发布时间 : 星期四 文章材料科学基础 习题更新完毕开始阅读c030caebb8f67c1cfad6b8da
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 单相均匀 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 59、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；
形成 分类 原因 形成缺陷反应 条件 化学式 溶解度、缺陷浓度 热肖特基 缺弗伦克尔 陷 伏 热起T>0k ?VM’’+ Vx MM?Mi+ VM’’ O2222MX 只受温度控制 MX 大小，固溶体 无限，有搀杂 限，置换，溶解 间隙 价，结构 搀杂量>固溶度 受固溶度控制 性，电 有：搀杂量<固溶度 受温度控制 电负无：受温度控制 非化学计量化合物 阳缺 阴间 阳间 阴缺 环境中气愤性 质和压力变化 Zn1+xO TiO2_x [Zni22Fe1-xO UO2+x [h]∝PO1/6 [Oi’’] ∝PO2-1/6 ] ∝PO1/6 2-22-[VO22] ∝PO2-1/6 60、 Al2O3在MgO中形成有限固溶体，在低共熔温度1995℃时，约有18重量％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。 (a) O2-为填隙离子。 (b) A13+为置换离子。
解：设AL2O3、MgO总重量为100g，则AL2O318g，MgO82g，
溶入MgO中AL2O3的mol数：AL2O3 mol%= (a) AL2O3
2ALMg + 2OO + Oi’’
2
=0.08=8%, MgO mol%=1-8%=92%,固溶体组成：8% AL2O3，92%MgO，固溶体组成式：Al0.16Mg0.92O1.16
X 2x x 固溶体化学式：Al2xMg1-2xO1+x 将化学式与组成式一一对应，求出待定参数x，由于O2-的量不同，将O2-的量化为1
Al0.16/1.16Mg0.92/1.16O
?Al
2x/1+x
Mg1-2x/1+xOx=0.074，化学式Al0.148Mg0.852O1.074
d理
=
想
，
=1.04
（b）AL2O3
2ALMg + 3OO + OMg’’
2
x 2x x
Al2xMg1-3xO
?
Al0.16/1.16Mg0.92/1.16O
?
x=
Al0.138Mg0.793O
=0.97
61、对磁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，VFe’’非化学计量，存在h2 P型半导体；FeS1-x中金属离子过剩，存在S2-空位，存在e’，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。 62、说明为什么只有置换型固溶体的两个组份之间才能相互完全溶解，而填隙型固溶体则不能。
（1）晶体中间隙位置是有限的，容纳杂质质点能力≤10%；（2）间隙式固溶体的生成，一般都使晶格常数增大，增加到一定的程度，使晶格变得不稳定而离解；置换固溶体形成是同号离子交换位置，不会对接产生影响，所以可形成连续固溶体。
63、如果(1)溶剂和溶质原子的原子半径相差超过±15％；(2)两元素的电负性相差超过 ±0.4％，通常这一对元素将不利于形成置换型固溶体，其中前一因素往往起主导作用。 仅根据提供的资料提出哪一对金属大概不会形成连续固溶体：Ta—W，Pt—Pb．Co一Ni，Co—Zn，Ti—Ta。 金属 Ti Co Ni 解：
原子半径 (nm) 晶体结构 0.1461 0.1251 0.1246 六方 (<883 ℃ ) 金属 原子半径 (nm) 晶体结构 Zn 0.1332 0.1430 0.1370 0.1387 0.1750 六方 体心立方 体心立方 面心立方 面心立方 体心立方 (>883 ℃ ) Ta 六方 (<427 ℃ ) W 面心立方 (~427 ℃ ) Pt 面心立方 Pd r大-r小/ r大=4.2%<15% Ta—W 电负性：1.5-1.7=-0.2 结构类型：体心立方 相同 形成连续固溶体 r大-r小/ r大=20.7%>15% Pt—Pd 电负性差=2.2-2.2=0 结构类型：面心立方 形成有限固溶体 r大-r小/ r大=0.4%<15% Co—Ni 电负性差：1.8-1.6=0.2 当T<427℃，Co Zn结构类型相同 可形成连续固溶体 r大-r小/ r大=2.12%<15% Ti—Ta 电负性差=1.5-1.5=0 当T>883℃，Ti Ta结构类型相同 可形成连续固溶体 64、对于MgO、Al2O3，和Cr2O3，其正、负离子半径比分别为0.47、0.36和0.40，则A1203和Cr23形成连续固溶体。 (a)这个结果可能吗?为什么?
