(2025年)无机非金属材料工艺学试题附答案

(2025年)无机非金属材料工艺学试题附答案一、选择题（每题2分，共30分）1.以下哪种原料预处理工艺不属于“均化”范畴？A.原料的多仓搭配B.机械搅拌混合C.湿法球磨后的陈腐D.原料的磁选除铁答案：D（磁选属于除杂，均化强调成分均匀性）2.碳化硅陶瓷常压烧结时，通常需添加少量Al₂O₃和Y₂O₃作为烧结助剂，其主要作用是：A.降低烧结温度B.形成液相促进扩散C.抑制晶粒异常长大D.提高材料致密度答案：B（Al₂O₃-Y₂O₃在高温下与SiC表面SiO₂反应提供硅酸盐液相，通过液相烧结机制促进致密化）3.玻璃生产中，“澄清”阶段的核心任务是：A.消除配合料中的气泡B.使玻璃液化学成分均匀C.降低玻璃液黏度D.促进玻璃液与窑气的热交换答案：A（澄清期通过物理或化学方法（如加入澄清剂）使熔体中气泡上浮排出）4.水泥生料煅烧时，“过渡带”（800-1300℃）的主要反应是：A.碳酸钙分解B.C₂S与CaO反应提供C₃SC.黏土矿物脱水分解D.少量液相形成答案：D（过渡带中，部分低共熔物开始熔融形成液相，为C₃S提供提供反应介质）5.制备纳米氧化锆陶瓷时，采用冷等静压成型而非干压成型的主要原因是：A.提高生坯密度B.减少生坯内部应力C.降低成型压力D.适应复杂形状成型答案：B（纳米粉体粒径小，干压成型时颗粒间摩擦力大，易导致生坯密度分布不均和内部应力，等静压通过各向同性加压可减少应力集中）6.以下哪种工艺参数对陶瓷素坯干燥裂纹的影响最小？A.干燥介质湿度B.素坯初始含水率C.成型压力D.烧成温度答案：D（干燥裂纹主要由干燥过程中水分迁移不均引起，与烧成温度无直接关联）7.制备堇青石（2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂）陶瓷时，若原料中MgO含量偏高，可能导致的主要缺陷是：A.热膨胀系数升高B.抗热震性下降C.烧成收缩率减小D.抗弯强度降低答案：A（堇青石热膨胀系数低源于其结构中SiO₄四面体的特殊排列，MgO过量会提供镁橄榄石（Mg₂SiO₄），其热膨胀系数高于堇青石）8.玻璃退火的关键是控制：A.退火温度上限B.退火温度下限C.冷却速率D.保温时间答案：C（退火的核心是通过缓慢冷却消除玻璃内部热应力，冷却速率过快会导致残余应力过大）9.以下哪种成型方法最适用于制备大尺寸、薄壁的氧化铝陶瓷管？A.干压成型B.等静压成型C.注浆成型D.热压铸成型答案：C（注浆成型利用石膏模的吸水性，可成型形状复杂、尺寸较大的薄壁制品）10.水泥熟料中，C₃S含量过高时，可能导致：A.早期强度低B.水化热过大C.抗硫酸盐侵蚀性增强D.凝结时间延长答案：B（C₃S水化速率快，水化放热量大，含量过高会导致水泥水化热过大，易引发混凝土开裂）11.制备多孔陶瓷时，添加造孔剂的主要作用是：A.降低烧结温度B.在烧成时分解或挥发形成气孔C.提高材料强度D.改善成型性能答案：B（造孔剂（如淀粉、碳粉）在烧成时分解或燃烧，留下气孔，控制多孔结构）12.以下哪种原料属于“可塑性原料”？A.石英砂B.高岭土C.方解石D.滑石粉答案：B（高岭土含有黏土矿物，具有可塑性，是陶瓷成型的关键原料）13.陶瓷烧成过程中，“氧化保温期”的主要目的是：A.促进坯体收缩B.排除残余水分C.氧化分解坯体中的有机物和碳D.形成液相促进烧结答案：C（氧化保温期（通常在300-900℃）需保证足够氧气，使坯体中残留的碳、有机物等充分氧化，避免还原气氛导致的黑心等缺陷）14.玻璃的“料性”是指：A.玻璃液的黏度随温度变化的速率B.玻璃的化学稳定性C.玻璃的热膨胀系数D.玻璃的透光率答案：A（短性玻璃黏度随温度升高迅速下降，长性玻璃黏度变化缓慢，影响成型工艺选择）15.制备碳化硼（B₄C）陶瓷时，通常采用热压烧结而非常压烧结，主要因为：A.碳化硼熔点过高B.碳化硼原子间结合力强，扩散系数低C.热压可避免氧化D.热压能降低成本答案：B（B₄C晶体结构中B-C键共价性强（共价键占比＞90%），原子扩散困难，常压下难以烧结致密，热压通过外加压力促进颗粒重排和扩散）二、填空题（每空1分，共20分）1.