《2012年武汉科技大学考研试题811无机材料科学基础及答案.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2012年武汉科技大学考研试题811无机材料科学基础及答案.pdf（7页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、第 1 页 共 7 页二 O 一二年招收硕士研究生入学考试试题 考试科目及代码： 无机材料科学基础 811 适用专业： 材料科学与工程 可使用的常用工具：计算器。 答题内容写在答题纸上，写在试卷或草稿纸上一律无效。考完后试题随答题纸交回。 考试时间3 小时，总分值 150 分。 姓名：报考学科、专业：准考证号码：密封线内不要写题一、名词解释（ 40 分） 1. 液相独立析晶 2. 本征扩散与非本征扩散 3. 组份数与独立组份数 4. 类质同晶与同质多晶 5. 热压烧结与活化烧结 二、试述差热分析DTA 的基本原理及其主要作用（20 分）三、试推导开尔文（Kelvin ）公式：)11()ln(2
2、10rrRTMPP+=，并说明它的物理意义。 （15 分）四、在浇铸锰钢时，如果使用熔融石英陶瓷浸入式水口，其SiO2以纯粹状态存在，Si 和Mn钢液中浓度分别为0.3%和 1.5%，锰钢中Mn 与水口耐火材料的反应可以写为：2Mn+SiO2（s）=2(MnO)+Si 。相关的热力学数据为：Si(l)+O2=SiO2(s) G0=-946770+198.6T(J) (a) 2Mn(l)+O2=2MnO(s) G0=-802978+171.4T(J) (b) 2Mn(l)=2Mn1% G0=-76.2T(J) (c) Si(l) Si1% G0=-119130-24.5T(J) (d) 2MnO
3、(s) 2(MnO) G0=108680-52.8T(J) (e) 假定在此条件下组分（MnO）的活度为a（MnO）0.1。试判断在 1550下能否使用熔融石英浸入式水口冶炼锰钢（20 分）？五、 Si 和 Al 原子的相对质量非常接近（分别为28.09 和 26.98） ，但 SiO2和 Al2O3的密度相差很大（分别为2.65g/cm3和 3.96g/cm3） 。试计算SiO2和 Al2O3的堆积密度，并用晶体结构及鲍林规则说明密度相差大的原因。另已知：Si4R+0.026nm，O2R-0.138nm（四配位）；Al3R+0.053nm 2OR-0.14nm（六配位）（ 20 分）第 2
4、页 共 7 页六、凝聚系统相图测定方法有静态法和动态法两种，说明这两种方法的基本原理，并扼要阐述相图中等温线的获得方法。（20 分）七、试述铝矾土（主要成分为：高岭石Al2O32SiO22H2O 和水铝石Al2O3 H2O）从室温加热到 1600 烧结过程中的所有物理化学变化，并写出有关的反应方程式。（15 分）第 3 页 共 7 页二 O 一二年招收硕士研究生入学考试试题参考答案 考试科目及代码： 无机材料科学基础 811 适用专业： 材料科学与工程 可使用的常用工具：计算器。 答题内容写在答题纸上，写在试卷或草稿纸上一律无效。考完后试题随答题纸交回。 考试时间3 小时，总分值 150 分。
5、 一、名词解释（ 40 分） 1. 液相独立析晶（如果冷却速度不是快到使液相完全失去析晶能力，但也不是慢到足以使它能够和系统中其它晶相保持原有相平衡关系，则此时液相犹如一个原始配料高温熔体那样独立析晶，重新建立一个新的平衡体系，不受系统中已经存在的其它晶相的制约） 2. 本征扩散与非本征扩散（由于原子本征热振动产生的扩散称为本征扩散；由外来原子或离子进入晶体而产生缺陷导致的扩散称为非本征扩散） 3. 组份数与独立组份数（具有独立的化学组成和晶体结构的物质的数量；构成平衡物系所有各相组成所需要的最小组份数为独立组份数） 4. 类质同晶与同质多晶（物质结晶时，晶体结构位置上的某些离子或原子的位置部
