1、晶体结构名词解释多晶转变：当外界条件改变到一定程度时，各种变体之间发生结构转变，从一种变体转变成为另一种变体的现象。同质多晶：同一化学组成在不同外界条件下（温度、压力、pH 值等），结晶成为两种以上不同结构晶体的现象。位移性转变：不打开任何键，也不改变原子最邻近的配位数，仅仅使结构发生畸变，原子从原来位置发生少许位移，使次级配位有所改变的一种多晶转变形式。重建性转变：破坏原有原子间化学键，改变原子最邻近配位数，使晶体结构完全改变原样的一种多晶转变形式。1.2 晶格能与哪些因素有关？答：离子的电子结构；离子的晶体结构类型；正负离子平衡距离。林规则1.3 鲍林规则（1）配位数规则：晶体结构中，阳离
2、子周围形成一个阴离子配位多面体，阳离子的配位数取决于阳离子和阴离子半径之比。根据不同的配位数，从几何关系可以计算出阴阳离子半径比的上、下限范围。因而，可根据 r+/r-值求得阳离子的配位数。（2）静电价规则：在稳定的离子晶体结构中，所有相连接的阳离子到达一个阴离子的静电建强度，等于阴离子的电荷数。设 S 为中心阳离子到达每一配位阴离子的静电建强度，Z 为该阳离子的电荷数，n 为阳离子配位数，则可得 S=Z/n。又设 W 为阴离子电荷数，m 为阴离子配位数，则静电价规则规定 mS=W。静电键规则是离子晶体中较严格的规则，它使晶体保持总的电性平衡。本规则还可用于求得阴离子的配位数。（3）配位多面体
3、连接方式规则：在离子晶体中，阴离子配位多面体以共棱，特别是共面的方式存在时，结构的稳定性下降。对于电价高，配位数小的阳离子，此规则的效应更为显著。硅酸盐结构中，硅氧四面体的连接方式即为一例。例 1： 以 NaCl 晶胞为例，试说明面心立方紧密堆积中的八面体和四面体空隙的位置和数量。答：以 NaCl 晶胞中（001）面心的一个球（Cl-离子）为例，它的正下方有 1 个八面体空隙（体心位置），与其对称，正上方也有 1 个八面体空隙；前后左右各有 1 个八面体空隙（棱心位置）。所以共有 6 个八面体空隙与其直接相邻，由于每个八面体空隙由 6 个球构成，所以属于这个球的八面体空隙数为 61/6=1。在
4、这个晶胞中，这个球还与另外 2 个面心、1 个顶角上的球构成 4 个四面体空隙（即 1/8 小立方体的体心位置）；由于对称性，在上面的晶胞中，也有 4 个四面体空隙由这个参与构成。所以共有 8 个四面体空隙与其直接相邻，由于每个四面体空隙由 4 个球构成，所以属于这个球的四面体空隙数为 81/4=2。例 2 下列硅酸盐矿结构各属何种结构类型？（有 Al3+离子的要说明其在结构中所处的位臵）： 下列硅酸盐矿结构各属何种结构类型？（有 Al3+离子的要说明其在结构中所处的位置）： CaMgSi2O6 Ca2AlAlSiO7 MgSi4O10(OH)2 KAlSi3O8 答：CaMgSi2O6 单链
5、状。 Ca2AlAlSiO7 组群状，双四面体。Al3+离子一部分位于氧八面体空隙， 另一部分位于四面体空隙。 MgSi4O10(OH)2 层状。 KAlSi3O8 架状。Al3+离子位于氧四面体空隙。二 离子晶体结构2-1 名词解释(a)萤石型和反萤石型 (b)类质同晶和同质多晶 (c)二八面体型与三八面体型 (d)同晶取代与阳离子交换 (e)尖晶石与反尖晶石答：（a）萤石型： CaF2 型结构中，Ca2+ 按面心立方紧密排列， F-占据晶胞中全部四面体空隙。反萤石型：阳离子和阴离子的位置与 CaF2 型结构完全相反，即碱金属离子占据 F-的位置，O2-占据 Ca2+的位置。（b）类质同象：
6、物质结晶时，其晶体结构中部分原有的离子或原子位置被性质相似的其它离子或原子所占有，共同组成均匀的、呈单一相的晶体，不引起键性和晶体结构变化的现象。同质多晶：同一化学组成在不同热力学条件下形成结构不同的晶体的现象。（c）二八面体型：在层状硅酸盐矿物中，若有三分之二的八面体空隙被阳离子所填充称为二八面体型结构三八面体型：在层状硅酸盐矿物中，若全部的八面体空隙被阳离子所填充称为三八面体型结构。（d）同晶取代：杂质离子取代晶体结构中某一结点上的离子而不改变晶体结构类型的现象。阳离子交换：在粘土矿物中，当结构中的同晶取代主要发生在铝氧层时，一些电价低、半径大的阳离子（如 K+、Na+等）将进入晶体结构来
