无机非金属材料科学基础 作业 第4章
例题4-2 （1）在MgO晶体中，肖特基缺陷的生成能为6ev，计算在25℃和1600℃时热缺陷的浓度。
（2）如果MgO晶体中，含有百万分之一mol的Al2O3杂质，则在1600℃时，MgO晶体中是热缺陷占优势还是杂质缺陷占优势？说明原因。
答：
4.4 对某晶体的缺陷测定生成能为84KJ/mol，计算该晶体在1000K和1500K时的缺陷浓度。
答：
4.5 若已知在NaCl晶体中形成一对正负离子空位的形成能Ef=2.54eV，试计算当温度为296K是的肖特基缺陷浓度？
4.6 试写出在下列二种情况，生成什么缺陷？缺陷浓度是多少？（1）在Al2O3中，添加摩尔分数为0.01%的Cr2O3，生成淡红宝石。
（2）在Al2O3中，添加摩尔分数为0.5%的NiO，生成黄宝石。
答：
4.7
答：
4.10 试写出下列缺陷方程：
答：
4.15 用0.2mol YF3加入CaF2中形成固溶体，实验测得固溶体的晶胞参数a=0.55nm，测得固溶体密度ρ=3.64g/cm3，试计算说明固溶体的类型？（元素的相对原子质量：Y=88.90；Ca=40.08；F=19.00）
答：
4.20 非化学计量缺陷的浓度与周围气氛的性质、压力大小相关，如果增大周围氧气的分压，非化学计量化合物Fe1-xO及Zn1+xO的密度将发生怎样变化？增大？减少？为什么？答：
4.21 非化学计量化合物FexO中，Fe3+/Fe2+=0.1（离子数比），求FexO中的空位浓度及x值。
答：。
材料科学基础 第4章 点缺陷和扩散
化、烧结等都产生了重要的影响。
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二、离子晶体中的空位及间隙原子
肖脱基缺陷:为了保持晶体的电的中性，空位只能 以与晶体相同的正离子:负离子的空位比率小组的 方式产生。这些电中性的正离子-负离子-空位丛簇 称为。 弗兰克缺陷：以空位/间隙对形式存在的缺陷群。
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关于空位的总结
空位是热力学上稳定的点缺陷，一定的温度对应一定的 平衡浓度，偏高或偏低都不稳定。
不同金属的空位形成能是不同的，一般高熔点金属的形 成能大于低熔点金属的形成能。
空位浓度、空位形成能和加热温度之间的关系密切。在 相同的条件下，空位形成能越大，则空位浓度越低；加 热温度越高，则空位浓度越大。 C平＝exp[-Ev/kT+Sc/k]
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空位迁移也要克服一定的“势垒”，也即空位迁移能Qfv。 迁移速率为: j=zexp(Sc/k)exp(-Qfv/kT)
金属熔点越高，空位形成能和迁移能越大。所以，在相 同条件下，高熔点金属形成的空位数比低熔点金属少。
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5.材料中空位的实际意义
空位迁移是许多材料加工工艺的基础。
晶体中原子的扩散就是依靠空位迁移而实现的。 在常温下空位迁移所引起的原子热振动动能显著提高，再加上高 温下空位浓度的增多，因此高温下原子的扩散速度十分迅速。
53扩散分类1根据?c?t分类稳态扩散和非稳态扩散2根据?c?x分类?c?x0自扩散在纯金属和均匀合金中进行?c?x?0互扩散上坡扩散和下坡扩散3根据扩散途径分类体扩散晶界扩散表面扩散短程扩散沿位错进行的扩散4根据合金组织分类单相扩散多相扩散54二扩散的物理描述fick第一扩散定律影响原子移动的速率即扩散速率的因素
材料科学基础第四章PPT课件
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• 凡成分在MN范围之内的合金，冷却到温度tE时都会发生共晶反应，称MN线为 共晶线。E点称为共晶点或共晶成分。
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Pb-Sn 合金的 二元共 晶组织 显微像 片
