材料科學(xué)基礎(chǔ)試題庫答案-資料下載頁

　　

【正文】 過渡是逐步完成的，兩者之間無明顯界限。無規(guī)則網(wǎng)絡(luò)學(xué)說：玻璃的結(jié)構(gòu)與相應(yīng)的晶體結(jié)構(gòu)相似，同樣形成連續(xù)的三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。但玻璃的網(wǎng)絡(luò)與晶體的網(wǎng)絡(luò)不同，玻璃的網(wǎng)絡(luò)是不規(guī)則的、非周期性的，因此玻璃的內(nèi)能比晶體的內(nèi)能要大。由于玻璃的強(qiáng)度與晶體的強(qiáng)度屬于同一個(gè)數(shù)量級，玻璃的內(nèi)能與相應(yīng)晶體的內(nèi)能相差并不多，因此它們的結(jié)構(gòu)單元（四面體或三角體）應(yīng)是相同的，不同之處在與排列的周期性。微晶學(xué)說強(qiáng)調(diào)了玻璃結(jié)構(gòu)的不均勻性、不連續(xù)性及有序性等方面特征，成功地解釋了玻璃折射率在加熱過程中的突變現(xiàn)象。網(wǎng)絡(luò)學(xué)說強(qiáng)調(diào)了玻璃中離子與多面體相互間排列的均勻性、連續(xù)性及無序性等方面結(jié)構(gòu)特征。、生長速率隨DT變化的關(guān)系圖中，標(biāo)出哪一條曲線代表成核速率，哪一條曲線代表生長速率？為什么？速率D TIVu速率TmIVu原因：低溫熔體粘度大，質(zhì)點(diǎn)移動困難易聚結(jié)在一起而成核，即低溫有利于成核； 高溫熔體粘度小，質(zhì)點(diǎn)移動速率大，晶核易相遇形成 大的晶核而長大，即高溫有利于生長。 ? 在固態(tài)下和液態(tài)下這兩者有何差別 ?解：表面張力：垂直作用在單位長度線段上的表面緊縮力或?qū)⑽矬w表面增大一個(gè)單位所需作的功；σ=力/總長度N/m表面能：恒溫、恒壓、恒組成情況下，可逆地增加物系表面積須對物質(zhì)所做的非體積功稱為表面能；J/m2 =N/m液體：不能承受剪應(yīng)力，外力所做的功表現(xiàn)為表面積的擴(kuò)展，因?yàn)楸砻鎻埩εc表面能數(shù)量是相同的；固體：能承受剪切應(yīng)力，外力的作用表現(xiàn)為表面積的增加和部分的塑性形變，表面張力與表面能不等。，同一種物質(zhì)，其固體的表面能要比液體的表面能大，試說明原因。　解：同一種物質(zhì)，其液體固體的表面結(jié)構(gòu)不同，液體分子可自由移動，總是通過形成球形表面來降低其表面能；固體則不能，固體質(zhì)點(diǎn)不能自由移動，只能通過表面質(zhì)點(diǎn)的極化、變形、重排來降低系統(tǒng)的表面能，固體表面處于高能量狀態(tài)（由于表面力的存在）。0022. 影響濕潤的因素有那些？ 解：⑴ 固體表面粗糙度 當(dāng)真實(shí)接觸角θ小于90176。時(shí)，粗糙度越大，表面接觸角越小，就越容易濕潤；當(dāng)θ大于90176。，則粗糙度越大，越不利于濕潤。 ⑵ 吸附膜 吸附膜的存在使接觸角增大，起著阻礙作用。 ？ 解：吸附是固體表面力場與吸附分子發(fā)出的力場相互作用的結(jié)果，它是發(fā)生在固體上的。根據(jù)相互作用力的性質(zhì)不同，可分為物理吸附和化學(xué)吸附兩種。 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)分立的系統(tǒng)。 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)統(tǒng)一的系統(tǒng)來處理。 ？ 解：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)。 ？解：在573℃以下的低溫，SiO2的穩(wěn)定晶型為b －石英，加熱至573℃轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷匦偷腶 －石英，這種轉(zhuǎn)變較快；冷卻時(shí)在同一溫度下以同樣的速度發(fā)生逆轉(zhuǎn)變。如果加熱速度過快，則a －石英過熱而在1600℃時(shí)熔融。如果加熱速度很慢，則在870℃轉(zhuǎn)變?yōu)閍 －鱗石英。