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目錄
I 考查目標........................................................................................ 2
II 考試形式和試卷結構 ..................................................................2
III 考查內容..................................................................................... 2
IV. 題型示例及參考答案.................................................................3
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全國碩士研究生入學統一考試
無機材料科學基礎考試大綱
I 考查目標
目的是科學、公平、有效地測試考生是否具備攻讀材料學專業碩士所必須的基本素質、
一般能力和培養潛能，以利用選拔具有發展潛力的優秀人才入學，為國家的經濟建設培養具
有良好專業理論基礎、具有較強分析與解決實際問題能力的高層次、應用型、復合型的材料
學專業人才。考試要求是測試考生掌握無機材料科學領域基本理論及處理和分析問題的一些
基本方法。
具體來說。要求考生：
1. 掌握無機材料結構的基礎知識和基本理論；
2. 掌握結晶化學、晶體缺陷、非晶態、相平衡、膠體等理論的基本原理；
3. 掌握無機材料熱力學和相平衡的基本原理；
4. 掌握材料制備過程中擴散、固相反應的動力學原理；
5. 掌握無機材料相變和燒結熱力學與動力學的基本原理及基本應用方法；
6. 了解無機材料的化學組成--結構—制備—性能之間相互關系的基本規律。
II 考試形式和試卷結構
一、試卷滿分及考試時間
試卷滿分為 150 分，考試時間 180 分鐘。
二、答題方式
答題方式為閉卷、筆試。允許使用計算器，但不得使用帶有公式和文本存儲功能的計算器。
三、試卷內容與題型結構
有以下三種題型：
判斷題 10 題，每小題 3 分，共 30 分
解釋概念題 5 題，每小題 4 分，共 20 分
計算與分析題 8 題，每小題 10～20 分，共 100 分
III 考查內容
1. 結晶化學的基本原理 掌握晶體的鍵型與晶體的特點；理解有效離子半徑，密堆方式、
空隙類型；掌握配位數和配位多面體；掌握鮑林規則。
2. 晶體結構與晶體中的缺陷 了解有序、無序及轉變；掌握典型晶體結構及硅酸鹽晶體結
構；掌握晶體結構點缺陷分類和定義；掌握缺陷符號、反應方程和平衡濃度計算；掌握固溶
體分類與形成條件、非化學計量化合物及固溶體的研究方法。了解位錯的基本概念。
3. 非晶態固體 掌握玻璃的四個通性；掌握玻璃結構的晶子理論和無規則網絡理論；掌握
玻璃形成的熱力學條件、動力學條件和結晶化學條件；掌握氧化物玻璃的特點和硅酸鹽玻璃
的結構因子計算。
4. 表面與界面 掌握固體表面的特征、結構及表面能；掌握彎曲表面效應，潤濕角的計算；
掌握粘土的荷電性、粘土離子的吸附與交換，掌握粘土—水系統的電動性質和膠體性質。
5.相平衡 掌握硅酸鹽系統相平衡特點；掌握二元、三元相圖的特點、類型，析晶過程判
定和分析方法和析晶過程中各相成分的計算方法，了解常見硅酸鹽系統相圖。
6. 熱力學應用 掌握凝聚態體系中熱力學的特點；掌握凝聚態體系中熱力學應用的經典計
算方法和Φ 函數計算方法。
3
7. 擴散 掌握 Fick 第一、第二定律及其應用；理解擴散過程的推動力及擴散的微觀機構，
掌握擴散系數的意義，掌握本征擴散、雜質擴散和非化學計量化合物中擴散的特點；掌握晶
體組成、化學鍵、結構缺陷及溫度和雜質對擴散的影響。
固相反應 了解固相反應的動力學特征；掌握固相反應的幾個方程及其適用條件；了解影響
固相反應的各種因素。
8. 相變 了解相變的分類和特點及馬氏體相變、有序無序轉變的特點；掌握液—固相變過
程的不平衡狀態和相變過程的推動力，掌握晶核形成的條件；掌握液—固相變過程晶核形成
和晶體生長過程動力學，以及總的結晶速率和析晶過程；理解液相的不混溶現象，掌握玻璃
分相兩種機制的異同點。
9. 燒結 掌握燒結的定義與推動力；掌握四種燒結機理的傳質機理；理解晶粒生長過程與
二次再結晶過程；了解影響燒結的各種因素。
IV. 題型示例及參考答案