7、平衡多余的负电荷，它们与晶体的结合不很牢固，在一定条件下可以被其它阳离子交换。（e）正尖晶石：在 AB2O4 尖晶石型晶体结构中，若 A2+分布在四面体空隙、而 B3+分布于八面体空隙，称为正尖晶石；反尖晶石：若 A2+分布在八面体空隙、而 B3+一半分布于四面体空隙另一半分布于八面体空隙，通式为 B(AB)O4，称为反尖晶石。3-6 叙述硅酸盐晶体结构分类原则及各种类型的特点，并举一例说明之。硅酸盐结构的规律是： 构成硅酸盐的基本单元是硅氧四面体； 硅氧四面体结构 硅氧四面体只能通过共用顶角而相互连结； Si4+离子通过 O2-结合, Si-O-Si 的结合键在氧上的键角接近于 145； 稳
8、定的硅酸盐结构中, 硅氧四面体采取最高空间维数互相结合； 硅氧四面体采取比较紧密的结构连结； 同一结构中的硅氧四面体最多只相差 1 个氧原子结构类型 SiO4共用 O2-数形 状 络 阴 离 子 Si:O 实 例岛 状 0 四面体 SiO44- 1:4 镁橄榄石 Mg2SiO41 双四面体 Si2O76- 2:7 硅钙石 Ca3Si2O7三节环 Si3O96- 蓝锥矿 BaTiSi3O9四节环 Si4O128-组 群 状2六节环 Si6O1812-1:3绿宝石 Be3Al2Si6O18链 状2 单链 Si2O64- 1:3 透辉石 CaMgSi2O6解：硅酸盐矿物按照硅氧四面体的连接方式进行分
9、类，具体类型见表 3-1。(AlxSi4-x)O8x- 钠长石 NaAlSi3O8表 2-1 硅酸盐晶体的结构类型 (AlxSi4-x)O8x- 钠长石 NaAlSi3O8表 2-1 硅酸盐晶体的结构类型3.7 水的结合方式8-1 结构水 结 构 水 自由水牢固结构水 松结构水含义以 OH 基形式存在于黏土晶格结构内的水吸附在黏土矿物层间及表面的定向水分子层，它与黏土胶粒形成整体并一起移动黏土表面定向排列过度到非定向排列的水层，它处于胶粒的扩散层内黏土胶团外的非定向水分子层作用范围 在黏土结构的 310 水分子层 200特点 脱水后黏土结构破坏密度小，热容小 介电常数小，冰点低流动性 结构水/
10、自由水 比例小，流动性好可朔性 黏土胶粒水膜厚度在 100（约 30 水分子层）时朔性最好晶体结构缺陷习题与解答1.1 名词解释（a）弗伦克尔缺陷与肖特基缺陷；（b）刃型位错和螺型位错2，3 双链 Si4O116- 4:11 透闪石 Ca2Mg5Si4O112(OH)2层 状 3 平面层 Si4O104- 4:10 滑石 Mg3Si4O10(OH)2SiO2 石英 SiO2架 状 4 骨架 (AlxSi4-x)O8x-1:2 钠长石 NaAlSi3O8解：（a）当晶体热振动时，一些能量足够大的原子离开平衡位置而挤到晶格点的间隙中，形成间隙原子，而原来位置上形成空位，这种缺陷称为弗伦克尔缺陷。如
11、果正常格点上原子，热起伏后获得能量离开平衡位置，跃迁到晶体的表面，在原正常格点上留下空位，这种缺陷称为肖特基缺陷。 （b）滑移方向与位错线垂直的位错称为刃型位错。位错线与滑移方向相互平行的位错称为螺型位错。1.2 试述晶体结构中点缺陷的类型。以通用的表示法写出晶体中各种点缺陷的表示符号。试举例写出 CaCl2中Ca2+置换 KCl 中 K+或进入到 KCl 间隙中去的两种点缺陷反应表示式。解：晶体结构中的点缺陷类型共分：间隙原子、空位和杂质原子等三种。在 MX 晶体中，间隙原子的表示符号为 MI或 XI；空位缺陷的表示符号为：V M或 VX。如果进入 MX 晶体的杂质原子是 A，则其表示符号可
12、写成：A M或 AX（取代式）以及 Ai（间隙式）。当 CaCl2中 Ca2+置换 KCl 中 K+而出现点缺陷，其缺陷反应式如下：CaCl2 + +2ClCl KClakCaCl2中 Ca2+进入到 KCl 间隙中而形成点缺陷的反应式为：CaCl2 +2 +2ClCl likV1.3 在缺陷反应方程式中，所谓位置平衡、电中性、质量平衡是指什么？解：位置平衡是指在化合物 MaXb中，M 格点数与 X 格点数保持正确的比例关系，即 M：X=a：b。电中性是指在方程式两边应具有相同的有效电荷。质量平衡是指方程式两边应保持物质质量的守恒。1.4（a）在 MgO 晶体中，肖特基缺陷的生成能为 6ev，
