无机材料科学基础试卷

一、名词解释（20分）：

1. 不一致熔融化合物，连线规则

答： 不一致熔化合物是一种不稳定的化合物，加热到一定温度会发生分解，分解产物是一种液相和一种固相，液相和固相的组成与化合物组成都不相同。（2.5分）

连线规则：将一界线（或其延长线）与相应的连线（或其延长线）相交，其交点是该界线上的温度最高点。（2.5分） 2. 非本征扩散，稳定扩散 非本征扩散：受固溶引入的杂质离子的电价和浓度等外界因素所控制的扩散。或由不等价杂质离子取代造成晶格空位，由此而引起的质点迁移。（2.5）

稳定扩散：若扩散物质在扩散层dx内各处的浓度不随时间而变化，即dc/dt=0。这种扩散称稳定扩散。（2.5分） 3. 非均匀成核, 一级相变

非均匀成核：是指借助于表面、界面、微粒裂纹器壁以及各种催化位置等而形成晶核的过程 一级相变：体系由一相变为另一相时，如两相的化学势相等但化学势的一级偏微商(一级导数)不相等的称为一级相变。（2.5） 4. 晶粒生长，二次再结晶

晶粒生长：平衡晶粒尺寸在不改变其分布的情况下，连续增大的过程。（2.5分） 二次再结晶：是少数巨大晶粒在细晶消耗时成核长大的过程。（2.5分） 5. 一致熔融化合物，三角形规则

答：一致熔融化合物是一种稳定的化合物，与正常的纯物质一样具有固定的熔点，熔化时，产生的液相与化合物组成相同。（2.5分） 三角形规则：原始熔体组成点所在副三角形的三个顶点表示的物质即为其结晶产物；与这三个物质相应的初初晶区所包围的三元无变量点是其结晶结束点。（2.5分） 6. 晶粒生长，二次再结晶

晶粒生长：平衡晶粒尺寸在不改变其分布的情况下，连续增大的过程。（2.5分） 二次再结晶：是少数巨大晶粒在细晶消耗时成核长大的过程。（2.5分） 7.液相独立析晶，切线规则

答：液相独立析晶：是在转熔过程中发生的，由于冷却速度较快，被回收的晶相有可能会被新析出的固相包裹起来，使转熔过程不能继续进行，从而使液相进行另一个单独的析晶过程，就是液相独立析晶。（2.5）

切线规则：将界线上某一点所作的切线与相应的连线相交，如交点在连线上，则表示界线上该处具有共熔性质；如交点在连线的延长线上，则表示界线上该处具有转熔性质，远离交点的晶相被回吸。

8.本征扩散，不稳定扩散，

．答：本征扩散：空位来源于晶体结构中本征热缺陷，由此而引起的质点迁移。（2.5） 不稳定扩散：扩散物质在扩散层dx内的浓度随时间而变化，即dc/dt≠0。这种扩散称为不稳定扩散。（2.5分） 9.均匀成核，二级相变,

答：均匀成核是晶核从均匀的单相熔体中产生的过程。（2.5分）

相变时两相化学势相等，其一级偏微商也相等，但二级偏微商不等的相变。（2.5分） 10.烧结，泰曼温度

答：烧结：由于固态中分子（或原子）的相互吸引，通过加热，使粉末体产生颗粒粘结，经过物质迁移使粉末体产生强度并导致致密化和再结晶的过程。（2.5） 泰曼温度：反应物开始呈现显著扩散作用的温度。（2.5）

二、选择题（12分）：

1. 据范特荷夫规则,纯固相反应，反应过程是（A） A.放热过程 B.等温过程 C.吸热过程

2. 在反应温度下，当固相反应的某一相发生晶型转变时，反应速度是（B） A. 无影响 B. 加快 C. 减慢

3. 表面扩散系数Ds，界面扩散系数Dg，晶格扩散系Db的关系是（Ａ） A.Ds﹥Dg﹥Db B. Ds﹥Db﹥Dg C.Db﹥Ds﹥Dg D. Db﹥Dg﹥Ds