• 共晶反应的产物是两个固相的混合物，称为共晶体或共晶组织。 • 成分对应于共晶点的合金叫共晶合金；B成分低于E的合金叫亚共晶合金；B成分
• 当共晶体中两相之间的比界面能较低时，尽管一组成相的体积分数小于30%， 仍有可能形成片状共晶体。
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• 4.3.3.2 粗糙-平滑界面(金属-非金属型)共晶：这类共晶的组织形状不规则。其 主要原因是由于非金属相晶体结构上的特性不同，具有较高的融化熵和长大时明 显的各向异性。
• 如Al-Si系共晶的 • 两相参差不齐， • Si相成长时各向 • 异性，产生分枝。
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• 本例合金的室温组织为α+βЏ。 βⅡ一般分布在原α相晶粒的晶界上，有时也在晶 内析出。
• 次生相从固相中析出，相界圆滑，呈小颗粒状(见图4-20)。 • 第二相的出现会影响合金性能。若第二相硬度较高并呈弥散状分布，则会使合金
强化；若第二相沿晶界呈网状分布则会降低合金塑性。 • 第二相的形态和分布可通过热处理控制。
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• 4.3.3 共晶组织及形成机理 • 共晶组织的基本特征是两相交替排列。呈片状，针状，螺旋状和球状等。把共晶
体的形貌和两相的融化熵结合分析，可将共晶组织分为三类：粗糙-粗糙界面(金 属-金属型)共晶；粗糙-平滑界面(金属-非金属型)共晶；平滑-平滑界面(非金属 -非金属型)共晶。
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无机材料科学基础第四章非晶态结构与性质
第4章非晶态构造与性质一、名词解释1．熔体与玻璃体：熔体即具有高熔点的物质的液体。
熔体快速冷却形成玻璃体。
2．聚合与解聚：聚合：各种低聚物相互作用形成高聚物解聚：高聚物分化成各种低聚物3．晶子学说与无规那么网络学说：晶子学说〔有序、对称、具有周期性的网络构造〕：1硅酸盐玻璃中含有无数的晶子2晶子的互相组成取决于玻璃的化学组成3晶子不同于一般微晶，而是带有晶体变形的有序区域，在晶子中心质点排列较有规律，远离中心那么变形程度增大4晶子分散于无定形物质中，两者没有明显界面无规那么网络学说〔无序不对称不具有周期性的网络构造〕1形成玻璃态的物质与晶体构造相类似，形成三维的空间网格构造2这种网络是离子多面体通过氧桥相连进而向三维空间规那么-4．网络形成体与网络变性体：网络形成体：能够单独形成玻璃的氧化物网络变性体：不能单独形成玻璃的氧化物5．桥氧与非桥氧：桥氧：玻璃网络中作为两个成网多面体所共有顶角的氧非桥氧：玻璃网络中只与一个成网多面体相连的氧二、填空与选择1.玻璃的通性为：各向同性、介稳性、由熔融态向玻璃态转化是可逆与渐变的，无固定熔点、由熔融态向玻璃态转化时，物理、化学性质随温度的变化连续性和物理化学性质随成分变化的连续性。
2．氧化物的键强是形成玻璃的重要条件。
根据单键强度的大小可把氧化物中的正离子分为三类：网络形成体、网络中间体和网络改变体；其单键强度数值范围分别为单键强度＞335KJ/mol、单键强度介于250~335KJ/mol 和单键强度＜250~335KJ/mol。
3．聚合物的形成可分为三个阶段，初期：石英颗粒的分化；中期：缩聚与变形；后期：在一定时间内分化与缩聚到达平衡。
4．熔体构造的特点是：近程有序、远程无序。
5．熔体是物质在液相温度以上存在的一种高能量状态，在冷却的过程中可以出现结晶化、玻璃化和分相三种不同的相变过程。
-6．在玻璃性质随温度变化的曲线上有二个特征温度Tg〔脆性温度〕和Tf 〔软化温度〕，与这二个特征温度相对应的粘度分别为1012Pa·s和108Pa·s。
《材料科学基础》作业题及答案-西北工业大学
