材料科学基础(武汉理工大学,张联盟版)课后习题及答案

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材料科学基础(武汉理工大学,张联盟版)课后习题及答案 本文简介：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

材料科学基础(武汉理工大学,张联盟版)课后习题及答案 本文内容：

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）。

2-9计算面心立方、密排六方晶胞中的原子数、配位数、堆积系数。

答：：面心：原子数4，配位数6，堆积密度

六方：原子数6，配位数6，堆积密度

2-10根据最紧密堆积原理，空间利用率越高，结构越稳定，金刚石结构的空间利用率很低（只有34.01％），为什么它也很稳定？

答：最紧密堆积原理是建立在质点的电子云分布呈球形对称以及无方向性的基础上的，故只适用于典型的离子晶体和金属晶体，而不能用最密堆积原理来衡量原子晶体的稳定性。另外，金刚石的单键个数为4，即每个原子周围有4个单键（或原子），由四面体以共顶方式共价结合形成三维空间结构，所以，虽然金刚石结构的空间利用率很低（只有34.01％），但是它也很稳定。

2-11证明等径圆球六方最密堆积的空隙率为25.9％。

答：设球半径为a，则球的体积为，球的z=4，则球的总体积（晶胞），立方体晶胞体积：(2a)3=16a3，空间利用率=球所占体积/空间体积=74.1%，空隙率=1-74.1%=25.9%。

2-12金属镁原子作六方密堆积，测得它的密度为1.74g/cm3，求它的晶胞体积。

答：设晶胞的体积为V,相对原子质量为M,则晶胞体积nm3

2-13根据半径比关系，说明下列离子与O2—配位时的配位数各是多少？已知rO2－＝0.132nm，rSi4＋＝0.039nm，rK＋＝0.131nm，rAl3＋＝0.057nm，rMg2＋＝0.078nm。

答：对于Si4+、K+、Al3+、Mg2+来说，其依次是0.295、0.99、0.43、0.59；依据正离子配位数与正负离子半径比的关系知配位数为：Si4+4；K+8；Al3+6；Mg2+6。

2-14为什么石英不同系列变体之间的转化温度比同系列变体之间的转化温度高得多？

答：石英同一系列之间的转变是位移性转变，不涉及晶体结构中键的破裂和重建，仅是键长、键角的调整、需要能量较低，且转变迅速可逆；而不同系列之间的转变属于重建性转变，都涉及到旧键的破裂和新键的重建，因而需要较的能量，且转变速度缓慢；所以石英不同系列之间的转化温度比同系列变体之间转化的温度要高的多。

2-15有效离子半径可通过晶体结构测定算出。在下面NaCl型结构晶体中，测得MgS和MnS的晶胞参数均为a＝0.520nm（在这两种结构中，阴离子是相互接触的）。若CaS（a＝0.567nm）、CaO（a＝0.480nm）和MgO（a＝0.420nm）为一般阳离子－阴离子接触，试求这些晶体中各离子的半径。

答：MgS中a=0.502nm，阴离子相互接触，a=2r-，∴rS2-=0.177nm；CaS中a=0.567nm，阴－阳离子相互接触，a=2(r++r-)，∴rCa2+=0.107nm；CaO中a=0.408nm，a=2(r++r-)，∴rO2-=0.097nm；MgO中a=0.420nm，a=2(r++r-)，∴rMg2+=0.113nm。

2-16氟化锂（LiF）为NaCl型结构，测得其密度为2.6g/cm3，根据此数据计算晶胞参数，并将此值与你从离子半径计算得到数值进行比较。

答：设晶胞的体积为V,相对原子质量为M,对于NaCl型结构来说，其n=4,则晶胞体积nm3

则晶胞参数：,根据离子半径计算：a=2(r++r-)=4.14nm∴rMg2+，使CaO结构较MgO疏松，H2O易于进入，所以活泼。

2-19CaF2的晶胞参数为0.547nm。（1）根据CaF2晶胞立体图画出CaF2晶胞在（001）面上的投影图；（2）画出CaF2（110）面上的离子排列简图；（3）正负离子半径之和为多少？

