材料科學基礎課后習題及參考答案(已修改)

　

【正文】 39緒論仔細觀察一下白熾燈泡，會發現有多少種不同的材料？每種材料需要何種熱學、電學性質？ 為什么金屬具有良好的導電性和導熱性？ 為什么陶瓷、聚合物通常是絕緣體？ 鋁原子的質量是多少？，計算1mm3中有多少原子？ 為了防止碰撞造成紐折，汽車的擋板可有裝甲制造，但實際應用中為何不如此設計？說出至少三種理由。 描述不同材料常用的加工方法。 敘述金屬材料的類型及其分類依據。 試將下列材料按金屬、陶瓷、聚合物或復合材料進行分類：　黃銅 鋼筋混凝土 橡膠 氯化鈉 鉛錫焊料 瀝青 環氧樹脂 鎂合金 碳化硅 混凝土 石墨 玻璃鋼 Al2O3陶瓷既牢固又堅硬且耐磨，為什么不用Al2O3制造鐵錘？晶體結構解釋下列概念晶系、晶胞、晶胞參數、空間點陣、米勒指數（晶面指數）、離子晶體的晶格能、原子半徑與離子半徑、配位數、離子極化、同質多晶與類質同晶、正尖晶石與反正尖晶石、反螢石結構、鐵電效應、壓電效應.（1）一晶面在x、y、z軸上的截距分別為2a、3b、6c，求出該晶面的米勒指數；（2）一晶面在x、y、z軸上的截距分別為a/b/c，求出該晶面的米勒指數。在立方晶系的晶胞中畫出下列米勒指數的晶面和晶向：（001）與[210]，（111）與[112]，（110）與[111]，（322）與[236]，（257）與[111]，（123）與[121]，（102），（112），（213）， [110]，[111]，[120]，[321]寫出面心立方格子的單位平行六面體上所有結點的坐標。已知Mg2+，計算MgO晶體結構的堆積系數與密度。計算體心立方、面心立方、密排六方晶胞中的原子數、配位數、堆積系數。從理論計算公式計算NaC1與MgO的晶格能。MgO的熔點為2800℃，NaC1為80l℃, 請說明這種差別的原因。根據最密堆積原理，空間利用率越高，結構越穩定，金鋼石結構的空間利用率很低(％)，為什么它也很穩定? 證明等徑圓球面心立方最密堆積的空隙率為25．9％；金屬鎂原子作六方密堆積，求它的晶胞體積。1根據半徑比關系，說明下列離子與O2—配位時的配位數各是多? ro2= rSi4+= rK+= rAl3+= rMg2+=1為什么石英不同系列變體之間的轉化溫度比同系列變體之間的轉化溫度高得多？1有效離子半徑可通過晶體結構測定算出。在下面NaCl型結構晶體中，測得MgS和MnS的晶胞參數均為a=(在這兩種結構中，陰離子是相互接觸的)。若CaS(a=)、CaO(a=)和MgO(a=)為一般陽離子——陰離子接觸，試求這些晶體中各離子的半徑。1氟化鋰(LiF)為NaCl型結構，／cm3，根據此數據汁算晶胞參數，并將此值與你從離子半徑計算得到數值進行比較。1Li2O的結構是O2作面心立方堆積，Li+占據所有四面體空隙位置。求：　　　　(1)計算四面體空隙所能容納的最大陽離子半徑，并與書末附表Li+半徑比較，說明此時O2能否互相接觸。　　　　(2)根據離子半徑數據求晶胞參數。　　　　(3)求Li2O的密度。 1試解釋對于AX型化合物來說，正負離子為一價時多形成離子化合物。二價時則形成的離子化合物減少(如ZnS為共價型化合物)，到了三價、四價(如AlN，SiC)則是形成共價化合物了。1MgO和CaO同屬NaCl型結構，而它們與水作用時則CaO要比MgO活潑，試解釋之。1根據CaF2晶胞圖畫出CaF2晶胞的投影圖。1算一算CdI2晶體中的I及CaTiO3晶體中O2的電價是否飽和。(1)畫出O2作而心立方堆積時，各四面體空隙和八面體空隙的所在位置(以一個晶胞為結構基元表示出來)。　 (2)計算四面體空隙數、八而休空隙數與O2數之比。 　 (3)根據電價規則，在下面情況下，空隙內各需填入何種價數的陽離子，并對每一種結構舉出—個例子。　　（a）所有四面體空隙位置均填滿；　　 (b) 所有八而體空隙位置均填滿；　　(c) 填滿—半四面體空隙位置；　　(d) 填滿—半八面休空隙位置。2下列硅酸鹽礦物各屬何種結構類型：　　　　　　Mg2[SiO4]，K[AISi3O8]，CaMg[Si2O6]， Mg3[Si4O10](OH)2，Ca2Al[AlSiO7]。　2根據Mg2[SiO4]在(110)面的投影圖回答： 　　　　(1) 結構中有幾種配位多面體，各配位多面體間的連接方式怎樣?　　　　(2) O2的電價是否飽和? 　　　　(3) 晶胞的分子數是多少? 　　　　(4) Si4+和Mg2+所占的四面體空隙和八面體空隙的分數是多少? 2石棉礦如透閃石Ca2Mg5[Si4O11](OH)2具有纖維狀結晶習性，而滑石Mg2[Si4O10](OH)2卻具有片狀結晶習性，試解釋之。2石墨、滑石和高嶺石具有層狀結構，說明它們結構的區別及由此引起的性質上的差異。2(1)在硅酸鹽晶體中，Al3+為什么能部分置換硅氧骨架中的Si4+；　　(2) Al3+置換Si4+后，對硅酸鹽組成有何影響? 　 (3)用電價規則說明Al3+置換骨架中的Si4+時，通常不超過一半，否則將使結構不穩定。晶體結構缺陷 說明下列符號的含義：　　　　VNa，VNa’，VCl?，.(VNa’VCl?)，CaK?，CaCa，Cai??寫出下列缺陷反應式：　　　　(1)NaCl溶入CaCl2中形成空位型固溶體；　　　　(2)CaCl2溶人NaC1中形成空位型固溶體；　　　　(3)NaCl形成肖脫基缺陷；　　　　(4)AgI形成弗侖克爾缺陷(Ag+進入間隙)。／厘米3，計算單位晶胞MgO的肖脫基缺陷數。(a)MgO晶體中，肖脫基缺陷的生成能為6eV，計算在25℃和1600℃時熱缺陷的濃度。(b)如果MgO晶體中，含有百萬分之一摩爾的A12O3雜質，則在1600℃時，MgO晶體中是熱缺陷占優勢還是雜質缺陷占優勢，說明原因。MgO晶體的肖特基缺陷生成能為84kJ／mol，計算該晶體在1000K和1500K的缺陷濃度。 非化學計量化合物FexO中，Fe3+／Fe2+=，求FexO中的空位濃度及x值。 非化學計量缺陷的濃度與周圍氣氛的性質、壓力大小相關，如果增大周圍氧氣的分壓，非化學計量化合物Fe1XO及Zn1+XO的密度將發生怎么樣的變化?增大還是減小?為什么?對于刃位錯和螺位錯，區別其位錯線方向、柏氏矢量和位錯運動方向的特點。 內含有一個正刃位錯和一個負刃位錯。　　　　(a)圍繞兩個位錯柏格斯回路，最后得柏格斯矢量若干？　　　　(b)圍繞每個位錯分別作柏氏回路，其結果又怎樣? 有兩個相同符號的刃位錯，在同一滑移面上相遇，它們將是排斥還是吸引？1晶界對位錯的運動將發生怎么樣的影響？能預計嗎？1晶界有小角度晶界與大角度晶界之分，大角度晶界能用位錯的陣列來描述嗎？1試述影響置換型固溶體的固溶度的條件。 1從化學組成、相組成考慮，試比較固溶體與化合物、機械混合物的差別。1試闡明固溶體、晶格缺陷和非化學計量化合物三者之間的異同點，列出簡明表格比較。1在面心立方空間點陣中，面心位置的原子數比立方體頂角位置的原子數多三倍。原子 B溶入A晶格的面心位置中，形成置換型固溶體，其成分應該是A3B呢還是A2B？為什么?1Al2O3在MgO中形成有限固溶體，在低共熔溫度1995℃時，約有18重量％Al2O3溶入MgO中，假設MgO單位晶胞尺寸變化可忽略不計。試預計下列情況的密度變化。　　　　(a) O2為填隙離子。　　　　(b) A13+為置換離子。