无机材料科学基础

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

第一章 晶 体 结 构 基 础

1-1 定义下述术语，并注意它们之间的联系和区别： 晶系；点群；空间群；平移群；空间点阵

1-2 简述晶体的均一性、各向异性、对称性三者的相互关系。 1-3 列表说明七个晶系的对称特点及晶体定向规则。

1-4 四方晶系晶体a＝b，c＝1/2a。一晶面在X、Y．Z轴上的截距分别为2a, 3b和6c。给出该晶面的密勒指数。

1-5 在立方晶系中画出下列晶面：a）（001）b）（110）c）（111） 1-6 在上题所画的晶面上分别标明下列晶向：a(210) b(111) c(101) 1-7 立方晶系组成{111}单形的各晶面构成一个八面体，请给出所有这些晶面的密勒指数。

1-8 试在完整的六方晶系晶胞上画出（1012）晶面的交线及〔1120〕〔2113〕晶向，并列出{1012}晶面族中所有晶面的密勒指数。 1-9 a≠b≠c α=β=γ=90℃的晶体属什么晶系？

a≠b≠c α≠β≠γ≠90℃的晶体属什么晶系？ 你能否据此确定这二种晶体的布拉维点阵？

1-10 下图示正交面心格子中去掉上下底心后的结点排列情况。以图中的形状在三维空间无限重复，能否形成一空间点阵？为什么？

第六章答案

6-1略。

6-2什么是吉布斯相律？它有什么实际意义？

解：相律是吉布斯根据热力学原理得出的相平衡基本定律，又称吉布斯相律，用于描述达到相平衡时系统中自由度数与组分数和相数之间的关系。一般形式的数学表达式为F＝C－P＋2。其中F为自由度数，C为组分数，P为相数，2代表温度和压力两个变量。应用相率可以很方便地确定平衡体系的自由度数。

6-3固体硫有两种晶型，即单斜硫、斜方硫，因此，硫系统可能有四个相，如果某人实验得到这四个相平衡共存，试判断这个实验有无问题？

解：有问题，根据相律，F=C-P+2=1-P+2=3-P，系统平衡时，F=0，则P=3，硫系统只能是三相平衡系统。

图6-1 图6-2

6-4如图6-1是钙长石（CaAl2Si2O）的单元系统相图，请根据相图回解：（1）六方、正交和三斜钙长石的熔点各是多少？（2）三斜和六方晶型的转变是可逆的还是不可逆的？你是如何判断出来的？（3）正交晶型是热力学稳定态？还是介稳态？

解：（1）六方钙长石熔点约1300℃（B点），正钙长石熔点约1180℃（C点），三斜钙长石的熔点约为1750℃（A点）。

（2）三斜与六方晶型的转变是可逆的。因为六方晶型加热到转变温度会转变

选择题

1．NaCl型结构中，Cl- 按立方最紧密方式堆积，Na+充填于（ B ）之中。

A、全部四面体空隙 B、全部八面体空隙 C、1/2四面体空隙 D、1/2八面体空隙 2．在析晶过程中，若?T较大，则获得的晶粒为（ A ）

A、数目多而尺寸小的细晶 B、数目少而尺寸大的粗晶 C、数目多且尺寸大的粗晶 D、数目少且尺寸小的细晶 3．在熔体中加入网络变性体会使得熔体的析晶能力（ c ）：

a.不变 b. 减弱 c. 增大

4．在烧结过程的传质方式中，不会使坯体致密的是（ a ）

a. 扩散传质 b. 溶解-沉淀传质 c. 蒸发-凝聚传质 d. 流动传质 5．过冷度愈大，临界晶核半径（ c ）相应的相变（ e ）

a. 不变 b. 愈大 c. 愈小 d. 愈难进行 e. 愈易进行 f. 不受影响 6．从防止二次再结晶的角度考虑，起始粒径必须（ c ）

a. 细 b. 粗 c. 细而均匀 d. 粗但均匀

7．根据晶界两边原子排列的连贯性来划分，在多晶体材料中主要是(

《材料科学基础》

课程设计报告

设计题目 ： 水泥制品的设计 学生姓名 ： 何祥涛 学 号 ： 1020560126

指导老师姓名： 朱国平 所 属 院(系)： 化学生物与材料科学学院 专 业 班 级 ： 材料化学（1）班 课程设计时间 ： 2013 年 1 月 8日

课程设计的总结报告

一．课程设计的基本任务

结合钙铝硅三元相图，通过查阅资料了解水泥生产工艺，设计并确定原料配

方和烧成冷却温度制度。

二．课程设计的基本要求

1．读懂并分析钙铝硅三元相图，尤其是高钙部分。

2．硅酸盐水泥熟料由C2S、C3S、C3A、C4AF四种矿物组成，根据三角形规则，确定配料点。根据你的配料，写出相关析晶过程。 3．常用的水泥生料的主要成分是CaO、Al2O3、SiO2、Fe2O3，因为Fe2O3含量低，并入Al2O3一起考虑，设计水泥材料生料化学组成。 4．查阅相关资料，画出水泥生产工艺流程图。

5．硅酸盐水泥生产所采用的原料是：石灰石、粘土以及校正原料，在报告中提出配料计算大致过程。

6．根据你设计的配料确定烧成和冷却温度制度，并探讨你的烧成和冷却温度制度对你的产品性能可能产生的

测试十

一、名词解释（共60分，每小题3分）

1．色散力

2．静电键强度

3．类质同晶现象

4．反结构

5．压电效应

6．铁电效应

7．结构水

8．触变性

9．本征缺陷

10．色心

11．螺型位错

12．混合碱效应

13．逆性玻璃

14．不一致熔融化合物

15．穿相区现象

16．矿化剂

17．二级相变

18．非均态成核

19．初次再结晶

20．扩散传质

二、计算（共40分）

1．氯化铯（CsCl）结构中，已知离子半径：Cs＋为0.182nm，Cl－为0.155nm；原子量：Cs为132.91，Cl为35.45。请计算球状离子所占据的空间分数（堆