解（1）

CaF2晶胞在（001）面上的投影图

（2）

CaF2（110）面上的离子排列简图

（3）正负离子半径之和

2-20计算CdI2晶体中的I－及CaTiO3晶体中O2－的电价是否饱和？

解：CdI2晶体中Cd2+的配位数CN=6，I-与三个在同一边的Cd2+相连，且I-的配位数CN=3

所以，即I-电价饱和

CaTiO3晶体中，Ca2+的配位数CN=12，Ti4+的配位数CN=6，O2-的配位数CN=6

所以，即O2-电价饱和。

2-21（1）画出O2－作面心立方堆积时，各四面体空隙和八面体空隙的所在位置（以一个晶胞为结构基元表示出来）；（2）计算四面体空隙数、八而休空隙数与O2－数之比

解（1）略

（2）四面体空隙数与O2－数之比为2:1，八面体空隙数与O2－数之比为1:1

2-22根据电价规则，在下面情况下，空隙内各需填入何种价数的阳离子，并对每一种结构举出—个例子。（1）所有四面体空隙位置均填满；（2）所有八面体空隙位置均填满；（3）填满—半四面体空隙位置；（4）填满—半八面体空隙位置。

答：分别为（1）阴阳离子价态比应为1:2如CaF2（2）阴阳离子价态比应为1:1如NaCl

（3）阴阳离子价态比应为1:1如ZnS（4）阴阳离子价态比应为1:2如TiO2

2-23化学手册中给出NH4Cl的密度为1.5g/cm3，X射线数据说明NH4Cl有两种晶体结构，一种为NaCl型结构，a＝0.726nm；另一种为CsCl结构，a＝0.387nm。上述密度值是哪一种晶型的？（NH4＋离子作为一个单元占据晶体点阵）。

解：若NH4Cl为NaCl结构

则可由公式可得：=0.912g/cm3

若NH4Cl为NaCl结构，

则可由公式可得：=1.505

由计算可知NaCl型结构的NH4Cl与化学手册中给出NH4Cl的密度接近，所以该密度

NaCl晶型

2-24MnS有三种多晶体，其中两种为NaCl型结构，一种为立方ZnS型结构，当有立方型ZnS结构转变为NaCl型结构时，体积变化的百分数是多少？已知CN＝6时，rMn2＋＝0.08nm，rS2－＝0.184nm；CN＝4时，rMn2＋＝0.073nm，rS2－＝0.167nm。

解：当为立方ZnS型结构时：=0.472nm

当为NaCl型结构时：=2(rMn2++rS2-)=2(0.08+0.184)=0.384nm

所以体积变化：=46.15%

2-25钛酸钡是一种重要的铁电陶瓷，其晶型是钙钛矿结构，试问：（1）属于什么点阵？（2）这个结构中离子的配位数为若干？（3）这个结构遵守鲍林规则吗？请作充分讨论。

答：（1）属于立方晶系

（2）Ba2+、Ti4+和O2-的配位数分别为12、6和6

（3）这个结构遵守鲍林规则

鲍林第一规则——配位多面体规则

对于Ti4+配位数为6

对于Ba2+配位数为12

符合鲍林第一规则

鲍林第二规则——电价规则

即负离子电荷Z-=则O2-离子电荷=与O2-离子电荷相等，

故符合鲍林第二规则，又根据钙钛矿型结构知其配位多面体不存在共棱或共面的情况，结构情况也符合鲍林第四规则——不同配位体连接方式规则和鲍林第五规则——节约规则

所以钙钛矿结构遵守鲍林规则。

2-26硅酸盐晶体结构有何特点？怎样表征其学式？

答：硅酸盐晶体结构非常复杂，但不同的结构之间具有下面的共同特点：

（1）结构中的Si4+离子位于O2-离子形成的四面体中心，构成硅酸盐晶体的基本结构单元[SiO4]四面体。Si-O-Si是一条夹角不等的折线，一般在145°左右。

（2）[SiO4]四面体的每个顶点，即O2-离子最多只能为两个[SiO4]四面体所共用。

（3）两个相邻的[SiO4]四面体之间只能共顶而不能共棱或共面连接。

（4）[SiO4]四面体中心的Si4+离子可以部分地被Al3+离子所取代，取代后结构本身不发生太大变化，即所谓的同晶取代，但晶体的性质发生了很大的变化。这为材料的改性提供了可能。