陶瓷原料预处理中，“球磨”的主要目的是______和______。（细化颗粒、混合均匀）2.水泥熟料的四种主要矿物是C₃S、C₂S、C₃A和______。（C₄AF）3.玻璃生产中，“熔化”阶段的温度范围通常为______℃。（1450-1600）4.等静压成型分为______和______两种类型。（冷等静压、热等静压）5.陶瓷素坯干燥时，“临界含水率”是指______与______的分界点。（表面蒸发控制阶段、内部扩散控制阶段）6.制备压电陶瓷（如PZT）时，通常需添加______（填元素）以调节居里温度和压电性能。（La/镧，或Nb/铌等掺杂元素）7.耐火材料的“荷重软化温度”是指材料在______作用下，发生一定变形时的温度。（恒定荷重和升温）8.水泥的“初凝时间”是指水泥加水拌和至标准稠度净浆______的时间。（开始失去可塑性）9.多孔陶瓷的气孔率主要通过______和______控制。（造孔剂添加量、烧成温度）10.玻璃的“退火点”是指玻璃______的温度。（黏度达到10¹³Pa·s，应力能在几分钟内松弛）三、简答题（每题8分，共40分）1.简述干压成型与等静压成型的主要区别及适用场景。答案：干压成型是单向加压（上下模），压力沿压制方向衰减，导致生坯密度分布不均（边缘低、中心高），适用于形状简单、尺寸较小的制品（如陶瓷片）；等静压成型通过液体或气体传递各向同性压力，生坯密度均匀，内部应力小，适用于形状复杂、尺寸较大或对密度均匀性要求高的制品（如大尺寸陶瓷管、异形件）。2.分析影响水泥水化速率的主要因素。答案：（1）矿物组成：C₃A水化最快，C₃S次之，C₂S最慢；（2）细度：水泥颗粒越细，比表面积越大，水化速率越快；（3）温度：温度升高，水化反应速率加快（5-40℃范围内，温度每升高10℃，水化速率约提高1倍）；（4）水灰比：水灰比增大，自由水增多，水化初期速率加快，但后期因水灰比过大导致结构疏松，速率可能下降；（5）外加剂：如缓凝剂（石膏）可延缓C₃A水化，早强剂可加速水化。3.陶瓷烧成时，“还原气氛”的作用及控制方法。答案：作用：（1）防止高价金属氧化物（如Fe₂O₃）氧化，避免制品呈色（如瓷器中Fe³+会导致泛黄，还原为Fe²+可呈青色）；（2）促进某些氧化物（如TiO₂）的还原，形成缺陷结构，改善电学性能（如制备半导体陶瓷）；（3）降低气氛中氧分压，抑制易氧化组分（如SiC）的氧化。控制方法：通过调节燃料（如煤气、天然气）与空气的比例，使燃烧不充分，产生CO等还原性气体；或直接通入还原性气体（如H₂、CO）；同时监测窑内气氛（如通过氧传感器或CO浓度检测）。4.玻璃“析晶”（失透）的危害及预防措施。答案：危害：析晶会导致玻璃透明度下降（如乳浊）、机械强度降低（晶相与玻璃相热膨胀系数差异引发微裂纹）、化学稳定性变差（晶界易受侵蚀）。预防措施：（1）调整玻璃成分，避免形成易析晶的组成（如控制SiO₂含量≥60%，引入Al₂O₃、B₂O₃等网络修饰体抑制析晶）；（2）加快冷却速率，使玻璃液快速通过析晶温度区间（Tg-Tm）；（3）控制成型工艺（如缩短玻璃液在析晶温度区的停留时间）；（4）添加少量析晶抑制剂（如TiO₂、ZrO₂）。5.分析陶瓷素坯“过烧”的现象及原因。答案：现象：坯体过度收缩（尺寸缩小明显）、表面出现流釉（若施釉）、气孔率显著降低（甚至闭口气孔增多）、力学性能下降（因晶粒异常长大，晶界弱化）。原因：烧成温度过高或保温时间过长，导致液相量过多，晶粒快速生长并合并（二次再结晶）；或原料中低熔点杂质（如K₂O、Na₂O）含量过高，降低烧结温度范围，易引发过烧。四、计算题（每题10分，共20分）1.某工厂需制备MgO含量为20wt%的镁质陶瓷，原料为菱镁矿（主要成分为MgCO₃，纯度95%）和工业氧化铝（Al₂O₃纯度99%）。已知MgCO₃烧失量（CO₂分解）为52.2%（质量分数），计算制备100kg成品所需菱镁矿和氧化铝的质量。（保留2位小数）解：成品中MgO质量=100kg×20%=20kg。菱镁矿中MgCO₃分解反应：MgCO₃→MgO+CO₂↑，MgO理论产率=（MgO分子量/MgCO₃分子量）=40/84≈47.62%。