的突变现象。

29. 简述玻璃结构的无规则网络学说及其优缺点。

答：玻璃的结构与相应的晶体结构相似，同样形成连续的三维空间网络结构。但玻璃的网络与晶体的网络不同，玻璃的网络是不规则的、非周期性的，因此玻璃的内能比晶体的内能要大。由于玻璃的强度与晶体的强度属于同一个数量级，玻璃的内能与相应晶体的内能相差并不多，因此它们的结构单元（四面体或三角体）应是相同的，不同之处在与排列的周期性。

网络学说强调了玻璃中离子与多面体相互间排列的均匀性、连续性及无序性等方面结构特征。

30. 简述硼酸盐玻璃由于Na2O加入量的变化出现的硼反常现象。

答：当数量不多的碱金属氧化物同B2O3一起熔融时，碱金属所提供的氧不像熔融SiO2玻璃中作为非桥氧出现在结构中，而是使硼氧三角体转变为由桥氧组成的硼氧四面体，致使B2O3玻璃从原来两度空间的层状结构部分转变为三度空间的架状结构，从而加强了网络结

构，并使 玻璃的各种物理性能变好。这与相同条件下的硅酸盐玻璃相比，其性能随碱金属或碱土金属加入量的变化规律相反，所以称之为硼反常现象。

31. 试以晶体、玻璃两种不同状态为例，说明无机材料组成、结构和性能之间的

联系。

答：化合物晶体中原子具有固定的比例，质点的排列具有周期性，因此，晶体具有对称性、自范性、各向异性、最小内能性、结晶均一性等性质。因此，晶体具有固定的熔点。而玻璃则因其原子间比例可在一定范围内连续变化，其中质点的排列具有近程有序而远程无序的特征，以硅酸盐玻璃为例，其中的阴离子团的聚合度大小不等，因此，玻璃因其宏观统计性的均匀，导致了其具有各向同性的性质，因其阴离子团的聚合度大小不等，故当其受热时，由于不同聚合度的阴离子团受热后能产生相对移动的温度不同，因此，导致了其无固定熔点，而只能先软化逐步达到熔融状态。此外，晶体中若的离子相互取代，必须满足一定的条件，如：离子尺寸不能相差太大，取代离子与其它离子间亦呈某种配位关系，导致了其某些性质的变化，如阳离子交换吸附性能等。而玻璃不然，其中的杂质离子只要符合电价平衡关系即可，对于性质的影响也连续变化的，等等。

32. 试述石英晶体、石英熔体、Na2O·2SiO2熔体三者在结构和性质上的区别。

答： 区别 石英晶体 石英熔体 Na2O•2SiO2 12-结构 [SiO4] 按共顶方式对称有基本结构单元 [SiO4] 呈基本结构单元 [Si6O18] 规律有序排列， 架状结构， 呈六节环或八节环， 远程有序 远程无序 远程无序 性质 固体无流动性，熔点有流动性，η大，电有流动性，η较石英高，硬度大，导电性差，结导率大，表面张力大 熔体小，电导率大，表面张构稳定，化学稳定性好 力大

第五章

33. 何为表面张力和表面能？在固态和液态这两者有何区别？

答：表面张力：垂直作用在单位长度线段上的表面紧缩力或将物体表面增大一个单位所需

作的功；σ=力/总长度N/m

表面能：恒温、恒压、恒组成情况下，可逆地增加物系表面积须对物质所做的非体积功称为表面能；J/m2 =N/m

液体：不能承受剪应力，外力所做的功表现为表面积的扩展，因为表面张力与表面能数量是相同的；

固体：能承受剪切应力，外力的作用表现为表面积的增加和部分的塑性形变，表面张力与表面能不等。

34. 试说明晶界能总小于两个相邻晶粒的表面能之和的原因。

答：结构相同而取向不同的晶体相互接触，其接触界面称晶界。若相邻晶粒的原子彼此无作用，那么，每单位面积晶界能将等于两晶粒表面能之和。但实际上，两个相邻晶粒的表面层上的原子间存在相互作用，且很强，两者都力图使晶界上质点排列符合于自己的取向，所以晶界上原子形成某种过渡的排列方式，与晶格内却不同，晶界上原子排列疏松，处于