硅酸盐的化学式表征方法主要有以下两种：

（1）氧化物表示法

将构成硅酸盐晶体的所有氧化物按一定的比例和顺序全部写出来，先是1价的碱金属氧化物，其次是2价、3价的金属氧化物，最后是SiO2

（2）无机络合盐表示法

构成硅酸盐晶体的所有离子按一定的比例和顺序全部写出来，再把相关的络阴离子用中括号括起来即可。先是1价、2价的金属离子，其次是Al3+离子和Si4+离子，最后是O2-离子和OH-离子。

氧化物表示法的优点在于一目了然的反应出晶体的化学组成，可以按此配料来进行晶体的实验室合成。用无机络合盐法则可以比较直观的反应出晶体所属的结构类型，进而可以对晶体结构及性质作出一定程度的预测。两种表示方法之间可以相互转换。

2-27硅酸盐晶体的分类依据是什么？可分为那几类，每类的结构特点是什么？

答：硅酸盐晶体主要是根据[SiO4]在结构中的排列结合方式来分类，具体可以分为五类：岛状、组群状、链状、层状和架状。结构和组成上的特征见下表：

结构类型

[SiO4]共用O2-数

形状

络阴离子团

Si:O

I岛状

四面体

[SiO4]4-

1:4

组群状

双四面体

三节环

四节环

六节环

[Si2O7]6-

[Si3O9]6-

[Si4O12]8-

[Si6O18]12-

2:7

1:3

链状

2、3

单链

双链

[Si2O6]4-

[Si4O11]6-

1:3

4:11

层状

平面层

[Si4O10]4-

4:10

架状

骨架

[SiO4]4-

[(AlxSi4-x)O8]x-

1:4

2-28下列硅酸盐矿物各属何种结构类型：Mg2[SiO4]，K[AlSi3O8]，CaMg[Si2O6]，Mg3[Si4O10]（OH）2，Ca2Al[AlSiO7]。

答：分别为岛状；架状；单链；层状（复网）；组群（双四面体）。

2-29根据Mg2[SiO4]在（100）面的投影图回答：（1）结构中有几种配位多面体，各配位多面体间的连接方式怎样？（2）O2－的电价是否饱和？（3）晶胞的分子数是多少？（4）Si4＋和Mg2＋所占的四面体空隙和八面体空隙的分数是多少？

解：（1）有两种配位多面体，[SiO4]，[MgO6]，同层的[MgO6]八面体共棱，如59[MgO6]和49[MgO6]共棱75O2-和27O2-，不同层的[MgO6]八面体共顶，如1[MgO6]和51[MgO6]共顶是22O2-，同层的[MgO6]与[SiO4]共顶，如T[MgO6]和7[SiO4]共顶22O2-，不同层的[MgO6]与[SiO4]共棱，T[MgO6]和43[SiO4]共28O2-和28O2-；

（2）O2-与3个[MgO6]和1个[SiO4]，，所以O2-饱和

（3）z=4；

（4）Si4+占四面体空隙=1/8，Mg2+占八面体空隙=1/2。

2-30石棉矿如透闪石Ca2Mg5[Si4O11]（OH）2具有纤维状结晶习性，而滑石Mg3[Si4O10]（OH）2却具有片状结晶习性，试解释之。

解：透闪石双链结构，链内的Si-O键要比链5的Ca-O、Mg-O键强很多，所以很容易沿链间结合力较弱处劈裂成为纤维状；滑石复网层结构，复网层由两个[SiO4]层和中间的水镁石层结构构成，复网层与复网层之间靠教弱的分之间作用力联系，因分子间力弱，所以易沿分子间力联系处解理成片状。

2-31石墨、滑石和高岭石具有层状结构，说明它们结构的区别及由此引起的性质上的差异。

解：石墨与滑石和高岭石比较，石墨中同层C原子进行SP2杂化，形成大Π键，每一层都是六边形网状结构。由于间隙较大，电子可在同层中运动，可以导电，层间分子间力作用，所以石墨比较软。

滑石和高岭石区别主要是滑石是Mg2+取代Al3+的2:1型结构八面体层为三八面体型结构而高岭石为1:1型二八面体结构

2-32（1）在硅酸盐晶体中，Al3＋为什么能部分置换硅氧骨架中的Si4＋；（2）Al3＋置换Si4＋后，对硅酸盐组成有何影响？（3）用电价规则说明Al3＋置换骨架中的Si4＋时，通常不超过一半，否则将使结构不稳定。