13、计算在 25和 1600时热缺陷的浓度。 （b）如果 MgO晶体中，含有百万分之一 mol 的 Al2O3杂质，则在 1600时，MgO 晶体中是热缺陷占优势还是杂质缺陷占优势？说明原因。解：（a）根据热缺陷浓度公式：exp（ ）NnkT2G由题意 G=6ev=61.60210 -19=9.61210-19JK=1.3810-23 J/KT1=25+273=298K T2=1600+273=1873K 298K： exp =1.9210-51Nn98103.2691873K： exp =810-978.1239（b）在 MgO 中加入百万分之一的 Al2O3杂质，缺陷反应方程为： OMgMg3
14、VAl2l 此时产生的缺陷为 杂质 。MgV而由上式可知：Al 2O3= 杂质当加入 10-6 Al2O3时，杂质缺陷的浓度为 杂质 =Al2O3=10-6Mg由（a）计算结果可知：在 1873 K， 热 =810-9MgV显然： 杂质 热 ，所以在 1873 K 时杂质缺陷占优势。MgVg1.5 对某晶体的缺陷测定生成能为 84KJ/mol，计算该晶体在 1000K 和 1500K 时的缺陷浓度。解：根据热缺陷浓度公式：exp（ ）NnkT2G由题意 G=84KJ/mol=84000J/mol则 exp（ ）MnRT2G其中 R=8.314J/molK当 T1=1000K 时， exp（ ）
15、= exp =6.410-3 MnRT2G1034.82当 T2=1500K 时， exp（ ）= exp =3.4510-2 5.1.8 非化学计量化合物 FexO 中，Fe 3+/Fe2+=0.1，求 FexO 中的空位浓度及 x 值。解： 非化学计量化合物 FexO，可认为是 (mol)的 Fe2O3溶入 FeO 中，缺陷反应式为：Fe2O3 2Fe + V +3OO FeFe 2 此非化学计量化合物的组成为：Fe Fe O32)1(已知：Fe 3+/Fe2+0.1则： 1.021 0.044 x2+(13)10.956又：V 3+ 0.044Fe正常格点数 N1+ x1+0.9561.
16、956空位浓度为 23Fe105.96.104 V1.10 试比较刃型位错和螺型位错的异同点。解：刃型位错和螺型位错的异同点见表 1-1 所示。表 1-1 刃型位错和螺型位错的异同点 刃型位错 螺型位错与柏格斯矢量的位置关系b柏格斯矢量 与刃性位b错线垂直柏格斯矢量 与螺型位b错线平行位错分类 刃性位错有正负之分 螺形位错分为左旋和右旋位错是否引起晶体畸变和形成应力场引起晶体畸变和形成应力场，且离位错线越远，晶格畸变越小引起晶体畸变和形成应力场，且离位错线越远，晶格畸变越小位错类型 只有几个原子间距的线缺陷只有几个原子间距的线缺陷第二章 固溶体习题与解答2.1 试述影响置换型固溶体的固溶度的条
17、件。解：1 离子尺寸因素从晶体稳定性考虑，相互替代的离子尺寸愈相近，则固溶体愈稳定。若以 r1和 r2分别代表半径大和半径小的两种离子的半径。当它们半径差 30%时，不能形成固溶体。2、晶体的结构类型形成连续固溶体的两个组分必须具有完全相同的晶体结构。结构不同最多只能生成有限固溶体。3、离子的电价因素只有离子价相同或复合替代离子价总和相同时，才可能形成连续置换型固溶体。4、电负性因素电负性相近，有利于固溶体的生成。2.4 试写出少量 MgO 掺杂到 Al2O3中和少量 YF3掺杂到 CaF2中的缺陷方程。（a）判断方程的合理性。（b）写出每一方程对应的固溶式。解： 3MgO 2 + +3OO
