材料科学基础-简答题-答案要点

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1、材料科学基础简答题答案要点第二章1. 硅酸盐晶体结构有何共同特点？答：(1)每一个Si4+存在于4个O2-为顶点的四面体中心，构成SiO44-四面体，它是硅酸盐晶 体结构的基础(2)SiO44四面体的每个顶点，即O2-最多只能为两个SiO44-四面体所共有 (3)两个邻近的SiO44-四面体之间，如果要联结，只以共顶而不以共棱或共面相联结 SiO44-四面体中的Si4+可以被A13+置换形成硅铝氧骨干，骨干外的金属离子容易被其它金 属离子置换，置换不同的离子，对骨干的结构并无多大的变化，但对它的性能却影响很大2. 简述硅酸盐晶体的分类依据是什么？可分为几类，每类的结构特点是什么？答：硅酸盐晶体

2、结构是按晶体中硅氧四面体在空间的排列方式分为孤岛状、组群状、链状、 层状和架状五类。这五类的SiO4四面体中，桥氧的数目也依次由0增加至4,非桥氧数由 4减至0。硅离子是高电价低配位的阳离子，因此在硅酸盐晶体中，SiO4只能以共顶方式 相连，而不能以共棱或共面方式相连。3. 什么是同质多晶？简述同质多晶转变的类型及其各自的特点。答：化学组成相同的物质，在不同的热力学条件下形成结构不同的晶体现象，称为同质多晶根据同质多晶转变时速度的快慢和晶体结构变化的不同，可将多晶转变分为位移性转变和 重建性转变。前者仅仅是结构畸变，转变前后结构差异小，转变时并不打开任何键或改变 最邻近的配位数，只是原子的位置

3、发生少许位移，使次级配位有所改变；而后者不能简单 地通过原子位移来实现，转变前后结构差异较大，必须破坏原子间的键，形成一个具有新 键的结构。4. 为什么石英不同系列变体之间的转化温度比同系列变体之间的转化温度高得多？答：由于石英不同系列变体之间转变是重建性转变，涉及晶体结构中键的破裂和重建；而同 一系列变体之间的转变是位移性转变，不涉及晶体结构中键的破裂和重建，仅是键长、键 角的调整。5. 钛酸钡是一种重要的铁电陶瓷，其晶型是钙钛矿结构，试问：(a) 属于什么点阵？(b) 这个结构中离子的配位数为多少？(c) 这个结构遵守鲍林规则吗？请做讨论。答： (a) 属于立方面心点阵(b) Ti4+配位

4、数为6； Ba2+配位数为12； O2-配位数为6。(c) 遵守鲍林规则。6. 石棉矿如透闪石 Ca2Mg5Si4O11 (OH)2 具有纤维状结晶习性，而滑石Mg2Si4O10 (OH) 2却具有片状结晶习性，试解释为什么？答：透闪石具有双链结构，链内的Si-O键要比链5的Ca-O、Mg-O键强很多，所以很容易 沿链间结合力较弱处劈裂成为纤维状；滑石具有复网层结构，复网层由两个SiO4层和中间 的水镁石层结构构成，复网层与复网层之间靠微弱的分之间作用力联系，因分子间力弱， 所以易沿分子间力联系处解理成片状。7. 石墨、滑石和高岭石都具有层状结构，请说明他们结构的区别及由此引起的 性质的差异。

5、答：石墨中同层C原子进行SP2杂化，形成大口键，每一层都是六边形网状结构。由于间 隙较大，电子可在同层中运动，可以导电，层间分子间力作用，所以石墨比较软。滑石具有复网层结构，复网层由两个SiO4层和中间的水镁石层构成，即2： 1层；由 于八面体空隙全部被 Mg 离子占据，因此该结构也是三八面体型。由于复网层与复网层之 间靠微弱的分之间作用力联系，因分子间力弱，所以易沿分子间力联系处解理成片状。高岭石具有单网层结构，单网层由一个SiO4层和水石层构成，即1： 1层；由于八面 体空隙2/3被Al离子占据，因此该结构也是二八面体型。由于高岭石层间只能靠物理键来 结合，因此高岭石也容易解理成片状小晶体