解：（1）Al3+可与O2-形成[AlO4]5-；Al3+与Si4+处于第二周期，性质类似，易于进入硅酸盐晶体结构中与Si4+发生同晶取代，由于遵循鲍林规则，所以只能部分取代；（2）Al3+置换Si4+是部分取代，Al3+取代Si4+时，结构单元[AlSiO4][ASiO5]，失去了电中性，有过剩的负电荷，为了保持电中性，将有一些半径较大而电荷较低的阳离子如K+、Ca2+、Ba2+进入结构中；（3）设Al3+置换了一半的Si4+，则O2-与一个Si4+一个Al3+相连，阳离子静电键强度=3/4×1+4/4×1=7/4，O2-电荷数为-2，二者相差为1/4，若取代超过一半，二者相差必然>1/4，造成结构不稳定。

第三章答案

3-2略。

3-2试述位错的基本类型及其特点。

解：位错主要有两种：刃型位错和螺型位错。刃型位错特点：滑移方向与位错线垂直，符号⊥，有多余半片原子面。螺型位错特点：滑移方向与位错线平行，与位错线垂直的面不是平面，呈螺施状，称螺型位错。

3-3非化学计量化合物有何特点？为什么非化学计量化合物都是n型或p型半导体材料？

解：非化学计量化合物的特点：非化学计量化合物产生及缺陷浓度与气氛性质、压力有关；可以看作是高价化合物与低价化合物的固溶体；缺陷浓度与温度有关，这点可以从平衡常数看出；非化学计量化合物都是半导体。由于负离子缺位和间隙正离子使金属离子过剩产生金属离子过剩（n型）半导体，正离子缺位和间隙负离子使负离子过剩产生负离子过剩（p型）半导体。

3-4影响置换型固溶体和间隙型固溶体形成的因素有哪些？

解：影响形成置换型固溶体影响因素：（1）离子尺寸：15%规律：1.（R1-R2）/R1>15%不连续。2.40%不能形成固熔体。（2）离子价：电价相同，形成连续固熔体。（3）晶体结构因素：基质，杂质结构相同，形成连续固熔体。（4）场强因素。（5）电负性：差值小，形成固熔体。差值大形成化合物。

影响形成间隙型固溶体影响因素：（1）杂质质点大小：即添加的原子愈小，易形成固溶体，反之亦然。（2）晶体（基质）结构：离子尺寸是与晶体结构的关系密切相关的，在一定程度上来说，结构中间隙的大小起了决定性的作用。一般晶体中空隙愈大，结构愈疏松，易形成固溶体。（3）电价因素：外来杂质原子进人间隙时，必然引起晶体结构中电价的不平衡，这时可以通过生成空位，产生部分取代或离子的价态变化来保持电价平衡。

3-5试分析形成固溶体后对晶体性质的影响。

解：影响有：（1）稳定晶格，阻止某些晶型转变的发生；（2）活化晶格，形成固溶体后，晶格结构有一定畸变，处于高能量的活化状态，有利于进行化学反应；（3）固溶强化，溶质原子的溶入，使固溶体的强度、硬度升高；（4）形成固溶体后对材料物理性质的影响：固溶体的电学、热学、磁学等物理性质也随成分而连续变化，但一般都不是线性关系。固溶体的强度与硬度往往高于各组元，而塑性则较低

3-6说明下列符号的含义：VNa，VNa

，VCl˙，（VNa

VCl˙），CaK˙，CaCa，Cai˙˙

解：钠原子空位；钠离子空位，带一个单位负电荷；氯离子空位，带一个单位正电荷；最邻近的Na+空位、Cl-空位形成的缔合中心；Ca2+占据K.位置，带一个单位正电荷；Ca原子位于Ca原子位置上；Ca2+处于晶格间隙位置。

3-7写出下列缺陷反应式：（l）NaCl溶入CaCl2中形成空位型固溶体；（2）CaCl2溶入NaCl中形成空位型固溶体；（3）NaCl形成肖特基缺陷；（4）Agl形成弗伦克尔缺陷（Ag+进入间隙）。