4. 同一种物质在晶体中的扩散系数（Ｃ）在玻璃中的扩散系数 A．大于 B．等于 C．小于 D．不确定

5. A，B进行反应生成AmBn,为扩散控制的固相反应，若DB》DA，则在AmBn-A界面上，反应物B的浓度CB为（Ｂ）

A.1 B.0 C.不确定

6. 烧结中晶界移动的推动力是（Ｂ）

A.表面能 B.晶界两侧自由焓差 C.空位浓度差 7. 陶瓷经烧结后在宏观上的变化表述不正确的是（Ｄ）

A.强度增加 B.体积收缩 C.气孔率降低 D.致密度减少 8. 金斯特林格方程采用的反应截面模型为（B） A.平板 B.球体 C.球壳 D.圆柱

9. 下列过程中，哪一个能使烧结体的强度增加而不引起坯体收缩？（Ａ） A.蒸发-凝聚 B.体积扩散 C.流动传质 D.溶解-沉淀 10. 下列属于逆扩散过程的是（Ｂ）

A. 二次再结晶 B.杂质的富集于晶界 C.布朗运动

11. 在制造透明Al2O3陶瓷材料时，原料粉末的粒度为2μm，在烧结温度下保温30分钟，测得晶粒尺寸为10μm。若在同一烧结温度下保温4小时，晶粒尺寸为（Ｄ）, 为抑制晶粒生长加入0.1％MgO，此时若保温4小时，晶粒尺寸为（Ｂ）。 A. 16μm B. 20μm C. 24μm D. 28μm

7. 同一种物质在晶体中的扩散系数（Ｃ）在玻璃中的扩散系数 A．大于 B．等于 C．小于 D．不确定 10.纯固相反应，反应过程是（Ａ）

A.放热过程 B.等温过程 C.吸热过程

1、杨德尔方程采用的反应截面模型为 （A ） 。 A. 平板 B. 球体 C. 球壳 D. 圆柱 3、一般情况下，离子晶体较大离子的扩散多半是通过（A）

A.空位机构 B.直接易位 C.间隙扩散 D.亚间隙机构

4、在反应温度下，当固相反应的某一相发生晶型转变时，反应速度是（A） A.加快 B.减慢 C.无影响

5、表面扩散活化能Qs，界面扩散活化能Qg，晶格扩散活化能Qb的关系是（B） A.Qs﹥Qg﹥Qb B. Qb﹥Qg﹥Qs C.Qb﹥Qs﹥Qg D. Qs﹥Qb﹥Qg 4.下列属于逆扩散过程的是（B）

A.二次再结晶 B.晶界的内吸附 C.布朗运动 7.以下属于马氏体相变特征的是（A）

A.无扩散性 B.不存在习性平面 C.相变速度低 D.有特定的转变温度

三、填空题（18分）

1. 烧结的主要传质方式有蒸发-凝聚传质、扩散传质、流动传质和溶解-沉淀传质四种，产生这四种传质的原因依次为（压力差）、（空位浓度差）、（应力—应变）和（溶解度）。 2. 均匀成核的成核速率Iv由 （受核化位垒影响的成核率因子） 和 （受原子扩散影响的成核率因子） 因子所决定的。

3. 菲克第一定律的应用条件是（稳定扩散），菲克第二定律的应用条件是（不稳定扩散）。 4. 液-固相变过程的推动力为（过冷度） 、 （过饱和浓度） 和 （过饱和蒸汽压）。 5. 固体内粒子的主要迁移方式有（空位机构） 、 （间隙机构）。

6. 如晶体纯度降低，扩散系数与温度关系曲线中本征与非本征扩散的转折点（向左）。 7. 合成镁铝尖晶石，可选择的原料为MgCO3 , MgO, γ-Al2O3, α-Al2O3, 从提高反应速率的角度出发选择（MgCO3），（α-Al2O3）原料较好。

