无机材料习题答案汇总

1、第一章习题答案（二）6. 从结合键的角度分析金属、陶瓷、高分子材料的主要性能特点。答案（要点）：金属材料：以金属键为主；大多数金属强度和硬度较高，塑性较好。 陶瓷材料：以共价键和离子键为主(对于玻璃材料而言,更常见的是兼有共价键和离子键的“混合键”)；强度、硬度和熔点一般比金属材料高；但比金属材料脆性大，不易变形。 高分子材料：分子内部价键以共价键为主，分子间为分子间力和氢键为主。高分子材料的主要性能特点：硬度、熔点都比陶瓷材料和金属低一些，某些高分子材料韧性好、塑性好，成型较容易；耐热比较差，高温易分解挥发。7.请从颗粒（晶粒）尺寸的角度，讨论普通（传统）陶瓷和精细陶瓷的主要区别是什么？（注

2、：最好再从陶瓷材料的化学组成，所使用的原料、制备方法和主要设备，材料的性质等方面，进行较全面的讨论）。答案（要点）: 普通陶瓷颗粒尺寸一般为100微米以上；精细陶瓷颗粒尺寸一般为亚微米至几十微米之间。其他：（1）化学组成上，突破了传统陶瓷为硅酸盐的界限，精细陶瓷一般是氧化物、氮化物、碳化物，等。（2）在原料上，传统陶瓷以天然粘土为主要原料、与产地关系极大；精细陶瓷一般以化工原料为主要，原料的成分与产地关系不大。 （3）在制备方法上，传统陶瓷常采用液相烧结，以模压和炉窑为主要生产手段；而精细陶瓷常采用固相烧结，广泛采用冷等静压，真空烧结，气氛烧结、热（等静压）压等手段。 （4）在性能上，特种陶瓷

3、有比传统陶瓷优越的高强度、高硬度、高韧性、耐高温、耐腐蚀性等，还有磁、电、光、声、生物等方面具有的特殊性质。8. 参考本章正文和所列出的相关文献，试简答:（1）一次颗粒的概念和英文名称；（2）二次颗粒的概念；（3）粉末团聚的概念和英文名称；（4）团聚参数的概念；（5）硬团聚和软团聚的基本概念；（6）粉末团聚所带来的危害。（1）一次颗粒是指粉末团聚前的颗粒。一次颗粒的英文名称：primary particles（2）二次顆粒是指粉末团聚后的颗粒。（3）粉体团聚是指一次颗粒在制备、分离、处理及存放过程中相互连接形成较大二次颗粒的现象。团聚的英文名称：agglomeration，agglomerat

4、es（4）团聚参数：团聚体平均包含粉末一次颗粒的数目，可以通过二次颗粒粒径与一次颗粒粒径之比求得。（5）软团聚能用化学法或一般的机械方法打开。硬团聚能不用化学法或一般的机械方法打开。（6）在陶瓷烧结过程中，粉末团聚形成的气孔或空穴通常无法完全排除，从而形成微裂纹，根据改进的格里菲斯（Griffith）微裂纹理论：造成材料断裂所需要的临界应力与微裂纹的长度2L有极大的关系，式中常数Y，所以，微裂纹的存在会导致材料强度的降低。此外，粉末团聚还会影响材料的其他性能。9. 请简答：（1）陶瓷、硅酸盐的英文名称；（1）陶瓷:ceramics;硅酸盐:silicate（2）适用于“精细陶瓷”的至少3种英文

5、名称；（2）fine ceramics；advanced ceramics；high performance ceramics;high tech. ceramics（3）XRD，SEM和TEM的英文全称和中文名称。（3）XRD: X-ray diffraction X射线衍射 SEM: scanning electronic microscope/-copy 扫描电子显微镜/法 TEM: transmission electronic microscope/-copy透射电子显微镜/法10 .在无机非金属材料领域（如日用陶瓷、氧化铝陶瓷、碳化硼陶瓷、特种玻璃，等）里，常见一些的企业家，虽然没