应力畸变状态，晶界上原子比晶界内部相同原子有较高的能量，这种作用部分抵消了表面质点的剩余的键力。因此晶界结构和表面结构不同导致了晶界能总小于两个相邻晶粒的表面能之和。

第六章

35. 纯物质在任意指定温度下，固、液、气三相可以平衡共存，请用相律说明这

个结论是否正确？请举例说明。

答：这个结论不正确。因为，固、液、气三相平衡时，相律为：F=C-P+2，其中，C=1，P=3，则F=0，即自由度为0温度和压力均不可以变化。这时不能够指定温度。例如：水在0度时是三相共存，温度一变固、液、气三相就不平衡了。所以温度不能任意指定温度。

第七章

36. 简述扩散的微观机制。

答：(1)易位扩散机制，即原子的扩散是通过相邻原子直接对调位置而进行的。 （2）间隙扩散机制，即指原子通过晶体间隙位置进行扩散的方式，该机制适用于间隙型固溶体中间隙原子的扩散。间隙机构引起晶格变形大，只有间隙原子与晶格位置上的原子尺寸相比较是很小时，才会发生。

（3）空位扩散机制，即指晶格中由于本征热缺陷或杂质离子不等价取代而存在空位，空位与周围原子交换位置，这种空位与原子做相反方向的潜意识金属或离子化合物中原子主要扩散方式。

扩散系数D A 37. NaCl晶体中掺杂微量CaCl2时，Na+的扩散系数D与温度T的

关系如图，试分析图中曲线出现两段不同斜率直线（即图中曲线有一转折点A）的原因。若提高NaCl的纯度，图中曲线的转折点将如何变化？

答：低温时为不等价置换产生的空位引起的非本征扩散，高温为热缺陷为主的本征扩散，

两者的活化能不同，从而出现转折。提高NaCl的纯度，图中曲线的转折点将向低温方向移动。

1 T38. 说明影响扩散系数的因素？

答：化学键：共价键方向性限制不利间隙扩散，空位扩散为主。金属键离子键以空位扩散

为主，间隙离子较小时以间隙扩散为主。

缺陷：缺陷部位会成为质点扩散的快速通道，有利扩散。

温度：D=D0exp（-Q/RT）Q不变，温度升高扩散系数增大有利扩散。Q越大温度变化对扩散系数越敏感。

杂质：杂质与介质形成化合物降低扩散速度；杂质与空位缔合有利扩散；杂质含量大本征扩散和非本征扩散的温度转折点升高。

扩散物质的性质：扩散质点和介质的性质差异大利于扩散 扩散介质的结构：结构紧密不利扩散。

39. 试分析离子晶体中，阴离子扩散系数－般都小于阳离子扩散系数的原因。

答：离子晶体一般为阴离子作密堆积，阳离子填充在四面体或八面体空隙中。所以阳离子较易扩散。如果阴离子进行扩散，则要改变晶体堆积方式，阻力大。从而就会拆散离子晶

体的结构骨架。

40. 试从结构和能量的观点解释为什么D表面>D晶面>D晶内。

答：固体表面质点在表面力作用下，导致表面质点的极化、变形、重排并引起原来的晶格畸变，表面结构不同于内部，并使表面处于较高的能量状态。晶体的内部质点排列有周期性，每个质点力场是对称的，质点在表面迁移所需活化能较晶体内部小，则相应的扩散系数大。