18、3OAlAlMgi（1）2MgO 2 + +2OO （2） 3OAlAlMgVYF3 Y +F +2FF （3） 2CaFai2YF3 2Y + +6FF 2CaFaCV（4） （a）书写缺陷方程首先考虑电价平衡，如方程（1）和（4）。在不等价置换时，3Mg 2+ 2Al 3+ ；2Y 3+ 3Ca 2+。这样即可写出一组缺陷方程。其次考虑不等价离子等量置换，如方程（2）和（3）2Mg 2+ 2Al 3+ ；Y 3+ Ca 2+。这样又可写出一组缺陷方程。在这两组方程中，从结晶化学的晶体稳定性考虑，在离子晶体中除萤石型晶体结构可以产生间隙型固溶体以外，由于离子晶体中阴离子紧密堆积，间隙阴离子或
19、阳离子都会破坏晶体的稳定性。因而间隙型缺陷在离子晶体中（除萤石型）较少见。上述四个方程以（2）和（3）较合理。当然正确的判断必须用固溶体密度测定法来决定。 （b）(1) (2) (3) (4) x32AlMg3Ox2AlMg2x3Ox1CaY2Fx231CaYF2.7 对于 MgO、Al 2O3和 Cr2O3，其正、负离子半径比分别为 0.47、0.36 和 0.40。Al 2O3和 Cr2O3形成连续固溶体。(a) 这个结果可能吗？为什么？ (b) 试预计，在 MgOCr 2O3系统中的固溶度是有限还是很大？为什么？解：（a）Al 2O3与 Cr2O3有可能形成连续固溶体。因为： = =10
20、%15%1R40.6结构类型相同，均属刚玉型结构。（b）对于 MgOCr 2O3系统，由于结构类型相差较大，前者为 NaCl 型，后者为刚玉型。虽然 =12R=14.89%15%，也不可能形成完全互溶的固溶体，而只能是有限固溶。47.02.8 Al2O3在 MgO 中将形成有限固溶体，在低共熔温度 1995时，约有 18wt% Al2O3溶入 MgO 中，MgO 单位晶胞尺寸减小。试预计下列情况下密度的变化。(a) Al 3+为间隙离子， (b) Al 3+为置换离子。解：(a) Al 3+为间隙离子：缺陷反应为： OMgiMgO32 3VAl2l （1）固溶式分子式： （2）x21lx23g
21、（b）Al 3+为置换离子：缺陷反应为： + MgO3All OV（3）固溶式分子式： x21glx21g（4）取 100g 试样为基准：（为摩尔数）m 0.176 (m 为摩尔数)32OAl3l2M810mMgO 2.035g.4MgO 中固溶 18%wt 的 Al2O3后的分子式为：2.035 MgO0.176 Al2O3或 Mg2.035Al0.352O2.563 (5)（5）式各项除以 2.563 得 Mg0.794Al0.137O (6)由（6）式得 x=0.137 代入（2）（4）式，对（a）有 137.02Mg.Al137.02MgVO即 Mg0.794Al0.137 O6.g（
22、b）有 Mg0.794Al0.137 O09.设：固溶前后晶胞体积不变，则密度变化为： 968.03.456.2107.M563.2.17.0gOAlMgO （ ， 分别代表固溶前后密度）所以，固溶后的密度小于固溶前的密度。第三章 熔体和非晶态固体3.1 说明熔体中聚合物形成过程？ 答：聚合物的形成是以硅氧四面体为基础单位，组成大小不同的聚合体。可分为三个阶段 初期：石英的分化； 中期：缩聚并伴随变形； 后期：在一定时间和一定温度下，聚合和解聚达到平衡。 3.3 名词解释（并比较其异同） 答：晶子学说：玻璃内部是由无数“晶子”组成，微晶子是带有晶格变形的有序区域。它们分散在无定形介中质，晶子向
23、无定形部分过渡是逐渐完成时，二者没有明显界限。 无规则网络学说：凡是成为玻璃态的物质和相应的晶体结构一样，也是由一个三度空间网络所构成。这种网络是由离子多面体（三角体或四面体）构筑起来的。晶体结构网是由多面体无数次有规律重复构成，而玻璃中结构多面体的重复没有规律性。 3.4 玻璃形成的条件形成热力学条件：玻璃与晶体的内能差值不大，内能差别愈小，玻璃愈难结晶，即愈容易生成玻璃。玻璃形成的动力学条件：避免析晶，过冷度大，冷却速度快，防止成核并变大。结晶化学条件：（1）键强；（2）键型：形成玻璃必须具有极性共价键或金属共价键。3.5 试用实验方法鉴别晶体 SiO2、SiO 2玻璃、硅胶和 SiO2熔