6、分或全部地被介质中性质相近的其他离子或原子所置换，共同结晶成的均匀的、呈单一相的混合晶体，而不改变晶体结构和键性发生质变，只引起晶胞参数微小变化的现象为类质同晶；化学组成相同的物质在不同的热力学条件下结晶成结构不同的晶体的现象称为同质多晶） 5. 热压烧结与活化烧结（在烧结的同时加上一定的外压力称为热压烧结；采用物理的或者化学处理使烧结温度降低，烧结速度加快， 或使烧结体的密度和其他性能提高的烧结方法为活化烧结。 ） 二、试述差热分析DTA 的基本原理及其主要作用（20 分）答：物质在加热过程中的某一特定温度下，往往会发生物理、化学变化并伴随有吸、放热现象。差热分析（DTA ）是通过物质在加热
7、过程中特定温度下的吸、放热现象来研究物质的各种性质的。它是程序控制温度下，测量物质与参比物之间的温度差与温度的关系的一种技术。检测和记录温度差与温度关系的仪器是差热分析仪。它主要由加热炉及温度控制单元、样品支持器、热电偶及记录仪组成。在进行差热分析时，将试样和参比物分别放在加热炉中两只坩埚里，坩埚底部装有热电偶，并接成差接形式。温差热电偶的两个热端中的一端与试样容器相连，另一端与参比物容器相连， 其冷端与记录仪相连。在加热过程中，当试样发生物质化学变化时如伴随有释放或吸收热量效应，将使试样温度高于或低于参比物温度，记录两者的温度差就得到差热曲线（DTA曲线） ，其纵坐标为试样和参比物的温度差，
8、向上表示放热反应，向下表示吸热反应；横坐标为温度或时间，自左向右表示增加。第 4 页 共 7 页通过分析差热曲线出峰温度、峰谷的数目、形状和大小，并结合试样的来源及其他分析资料，可鉴定出原料或产物的矿物、相变，进而找出吸热或放热效应的原因。差热分析鉴定混合物的可靠程度较低，一般只把它作为鉴定物相的辅助方法。在实际工作中，差热分析通常是用来研究物质在高温过程中的物理化学变化，如胶凝材料的水化产物和各种天然矿物的脱水、分解、相变过程，以及高温材料水泥、玻璃、陶瓷、耐火材料等的形成规律，为原材料的利用和新材料的研制提供一些参考意见。三、 试推导开尔文 （Kelvin ）公式：)11()ln(210r
9、rRTMPP+=，并说明它的物理意义。 （15 分）答：在恒温恒压下，把微量物质dm，从平面通过气相转移到半径为r凸的小球表面，球面积变化dA= 8.r凸d r凸, 球质量变化：dm=4r凸2d.r凸, 系统作可逆功：w=系统自由能增加dG，dG=dn RTlnK=dm/MRTln（p凸/p平）， （p凸为凸面蒸汽压，p平为平面蒸汽压。 ） dG= dA(4r凸2d r凸)/MRTln（p凸/p平）=8 r凸d r凸式中： M 为分子量，为密度，为表面能。对于非球面有：在一定的温度下，环境蒸汽压po，该蒸汽压对平面液体未饱和，但对毛细管内凹面液体已呈过饱和，该蒸汽在毛细管内会凝聚成液体。例如，
10、陶瓷生坯中有很多毛细孔，从而有许多毛细管凝聚水，这些水由于蒸气压低而不易被排除，若不预先充分干燥，入窑将易炸裂。开尔文公式也用于固体的溶解度，可以导出类似的关系：RTrMCCLS2/ln0=C 和 CO分别为半径为r 的小晶体和大晶体的溶解度，固体颗粒越小，表面曲率愈大，则蒸汽压和溶解度增高而熔化温度降低。固体中的气孔表面，也是一种弯曲表面。在表面张力的作用下，所产生的附加压力使气孔表面的空位浓度比平表面或体积内部的浓度大，存在一个过剩空位浓度C302 arkTC0，由此可知，气孔半径越小，C 也就越大，正是在这个过剩空位浓度的作用下，原子或离子有一个往气孔扩散的趋势，形成扩散烧结的推动力。四
11、、在浇铸锰钢时， 如果使用熔融石英陶瓷浸入式水口，其 SiO2以纯粹状态存在，Si 和Mn钢液中浓度分别为0.3%和 1.5%，锰钢中 Mn 与水口耐火材料的反应可以写为：2Mn+SiO2（s）=2(MnO)+Si 。相关的热力学数据为：Si(l)+O2=SiO2(s) G0=-946770+198.6T(J) (a) 2Mn(l)+O2=2MnO(s) G0=-802978+171.4T(J) (b) 2Mn(l)=2Mn1% G0=-76.2T(J) (c) 凸平凸RTrMp2pln=)11(pln210rrRTMp+=第 5 页 共 7 页Si(l) Si1% G0=-119130-24
