???????????????????????????????????????试卷编号 MSE09-19 拟题教研室（或教师）签名 徐协文 教研室主任签名
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长沙理工大学考试试卷
??????????????????????????????????????? 课程名称（含档次）无机材料科学基础/考试 课程代号
专业： 无机材料工程 层次（本部、城南）： 本部 考试方式（开、闭卷）闭
1. 用晶体场理论解释FeCr2O4和Fe3O4分别为正型结构和反型尖晶石结构的原因。（10分）
2． 假如空位周围没有晶格驰豫，如何预测PO2和T与（a）Fe1-xO及（b）UO2+x的密度之间的关系。（20分）
3． 一种用于制造灯泡的苏打－石灰－石英玻璃的退火点是514℃，软化点是696℃，计算这种玻璃的熔融范围和工作范围？(20分)
4． 假如高岭石薄片的四面体上，每个裸露的氧上吸附着一个水分子，试问高岭石质量将增加多少？（15分）
5.若认为晶界的扩散通道宽度一般为0.5nm，试证明原子通过晶界扩散和晶格扩
Dgb10?9()()Dv。其中d为晶粒平均直径；Dgb、Dv分别为晶界扩散散的质量之比为d系数和晶格扩散系数。（15分）
6．（1）请根据下列实验数据画出KF-BaTiO3二元相图。 温度（℃） 液相中BATiO3（摩尔百分含量）
833 2 1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 4 6 9 12.5 17 22.5 28.5
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KF的熔点为850℃，BaTiO3的熔点为1612℃，低共熔点温度为833℃。
（1）画出下列各组成熔体的步冷曲线：0，2，9摩尔％BATiO3。
（3）已知一熔体是由60g BaTiO3和135gKF配成。若用此熔体生长单晶BaTiO3，应如何控制温度？最多能生长出多少BaTiO3单晶？（20分）
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???????????????????????????????????????试卷编号 MSE09-20 拟题教研室（或教师）签名 徐协文 教研室主任签名
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长沙理工大学考试试卷
??????????????????????????????????????? 课程名称（含档次）无机材料科学基础/考试 课程代号
专业： 无机材料工程 层次（本部、城南）： 本部 考试方式（开、闭卷）闭
1.图示为面心正交格子去掉上下单面心后的结点排列情况，该图在三维空间无限
重复，能否形成一空间点阵？（10分）
2.（a）在MgO晶体中，肖特基缺陷的生成能为6eV，计算在25℃和1600℃时热缺陷的浓度。（b）如果MgO晶体中，含有百万分之一的Al2O3杂质，则在1600℃时，MgO晶体中时热缺陷占优势还时杂质缺陷占优势？（20分）
3.熔体粘度在727℃时是108dPa?s，在1156℃时是104dPa?s，在什么温度下它是107dPa?s（用
log?＝A?BT(K)解之）？求该熔体的粘性流动活化能？ （15分）
4.具有面心立方晶格的晶体，其（110）、（100）、（111）面上表面原子密度分别为0.555，0.785，0.907，试回答哪一个晶面上固-气表面能将是最低的，为什么？（20分）
5.在还原气氛中，硅酸盐材料中的氧化硅要蒸发（挥发）损耗。在1320℃某还原气氛条件下，材料上方SiO2气体的压力为30Pa，请估计面积为A（cm2）的材料的蒸发速率。（15分）
6． 请用相律说明下列结论是否严谨，为什么？（12分）
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（1）纯物质在一定压力下的熔点是一定值； （2）纯物质在一定温度下的蒸气压为定值；
（3）纯物质在一定温度下，固、气、液三相可以平衡共存。
7. 画出某相图内可能发出穿越相区的组成点范围（用阴影线表示。）（10分）
