无机材料科学基础试卷十
一、名词解释（20分）：
1. 一致熔融化合物，三角形规则
2. 非本征扩散，稳定扩散
3. 非均匀成核, 一级相变，
2. 晶粒生长，二次再结晶
二、选择题（12分）：
1. 陶瓷经烧结后在宏观上的变化表述不正确的是（ ）
A.强度增加 B.体积收缩 C.气孔率降低 D.致密度减少
2. 在反应温度下，当固相反应的某一相发生晶型转变时，反应速度是（ ）
A. 无影响 B. 加快 C. 减慢
A.Ds﹥Dg﹥Db B. Ds﹥Db﹥Dg
C.Db﹥Ds﹥Dg D. Db﹥Dg﹥Ds
4. 下列属于逆扩散过程的是（ ）
A. 二次再结晶 B.杂质的富集于晶界 C.布朗运动
5. A，B进行反应生成AmBn,为扩散控制的固相反应，若DB》DA，则在AmBn-A界面上，反应物B的浓度CB为（ ）
A.1 B.0 C.不确定
6. 烧结中晶界移动的推动力是（ ）
A.表面能 B.晶界两侧自由焓差 C.空位浓度差
7. 同一种物质在晶体中的扩散系数（ ）在玻璃中的扩散系数
A．大于 B．等于 C．小于 D．不确定
8. 金斯特林格方程采用的反应截面模型为（ ）
A.平板 B.球体 C.球壳 D.圆柱
9. 下列过程中，哪一个能使烧结体的强度增加而不引起坯体收缩？
A.蒸发-凝聚 B.体积扩散 C.流动传质 D.溶解-沉淀
10.纯固相反应，反应过程是（ ）
A.放热过程 B.等温过程 C.吸热过程
11. 在制造透明Al2O3陶瓷材料时，原料粉末的粒度为2μm，在烧结温度下保温30分钟，测得晶粒尺寸为10μm。若在同一烧结温度下保温4小时，晶粒尺寸为（ ）, 为抑制晶粒生长加入0.1％MgO，此时若保温4小时，晶粒尺寸为（ ）。
A. 16μm B. 20μm C. 24μm D. 28μm
三、填空题（18分） 3. 表面扩散系数Ds，界面扩散系数Dg，晶格扩散系Db的关系是（ ）
1. 烧结的主要传质方式有蒸发-凝聚传质、扩散传质、流动传质和溶解-沉淀传质四种，产生这四种传质的原因依次为（ ）、（ ）、（ ）和（ ）。
2. 均匀成核的成核速率Iv由 （ ） 和 （ ） 因子所决定的。
3. 菲克第一定律的应用条件是（ ），菲克第二定律的应用条件是（ ）
4. 液-固相变过程的推动力为（ ） 、 （ ） 和 （ ）。
5. 固体内粒子的主要迁移方式有（ ） 、 （ ）。
6. 如杂质的量增加，扩散系数与温度关系曲线中本征与非本征扩散的转折点（ ）。
7. 合成镁铝尖晶石，可选择的原料为MgCO3 , MgO, γ-Al2O3, α-Al2O3, 从提高反应速率的
角度出发选择（ ），（ ）原料较好。
8. 在均匀成核时，临界成核位垒ΔGk=（ ）,其值相当于（ ）
具有临界半径rk的粒子数nk/N= （ ）。
9. 液-固相变时，非均匀成核位垒与接触角θ有关，当θ为（ ）时，非均匀成核位垒为
零。
10. 成核生长机理的相变过程需要有一定的过冷或过热，相变才能发生，在（ ）情况下
需要过冷。
11. 在制硅砖时，加入氧化铁和氧化钙的原因（ ），能否加入氧化铝
（ ）。
12. 在液相线以下的分相区的亚稳区内，其分解机理为（ ），新相成（ ）状，不稳定区的分解机理为（ ），新相成（ ）状。
四、简答题（30分）
1. 试比较杨德尔方程和金斯特林格方程的优缺点及其适用条件。（8分）
2. 相变过程的推动力是什么？（8分）
3．晶界移动遇到气孔时会出现几种情况，从实现致密化目的考虑，晶界应如何移动？怎样控制？ （8分）
4.说明影响扩散的因素？（6分）
六、相图分析（20分）
下图为CaO-A12O3-SiO2系统的富钙部分相图，对于硅酸盐水泥的生产有一定的参考价值。试：
1、画出有意义的付三角形；
2、用单、双箭头表示界线的性质；
3、说明F、H、K三个化合物的性质和写出各点的相平衡式；
4、分析M#熔体的冷却平衡结晶过程并写出相变式；
5、并说明硅酸盐水泥熟料落在小圆圈内的理由；
6、为何在缓慢冷却到无变量点K（1455℃）时再要急剧冷却到室温？