第4章——三元合金相图习题及答案12.图4-120为Pb-Sn-Zn 三元相图液面投影图。
（1）在图上标出合金X(w Pb =0.75，w Sn =0.15，w Zn =0.10)的位置，合金Y(w Pb =0.50，w Sn =0.30，w Zn =0.20)的位置及合金Z(w Pb =0.10，w Sn =0.10，w Zn =0.80)的位置。
（2）若将2kgX ，4kgY 及6kgZ 混熔成合金W ，指出W 成分点位置。
（3）若有3kg 合金X ，问需要配何种成分的合金才能混合成6kg 合金Y 。
解：（1）（2）W 合金的成分： w Pb =(0.75×2+0.50×4+0.10×6)/(2+4+6)=0.342 w Sn =(0.15×2+0.30×4+0.10×6)/(2+4+6)=0.175 w Zn =(0.10×2+0.20×4+0.80×6)/(2+4+6)=0.483 (3)需要合金6-3=3kg 合金A ，其成分为： w Pb =（0.50×6-0.75×3）/3=0.25 w Sn =（0.30×6-0.15×3）/3=0.45 w Zn =（0.20×6-0.10×3）/3=0.314.试分析图4-96中所示①，②，③，④和⑤区内合金的结晶过程，冷却曲线及组织变化示意图，并在图上标出各相成分变化的路线。
解：时间温度15.试分析图4-102所示中Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ和Ⅴ区内合金的结晶过程，冷却曲线及组织组成物。
解：温度时间 温度时间时间温度。
第4章习题及答案 无机材料科学基础
第四章非晶态结构与性质4-3试用实验方法鉴别晶体SiO2、SiO2玻璃、硅胶和SiO2熔体。
它们的结构有什么不同？解：利用X射线检测。
晶体SiO2——质点在三维空间做有规律的排列，各向异性。
SiO2熔体——内部结构为架状，近程有序，远程无序。
SiO2玻璃——各向同性。
硅胶——疏松多孔。
4-4影响熔体粘度的因素有哪些？试分析一价碱金属氧化物降低硅酸盐熔体粘度的原因。
解：（1）影响熔体粘度的主要因素：温度和熔体的组成。
碱性氧化物含量增加，剧烈降低粘度。
随温度降低，熔体粘度按指数关系递增。
（2）通常碱金属氧化物（Li2O、Na2O、K2O、Rb2O、Cs2O）能降低熔体粘度。
这些正离子由于电荷少、半径大、和O2－的作用力较小，提供了系统中的“自由氧”而使O/Si比值增加，导致原来硅氧负离子团解聚成较简单的结构单位，因而使活化能减低、粘度变小。
4-5熔体粘度在727℃时是107Pa·s，在1156℃时是103 Pa·s，在什么温度下它是106 Pa·s？解：根据727℃时，η=107Pa·s，由公式得：（1）1156℃时，η=103 Pa·s，由公式得：（2）联立（1），（2）式解得∴A=-6.32，B=13324当η=106 Pa·s时，解得t =808.5℃。
4-14影响玻璃形成过程中的动力学因素是什么？结晶化学因素是什么？试简要叙述之。
解：影响玻璃形成的关键是熔体的冷却速率，熔体是析晶还是形成玻璃与过冷度、粘度、成核速率、晶体生长速率有关。
玻璃形成的结晶化学因素有：复合阴离子团大小与排列方式，键强，键型。
4-16有两种玻璃其组成（mol％）如下表，试计算玻璃的结构参数，并比较两种玻璃的粘度在高温下何者大？解：1号：Z=4，Al3+被视为网络形成离子X1=2R-Z=0.5，Y1=4-0.5=3.52号：Z=4，Al3+被视为网络改变离子X2=2R-Z=1.5，Y2=4-1.5=2.5Y1>Y2 高温下1号玻璃的粘度大。
材料科学基础-第4章相图
材料的相结构与相图
PHASE STRUCTURE AND PHASE DIAGRAM OF MATERIALS
材料的相结构 二元相图及其类型 复杂相图分析 相图的热力学基础 三元相图及其类型
THE END
第一节
材料的相结构
PHASE STRUCTURE OF MATERIALS
相 — 体系中成分、结构、性能相同且与 其他部分有界面隔开的均匀部分或 连续变化的部分 合金中的相