1對磁硫鐵礦進行化學分析：按分析數據的Fe／S計算，得出兩種可能的成分：Fe1xS 和FeS1x。前者意味著是Fe空位的缺陷結構；后者是Fe被置換。設想用一種實驗方法以確定該礦物究竟屬哪一類成分。1說明為什么只有置換型固溶體的兩個組份之間才能相互完全溶解，而填隙型固溶體則不能。如果(1)溶劑和溶質原子的原子半徑相差超過177。15％；(2)兩元素的電負性相差超過 177。％，通常這一對元素將不利于形成置換型固溶體，其中前一因素往往起主導作用。僅根據提供的資料提出哪一對金屬大概不會形成連續固溶體：Ta—W，Pt—Pb．Co一Ni，Co—Zn，Ti—Ta。 金屬 原子半徑 (nm) 晶體結構 金屬 原子半徑 (nm) 晶體結構 Ti Co Ni 六方 (883 ℃ ) 體心立方 (883 ℃ ) 六方 (427 ℃ ) 面心立方 (~427 ℃ ) 面心立方 Zn Ta W Pt Pd 六方 體心立方 體心立方 面心立方 面心立方 2對于MgO、Al2O3，和Cr2O3，其正、則A1203和Cr23形成連續固溶體。 　　　　(a)這個結果可能嗎?為什么? 　　　　(b)試預計，在MgO—Cr2O3系統中的固溶度是有限的還是無限的?為什么?2某種NiO是非化學計量的，如果NiO中Ni3+/Ni2+=104，問每m3中有多少載流子。2在MgOAl2O3和PbTiO2PbZrO3中哪一對形成有限固溶體，哪一對形成無限固溶體，為什么? 2將CaO外加到ZrO2中去能生成不等價置換固溶體，在1600℃時，該固體具有立方螢石結構，經x射線分析測定，晶胞參數a=，實驗測定密度D=／cm3，對于CaOZr02固溶體來說，從滿足電中性來看，可以形成氧離子空位的固溶體也可形成Ca2+嵌入陰離子間隙中的固溶體，其固溶方程為： 請寫出兩種固溶體的化學式，并通過計算密度，判斷生成的是哪一種固溶體。非晶態結構與性質1．試述石英晶體、石英熔體、Na2O?2SiO2熔體結構和性質上的區別。2．某熔體粘度在727℃時是108泊，1156℃時是104泊，要獲得粘度為107泊的熔體，要加熱到什么溫度? 3．在Na2O—SiO2系統及RO—SiO2系統中隨著SiO2含量的增加，熔體的粘度將升高而表面張力則降低，說明原因。4．說明在一定溫度下同組成的玻璃比晶體具有較高的內能及晶體具有一定的熔點而玻璃體沒有固定熔點的原因。5．某窗玻璃含14Na2O－14CaO－72SiO2(重量百分數)，求非橋氧百分數。 6．網絡外體(如Na2O)加到SiO2熔體中，使氧硅比增加，當O/Si≈～3時，即達到形成玻璃的極限，O/Si3時，則不能形成玻璃，為什么? 7．按照在形成氧化物玻璃中的作用，把下列氧化物分為網絡變體，中間體和網絡形成體： SiO2，Na2O，B2O3，CaO，Al2O3，P2O5，K2O，BaO。8．以B203為例解釋具有混合鍵氧化物容易形成玻璃的原因。9．試述微晶學說與無規則網絡學說的主要觀點，并比較兩種學說在解釋玻璃結構上的共同點和分歧。10．什么是硼反常現象? 為什么會產生這些現象? 11．，假定玻璃中原子尺寸與晶體SiO2相同，試計算該玻璃的原于堆積系數是多少?12．根據教材的T—T—T曲線，計算A、B、C三種物質的臨界冷卻速度，哪一種物質易形成玻璃?哪一種難形成玻璃?表面結構與性質1 ．什么叫表面張力和表面能 ? 在固態下和液態下這兩者有何差別 ? 2 ．一般說來，同一種物質，其固體的表面能要比液體的表面能大，試說明原因。 3 ．什么叫吸附、粘附 ? 當用焊錫來焊接銅絲時，用銼刀除去表面層，可使焊接更加牢固，請解釋這種現象。 4 ．方鎂石的表面能為1000爾格/cm2，求將其粉碎為1u顆粒時，每克需能量多少卡 ? 