24、体。它们的结构有什么不同？ 答：利用 X射线检测。 晶体 SiO2质点在三维空间做有规律的排列，各向异性。SiO 2熔体内部结构为架状，近程有序，远程无序。 SiO 2玻璃各向同性。 硅胶疏松多孔。 3.5 玻璃的组成是 13wt%Na2O、13wt%CaO、74wt%SiO 2，计算桥氧分数？ 解： Na2O CaO SiO2 wt% 13 13 74 mol 0.21 0.23 1.23 mol% 12.6 13.8 73.6 R=(12.6+13.8+73.6 2)/ 73.6=2.39 Z=4 X=2RZ=2.3924=0.72 Y=ZX= 40.72=3.28 氧桥%=3.28/（3
25、.280.5+0.72） =69.5%3.7 在 SiO2中应加入多少 Na2O，使玻璃的 O/Si=2.5，此时析晶能力是增强还是削弱？ 解：设加入 x mol 的 Na2O，而 SiO2的量为 y mol。 则 O/Si=（x+2y）/ y =2.5 x=y/2 即二者的物质量比为 1:2 时，O/Si=2.5。 因为 O/Si 增加了，粘度下降，析晶能力增强了。 3.9 试比较硅酸盐玻璃与硼酸盐玻璃在结构与性能上的差异。 答：结构差异：硅酸盐玻璃：石英玻璃是硅酸盐玻璃的基础。石英玻璃是硅氧四面体SiO 4以顶角相连而组成的三维架状结构。由于 SiOSi 键角变动范围大，使石英玻璃中SiO
26、 4四面体排列成无规则网络结构。SiO2是硅酸盐玻璃中的主要氧化物。 硼酸盐玻璃：B 和 O 交替排列的平面六角环的 BO 集团是硼酸盐玻璃的重要基元，这些环通过 BOB链连成三维网络。B 2O3是网络形成剂。这种连环结构与石英玻璃硅氧四面体的不规则网络不同，任何 OB 三角体的周围空间并不完全被临接的三角体所填充，两个原子接近的可能性较小。 性能差异：硅酸盐玻璃：试剂和气体介质化学稳定性好、硬度高、生产方法简单等优点。 硼酸盐玻璃：硼酸盐玻璃有某些优异的特性。例如：硼酐是唯一能用以制造有吸收慢中子的氧化物玻璃；氧化硼玻璃的转化温度比硅酸盐玻璃低得多；硼对中子射线的灵敏度高，硼酸盐玻璃作为原子
27、反应堆的窗口对材料起屏蔽中子射线的作用。 3.10 解释硼酸盐玻璃的硼反常现象？ 答：硼反常现象：随着 Na2O（R 2O）含量的增加，桥氧数增大，热膨胀系数逐渐下降。当 Na2O 含量达到15%16%时，桥氧又开始减少，热膨胀系数重新上升，这种反常现象就是硼反常现象。 硼反常现象原因：当数量不多的碱金属氧化物同 B2O3一起熔融时，碱金属所提供的氧不像熔融 SiO2玻璃中作为非桥氧出现在结构中，而是使硼转变为由桥氧组成的硼氧四面体。致使 B2O3玻璃从原来二度空间层状结构部分转变为三度空间的架状结构，从而加强了网络结构，并使玻璃的各种物理性能变好。这与相同条件下的硅酸盐玻璃性能随碱金属或碱土
28、金属加入量的变化规律相反。3.10 陶瓷的典型组织结构包括三种相：晶体相(莫来石和石英)、玻璃相和气相3.11 氧化铝瓷件中需要被银，已知 1000时 (Al2O3(S)=1.010-3N/m,(Ag (L)=0.9210-3N/m, (Ag (L) /Al2O3（S）) =1.7710-3N/m,问液态银能否湿润氧化铝瓷件表面？用什么方法改善它们之间的湿润性？解：由于 SV=SL+LVCOS COS= -0.84 = 14790液态银不能湿润氧化铝瓷件表面，但可以通过降低 SL 使其小于 SV，从而达到湿润的目的。方法如下：加入一些金属降低 SL。5.2 影响湿润的因素有那些？ 答： 固体表
29、面粗糙度 当真实接触角 小于 90时，粗糙度越大，表面接触角越小，就越容易湿润；当 大于 90，则粗糙度越大，越不利于湿润。 吸附膜 吸附膜的存在使接触角增大，起着阻碍作用。第四章 相平衡1. 解释下列名词：解：一级相变：相变时两相化学势相等，但化学势的一级偏微商不相等。发生一级相变时有潜热和体积的变化； 二级相变：相变时两相化学势相等，其一阶偏微商也相等，但二阶偏微商不相等。发生二级相变时无潜热和体积变化，只有热容量、膨胀系数和压缩系数的变化。介稳平衡：即热力学非平衡态，能量处于较高状态，经常出现于硅酸盐系统中。低共熔点：是一种无变量点，系统冷却时几种晶相同时从熔液中析出，或加热时同时融化。