无机材料科学基础试卷十标准答案与评分标准
一、名词解释（20分）：
1. 一致熔融化合物，三角形规则
答：一致熔融化合物是一种稳定的化合物，与正常的纯物质一样具有固定的熔点，熔化时，产生的液相与化合物组成相同。（2.5分）
三角形规则：原始熔体组成点所在副三角形的三个顶点表示的物质即为其结晶产物；与这三个物质相应的初初晶区所包围的三元无变量点是其结晶结束点。（2.5分）
4. 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）
5. 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（2.5）
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）
二、选择题（12分）：每题1分
1. D 2.B 3. A 4.B 5.B 6.B 7.C 8.B 9.A 10.A 11.D, B
三、填空题（18分）（每空0.7分）
1. 压力差、空位浓度差、应力-应变和溶解度；
2. 受核化位垒影响的成核率因子、受原子扩散影响的成核率因子
3. 稳定扩散、不稳定扩散
4. 过冷度、过饱和浓度、过饱和蒸汽压
5. 空位机构、间隙机构
6. 向左
7. MgCO3、 α-Al2O3
8. 1/3Akγ、新相界面能的1/3、exp（-ΔGk/RT）
9. 0º
10. 相变过程放热
11. 作为矿化剂，产生不同晶型石英溶解度不同的液相，不能
12. 成核-生长机理、孤立的球形颗粒、旋节分解区（Spinodale）、高度连续性的非球形颗粒、
四、简答题（30分）
1. 试比较杨德尔方程和金斯特林格方程的优缺点及其适用条件。（8分）
答：杨德尔方程在反应初期具有很好的适应性，但杨氏模型中假设球形颗粒反应截面积始终不变，因而只适用反应初期转化率较低的情况。（4分）而金氏模型中考虑在反应进程中反应截面积随反应进程变化这一事实，因而金氏方程适用范围更广，可以适合反应初、中期。两个方程都只适用于稳定扩散的情况。（4分）
2. 相变过程的推动力是什么？（8分）
答：总的推动力：相变过程前后自由能的差值
1、相变过程的温度条件
在等温等压下，ΔG=ΔH-TΔS
在平衡条件下，ΔG＝0，则ΔS=ΔH/T0
式中：T0——相变的平衡温度；ΔH——相变热。
在任意一温度了的不平衡条件下，则有ΔG=ΔH-TΔS≠0
若ΔH与ΔS不随温度而变化，
ΔG=ΔH-TΔH/T0=ΔH（T0-T）/T0=ΔHΔT/T0
相变过程放热ΔHO，T
相变过程吸热ΔH>O，要使ΔGT0,过热。
因此相平衡理论温度与系统实际温度之差即为该相变过程的推动力。 (2分)
2．相变过程的压力和浓度条件
(1)气相，恒温下ΔG=RTlnP0/P 欲使ΔG P0 即汽相过饱和。(2分)
(2)溶液 ΔG=RTlnC0/C 欲使ΔG C0 即液相过饱和。 (2分) 综上所述，相变过程的推动力应为过冷度、过饱和浓度、过饱和蒸汽压。即相变时系统温度、浓度和压力与相平衡时温度、浓度和压力之差值。(2分)
3．烧结的主要传质方式有那些?分析产生的原因是什么? （8分）
答：烧结初期，晶界上气孔数目很多，此时气孔阻止晶界移动，Vb=0。（1分）烧结中、后期，温度控制适当，气孔逐渐减少。可以出现Vb=Vp，此时晶界带动气孔以正常速度移动，使气孔保持在晶界上，气孔可以利用晶界作为空位传递的快速通道而迅速汇集或消失。（2分）继续升温导致Vb》Vp，晶界越过气孔而向曲率中心移动，气孔包入晶体内部，只能通过体积扩散排除，这是十分困难的。（2分）
从实现致密化目的考虑，晶界应带动气孔以正常速度移动，使气孔保持在晶界上，气孔可以利用晶界作为空位传递的快速通道而迅速汇集或消失。（1分）
控制方法：控制温度，加入外加剂等。（2分）
4．说明影响扩散的因素？（6分）
答：化学键：共价键方向性限制不利间隙扩散，空位扩散为主。金属键离子键以空位扩散为主，间隙离子较小时以间隙扩散为主。（1分）