8. 在均匀成核时，临界成核位垒ΔGk=（1/3Akγ）,其值相当于（新相界面能的1/3） 具有临界半径rk的粒子数nk/N= （exp（-ΔGk/RT））。

9. 液-固相变时，非均匀成核位垒与接触角θ有关，当θ为（180o）时，非均匀成核位垒与均匀成核位垒相等。

10. 成核生长机理的相变过程需要有一定的过冷或过热，相变才能发生，在（相变过程放热）情况下需要过冷。

11. 在制硅砖时，加入氧化铁和氧化钙的原因（作为矿化剂，产生不同晶型石英溶解度不同的液相），能否加入氧化铝（不能）。

12. 在液相线以下的分相区的亚稳区内，其分解机理为（成核-生长机理），新相成（孤立的球形颗粒）状，不稳定区的分解机理为（旋节分解区（Spinodale）），新相成（高度连续性的非球形颗粒）状。

6. 如杂质的量增加，扩散系数与温度关系曲线中本征与非本征扩散的转折点（向左）。 9. 液-固相变时，非均匀成核位垒与接触角θ有关，当θ为（０°）时，非均匀成核位垒为零。 1、根据扩散的热力学理论，扩散的推动力是 （ 化学位梯度） ，而发生逆扩散的条件是 （热力学因子＜0，正扩散＞0 ） 。

2、熔体是物质在液相温度以上存在的一种高能量状态，在冷却的过程中可以出现 （ 结晶化） 、（玻璃化 ） 和 （分相化 ） 三种不同的相变过程。

3、马氏体相变具有以下的一些特征： （ 存在习性平面） 、 （相变速率高 ） 、 （ 无特定相变温度） 和（ ） 等。

4、从熔体中析晶的过程分二步完成，首先是 （ 成核） ，然后就是 （晶体生长 ） 过程。均匀成核的成核速率Iv由 （P ） 和 （D ） 因子所决定的。

本征扩散是由（热缺陷 ）而引起的质点迁移，本征扩散的活化能由（ 形成能）和（空位迁移能 ）两部分组成。

熔体的析晶过程分二步完成，先是（ ），然后是（ ）过程。均匀成核的成核速率Iυ由（ ）因子（ ）和 （ ）因子所决定的。

7、菲克第一定律J=-Ddc/dx的应用条件是（稳定扩散），菲克第二定律dc/dt=Ddc/dx的应用条件是（ 非稳定扩散 ）

8、相变过程的推动力为（过冷度） 、（过饱和度） 和 （过饱和蒸汽压）

9、在三元系统中，无变量点有三种，分别是（低共熔） 、 （单转熔） 和 （双转熔） 11、扩散系数D=D0exp(-Q/RT)中，空位扩散活化能Q由 （ 形成能）（空位迁移能 ）组成， 间隙扩散活化能Q由（ 间隙原子迁移能）组成。

12、实验测得NaCl的扩散系数与温度关系如右图所示 如提高NaCl晶体纯度，两直线的转折点 变化规律为 （向下移动 ） 。

高温区是（本征）扩散， 低温区是 （非本征） 扩散。

14、析晶相变过程的推动力是（过冷度），过饱和浓度），（过饱和蒸汽压）；在均匀成核时，临界成核位垒ΔGk= （1/3Akγ）,其值相当于（新相界面能的1/3 ） ， 具有临界半径rk的粒子数nk/N= （ exp（-ΔGk/RT） ） 。 15、液-固相变时，非均匀成核位垒与接触角θ有关，当θ为（ 90°）时，核化位垒下降一半

16、成核生长机理的相变过程需要有一定的过冷或过热，相变才能发生，在（ △H＜0 ）情况下需要过冷，（ △H＞0 ）情况下需要过热。

18、某硅酸盐熔体，无析晶区，要使其析晶应采取（加入成核剂，作为成核基体，移动成核速率曲线）办法；自发析晶能力大的熔体，采取（急冷）的措施使熔体来不及析晶而玻璃化。

