材料科学基础试题.doc

一. 图1是Na2O的理想晶胞结构示意图，试回答：1晶胞分子数是多少；1：4；2结构中何种离子做何种密堆积；何种离子填充何种空隙，所占比例是多少；（O2-离子做面心立方密堆积，Na+填全部四面体空隙）；3结构中各离子的配位数为多少，写出其配位多面体；CN Na+=4；CN O2-=8 NaO4ONa84计算说明O2-的电价是否饱和；O2-电价饱和，因为O2-的电价=（Na+的电价/Na+的配位数）O2的配位数； 5画出Na2O结构在（001）面上的投影图。二. 图2是高岭石(Al2O32SiO22H2O)结构示意图，试回答：1请以结构式写法写出高岭石的化学式；Al4Si4O10(OH)82高岭石属于哪种硅酸盐结构类型；单网层状结构3分析层的构成和层的堆积方向；一层硅氧层一层水铝石层且沿C轴方向堆积4分析结构中的作用力；层内是共价键，层间是氢键5根据其结构特点推测高岭石具有什么性质。片状微晶解理 三. 简答题：1.晶体中的结构缺陷按几何尺寸可分为哪几类？点缺陷，线缺陷，面缺陷2.什么是负扩散？由低浓度向高浓度的扩散3烧结初期的特征是什么？坯体间颗粒重排，接触处产生键合，大气孔消失，但固-气总表面积变化不大4.硅酸盐晶体的分类原则是什么？按硅氧比值分类或按硅氧聚和体的大小分类5.烧结推动力是什么？表面能的降低 它可凭哪些方式推动物质的迁移？流动传质、扩散传质、气相传质和溶解-沉淀传质6.相变的含义是什么？从热力学角度来划分，相变可以分为哪几类？随自由能的变化而发生的相的结构的变化，分为一级相变、二级相变和三级相变。 四. 出下列缺陷反应式：1.NaCl形成肖特基缺陷；OVNa +VCl2.AgI形成弗仑克尔缺陷（Ag+进入间隙）；AgAgAgi+VAg3.TiO2掺入到Nb2O3中，请写出二个合理的方程，并判断可能成立的方程是哪一种？再写出每个方程的固溶体的化学式。 3TiO23TiNb+VNb+6OO 2TiO22TiNb+Oi+3O0 Nb2-xTi3xO3可能成立Nb2-2xTi2xO3+x4.NaCl溶入CaCl2中形成空位型固溶体NaClNaCa+ClCl+VCl五. 表面力的存在使固体表面处于高能量状态，然而，能量愈高系统愈不稳定，那么固体是通过何种方式降低其过剩的表面能以达到热力学稳定状态的。（一是通过表面质点的极化、变形、重排来降低表面能，二是通过吸附来降低表面能。） 六.粒径为1的球状Al2O3由过量的MgO微粒包围，观察尖晶石的形成，在恒定温度下，第一个小时有20%的Al2O3起了反应，计算完全反应的时间：用杨德方程计算；用金斯特林格方程计算。（1：t=195h2：t=68h）七.请分析熔体结构中负离子团的堆积方式、聚合度及对称性等与玻璃形成之关系。当O/Si由24时，熔体中负离子团的堆积形式由三维架状转化为孤立的岛状，负离子团的聚合度相应的降至最低。一般情况下，熔体中负离子团的聚合度越高，特别是形成三维架状的空间网络时，这些大的聚合离子团位移、转动、重排都比较困难，故质点不易调整成规则排列的晶体结构，易形成玻璃。熔体中负离子团的对称性越好，转变成晶体越容易，则形成玻璃愈难，反之亦然。八.试从结构和能量的观点解释为什么D晶界D晶内？晶界上质点排列结构不同于内部，较晶体内疏松，原子排列混乱，存在着许多空位、位错、键变形等缺陷，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活化能较晶内为小，扩散系数为大。九.试分析二次再结晶过程对材料性能有何影响？工艺上如何防止或延缓二次再结晶的发生？-二次再结晶出现后，由于个别晶粒异常长大，使气孔不能排除，坯体不在致密，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。