(4) 晶内偏析及其有害影响 晶内偏析—固溶体晶粒内部成分不均匀的 现象，也称枝晶偏析．枝干富含高熔点 组元，枝间富含低熔点组元． 偏析倾向：取决于 L/S 相线垂直距离 偏析程度：取决于 L/S 相线水平距离 有害影响
⎧ ⎨ ⎩
降低强度、塑性、韧性 降低抗腐蚀性能 加热时过早熔化
(5) 均匀化退火—将有晶内偏析的材料加热至 固相线以下100～200℃长期保温
E AB E AB
1 = ( E AA + E BB ) 2 1 > ( E AA + E BB ) 2 1 < ( E AA + EBB ) 2
无序 偏聚 有序
2) 有序固溶体（超结构） 能量条件 形成条件
E AB 1 < ( E AA + EBB ) 2
成分条件 A、B成一定比例 温度条件 低于一定温度
5) 具有匀晶相图的陶瓷系统
Mg2SiO4→(Mg,Fe)2SiO4→(Fe,Mg)2SiO4→Fe2SiO4
Mg2SiO4-Fe2SiO4 相图
Mg[CO3]－Fe[CO3]， K[AlSi3O8]－Na[AlSi3O8] 其它： 菱镁矿 菱铁矿 钾长石 钠长石
2. 共晶相图及结晶分析 1) 相图分析
高考化学 第四章 第一节 无机非金属材料的主角——硅课时作业 新人教版
【复习方略】（天津专供）2014版高考化学第四章第一节无机非金属材料的主角——硅课时作业新人教版(45分钟100分)一、选择题(本题包括10小题,每小题6分,共60分)1.节能减排对发展经济、保护环境有重要意义。
下列措施不能减少二氧化碳排放的是( )A.利用太阳能制氢B.关停小火电企业C.举行“地球一小时”熄灯活动D.推广使用煤液化技术2.下列说法摘自一些科普杂志或广告用语,你认为没有科学性错误的是( )A.化学家采用玛瑙研钵摩擦固体反应物进行无溶剂合成,玛瑙的主要成分是硅酸盐B.夏天到了,游客佩戴由添加氧化亚铜的二氧化硅玻璃制作的变色眼镜来保护眼睛C.“白雪牌”漂粉精,令所有化学物质黯然失“色”,没有最白,只有更白D.硅的提纯与应用,促进了半导体元件与集成芯片产业的发展,可以说“硅是信息技术革命的催化剂”3.下列关于碳和硅的叙述中,正确的是( )A.其氧化物都能与NaOH溶液反应B.其单质在加热时都能跟O2反应C.其氧化物都能溶于水生成相应的酸D.碳和硅两种元素共有两种单质4.(2013·芜湖模拟)用4种溶液进行实验,下表中“操作及现象”与“溶液”对应关系错误的是( )5.下列离子方程式书写正确的是( )A.往澄清石灰水中通入过量的二氧化碳:Ca2++2OH-+CO2====CaCO3↓+H2OB.往碳酸钠溶液中加入二氧化硅:C错误!未找到引用源。
+SiO2====Si错误!未找到引用源。
+CO2↑C.二氧化硅与烧碱溶液反应:SiO2+2OH-====Si错误!未找到引用源。
+H2↑D.硅酸与烧碱溶液中和:H2SiO3+2OH-====Si错误!未找到引用源。
+2H2O6.(2013·大连模拟)证明生石灰中既混有石英,又混有石灰石的正确方法是( )A.加入过量的盐酸,观察是否有气泡冒出B.加入过量的烧碱溶液,观察是否有固体溶解C.加热至高温,观察是否有气泡冒出,是否有硅酸钙生成D.先加过量的盐酸搅拌,观察是否有不溶物剩余及气泡出现;若有不溶物则滤出,投入到氢氧化钠溶液中看其是否溶解7.硅及其化合物在材料领域中应用广泛。
2014年《材料科学基础》作业
注意：习题按以下内容结构给出，加深理解本课程的内容和结构。
绪论第一篇材料的原子结构第一章材料的原子结构第二篇材料的晶体结构与缺陷第二章材料的结构第三章晶体结构缺陷第七章晶态固体材料中的界面第三篇材料的组织结构第五章相平衡与相图第四章晶态固体中的扩散第六章材料的凝固-----材料的制备工艺基础理论材料的结构相图与相变【综合习题】绪论一、填空题1、材料科学主要研究的核心问题是结构和性能的关系。
材料的结构是理解和控制性能的中心环节，结构的最微细水平是原子水平，第二个水平是原子的排列方式，第三个水平是显微组织。
2. 根据材料的性能特点和用途，材料分为结构材料和功能材料两大类。
