2017年江苏大学816无机材料科学基础考研大纲

1
目录
I 考查目标........................................................................................ 2
II 考试形式和试卷结构 ..................................................................2
III 考查内容..................................................................................... 2
IV. 题型示例及参考答案.................................................................3
2
全国硕士研究生入学统一考试
无机材料科学基础考试大纲
I 考查目标
目的是科学、公平、有效地测试考生是否具备攻读材料学专业硕士所必须的基本素质、
一般能力和培养潜能，以利用选拔具有发展潜力的优秀人才入学，为国家的经济建设培养具
有良好专业理论基础、具有较强分析与解决实际问题能力的高层次、应用型、复合型的材料
学专业人才。考试要求是测试考生掌握无机材料科学领域基本理论及处理和分析问题的一些
基本方法。
具体来说。要求考生：
1. 掌握无机材料结构的基础知识和基本理论；
2. 掌握结晶化学、晶体缺陷、非晶态、相平衡、胶体等理论的基本原理；
3. 掌握无机材料热力学和相平衡的基本原理；
4. 掌握材料制备过程中扩散、固相反应的动力学原理；
5. 掌握无机材料相变和烧结热力学与动力学的基本原理及基本应用方法；
6. 了解无机材料的化学组成--结构—制备—性能之间相互关系的基本规律。
II 考试形式和试卷结构
一、试卷满分及考试时间
试卷满分为 150 分，考试时间 180 分钟。
二、答题方式
答题方式为闭卷、笔试。允许使用计算器，但不得使用带有公式和文本存储功能的计算器。
三、试卷内容与题型结构
有以下三种题型：
判断题 10 题，每小题 3 分，共 30 分
解释概念题 5 题，每小题 4 分，共 20 分
计算与分析题 8 题，每小题 10～20 分，共 100 分
III 考查内容
1. 结晶化学的基本原理 掌握晶体的键型与晶体的特点；理解有效离子半径，密堆方式、
空隙类型；掌握配位数和配位多面体；掌握鲍林规则。
2. 晶体结构与晶体中的缺陷 了解有序、无序及转变；掌握典型晶体结构及硅酸盐晶体结
构；掌握晶体结构点缺陷分类和定义；掌握缺陷符号、反应方程和平衡浓度计算；掌握固溶
体分类与形成条件、非化学计量化合物及固溶体的研究方法。了解位错的基本概念。
3. 非晶态固体 掌握玻璃的四个通性；掌握玻璃结构的晶子理论和无规则网络理论；掌握
玻璃形成的热力学条件、动力学条件和结晶化学条件；掌握氧化物玻璃的特点和硅酸盐玻璃
的结构因子计算。
4. 表面与界面 掌握固体表面的特征、结构及表面能；掌握弯曲表面效应，润湿角的计算；
掌握粘土的荷电性、粘土离子的吸附与交换，掌握粘土—水系统的电动性质和胶体性质。
5.相平衡 掌握硅酸盐系统相平衡特点；掌握二元、三元相图的特点、类型，析晶过程判
定和分析方法和析晶过程中各相成分的计算方法，了解常见硅酸盐系统相图。
6. 热力学应用 掌握凝聚态体系中热力学的特点；掌握凝聚态体系中热力学应用的经典计
算方法和Φ 函数计算方法。
3
7. 扩散 掌握 Fick 第一、第二定律及其应用；理解扩散过程的推动力及扩散的微观机构，
掌握扩散系数的意义，掌握本征扩散、杂质扩散和非化学计量化合物中扩散的特点；掌握晶
体组成、化学键、结构缺陷及温度和杂质对扩散的影响。
固相反应 了解固相反应的动力学特征；掌握固相反应的几个方程及其适用条件；了解影响
固相反应的各种因素。
8. 相变 了解相变的分类和特点及马氏体相变、有序无序转变的特点；掌握液—固相变过
程的不平衡状态和相变过程的推动力，掌握晶核形成的条件；掌握液—固相变过程晶核形成
和晶体生长过程动力学，以及总的结晶速率和析晶过程；理解液相的不混溶现象，掌握玻璃