工艺上常采用引入适当的添加剂，以减缓晶界的移动速度，使气孔及时沿晶界排除，从而防止或延缓二次再结晶的发生。十.图3是A-B-C三元系统相图，根据相图回答下列问题：1写出点P，R，S的成分；2设有2kgP，问需要多少何种成分的合金Z才可混熔成6kg成分为R的合金。 PRSZA2010455B10604585C70301010十一.图4是A-B-C三元系统相图，根据相图回答下列问题：1在图上划分副三角形、用箭头表示各条线上温度下降方向及界线的性质；2判断化合物D、F的性质；3写出各三元无变量点的性质及其对应的平衡关系式；4写出组成点G在完全平衡条件下的冷却结晶过程；5写出组成点H在完全平衡条件下的冷却结晶过程，写出当液相组成点刚刚到达E4点和结晶结束时各物质的百分含量（用线段比表示）。 试题二一、(1)（12分）根据CaTiO3晶胞图（见图1）回答下列问题：1.晶面BCGF、DEG的晶面指数；晶向DF、HA的晶向指数。 （010）（111） 1111012.结构中各离子的配位数为多少，写出其配位多面体；3.晶胞分子数是多少？何种离子添何种空隙，空隙利用率是多少？1；Ti4+添八面体空隙，八面体空隙利用率1/4，四八面体空隙全； 4.结构中是否存在TiO32-离子，为什么？否，因为Ti4+和O2-间没有明显的共价键成分。(2)（11分）图2是镁橄榄石(Mg2SiO4)结构示意图，试回答：1镁橄榄石属于哪种硅酸盐结构类型；岛状结构2计算说明O2-的电价是否饱和；O2-与一个SiO4、三个 MgO6配位：4/41+263=2= O2-的电价，O2-的电价3结构中有几种配位多而体，各配位多面体间的连接方式怎样?结构中有两种配位多面体SiO4、MgO6 (2分)；SiO4呈孤立的岛状，中间被MgO6隔开，SiO4与 MgO6之间共顶或共棱连接，同层的MgO6之间共棱、不同层的MgO6之间共顶连接；(4分)4镁橄榄石是否容易形成玻璃，为什么？不易，因为镁橄榄石的Si/O=1/4，最低，网络连接程度弱，结构中络阴离子团尺寸小，迁移阻力小，熔体的粘度低，冷却过程中结构调整速率很快。 图1图2三、（10分）判断下列叙述是否正确？若不正确，请改正。1.Na2O-SiO2系统中随SiO2含量的增加，熔体的粘度将降低。粘度增加2.扩散的推动力是浓度梯度，所有扩散系统中，物质都是由高浓度处向低浓度处扩散。扩散也可以从低浓度向高浓度进行（反向扩散）3.晶粒正常长大是小晶粒吞食大晶粒，反常长大是大晶粒吞食小晶粒。都是晶界移动的结果。正常长大是晶粒平均尺寸增加，反常长大是个别大晶粒尺寸异常增加。4.固溶体是在固态条件下，一种物质以原子尺寸溶解在另一种物质中形成的单相均匀的固体。正确5.在热力学平衡条件下，二元凝聚系统最多可以3相平衡共存，它们是一个固相、一个液相和一个气相。两个固相和一个液相四、（6分）什么叫弛豫表面？NaCl单晶表面具有什么样的结构特点？表面上的原子产生相对于正常位置的上、下位移，称为表面弛豫。 NaCl单晶中处于表面层的负离子只受到上下和内侧正离子的作用，而外侧是不饱和的。电子云将被拉向内侧的正离子一方而变形，使该负离子诱导成偶极子。这样就降低了晶体表面的负电场。接着，表面层离子开始重排以使之在能量上趋于稳定。为此，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双电层。五、（6分）巳知Zn2+和Cr2+在尖晶石ZnCrO4中的自扩散系数与温度的关系分别为 1.试求1403K时Zn2+和Cr2+在尖晶石ZnCrO4中的扩散系数。2.