30、马鞍点：三元相图界线上温度最高点，同时又是二元系统温度的最低点。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。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。重心规则：如无变点处于其相应副三角形的重心位，则该无变点为低共熔点：如无变点处于其相应副三角形的 交叉位，则该无变点为单转熔点；如无变点处于其相应副三角形的共轭位，则该无变点为双转熔点。4. 具有不一致熔融二元化合物的二元相
31、图图 10-12（c）在低共熔点 E 发生如下析晶过程：L A+C，已知 E 点的 B 含量为 20%，化合物 C 的 B 含量为 64%。今有 C1，C 2两种配料，已知 C1中 B 含量是 C2中 B 含量的 1.5倍，且在高温熔融冷却析晶时，从该二配料中析出的初相（即达到低共熔温度前析出的第一种晶体）含量相等。请计算 C1，C 2的组成。7. 图10-24（e）是具有双降升点的生成一个不一致熔融三元化合物的三元相图。 请分析 1，2，3 点的析晶路程的各自特点，并在图中用阴影标出析晶时可能发生穿相区的组成范围。组成点 n 在 SC 连线上，请分析它的析晶路程。解：熔体 1 的析晶路程：
32、熔体 2 的析晶路程：解：设 C2中 B 含量为 x, 则 C1中 B 含量为 1.5x，由题意得：所以 C1 组成 B 含量为 26，C2 组成 B 含量为 17.3。 熔体 3 的析晶路程； 第五章 扩散7-14 试从结构和能量的观点解释为什么 D 表面 D 晶面 D 晶内 。解：固体表面质点在表面力作用下，导致表面质点的极化、变形、重排并引起原来的晶格畸变，表面结构不同于内部，并使表面处于较高的能量状态。晶体的内部质点排列有周期性，每个质点力场是对称的，质点在表面迁移所需活化能较晶体内部小，则相应的扩散系数大。同理，晶界上质点排列方式不同于内部，排列混乱，存在着空位、位错等缺陷，使之处于
33、应力畸变状态，具有较高能量，质点在晶界迁移所需的活化能较晶内小，扩散系数大。但晶界上质点与晶体内部相比，由于晶界上质点受两个晶粒作用达到平衡态，处于某种过渡的排列方式，其能量较晶体表面质点低，质点迁移阻力较大因而 D 晶界 D 表面 。第六章 固相反应6-3 比较杨德方程、金斯特林格方程优缺点及适应条件。解：两个方程都只适用稳定扩散的情况。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截面始终不变。因而只适用反应初期转化率较低的情况。而金斯格林方程考虑了在反应进程中反应截面面积随反应过程变化这一事实，因而金氏方程适用范围更广，可以适合反应初、中期。6-2 固相反应模型1 抛物线
34、型速度方程平板模型；2 杨德尔方程球体模型；3 金斯特林格方程球体模型6-7 试分析影响固相反应的主要因素。解：（1）反应物化学组成与结构的影响:反应物中质点作用力越大，反应能力越小；同一反应体系中，固相反应速度与各反应物间的比例有关；矿化剂的特殊作用。（2）颗粒度和分布影响：粒径越小，反应速度越快；同一反应体系中由于物料尺寸不同，反应速度会属于不同动力学范围控制；少量较大尺寸的颗粒存在会显著延缓反应过程的完成。 （3）反应温度的影响：温度越高，质点热运动增强，反应能力和扩散能力增强。（4）压力、气氛的影响：两固相间的反应，增大压力有助颗粒的接触面积，加速物质传递过程，使反应速度增加；对有液汽
35、相参加的固相反应，提高压力不表现积极作用，甚至适得其反。（5）矿化剂的影响：晶格能越大，结构越完整和稳定，反应活性越低。加入矿化剂可以提高固相反应。6-8 如果要合成镁铝尖晶石，可供选择的原料为 MgCO3、Mg(OH) 2、MgO、Al 2O33H2O、-Al 2O3、-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。解：应选用 MgCO3，Mg(OH) 2 和 Al2O33H2O 作原料较好。因为 MgCO3，Mg(OH) 2在反应中可以发生热分解，Al 2O33H2O 发生脱水反应和晶型转变，将获得具有较大比表面和晶格缺陷的初生态或无定形物质从而提高了反应活性，加剧了