积系数）及CsCl晶体的密度。假设Cs＋和Cl－离子沿立方对角线接触。（10分）

2．ZnO为六方晶系，a＝0.324nm，c＝0.520nm，每个晶胞中含2个 ZnO分子，测得两种情况下ZnO晶体的密度分别为 5.740 g/cm3和 5.606g/cm3，求这

两种情况下各产生什么型式的固溶体？已知原子量：Zn为65.39，O为16.00。（10分）

3．MgO熔点TM＝ 2800℃，空位形成能E＝6ev。欲使Mg2＋在MgO中的扩散直至MgO的熔点都是非本征扩散，要求MgO中三价杂质离子有什么样的浓

结晶学基础

晶体与非晶体

晶体（crystal）是内部质点(原子、离子或分子)在三维空间周期性地重复排列构成的固体物质。

内部质点不作规则排列，不具有格子构造的固体，称为非晶体

对称要素和对称型及其表示

在进行对称操作时所借助的几何要素——点、线、面等，称为对称要素。

微观对称要素主要有以下三种

平移轴：是一直线方向，相应的对称变换为沿此直线方向平移一定的距离。

螺旋轴：也是一种复合的对称要素，其辅助几何要素为一根假想的直线及与之平行的直线方向。相应的对称变换是绕此直线旋转一定角度和沿此直线方向平移的结合（ 左旋和右旋）。

滑移面（象移面）：是一种复合的对称要素，其辅助几何要素有两个，一个假想的平面和平行此平面的某一

直线方向。相应的对称变换是对此平面的反映和沿此直线方向平移的联合。

对称型：对称要素的组合（集合），包含了晶体中全部对称要素的总和及其相互间的组合，又称为点群。

晶体的对称分类（原则和分类体系） 分类原则

晶族的划分：根据有无高次轴及其数目分为高级、中级和低级晶族。

晶系的划分：根据对称型的具体特点（Ln、Lin的

轴次和数目）分为七个晶系。 具体分类（见表）

晶体定向原则及结晶符号

晶体的定向就是选择结晶轴、建立坐标轴

选择题

1．NaCl型结构中，Cl- 按立方最紧密方式堆积，Na+充填于（ B ）之中。

A、全部四面体空隙 B、全部八面体空隙 C、1/2四面体空隙 D、1/2八面体空隙 2．在析晶过程中，若?T较大，则获得的晶粒为（ A ）

A、数目多而尺寸小的细晶 B、数目少而尺寸大的粗晶 C、数目多且尺寸大的粗晶 D、数目少且尺寸小的细晶 3．在熔体中加入网络变性体会使得熔体的析晶能力（ c ）：

a.不变 b. 减弱 c. 增大

4．在烧结过程的传质方式中，不会使坯体致密的是（ a ）

a. 扩散传质 b. 溶解-沉淀传质 c. 蒸发-凝聚传质 d. 流动传质 5．过冷度愈大，临界晶核半径（ c ）相应的相变（ e ）

a. 不变 b. 愈大 c. 愈小 d. 愈难进行 e. 愈易进行 f. 不受影响 6．从防止二次再结晶的角度考虑，起始粒径必须（ c ）

a. 细 b. 粗 c. 细而均匀 d. 粗但均匀

7．根据晶界两边原子排列的连贯性来划分，在多晶体材料中主要是(

测试八

一、名词解释（每小题3分，共18分）

1．弗仑克尔缺陷

2．结构弛豫

3．阳离子交换容量

4．本征扩散

5．非均态成核

6．二次再结晶

二、填空（每小题2分，共24分）

1．根据三元系统相图上等温线分布的疏密可以判断液相面的徒势。等温线分布越密，说明液相面越_________，则温度变化时，液相量变化越_________。

2．在O2－作面心立方密堆积的晶体中，为获得稳定结构，正离子将所有八面体空隙均填满的晶体有__________；将所有四面体空隙均填满的晶体有

___________（请各举一例）。它们分别属于__________和__________型结构。

3．MgAl2O4尖晶石结构中，Mg2+填充1/8的________空隙，Al3+填充______的_______空隙，单位晶胞内含有_______个分子。

4．下列硅酸盐晶体矿物：Ca[Al2Si2O8]、KAl2[AlSi3O10](OH)2、Be3Al2[Si6O18]、Ca2Mg5[Si4O11](OH)2分别属于________、________、________和_______结构。

5．在TiO2中引入高价氧化物V2O5形成置换型固溶体，其缺陷反应方程式为___

2-1 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 （c）类质同象与同质多晶

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。（c）类质同象：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。

2-6（1）在CaF2晶体中，弗仑克尔缺陷形成能为2.8eV，肖特基缺陷的生成能为5.5eV，计算在25℃和1600℃时热缺陷的浓度？（k＝1.38×10－23J/K）

（2）如果CaF2晶体中，含有百万分之一的YF3杂质，则在1600℃时，CaF2晶体中时热缺陷占优势还是杂质缺陷占优势？说明原因。

解：（1）弗仑克尔缺陷形成能为2.8eV，小于肖特基缺陷形成能5.5eV，所