将细铂丝涂在两种氧化物ZnO和Cr2O3的分界线上，然后将这些压制成型的样品进行扩散退火。（标记物铂丝非常细，不影响离子在不同氧化物之间的扩散）。根据所得数据判断铂丝将向哪一方向移动？(2分)(2分)因为萤石TiO2MgO5、烧结过程可以分为（ ）三个阶段，在烧结的中后期，与烧结同时进行的过程是（ ）。烧结初期、烧结中期和烧结后期，再结晶和晶粒长大。6、液体表面能和表面张力数值相等、量纲相同，而固体则不同，这种说法（ 是/否 ）正确，因为（ ）。是，固体质点不能自由移动。7、驰豫表面是指（ ），NaCl单晶的表面是（ ）。在垂直于表面的方向上原子间距不同于该方向上晶格内部原子间距的表面，驰豫表面。8、一般的固态反应包括（ ）两个过程，化学动力学范围是指（ ）。相界面上的化学反应和反应物通过产物层的扩散，相界面上的化学反应速率远小于反应物通过产物层的扩散速率。9、从熔体结构角度，估计长石、辉石(MgO?SiO2)、镁橄榄石三种矿物的高温熔体表面张力大小顺序（ ）。镁橄榄石辉石长石10、刃性位错的柏氏矢量与位错线呈垂直关系，而螺位错两者呈平行关系。二、Zn2+在ZnS中扩散时，563时的扩散系数为310-14cm2/sec，450时的扩散系数为1.010-14cm2/sec,（10分）求:(1) 扩散的活化能和D0；(2) 750时的扩散系数。(1) D=D0exp(-Q/RT) 2分 T=563+273=836K时，D=310-14cm2/s 2分T=450+273=723K时，D=1.010-14cm2/s 2分 代入上式可求 Q=48875J，D0=0.3410-11cm2/s 2分(2) D=D0exp(-Q/RT) =1.110-14 cm2/s 2分三、根据Mg2SiO4在(110)面的投影图回答（10分）： (1) 结构中有几种配位多面体，各配位多面体间的连接方式怎样?(2) O2-的电价是否饱和? (3) 晶胞的分子数是多少?(4) Si4+和Mg2+所占的四面体空隙和八面体空隙的分数是多少?黑球：Si4+小白球：Mg2+大白球：O2-图 2（1）有两种配位多面体，SiO4，MgO6，同层的MgO6八面体共棱，如59MgO6和49MgO6共棱75O2-和27O2-，不同层的MgO6八面体共顶，如1MgO6和51MgO6共顶是22O2-，同层的MgO6与SiO4共顶，如TMgO6和7SiO4共顶22O2-，不同层的MgO6与SiO4共棱，TMgO6和43SiO4共28O2-和28O2-；2.5分（3）z=4(2.5分)；（4）Si4+占四面体空隙=1/8，Mg2+占八面体空隙=1/2。（2.5分）四、铜在过冷的液体中均匀形核，设晶胚为球状，半径为r。已知Gv=3.6106J/cm3；液固界面的界面能为=0.15J/cm2；铜为面心立方结构，其点阵常数a=0.361nm,1nm=10-7cm。（10分） 求:(1) 根据能量方程导出临界晶核半径r*的表达式，并计算其大小；(2) 求出临界晶核中的原子个数。1、 GGV 令 则 已知：GV3.6106J/cm3；0.15 J/cm2 8.33108cm（5分） 2、个 （5分）五、熔体结晶时（10分）：(1) 讨论温度对总结晶速率的影响；(2) 指出在哪一温度范围内对形成玻璃有利，为什么？五、1如右图，I表示核化速率，u表示晶化速率（5分）； 2在阴影部分以外的温度对形成玻璃有利，因为此时核化速率与晶化速率都较小或只存在一种情况（5分）。六、1写出下列缺陷方应方程式。（5分）1）TiO2加入到A12O3中（写出两种）； 2）NaCl形成肖脱基缺陷。2画出体心立方点阵的晶胞结构图，并在图中作出(112)晶面和 晶向。