沈阳理工大学试卷参考答案及评分标准

沈阳理工大学试卷参考答案及评分标准
二〇一〇——二〇一一学年第二学期
参考答案及评分标准
课程名称：材料科学基础参考班级：0806111
命题教师：邓凤萍答案[A或B]： A
答案制作人：柏朝晖答案审核人：
一、比较下列概念：（每题4分，共20分）
1. 位移性转变与重建性转变
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。

②
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。

②
2. 烧结和烧成
烧结：粉料受压成型后在高温作用下而致密化的物理过程。

②
烧成：坯体经过高温处理成为制品的过程，烧成包括多种物理变化和化学变化。

烧成的含义包括的范围广，烧结只是烧成过程中的一个重要部分。

②
3. 正尖晶石型与反正尖晶石型结构
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；②
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。

②
4. 稳定扩散和不稳定扩散
若扩散物质在扩散层dx内浓度不随时间变化，即dc/dt=0为稳定扩散；②
dc/dt≠0为不稳定扩散。

②
5. 一级相变和二级相变
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；②
二〇一〇——二〇一一学年第二学期
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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。

②
二、回答下列问题：（每小题6分，共30分）
1. LiNbO3晶体具有钛铁矿结构，试说明其结构特点及与性能的关系。

LiNbO3晶体其结构可以通过刚玉结构衍生而来。

将刚玉结构中的2个三价阳离子用一价和五价的两种阳离子置换便形成钛铁矿结构。

置换后在同一层内一价和五价离子共存，形成LiNbO3结构。

③
结构中由于自发极化存在着固有电偶极矩，当对这种晶体施加电场时，外电场使晶体中的固有偶极矩的取向倾向于一致或某种优势取向，改变晶体的折射率，即外电场使晶体的折射率发生变化，产生电光效应。

③
2. 说明蒙脱石的晶体结构特点，为什么其有明显的吸湿膨胀特性？
蒙脱石具有复网层结构，由两层硅氧四面体层和夹在中间的水铝石层所组成。

由于结构中Al 3+可被Mg 2+取代，使复网层并不呈电中性，带有少量负电荷（一般为-0.33e ，也可有很大变化）；因而复网层之间有斥力，使略带正电性的水化正离子易于进入层间；③
与此同时，水分子也易渗透进入层间，使晶胞c 轴膨胀，随含水量变化，由0.960nm 变化至
2.140nm ，因此，蒙脱石又称为膨润土。

③
3. 写出TiO 2-x 形成的缺陷反应方程式，它为什么是一种n 型半导体，说明氧分压与电导率的关系。

根据质量作用定律，平衡时，[e’]=2[V 0·· ] ： ∴TiO 2的非化学计量对氧压力敏感，在还原气氛中才能形成TiO 2-x 。

烧结时，氧分压不足会导致
[V 0·· ]升高，[V 0··
]俘获2个电子平衡电价，2个松结合电子在电场作用下参与导电，所以为n 型半导体。

电导率随氧分压升高而降低。

③
↑••++=2O 'O O 2
1V 2e O ][][]][[22/12o o o O e P V K '=••[]6
12
-••∝O O P V []612-••∝O O P V
4. 为什么在成核一生成机理相变中，要有一点过冷或过热才能发生相变 ? 什么情况下需过冷，什么情况下需过热。

由热力学，G H T S ∆=∆-∆，平衡时，0,m
m H G H T S S T ∆∆=∆-∆=∆=， T m ：相变平衡温度；ΔH 相变热，温度T 时，系统处于不平衡状态，则0G H T S ∆=∆-∆≠，
m m m m
T T H T G H T H H T T T -∆∆∆=∆-=∆=∆，要使相变自发进行，0,0m T G H T ∆∆<∆<则，对放热过程如结晶，凝聚ΔH<0则
ΔT>0,T m >0，必须过冷；对吸热过程如蒸发，熔融ΔH>0，则ΔT<0，T m >0，必须过热。

5. 固相烧结与液相烧结的主要传质方式？固相烧结与液相烧结之间有何相同与不同之处？
固相烧结的主要传质方式有蒸发-凝聚传质和扩散传质，液相烧结的主要传质方式有溶解-沉淀传质和流动传质。

固相烧结与液相烧结的共同点是烧结的推动力都是表面能；烧结过程都是由颗粒
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重排、物质传递与气孔充填、晶粒生长等阶段组成。

不同点是：由于流动传质比扩散传质速度快，因而致密化速率高；固相烧结主要与原料粒度和活性、烧结温度、气氛成型压力等因素有关，液相烧结与液相数量、液相性质、液-固润湿情况、固相在液相中的溶解度等有关。

三、计算分析题（共20分）
1. 为观察尖晶石的形成，用过量的MgO 粉包围1μm 的Al 2O 3球形颗粒，在固定温度实验中的第1h 内有20%的Al 2O 3反应形成尖晶石。

试根据（a ）无需球形几何修正时，用杨德尔方程；（b ）作球形几何修正时，计算完全反应的时间？ （10分）
解：（a ）不作球形几何修正用Jander 方程
描述：
1231
23[1(1)][1(1)]/G Kt
K G t --==--
代入题中反应时间1h ，反应程度20%
1
233[1(102)]1513810./.K -=--=⨯
故完全反应所需时间（G ＝1）
3113181019462
h ..t K -==⨯=
（b ）作球形几何校正时用金斯特林格方程描
述：
23232332113
2[11]/3
2 [10.210.2]/13
4.89310h G G Kt K G G t ----==---=-⨯--=⨯（）（）（）
完全反应所需时间，用G ＝1代入公式得
23321[1(1)]33
116812h 33489310..G G Kt t K ----=====⨯⨯
2. 在真空条件下Al 2O 3的表面张力约为0.9J/m 2，液态铁的表面张力为1.72J/m 2，同样条件下的界面张力（液态铁-氧化铝）约为2.3J/m 2，问接触角有多大？液态铁能否润湿氧化铝？（5分）
解：已知γSV ＝0.90J/m 2，γLV ＝0.72J/m 2，γSL
＝2.3J/m 2
cos θ＝SV SL
LV γγγ-＝72.130.290.0-＝－0.8139
θ＝144.48ο
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因为θ>90 ，所以液态铁不能润湿氧化铝。

3．在SiO 2中应加入多少Na 2O ，使玻璃的
O/Si=2.5，此时析晶能力是增强还是削弱？（5分） 解：设加入x mol 的Na 2O ，而SiO 2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。

五、相图题（共10分）
图为生成一个三元化合物的三元相图：
（1）判断化合物N 的性质；
（2）标出界线上的温度下降方向和界线性质；
（3）指出三元无变量点M 、L 、K 的性质；
（4）分析1，2点的结晶路程。

（1）因为化合物N 的组成点在其初晶区之外，
所以化合物N 为不一致熔的三元化合物；
（2分）
（2）界线上的温度下降方向如图所示；（2分）
（3）无边量点L 、M 在其对应的三角形内，所以是低共熔点；无边量点K 在其对应的三角形一
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条边的外侧，所以是单转熔点；（2分）
（共4分，每个点2分）
（4）1点的结晶路程
液相点： )(11N C B L E L L N C L N
L ++→−−−→−−−→−+→→
固相点：11−→−−→−S N
2点的结晶路程
液相点：
)()(22C N B L L N B A L K L L N B L K B A L B L ++→−−−→−+→+−−−→−−−→−+→+→→
固相点：22→→−→−−→−d b S A n。