同理，晶界上质点排列方式不同于内部，排列混乱，存在着空位、位错等缺陷，使之处于应力畸变状态，具有较高能量，质点在晶界迁移所需的活化能较晶内小，扩散系数大。 但晶界上质点与晶体内部相比，由于晶界上质点受两个晶粒作用达到平衡态，处于某种过渡的排列方式，其能量较晶体表面质点低，质点迁移阻力较大因而D晶界41. 浓度差会引起扩散，扩散是否总是从高浓度处向低浓度处进行，为什么？

答：扩散的基本推动力是化学位梯度，只不过在一般情况下以浓度梯度的方式表现出来；扩散是从高化学位处流向低化学位处，最终系统各处的化学位相等。如果低浓度处化学势高，则可进行负扩散，如玻璃的分相过程。

第八章

42. 推导并简述相变过程的温度条件。

答：相变推动力为过冷度（过热度）的函数，相平衡理论温度与系统实际温度

之差即为相变过程的推动力。

ΔG=ΔH-TΔH/T0=ΔHT0-T/T0=ΔH.ΔT/T0 式中：T0--相变平衡温度，ΔH--相变热，T--任意温度。

自发反应时：ΔG<0,即ΔH.ΔT/T0<0

相变放热（凝聚，结晶）：ΔH<0 则须：ΔT>0，T0>T ，过冷，即实际温度比理论温度要低，相变才能自发进行。 相变吸热（蒸发，熔融）：ΔH>0 ，ΔT<0 ， T043. 试证明均相成核临界状态下，新相界面能γLS与单位体积中旧相和新相之间

的自由能差ΔGv有如下关系：r* = -2γLS /ΔGv（晶胚为球形，r*为晶胚的临界半径）。

答：单位体积中半径为r的晶胚数为n，则

得临界半径：r*=-2γ/ΔGv

44. 简述影响结晶速率的因素。

答：（1）界面情况。一般而言，玻璃表面比内部容易析晶；表面成核能力还与周围气氛有

关。

（2）熔体结构。如果晶体的熔解熵小，则可认为晶体和熔体的结构十分相似，晶体容易从该熔体中生长出来。

（3）非化学计量。如果熔体和析出的晶体组成不同，则界面附近的熔体组成将不同于主熔体，组成不同会减少这些成分构成晶体的有效性，因而减小生长速率。 (4)外加剂。微量外加剂或杂质会促进晶体的生长。

45. 马氏体相变具有什么基本特征？它和成核生长机理有何区别？

答：1、马氏体相变有以下特征：（1）相变体和母体之间的界面保持既不扭曲变形也不旋转。这种界面称习性平面，其结晶学方向不变。（2）无扩散位移式相变。（3）相变速度高，有时可高达声速。（4）相变不是在特定的温度，而是在一个温度范围内进行。

成核生长的新相与母相有完全不同的晶格结构，新相是在特定的相变温度下产生的，相变具有核化与晶化位垒。

46. 简述过冷度对晶核形成速率和晶体生长速率及析晶过程的影响。

答：过冷度对于液－固相变过程的成核和晶体生长的影响较大。首先，过冷度是液－固相变的推动力，当体系处于过冷状态时，核胚才能形成稳定的晶核。随着过冷度的增加，晶核形成的推动力增加，因此，晶核形成的速率加快。但若过冷度过大，则会导致体系内质点扩散速率减慢，从而导致晶核形成速率降低。因此，当过冷度适当时，才可能使成核速率达到最大。对于晶体生长速度而言，存在着与成核过程类似的影响，但晶核形成后，晶体生长的速度主要取决于质点的扩散速率，因此，对应于晶体生长速率最大的过冷度要比成核速率最大时过冷度低。对于总的结晶速率而言，只有当成核速率和晶体生长速度均较大时，其总结晶速率才能达到最大。当过冷度较低时，可能出现的情况是：晶体生长速率较大，而成核速率较小，此时，晶体晶粒大，但不多；当过冷度较大时，晶体生长速度下降，而成核速度增加，此时，晶核多但晶粒小。

47. 何谓均匀成核?何谓不均匀成核?晶核剂对熔体结晶过程的临界晶核半径r有何影响?