解：（1）NaClNaCa’+ClCl+VCl·

（2）CaCl2CaNa·+2ClCl+VNa’

（3）OVNa’+VCl·

（4）AgAgVAg’+Agi·

3-8MgO的密度是3.58g/cm3，其晶格参数是0.42nm，计算单位晶胞MgO的肖特基缺陷数。

解：设有缺陷的MgO晶胞的晶胞分子数为x，晶胞体积V=（4.20）3，x=ρVN0/M=3.96,单位晶胞的肖脱基缺陷数=4-x=0.04。

3-9MgO（NaCl型结构）和Li2O（反萤石型结构）均以氧的立方密堆为基础，而且阳离子都在这种排列的间隙中，但在MgO中主要的点缺陷是肖特基缺陷，而在Li2O中是弗伦克尔型，请解释原因。

解：Mg占据四面体空隙，Li占据八面体空隙。

3-10MgO晶体的肖特基缺陷生成能为84kJ/mol，计算该晶体1000K和1500K的缺陷浓度。（答：6.4×10－3，3.5×10－2）

解：n/N=exp（-E/2RT），R=8.314，T=1000k：n/N=6.4×10-3；T=1500k：n/N=3.5×10-2。

3-11非化学计量化合物FexO中，Fe3+／Fe2+＝0.1，求FexO中的空位浓度及x值。（答：2.25×10－5；0.956）

解：Fe2O32FeFe·+3OO+VFe’’

y2yy

Fe3+2yFe2+1-3yO，

X=1-y=1-0.0435=0.9565,Fe0.9565O

[VFe’’]===2.22×10-2

3-12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的密度将发生怎么样的变化？增大还是减小？为什么？

解：Zn（g）Zni·+e’

Zn（g）+1/2O2=ZnO

Zni·+e’+1/2O2ZnO

[ZnO]=[e’]

