材料科学基础期末复习
绝世美人儿
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2021年01月17日 21:20
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材料科学基础复习
1
、
正尖晶石，反 尖晶石；萤石结构，反萤石结构；位移型转变，重建型转变；二八面体，三
八面体；同质多晶，异质同晶 。
正尖晶石
答：
在尖晶石
AB
2
O< br>4
型结构中，
如果
A
离子占据四面体空隙，
B
离子占 据八面体空隙，
则称为正尖晶石。
(A)[B
2
]O
4
反尖晶石型结构
答：如果半数的
B
离子占据四面体空隙 ，
A
离子和另外半数的
B
离子占据八面体空隙，则称为反尖晶石。
(B)[AB]O
4
萤石结构
:
答：
Ca
2+
作立方紧密堆积
,F
-
充 填于全部的四面体空隙
,
八面体空隙全部空着，因此在八个
F
-
之间 存在有较大
的空洞，为阴离子
F
-
的扩散提供条件
反萤石结构：
答：晶体结构与萤石完全相同，只是阴、阳离子的位置完全互换。如：
Li
2
O
、
Na
2
O
、
K
2
O
等。其中
Li
+
、
Na
+
、
K
+
离子占有结构中
F
-
离子的位置，而
O
2-
或其它离子占有
Ca
2+
离子的位置。叫做反同形体。
位移型转变：
答：同一系列（即纵向）之间的转变不涉及晶体结构中键的破裂和重建 ，仅是键长和键角的调整，转变迅
速且可逆
重建型转变：
答：不 同系列（即横向）之间的转变，如
α
-
石英和
α
-
磷石英，
α
-
磷石英和
α
-
方石英之间的转变都涉及键< br>的破裂和重建，转变速度缓慢
二八面体：
答：
八面体以共 棱方式相连，
但八面体中的
O
2-
离子只被两个其它阳离子所共用，
这种八面体称为二八面体。
三八面体：
答：八面体仍共棱方式 相连，但八面体中的
O
2-
离子被其它三个阳离所共用，称为三八面体
。
同质多晶：
答：化学组成相同的物质，在不同的热力学条件下形成不同的晶体的现象。
异质同晶：
答：化学组成相似或相近，在相同的热力学条件下，形成的晶体具有相同 的结构，这种现象称为类质同晶
现象。
2
、
架状结构，层状结构，岛状结构
。
岛状结构
:
硅酸盐晶体结构中的硅氧四面体以孤立状态存在
,
它们之间通过其它正离子的配位多
面 体连结。
层状结构
:
硅氧四面体通过三个共同氧连接 ，在二维平面内延伸成一个硅氧四面体层。
架状结构
：
架状结构 硅酸盐晶体其结构特征是每个硅氧四面体的四个角顶都与相邻的硅氧四面
体共顶
3
、
解释在
AX
型晶体结构中，
NaCl
型结构最多？
答：在
AX
型晶体结构中，一般阴离子
X
的半径较大，而阳离子
A
的半径较小，所以阴离子做
紧密堆积，阳离子填充在其空隙中。大多数
AX
型 化合物的
r+/r-
比在
0.414
—
0.732
之间，应填
充在八面体空隙中。即具有
NaCl
型结构；并且
NaCl型晶体结构的对称性较高，那么有些在
0.732
—
1.00
之间的晶体 ，其晶格能相差很小，且由于极化结果，也趋向于
NaCl
型结构，所以
AX
型晶体结构中，
NaCl
型结构最多。
4
、
用
NaCl
结构理论解释水泥熟料中死烧
MgO
和
CaO< br>结构的不同？
答：
NaCl
结构是一种立方面心格子，其中阴离子按 最紧密方式堆积，阳离子充填于全部的八
面体的空隙中，阴阳离子的配位数都为
6
。水 泥熟料中死烧
MgO
和
CaO
结构与
NaCl
结构，结构非常稳定水化速度缓慢，会影响水泥的安定性。但由于
Ca
2+
半径比
Mg
2+
半径大得多，因而
在
CaO
结构中，
O
2 -
被“撑开”
，这样，
CaO
结构不如
MgO
的结构稳定， 游离
CaO
水化速度比
游离
MgO
要快些，游离
CaO加热即可水化，而游离
MgO
经压蒸才能水化。
5
、
TiO2
的性质及应用
1.