6、有机会受到过本专业的正规训练；但是事业却非常成功，而且还亲自掌握了该企业的核心技术。试从学科的特点和技术的角度评述这一现象；也可以厦门及其周边地区的知名企业为例。答案（要点）: 无机非金属材料领域的最重要的学科之一“材料科学基础”或“无机材料化学”，有如下明显的特点：1、跳跃性思维：与基础理论演绎法不同，由于演绎法还无法解决无机材料化学的许多重大问题，“猜测”的跳跃性思维往往是最常用的方法；2、综合性：无机材料化学是材料化学家从材料科学、材料工艺与技术的角度出发，把固体物理、固体化学、相关理论（例如固体力学，生物学， 甚至医学，等）和工程方面有关无机材料研究的化学内容集中起来，加以分析、综合和

7、提高，形成的一门独立学科。3、应用性：无机材料化学是把与物理、化学、相关理论、材料科学中与化学有关的内容，“直接”应用到无机材料中，把理论和实际“直接”联系起来，表现了很强的应用性。由于演绎法还无法推导出无机非金属材料的制备条件，相关的制备关键往往是（在一定原则指导下）通过实践摸索出来的。在无机非金属材料领域，一些企业家虽然没有机会受到过本专业的正规训练，但有大量的实践，也通过各种方式掌握了材料制备与性能的一定原则，并对该领域有较好的宏观了解，因而事业能成功，并且亲自掌握了该企业的核心技术。从从学科的特点和技术的角度上来讲，上述企业家的成功也是一种很正常的现象。气）气孔排除。11.名词解释：粉

8、末颗粒表面的-电位和功用。答案（要点）: 固体颗粒表面因为破键而带电荷，与固体表面接触的液体（吸附层）带相反的电荷，产生双电层；（可随固体颗粒运动的）吸附层和液体不动层之间的电位差，称为电位。由于电位的存在，带同种电荷的陶瓷微粒之间存在着排斥力。电位较高时，颗粒间的排斥力较大；会抵消颗粒间的范德华吸引力，使颗粒呈分散状态。12 .试简答：粉末颗粒在液体中分散的两种主要方法。答案（要点）: 1、调节体系的pH值或电解质的浓度，获得较高的-电位绝对值，使粉末颗粒在液体中分散；此即静电稳定机制。2、控制（两亲结构的）高分子分散剂的种类（链的长度等）和浓度（有个最佳值），即利用高分子的空间位阻作用使粉

9、末颗粒在液体中分散。13.试评述：用纳米粉制备结构陶瓷。（提示：从粉末团聚和晶界两方面讨论）答案（要点）: 即使采用无团聚的纳米粉并严格控制烧结条件，烧结后晶粒大小仍然在纳米级，也会因其晶界过多、玻璃态的比例过大，导致高温蠕变和高温强度等其相关性能不佳。14 .试评述：有人认为利用斯宾那多分解（Spinodal decomposition）的原理，可以制备复合材料。答案（要点）: 一般来说，材料发生“斯宾那多分解”后，会成为2个相，即分解成为物理和化学完全相同的2个部分。此现象常被应用到高硅氧玻璃（二氧化硅含量高的玻璃）制备中。斯宾那多分解后的多（两）相结构，可直接作为制备（亚微观层次）复合材

10、料的基础。15 .（1986年6月，Bednorz和Mller先发现了LaBaCuO系统、接着于1987年9月发现了YBaCuO系统的钙钛矿型高温超导陶瓷）。试设计一个方案，用玻璃陶瓷（glass ceramics，即微晶玻璃）法，也获得高温超导电性；并稍解释方案设计的思路。答案（要点）: 例如，把YBaCuO系统熔化，再快速冷却以制成玻璃，然后微晶化，渗流效应使各个微晶体形成超导网络。16 .试评述温度、压力和气氛对精细陶瓷制备过程的意义。答案（要点）: 高温使固体质点能充分进行（扩散）运动，以顺利完成固相反应和烧结。压力使气孔易于排除，使烧结得以顺利完成。气氛（例如H2气氛下N2和O2的分

11、压为零）以利于（空气）气孔排除。17、简述料浆水系统分散的静电稳定性原理（zeta-pH关系）.（选择性地答一些文字性的东西就好）根据1941年苏联学者德查金（Darjaguin）、朗道（Landan）以及1948年荷兰学者维韦（Verwey）和奥氟比克（Overbeek）分别独立提出来的DLVO理论：带电胶粒之间存在这二种相互作用力：双电层重叠时的静电斥力和粒子间的长程范德华吸引力，它们的相互作用决定了胶体的稳定性。当吸引力占优势时，溶胶发生聚沉；而当排斥占优势，并大到足以阻碍胶粒由于布朗运动而发生碰撞聚集沉时，则胶体处于稳定状态。热力学电位：固-液两相之间的电位差，是体系的热力学性质。当温