6、。但单网层平行叠放时，层间靠氢键来结合， 由于氢键结合比分之间力强，因此，水分子不易进入单网层之间，晶体不会因为水含量增 加而膨胀。8. 在硅酸盐晶体中，A13+为什么能部分置换硅氧骨架中的Si4+ ?该置换对硅酸盐组成有何影响？答：(1)A13+可与O2-形成AlO45-； A13+与Si4+处于第二周期，性质类似，易于进入硅酸盐 晶体结构中与Si4+发生同晶取代，由于鲍林规则，只能部分取代；(2) A13+置换Si4+是部分取代，A13+取代Si4+时，结构单元AlSiO4ASiO5，失去了电中性， 有过剩的负电荷，为了保持电中性，将有一些半径较大而电荷较低的阳离子如 K+、Ca2+、 B

7、a2+进入结构中。第三章9. 什么是刃位错、螺旋位错?他们的基本区别是什么?答：刃位错：在位错线附近原子失去正常有规律排列，并滑移一段距离，由此产生的缺陷即是。螺旋位错：在位错线附近原子失去正常有规律排列，产生螺旋位移，这种缺陷即是。 基本区别：刃位错：滑移方向与位错线垂直，位错增加了半片原子面。螺旋位错：滑 移方向与位错线平行。质点以位错线为轴做螺旋状排列。10. 什么是肖特基缺陷、弗兰克尔缺陷?他们属于何种缺陷?发生缺陷时位置数 各发生何种变化?答：肖特基缺陷：晶体的结构基元，从正常的结点位置上位移到晶体的表面而正常位置上 出现了空位，这种缺陷即是。位置数增殖，体积增大。弗兰克尔缺陷：晶体

8、结构中的结构基元，从正常的结点位置上位移到晶体的间隙位置 上，而正常位置上出现了空位，这种缺陷即是。位置数不增殖，体积不增大。11. 说明非化学计量化合物与无限固溶体的异同答： (1)、非化学计量化合物与无限固溶体的共同点：(a) 都属于晶体结构缺陷中的点缺陷；(b)相组成均为均匀单相。(2)不同之处在于：(a) 形成原因不同。非化学计量化合物由气氛性质和压力变化引起，而无限固溶体则 由掺杂溶解而引起。(b) 形成条件不同。前者只有变价元素氧化物在氧化或还原气氛中才能形成，而后者 则需满足离子半径和电负性差值较小、保持电中性、结构相同等条件才能形成。(c) 组成范围不同。前者的组成变化范围很小

9、，而后者可以在整个组成范围内变化。12. TiO2-x和Fe1-xO分别为具有阴离子空位和阳离子空位的非化学计量化合物。 试说明其导电率和密度随氧分压PO2变化的规律。(以缺陷方程帮助说明)答：(1) TiO2x的缺陷反应方程为：根据质量守恒定律可得，故其密度随氧分压增加而增加，而电导率随氧分压的增加而 减小，与氧分压的1/6次方成反比。(2) Fe1xO缺陷反应方程式为： 根据质量守恒定律可得，故其密度随氧分压增加而下降，而电导率随氧分压 的增加而增加，与氧分压的1/6次方成正比。13. 简述形成置换型固溶体的条件是什么？并举一实例。答：形成连续置换型固溶体的条件：(1) 离子尺寸因素。相互

10、替代的两离子尺寸应满足 弟暑。(2) 晶体结构类型相同。(3) 相互替代的两个离子电价相同或复合替代离子电价总和相同。(4) 相互替代的两个离子电负性相近。Th F/-j、弭片 X I例如：呛日，固溶式为：Mg1-xNixO (x=01)14. 简述形成间隙型固溶体的条件是什么？并举一实例。答：形成间隙型固溶体的条件：间隙型固溶体的固溶度仍然取决于离子尺寸、离子价、电负性、结构等因素。(1) 杂质质点大小。即添加的原子愈小，易形成固溶体。(2) 晶体(基质)结构。但离子尺寸是与晶体结构的关系密切相关的，在一定程度上来说， 结构中间隙的大小起了决定性的作用。基质晶体中空隙愈大，结构愈疏松，易形成