答：均匀成核——在均匀介质中进行，在整体介质中的核化可能性相同，与界面，缺陷无关。

非均匀成核——在异相界面上进行，如容器壁，气泡界面或附着于外加物（杂质或晶核剂）。

第九章

48. 若由MgO和Al2O3球形颗粒之间的反应生成MgAl2O4是通过产物层的扩散

进行的。

（1） 试画出其反应的几何图形并根据抛物线方程推导出反应初期的速

度方程。

（2） 若在1300℃时DAl3+〉DMg2+，O2-基本不动，那么哪一种离子的扩散控

制着MgAl2O4的生成？为什么？

答：（1）条件：a、反应物是半径为R0的等径球粒B,x为产物层厚度

b、反应物A是扩散相，即A总是包围着B的颗粒，且A，B同产物C是完全接触的，反应自球表面向中心进行

c、A在产物层中的浓度梯度是线性的，且扩散截面积一定。

（2）整个反应过程中速度最慢的一步控制产物生成D小的控制产物

2+2+2+

生成，即DMg2+小，Mg扩散慢，整个反应由Mg的扩散慢，整个反应由Mg的扩散控制。

49. 试比较杨德尔方程和金斯特林格方程的优缺点及其适用条件。

答：杨德尔方程在反应初期具有很好的适应性，但杨氏模型中假设球形颗粒反应截面积始终不变，因而只适用反应初期转化率较低的情况。而金氏模型中考虑在反应进程中反应截面积随反应进程变化这一事实，因而金氏方程适用范围更广，可以适合反应初、中期。两个方程都只适用于稳定扩散的情况。

50. 简述影响固相反应的因素？

答：（1）、反应物化学组成和结构：直接决定反应方向和反应速度，即决定反应推动力的大小。结构中缺陷多，晶格能小反应速率加快。

（2）反应物粒度和分布：粒度小，反应接触面大，反应截面大，导致反应速率加快；粒度小，表面效应大，弱键多，缺陷多，反应和扩散能力增强。粒度小且均匀，有利于反应的快速进行完全。粒度的变化会引起反应机理的变化，即控制过程会发生改变。

（3）反应温度和压力、气氛：温度高，反应加速。体现在化学反应速率常数增大，原因是扩散速率增大和活化质点增多。温度对化学反应的影响大于对扩散的影响；对纯固相反应，压力大，改善颗粒接触情况，对反应有利。对和气相参与的反应，可能起消极作用。气氛对非化学计量化学物参与的固相反应及缺陷的浓度、扩散机构均有影响。

（4）矿化剂及其它因素：矿化剂可影响晶核的生成速率、结晶速率及晶格结构、降低体系共熔点、改善液相性质等，可加速反应。其它如升温速率亦会对反应有影响。

51. 如果要合成镁铝尖晶石（MgAl2O4），可提供选择的原料为MgCO3、Mg(OH)2、

MgO、Al2O3·3H2O、γ- Al2O3、α- Al2O3。从提高反应速率的角度出发，选择什么原料较好，为什么？

答：选择MgCO3或Mg(OH)2及Al2O3·3H2O较好。其活性较高。 这些原料在反应中进行

热分解和脱水，获得具有较大比表面和晶格缺陷的初生态或无定形物质从而提高了反应活性，加剧了固相反应的进行。

第十章

52. 谈谈粉体粒度对材料烧结的影响。

（1）、粉体粒度越细，表面能越大，烧结的驱动力越大，有利于烧结。 （2）、粒度越细，缩短了原子扩散距离和提高颗粒在液相中的溶解度，可降低烧结温度，烧结加速。 （3）、粒度均匀，可有效防止二次再结晶，不会导致少量晶粒异常生长。 （4）、粒度不同，烧结机理可发生变化。细颗粒以晶界扩散或表面扩散机理进行烧结；粗颗粒则主要是按体积扩散机理进行烧结。

53. 详细说明外加剂对烧结的影响?