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??????????????????????????????????????? 试卷编号 MSE09-1 拟题教研室（或教师）签名 徐协文 教研室主任签名
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长沙理工大学考试试卷
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课程名称（含档次）无机材料科学基础/考试 课程代号
专业： 无机材料工程 层次（本部、城南）： 本部 考试方式（开、闭卷）闭
一、选择题（在括号中填空相应字母）（20分）
1、晶体结构中宏观对称要素的（组）集合称（ ）。（a）点群，（b）微观对称要素，（c）对称型，（d）空间群。
2、反尖晶石中三价阳离子的一半填在（ ）空隙中，而另（ ）填在八面体空隙中。（a）四面体，四分之一；（b）变形的四面体，一半；（c）八面体，一半；（d）四面体，二分之一。
3、下列硅酸盐矿物属于层状结构的是（ ），属链状结构的有（ ），属岛状结构的为（ ）。（a）顽火辉石Mg2[Si2O6]，（b）绿宝石Be3Al2[Si6O18]，（c）镁橄榄石Mg2[SiO4]，（d）K2O·Al2O3·6SiO2，（e）叶腊石Al2[Si4O10]（OH）2。 4、金属氧化物MO，在还原气氛下M与O之比为M：O=1.1：1，则其化学式为（ ）。（a）M1.1O，（b）MO0.91，（c）MO1.1。 5、硅酸盐熔体中，O/Si减小时，下列变化分别是： （1）碱性氧化物含量（ ）。 （2）非桥氧（ ）。 （3）熔体粘度（ ）。 （4）析晶倾向（ ）。
（5）聚合度（ ）。（a）不变，（b）降低，（c）增加。
6、下列情况哪种情形（条件）液体在固相表面自由铺展最快（ ）。 （a）γ
LV
（b）0°＜润湿角θSV＜νSL，
＜90°，（c）θ=0°，（d）γ
SV＞γSL+γ
7、扩散字数可表达为D=
12fr，则它的物理含义可解释为（ ） 6（a）宏观上扩散通量与有效质点跃过频率成正比；
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（b）原子或空位的距离大，则扩散通量大； （c）跃迁势垒小则扩散系数大； （d）（a）和（b）。
8、粘土的带电性与介质的pH值有关，在酸性介质中，边面常（ ）电荷，在碱性介质中边面带（ ）电荷。（a）+2，（b）－2，（c）+1，（d）－1 9、非均态成核时，成核势垒与润湿角又有关，当θ为（ ）时，f（θ）=（a）180°,（b）90°,（c）0°，（d）＜0°。
10、下列哪种传质方式（ ），在烧结过程中对材料的致密度改变最小。 （a）晶格扩散，（b）表面扩散，（c）流动传质，（d）蒸发—凝聚。 二、填空（20分）
1、晶体热缺陷的形式有 和 两类，其浓度随温度变化的关系式为 。
2、写出下列缺陷方程式（选做一个方程，每个方程写两种可能性）
MgOCaF2Al2O3???? ；YF3????
1。 23、Na2O·2SiO2玻璃的四个结构参数为R= 、 、 和 。
4、润湿角θ＞90°时，固体表面粗糙度大，则表面接触角θn ，对润湿性的影响是 。 5、晶体生长速率可表述为??BV呈线性关系。
6、粘土带电的主要原因有 、 和 。 7、液相烧结的典型传质机理有 与 两种形式。 三、问答与计算（40分）
1、简述扩散、相变、固相反应与烧结推动力的具体表现形式。 2、简述非计量化合物与固溶体的异同。
3、Al2O3+SiO2→3Al2O3·2SiO2为扩散控制的固相反应，若活化能△E=210kJ/mol，1400℃下反应1h反应完成10%，求1500℃反应4h反应速度（已知[1－（1－G）1/3]2=kt，k=A·exp（－△E/RT）。
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?HRTo2△T，就是说晶体生长速率与过程参数
四、（1，2题中选做一题）（20）分
1、图例（相图）说明低共熔点与转熔点的异同。 2、如图示，分析熔体M的析晶过程，并做说明。
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??????????????????????????????????????? 试卷编号 MSE09-2 拟题教研室（或教师）签名 徐协文 教研室主任签名