a －鱗石英在加熱較快時(shí)，過熱到1670℃時(shí)熔融。當(dāng)緩慢冷卻時(shí)，在870℃仍可逆地轉(zhuǎn)變?yōu)閍 －石英；當(dāng)迅速冷卻時(shí)，沿虛線過冷，在163℃轉(zhuǎn)變?yōu)榻榉€(wěn)態(tài)的b －鱗石英，在117℃轉(zhuǎn)變?yōu)榻榉€(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 －鱗石英和a －鱗石英。a －鱗石英緩慢加熱，在1470℃時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)閍 －方石英，繼續(xù)加熱到1713℃熔融。當(dāng)緩慢冷卻時(shí)，在1470℃時(shí)可逆地轉(zhuǎn)變?yōu)閍 －鱗石英；當(dāng)迅速冷卻時(shí)，沿虛 線過冷，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SiO2由于粘度很大，冷卻時(shí)往往成為過冷的液相－－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期不變。如果在1000℃以上持久加熱，也會產(chǎn)生析晶。熔融狀態(tài)的SiO2，只有極其緩慢的冷卻，才會在1713℃可逆地轉(zhuǎn)變?yōu)閍 －方石英。對SiO2的相圖進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，SiO2的所有處于介穩(wěn)狀態(tài)的熔體的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)踐證明，在給定的溫度范圍，具有最小蒸汽壓的相一定是最穩(wěn)定的相。所以由于晶型轉(zhuǎn)變速度不同，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。0026. 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)。0027. 說明影響固相反應(yīng)的因素？ 解：反應(yīng)物化學(xué)組成與結(jié)構(gòu)的影響；顆粒度和分布影響；反應(yīng)溫度、壓力、氣氛影響；礦化劑的影響。，要有一點(diǎn)過冷或過熱才能發(fā)生相變? 什么情況下需過冷，什么情況下需過熱，試證明之。解：由熱力學(xué)可知，在等溫、等壓下有 在平衡條件下，則有 式中：0是相變的平衡溫度；為相變熱。若在任意溫度的不平衡條件下，則有 若與不隨溫度而變化，將上式代入上式得： 可見，相變過程要自發(fā)進(jìn)行，必須有，則。若相變過程放熱（如凝聚、結(jié)晶等）。要使，必須有，即，這表明系統(tǒng)必須“過冷”。若相變過程吸熱（如蒸發(fā)、熔融等），要滿足這一條件則必須，即，這表明系統(tǒng)要自發(fā)相變則必須“過熱”。，并舉一例說明之。解：硅酸鹽礦物按照硅氧四面體的連接方式進(jìn)行分類，具體類型見下表。結(jié)構(gòu)類型 共用氧數(shù) 形狀 絡(luò)陰離子 氧硅比 實(shí)例 島狀 0 四面體 [SiO4]4 4 鎂橄欖石Mg2[SiO4] 組群狀 1～2 六節(jié)環(huán) [Si6O18]12 ～3 綠寶石Be3Al2[Si6O18] 鏈狀 2～3 單鏈 [Si2O6]4 3～ 透輝石CaMg[Si2O6] 層狀 3 平面層 [Si4O10]4 滑石Mg3[Si4O10](OH)2 架狀 4 骨架 [SiO2] 2 石英SiO2 0030.（a）什么叫陽離子交換？答：在粘土礦物中，如果[AlO6]層中部分Al3+被Mg2+、Fe2+代替時(shí)，一些水化陽離子（如Na+、Ca2+等）進(jìn)入層間，來平衡多余的負(fù)電荷，在一定條件下這些陽離子可以被其它陽離子交換，這種現(xiàn)象稱為陽離子交換。、蒙脫石陽離子交換容量差異的原因。答：高嶺石的陽離子交換容量較小，而蒙脫石的陽離子交換容量較大。因?yàn)楦邘X石是1:1型結(jié)構(gòu)，單網(wǎng)層與單網(wǎng)層之間以氫鍵相連，氫鍵強(qiáng)于范氏鍵，水化陽離子不易進(jìn)入層間，因此陽離子交換容量較小。