36、固相反应的进行。 第七章 相变7-2 什么叫相变？按照相变机理来划分，可分为哪些相变?解：相变是物质系统不同相之间的相互转变。按相变机理来分，可以分为扩散型相变和非扩散型相变和半扩散型相变。依靠原子或离子长距离扩散进行的相变叫扩散型相变。非扩散型型相变指原子或离子发生移动，但相对位移不超过原子间距。7-3 分析发生固态相变时组分及过冷度变化相变驱动力的影响。解：相变驱动力是在相变温度下新旧相的体自由能之差（ ），而且 是新相形成的必要条件。当两个组元混合形成固溶体时，混合后的体系的自由能会发生变化。可以通过自由能-成分曲线来确定其相变驱动力的大小。过冷度是相变临界温度与实际转变温度之差，相变形
37、核的热力学条件是要有过冷度。已知驱动力 与过冷度 之间的关系是： ,这进一步说明了形核的热力学条件。7-4 马氏体相变具有什么特征？它和成核生成相变有何差别?解：马氏体相变是替换原子经无扩散切变位移(均匀或不均匀)并由此产生形状改变和表面浮凸、曾不变平面应变特征的一级形核、长大的相变。 特征：具有剪切均匀整齐性、不发生原子扩散、相变速度快、相变有一定范围、有很大的切变型弹性应变能。成核生长过程中存在扩散相变，母相与晶相组成可相同可不同，转变速度较慢，无明显的开始和终了温度。7-9 在纯液体平衡凝固温度 T0以下， 临界相变势垒随温度下降而减小，于是有一个使热起伏活化因子exp 为极大值的温度。
38、试证明当 T T0/3 时，exp 有极大植。（提示：利用表达式）解：由 将 代入则 令则即求 y 的极值，当 时 ，即此时 y 有极大值。故当 时，exp（ ）有极大值。7-13 铁的原子量为 55.84，密度为 7.3g/cm3，熔点为 1593，熔化热为 11495J/mol，固液界面能为2.04105 J/cm2，试求在过冷度为 10、100时的临界晶核大小，并估计这些晶核分别由多少个晶胞所组成（已知铁为体心立方晶格，晶格常数 a0.305nm）。解：由 ,晶核体积为 ，晶胞的体积为 ，则晶胞的个数为当过冷度为 10时，将已知条件代入，得： Jm则晶胞的个数为 个当过冷度为 100时，
39、将已知条件代入，得： Jm此时晶胞的个数为 个。7-14 熔体冷却结晶过程中，在 1000时，单位体积自由焓变化 GV418J/cm3；在 900时 是2090J/cm3。设固液界面能 5105 J/cm2，求：（1）在 900和 1000时的临界晶核半径；（2）在900和 1000时进行相变所需的能量。解：（1）由题意可知，（2） 900时， J温度为 1000时， J7-17 图 7-1 为晶核的半径 r 与 G 间的关系，现有不同温度的三条曲线，请指出哪条温度最高？哪条温度最低？并说明理由。图 7-1 Gr 关系曲线解： 晶核的半径相同时第八章 烧结过程 8-1 名词解释：烧结 烧结温度
40、 泰曼温度 液相烧结 固相烧结 初次再结晶 晶粒长大 二次再结晶 （1）烧结：粉末或压坯在低于主要组分熔点的温度下的热处理，目的在于通过颗粒间的冶金结合以提高其强度。（3）泰曼温度：固体晶格开始明显流动的温度，一般在固体熔点（绝对温度）的 2/3 处的温度。在煅烧时，固体粒子在塔曼温度之前主要是离子或分子沿晶体表面迁移，在晶格内部空间扩散（容积扩散）和再结晶。而在塔曼温度以上，主要为烧结，结晶黏结长大。（7）晶粒长大：是指多晶体材料在高温保温过程中系统平均晶粒尺寸逐步上升的现象.（8）二次再结晶：再结晶结束后正常长大被抑制而发生的少数晶粒异常长大的现象。8-2 烧结推动力是什么？它可凭哪些方式