分相两种机制的异同点。
9. 烧结 掌握烧结的定义与推动力；掌握四种烧结机理的传质机理；理解晶粒生长过程与
二次再结晶过程；了解影响烧结的各种因素。
IV. 题型示例及参考答案
说明： 计算题可以使用计算器
1． 判断题（正确打，错误打）(30 分)
(1) （ ） 非化学计量化合物常常呈现出半导体特性。
(2) （ ） 氧化物玻璃网络的结构基元中阳离子的配位数往往较高。
(3) （ ） NaCl 晶体中四面体空隙数是八面体空隙数的一半。
(4) （ ） 固体可以通过表面质点的极化、变形、重排来降低表面能。
(5) （ ） 液固两相系统的ζ —电位升高会导致其粘度降低。
(6) （ ） 液—液相变的不稳分解过程位垒较大。
(7) （ ） 一级相变比二级相变容易发生。
(8) （ ） 固相反应的杨德尔方程只能用于反应的初期。
(9) （ ） 在烧结初期，蒸发－凝聚传质过程能提高坯体强度同时导致坯体的收缩。
(10) （ ）烧结时温度过高会导致二次再结晶。
2． 解释下列概念(20 分)
(1) 鲍林第一规则
(2) 均匀成核
(3) 烧结的推动力
(4) 泥浆的触变性
(5) 玻璃网络形成体
3． 列表表示硅酸盐晶体结构各种类型的特点，并各举一例说明之。(10 分)
4． 试述形成连续置换型固溶体的条件。(12 分)
5． 在 SiO2 中应加入多少 Na2O，使玻璃的 R 值（O/Si）=2.5，求出 SiO2 和 Na2O 的摩尔比。
此时析晶能力是增强还是削弱？(12 分)
6． 湿润分哪几种形式？影响湿润的因素有那些？(10 分)
7． 在 MgO 中加入氧化铝杂质，若欲使 Mg
2+
在 MgO 中的扩散直至 MgO 熔点 2800℃时仍
是非本征扩散为主，试求 Al
3+
应有什么样的浓度？（MgO 的肖特基缺陷形成能△Hf＝
463.00kJ/mol，R=8.314J/mo1²K）(12 分)
4
8． CaCO 3
-SiO2 系统存在反应
CaCO3+SiO2=CaOSiO2+CO2，
有关物质热力学数据如下：
物质 H
0
298 (kJ/mol) 800K
  (J/molK)
CaOSiO 1585.2 118.5
CO 2 393.8 229.3
CaCO 3 1207.5 124.5
SiO2 911.5 61.3
试从热力学判断，当反应系统处于标准状态即 2CO
P =1atm 时，800K 下反应能否自发进行？(12
分)
9． 什么是烧结？烧结初期的传质机制有哪几种？各自的特点是什么？(12 分)
10． 在下列相图中：
(1) 划分副三角形；
(2) 用箭头标出界线上温度下降的方向及界线的性质；
(3) 判断化合物 S 的性质；
(4) 写出各无变量点的性质及反应式；
(5) 分析组成为点 1 的熔体的析晶路程。( 注：S、1、E3 在一条直线上)
（答题时可在原图上作标记，若重新绘图应注意准确性）(20 分)
参考答案
1．判断题
（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8）（9）（10）
2．解释下列概念
（1） 鲍林第一规则：鲍林第一规则认为离子化合物中“在正离子的周围形成一负离
子配位多面体，正负离子之间的距离取决于离子半径之和，而配位数则取决于
正负离子半径之比”。
（2） 均匀成核：均匀成核是指晶核从均匀的单相熔体中产生的几率处处是相同的。
5
（3） 烧结的推动力：粉状物料的表面能大于多晶烧结体的晶界能，这就是烧结的推
动力。
（4） 泥浆的触变性：泥浆从稀释流动状态到稠化的凝聚状态之间往往还有一个介于
二者之间的中间状态，这就是触变状态。所谓触变就是泥浆静止不动时似凝固
体，一经扰动或摇动，凝固的泥浆又重新获得流动性。如再静止又重新凝固，
这样可以重复无数次。泥浆从流动状态过渡到触变状态是逐渐的、非突变的并
伴随着粘度的增高。
（5） 玻璃网络形成体：玻璃网络形成体(其中正离子为网络形成离子)，其单键强度
大于 335kJ/mo1。这类氧化物能单独形成玻璃。
3．解：硅酸盐矿物按照硅氧四面体的连接方式进行分类，具体类型见下表。