而蒙脫石是為2:1型結(jié)構(gòu)，復(fù)網(wǎng)層間以范氏鍵相連，層間聯(lián)系較弱，水化陽離子容易進(jìn)入復(fù)網(wǎng)層間以平衡多余的負(fù)電荷，因此蒙脫石的陽離子交換容量較大。、伊利石同晶取代的不同，說明在平衡負(fù)電荷時(shí)為什么前者以水化陽離子形式進(jìn)入結(jié)構(gòu)單元層，而后者以配位陽離子形式進(jìn)入結(jié)構(gòu)單元層。答：蒙脫石和伊利石均為2:1型結(jié)構(gòu)。但是，蒙脫石的鋁氧八面體層中大約有1/3的Al3+被Mg2+所取代，平衡電荷的水化陽離子半徑大，而且水化陽離子與負(fù)電荷之間距離遠(yuǎn)，覆網(wǎng)層之間的結(jié)合力弱，所以進(jìn)入層間位置。伊利石的硅氧四面體層中約1/6的Si4+被Al3+所取代，K+進(jìn)入復(fù)網(wǎng)層間以平衡多余的負(fù)電荷，K+位于上下二層硅氧層的六邊形網(wǎng)絡(luò)的中心，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)單元。+、Mg2+、Ca2+，其鹵化物BeF2和SiO2結(jié)構(gòu)同，MgF2與TiO2（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，極化性能變化不大。當(dāng)陰離子同為F時(shí)，使得其r+/r增大，配位數(shù)增大，由BeF2的4配位到MgF2的6配位，再到CaF2的8配位。，為什么其堆積系數(shù)僅為34%。答：為了分析晶體結(jié)構(gòu)方便起見，金剛石結(jié)構(gòu)中C原子可以看成按面心立方排列。但實(shí)際上由于C原子之間是共價(jià)鍵，具有方向性和飽和性，每個(gè)C原子只與4個(gè)C原子形成價(jià)鍵（緊密相鄰），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%，%。 ，而它們與水作用時(shí)則CaO要比MgO活潑，試解釋之。解：rMg2+與rCa2+不同，rCa2+ rMg2+，使CaO結(jié)構(gòu)較MgO疏松，H2O易于進(jìn)入，所以活潑。：Mg2[SiO4]，K[AISi3O8]，CaMg[Si2O6]， Mg3[Si4O10](OH)2，Ca2Al[AlSiO7]。解：島狀；架狀；單鏈；層狀（復(fù)網(wǎng)）；組群（雙四面體）。[Si4O11](OH)2具有纖維狀結(jié)晶習(xí)性，而滑石Mg2[Si4O10](OH)2卻具有片狀結(jié)晶習(xí)性，試解釋之。解：透閃石雙鏈結(jié)構(gòu)，鏈內(nèi)的SiO鍵要比鏈間的CaO、MgO鍵強(qiáng)很多，所以很容易沿鏈間結(jié)合力較弱處劈裂成為纖維狀；滑石復(fù)網(wǎng)層結(jié)構(gòu)，復(fù)網(wǎng)層由兩個(gè)[SiO4]層和中間的水鎂石層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，復(fù)網(wǎng)層與復(fù)網(wǎng)層之間靠教弱的分之間作用力聯(lián)系，因分子間力弱，所以易沿分子間力聯(lián)系處解理成片狀。、滑石和高嶺石具有層狀結(jié)構(gòu)，說明它們結(jié)構(gòu)的區(qū)別及由此引起的性質(zhì)上的差異。解：石墨中同層C原子進(jìn)行SP2雜化，形成大Π鍵，每一層都是六邊形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。由于間隙較大，電子可在同層中運(yùn)動，可以導(dǎo)電，層間分子間力作用，所以石墨比較軟。，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(jià)規(guī)則說明Al3+置換骨架中的Si4+時(shí)，通常不超過一半，否則將使結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。