11、固溶 体。(3) 电价因素。保持电价平衡。15. 说明为什么只有置换型固溶体的两个组分之间才能相互完全溶解，而间隙型 固溶体则不能。答：晶体中间隙位置是有限的，容纳杂质质点能力10%，而且间隙式固溶体的生成，一般 都使晶格常数增大，增加到一定的程度，使晶格变得不稳定而离解；置换固溶体形成是同 号离子交换位置，不会对其晶格产生此种影响，所以可形成连续固溶体。16. 试分析形成固溶体后对晶体性质的影响。答:稳定晶格，阻止晶型转变的发生。(2) 活化晶格(3) 固溶强化17. 判断下列系统是否能形成固溶体，如果能，则形成什么固溶体？为什么？(1)MgO-CaO(3)MgO-Al2O 已知：rMg2*

12、3=0.072nmr= 0.100 nmCa2*(2)MgO-CoO(4)PbZrO3-PbTiO3r= 0.070 nmCo2*rAl 3+二 0.039nmrTi 4+二 0.061nmr = 0.140nmO2-rZr 4+二 0.072nm答：对于 MgO-CaO： rCia 2 *MgrCa 2+0.100 - 0.0720.100= 28 % ，此二氧化物结构相同，电价相同，电负性接近，但离子半径相关较大，15%，故只能形成有限置换型固溶体。对于 Mgo-coo： r-rCo2rMg 2 +0.072 - 0.070 = 2.78%，此二氧化物结构相同，电0.072价相同，离子半径

13、相差极小，电负性相差不大。故能形成连续置换型固溶体。对于 Mgo-Al2o3：r 一 rMg 2 甲rMg 2 +0072 - 0.039 = 45.83 %，此二氧化物结构不相,0.072半径相差极大，电负性相差较大，因此，该二氧化物易形成化合物。对于 PbZro3-PbTio3：r - rTi 4 +Zr 4 +rT 4 +0.072二0.061 = 15.27%，此二氧化物结构相同,0.072电价相同，离子半径相差刚大于 15%，但由于该化合物构造相对较为复杂，晶胞较大，因 而对半径的宽容度增大，故此二化合物能形成连续置换型固溶体。18. 试比较固溶体与化合物、机械混合物的差别。答：固溶

14、体机械混合物化合物形成原因以原子尺寸“溶解”生成粉末混合原子间相互反映生 成相数单相均匀多相单相均匀化学计量不遵守定比定律/遵守定比定律化学组成不确定有几种混合物就有多少 化学组成确定19. 试阐述固溶体、热缺陷和非化学计量化合物三者的异同点。答：种类固溶体热缺陷非化学计量物共冋点从缺陷的角度讲，三者均是点缺陷，是晶体结构缺陷，都是单相均匀的固体，结构冋主晶相。不 同 点缺陷产生的原 因不同外来杂质的引入，属 于非本征缺陷热起伏，属于本征缺 陷基质晶体与介质中某 些组分发生交换，属 于非本征缺陷缺陷产生的机 理及表现形式 不同缺陷发生在基质组元 与外加组元之间。表 现形式为外加组元占 据基质组

15、元质点或间 隙的位置缺陷发生于基质晶体 自身质点的迁移。表 现形式为产生空穴或 间隙质点在形式上，可看作为 缺陷发生于同种离子 不同价态间的相互置 换决定缺陷浓度 的因素不同主要取决于杂质的浓 度主要与温度有关主要与温度、气氛、 压力有关20. 试写出以下缺陷方程，每组写二个合理的方程，并判断可能成立的方程是那一种？再写出每组方程的固溶式。(1) Al O MgO 23(2) NiOFe2o3 (3) CaF 23固溶式为Al2xMg1-3xO固溶式为Al Mg O2x l-2x l+x答：(1) Al O MgO 2Al. + V + 302 3Mg Mg OAl O MgO 2Al. + O + 2O2 3Mg i O前者可能。(2) NiO Fe2O3 2N