中南大学粉冶院无机非材料期末复习 - 图文

1、举例说明无机非金属材料如何引领科技进步。

2、从化学键说明无机非金属材料的物理特性。

3、硅酸盐晶体结构的类型有几种?各类型的典型矿物有哪些？

4、粘土的化学组成与矿物组成？粘土的工艺性能包括哪些？

5、长石、粘土、石英在无机材料生产中的作用？

6、二氧化锆、石英的晶体结构转变有何特点？如何在实际生产中加以应用?

7、如何理解原料粉碎球磨过程中的机械力化学行为和助磨剂的助磨机理？

8、先进无机材料粉末的制备方法有哪些？

9、原料为什么要进行预处理？

10、简述陶瓷的显微结构的内容及其分析方法

11、无机材料烧结过程的主要传质机理

12、什么是晶界？晶界的特点有哪些？什么是晶界工程？

13、什么是二次再结晶？在工艺上如何防止？

14、固相烧结和液相烧结的机理

15、简述普通陶瓷烧成过程的主要物理化学变化。烧成制度制定的依据有哪些？

16、针对高熔点难烧结材料如TiB2、ZrB2等，根据所学内容，在不影响高温性能前提下，设计一可行的制备工艺。

17、阐述水泥熟料的煅烧过程及发生的主要物理化学变化 18、阐述硅酸三钙的水化及其硬化过程。 19、阐述硅酸二钙的水化及其硬化过程。

20、侵蚀硅酸盐水泥的环境介质有哪些？有哪些侵蚀方式？

1、举例说明无机非金属材料如何引领科技进步。

航空航天材料

利用无机材料的耐高温、高强度、耐磨和比刚度大等特性，用作航天飞机的外层蒙皮材料（耐热、隔热）、耐高温烧蚀材料、热保护处理、卫星表面温控涂层、火箭喉衬材料、透波与吸波材料等

2、从化学键说明无机非金属材料的物理特性。

3、硅酸盐晶体结构的类型有几种?各类型的典型矿物有哪些？

4、粘土的化学组成与矿物组成？粘土的工艺性能包括哪些？

化学组成：SiO2、Al2O3和结晶水，少量碱金属氧化物（K2O 、Na2O），碱土金属氧化物（CaO、MgO），着色氧化物（Fe2O3、TiO2） 矿物组成三大类别： 高岭石、叶腊石、蒙脱石 可塑性

结合性：粘土结合瘠性料形成可塑泥料并具有一定干坯强度的能力。

触变性：粘土浆料或泥团受到振动或搅拌时，粘度降低而流动性增加，静置后泥料变稠。触变性可用厚化度来表示，指泥浆放置30 min和30 s后相对粘度之比。 收缩性

烧结特性：烧结温度（收缩率最大的温度）与软化温度间的区域为烧结范围。

5、长石、粘土、石英在无机材料生产中的作用？

长石的作用：

1. 在高温下熔融，形成粘稠的玻璃体，是坯料中碱金属氧化物的主要来源，能降低陶瓷坯体组分的熔化温度，利于成瓷和降低烧成温度。

2. 熔融后的长石熔体能溶解部分高岭土分解产物和石英颗粒；液相中Al2O3和SiO2互相作用，促进莫来石的形成和长大，提高瓷体的机械强度和化学稳定性。

3. 长石熔体能填充坯体孔隙，减少气孔率，增大致密度，提高坯体机械强度，改善透光性能及电学性能。

4. 作为瘠性原料，提高坯体渗水性，提高干燥速度，减少坯体的干燥收缩和变形。

5. 在釉料中做熔剂，形成玻璃相。 粘土的作用：

1. 赋予泥坯的可塑性；

2. 使注浆料与釉料具有悬浮性和稳定性；

3. 在坯料中结合其它瘠性原料，使具有一定干坯强度及最大堆积密度； 4. 是瓷坯中Al２O３的主要来源，也是烧成时生成莫来石晶体的主要来源。 石英的作用：

1. 烧成前，石英为瘠性料，可调节泥料的可塑性，是生坯水分排出的通道，降低坯体的干燥收缩，增加生坯的渗水性，缩短干燥时间，防止坯体变形；利于施釉。

2. 烧成时，石英的加热膨胀可部分抵消坯体的收缩；高温时石英部分溶解于液相，增加熔体的粘度，未溶解的石英颗粒构成坯体的骨架，防止坯体软化变形。

3. 可提高坯体的机械强度，透光度，白度。

4. 釉料中,SiO2是玻璃质的主要成分，提高釉料的机械强度，硬度，耐磨性，耐化学侵蚀性；提高釉料的熔融温度与粘度。

1、

6、二氧化锆、石英的晶体结构转变有何特点？如何在实际生

产中加以应用?