在光学性质上具有很高的折射率。为集成光学棱镜材料。
2.
在电学性质上具有高的介电系数。因此，成为制备光学玻璃的原料，也是无线电陶瓷中需要
得晶相。
2
的纳米和介孔材料有催化、净化效果，用于光催化下的净化功能
6
、
为什么对称轴不存在
5
次和高于
6
次以上的轴？
1.
因为
5
次和高于
6
次对称轴的存在都违反晶体的格子
构造规律，它们所构成的面网网孔均不能无间隙地排满
整个平面，结果在面网上就出现空隙，这在晶体格子构
造中是不可能存在的
2.
另外，从基转角
α
来看，只有等于
360
o
、
180
o
、
120
o
、
90
o
、
60
o
、
0
o
,
才能整除< br>360
o
，即
n=360/
α
为整数。
3 .
正五边形上两平行行列
ad
和
bc
得结点间距不等，违反空间格子 规律，所以
5
次对称轴在晶
体上是不存在的。
7
、
用岛状结构理论解释水泥熟料中
γ
－
C2S
和
β
－
C2S
结构的不同？
镁橄榄石中如果
Mg
2+
离 子位置全部换成
Ca
2+
离子，就是水泥熟料中的
γ
-C
2
S
的结构
,
其中
Ca
2+
的配位数为
6.
结构稳定，
活性低在水泥中几乎是惰性的。
但如其中的
Ca
2+的配位数为
8
和
6
两
种配位时，是
β
-C2
S
，则属单斜晶系，随亦为岛式结构，由于其配位不规则，化学性质活泼，
能与 水发生水化反应。
8
、
分析说明高岭石，蒙脱石结构特点及其结构差异，并说明性质和结构的相关性。
答< br>：高岭石
：
1:1
层状结构，有解理性，层间为氢键。因此可交换的阳离子容量 小。水分子不
易进入单网层之间，晶体不会因为水含量增加膨胀，固具有很好的可塑性。
蒙脱石
：
2:1
层状结构，有解理性，层间为范氏键，易吸水，有膨润性。具有很 高的阳离子交
换能力。对
Na
、
Ca
、
Mg
、Al
、
H
等正离子均有强的交换性。
9
、
用晶体结构理论解释石灰石中方解石的结构
答：石灰石中方解石的结构可 看成是变了形的
NaCl
结构形式，只要将
NaCl
的三次轴竖立并加
压，使棱的夹角由
90°
变至
101°55′
，然后以
Ca
2+
代替
Na
+
，
CO
2-
3
代替Cl-
。在
CO
2-
3
中的
C
4+
在
中心，三个
O
2-
围绕
C
在一平面上成一等边 三角形。
Ca
2+
的配位数为
6
。
10
、
无机化合物晶体结构的表示方法有几种？
1.< br>晶胞结构图
:
有立体图和投影图两种。
可用于结构简单的直观图形。
对 于复杂晶体结构，
用不
同坐标面的投影图。
2.
坐标系：给出单位 晶胞中各个质点的空间坐标，就能清楚地了解晶体的结构。只适应简单结
构。
3.
球体紧密堆积和填充空隙情况：这是对金属晶体和离子晶体结构描述的最好描述。
4.
配位多面体及其连接方式：对结构复杂的晶体，如硅酸盐类，用此法。
5.
晶胞分子数
(Z)
：指单位晶胞中所含晶体“分子”个数
11
、
表征硅酸盐晶体的化学式方法有几种，分别是什么？并进行比较。
答：表征硅酸盐晶体的化学式方法有两种。
一种是所谓的氧化物法，即把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
价碱金属氧化物，其次是
+2
价，
+3
价的金属氧化 物，最后是
SiO
2
。例如，钾长石
的化学式写成
K
2O·
Al
2
O
3
·
6SiO
2
；高岭 石：
Al
2
O
3
.2SiO
2
·
2H
2
O
另一种是无机络盐表示法，是把是构成硅酸盐晶体的所有离子 按照一定比例和顺序全部写
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
Al
3+< br>和
Si
4+
离子，最后是
O
2-
或
OH-
离子。如钾长石为
K[AlSi
3
O
8
]
， 高岭石：
Al
2
[Si
2
O
5
](OH)
4
比较：氧化物表示法的优点在于一目了然地反映出晶体的化学组成，可以按此组成配料来
进 行晶体的实验室合成。
无机络盐表示法则可以比较直观地反映出晶体所属的结构类型，
进而可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
12.