（5分）3实验室要合成镁铝尖晶石,可供选择的原料为Mg(OH)2、MgO、Al2O33H2O、-Al2O3、-Al2O3。从提高反应速率的角度出发，选择什么原料较好？请说明原因。（5分）六、1 1）（2分） （2分） 2）（1分） 2 体心立方点阵的晶胞结构图 （2分）， (112)晶面和 晶向 （各1.5分）。 3 选择Mg(OH)2、-Al2O3；因为反应活性高，结构不稳定。（3+2）七、如图A-B-C三元系统相图，根据相图回答下列问题（25分）：1在图上划分副三角形、用箭头表示各条界线上温度下降方向及界线的性质；2判断化合物F、G、H 的性质；3写出各三元无变量点的性质及其对应的平衡关系式；4写出组成点M1在完全平衡条件下的冷却结晶过程；5写出组成点M2在完全平衡条件下进行加热时，开始出现液相的温度和完全熔融的温度；写出完全平衡条件下进行冷却，结晶结束时各物质的百分含量（用线段比表示）。七、1、见右图；（6分） 2、G，一致熔融二元化合物； F，不一致熔融二元化合物；H，不一致熔融三元化合物 （3分）3、E1，单转熔点， E2，低共熔点， E3，低共熔点， E4，单转熔点， E5，单转熔点， E6，多晶转变点，（6分）4、L： (结晶结束)（B消失）（4分）S： （产物A+F+H） （2分）5、E2温度，M2点所在温度；过M2点做副三角形CGH的 两条边GH、GC的平行线M2X、M2Y，C%=YH/HC100%， H%=CX/HC100%，G%=XY/HC100%。（4分）试题五一、填空题（110=10分） 1、密排六方结构（等径球堆积）单位晶胞中分子数是（6），配位数是（12）。 2、Fick扩散第二定律的一维表达式为（）。 3、当晶核剂和晶核具有（）时，对核化最有利。结构相同或相似，或具有相似的原子排列，或接触角为0，或接触角较小。 4、广义材料腐蚀是指材料由于（环境的作用）而引起的破坏和变质过程。 5、烧结中后期所伴随的（晶粒长大和再结晶）等，决定了材料显微结构的形成，也决定了材料最终的性质或性能。 6、固态物质的反应活性通常（较低，速度较慢；），当反应物之一存在多晶转变时则转变温度通常也是（反应开始明显进行的温度或较高）。 7、从熔融态向玻璃态转化的过程是可逆的和渐变的，是在（一定温度）范围内完成，无固定熔点。 8、刃位错的柏氏矢量与位错线呈（垂直）关系。 二、晶体结构-性质关系（20分） 1、根据下图的萤石结构图回答下列问题（14分）： 1）指出萤石结构中正负离子的堆积方式（两种方式）； 2）写出结构中正负离子的配位数及其配位多面体； 3）Ca2+离子的配位多面体之间是如何连接的？ 4）在结构图中用和标示相互平行的同号离子层，分析萤石晶体的解理性。 2、根据Si/O比例不同划分硅酸盐晶体结构类型。（6分）二、晶体结构分析（20分）1、 1）Ca2+面心立方堆积，简单立方堆积；（4分）2） 钙的配位数为8，CaF8立方体；F的配位数为4，FCa4四面体；（4分）3） CaF8立方体之间共棱（共用2个顶点）连接；（2分）4） 见图（1分），平行（111）面存在同号离子层，外力作用下沿平行（111）面方向有解理现象（3分）。2、Si/O=1/2，架状结构；Si/O=4/10，层状结构；Si/O=4/11，双链结构；Si/O=2/6，单链结构；Si/O=2/7，组群状（双四面体）结构；Si/O=2/7，组群状（双四面体）结构；Si/O=1/3，组群状（环状）结构；Si/O=1/4，岛状结构；（6分）三、晶体结构缺陷（10分） 1、晶体A属于体心立方空间点阵，若原子B溶入A晶格的顶点位置形成置换型固溶体（全部取代），那么其成分可能是AB还是AB3？为什么？(4分) 2、Al2O3掺入到MgO中，请写出二个合理的方程，并写出对应的固溶体化学式(6分)。