∴PO2[Zni·]ρ

O2（g）OO+VFe’’+2h·

k=[OO][VFe’’][h·]/PO21/2=4[OO][VFe’’]3/PO21/2

[VFe’’]∝PO2-1/6，

∴PO2[VFe’’]ρ

3-13对于刃位错和螺位错，区别其位错线方向、伯氏矢量和位错运动方向的特点。

解：刃位错：位错线垂直于位错线垂直于位错运动方向；螺位错：位错线平行于位错线平行于位错运动方向。

3-14图3-1是晶体二维图形，内含有一个正刃位错和一个负刃位错。

（1）围绕两个位错伯格斯回路，最后得伯格斯矢量若干？

（2）围绕每个位错分别作伯氏回路，其结果又怎样？

解：略。

3-15有两个相同符号的刃位错，在同一滑移面上相遇，它们将是排斥还是吸引？

解：排斥，张应力重叠，压应力重叠。

3-16晶界对位错的运动将发生怎么样的影响？能预计吗？

解：晶界对位错运动起阻碍作用。

3-17晶界有小角度晶界与大角度晶界之分，大角度晶界能用位错的阵列来描述吗？

解：不能，在大角度晶界中，原子排列接近于无序的状态，而位错之间的距离可能只有1、2个原子的大小，不适用于大角度晶界。

3-18从化学组成、相组成考虑，试比较固溶体与化合物、机械混合物的差别。

固溶体

机械混合物

化合物

形成原因

以原子尺寸“溶解”生成

粉末混合

原子间相互反映生成

相数

均匀单相

多相

单相均匀

化学计量

不遵守定比定律

遵守定比定律

化学组成

不确定

有几种混合物就有多少化学组成

确定

以AO溶质溶解在B2O3溶剂中为例：

比较项

固溶体

化合物

机械混合物

化学组成

（x=0～2）

AB2O4

AO+B2O3

相组成

均匀单相

单相

两相有界面

3-19试阐明固溶体、晶格缺陷和非化学计量化合物三者之间的异同点，列出简明表格比较。

解：固溶体、晶格缺陷、非化学计量化合物都是点缺陷，是晶体结构缺陷，都是单相均匀的固体，结构同主晶相。热缺陷——本征缺陷；固溶体——非本征缺陷；

分类

形成原因

形成条件

缺陷反应

化学式

溶解度、缺陷浓度

热缺陷

肖特基

弗伦克尔

热起伏

T>0k

O+

MMMi··+

只受温度控制

固溶体

无限，有限，置换，间隙

搀杂

溶解

大小，电负性，电价，结构

无：受温度控制

有：搀杂量固溶度受固溶度控制

非化学计量化合物

阳缺

阴间

阳间

阴缺

环境中气氛性质和压力变化

Fe1-xO

UO2+x

Zn1+xO

TiO2-X

[h·]∝

[]∝

3-20在面心立方空间点阵中，面心位置的原子数比立方体项角位置的原子数多三倍。原子B溶入A晶格的面心位置中，形成置换型固溶体，其成分应该是A3B呢还是A2B？为什么？

解：略。

3-21Al2O3在MgO中形成有限固溶体，在低共熔温度1995℃时．约有18wt％Al2O3溶入MgO中，假设MgO单位晶胞尺寸变化可忽略不计。试预计下列情况的密度变化。1）Al3+为填隙离子；2）Al3+为置换离子。

解：（a）Al3+为填隙离子：

缺陷反应为：

（1）

固溶式分子式：

（b）Al3+为置换离子：

缺陷反应为：（2）

固溶式分子式：（3）

取100g试样为基准：（为摩尔数）

（m为摩尔数）

∴MgO中固溶18%wt的Al2O3后的分子式为：

2.035MgO·0.176Al2O3或Mg2.035Al0.352O2.563（4）

（4）式各项除以2.563得Mg0.794Al0.137O（5）

由（5）式得x=0.137代入（2）（3）式，

对（a）有

即

（b）有

设：固溶前后晶胞体积不变，则密度变化为：

（，分别代表固溶前后密度）

所以，固溶后的密度小于固溶前的密度。

3-22对硫铁矿进行化学分析：按分析数据的Fe/S计算，得出两种可能的成分：Fe1-xS和FeS1-x，前者意味着是Fe空位的缺陷结构，后者是Fe被置换。设想用一种实验方法以确定该矿物究竟属哪一类成分？

解：Fe1-xS中存在Fe空位，非化学计量，存在h·P型半导体；FeS1-x中金属离子过剩，存在S2-空位，存在N型半导体；因Fe1-xS、FeS1-x分属不同类型半导体，通过实验确定其半导体性质即可。

3-23说明为什么只有置换型固溶体的两个组分之间才能相互完全溶解，而填隙型固溶体则不能。

解：（1）晶体中间隙位置是有限的，容纳杂质质点能力釉式2Y2，所以在高温下釉式1粘度>釉式2粘度。

（2）釉式1熔融温度>釉式2熔融温度

（3）表面张力的差别：釉式1表面张力1Al3+被视为网络形成离子

Z=4，X=2R-Z=4.66-4=0.66，Y=4-0.66=3.34

（3）>1Al3+被视为网络形成离子

Z=4，，X=2R-Z=4.8-4=0.8，Y=4-0.8=3.2

（4）

Na2O

CaO

SiO2

wt%

mol

0.290

0.179

1.200

mol%

17.4%

10.7%

71.9%

Z=4，，X=2R-Z=0.78，Y=4-0.78=3.22

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？

序号

Na2O

CaO

A12O3

SiO2

B2O3

解：1号：Z=4，Al3+被视为网络形成离子

X1=2R-Z=0.5，Y1=4-0.5=3.5

2号：Z=4，Al3+被视为网络改变离子

X2=2R-Z=1.5，Y2=4-1.5=2.5

Y1>Y2高温下1号玻璃的粘度大。

4-17有两种不同配比的玻璃其组成（wt％）如下，试用玻璃结构参数说明两种玻璃高温下粘度的大小？

序号

Na2O

A12O3

SiO2

解：

序号

Na2O

A12O3

SiO2

wt%

mol%

wt%

mol%

wt%

mol%

8.16

7.47

84.37

12.09

4.86

83.05

对于1：

Z=4，Al2O3被视为网络形成离子

X1=2R-Z=0.014，Y1=4-X=3.986

对于2：

Z=4，Al2O3被视为网络形成离子

X2=2R-Z=0.16，Y2=4-X=3.84

Y1>Y2，故1号在高温下的粘度大。

4-18有一种玻璃组成（wt％）为Na2O14％、CaO13％、SiO273％，其密度为2.5g/cm3。（1）计算该玻璃的原子堆积系数（AFP）及结构参数值？（2）若用纯碱、石灰石和石英砂作原料，用1000kg石英砂熔制该玻璃，问其他两种原料各需多少？