說明： 計算題可以使用計算器
1． 判斷題（正確打?，錯誤打?）(30 分)
(1) （ ） 非化學計量化合物常常呈現出半導體特性。
(2) （ ） 氧化物玻璃網絡的結構基元中陽離子的配位數往往較高。
(3) （ ） NaCl 晶體中四面體空隙數是八面體空隙數的一半。
(4) （ ） 固體可以通過表面質點的極化、變形、重排來降低表面能。
(5) （ ） 液固兩相系統的ζ —電位升高會導致其粘度降低。
(6) （ ） 液—液相變的不穩分解過程位壘較大。
(7) （ ） 一級相變比二級相變容易發生。
(8) （ ） 固相反應的楊德爾方程只能用于反應的初期。
(9) （ ） 在燒結初期，蒸發－凝聚傳質過程能提高坯體強度同時導致坯體的收縮。
(10) （ ）燒結時溫度過高會導致二次再結晶。
2． 解釋下列概念(20 分)
(1) 鮑林第一規則
(2) 均勻成核
(3) 燒結的推動力
(4) 泥漿的觸變性
(5) 玻璃網絡形成體
3． 列表表示硅酸鹽晶體結構各種類型的特點，并各舉一例說明之。(10 分)
4． 試述形成連續置換型固溶體的條件。(12 分)
5． 在 SiO2 中應加入多少 Na2O，使玻璃的 R 值（O/Si）=2.5，求出 SiO2 和 Na2O 的摩爾比。
此時析晶能力是增強還是削弱？(12 分)
6． 濕潤分哪幾種形式？影響濕潤的因素有那些？(10 分)
7． 在 MgO 中加入氧化鋁雜質，若欲使 Mg
2+
在 MgO 中的擴散直至 MgO 熔點 2800℃時仍
是非本征擴散為主，試求 Al
3+
應有什么樣的濃度？（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 系統存在反應
CaCO3+SiO2=CaO?SiO2+CO2，
有關物質熱力學數據如下：
物質 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
試從熱力學判斷，當反應系統處于標準狀態即 2CO
P =1atm 時，800K 下反應能否自發進行？(12
分)
9． 什么是燒結？燒結初期的傳質機制有哪幾種？各自的特點是什么？(12 分)
10． 在下列相圖中：
(1) 劃分副三角形；
(2) 用箭頭標出界線上溫度下降的方向及界線的性質；
(3) 判斷化合物 S 的性質；
(4) 寫出各無變量點的性質及反應式；
(5) 分析組成為點 1 的熔體的析晶路程。( 注：S、1、E3 在一條直線上)
（答題時可在原圖上作標記，若重新繪圖應注意準確性）(20 分)
參考答案
1．判斷題
（1）?（2）?（3）?（4）?（5）?（6）?（7）?（8）?（9）?（10）?
2．解釋下列概念
（1） 鮑林第一規則：鮑林第一規則認為離子化合物中“在正離子的周圍形成一負離
子配位多面體，正負離子之間的距離取決于離子半徑之和，而配位數則取決于
正負離子半徑之比”。
（2） 均勻成核：均勻成核是指晶核從均勻的單相熔體中產生的幾率處處是相同的。
5
（3） 燒結的推動力：粉狀物料的表面能大于多晶燒結體的晶界能，這就是燒結的推
動力。
（4） 泥漿的觸變性：泥漿從稀釋流動狀態到稠化的凝聚狀態之間往往還有一個介于
二者之間的中間狀態，這就是觸變狀態。所謂觸變就是泥漿靜止不動時似凝固
體，一經擾動或搖動，凝固的泥漿又重新獲得流動性。如再靜止又重新凝固，
這樣可以重復無數次。泥漿從流動狀態過渡到觸變狀態是逐漸的、非突變的并
伴隨著粘度的增高。
（5） 玻璃網絡形成體：玻璃網絡形成體(其中正離子為網絡形成離子)，其單鍵強度
大于 335kJ/mo1。這類氧化物能單獨形成玻璃。
3．解：硅酸鹽礦物按照硅氧四面體的連接方式進行分類，具體類型見下表。
硅酸鹽礦物的結構類型
結構類型 共用氧數 形狀 絡陰離子 氧硅比 實例
島狀 0 四面體 [SiO4]
4-
4 鎂橄欖石 Mg2[SiO4]
組群狀 1～2 六節環 [Si6O18]
12-
3.5～3 綠寶石 Be3 Al2[Si6O18]
鏈狀 2～3 單鏈 [Si2O6]4-
3～2.5 透輝石 CaMg[Si2O6]
層狀 3 平面層 [Si4O10]
4-
2.5 滑石 Mg3[Si4O10](OH)2
架狀 4 骨架 [SiO2] 2 石英 SiO2
4．解：
(1)離子尺寸因素
在置換固溶體中，離子的大小對形成連續或有限置換型固溶體有直接的影響。從晶體穩
定的觀點看，相互替代的離子尺寸愈相近，則固溶體愈穩定。若以 r1 和 r2 分別代表溶劑或
溶質離子的半徑，經驗證明一般規律如下：
1
21
r
rr ?