在使用石英类制品时，可以通过控制升温和冷却速度，来避免体积效应引起的开裂。 利用其热膨胀效应，如将石英原料在进行预烧，又有利于石英类的破碎。

7、如何理解原料粉碎球磨过程中的机械力化学行为和助磨剂 的助磨机理？

物料颗粒受机械力作用而被粉碎时，还会发生物质结构及表面物理化学性质的变化，这种因机械载荷作用导致颗粒晶体结构和物理化学性质的变化称为机械力化学。颗粒结构变化，如表面结构自发地重组，形成非晶态结构或重结晶。

颗粒表面物理化学性质变化，如表面电性、物理与化学吸附、溶解性、分散与团聚性质。 在局部受反复应力作用区域产生化学反应，如由一种物质转变为另一种物质，释放出气体、外来离子进入晶体结构中引起原物料中化学组成变化。

助磨剂能促使已有裂纹不再重新闭合而有助于裂纹扩展以及阻止团聚。 8、先进无机材料粉末的制备方法有哪些？

9、原料为什么要进行预处理？

原料含有杂质、粒度较粗、人工合成原料不符合要求，须进行原料的精选、细碎球磨、预烧等预处理。

10、简述陶瓷的显微结构的内容及其分析方法 显微结构的组成：

晶相、玻璃相、晶界、气孔和缺陷等组成。 陶瓷显微结构的内容：

相的数量、大小、形状、边界状态和几何分布。 普通陶瓷：液相烧结，显微结构由晶相、玻璃相 和气孔组成；

扫描电子显微镜、透射电子显微镜、能谱及波谱微区分析仪；环境扫描电镜、高分辨透射电镜与电子衍射相结合，促进显微结构分析的分辨尺度扩大到亚显微结构及微观结构区域；

11、无机材料烧结过程的主要传质机理

粘性流动、塑性流动、蒸发凝聚、体扩散、表面扩散、晶界扩散六种。 12、什么是晶界？晶界的特点有哪些？什么是晶界工程？ 晶界：固体和固体相接触的界面，分为晶界和相界。 晶界特性：

①晶界偏析与杂质聚集 （相偏析（相分离）与化学偏析） 三个原因：弹性应变能；静电势；固溶度 。

层状偏析与粒状偏析，晶界偏析大多是无益的，但也可用其 材料改性。如半导体的晶粒半导化；

② 晶界扩散：晶界无序开放的结构，有过量的自由体积； ③ 晶界势垒和空间电荷；

④ 晶界是位错汇集和应力集中的区域： ⑤ 晶界区的物理性能与晶粒有很大的不同

所谓晶界工程即是通过改变晶界状态，提高整个材料性能的研究领域。

13、什么是二次再结晶？在工艺上如何防止？

二次再结晶：晶粒异常生长或晶粒不连续生长。是指少数巨大晶体在细晶消耗时成核-长大过程。

防止二次再结晶的方法：控制烧结温度、烧结时间，控制原料粒径的均匀性，引入烧结添加剂

14、固相烧结和液相烧结的机理

15、简述普通陶瓷烧成过程的主要物理化学变化。烧成制度制定的依据有哪些？

1、 低温阶段(室温-300℃)---坯体水分蒸发期

2 中温阶段(300-950 ℃)----氧化分解及晶型转化期（1）结构水的排除（2）碳酸盐分解（3）碳素、硫化物及有机物的氧化（4）石英的晶型转变和少量液相的形成

3 高温阶段（ 950 ℃-最高烧成温度 玻化成瓷期，是烧成过程中温度最高的阶段。坯体开始烧结，釉层开始熔化.