12、度和压力一定时，其只与固相本性及吸附在固相表面并建立平衡的离子活度决定。Zeta电位：固体颗粒表面因为破键而带电荷，与固体表面接触的液体（吸附层）带相反的电荷，产生双电层；（可随固体颗粒运动的）吸附层和液体不动层之间的电位差，称为Zeta电位，或电位或电动电位。（1） Zeta电位-pH值关系理论曲线图2 不同离子化特征物质Zeta电位（由电泳迁移率数据计算获得）随pH变化的变化关系（a）碳氢化合物油滴；（b）磺化聚苯乙烯油滴；（c）阿拉伯酸（羧酸聚合物）吸附的油滴（d）血清白蛋白吸附的油滴（2） 电解质的影响从图3可见，当pH9时（碱性介质），-电位为负值。而且在pH=3时，-电位单位达到最

13、大正值，为183mV；而在pH=12时，-电位达到最大负值。试样的pH值控制在碱性范围，以使粒子带负电荷电解质对其影响见曲线3、4。随着高价电解质浓度的增加，x值增大，而-电位减小 ，导致位能曲线下降 ，稳定性降低 。同时出现第二最小值，因而呈现出触变性。当电解质浓度进一步增加，x值进一步增大，-电位进一步减小，而导致发生聚沉。临界聚沉浓度在曲线23相应的电解质浓度之间。图3 pH=10.4下，不同电解质、不同浓度下的高岭石总位能曲线（3）氧化铝料浆体系的zeta-电位pH关系曲线不同料浆体系其zeta-电位pH关系曲线不同。图1给出了Al2O3料件的zeta电位-pH曲线和粘度-pH曲线。图

14、1 Al2O3浆料的-电位（实线），粘度（虚线）和pH值的关系从图可见，当pH9时（碱性介质），zeta电位为负值。而且在pH=3时，zeta电位单位达到最大正值，为183mV；而在pH=12时，zeta电位达到最大负值。pH=9时，zeta电位为0，是体系的等电位点（即IEP点）。出现这种情况是由于Al2O3在低温情况下（500）是两性氧化物。在酸性介质中，Al2O3呈碱性，它可以与算发生如下反应：由于AlCl3是水溶性的，且在水中会发生水解而生成AlOH2+、Al(OH)2+、H+和Cl-。Al2O3粒子优先吸附AlOH2+和Al(OH)2+，从而使它带正电荷。反号离子Cl-则吸附在它的周

15、围而形成扩散双电层。在较低的pH值下，由于Cl-较多，会将双电层压缩，Zeta电位下降；而在较高pH值下，由于HCl较少，生成定位离子AlOH2+及Al(OH)2+较少，离子的表面电位较低，Zeta电位也下降，故在其中必然出现一最大值。17、简述料浆水系统分散的静电稳定性原理.Zeta电位：固体颗粒表面因破键而带电荷，称热力学电位；与固体表面接触的液体（吸附层）带相反的电荷，产生双电层；（可随固体颗粒运动的）吸附层和液体不动层之间的电位差，称为（读成zeta）电位或电动电位。 图1 胶体粒子的结构及电位示意图据DLVO理论：带电胶粒之间存在2种相互作用力：双电层重叠时的静电斥力和粒子间的长程范

16、德华吸引力，它们的相互作用决定了胶体的稳定性。当吸引力占优势时，溶胶发生聚沉；而当排斥占优势，并大到足以阻碍胶粒由于布朗运动而发生碰撞聚集沉时，则胶体处于稳定状态。（1） Zeta电位-pH值关系理论曲线图2 Zeta电位-pH值关系理论曲线（2） 电解质的影响如下图，出现极值的原因，是电解质（离子强度）的影响（3）氧化铝料浆体系的zeta-电位pH关系曲线图1给出了Al2O3料件的zeta电位-pH曲线和粘度-pH曲线。图3 Al2O3浆料的-电位（实线），粘度（虚线）和pH值的关系由图可见，当pH9时（碱性介质），zeta电位为负值，在pH=12时，zeta电位的绝对值达最大。pH=9时，

