材料科学基础试题及答案.doc

1、 1 材 料科学基础 样题 及答案 试题一 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； 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； 3结构中各离子的配位数为多少，写出其配位多面体； 4计算说明 O2-的电价是否饱和； 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； 2高岭石属于哪种硅酸盐结构类型； 3分析层的构成和层的堆积方向； 4分析结构中的作用力； 5根据其结构特点推测高岭石具有什么性质。 2 三 . 简

2、答题： 1.晶体中的结构缺陷按几何尺寸可分为哪几类？ 2.什么是负扩散？ 3烧结初期的特征是什么？ 4.硅酸盐晶体的分类原则是什么？ 5.烧结推动力是什么？它可凭哪些方式推动物质的 迁移？ 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？ 四 . 出下列缺陷反应式： 1.NaCl 形成肖特基缺陷； 2.AgI 形成弗仑克尔缺陷（ Ag+进入间隙）； 3.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。 4.NaCl 溶入 CaCl2 中形成空位型固溶体 五 . 表面力的存在使固体表面处于高能量状态，然而，能量愈

3、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。 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。 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。 八 .试从结构和能量的观点解释为什么 D 晶界 D 晶内？ 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？ 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，

4、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。 3 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

5、列问题： 1.晶面 BCGF、 DEG 的晶面指数；晶向 DF、 HA 的晶向指数。 2.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？ 4.结构中是否存在 TiO32-离子，为什么？ (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； 2计算说明 O2-的电价是否饱和； 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 ? 4镁橄榄石是否容易形成玻璃，为什么？ 4 图 1 图 2 二、 （ 10 分）写出下列缺陷反应式： 1.NaCl 形成肖脱基缺陷。 2.A

6、gI 形成弗伦克尔缺陷（ Ag+进入间隙） 3.TiO2 掺入到 Nb2O3 中，请写出二个合理的方程，写出固溶体的化学式，并判断可能成立的方程是哪一种？ 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。 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。 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。 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。 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

7、相、一个液相和一个气相。 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？ 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？ 5 六、（ 6 分）为什么在成核一生成机理相变中，要有一点过冷或过热才能发生相变 ?什么情况下需过冷，什么情况下需

8、过热，各举一个例子。 七、（ 6 分）粒径为 1 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，分别用扬德方程、金斯特林格方程计算完全反应的时间，对计算结果进行比较并说明为什么 ？ 八、（ 6 分）陶瓷材料中晶粒的大小与什么有关？工艺上如何控制晶粒尺寸（请列出三种途径）？ 九、（ 26 分）图 3 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、用箭头表示各条界线上温度下降方向及界线的性质； 2判断化合物 D、 M 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

9、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）。 试题三 一、 根据 CaTiO3 晶胞图（见图 1）回答下列问题（ 18）： 1、晶面 BCGF、 HAC 的晶面指数；晶向 DF、 AH 的晶向指数。 2、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？ 6 4、计算说明 O2-的电价是否饱和； 5、结构中是否存在 TiO32-离子，为什么？ 图 1 二、 下列硅酸盐矿物各属何种结构类型

10、（ 6）： r-Ca2Si04， KAISi3O8， CaMgSi2O6， Mg3Si4O10(OH)2， Ca2AlAlSiO7， Ca2Mg5Si4O11（ OH） 2 三、 1、写出下列缺陷反应式（ 10）： (1) CaCl2 溶人 NaC1 中形成空位型固溶体，并写出固溶体的化学式； (2) NaCl 形成肖脱基缺陷。 2、为什么间隙型固溶体不能形成无限固溶体？ 四、 硅酸盐熔体的结构特征是什么？从 Na2OSiO 系统出发，随引入 B2O3 量的增加，系统的粘度如何变化，为什么？（ 10） 五、 固体是如何降低系统的表面能的，为什么相同组成 的固体的表面能总是高于液体的表面能？（

11、8） 六、 假定碳在 Fe(体心立方 )和 Fe（面心立方）中进行扩散，碳在 Fe 中的D0 和扩散活化能为 0.0079、 83600J/mol，碳在 Fe 中的 D0 和扩散活化能为 0.21 和141284J/mol，计算 800 时各自的扩散系数并解释其差别。（ 6） 七、 为什么在成核一生成机理相变中，要有一点过冷或过热才能发生相变 ? 什么情况下需过冷，什么情况下需过热，试证明之。（ 6） 八、 如果要合成镁铝尖晶石，可供选择的原料为 Mg(OH)2、 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。（ 6） 九、 下列过程中哪一个能