1、都不对(2分)。若B进入顶点位置，则形成固溶体化学式为，简化后得， x取1到8的整数，全部取代顶点位置的质点，得AB(4分)2、间隙型固溶体： (2分)Al2xMg12xO1x或 Al2xMg22xO2x (1分)3、置换型固溶体： (2分) Al2xMg13xO或Al2xMg33xO3 (1分)四、从熔体结构角度，估计长石、辉石(MgOSiO2)、镁橄榄石三种矿物的高温熔体表面张力 大小顺序，并分析它们形成玻璃的能力。（10分）长石辉石(MgOSiO2) CaF2(2分)。与Ca2和F相比，Pb2与I具有较大的极化性能，因此表面双电层的厚度较厚(2分)。六、已知铜的熔点Tm1083，熔化热H1628J/cm3，固液界面能1.77105J/cm2，铜为面心立方晶体，点阵常数a0.3615nm。（10分） 1、当液态金属铜过冷至853进行均态形核时，求临界晶核半径和每个临界晶核的原子数（设晶核为球形）。 2、若为非均态形核，求临界球冠的原子数。（设形成球冠的高度为h0.2R，球冠体积，R为球冠半径）1、Tm10831356K 1分 T1356（853273）230K 1分 2分 （个） 2分2、R*r*1.28107cm 1分 h0.2R*=0.21.28107=0.256107cm 1分 （个） 1分七、经过计算可知1000下氢在面心立方铁中的扩散系数为1.08104cm2/s，同等条件下镍在面心立方铁中的扩散系数为4.271011cm2/s，请对这种差别进行解释。（5分）固溶体类型不同，扩散机制不同，导致扩散系数差别很大。1分氢在面心立方铁中形成间隙固溶体，按间隙扩散机制进行扩散，其扩散活化能比较小，故扩散系数大； 2分 而镍在面心立方铁中形成置换固溶体，按空位扩散机制进行扩散，其扩散活化能比较大，故扩散系数小。2分 或答原子半径小，在相同的扩散基质中进行扩散，阻力小，活化能低，扩散系数大。（5分）八、实验室要合成镁铝尖晶石，可供选择的原料为MgCO3、MgO、Al2O3、Al2O3。从提高反应速率的角度出发，选择什么原料较好？请说明原因。（5分）选择MgCO3、Al2O3较好。 3分 MgCO3在加热到350400分解为MgO和CO2，具有比较高的反应活性； 1分 ；Al2O3在加热到950时转变为Al2O3，由于发生晶格重排，会使晶格活化，具有比较高的反应活性。 1分九、如图A-B-C三元系统相图，根据相图回答下列问题（20分）： 1、在图上划分副三角形、用箭头表示各条界线上温度下降方向及界线的性质； 2、判断化合物D的性质； 3、写出各三元无变量点的性质及其对应的平衡关系式； 4、写出组成点M1在完全平衡条件下的冷却结晶过程，结晶结束时各物质的百分含量（用线段比表示）； 5、写出组成点M2在完全平衡条件下的冷却结晶过程，在M2熔体的液相组成点刚刚到达J1时，求其相组成（用线段比表示）。在J1的反应哪个晶相先消失，为什么？ 1 见图。三个副三角形，各0.5分，计1.5分；温降箭头和性质各0.5分，计3分。合计4.5分；2 不一致熔融二元、低温稳定高温分解的化合物，各0.5分，合计1.5分；3 E：三元低共熔点 J1：过渡点 J2：单转熔点 各1分，合计3分； 4（液相消失，结晶结束，产物C+B+D），3分。B%=xy/CD, C%=yD/CD, B%=Cx/CD，1.5分。合计4.5分5（液相消失，结晶结束，产物C+B+D），3分。L%=fM2/f J1, A%= J1M2/f J1*Bf/AB, B%= J1M2/f J1*Af/AB，1.5分。A先消失，因为此时系统中A与B的比小于化合物D中A与B的比，2分。合计6.5分。