19、在液相线以下的分相区的亚稳区内，其分解机理为（成核生长机理），新相成（孤立球形状）状，不稳定区的分解机理为（调幅分解机理），新相成（连续蠕虫）状。 四、简答题（32分）

1、影响固相反应的因素有那些？（6分）

答：影响固相反应的因素有反应物化学组成与结构的影响；颗粒度和分布影响；反应温度、压力、气氛影响；矿化剂的影响。（6分）

2、从热力学、动力学特性、形貌等对比不稳分解和均匀成核成长这两种相变过程。如何用实验方法区分这两种过程？（9分）

答：不稳分解：在此区域内，液相会自发分相，不需要克服热力学势垒，无成核-长大过程，分相所需时间极短，第二相组成随时间连续变化，在不稳分解分相区内，随着温度的降低、时间的延长，析出的第二相在母液中相互贯通，形成蠕虫状结构。（4分）

成核-生成：在此区域内，在热力学上，系统对微小的组成起伏是亚稳的，形成新相需要做功，即存在成核势垒，新相形成如同结晶过程的成核-长大机理，分相所需时间长，分出的第二相组成不随时间变化。随着温度的降低、时间的延长，析出的第二相在母液中逐渐长大，形成孤立球状结构。（4分）

用TEM观察分相以后形貌，若两相无明显的连续性，第二相呈孤立球状，则为成核-生长分相；若两相形成互相交织的\蠕虫状\，则为不稳分解相变过程。（1分）

3．晶界移动遇到气孔时会出现几种情况，从实现致密化目的考虑，晶界应如何移动？怎样控制？（10分）

答：烧结初期，晶界上气孔数目很多，此时气孔阻止晶界移动，Vb=0。（2分）烧结中、后期，温度控制适当，气孔逐渐减少。可以出现Vb=Vp，此时晶界带动气孔以正常速度移动，使气孔保持在晶界上，气孔可以利用晶界作为空位传递的快速通道而迅速汇集或消失。（2分）继续升温导致Vb》Vp，晶界越过气孔而向曲率中心移动，气孔包入晶体内部，只能通过体积扩散排除，这是十分困难的。（2分）

从实现致密化目的考虑，晶界应带动气孔以正常速度移动，使气孔保持在晶界上，气孔可以利用晶界作为空位传递的快速通道而迅速汇集或消失。（2分） 控制方法：控制温度，加入外加剂等。（2分）

4.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。（7分） 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。（4分）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。（4分） 5. 相变过程的推动力是什么？（8分）

答：总的推动力：相变过程前后自由能的差值 ①、相变过程的温度条件

在等温等压下，ΔG=ΔH-TΔS

在平衡条件下，ΔG＝0，则ΔS=ΔH/T0

式中：T0——相变的平衡温度；ΔH——相变热。

在任意一温度了的不平衡条件下，则有ΔG=ΔH-TΔS≠0 若ΔH与ΔS不随温度而变化，

ΔG=ΔH-TΔH/T0=ΔH（T0-T）/T0=ΔHΔT/T0

相变过程放热ΔHO，TO，要使ΔG<0，须有ΔTT0,过热。

因此相平衡理论温度与系统实际温度之差即为该相变过程的推动力。 (2分) ②．相变过程的压力和浓度条件

(1)气相，恒温下ΔG=RTlnP0/P 欲使ΔG <0，须P>P0 即汽相过饱和。(2分)

(2)溶液 ΔG=RTlnC0/C 欲使ΔG <0，须C>C0 即液相过饱和。 (2分) 综上所述，相变过程的推动力应为过冷度、过饱和浓度、过饱和蒸汽压。即相变时系统温度、浓度和压力与相平衡时温度、浓度和压力之差值。(2分)

