江西理工大学 第 1 页二 OO五年硕士研究生入学考试试题答案（B卷）
考试科目： 无机材料科学基础 报考专业： 材料学
一 名词解释（25分，每题5分）
1、固相反应：凡是有固相参与的化学反应都可称为固相反应
2、均匀成核 ：晶核从均匀的单相熔体中产生的几率处处相同的成核过程
非均匀成核：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
3、正尖晶石：二价阳离子分布在1/8四面体空隙中，三价阳离子分布在1/2八面体空隙的尖晶石，称为正型尖晶石；
反尖晶石：如果二价阳离子分布在八面体空隙中，而三价阳离子一半在四面体空隙中，另一半在八面体空隙的尖晶石，称为反型尖晶石
4、硼反常现象：当数量不多的碱金属氧化物同一起熔融时，碱金属所提供的氧不象熔融玻璃中作为非桥氧出现在结构中，而是使硼氧三角体转变为桥氧组成的硼氧四面体，致使玻璃从原来两度空间的层状结构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相比，其性能随碱金属或碱土金属加入量的变化规律相反，所以称之为硼反常现象；
5、胶体的ξ电位：因为吸附层与扩散层各带有相反的电荷，所以相对移动进两者之间就存在着电位差，这个电位差称为胶体的ξ电位
二
1、晶体结构的描述通常有几种方法？举例说明。（14分）
答 （1）用坐标法描述。如NaCl晶胞的4个Cl离子和4个Na离子坐标分别为：
Cl离子：（000）（1/2 1/2 0）（1/2 0 1/2）（0 1/2 1/2）
Na离子：（0 0 1/2）（1/2 0 0）（0 1/2 0）（1/2 1/2 1/2）
（2）用球体紧密堆积方法描述。如NaCl晶体Cl离子按立方紧密堆积和Na离子全部处于八面体空隙中
（3）以配位多面体及其连接方式描述。如NaCl晶体中，Na离子的配位数是6，构成Na—Cl八面体。
2、MgO具有NaCl型结构，其中O2-半径为0.140nm，Mg2+为0.072nm，计算球状粒子的堆积系数和MgO的密度（其中a=0.424nm,Mg的原子量为24.13,O原子量为16，阿佛加德罗常数为6.023×1023）(10分)
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二 OO五年硕士研究生入学考试试题答案（B卷）
解: NaCl型结构中z=4且有为立方紧密堆积则有其球状粒子的堆积系数。
η=(π+π)×4××100%
=68.5%
MgO的密度：
ρ===3.51×103kg/m3
2、在CaF2晶体中，弗伦克尔缺陷形成能为2.8ev，肖特基缺陷生成能为5.5ev，
①请写出肖特基缺陷和弗伦克尔缺陷的缺陷化学方程式。(5)
②、计算在25℃和1600℃时，CaF2晶体中这两种缺陷的浓度分为多少？(8)
（玻尔兹曼常数k=1.38×10－23j/k、1ev=1.6×10－-19J）
解: ①弗伦克尔缺陷: Caca2+ + 2FF-------- Caca2++V‘F+ Fi+FF
肖特基缺陷: Caca2+ +2 FF-------- Cas+2Fs+ Vca2++2VF
②25℃时
肖特基缺陷
=exp()=exp()=3.39×10－47
弗伦克尔缺陷
=exp()=exp()=2.2×10－24
1600℃时
肖特基缺陷
=exp()=exp()=4×10－8
弗伦克尔缺陷
=exp()=exp()=1.72×10－4
c、分析粘土荷电性的原因，并解释泥浆具有良好流动性和稳定性所需要的条件。（12分）
（1）荷电原因（6分）
c、负电荷：黏土（尤其是蒙脱石）中存在少量硅氧四三体中四价的硅被三价的铝所置换的现象，铝氧八面体中的三价铝被二价镁或铁所置换，因此，带有少量负电荷。
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B、 两性电荷：在中性或极弱的碱性条件下，边缘的硅氧四面体中的两个氧各与一个氢相连接同时各自以半个键与铝结合。由于其中一个氧同时与硅相连，所以这个氧带有1/2个正电荷。在酸性介质中，与铝连接的原来带有1/2个负电荷的氧接受一个质子而变成带有1/2个正电荷。这样就使边面共带有一个正电荷。在强碱条件下，由于与硅连接的两个OH基中的H解离，而使边面共带2个负电荷，这也就是高岭石可随介质PH值而变化的负电荷。由于高岭石中同晶置换现象少。因此高岭石结晶构造断裂而呈现的活性表面上的破键是高岭石带电的主要原因
c、净电荷：中和上述情况，一般情况下黏土带负电。
（2）良好流动性和稳定性所需要的条件
c、介质呈碱性