什么是弗伦克尔缺陷？其特征如何？
答：
由于晶格上原子的 热振动，
一部分能量较大的原子离开正常位置，
进入间隙变成填隙原子，
并在原来的位 置留下一个空位
1.
空位、填隙原子成对出现，两者数量相等；
2.
晶体的体积不发生改变；
3.
间隙
——
六方、面心立方密堆中的四面体和八面体空隙
;
4.
不需要自由表面；
5.
一般情况下，< br>离子晶体中阳离子比阴离子小，
即正负离子半径相差大时，
易形成
Frenke l
缺陷。
13.
什么是肖特基缺陷？其特征如何
？
答：正常格点上的原子迁移到表面，从而在晶体内部留下空位。
1.
只有空位，没有填隙原子；
2.
如果是离子晶体，阳离子空位和阴离子空位成对出现，两者数量相等，保持电中性；
3.
需要有自由表面；
4.
伴随新表面的产生，晶体体积增加；
5.
正负离子半径相差不大时，
Schottky
缺陷为主；
14.
非化学计量化合物及特点。
答：
实际的化合物中，
有一些化合物不符合定比定律，
负离子与正离子的比例并不是一个简单
的固定的比例关系，这些 化合物称为非化学计量化合物。
】
非化学计量化合物的特点：
1
）非化学计量化合物产生及缺陷浓度与气氛性质、压力有关；
2
）可以看作是高价化合物与低价化合物的固溶体；
15.
为什么非计量化合物都是
N
型或
P
型半导 体材料？
答：
N
型半导体：
阴离子空位的产生，
束缚了自 由电子，
在电场的作用下，
这些电子发生迁移，
而形成电子导电，可以看作
N
型半导体。
P
型半导体：结构中产生正离子孔穴，引入电子孔穴，在电场作 用下运动而导电，可以看作
P
型半导体。
在非计量化合物中，有阴离子缺位型、阳离子填隙型，这两种缺陷都产生电子导电，所以是< br>N
型半导体材料。
还有阴离子间隙型、阳离子空隙型，这两种缺陷都产生电子 空穴，在电场作用下运动而导电，
所以是
P
型半导体材料。
16.
试写出下列缺陷方程及化学式
(1) TiO
2
Al2O3
(2) CaO
ThO2
(3) Y
2
O
3
MgO
(4) Al
2
O
3
ZrO2
(
解题规律：低价阳离子置换高价阳离子时，以阳离子为配平，阴离子
空位
高价阳离子置换低价阳离子时，以阴离子为配平，阳离子
空位
)
17.
影响形成置换固溶体的因素有哪些？
1.
原子或离子尺寸的影响
2.
晶体结构类型的影响
3.
离子类型和键性
4.
电价因素
18.
形成固溶体后对晶体性质的影响？
1
、稳定晶格，阻止某些晶型转变的发生
2
、活化晶格
3
、固溶强化
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）
5
、催化剂（固溶体由于具有可变价 阳离子，可随不同气氛而变化，使得在其晶格结构不变的
情况下容易做到对还原性气体赋予其晶格中的氧 ，
从氧化性气体中取得氧溶入晶格中，
从而起
到催化消除有害气体的作用。
）
6
、固溶体电性能（固溶体形成对材料电学性能有很大影响，几乎所有功能陶瓷材料 均与固溶
体有关）
7
、透明陶瓷及人造宝石（利用加入杂质离子可以对晶体 的光学性能进行调节或改变。
）
19.
写出缺陷反应及固溶体的化学式
（
1
）氧化钛固溶在氧化铝中
（
2
）氧化钇固溶在氧化镁中
（
3
）氯化钙固溶在氯化钾中