烧成制度包括温度制度、气氛制度和压力制度。

16、针对高熔点难烧结材料如TiB2、ZrB2等，根据所学内容，

在不影响高温性能前提下，设计一可行的制备工艺。

17、阐述水泥熟料的煅烧过程及发生的主要物理化学变化

18、阐述硅酸三钙的水化及其硬化过程。

1）C3S的早期水化加水后发生急剧的反应放出热量，Ca2+、 OH-迅速从表面释放，几分钟内上升pH超过12，溶液具有强碱性。

2）2）C3S的中期水化水化主要时期。在C3S水化的加速期内，伴随Ca(OH)2及C－S－H的形成和长大，液相中Ca(OH)2和C－S－H的过饱和度降低，又会相应地使Ca(OH)2和C－S－H的生长速度逐渐变慢。随着水化产物在颗粒周围的形成， C3S的水化受阻，水化过程逐渐进入减速阶段。

3）C3S的后期水化水化过程中存在一个界面区，并逐渐推向内部。水离解所形成的H+在内部产物中从氧原子（或水分子）转移到另一个氧原子，一直到达C3S并与之作用，而界面区的Ca2+和 Si4+部分则通过内部产物向外迁移，转入Ca(OH)2和外部C－S－H。

4）水泥加水拌成浆体进行水化反应，浆体逐渐失去流动性而转变为具有一定强度的固体的过程，即水泥的凝结与硬化。

19、阐述硅酸二钙的水化及其硬化过程。

和C3S水化过程极为相似，但水化速度极慢，约为C3S的1/20 20、侵蚀硅酸盐水泥的环境介质有哪些？有哪些侵蚀方式？

主要包括：淡水、酸、硫酸盐和碱溶液环境介质。侵蚀方式：溶解浸析、离子交换以及形成膨胀性产物 5、名词解释：

水泥的安定性:反映水泥浆在硬化后因体积膨胀不均匀而变形的情况，是评定水泥质量的重要指标之一，是保证混凝土工程质量的必要条件。造成水泥安定性不良的主要原因是由于水泥中存在过量的游离氧化钙、游离氧化镁或硫酸盐所致。

硅率:熟料中氧化硅含量与氧化铝、氧化铁之和的质量比。表示了熟料中硅酸盐矿物与溶剂矿物的比例。

铝（铁）率：铝率：熟料中氧化铝和氧化铁含量的质量比，也表示溶剂矿物中铝酸三钙与铁铝酸四钙的比例。

化学减缩

水化热：水泥与水作用会产生放热反应,在水泥硬化过程中,不断放出的热量称为水化热指物质与水化合时所放出的热

1、无机非金属材料与其它材料相比在结构性能上有哪些特点？

相对于金属键，共价键与离子键具有较高的能量，约高出金属键键能的一倍左右，所以，离子键或共价键构成的无机非金属材料一般熔点高、硬度高，脆性大，透明度高，导电性低。具有金属键的金属材料有弹性，可延展，导电性高，透明度低。由于共价键的晶体的配位数比离子晶体还要小，所以共价键的晶体的熔点、硬度比离子晶体还要高。 2、什么是玻璃态物质的四个通性？

各向同性。 介稳性、无固定的熔点。性质变化的连续性和可逆性 3、Tg-Tf玻璃转变温度区域对玻璃的结构、性质有何意义？

在转变温度区域内的任一温度，玻璃熔体有对应于该温度的平衡结构。温度越低，粘度越大，达到平衡结构的速度越慢，需要的时间越长。因此，固态玻璃的性质与冷却速度有关，冷却速度越快，玻璃结构偏离平衡结构的程度越大，导致玻璃结构疏松，使玻璃密度、折射

率等性质下降，冷却速度减慢，密度、折射率等性质上升，所以说固态玻璃的性质是相对的，并不是一个常数。

4、解释晶子学说和无规则网络学说。

无规则网络学说：原子在玻璃中和在晶体中的作用是相同的，应形成连续的、三维空间的网络，但在玻璃中是不规则的，非周期性的，因而玻璃的内能大于晶体的内能，而晶体的结构是规则的、周期性的。