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长沙理工大学考试试卷
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课程名称（含档次）无机材料科学基础/考试 课程代号
专业： 无机材料工程 层次（本部、城南）： 本部 考试方式（开、闭卷）闭
一、名词解释（20分） 1、非化学计量化合物： 2、无规则网络学说： 3、非均态成核： 4、固相烧结： 5、二级相变： 二、填空（20分）
1、稳定的晶体结构中，阳离子周围形成一个 多面体，阳离子的配位数（CN）取决于 。根据不同的CN，从几何关系可计算出γ+/γ值的上、下限。
2、粘土粒子周围的定向水分子层称之为 水，而层内的OH－可视作 。
3、等径球体密堆方式有 和 两种，前者对应的结构为 ，后者对应于 结构。
??（两个方程） 4、写出缺陷方程式TiO2??AL2O3－
5、熔体是不同聚合度的 的混合物，其 、 和 随溶体的组成和温度而变化。
6、析晶的推动力是 ，均态成核时，△Gk= ，相当 于 。（2分）
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7、固相反应包括 和反应两个过程。 三、问题与计算（40分）
1、简述硅酸晶体的结构分类特点，并写出O/Si的值。
2、以晶体与玻璃为例，说明无机材料的组成、结构与性能之间的简要关系。 3、已知熔体的密度d=2200kg/m3，表面张力为D=0.29N/m，大气压力是1.01×105Pa。求在熔体深处20cm，形成φ=5×10－8m的小气泡时，气泡内的最小压力值。 四、（二题中任选一题）（20分）
1、如图(1)示，为三元系统化合物相图。(补考时不做) （1）说明化合物D1、D2、D3和D4的性质。
（2）分析E、F、G及H点的性质；写出相变方程。 （3）分析熔体1的析晶过程。
图（1）
2、如图(2)示， （1）完成相图。
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4.在真空条件下Al2O3的表面张力约为0.9J/m2，液态铁的表面张力为1.72J/m2，同样条件下的界面张力（液态铁-氧化铝）约为2.3J/m2，问接触角有多大？液态铁能否润湿氧化铝？（10分）
5. 制造晶体管的方法之一是将杂质原子扩散进入半导体材料如硅中。假如硅片厚度是0.1cm，在其中每107个硅原子中含有一个磷原子，而在表面上是涂有每107个硅原子中有400个磷原子，计算浓度梯度（a）每cm上原子百分数，（b）每cm上单位体积的原子百分数。硅晶格常数为0.5431nm。
6.由A向B的相变中，单位体积自由焓变化△GV在1000℃是418J/cm3；在900℃是2090J/cm3。设A－B间的界面能为0.5J/m2，求：（1）在900℃和1000℃时的临界半径，（2）在1000℃进行相变时所需的能量。（10分）
7.试完成下图8配料点1，2，3的结晶路程（表明液、固相组成点的变化及结晶过程各阶段系统中发生的相变化）。（20分）
7题图. 生成不一致熔二元化合物（AmBn）的A-B-C三元相图
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???????????????????????????????????????试卷编号 MSE09-17 拟题教研室（或教师）签名 徐协文 教研室主任签名
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长沙理工大学考试试卷
??????????????????????????????????????? 课程名称（含档次）无机材料科学基础/考试 课程代号
专业： 无机材料工程 层次（本部、城南）： 本部 考试方式（开、闭卷）闭
1.试写出少量MgO掺杂到Al2O3中和少量YF3掺杂到CaF2中的缺陷方程。（a）判断方程的合理性。（b）写出每一个方程对应的固溶式。（15分）
??Al2O3?3MgO????2Mg??3OOMgAl1
(1)
(2) (3)
Al2O3??2MgO????2Mg?Al?VO?2OOCaF2YF3????Y?Ca?F1??2FFCaF2???6FF2YF3????2Y?Ca?VCa