41、推动物质的迁移，各适用于何种烧结机理?解：推动力有：（1）粉状物料的表面能与多晶烧结体的晶界能的差值，烧结推动力与相变和化学反应的能量相比很小，因而不能自发进行，必须加热! （2）颗粒堆积后，有很多细小气孔弯曲表面由于表面张力而产生压力差，（3）表面能与颗粒之间形成的毛细管力。传质方式：（1）扩散（表面扩散、界面扩散、体积扩散）；（2）蒸发与凝聚；（3）溶解与沉淀；（4）黏滞流动和塑性流动等，一般烧结过程中各不同阶段有不同的传质机理，即烧结过程中往往有几种传质机理在起作用。8-3 下列过程中，哪一个能使烧结体强度增大，而不产生坯体宏观上的收缩? 试说明理由。（1）蒸发冷凝；（2）体积扩散；（3
42、）粘性流动；（4）晶界扩散；（5）表面扩散；（6）溶解沉淀解：蒸发凝聚机理（凝聚速率颈部体积增加）烧结时颈部扩大，气孔形状改变，但双球之间中心距不变，因此坯体不发生收缩，密度不变。8-4 什么是烧结过程？烧结过程分为哪三个阶段？各有何特点？解：烧结过程：粉末或压坯在低于主要组分熔点的温度下的热处理，目的在于通过颗粒间的粘结结合以提高其强度。 烧结过程大致可以分为三个界线不十分明显的阶段。（1）液相流动与颗粒重排阶段：温度升高，出现足够量液相，固相颗粒在 DP 作用下重新排列，颗粒堆积更紧密； （2）固相溶解与再析出：接触点处高的局部应力 塑性变形和蠕变 颗粒进一步重排；（3）固相的的烧结：小颗
43、粒接触点处被溶解较大颗粒或自由表面沉积晶粒长大形状变化不断重排而致密化。8-5 烧结的模型有哪几种？各适用于哪些典型传质过程？解： 粉体压块：蒸发凝聚双球模型：有液相参与的粘性蠕变 扩散Kingery 和 LSW ：溶解-沉淀 8-12 在 1500，MgO 正常的晶粒长大期间，观察到晶体在 1h 内从直径从 1m 长大到 10m，在此条件下，要得到直径 20m 的晶粒，需烧结多长时间？如已知晶界扩散活化能为 60kcal/mol，试计算在 1600下4h 后晶粒的大小，为抑制晶粒长大，加入少量杂质，在 1600下保温 4h，晶粒大小又是多少?解：烧结数率常数和温度关系服从阿累尼乌斯方程：即
44、（1）其中： 为常数 ，Q 为晶界扩散活化能，在正常的晶粒长大期间，晶粒直径与时间关系为：（2） 其中 为 时晶粒的平均尺寸。在加入少量杂质时，晶粒直径与时间关系为：（3）在 1500时，MgO 正常生长时，由（2）有 99再由（1）有 5789.5则在 1500正常生长条件下，达到 所需时间为： 在 1600时 122.83由（2） 22.2 加入杂质后由（3）有 7.9 8-14 在制造透明 Al2O3材料时，原始粉料粒度为 2m，烧结至最高温度保温 0.5h，测得晶粒尺寸10m，试问若保温时间为 2h，晶粒尺寸多大？为抑制晶粒生长加入 0.1MgO，此时若保温时间为 2h，晶粒又有尺寸多
45、大？解：由 在此条件下保温 ,设直径为 则有：即求加入少量的 MgO 时：由 8-15 在 1500Al 2O3正常晶粒生长期间，观察到晶体在 1h 内从 0.5m 直径长大到 10m。如已知晶界扩散活化能为 335kJ/mol，试预测在 1700下保温时间为 4h 后，晶粒尺寸是多少？你估计加入 0.5MgO 杂质对 Al2O3晶粒生长速度会有什么影响？在与上面相同条件下烧结，会有什么结果，为什么？解：由 由 在 1700时， 由，有 加入 0.5MgO 时，会抑制 Al2O3晶粒生长，抑制现象会更加明显，原因是由于晶界移动时遇到的杂质（MgO）更多，限制了晶粒的生长。8-19 试分析二次再
46、结晶过程对材料性能有何种效应?解：二次再结晶发生后,由于个别晶粒异常长大,气孔进入晶粒内部,成为孤立闭气孔,不易排除,使烧结速率降低甚至停止,肧体不再致密；加之大晶粒的晶界上有应力存在,使其内部易出现隐裂纹,继续烧结时肧体易膨胀而开裂,使烧结体的机械,电学性能下降。 8-25 影响烧结的因素有哪些？最易控制的因素是哪几个？解：（1） 粉末的粒度。细颗粒增加了烧结推动力，缩短原子扩散距离，提高颗粒在液相中的溶解度，从而导致烧结过程的加速。 （2） 外加剂的作用。在固相烧结中，有少量外加剂可与主晶相形成固溶体，促进缺陷增加，在液相烧结中，外加剂改变液相的性质（如粘度，组成等），促进烧结。 （3） 烧结温度：晶体中晶格能越