晶子学说：在玻璃中存在着有规则排列的微小区域，这种有规则排列的微小区域与晶体的晶格相比又是极度变形的，他是相对的，距晶子中心的距离越远，不规则程度越显著。

无规则网络学说着重说明了玻璃结构的连续性，无序性和均匀性，而晶子学说则比较强调玻璃的微观不均匀性和有序性。

3、石英玻璃具有哪些结构、性能特点？

1. [Si04]是熔融石英和结晶态石英的基本机构单元 ，2. Si-O键是极性共价键，3. Si-O键的键能非常大，4. [Si04]正负电荷重心重合，不带极性，5. [Si04]以顶角相连。6.性能：石英玻璃粘度大，机械强度高，热膨胀系数小，耐热耐化学稳定性好。Na2O - SiO2二元系统玻璃：石英玻璃中，加入R2O使氧的比值增加，玻璃中的氧不可能由两个硅原子所共用，开始出现一个硅原子键合的氧原子，即非桥氧，使硅氧网络发生断裂，结果使玻璃结构减弱、疏松，导致玻璃的物理化学性能下降，如粘度、膨胀系数等。

4、氧化钙加入玻璃中一般来说会削弱玻璃的结构，但在钠硅玻璃中加入氧化钙反而加强了玻璃的结构，这是为什么？此时形成的Na2O-CaO- SiO2玻璃系统非常实用，又是为什么？ 在钠硅酸盐玻璃中掺入CaO，可使玻璃的结构和性质发生明显改善。

其原因： Ca2+与Na+的半径相近，而电荷大一倍，可产生大的场强， Ca2+处于网络空穴中具有显著的强化玻璃结构和可限制Na+ 活动的作用，因此具有良好的性能。

5、玻璃中氧化物分成哪三类？常见的玻璃网络生成体有哪些（至少三种）？ 由无规则网络学说的观点可分为三大类：

网络生成体氧化物、网络外体氧化物和中间体氧化物

8、玻璃中加入少量Al2O3的作用？

在玻璃中加入少量的Al2O3，可以夺取非桥氧形成「AlO4」，进入硅氧网络，把断网连接起来，使玻璃结构趋于紧密，从而降低了玻璃的结晶倾向，抑制分相，Al2O3的加入还可以提高玻璃的化学稳定性，热稳定性，机械强度等性能，Al2O3还可以减轻玻璃对耐火材料的侵蚀。

9、玻璃生成的热力学条件：一般来说，同组分的晶体与玻璃的内能差别越大，玻璃越容易结晶，越难形成玻璃。

4.结石熔化引起的条纹

29、镀膜玻璃的制备方法有哪些？

气溶胶法，溶胶凝胶法，真空镀膜法，阴极溅射法，离子镀膜法等

陶瓷：

1. 什么是粘土的可塑性? 粘土的烧结特性?

粘土的颗粒越细，表面积越大，分散程度越高，可塑性越好。 干燥收缩和烧成收缩构成了粘土的总收缩。

陶瓷原料中的粘土，石英，长石按其主要作用分别为可塑料，瘠性料，熔剂。

陶瓷的不同性能可通过改变坯料配比（控制瘠性料和熔剂）、坯料的细度和坯体的致密度来获得。

2. 石英在陶瓷生产中的作用?