2.（a）MgO具有NaCl结构。根据O2-半径为0.140nm和Mg2+半径为0.072nm，计算球状离子所占有的空间分数（堆积系数）。（b）计算MgO的密度。（15分）
Mn·N0a34?(24.3?16.0)6.02?1023?(0.424?10?7)3＝3.51g/cm3
(4)
DMgO＝＝（b）
3.已知石英玻璃得密度为2.3g/cm3，界定玻璃中原子尺寸与晶体SiO2相同。试计算玻璃原子堆积系数（APF）是多少？（15分）
4.在石英玻璃熔体下20cm处形成半径为5×10-8m的气泡，熔体密度ρ＝2200Kg/m3，表面张力γ＝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？（10分）
5.在液固相变时，产生球形固相粒子，系统自由焓的变化为
?G??r3?GV?4?r2??Gk?Vk?GV1243。设△Gk为临界自由焓，Vk为临界晶核的体积。试证明：
对非均匀成核假定晶核为球冠形可得到同样的结论。（15分）
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6.一个氧化物粉末的表面能是10-4J/cm2，烧结后晶界能是5.5×10-5 J/cm2。若一个2μm的粉末（假如是立方体）被烧结时，有多少能量被释放（假定晶粒不生长）？（12分）
7．图示生成一个三元化合物的三元相图。（1）判断三元化合物N的熔融性质。（2）标出边界曲线的温降方向（转容界线用双箭头）。（3）指出无变点K、L、M的性质。（4）分析点2的结晶路程（表明液固组成点的变化及各阶段的相变化）。（18分）
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???????????????????????????????????????试卷编号 MSE09-18 拟题教研室（或教师）签名 徐协文 教研室主任签名
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长沙理工大学考试试卷
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专业： 无机材料工程 层次（本部、城南）： 本部 考试方式（开、闭卷）闭
1. 对于具有面心立方结构和体心立方结构的同质多晶原子晶体，根据面心立方结构的原子半径，计算转变成体心立方结构时的原子半径，假设晶体的体积不变。(12分)
2.用0.2molYF3加入CaF2中形成固溶体，试验测得固溶体的晶胞参数a0＝0.55nm，测得固溶体密度ρ＝3.64g/cm3，试计算说明固溶体的类型？（元素的相对原子质量：Y＝88.90；Ca＝40.08；F＝19.00）.（20分）
3. 1g石英当它粉碎（在湿空气中）成每颗粒半径为1μm的粉末时质量增加至1.02g，它的吸附水膜厚度为多少？（石英密度是2.65g/cm3）（13分）
2+
4. 已知MgO多晶材料中Mg离子本征扩散系数（Din）和非本征扩散系数（Dex）由下式给出
486000) cm2sRT254500Dex?1.2?10?5exp(?) cm2sRT
（a） 分别求出25℃和1000℃时，Mg2+的（Din）和（Dex）。
Din?0.249exp(?（b） 试求在Mg2+的lnD～1/T图中，由非本征扩散转变为本征扩散的转折点温度？（15分）
5. 请简要说明晶体线性生长速率与哪些参数有关？（10分）
6.某陶瓷体烧结前的孔隙为28%（体积百分比），烧结后的密度为5.03g/cm3，其真密度为5.14 g/cm3，问：（a）烧结后孔隙率为多大？（b）如果要求最终尺
寸为16.3mm，模子尺寸应为多大？（12分）
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7．图示生成一个三元化合物的三元相图。（1）判断三元化合物N的熔融性质。（2）标出边界曲线的温降方向（转容界线用双箭头）。（3）指出无变点K、L、M的性质。（4）分析点2的结晶路程（表明液固组成点的变化及各阶段的相变化）。（18分）
生成三元化合物N的A-B-C三元相图
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四、当反应物通过产物层的扩散控制速率时，由NiO和Cr2O3的球形颗粒形成NiCr2O4晶体，假定NiO颗粒包围着Cr2O3 颗粒，反应符合杨德动力学规律。（15分）