答：1)外加剂与烧结主体形成固溶体使主晶格畸变，缺陷增加，有利结构基元移动而促进烧

结。2)外加剂与烧结主体形成液相，促进烧结。3)外加剂与烧结主体形成化合物，促进烧结。4)外加剂阻止多晶转变，促进烧结。5)外加剂起扩大烧结范围的作用。

54. 试分析粉料粒度、烧结温度及外加剂对烧结过程的影响。

答：1）粉末的粒度。细颗粒增加了烧结推动力，缩短原子扩散距离，提高颗粒在液相中的

溶解度，从而导致烧结过程的加速。

2）外加剂的作用。在固相烧结中，有少量外加剂可与主晶相形成固溶体，促进缺陷增加，在液相烧结中，外加剂改变液相的性质（如粘度，组成等），促进烧结。

3）烧结温度：晶体中晶格能越大，离子结合也越牢固，离子扩散也越困难，烧结温度越高。

55. 说明影响烧结的因素？

答：(1)、烧结温度、时间、物料粒度：烧结温度是影响烧结的重要因素，温度越高，物料蒸汽压越大，扩散系数越大，液相粘度越小，均导致烧结加速；延长烧结时间，一般可促进烧结，但在烧结后期，不合理地延长烧结时间，有时会加剧二次再结晶作用，起反作用；粒度越小，表面效应越大，总表面能越大，有利于烧结。

(2)物料活性：物料的晶格能越大，越稳定，活性越低，越难烧结。应用机械力粉碎方法，提高物料粒度，是提高物料活性的途径之一，但此法提高有限，且机械活化须耗费较多的能量。通过合理选择烧结物料的原料，应用化学方法，将其适当处理，可增加物料晶格缺陷，提高烧结活性，降低烧结活化能，加速烧结。

(3)烧结助剂：选择合适的烧结助剂，能促进烧结。烧结助剂的作用可分为以下几个方面：一是与烧结物形成固溶体，使晶格发生畸变而得到活化，促进烧结；二是阻止晶型转变，以减少烧结过程中出现的因晶型转变发生的体积变化而导致坯体开裂；三是抑制晶粒长大，烧结助剂可与烧结物反应，产物分布于晶界上，抑制晶体的异常长大；四是可降低液相出现温度，提高液相量，一般会促进烧结，但可能会降低烧结体的某些性能。

(4)气氛：气氛对烧结体致密化过程有以下两方面的影响，一是物理作用，即烧结体内气体的排出难易程度，与气孔中的气体的性质有关，气体的分子(或原子)越小，越排出，反之，则不易排出；二是气体介质中的某些气体与烧结物中某些组分(如：其中含有变价元素)发生化学作用，将影响烧结体缺陷的浓度，断而影响烧结。气氛对烧结的影响较为复杂，与烧结过程的扩散机制有关。

(5)压力：分生坯成型压力和烧结时的外加压力两种。压力增大，加速烧结。

56. 在扩散传质的烧结过程中，使坯体致密的推动力是什么？哪些方法可促进烧

结？说明原因。

答：在扩散传质的烧结过程中，系统内不同部位（颈部、颗粒接触点、颗粒内部）空位浓

度不同，导致原子或质点由颗粒接触点向颈部迁移，填充到气孔中。因此使坯体致密化的推动力是空位浓度差。 对于扩散传质：（1）控制原料的起始粒度非常重要，颗粒细小的原料可促进烧结，因为颈部增长速率x/r与原料起始粒度r的3/5次方成反比；（2）温度对烧结过程有决定性作用，扩散系数与温度呈指数关系，因此提高温度可加速烧结。