12、使烧结体强度增大，而不产生坯体宏观上的收缩 ? （ 6 分） (a)蒸发冷凝、 (b) 体积扩散、 (c)粘性流动、 (d)表面扩散、 (e)溶解沉淀 十、 图 2 是 A-B-C 三元系统相图，根据相图回答下列问题（ 24）： 7 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 S1、 S2、 S3 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写出组成为 H 的混合物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；写出组成 H 的混合物在完全平衡条件下进行冷却，结晶结束

13、时各物质的百分含量（用线段比表示）。 试题四 一、 填空题（ 210=20 分 ） 1、依据（ ）之间关系的不同，可以把所有晶体的空间点阵划归为七类，即（ ）晶系、单斜晶系、（ ）晶系、三方晶系、正方晶系、六方晶系和（ ）晶系。 2、扩散的基本推动力是（ ），一般情况下以（ ）等形式（列出一种即可）表现出来，扩散常伴随着物质的（ ）。 3、晶面族是指（ ）的一组晶面，同一晶面族中，不同晶面的指数的（ ）相同，只是（ ）不同。 4、向 MgO、沸石、 TiO2、萤石中，加入同样的外来杂质原子，可以预料形成间隙型固溶体的固溶度大小的顺序将是（ ）。 5、烧结过程可 以分为（ ）三个阶段，在烧结的中

14、后期，与烧结同时进行的过程是（ ）。 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（ ）。 7、驰豫表面是指（ ）， NaCl 单晶的表面是（ ）。 8、一般的固态反应包括（ ）两个过程，化学动力学范围是指（ ）。 8 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（ ）。 10、刃性位错的柏氏矢量与位错线呈（ ）关系，而螺位错两者呈（ ）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

15、,（ 10 分） 求 :(1) 扩散的活化能和 D0； (2) 750 时的扩散系数。 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 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

16、=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。 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？ 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

17、、-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） 七、 如图 A-B-C 三元系统相图，根据相图回答下列问题（ 25 分）： 9 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）。 图二 试题五 一、填空题（ 110=10 分

18、） 1、密排六方结构（等径球堆积）单位晶胞中分子数是（ ），配位数是（ ）。 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。 4、广义材料腐蚀是指材料由于（ ）而引起的破坏和变质过程。 5、烧结中后期所伴随的（ ）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（ ），当反应物之一存在多晶转变时则转变温度通常也是（ ）。 7、从熔融态向玻璃态转化的过程是可逆的和渐变的，是在（ ）范围内完成，无固定熔点。 8、刃位错的柏氏矢量与位错线呈（ ）关系。 二、晶体结构 -性质关系（ 20 分） 1、根据下图的萤

19、石结构图回答下列问题（ 14 分）： 10 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） 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

20、固溶体化学式 (6 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） 五、 1、氧化铝瓷件表面上涂 银后，烧到 1000 时，巳知 (Al2O3，固 ) 1J/m2； (Ag，液 ) 0.92J/m2； (Ag，液 / Al2O3，固 ) 1.77 J/m2，试问液态银能否润湿氧化铝瓷件表面？可以用什么方法改善它们之间的润湿性？请提出一种最有可能实现的措施。 (6 分 ) 2、根据威尔的表面双电层理论，某些化合物表面可能由负离子组成，正离子被负离子所屏蔽。已知 PbI2 的表面能为 1.31

21、0 5J/cm2， CaF2 的表面能为 2.510 4J/cm2，请判断 PbI2和 CaF2 的表面双电层厚度的大小，并解释产生的原因。 (4 分 ) 六、已知铜的熔点 Tm 1083 ，熔化热 H 1628J/cm3，固液界面能 1.7710 5J/cm2，铜为面心立方晶体，点阵常数 a 0.3615nm。（ 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 h 0.2R，球冠体积， R 为球冠半径） 七、经过计算可知 1000 下氢在面心立方铁中的扩散系数为 1.0810 4cm2/s，同等条件下镍在面心立方铁中的扩散系数为 4.2710 11cm2/s， ，请对这种差别进行解释。（ 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）