b、必须有一价碱金属阳离子交换黏土原来吸附的离子
c、阴离子的作用
三 试说明影响玻璃形成的结晶动力学因素和结晶化学因素。（12分）
解：①键强
氧化物的键强是决定它能否形成玻璃的重要条件。根据单键能的大小，可将氧化物分为以下三类：
a、玻璃网络形成体，其单键强度＞335kj/mol。这类氧化物能单独形成玻璃；
b、网络变性体，其单键强度＜250kj/mol；
c、中间体，其作用介于玻璃形成体和网络变性体两者之间。
②键型
一般说具有极性共价键和半金属共价键的离子才能生成玻璃。
形成玻璃必须具有极性共价键或金属共价键型；一般地说，阴、阳离子的电负性差△X约在1.5~2.5之间；其中阳离子具有较强的极化本领；单键强度(M一O) ＞335kj/mol；成键时出现电子形成SP杂化轨道，这样的键型在能量上有利于形成一种低配位数负离子团如[SiO4]4一、[BO3]3一或结构键[Se一Se一Se]、[S一As一S ]，它们互成层状、链状和架状，在熔融时粘度很大，冷却时分子团聚集成无规则的网络，因而形成玻璃倾向很大。
四 试比较说明扩散、相变过程、烧结和晶粒生长的推动力。（12分）
a、扩散的推动力是高化学位流向低化学位 Di=RTBi（1+dlnγi/dlnNi）
b、相变过程的推动力自由能降低（ΔG<=0）
温度条件 ΔG=ΔH*ΔT/T0
蒸汽压条件 ΔG=RTlnP0/P05网全部答案
浓度条件 ΔG=αRTlnΔC/C
c、烧结推动力是粉状物料的表面能大于多晶烧结体的晶界能
d、晶粒生长的推动力是晶粒两侧曲率的差异，在界面能的驱动下，晶界向曲率半径小的晶粒中心推进。
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五 试推导平板模型和球状模型颗粒的化学反应动力学方程。（10分）
A、固相反应转化率：G=[R30- （R0-x）3]/ R30
B、固相反应中动力学一般方程式可写为：dG/dt=KF（1-G）n
C、固相反应为一级反应动力学方程可写为：dG/dt=KF（1-G）
D、球状颗粒时dG/dt=4K∏ R2（1- G）5/3 =K1（1- G）5/3或
F1（G）=[（1-G）-2/3-1]=K1t
E、平板模型时 dG/dt=K（1-G）
F（G）=ln（1-G）=Kt
六 在1500℃MgO正常晶粒生长期间，观察到晶体1h内从1um长大到10um，如已知晶界扩散活化能为60×4.183kJ/mol，试预测在1600℃下保温时间为4h后，晶粒尺寸是多少？你估计杂质对MgO晶粒生长速率会有什么影响？ 为什么？（12分）
解: 根据晶粒正常生长公式 G2－Go2=kt 得：
102－12=k1·1 k1=99
1500℃ k1=A exp() A=7.39×1011
假若A不随温度变化
1700℃ k2=7.39×1011 exp()=739
保温4个小时：D2－(0.5)2=739×4 D=54.37um
加入杂质后，降低晶粒生长速度，采用公式：
D3－Do2=kt计算 即D3=14.35um
七SiO2有几种一级变体和二级变体? 几种变体相变时的体积变化如何?用SiO2作耐火材料时为什么常加入少量的CaO?(9分)
答：SiO2有4种一级变体和7种二级变体，几种变体相变时方石英体积变化最大，石英次之，磷石英最小，如果制品中方石英含量高，则在冷却到低温时由于-方石英转变成-方石英伴随着较大的体积收缩而难以获得致密的硅砖制品，
通常加入少量的氧化铁和氧化钙做矿化剂，这些氧化物在1000度左右可以产生一定量的液相，-方石英和-石英在此液中溶解度大，而-鳞石英溶解度小，因而，-方石英和-石英不断的溶入，-鳞石英则不断的析出，可以缓解由-方石英和-石英之间转化时产生的巨大的体积膨胀在胚体内产生的应力。
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八 有一个三元相图ABC。
1标明各条界线的性质（共熔用单箭头，转熔用双箭头表示）。（4分）
2写出E、F、G、H点的性质及相变式。（6分）
3分析M点的析晶路程，写出刚达析晶结束时各相含量。（6分）
4如果冷却速率非常快，M点析晶路程将如荷变化。（4分）（图）
解：（1）见图
（2）E点为单转熔点，相变式为：L+C←→A2C3+BC
F点为双转熔点，相变式为：L+A2C3+BC←→D1
G点为单转熔点，相变式为：L+A2C3←→D1+D2
H点为单转熔点，相变式为：L+D1←→D2+BC
(3)M点的析晶路程：
液相：
（4）快速降温则：
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