57. 固相烧结与液相烧结的主要传质方式？固相烧结与液相烧结之间有何相同

与不同之处？

答：固相烧结的主要传质方式有蒸发-凝聚传质和扩散传质，液相烧结的主要传质方式有溶

解-沉淀传质和流动传质。固相烧结与液相烧结的共同点是烧结的推动力都是表面能；烧结过程都是由颗粒重排、物质传递与气孔充填、晶粒生长等阶段组成。不同点是：由于流动传质比扩散传质速度快，因而致密化速率高；固相烧结主要与原料粒度和活性、烧结温度、气氛成型压力等因素有关，液相烧结与液相数量、液相性质、液-固润湿情况、固相在液相中的溶解度等有关。

58. 简述为获得高强陶瓷材料减少气孔的方法和改善晶界的措施。

答：减少原始气孔率，加速烧结过程中气孔的填充速率；减缓晶界迁移速度Vb，保持Vb=Vp，

即晶界和气泡不分离；防止不正常晶粒长大；采用热压烧结法。

提高晶界玻璃相的黏度；晶界相的结晶化；晶界相与晶粒起作用，使晶界玻璃相消失。

59. 固相烧结与液相烧结有何异同点？液相烧结有哪些类型，各有何特点？

答：固相烧结与液相烧结的共同点是烧结的推动力都是表面能；烧结过程都是由颗粒重排、

物质传递与气孔充填、晶粒生长等阶段组成。不同点是：由于流动传质比扩散传质速度快，因而致密化速率高；固相烧结主要与原料粒度和活性、烧结温度、气氛成型压力等因素有关，液相烧结与液相数量、液相性质、液-固润湿情况、固相在液相中的溶解度等有关。

60. 试述烧结的推动力和晶粒生长的推动力，并比较两者之大小。

答：烧结推动力是粉状物料的表面能（γsv）大于多晶烧结体的晶界能（γgb），即γsv>γgb。 生长的推动力是晶界两侧物质的自由焓差，使界面向晶界曲率半径小的晶粒中心推进。 烧结的推动力较大，约为4~20J/g。晶粒生长的推动力较小，约为0.4~2J/g，因而烧结推动力比晶粒生长推动力约大十倍。

61. 二次再结晶产生的原因是什么？可以采取哪些措施来防止它的产生？ 答：原始粒度不均匀；烧结温度偏高；烧结速率太快；坯体成型压力不均匀；局部有不均匀液相等。

为防止晶粒异常生长，应适当控制温度来防止晶界移动速率过快；引入适当的添加剂，能抑制晶界的迁移，加速气孔排除。 62. 试分析二次再结晶过程对材料性能有何种效应?

答：二次再结晶发生后,由于个别晶粒异常长大,气孔进入晶粒内部,成为孤立闭气孔,不易排除,使烧结速率降低甚至停止,坯体不再致密；加之大晶粒的晶界上有应力存在,使其内部易出现隐裂纹,继续烧结时坯体易膨胀而开裂,使烧结体的机械,电学性能下降。

63. 有人试图用延长烧结时间来提高产品致密度，你以为此法是否可行．为什么

了？

答：延长烧结时间一般都为不同程度地促使烧结完成,但对粘性流动机理的烧结较为明显,而对体积扩散和表面扩散机理影响较小。对体积扩散和表面扩散,低温下以表面扩散为主,高温下以体积扩散为主,而表面扩散并不改变为坯体的致密度,因此,可适当延长高温烧结时间。另外,在烧结后期,不合理的延长烧结时间,有时会加剧二次再结晶作用,反而得不到充分致密的制品。

64. 材料的许多性能如强度、光学性能等要求其晶粒尺寸微小且分布均匀，工艺

上应如何控制烧结过程以达到此目的?

答：(1) 晶粒的大小取决于起始晶粒的大小,烧结温度和烧结时间;(2) 防止二次再结晶引起的晶粒异常长大