缺陷：缺陷部位会成为质点扩散的快速通道，有利扩散。（1分）
温度：D=D0exp（-Q/RT）Q不变，温度升高扩散系数增大有利扩散。Q越大温度变化对扩散系数越敏感。（1分）
杂质：杂质与介质形成化合物降低扩散速度；杂质与空位缔合有利扩散；杂质含量大本征扩散和非本征扩散的温度转折点升高。（1分）
扩散物质的性质：扩散质点和介质的性质差异大利于扩散。（1分）
扩散介质的结构：结构紧密不利扩散。（1分）
六、相图分析（20分）
1、如图所示；（3分）
2、如图所示（7分）
3、F点低共熔点，LF→C3A+C12A7+C2S （1分）
H点单转熔点，LH+CaO→C3A+C3S （1分）
K点单转熔点，LK+C3S→C3A+C2S （1分）
4、M点：
L→C2S L→C2S+C3S L+C2S→C3S
液：M------→a------------→y--------------→K始(LK+C3S→C2S+C3A)→K终（2分）
f=2 f=1 f=1 f=0
C2S C2S+C3S C2S+C3S C2S+C3S+C3A
固：D---→D------→b---------→d---------------→M （1分）
5、因为硅酸盐水泥熟料中三个主要矿物是C3S、C2S、C3A。根据三角形规则，只有当组
成点落在C3S-C2S-C3A付三角形中，烧成以后才能得到这三种矿物。从早期强度和后期强度、水化速度、矿物的形成条件等因素考虑，水泥熟料C3S的含量应当
最高，C2S次之，C3A最少。根据杠杆规则，水泥熟料的组成点应当位于C3S-
C2S-C3A付三角形中小圆圈内。（2分）
6、因为缓慢冷却到K点，可以通过转熔反应L+C2S→C3S得到尽可能多的C3S。到达K点后，急剧冷却到室温，可以（1）防止C3S含量降低，因为K点的转熔反应LK+C3S→C2S+C3A；（2）使C2S生成水硬性的β-C2S，而不是非水硬性的γ-C2S；（3）液相成为玻璃相，可以提高熟料的易磨性。（2分）
无机材料科学基础试卷十
一、名词解释（20分）：
1. 一致熔融化合物，三角形规则
2. 非本征扩散，稳定扩散
3. 非均匀成核, 一级相变，
2. 晶粒生长，二次再结晶
二、选择题（12分）：
1. 陶瓷经烧结后在宏观上的变化表述不正确的是（ ）
A.强度增加 B.体积收缩 C.气孔率降低 D.致密度减少
2. 在反应温度下，当固相反应的某一相发生晶型转变时，反应速度是（ ）
A. 无影响 B. 加快 C. 减慢
A.Ds﹥Dg﹥Db B. Ds﹥Db﹥Dg
C.Db﹥Ds﹥Dg D. Db﹥Dg﹥Ds
4. 下列属于逆扩散过程的是（ ）
A. 二次再结晶 B.杂质的富集于晶界 C.布朗运动
5. A，B进行反应生成AmBn,为扩散控制的固相反应，若DB》DA，则在AmBn-A界面上，反应物B的浓度CB为（ ）
A.1 B.0 C.不确定
6. 烧结中晶界移动的推动力是（ ）
A.表面能 B.晶界两侧自由焓差 C.空位浓度差
7. 同一种物质在晶体中的扩散系数（ ）在玻璃中的扩散系数
A．大于 B．等于 C．小于 D．不确定
8. 金斯特林格方程采用的反应截面模型为（ ）
A.平板 B.球体 C.球壳 D.圆柱
9. 下列过程中，哪一个能使烧结体的强度增加而不引起坯体收缩？
A.蒸发-凝聚 B.体积扩散 C.流动传质 D.溶解-沉淀
10.纯固相反应，反应过程是（ ）
A.放热过程 B.等温过程 C.吸热过程
11. 在制造透明Al2O3陶瓷材料时，原料粉末的粒度为2μm，在烧结温度下保温30分钟，测得晶粒尺寸为10μm。若在同一烧结温度下保温4小时，晶粒尺寸为（ ）, 为抑制晶粒生长加入0.1％MgO，此时若保温4小时，晶粒尺寸为（ ）。
A. 16μm B. 20μm C. 24μm D. 28μm
三、填空题（18分） 3. 表面扩散系数Ds，界面扩散系数Dg，晶格扩散系Db的关系是（ ）
1. 烧结的主要传质方式有蒸发-凝聚传质、扩散传质、流动传质和溶解-沉淀传质四种，产生这四种传质的原因依次为（ ）、（ ）、（ ）和（ ）。