1. 请绘出反应初期的反应模型，并推导反应初期的形成速率关系； 2. 在1300度，NiCr2O4中DCr3+>DNi2+>DO2-，试问哪一个离子控制着NiCr2O4的形成速率？为什么？
3. 如将细铂丝涂在两种氧化物NiO和Cr2O3的分界线上，然后将这些压制成型的样品进行扩散退火(标记物铂丝非常细，不影响离子在不同氧化物之间的扩散)。在保持电中性的前提下，判断铂丝将向哪一方向移动？ 五、下图是A-B-C三元系统相图，根据相图回答下列问题：（25分） 1. 判断化合物S1、S2、S3的性质；
2. 用箭头表示相区界线温度变化方向及界线性质；
3. 划分副三角形，并写出各三元无变量点的平衡过程及性质； 4. 用规范化写法写出M点对应组分的平衡结晶过程；
5. N点对应的三元组成点加热时在那一点温度下开始出现液相？哪一点温度下完全熔化？ 六、名词解释（10分） 1、非化学计量化合物：（3分） 2、无规则网络学说：（4分） 3、非均态成核：（3分）
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第五题图
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???????????????????????????????????????试卷编号 MSE09-13 拟题教研室（或教师）签名 徐协文 教研室主任签名
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??????????????????????????????????????? 课程名称（含档次）无机材料科学基础/考试 课程代号
专业： 无机材料工程 层次（本部、城南）： 本部 考试方式（开、闭卷）闭
一、判断下列叙述是否正确？若不正确，请改正（30分） 1. 结晶学晶胞是反映晶体结构周期性的最小重复单元。
2. 热缺陷是温度高于绝对零度时，由于晶体组成上的不纯净性所产生的一种缺陷。
3. 晶面指数通常用晶面在晶轴上截距的互质整数比来表示。
4. 固溶体是在固态条件下，一种物质以原子尺寸溶解在另一种物质中所形成的单相均匀的固体。
5. 扩散的推动力是浓度梯度，所有扩散系统中，物质都是由高浓度处向低浓度处扩散。
6. 初次再结晶的推动力是晶界过剩的自由焓。
7. 在热力学平衡条件下，二元凝聚系统最多可以3相平衡共存，它们是一个固相、一个液相和一个气相。
8. 临界冷却速率是形成玻璃所需要的最小冷却速率，临界冷却速率越大越容易形成非晶体。
9. 马氏体相变是一种无扩散性相变，相变时成分发生变化但结构不变。 10.在临界温度、临界压力时，化学势及其一阶偏导数连续，二阶偏导数不连续的相变为二级相变，发生二级相变时，体系的体积和热焓发生突变。
11.驰豫表面是指在平行于表面的方向上原子间距不同于该方向上晶格内部原子间距的表面。
12.固态反应包括界面化学反应和反应物通过产物层的扩散等过程，若化
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学反应速率远大于扩散速率，则动力学上处于化学动力学范围。
三、FeO结构属于NaCl型结构，其中氧的摩尔分数 x0=0.52，晶格常数为0.429nm，由于存在正离子缺位，所以对应地存在一部分Fe3+离子。试计算 1.这种氧化铁中Fe2+/Fe3+离子比值 2.这种氧化铁的密度。（15分）
四、陶瓷材料制成的器件在外界温度发生急剧变化时为什么容易发生开裂或破碎？如何提高陶瓷材料抗热震性能？（15分）
五、讨论Al2O3和Si3N4两种材料的显微结构、性能及制备工艺特点。（15分） 六、金属材料、陶瓷材料中晶粒的大小与什么有关？晶粒大小对材料的宏观性质有何影响?工艺上如何控制晶粒尺寸？（15分）
十、下图是A-B-C三元系统相图，根据相图回答下列问题：
1．在图上划分副三角形、用箭头表示各条线上温度下降方向及界线的性质；
2．判断化合物D、F的性质；
3．写出各三元无变量点的性质及其对应的平衡关系式。（10分）
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??????????????????????????????????????? 试卷编号 MSE09-14 拟题教研室（或教师）签名 徐协文 教研室主任签名 ???????????????????????????????????????