(b)试预计，在MgO—Cr2O3系统中的固溶度是有限的还是无限的?为什么? 解：（a）∵r大-r小/ r大=10%<15%，∴AL2O3和Cr2O3能形成连续固溶体； （b）MgO—Cr2O3中，r大-r小/ r大=15%，加之两者结构不同，∴固溶度是有限的。 65、某种NiO是非化学计量的，如果NiO中Ni3+/Ni2+=10-4，问每m3中有多少载流子。 解：设非化学计量化合物为NixO， Ni2O3
2NiNi2 + 3OO + VNi’’
Ni3+/Ni2+=2y/(1-3y)=10-x
y 2y y Ni3+2yNi2+1-3yO则y=5310-5， x=1-y=0.99995，
Ni0.99995O
每m3中有多少载流子即为空位浓度：[VNi’’]=y/(1+x)=2.5310-5。
66、在MgO-Al2O3和PbTiO2-PbZrO3中哪一对形成有限固溶体，哪一对形成无限固溶体，为什么?
解：MgO-AL2O3：r大-r小/ r大=15%，即rMg、rAl半径相差大，MgO（NaCl型）、AL2O3（刚玉）结构类型差别大，形成有限固溶体；
PbTiO3-PbZrO3形成无限固溶体，因为尽管Ti、Zr半径相差较大（15. 28）,但都是（ABO3）钙钛矿型结构，Ti、Zr都填充八面体空隙，该空隙体积较大，可填入的阳离子的半径r值可在一定范围内变化，而不至于使结构变化。
67、（1）A12O3晶体中掺入x mo1%NiO和y mo1%Cr2O3可得人造黄玉，试写出缺陷反应方程式（置换型固溶体）以及掺杂A12O3的化学式。 （2）非化学计量化合物TiOx中，Ti3+/Ti4+=0.1，求TiOx中的x值。（10分） 解：（1）A12O3晶体中掺入NiO和Cr2O3的置换型缺陷反应为：
4+
4+
4+
4+
故掺入x mo1%NiO和y mo1%Cr2O3的A12O3的化学式为 （2）TiOx缺陷方程为：
故固溶式可写成
由Ti3+/Ti4+=0.1知道y/(1-y)=0.1，解得y=0.091 于是TiOx中的x值为：x=2-y/2=2-0.091/2=1.95
68 一块金黄色的人造黄玉，化学分析结果认为，是在Al2O3中添加了0.5mol%NiO和0.02mol% Cr2O3。试写出缺陷反应方程（置换型）及化学式。 解：NiO和Cr2O3固溶入Al2O3的缺陷反应为：
2NiOCr2O3
2+ +2OO
固溶体分子式为：Cr
取1mol试样为基准，则 m
＝0.005 ； m
＝1－0.005－0.0002＝0.9948
＝0.0002 ； m
∵ 2NiO →2Al2 O3 Cr2 O3 →Al2 O3
∴取代前Al2O3所占晶格为：
0.9948＋0.005/2＋0.0002＝0.9975mol (Al2O3) 取代后各组分所占晶格分别为：
Al2O3：NiO：
mol mol
Cr2 O3： mol
∴取代后，固溶体的分子式为： 0.9973 Al2O320.005 NiO 20.0002 Cr2 O3 或Al1.9946Ni 0.005Cr0.0004 O2.9975 ∴x=0.005, Y=0.0004
1.9946=2－0.005－0.0004=2－x－y 2.9975=3－x
69、 什么是刃位错、螺旋位错？试比较刃型位错和螺型位错的异同点。
答：刃位错：在位错线附近原子失去正常有规律排列，并滑移一段距离，由此产生的缺陷即是。 螺旋位错：在位错线附近原子失去正常有规律排列，产生螺旋位移，这种缺陷即是。 刃型位错和螺型位错的异同点见表4-1所示。