a) 石英是瘠性料，可降低可塑性，减少收缩变形，加快干燥 b) 高温时，增加粘度，减小坯体变形

c) 未熔石英与莫来石一起构成坯体骨架，增加强度

d) 在釉料中增加石英含量可提高釉的熔融温度，提高釉的耐磨性和抗化学腐蚀性

3. 氧化铝的三种晶型及特点？氧化铝预烧目的和注意事项。

α- Al2O3 β- Al2O3 γ- Al2O3

预烧的目的：帮助碎化原料；减少坯料收缩；改变结构形态；稳定晶型

4. 碳化物的特点：熔点高、硬度高、热膨胀系数小、电阻率小、导热系数高。碳化物的制

备方法：金属和碳直接化合，氧化物与碳反应，气相沉积等

5. 陶瓷坯料的混合制备包括哪几个过程：

混合制备分为细粉碎，泥浆的脱水，造粒，陈腐，练泥及真空处理。

6. 特种陶瓷的坯料组成：

主料：Si3N4,SiC,BaTiO3,Al2O3,ZrO2,BeO，辅料：解凝剂、塑化剂，改性料：展宽剂、移动剂等

7. 常用的陶瓷成型方法及其坯料含水量？（p114）

8. 影响陶瓷坯料可塑性的因素：

液相含量与性质，颗粒尺寸和形状，矿物种类。

9. 影响陶瓷注浆成型吸浆速度的因素：颗粒的比表面积，压力差，泥浆的粘度，注浆温度，

模型中的气孔数量。解释图9-4。（p119）

10. 影响陶瓷坯体压制成型的与粉料有关的因素？粒度和粒度分布，粉料的流动性，粉料的

含水率，解释图9-6。

11. 釉的作用：

改善陶瓷制品的表面性能，保护釉下彩绘，提高制品的机械强度、电学性能、化学稳定性、热稳定性。

釉料配方的原则：1.釉料应在坯体烧结范围内成熟，2.熔化范围要宽些，3.釉的膨胀系数要与坯体相适应，4.形成良好的中间层，5.釉料性质应符合工艺要求，6.正确选用原料。 釉料配方选用的一般规律：酸性强的坯体配酸性弱的釉，酸性弱的坯体配偏碱性的釉，含SiO2高的坯体配长石釉，含Al2O3高的坯体配石灰釉。

还原气氛对陶瓷烧成釉料的表面张力有提高作用,一般可达20~25%。

12. 什么是坯釉中间层，它的作用？

由于坯和釉化学组成上的差异，在高温烧成时，某些成分通过溶解、渗透与扩散作用，使接触面的化学组成和物理性质介于坯体和釉层之间，结果形成中间层，它吸收溶解了坯体中的SiO2、 Al2O3，釉层中的R2O、B2O3等成分，中间层的厚度15~20μm，存在莫来石、钙长石、硅灰石等析晶相，起到改善坯釉结合性，缓冲坯釉间应力的作用。 13. 干燥的作用

降低水分，提高强度，提高坯体吸附釉层的能力，提高烧成窑的效率，缩短烧成周期。 14. 影响干燥速度的因素：

坯料的性质，坯体形状大小和厚度，坯体温度，干燥介质的性质，热扩散与湿扩散的方向。

解释图11-1。（p137）

常用的干燥方法？

1.对流干燥 2.工频电干燥 3.远红外干燥 4.微波干燥

15. 陶瓷烧成中液相的作用：

1 促进晶粒长大，2 促进致密化、性能提高，3 使坯体变成白色或半透明，釉面有光泽。 16. 陶瓷烧成的冷却阶段可分为急冷、缓冷、快冷，这是为什么？冷却初期急冷：

1 缩短烧成周期，2 抑制莫来石长大，3 防止釉层析晶，4 防止低价铁的再度氧化。冷却中期缓冷：防止液相凝固、石英晶型转化，产生应力。后期因温差小可快冷。 17. 陶瓷烧成制度的拟定应考虑的因素？

原料颗粒度与活性，添加剂，坯料在加热过程中的性状变化，坯体形状、厚度和入窑水分，窑炉结构、燃料性质、装窑密度，烧成方法。 18. 压力制度的影响：

陶瓷烧成中，通常负压有利于氧化气氛的形成，正压有利于还原气氛的形成。 19. 等静压成型的特点：

密度高，强度大，尺寸精确，可压制形状复杂、H/D大的坯体。等静压成型的缺点：设备费用高，产量低。等静压分为：常温等静压和高温等静压。

20. 热等静压烧结的特点？

热等静压烧结的陶瓷制品的烧结温度仅为熔点的50~60%。热等静压烧结可使陶瓷瓷件的致密度基本上达100%。热等静压烧结的陶瓷制品只需很少的精加工甚至无需加工就能使用。