解：（1）Al3+可與O2形成[AlO4]5；Al3+與Si4+處于第二周期，性質(zhì)類似，易于進(jìn)入硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)中與Si4+發(fā)生同晶取代，由于鮑林規(guī)則，只能部分取代；（2）Al3+置換Si4+是部分取代，Al3+取代Si4+時(shí)，結(jié)構(gòu)單元[AlSiO4][ASiO5]，失去了電中性，有過剩的負(fù)電荷，為了保持電中性，將有一些半徑較大而電荷較低的陽離子如K+、Ca2+、Ba2+進(jìn)入結(jié)構(gòu)中；（3）設(shè)Al3+置換了一半的Si4+，則O2與一個(gè)Si4+一個(gè)Al3+相連，陽離子靜電鍵強(qiáng)度=3/41+4/41=7/4，O2電荷數(shù)為2，二者相差為1/4，若取代超過一半，二者相差必然1/4，造成結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。 ，并說明原因。答：如水泥與混凝土集料之間，表面愈粗糙，潤濕性愈好；陶瓷元件表面被銀，必須先將瓷件表面磨平并拋光，才能提高瓷件與銀層之間潤濕性。原因：當(dāng)真實(shí)接觸角小于90186。時(shí)，粗糙度愈大，就容易潤濕；當(dāng)真實(shí)接觸角大于90186。時(shí)，則粗糙度愈大，愈不利于潤濕。D晶內(nèi)？答：晶界上質(zhì)點(diǎn)排列結(jié)構(gòu)不同于內(nèi)部， 較晶體內(nèi)疏松， 原子排列混亂， 存在著許多空位、位錯、鍵變形等缺陷， 使之處于應(yīng)力畸變狀態(tài)，具有較高能量， 質(zhì)點(diǎn)在晶界遷移所需活化能較晶內(nèi)為小，擴(kuò)散系數(shù)為大。（內(nèi)部條件）答：熔體在冷卻過程中，會出現(xiàn)三種相變過程：結(jié)晶化、玻璃化和分相。熔體在冷卻過程中發(fā)生何種相變?nèi)Q于熔體組成和冷卻速率。⑴ 結(jié)晶化：有序度不斷增加，直到釋放全部多余能量而使整個(gè)熔體晶化為止。⑵ 玻璃化：過冷熔體在轉(zhuǎn)變溫度Tg硬化為固態(tài)玻璃的過程。⑶ 分相：質(zhì)點(diǎn)遷移過程使熔體內(nèi)某些組成偏聚，從而形成互不混溶的組成不同的兩個(gè)玻璃相。⑷ 比較：玻璃化和分相均沒有釋放出全部多余的能量，因此與結(jié)晶化比較，玻璃化和分相都處于比較能量高的亞穩(wěn)態(tài)。然而由于玻璃與晶體的內(nèi)能差值不大，故析晶能力比較小，因此這種亞穩(wěn)態(tài)在實(shí)際上能夠長時(shí)間穩(wěn)定存在。：答：⑴楊氏模型中假設(shè)球形顆粒反應(yīng)截面積始終不變，而金氏模型中假設(shè)反應(yīng)產(chǎn)物層厚度x隨時(shí)間而向球中心推進(jìn)。⑵楊氏方程僅適用轉(zhuǎn)化率，而金氏方程能適應(yīng)更大的反應(yīng)程度，適合轉(zhuǎn)化率。⑶金氏方程有較好的普遍性，可從其方程本身得到進(jìn)一步的說明。 答：①前者胚體內(nèi)晶粒尺寸均勻生長，服從公式DL ∝d/f，而后者是個(gè)別晶粒異常生長，不服從該公式。②前者是平均尺寸增長，不存在晶核，界面處于平衡狀態(tài)，界面無應(yīng)力，而后者的大晶粒界面上有應(yīng)力存在。③前者氣孔都維持在晶界上或晶界交匯處，而后者氣孔被包裹到晶核內(nèi)部。NaCl形成肖特基缺陷； AgI形成弗侖克爾缺陷（Ag+進(jìn)入間隙）；TiO2摻入到Nb2O3中，請寫出二個(gè)合理的方程，并判斷可能成立的方程是哪一種？再寫出每個(gè)方程的固溶體的化學(xué)式。NaCl溶入CaCl2中形成空位型固溶體。CaCl2溶解到KCI中形成間隙固溶體解： O?VNa 180。+VCl˙ AgAg→Agi˙+VAg180。 3TiO23TiNb˙+VNb180。180。180。+6OO Nb24xTi3xO3 可能成立 2TiO22TiNb˙+Oi180。180。+3OO Nb22xTi2xO3+x NaClNaCa180。+ClCl+VCl˙CaCl2 (2kCl)→ Cai。+2Clcl+2Vk， ：為什么非均相成核比均相成核更易進(jìn)行？ 解：因?yàn)椤鱃c =△（θ）并且：f（θ）=(2+COSθ)(1 COSθ)2/4，當(dāng)：θ=90度時(shí)，f（θ）=(2+COSθ)(1 COSθ)2/4=(2+0)(1 0)2/4=2/4=1/2，所