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专业： 无机材料工程 层次（本部、城南）： 本部 考试方式（开、闭卷）闭
一、填空题（1.5×10=15分）
1. 扩散的基本推动力是（ ），一般情况下以（ ）形式表现出来，扩散常伴随着物质的（ ）。
2. 向MgO、沸石、TiO2、萤石中，加入同样的外来杂质原子，可以预料形成间隙型固溶体的固溶度大小的顺序将是（ ）。
3. 依据硅酸盐晶体化学式中（ ）不同，硅酸盐晶体结构类型主要有（ ）。 4. 二级相变是指（ ），发生二级相变时，体系的（ ）发生突变。 5. 固态反应包括（ ），化学动力学范围是指（ ）。 二、判断下列叙述是否正确？若不正确，请改正（15分） 1. 结晶学晶胞是反映晶体结构周期性的最小重复单元。 2. 晶面指数通常用晶面在晶轴上截距的互质整数比来表示。
3. 扩散的推动力是浓度梯度，所有扩散系统中，物质都是由高浓度处向低浓度处扩散。
4. 在热力学平衡条件下，二元凝聚系统最多可以3相平衡共存，它们是一个固相、一个液相和一个气相。
5. 马氏体相变是一种无扩散性相变，相变时成分发生变化但结构不变。 三、根据玻璃的形成条件，对下列几种物质形成玻璃的难易程度进行排序，并说明理由。（15分）
Cu SiO2 Na2O Na2O? 2SiO2 NaCl
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四、从材料科学角度分析晶体的实际强度为什么远低于理论强度。（15分） 五、已知Zn2+和Cr3+在尖晶石ZnCr2O4中的自扩散系数与温度的关系分别为
1. 试求1403K时Zn2+和Cr3+在ZnCr2O4中的扩散系数。
2. 如将细铂丝涂在两种氧化物ZnO和Cr2O3的分界线上，然后将这些压制成型的样品进行扩散退火。(标记物铂丝非常细，不影响离子在不同氧化物之间的扩散)。根据所得数据判断铂丝将向哪一方向移动？
3.画出ZnO和Cr2O3接触、反应并形成ZnCr2O4的反应模型，并写出接触界面上的化学反应。（20分）
六、下图是A-B-C三元系统相图，根据相图回答下列问题：
1．在图上划分副三角形、用箭头表示各条线上温度下降方向及界线的性质；
2．判断化合物D、F的性质；
3．写出各三元无变量点的性质及其对应的平衡关系式； 4．写出组成点G在完全平衡条件下的冷却结晶过程。（20分）
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???????????????????????????????????????试卷编号 MSE09-15 拟题教研室（或教师）签名 徐协文 教研室主任签名 ???????????????????????????????????????
长沙理工大学考试试卷
??????????????????????????????????????? 课程名称（含档次）无机材料科学基础/考试 课程代号
专业： 无机材料工程 层次（本部、城南）： 本部 考试方式（开、闭卷）闭
1．以NaCl晶胞为例，说明面心立方紧密堆积总的八面体和四面体空隙的位置和数量。（10分）
2．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。（20分）
3.熔体粘度在727℃时是108dPa?s，在1156℃时是104dPa?s，在什么温度下它是107dPa?s（用
log?＝A?BT(K)解之）？求该熔体的粘性流动活化能（15分）？
4.何谓表面张力和表面能？在固态和液态这两者有何差别？（10分）
5.试分析碳原子在面心立方和体心立方铁八面体空隙间跳跃情况，并以D＝γr2Γ形式写出其扩散系数（设点阵常数为a）。（式中r为跃迁自由程；γ为几何因子；Γ为跃迁频率。）（15分）
6.试述烧结的推动力和晶粒生长的推动力，并比较两者之大小。（10分
7.试完成下图8配料点1，2，3的结晶路程（表明液、固相组成点的变化及结晶过程各阶段系统中发生的相变化）。（20分）
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图. 生成不一致熔二元化合物（AmBn）的A-B-C三元相图
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专业： 无机材料工程 层次（本部、城南）： 本部 考试方式（开、闭卷）闭
1.有一个AB型面心立方结构的晶体，密度为8.94g/cm3，计算其晶胞参数和原子
间距。（10分）
2.（a）在MgO晶体中，肖特基缺陷的生成能为6eV，计算在25℃和1600℃时热缺陷的浓度。（b）如果MgO晶体中，含有百万分之一的Al2O3杂质，则在1600℃ 时，MgO晶体中时热缺陷占优势还时杂质缺陷占优势？（20分）
3.从上图判断用纯SiO2和苏打－石灰玻璃制造平板玻璃和瓶子玻璃的玻璃形成温度？（15分）
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