＜15%
當符合上式，溶質和溶劑之間有可能形成連續固溶體，若此值在 15％～30％時，可以形成
有限置換型固溶體，而此值大于 30％時，不能形成固溶體。
（2）晶體的結構類型
能否形成連續固溶體，晶體結構類型是十分重要的。形成連續固溶體的二元系統中兩個
組分須具有相同的晶體結構類型。
（3）離子電價的影響
只有離子價相同或離子價總和相等復合摻雜時才能生成連續置換型固溶體。
（4）電負性
離子電負性對固溶體及化合物的生成有很大的影響。電負性相近，有利于固溶體的生成，
電負性差別大，傾向于生成化合物。
達肯（Darkon）等曾將電負性和離子半徑分別作坐標軸，取溶質與溶劑半徑之差為士
15％作為橢圓的一個橫軸，又取電負性差±0.4 為橢圓的另一個軸，畫一個橢圓。發現在這
個橢圓之內的系統，65％是具有很大的固溶度，而橢圓外的有 85％系統固溶度小于 5％。因
此，電負性之差在±0．4 之內也是衡量固溶度大小的一個條件。
5．設加入 x mol 的 Na2O，而 SiO2 的量為 y mol。
則 O/Si=（x+2y）/ y =2.5
6
∴y/x=2/1 即二者的物質量比為 2:1 時，O/Si=2.5。
因為 O/Si 增加了，粘度下降，析晶能力增強了。
6. 答：潤濕指固體與液體接觸后體系的布吉斯自由能降低。
影響潤濕的因素有：
⑴ 固體表面粗糙度 當真實接觸角 θ 小于 90°時，粗糙度越大，表面接觸角越小，就越
容易濕潤；當 θ 大于 90°，則粗糙度越大，越不利于濕潤。
⑵ 吸附膜 吸附膜的存在使接觸角增大，起著阻礙作用。
7．解：
當 MgO 在熔點時，晶體內 Schottky 缺陷濃度為：
所以欲使 MgO 晶體中直至 3073K 仍為非本征擴散。 M
3+
濃度為
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
反應不能自發進行
9． 答：由于固態中分子（或原子）的相互吸引，通過加熱，使粉末體產生顆粒粘結，經過
物質遷移使粉末體產生強度并導致致密化和再結晶的過程稱為燒結。
固態燒結的主要傳質方式有：蒸發-凝聚、擴散傳質等。液相燒結的主要傳質方式有流動傳
質和溶解-沉淀傳質。
機
制
特
點
蒸發-凝聚
△L/L=0
擴散
中心距縮短
流動
流動并引起顆粒重排
致密化速率高
溶解-沉淀
傳質同時又是晶粒生長
10．解：界線上溫度下降的方向及界線的性質見圖上箭頭。
S： 三元不一致熔化合物
3+ 4 4
[M ] 2 1 16 10 2 32 10. .
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? ? ? ? ?
肖雜
][][2]M[]M[ MgMgMg
3
VV ???????
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4
Mg
10161
)
307331482
463000
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RT
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?
肖
雜
]2[]M[ MgMg
V ???
?
MgO ?
2 3 Mg Mg O
M O 2M 3OV ??? ??? ? ?
7
E1：低共熔點，L→A＋C＋S
E2：低共熔點，L→B＋C＋S
E3：雙轉熔點，L＋A＋B→S
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