6．烧结的主要传质方式有那些?分析产生的原因是什么? （8分）

答：烧结初期，晶界上气孔数目很多，此时气孔阻止晶界移动，Vb=0。（1分）烧结中、后期，温度控制适当，气孔逐渐减少。可以出现Vb=Vp，此时晶界带动气孔以正常速度移动，使气孔保持在晶界上，气孔可以利用晶界作为空位传递的快速通道而迅速汇集或消失。（2分）继续升温导致Vb》Vp，晶界越过气孔而向曲率中心移动，气孔包入晶体内部，只能通过体积扩散排除，这是十分困难的。（2分）

从实现致密化目的考虑，晶界应带动气孔以正常速度移动，使气孔保持在晶界上，气孔可以利用晶界作为空位传递的快速通道而迅速汇集或消失。（1分） 控制方法：控制温度，加入外加剂等。（2分） 7．说明影响扩散的因素？（6分）

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。（1分）

缺陷：缺陷部位会成为质点扩散的快速通道，有利扩散。（1分）

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。（1分）

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。（1分）

扩散物质的性质：扩散质点和介质的性质差异大利于扩散。（1分） 扩散介质的结构：结构紧密不利扩散。（1分）

8、MoO3和CaCO3反应时，反应机理受到CaCO3颗粒大小的影响，当MoO3：CaCO3 =1：1，r MoO3 =0.036㎜, r CaCO3 =0.13㎜时, 反应是扩散控制的。当MoO3：CaCO3 =1：15，r CaCO3﹤0.03㎜时，反应由升华控制，试解释这种现象。（8分）

答：当MoO3的粒径r1为0.036mm，CaCO3的粒径r2为0.13mm时, CaCO3颗粒较大且大于MoO3，生成的产物层较厚，扩散阻力较大，所以反应由扩散控制，反应速率随着CaCO3颗粒度减小而加速，（4分）当r2

9、试用图例说明过冷度对核化、晶化速率和晶粒尺寸等的影响，如无析晶区又要使其析晶应采取什么措施？（8分）

答：过冷度过大或过小对成核与生长速率均不利，

只有在一定过冷度下才能有最大成核和生长速率。（2分） 若ΔT大，控制在成核率较大处析晶，易得晶粒 多而尺寸小的细晶；（1分）

若ΔT小，控制在生长速率较大处析晶则容易获 得晶粒少而尺寸大的粗晶；（1分）

如果成核与生长两曲线完全分开而不重叠，则无析 晶区，该熔体易形成玻璃而不易析晶；若要使其在一定 过冷度下析晶，一般采用移动成核曲线的位置，使它向

生长曲线靠拢。可以用加人适当的核化剂，使成核位垒降低，用非均匀成核代替均匀成核。使两曲线重叠而容易析晶。（2分） 要使自发析晶能力大的熔体形成玻璃，采取增加冷却速度以迅速越过析晶区的方法，使熔体来不及析晶而玻璃化。（2分）

10、简述晶粒生长与二次再结晶的特点，以及造成二次再结晶的原因和控制二次再结晶的方法。（10分）

答：晶粒生长：坯体内晶粒尺寸均匀地生长，服从Dl∝d／f公式；平均尺寸增长，不存在晶核，界面处于平衡状态，界面上无应力；晶粒生长时气孔都维持在晶界上或晶界交汇处。（3分）

二次再结晶是个别晶粒异常生长，不服从上式；二次再结晶的大晶粒的面上有应力存在，晶界数大于10的大晶粒，成为二次再结晶的晶核；二次再结晶时气孔被包裹到晶粒内部。 （3分）

从工艺控制考虑，造成二次再结晶的原因主要是原始粒度不均匀、烧结温度偏高。（2分） 防止二次再结晶的最好方法是引入适当的添加剂，它能抑制晶界迁移，有效地加速气孔的排除；控制烧结温度 ；选择原始粒度的均匀原材料。（2分）

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