硅酸盐矿物的结构类型
结构类型 共用氧数 形状 络阴离子 氧硅比 实例
岛状 0 四面体 [SiO4]
4-
4 镁橄榄石 Mg2[SiO4]
组群状 1～2 六节环 [Si6O18]
12-
3.5～3 绿宝石 Be3 Al2[Si6O18]
链状 2～3 单链 [Si2O6]4-
3～2.5 透辉石 CaMg[Si2O6]
层状 3 平面层 [Si4O10]
4-
2.5 滑石 Mg3[Si4O10](OH)2
架状 4 骨架 [SiO2] 2 石英 SiO2
4．解：
(1)离子尺寸因素
在置换固溶体中，离子的大小对形成连续或有限置换型固溶体有直接的影响。从晶体稳
定的观点看，相互替代的离子尺寸愈相近，则固溶体愈稳定。若以 r1 和 r2 分别代表溶剂或
溶质离子的半径，经验证明一般规律如下：
1
21
r
rr 
＜15%
当符合上式，溶质和溶剂之间有可能形成连续固溶体，若此值在 15％～30％时，可以形成
有限置换型固溶体，而此值大于 30％时，不能形成固溶体。
（2）晶体的结构类型
能否形成连续固溶体，晶体结构类型是十分重要的。形成连续固溶体的二元系统中两个
组分须具有相同的晶体结构类型。
（3）离子电价的影响
只有离子价相同或离子价总和相等复合掺杂时才能生成连续置换型固溶体。
（4）电负性
离子电负性对固溶体及化合物的生成有很大的影响。电负性相近，有利于固溶体的生成，
电负性差别大，倾向于生成化合物。
达肯（Darkon）等曾将电负性和离子半径分别作坐标轴，取溶质与溶剂半径之差为士
15％作为椭圆的一个横轴，又取电负性差±0.4 为椭圆的另一个轴，画一个椭圆。发现在这
个椭圆之内的系统，65％是具有很大的固溶度，而椭圆外的有 85％系统固溶度小于 5％。因
此，电负性之差在±0．4 之内也是衡量固溶度大小的一个条件。
5．设加入 x mol 的 Na2O，而 SiO2 的量为 y mol。
则 O/Si=（x+2y）/ y =2.5
6
∴y/x=2/1 即二者的物质量比为 2:1 时，O/Si=2.5。
因为 O/Si 增加了，粘度下降，析晶能力增强了。
6. 答：润湿指固体与液体接触后体系的布吉斯自由能降低。
影响润湿的因素有：
⑴ 固体表面粗糙度 当真实接触角 θ 小于 90°时，粗糙度越大，表面接触角越小，就越
容易湿润；当 θ 大于 90°，则粗糙度越大，越不利于湿润。
⑵ 吸附膜 吸附膜的存在使接触角增大，起着阻碍作用。
7．解：
当 MgO 在熔点时，晶体内 Schottky 缺陷浓度为：
所以欲使 MgO 晶体中直至 3073K 仍为非本征扩散。 M
3+
浓度为
8．解：800K 下， H R
0
298
 ＝1585.2393.8＋1207.5＋911.5＝140 kJmol
1
RK .8 0 0
  ＝118.5+229.3-124.5-61.3＝0.162 kJ(molK)
1
0
TRG  ＝ H R
0
298
 -T RK .800
  ＝140-800*0.162＝10.4kJmol
1
＞0
反应不能自发进行
9． 答：由于固态中分子（或原子）的相互吸引，通过加热，使粉末体产生颗粒粘结，经过
物质迁移使粉末体产生强度并导致致密化和再结晶的过程称为烧结。
固态烧结的主要传质方式有：蒸发-凝聚、扩散传质等。液相烧结的主要传质方式有流动传
质和溶解-沉淀传质。
机
制
特
点
蒸发-凝聚
△L/L=0
扩散
中心距缩短
流动
流动并引起颗粒重排
致密化速率高
溶解-沉淀
传质同时又是晶粒生长
10．解：界线上温度下降的方向及界线的性质见图上箭头。
S： 三元不一致熔化合物
3+ 4 4
[M ] 2 1 16 10 2 32 10. .
 
    
肖杂
][][2]M[]M[ MgMgMg
3
VV 

4
Mg
10161
)
307331482
463000
exp(
)
2
exp(][





.
.
RT
H
V
f

肖
杂
]2[]M[ MgMg
V 

MgO •
2 3 Mg Mg O
M O 2M 3OV    
7
E1：低共熔点，L→A＋C＋S
E2：低共熔点，L→B＋C＋S
E3：双转熔点，L＋A＋B→S