2. 均匀成核的成核速率Iv由 （ ） 和 （ ） 因子所决定的。
3. 菲克第一定律的应用条件是（ ），菲克第二定律的应用条件是（ ）
4. 液-固相变过程的推动力为（ ） 、 （ ） 和 （ ）。
5. 固体内粒子的主要迁移方式有（ ） 、 （ ）。
6. 如杂质的量增加，扩散系数与温度关系曲线中本征与非本征扩散的转折点（ ）。
7. 合成镁铝尖晶石，可选择的原料为MgCO3 , MgO, γ-Al2O3, α-Al2O3, 从提高反应速率的
角度出发选择（ ），（ ）原料较好。
8. 在均匀成核时，临界成核位垒ΔGk=（ ）,其值相当于（ ）
具有临界半径rk的粒子数nk/N= （ ）。
9. 液-固相变时，非均匀成核位垒与接触角θ有关，当θ为（ ）时，非均匀成核位垒为
零。
10. 成核生长机理的相变过程需要有一定的过冷或过热，相变才能发生，在（ ）情况下
需要过冷。
11. 在制硅砖时，加入氧化铁和氧化钙的原因（ ），能否加入氧化铝
（ ）。
12. 在液相线以下的分相区的亚稳区内，其分解机理为（ ），新相成（ ）状，不稳定区的分解机理为（ ），新相成（ ）状。
四、简答题（30分）
1. 试比较杨德尔方程和金斯特林格方程的优缺点及其适用条件。（8分）
2. 相变过程的推动力是什么？（8分）
3．晶界移动遇到气孔时会出现几种情况，从实现致密化目的考虑，晶界应如何移动？怎样控制？ （8分）
4.说明影响扩散的因素？（6分）
六、相图分析（20分）
下图为CaO-A12O3-SiO2系统的富钙部分相图，对于硅酸盐水泥的生产有一定的参考价值。试：
1、画出有意义的付三角形；
2、用单、双箭头表示界线的性质；
3、说明F、H、K三个化合物的性质和写出各点的相平衡式；
4、分析M#熔体的冷却平衡结晶过程并写出相变式；
5、并说明硅酸盐水泥熟料落在小圆圈内的理由；
6、为何在缓慢冷却到无变量点K（1455℃）时再要急剧冷却到室温？
无机材料科学基础试卷十标准答案与评分标准
一、名词解释（20分）：
1. 一致熔融化合物，三角形规则
答：一致熔融化合物是一种稳定的化合物，与正常的纯物质一样具有固定的熔点，熔化时，产生的液相与化合物组成相同。（2.5分）
三角形规则：原始熔体组成点所在副三角形的三个顶点表示的物质即为其结晶产物；与这三个物质相应的初初晶区所包围的三元无变量点是其结晶结束点。（2.5分）
4. 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）
5. 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（2.5）
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）
二、选择题（12分）：每题1分
1. D 2.B 3. A 4.B 5.B 6.B 7.C 8.B 9.A 10.A 11.D, B
三、填空题（18分）（每空0.7分）
1. 压力差、空位浓度差、应力-应变和溶解度；
2. 受核化位垒影响的成核率因子、受原子扩散影响的成核率因子
3. 稳定扩散、不稳定扩散
4. 过冷度、过饱和浓度、过饱和蒸汽压
5. 空位机构、间隙机构
6. 向左
7. MgCO3、 α-Al2O3
8. 1/3Akγ、新相界面能的1/3、exp（-ΔGk/RT）
9. 0º
10. 相变过程放热
11. 作为矿化剂，产生不同晶型石英溶解度不同的液相，不能
12. 成核-生长机理、孤立的球形颗粒、旋节分解区（Spinodale）、高度连续性的非球形颗粒、
四、简答题（30分）
1. 试比较杨德尔方程和金斯特林格方程的优缺点及其适用条件。（8分）
答：杨德尔方程在反应初期具有很好的适应性，但杨氏模型中假设球形颗粒反应截面积始终不变，因而只适用反应初期转化率较低的情况。（4分）而金氏模型中考虑在反应进程中反应截面积随反应进程变化这一事实，因而金氏方程适用范围更广，可以适合反应初、中期。两个方程都只适用于稳定扩散的情况。（4分）