21. 特种陶瓷烧成的新方法主要有哪些？

1·热压烧结，2·热等静压烧结，3·气氛烧结等 22. 目前研究较多的结构陶瓷有哪些？

Si3N4，SiC，BaTiO3，Al2O3，ZrO2等 23. 功能陶瓷有哪些？

铁电陶瓷（压电陶瓷，热释电陶瓷）等，敏感陶瓷（热敏、压敏、光敏陶瓷等），磁性陶瓷（软磁铁氧体，硬磁铁氧体等）。 敏感陶瓷多属半导体陶瓷。

水泥：

1. 硅酸盐水泥生产的主要流程：

两磨一烧。煅烧窑有回转窑、立窑、机械化立窑。 2. 硅酸盐水泥的主要活性成分是什么?

水泥主要活性组分的粒径在3~30μm.

国标规定：硅酸盐水泥初凝不得早于45min，终凝不得迟于12h，普通水泥分别为45min和10h.

3. 水泥的主要原料有哪些：

石灰质原料，粘土质原料，校正原料 4. 生料配制的主要依据是熟料的率值。

水泥熟料的性能由水泥的矿物组成决定，矿物组成由率值决定。

5. 硅酸盐水泥熟料尽管是多种矿物集合体，但主要氧化物只有四种，哪四种？

SiO2 CaO Al2O3 Fe2O3

6. CaO含量的高低，对水泥性能有何影响：

一般来说，增加水泥熟料中的CaO含量，能增加水泥的强度，加速水泥的硬化过程。但不是CaO含量越多，质量越好。CaO含量过多，反应不完全，残留CaO会以游离CaO状态存在，而游离CaO水化极慢，会在水泥凝结后，在水泥制品中缓慢消解，发生体积膨胀，产生应力，降低强度，严重时甚至使整个结构破坏。因此，制备质量好的水泥，必须使熟料中的CaO呈化合状态，熟料中游离CaO含量越低越好，最好不超过1% 7. 简述硅酸盐水泥加水后的水化过程：

加水后，C3A立即发生反应，C3S和C4AF也很快水化，而C2S则较慢。 8. 硅酸三钙（3CaO·SiO2，C3S）的特点及对水泥煅烧及性能的影响？

C3S含量的高低，对水泥性能有何影响：水泥熟料中，适当提高C3S的含量，有利熟料质量，但C3S过高，熟料煅烧困难，熟料中游离CaO增加，使强度下降。 9. 什么是硅率及特点？

熟料中氧化硅含量与氧化铝、氧化铁之和的质量比。表示了熟料中硅酸盐矿物与溶剂矿物的比例。

硅酸盐水泥熟料中的硅率越高，烧成温度越高，硅率过小易结圈，一般控制在1.7~2.7之间。

10. 什么是石灰饱和系数KH值？石灰饱和系数的特点？

在水泥熟料中，CaO总是与Al2O3和Fe2O3饱和生成C3A、 C4AF，所余下的CaO与SiO2饱和形成C3S所需CaO的比值称为石灰饱和系数。

当石灰饱和系数等于1.0时，此时形成的矿物组成为C3S， C3A和C4AF， 无C2S ；当石灰饱和系数等于0.667时，此时形成的矿物组成为C2S， C3A和C4AF ，无C3S；通常石灰饱和系数取0.82~0.94；当石灰饱和系数升高，说明熟料中C3S相对含量增加， C2S相对含量减少；为保证水泥熟料的质量，应控制游离石灰CaO的含量。 11. 什么是铝率？铝率的特点？

铝率：熟料中氧化铝和氧化铁含量的质量比，也表示溶剂矿物中铝酸三钙与铁铝酸四钙的比例。

铝率越高， C3A多，C4AF相对少，物料难烧。铝率过低，烧结范围变窄，易结块。通常，铝率控制在0.9-1.7 。

12. 铁铝酸四钙和铝酸三钙的作用：

·产生液相，促进硅酸三钙的形成。

·铁铝酸四钙和铝酸三钙也称为溶剂性矿物。

·通常水泥熟料中硅酸三钙和硅酸二钙称为硅酸盐矿物，一般占水泥熟料总量的75%左右；铝酸三钙和铁铝酸四钙称为熔剂性矿物，一般占水泥熟料总量的18~25%。

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