根据原子之间的键合特点，材料分为金属、陶瓷、高分子和复合材料四大类。
第一篇材料的原子结构第一章材料的原子结构一、填空题1. 金属材料中原子结合以金属键为主，陶瓷材料（无机非金属材料）以共价键和离子键结合键为主，聚合物材料以共价键和氢键和范德华键为主。
第二篇 材料的晶体结构与缺陷第二章 材料的结构一、填空题1、晶体是 基元以周期性重复的方式在三维空间作有规则排列的固体。
2、晶体与非晶体的最根本区别是 晶体长程有序，非晶体长程无序短程有序 。
3、晶胞是 晶体结构中的最小单位 。
4、根据晶体的对称性，晶系有 3 大晶族， 7 大晶系， 14 种布拉菲Bravais 点阵， 32 种点群， 230 种空间群。
5、金属常见的晶格类型有 面心立方 、 体心立方 、 密排六方 。
6、fcc 晶体的最密排方向为 【111】 ，最密排面为 （110） ，最密排面的堆垛顺序为 ABCABCABC …… 。
7、fcc 晶体的致密度为 0.84 ，配位数为 12 ，原子在（111）面上的原子配位数为 6 。
8、bcc 晶体的最密排方向为 【110】 ，最密排面为 （111） ，致密度为 0.76 ，配位数为 8 。
9、晶体的宏观对称要素有 对称点 、 对称轴 、 对称面 。
材料科学基础 第4章 4.2
§4-4 纯金属晶体的长大
不论是均匀形核还是非均匀形核，稳定的晶核形成后都要继续长大。
首先讨论纯金属晶体的长大，就是不考虑溶质成分对晶体长大的影响。
晶体长大同样需要一定的过冷度，以获得由液态转变为固态的驱动力。
晶体的长大可以从宏观和微观两个方面分析：
宏观长大：主要研究晶体长大过程中液
微观长大：主要研究原子进入固相表面（液
一、宏观长大方式
纯金属晶体长大过程中，液-固界面的形态取决于界面前沿液相中的温度分布（温度梯度）。
温度梯度：温度随距离的变化（d
光滑界面二维晶核长大：。
无机非金属材料科学基础课后习题及答案
第二章答案2-1略。
2-2（1）一晶面在x、y、z轴上的截距分别为2a、3b、6c，求该晶面的晶面指数；（2）一晶面在x、y、z轴上的截距分别为a/3、b/2、c，求出该晶面的晶面指数。
答：（1）h:k:l==3:2:1,∴该晶面的晶面指数为（321）；（2）h:k:l=3:2:1，∴该晶面的晶面指数为（321）。
2-3在立方晶系晶胞中画出下列晶面指数和晶向指数：（001）与[]，（111）与[]，（）与[111]，（）与[236]，（257）与[]，（123）与[]，（102），（），（），[110]，[]，[]答：2-4定性描述晶体结构的参量有哪些？定量描述晶体结构的参量又有哪些？答：定性：对称轴、对称中心、晶系、点阵。
定量：晶胞参数。
2-5依据结合力的本质不同，晶体中的键合作用分为哪几类？其特点是什么？答：晶体中的键合作用可分为离子键、共价键、金属键、范德华键和氢键。
离子键的特点是没有方向性和饱和性，结合力很大。
共价键的特点是具有方向性和饱和性，结合力也很大。
金属键是没有方向性和饱和性的的共价键，结合力是离子间的静电库仑力。
范德华键是通过分子力而产生的键合，分子力很弱。
氢键是两个电负性较大的原子相结合形成的键，具有饱和性。
2-6等径球最紧密堆积的空隙有哪两种？一个球的周围有多少个四面体空隙、多少个八面体空隙？答：等径球最紧密堆积有六方和面心立方紧密堆积两种，一个球的周围有8个四面体空隙、6个八面体空隙。
2-7n个等径球作最紧密堆积时可形成多少个四面体空隙、多少个八面体空隙？不等径球是如何进行堆积的？答：n个等径球作最紧密堆积时可形成n个八面体空隙、2n个四面体空隙。
不等径球体进行紧密堆积时，可以看成由大球按等径球体紧密堆积后，小球按其大小分别填充到其空隙中，稍大的小球填充八面体空隙，稍小的小球填充四面体空隙，形成不等径球体紧密堆积。
2-8写出面心立方格子的单位平行六面体上所有结点的坐标。
答：面心立方格子的单位平行六面体上所有结点为：（000）、（001）（100）（101）（110）（010）（011）（111）（0）（0）（0）（1）（1）（1）。