17、zeta电位为0，是体系的等电位点（即iep点）。出现这种情况是由于Al2O3是两性氧化物；在酸性介质中，存在Al(OH)2+或/和Al(OH)2+ 等碱性基团，Al2O3颗粒表面因“优先吸附”它们而带正电。在碱性介质中，类似的分析可知Al2O3颗粒表面带负电；在电性逆转时，出现iep点。当pH9时（碱性介质），随着pH增大，zeta电位变大，也可用类似的方法解释。Zeta电位出现极值，是因为pH过大或过小时，（酸、碱）电解质的浓度过大，离子强度过高，压缩双电层，使zeta电位下降。 19、碳化硼是一种超硬材料、其晶体会比陶瓷硬骨还高，有人问，为什么不把它制成晶体？因为碳化硼制成单晶非常困难。

18、1、所需温度非常高、对设备的要求高2、晶体难以长成较大单晶，难以达到应用的要求3、单晶加工困难。20、早在二十年前，英国大部分材料专业，其硕、博士生课题，已经不再研究普通陶瓷，试评述这一现象。普通陶瓷其在性能方面存在极限，开发研究相对较简单。硕博研究生不再研究普通陶瓷基于如下2个方面：一方面这是满足社会和科技发展对陶瓷材料性能要求的需要；普通陶瓷在性能方面已经不能满足科技发展对其的要求；另一方面，相对更简单的普通陶瓷的开发和研究，已不满足硕博研究生毕业所需的水平要求。21、画出表示：单晶；玻璃；特种陶瓷；普通陶瓷简图单晶 玻璃 特种陶瓷 普通陶瓷（黑处表示玻璃态物质）23制造石英玻璃时，常把天

19、然水晶（主要成分是SiO2）烧到一定温度，冷却时可以发现其已破裂。试解释这一原料破碎的工艺原理，并说明应如何选择适当的热处理条件。这一原料破碎的工艺原理是：从SiO2的相图可以看出，当温度达到846K即573时，石英与石英之间的转变，伴随着0.82%的体积膨胀，同时由于转变速度较快，而且无法阻止，造成了晶体的破裂。适当的热处理条件是：讲天然水晶加热到1000，保温一段时间后，迅速冷却。24有硅砖的新窑开始使用时，在846K的温度时应如何控制升温速率？为什么？在846K应该保温一段时间或降低升温速率。从SiO2的相图可以看出，当温度达到846K即573时，石英与石英之间的转变，伴随着0.82%的

20、体积膨胀，同时由于转变速度较快，而且无法阻止，如果在这一温度点升、降温速度过快，会造成硅砖的破裂。25提炼单晶硅时，硅石（主要成分SiO2）放在原料的顶部，为防止硅石成粉碎状，工艺上应采用什么温度制度？工艺上，应根据氧化硅相图来制定单晶硅提炼的温度制度，具体为：在可能发生位移式相变的几个温度下长期保温，使此类相变充分进行，防止在这些温度点升、降过快，造成SiO2的破裂。26新窑/炉使用时，为防止耐火材料在使用过错中炸/开裂，往往需要先进行烤窑/炉。试制定烤窑/炉的温度制度（以窑/炉内有硅砖讨论）。新窑/炉常使用的耐火材料为硅砖，若硅砖在1743K以上使用则会方石英化。此外，在制作过程中也会有少

21、量的方石英残存于硅砖中，在窑炉冷却时，由于温度降到室温左右，方石英的多晶转变，常会引起窑砖的炸裂。因此，新窑在点火时，应根据氧化硅相图来制定烤窑升温制度，在可能发生位移式相变的几个温度下长期保温，使此类相变充分进行，防止它们在其他温度下再次发生。同时，在保温阶段采取工程上的措施，使相变产生的体积变化在力学上得到平衡。27试评述：第二相处于晶界中引起的“钉扎效应”。第二相在晶界中引起的“钉扎效应”可以起到如下两方面的作用：（1）阻止晶粒异常长大；（2）在一定程度上阻止相变的发生。因此，可以合理地设计配方，利用第二相在晶界处的“钉扎效应”来阻止主晶相晶粒的异常长大和相变的发生。 28简述纯碱的（至少两个）基本用途。玻璃工业：玻璃工业是纯碱的最大消费部门，每吨玻璃消耗纯