解：（1）该玻璃的平均分子量

GM=0.14×62+0.13×56+0.73×60.02=59.77

在1?3中原子数为

n==2.5×10-24×6.02×1023/59.77=0.252个/?3

在1?3原子所占体积

V=0.0252×4/3π[0.14×2×0.983+0.13×1.063+0.73×0.393+（0.14+0.13+0.73×2）×1.323]

=0.4685

∴AFP=0.46

结构参数：

Na2O

CaO

SiO2

wt%

mol

0.23

1.22

mol%

13.7

72.6

R=(13.7+13.7+72.6×2)/72.6=2.38

∵Z=4∴X=2R-Z=2.38×2-4=0.76

Y=Z-X=4-0.76=3.24

（2）石英砂为1000kg，则需要纯碱（Na2CO3）：

需要石灰石（CaCO3）：

4-19试简述哪些物质可以形成非晶态固体（NCS）？形成（NCS）的手段有哪些？可以用什么实验方法研究NCS结构？

解：熔体和玻璃体可以形成非晶态固体。将熔体和玻璃体过冷可以得到非晶态固体。

4-20试简述淬火玻璃与退火玻璃在结构与性能上有何差异？

解：消除和均衡由温度梯度产生的内应力的玻璃为退火玻璃，这类玻璃不易碎裂且切割方便。淬火处理是将制品加热至接近其软化温度，使玻璃完全退火，然后进行迅速冷却(淬火处理)。因此产生均匀的内应力，从而使玻璃表面产生预加压应力，增加了抗弯、抗冲击的抗扭曲变形的能力。

4-21以下三种物质，哪个最容易形成玻璃？哪个最不容易形成玻璃，为什么？（1）Na2O·2SiO2；（2）Na2O·SiO2；（3）NaCl

解：（1）最容易形成玻璃，（3）最不容易形成玻璃。经计算可知R1=2.5，R2=3，Y1=3，Y2=2Y1>Y2，高温下（1）粘度大，容易形成玻璃，NaCl不具备网络结构，为典型的离子晶体很难形成玻璃。

4-22查阅下列系统的粘度和Tg/TM等有关数据，试判断下列系统形成玻璃可能性的顺序。（1）GeO2·SiO2，以100℃/s冷却；（2）GeO2·SiO2气相沉积在0℃SiO2基板上；（3）金属金气相沉积在0℃铜基板上；（4）A12O3气相沉积在0℃A12O3基板上；（5）液态硫以1℃/s冷却；（6）液态金以106℃/s冷却；（7）气态NaCl在0℃A12O3基板上冷却；（8）液态ZnCl2以100℃/s冷却。

解：略。

4-23若将10mol％Na2O加入到SiO2中去，计算O∶Si比例是多少？这样一种配比有形成玻璃趋向吗？为什么？

解：，这种配比有形成玻璃的趋向，因为此时结构维持三维架状结构，玻璃的粘度还较大，容易形成玻璃。

4-24在100gSiO2中要加入多少CaO，才能使O∶Si达2.5？

解：设要加入XgCaO，则：

解得：X=46.67

4-25若将50mol％Na2O加入到SiO2中，计算O∶Si比例是多少？这种配比能形成玻璃吗？为什么？

解：，可以形成玻璃。当加入50mol%Na2O时，连续网状SiO2骨架虽然松弛化，但依然是三维网络结构，可以形成玻璃。

4-26在SiO2中加入20％B2O3，试计算熔体的O∶Si比例是多少？

解：1.86

4-27在SiO2中应加入多少Na2O，使玻璃的O/Si＝2.5，此时析晶能力是增强还是削弱？

解：设加入xmol的Na2O，而SiO2的量为ymol。

则O/Si=（x+2y）/y=2.5

∴x=y/2即二者的物质量比为1:2时，O/Si=2.5。

因为O/Si增加了，粘度下降，析晶能力增强了。

4-28个别网络改变体（如Na2O）加到石英玻璃中，使氧硅比增加。实验观察到当O/Si＝2.5~3时，即达到形成玻璃的极限，根据结构解释为什么在2＜O/Si＜2.5的碱和硅石混合物可以形成玻璃，而O/Si＝3的碱和硅灰石混合物结晶而不形成玻璃？