12、.5T(J) (d) 2MnO(s) 2(MnO) G0=108680-52.8T(J) (e) 假定在此条件下组分（MnO）的活度为a（MnO）0.1。试判断在1550下能否使用熔融石英浸入式水口冶炼锰钢（20 分）？解： 耐材中的SiO2能被钢液中锰所侵蚀时，其化学反应方程式为： 2Mn+SiO2（s）=2(MnO)+Si (f) 此方程可以由以下几个方程组合而成： (b)-(a)-(c)+(d)+(e)则得（ f ）式： G0=-133342-29.2T(J),(f)式的G为： 上式中的Mn和 Si 都以稀溶液，即1Mn和 1Si 为标准态， SiO2以纯固态为标准态，MnO则以纯液态为
13、标准态。由于SiO2以纯粹状态存在，故aSiO21；Mn 与 Fe 形成的稀溶液近似于理想溶液，故aMn%Mn；钢液中Si 含量很少，近似于稀溶液，故aSi Si ；饱和 SiO2的 MnO SiO2熔渣（ MnO）的活度为a（MnO）0.1。 将这些数据代入（ f ）式，在15500C时，得： G=-20189 （J）0 说明反应（ f ）在上述条件下能够向右进行，即锰钢中的锰将与SiO2起反应，使得石英质耐火材料遭到化学侵蚀。五、Si 和 Al 原子的相对质量非常接近（分别为28.09 和 26.98） ，但 SiO2和 Al2O3的密度相差很大 （分别为2.65g/cm3和 3.96g/
14、cm3） 。试计算 SiO2和 Al2O3的堆积密度， 并用晶体结构及鲍林规则说明密度相差大的原因。（20 分）Si4R+ 0.026nm，O2R-0.138nm（四配位）；Al3R+0.053nm 2OR-0.14nm（六配位）解： 首先计算 SiO2堆积系数。每cm3中含 SiO2分子数为：32232234322323222232.65SiO / cm2.64 10/cm(28.0932.0) /(6.0310)Si/cm2.6410/ cmO/ cm2.641025.2810/ cm+-+个个个每 cm3中 Si4+和 O2-所占体积为：2-32273Si432273O4/ cm2.64
15、 10(0.026 10)30.001954/ cm5.28 10(0.138 10)30.5809VV-+-SiO2晶体中离子堆积系数0.00195+0.58090.5829 或 58.29).(ln22)(20faaaaRTGGSiOMnMnOsi+=第 6 页 共 7 页Al2O3堆积系数计算如下：322323233322223232222332273Al32273O323.96Al O / cm2.34 10/ cm101.96 /6.03 10Al/ cm2.341024.68 10/cmO/cm2.34 1037.0210/ cm4V/cm4.68 10(0.05310)0.029
16、234V/ cm7.02 10(0.1410)0.80703+-+-个个个Al2O3中离子堆积系数0.0292+0.80700.8362 或 83.62计算时Si4R+0.026nm O2R-0.138nm（四配位）Al3R+0.053nm 2OR-0.14nm（六配位）由于 Al2O3离子堆积系数83.62大于 SiO2晶体总离子堆积系数， 故 Al2O3密度大于 SiO2。从鲍林规则可得， Al2O3中 Al3+于 O2-是六配位，Al3+充填 O2-六方密堆中八面体空隙总数的2/3。而 SiO2晶体中， Si4+是高电价低配位。Si4+仅充填了四面体空隙数的1/4，Si-O 四面体以顶角