表4-1 刃型位错和螺型位错的异同点
刃型位错 螺型位错 与柏格斯矢量?的位置关系 柏格斯矢量?与刃性位错线垂直 柏格斯矢量?与螺型位错线平行 bbb位错分类 刃性位错有正负之分 螺形位错分为左旋和右旋 位错是否引起晶体畸变和形成应力场 引起晶体畸变和形成应力场，且离位错线越远，晶格畸变越小 引起晶体畸变和形成应力场，且离位错线越远，晶格畸变越小 位错类型 只有几个原子间距的线缺陷 只有几个原子间距的线缺陷
70、 说明非化学计量化合物与无限固溶体的异同；
解：1、非化学计量化合物与无限固溶体的共同点：（1）都属于晶体结构缺陷中的点缺陷；（2）相组成均为均匀单相。
不同之处在于：（1）形成原因不同。非化学计量化合物由气氛性质和压力变化引起，而无限固溶体则由掺杂溶解而引起。（2）形成条件不同。前者只有变价元素氧化物在氧化或还原气氛中才能形成，而后者则需满足离子半径和电负性差值较小、保持电中性、结构相同等条件才能形成。（3）组成范围不同。前者的组成变化范围很小，而后者可以在整个组成范围内变化。 71、、简述形成连续置换型固溶体的条件是什么？并举一实例。 答：形成连续置换型固溶体的条件：
（1）离子尺寸因素。相互替代的两离子尺寸应满足 （2）晶体结构类型相同。
（3）相互替代的两个离子电价相同或复合替代离子电价总和相同。 （4）相互替代的两个离子电负性相近。
。
例如： ，固溶式为：Mg1-xNixO（x=0~1）
72、非化学计量化台物Cdl-xO由于在化学组成上偏离化学计量而产生的晶格缺陷是 。b a．阴离子空位 b．阳离子空位 c．阴离子填隙 d．阳离子填隙 73、在下列几类晶体甲，形成间隙型固溶体的次序是 。a a．沸石>CaF2>TiO2>MgO b．MgO>TiO2>CaF2>沸石 c．CaF2>TiO2>MgO>沸石 d．TiO2>MgO>CaF2>沸石 74、Na2O2CaO2A12O323SiO2玻璃的四个结构参数为b
a． Z=4、R=2.5、X=1、Y=3 b．Z=4、R=2.2、X=0.4、Y=3.6 c．Z=3、R=2.5、X=1、Y=3 d．Z=3、R=2.2、X=0.4、Y=3.69
75、由于（A）的结果，必然会在晶体结构中产生\组分缺陷\，组分缺陷的浓度主要取决于：（B）和（C）。 （A）不等价置换（B）掺杂量（C）固溶度 76、说明影响置换型固溶体形成的因素有哪些?
答: 影响因素：(1)离子尺寸：15%规律：1.(R1-R2)/R1>15%不连续。2.<15%连续。3.>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。
77、 ZnO是六方晶系，a=0.3242nm，c=0.5195nm，每个晶胞中含2个ZnO分子，测得晶体密度分别为5.74，5.606 g/cm，求这两种情况下各产生什么型式的固溶体？ 解：六方晶系的晶胞体积
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V===4.73cm3
在两种密度下晶胞的重量分别为 W1=d1v=5.7434.73310=2.72310(g) W2=d2v=5.60634.73310-23=2.65310-22(g) 理论上单位晶胞重
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