解：当O/Si＝2.5~3时，Y=2~3，当2＜O/Si＜2.5时，3

4-29试分析：（1）假如要求在800℃时得到一种具有最高的SiO2摩尔百分数的熔体，而且只能在SiO2中加入一种别的氧化物，那么应选择什么氧化物作外加剂？加入量多少为宜？说明理由。（2）为什么石英的熔融温度比方石英的熔融温度低？

第五章答案

5-1略。

5-2何谓表面张力和表面能？在固态和液态这两者有何差别？

解：表面张力：垂直作用在单位长度线段上的表面紧缩力或将物体表面增大一个单位所需作的功；σ=力/总长度（N/m）

表面能：恒温、恒压、恒组成情况下，可逆地增加物系表面积须对物质所做的非体积功称为表面能；J/m2=N/m

液体：不能承受剪应力，外力所做的功表现为表面积的扩展，因为表面张力与表面能数量是相同的；

固体：能承受剪切应力，外力的作用表现为表面积的增加和部分的塑性形变，表面张力与表面能不等。

5-3在石英玻璃熔体下20cm处形成半径5×10－8m的气泡，熔体密度为2200kg/m3，表面张力为0.29N/m，大气压力为1.01×105Pa，求形成此气泡所需最低内压力是多少？

解：P1（熔体柱静压力）=hρg=0.2×2200×9.81=4316.4Pa

附加压力=2×0.29/5×10-8=1.16×107Pa

故形成此气泡所需压力至少为P=P1+△P+P大气=4316.4+1.16×107+1.01×105=117.04×105Pa

5-4（1）什么是弯曲表面的附加压力？其正负根据什么划分？（2）设表面张力为0.9J/m2，计算曲率半径为0.5μm、5μm的曲面附加压力？

解：（1）由于表面张力的存在，使弯曲表面上产生一个附加压力，如果平面的压力为P0，弯曲表面产生的压力差为△P，则总压力为P=P0+△P。附加压力的正负取决于曲面的曲率，凸面为正，凹面为负。

（2）根据Laplace公式：可算得△P=0.9×（1/0.5+1/5）=1.98×106Pa

5-5什么是吸附和粘附？当用焊锡来焊接铜丝时，用挫刀除去表面层，可使焊接更加牢固，请解释这种现象？

解：吸附：固体表面力场与被吸附分子发生的力场相互作用的结果，发生在固体表面上，分物理吸附和化学吸附；

粘附：指两个发生接触的表面之间的吸引，发生在固液界面上；

铜丝放在空气中，其表面层被吸附膜（氧化膜）所覆盖，焊锡焊接铜丝时，只是将吸附膜粘在一起，锡与吸附膜粘附的粘附功小，锉刀除去表面层露出真正铜丝表面（去掉氧化膜），锡与铜相似材料粘附很牢固。

5-6在高温将某金属熔于Al2O3片上。（1）若Al2O3的表面能估计为1J/m2，此熔融金属的表面能也与之相似，界面能估计约为0.3J/m2，问接触角是多少？（2）若液相表面能只有Al2O3表面能的一半，而界面能是Al2O3表面张力的2倍，试估计接触角的大小？

解：（1）根据Yong方程：

将已知数据代入上式=0.7，所以可算得接触角约为45.6度

（2）将已知数据代入Yong方程=0.8，可算得接触角约为36.9度。

5-7在20℃及常压下，将半径为10－3m的汞分散成半径为10－9m的小汞滴，求此过程所需作的功是多少？已知20℃时汞的表面张力0.47N/m。

解：此过程所需作的功应等于系统表面能的增加,即

==59w

5-8在2080℃的Al2O3（L）内有一半径为10－8m的小气泡，求该气泡所受的附加压力是多大？已知2080℃时Al2O3（L）的表面张力为0.700N/m。

解：根据公式，可算得△P=2×0.7/10－8=1.4×108N

5-9

20℃时

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