17、相连成骨架状结构，堆积疏松，空隙率大，故密度低。六、凝聚系统相图测定方法有静态法和动态法两种，说明这两种方法的基本原理，并扼要阐述相图中等温线的获得方法。（20 分）答：静态法（即淬冷法），其原理是将选定的不同组成的试样长时间地在一系列预定的温度下加热保温，使它们达到该温度下的平衡状态。然后，把试样迅速落入水浴（油浴或汞浴）中淬冷。由于相变来不及进行，因而冷却后的试样就保存了高温下的平衡状态。把所有的淬冷试样进行显微镜或x 射线物相分析，就可以确定相的数目及其性质随组成、淬冷温度而变化的关系。将测定结果记入相图中的对应位置上，即可绘制出相图。这是凝聚系统相图测定的主要方法，但是工作量相当大。最
18、普通的动态法是热分析法。这种方法主要是观察系统中的物质在加热和冷却过程中所发生的热效应。常用的有加热（或冷却）曲线和差热分析法两种。A 加热或冷却曲线法此法的要点是：准确地测出系统在加热或冷却过程中的“温度-时间”曲线。如果系统在均匀加热或冷却过程中不发生相变，则温度的变化是均匀的，曲线是圆滑的；反之，若有相变发生，则因有热效应产生，在曲线上必有突变和转折。对于单一的化合物来说，转折处的温度就是他的熔点或凝固点，或者是其分解反应点。对于混合物来说，加热时的情况就较复杂，可能是其中某一化合物的熔点，也可能是同别的化合物发生反应的反应点，因此用冷却曲线法较为合适。因为当系统从熔融状态冷却时，析出的
19、晶相是有序的，结晶能力大的先析出。因此，在相平衡的研究中，冷却曲线是重要的研究方法。若相变时产生的热效应很小（例如多晶转变），在加热和冷却曲线上，就不易观察出来。为了准确地测出这种相变过程的微小热效应，通常采用差热分析法。B 差热分析法第 7 页 共 7 页差热分析法是采用两对热电偶，把冷端的一对同各相联接，做成差热电偶。将一对热电偶的热端插入被测试样内，另一对插入标准样品内（也称基准物），冷端放入恒温器，保持温度不变化。作为标准样品的物料，应当在所测量的温度范围内不发生任何相变化。将样品座置于匀速升温的电炉内。在被测式样没有热效应产生时，试样与标准样品升高的温度相同，于是差热电偶两个热端所产
20、生的热电势相等，但因方向相反而抵消，检流计指针不发生偏转。当试样有相变时，由于产生了热效应，因此试样和标准样品之间的温度差破坏了热电势的平衡，此时检流计指针偏转的程度表示了热效应的大小。毫伏计则用于记录系统的温度。以系统的温度为横坐标，以检流计读数为纵坐标，可以作出热差曲线。在试样没有热效应时，曲线呈平直形状，在有热效应时，曲线上则有谷或峰出现。热差分析不仅可以用来准确地测出物质的相变温度，而且也可以用来鉴定未知矿物，因为每一矿物都具有一定的差热分析特征曲线。三元相图的等温线相似于地图上的等高线，它是利用等温截面得到的。方法是用平行于浓度三角形的平面，去切割立体相图，截面与液相曲面的交线(截线
21、 )投影在浓度三角形上即表示某温度的等温线。七、试述铝矾土（主要成分为：高岭石Al2O32SiO22H2O 和水铝石Al2O3 H2O）从室温加热到 1600 烧结过程中的所有物理化学变化，并写出有关的反应方程式。（15 分）答： （1）脱水分解，铝矾土在100左右失去吸附水。在400 600脱出结构水，水铝石生成刚玉假相， 超过 1100逐渐转变为刚玉；高岭石在450 600脱水后生成无水偏高岭石，超过 950无水偏高岭石继而转变为莫来石（一次莫来石化），析出非晶质SiO2，在高温下转变为方石英。-Al2O3H2O -Al2O3+H2O（400 600）Al2O32SiO22H2OAl2O32SiO2+2H2O（450550）3（Al2O3 2SiO2） 3Al2O32SiO2+ 4SiO2 （ 950）（一次莫来石化）（2）二次莫来石化。高岭石分解生成的SiO2与 Al2O3反应生成莫来石，即二次莫来石。此过程伴随一定的体积膨胀。3Al2O32SiO23Al2O32SiO2+ 4SiO2 （12001500）（3）重结晶烧结阶段。在矾土中二次莫来石阶段结束后进入重结晶烧结阶段。这一阶段中刚玉与莫来石晶粒长大。随着烧结的进行，气孔缩小与消失，气孔率与吸水率减少，体积密度升高。