5 ．試說明晶界能總小于兩個相鄰晶粒的表面能之和的原因。 7 ．1克石英在粉碎機中軋成粒度為1u的粉末時，若這是吸附了空氣中水分的結果，試求吸附水膜的厚度 ( 假定破碎后顆粒為立方體 ) 。 8 ．真空中Al2O3的表面張力約為900erg／cm2，液態鐵的表面張力為1729erg/cm2，同樣條件下，界面張力 ( 液態鐵—氧化鋁 ) 約為 2300erg/cm2，問接觸角有多大 ? 液態鐵能否潤濕氧化鋁 ?9 ．表面張力為500erg/cm2的某液態硅酸鹽與某種多晶氯化物表面相接觸，接觸角θ =45 176。；若與此氧化物相混合，則在三晶粒交界處，形成液態小球，二面角φ平均為 90 176。，假如沒有液態硅酸鹽時，氧化物－氧化物界面的界面張力為 1000dyn/cm ，試計算氧化物的表面張力。10 ． MgOAl2O3SiO2系統的低共熔物，放在 Si3N4陶瓷片上，在低共溶溫度下，液相的表面張力為 900erg/cm2，液體與固體的界面能為 600erg/cm2，測得接觸角為 176。， (1) 求Si3N4的表面張力。 (2) 把Si3N4在低共熔溫度下進行熱處理，測得其腐蝕的槽角為 176。，求Si3N4的晶界能。 (3) 如果把 20 ％的低共熔物與Si3N4 粉末混合，加熱到低共溶溫度下，試畫出由低共熔物與Si3N4混合組成的陶瓷顯微結構示意圖。 復 習 提 綱 1 ．基本概念：表面、晶界、相界、弛豫表面、重構表面、黏附、潤濕、吸附 2 ．固體是如何降低系統的表面能的，為什么相同組成的固體的表面能總是高于液體的表面能； 3 ．固體的表面力場的分類和本質，晶體的表面結構特點，表面粗糙度、表面微裂紋對表面力場的影響； 4 ．固體的界面行為對固體表面結構和性質的影響；粗糙表面的潤濕行為；相平衡與相圖1 ．固體硫有兩種晶型 ( 單斜硫、斜方硫 ) ，因此硫系統可能有四個相，如果某人實驗得到這四個相平衡共存，試判斷這個實驗有無問題。 2 ．圖（ 1 ）是具有多晶轉變的某物質的相圖，其中 DEF 線是熔體的蒸發曲線。 KE 是晶型 I 的升華曲線； GF 是晶型 II 的升華曲線； JG 是晶型Ⅲ的升華曲線，回答下列問題： (1) 在圖中標明各相的相區，并把圖中各無變點的平衡特征用式子表示出來。 (2) 系統中哪種晶型為穩定相 ? 那種晶型為介穩相 ? (3) 各晶型之間的轉變是單向轉變還是雙向轉變 ? 3 ．在SiO2系統相圖中，找出兩個可逆多晶轉變和兩個不可逆多晶轉變的例子。 4 ．根據Al2O3—SiO2 系統相圖說明： (1) 鋁硅質耐火材料，硅磚 ( 含 SiO298 ％ ) 、粘土磚 ( 含 Al2O3 35 ～50 ％) 、高鋁磚 ( 含 Al2O3 60 ～ 90 ％ ) 、剛玉磚 ( 含 Al2O390 ％ ) 內，各有哪些主要的晶相。 (2) 為了保持較高的耐火度，在生產硅磚時應注意什么 ? (3) 若耐火材料出現 40 ％液相便軟化不能使用，試計算含 40(mol) Al2O3的粘土磚的最高使用溫度。 5 ．在 CaOSiO2系統與 Al2O3SiO2系統中SiO2的液相線都很陡，為什么在硅磚中可摻人約 2 ％的 CaO 作礦化劑而不會降低硅磚的耐火度，但在硅磚中卻要嚴格防止原料中混入 Al2O3 否則會使硅磚耐火度大大下降。 6 ．加熱粘土礦物高嶺石 (Al2O3 2SiO2 2H2O) 至 600 ℃時，高嶺石分解為水蒸氣和Al2O32SiO2，繼續加熱到 1595 ℃時會發生什么變化？在這溫度下長時間保溫達到平衡，系統的相組成如何？當系統生成 40 ％液相時，應達到什么溫度？在什么溫度下該粘土完全熔融