2. 相变过程的推动力是什么？（8分）
答：总的推动力：相变过程前后自由能的差值
1、相变过程的温度条件
在等温等压下，ΔG=ΔH-TΔS
在平衡条件下，ΔG＝0，则ΔS=ΔH/T0
式中：T0——相变的平衡温度；ΔH——相变热。
在任意一温度了的不平衡条件下，则有ΔG=ΔH-TΔS≠0
若ΔH与ΔS不随温度而变化，
ΔG=ΔH-TΔH/T0=ΔH（T0-T）/T0=ΔHΔT/T0
相变过程放热ΔHO，T
相变过程吸热ΔH>O，要使ΔGT0,过热。
因此相平衡理论温度与系统实际温度之差即为该相变过程的推动力。 (2分)
2．相变过程的压力和浓度条件
(1)气相，恒温下ΔG=RTlnP0/P 欲使ΔG P0 即汽相过饱和。(2分)
(2)溶液 ΔG=RTlnC0/C 欲使ΔG C0 即液相过饱和。 (2分) 综上所述，相变过程的推动力应为过冷度、过饱和浓度、过饱和蒸汽压。即相变时系统温度、浓度和压力与相平衡时温度、浓度和压力之差值。(2分)
3．烧结的主要传质方式有那些?分析产生的原因是什么? （8分）
答：烧结初期，晶界上气孔数目很多，此时气孔阻止晶界移动，Vb=0。（1分）烧结中、后期，温度控制适当，气孔逐渐减少。可以出现Vb=Vp，此时晶界带动气孔以正常速度移动，使气孔保持在晶界上，气孔可以利用晶界作为空位传递的快速通道而迅速汇集或消失。（2分）继续升温导致Vb》Vp，晶界越过气孔而向曲率中心移动，气孔包入晶体内部，只能通过体积扩散排除，这是十分困难的。（2分）
从实现致密化目的考虑，晶界应带动气孔以正常速度移动，使气孔保持在晶界上，气孔可以利用晶界作为空位传递的快速通道而迅速汇集或消失。（1分）
控制方法：控制温度，加入外加剂等。（2分）
4．说明影响扩散的因素？（6分）
答：化学键：共价键方向性限制不利间隙扩散，空位扩散为主。金属键离子键以空位扩散为主，间隙离子较小时以间隙扩散为主。（1分）
缺陷：缺陷部位会成为质点扩散的快速通道，有利扩散。（1分）
温度：D=D0exp（-Q/RT）Q不变，温度升高扩散系数增大有利扩散。Q越大温度变化对扩散系数越敏感。（1分）
杂质：杂质与介质形成化合物降低扩散速度；杂质与空位缔合有利扩散；杂质含量大本征扩散和非本征扩散的温度转折点升高。（1分）
扩散物质的性质：扩散质点和介质的性质差异大利于扩散。（1分）
扩散介质的结构：结构紧密不利扩散。（1分）
六、相图分析（20分）
1、如图所示；（3分）
2、如图所示（7分）
3、F点低共熔点，LF→C3A+C12A7+C2S （1分）
H点单转熔点，LH+CaO→C3A+C3S （1分）
K点单转熔点，LK+C3S→C3A+C2S （1分）
4、M点：
L→C2S L→C2S+C3S L+C2S→C3S
液：M------→a------------→y--------------→K始(LK+C3S→C2S+C3A)→K终（2分）
f=2 f=1 f=1 f=0
C2S C2S+C3S C2S+C3S C2S+C3S+C3A
固：D---→D------→b---------→d---------------→M （1分）
5、因为硅酸盐水泥熟料中三个主要矿物是C3S、C2S、C3A。根据三角形规则，只有当组
成点落在C3S-C2S-C3A付三角形中，烧成以后才能得到这三种矿物。从早期强度和后期强度、水化速度、矿物的形成条件等因素考虑，水泥熟料C3S的含量应当
最高，C2S次之，C3A最少。根据杠杆规则，水泥熟料的组成点应当位于C3S-
C2S-C3A付三角形中小圆圈内。（2分）
6、因为缓慢冷却到K点，可以通过转熔反应L+C2S→C3S得到尽可能多的C3S。到达K点后，急剧冷却到室温，可以（1）防止C3S含量降低，因为K点的转熔反应LK+C3S→C2S+C3A；（2）使C2S生成水硬性的β-C2S，而不是非水硬性的γ-C2S；（3）液相成为玻璃相，可以提高熟料的易磨性。（2分）