但菱镁矿纯度为95%，且烧失量52.2%（即100kg菱镁矿分解后剩余质量=100×(1-52.2%)=47.8kg，其中MgO质量=47.8kg×(95%×47.62%/(1-52.2%))？不，更简单的方法：设需菱镁矿质量为xkg，其中MgCO₃质量=0.95xkg，分解后提供MgO质量=0.95x×(40/84)=0.4476xkg。成品中MgO来自菱镁矿分解，故0.4476x=20kg→x=20/0.4476≈44.68kg。氧化铝质量=100kg-20kg（MgO）=80kg（假设成品仅含MgO和Al₂O₃），但需考虑氧化铝纯度：实际需氧化铝质量=80kg/0.99≈80.81kg。验证：菱镁矿分解后剩余质量=44.68kg×(1-0.522)=44.68×0.478≈21.36kg（其中MgO=20kg，杂质=1.36kg）；氧化铝引入Al₂O₃=80.81×0.99≈80kg，杂质=0.81kg。总成品质量=21.36+80.81=102.17kg？这说明假设成品仅含MgO和Al₂O₃不成立，应考虑烧后总质量为100kg，即菱镁矿分解后的MgO和杂质，加上氧化铝中的Al₂O₃和杂质，总质量为100kg。正确计算：设菱镁矿为xkg，氧化铝为ykg。MgO质量：0.95x×(40/84)=0.4476xAl₂O₃质量：0.99y杂质质量：x×(1-0.95)+y×(1-0.99)=0.05x+0.01y总质量：0.4476x+0.99y+0.05x+0.01y=100即0.4976x+y=100且MgO含量=0.4476x/100=20%→0.4476x=20→x=44.68kg代入上式：0.4976×44.68+y=100→22.25+y=100→y=77.75kg答案：菱镁矿44.68kg，氧化铝77.75kg2.某陶瓷生坯尺寸为100mm×100mm×10mm，烧成后尺寸为95mm×95mm×9.2mm，密度由1.8g/cm³增至3.2g/cm³。计算线收缩率、体积收缩率和烧成致密度（假设理论密度为3.5g/cm³）。解：线收缩率=（原始长度-烧成长度）/原始长度×100%=（100-95）/100×100%=5%（长度方向），同理宽度方向5%，厚度方向（10-9.2）/10×100%=8%，通常取平均线收缩率=（5%+5%+8%）/3≈6%（或按各向同性假设，线收缩率=1-(烧成体积/原始体积)^(1/3)）。体积收缩率=（原始体积-烧成体积）/原始体积×100%原始体积=100×100×10=100000mm³=100cm³烧成体积=95×95×9.2=82610mm³=82.61cm³体积收缩率=(100-82.61)/100×100%=17.39%烧成致密度=（烧成密度/理论密度）×100%=3.2/3.5×100%≈91.43%五、综合分析题（20分）某企业生产的氧化铝陶瓷（Al₂O₃含量95%）出现表面裂纹，经检测发现裂纹集中在制品边缘，且生坯密度分布不均（边缘密度低于中心）。结合工艺学知识，分析可能原因及改进措施。答案：可能原因：（1）成型工艺问题：采用干压成型时，压力沿压制方向衰减（边缘离加压面远，压力传递损失大），导致边缘生坯密度低于中心，烧成时边缘收缩率大于中心（密度低的区域烧结收缩更大），产生内应力，引发边缘裂纹。（2）干燥工艺不当：干燥过程中边缘水分蒸发快，内部水分迁移慢，边缘先收缩形成拉应力，若干燥速率过快（如热风温度过高、湿度过低），超过坯体强度则引发裂纹。（3）原料处理问题：原料颗粒级配不合理（如细粉过多），成型时颗粒间摩擦力大，导致压力传递不均；或原料可塑性差（如结合剂添加量不足），生坯强度低，干燥时易开裂。（4）烧成制度问题：升温速率过快，尤其是在晶型转变温度（如α-Al₂O₃从γ相转变，约1000℃）附近，体积变化（γ→α约收缩14%）引发热应力，若边缘与中心温度梯度大，应力集中导致裂纹。改进措施：（1）优化成型工艺：改用等静压成型（各向同性加压，密度均匀）；或调整干压模具结构（如采用多向加压模具），减少压力衰减；增加成型压力（但需避免分层）。（2）控制干燥过程：采用梯度干燥（先低温高湿，后逐步升温降湿），降低边缘与中心的水分差；延长干燥时间，使水分缓慢