НАУЧНЫЙ РЕФЕРАТ
реклама
НАУЧНЫЙ РЕФЕРАТ ЗАДАНИЯ НА НАУЧНЫЙ РЕФЕРАТ ЗАДАНИЕ №1 1. Приведите определения и объясните сущность понятий: фаза, независимый компонент, степени свободы, вариантность системы, равновесное состояние. Определите число независимых компонентов в равновесной системе, состоящей из расплава, содержащего MgO и SiO2, твердых фаз MgO∙SiO2 и 2MgO∙SiO2. Какие соединения могут выступать в качестве независимых компонентов? 2. Процесс массопереноса (диффузии) в твердых телах: первый закон Фика, коэффициент диффузии и энергия активации этого процесса, порядок их величин для твердых и (для сравнения) жидких тел, зависимость от температуры. Виды и механизм диффузии в силикатных и других тугоплавких материалах. ЗАДАНИЕ №2 1. Диаграмма состояния системы SiO2. Структура, свойства, распространение в природе и в технических продуктах полиморфных модификаций SiO2. Значение системы для химии и технологии силикатов. Кварцевое стекло. Другие кристаллические формы SiO2, не изображенные на диаграмме состояния: их структура, получение и свойства. 2. Кинетика твердофазовых реакций. Уравнения, описывающие кинетику реакций в смесях твердых веществ (уравнения Яндера, Гинстлинга-Броунштейна). Провидите анализ применимости этих уравнений на различных стадиях твердофазовых реакций и укажите, на каких стадиях и почему они наиболее точно описывают кинетику твердофазовых реакций? ЗАДАНИЕ №3 1. Динамический и статический методы построения диаграмм состояния: принципы и сущность этих методов, последовательность операций при построении диаграмм состояния этими методами. Объясните, какой способ и почему более предпочтителен при построении диаграмм состояния силикатных систем. Опишите принципы теоретического расчета диаграмм состояния, знание каких термодинамических параметров и зависимостей необходимо для такого расчета. 2. Особенности твердофазовых реакций по сравнению с реакциями с участием жидкой и газовой фаз и причины, обусловливающие эти особенности. Опишите последовательность образования соединений за счет твердофазовых реакций в смеси СаО и SiO2. ЗАДАНИЕ №4 1. Используя диаграмму состояния SiO2 опишите последовательность фазовых превращений при нагревании -кварца вплоть до температуры плавления SiO2 и, наоборот, при охлаждении расплава до нормальной температуры в равновесных и неравновесных условиях. Какие отклонения от равновесных состояний характерны для системы SiO2 и в чем их причина. Опишите, как изменяются плотность и удельный объем при фазовых превращениях SiO2 и какое значение это имеет при производстве изделий на основе SiO2. Какова скорость фазовых превращений вы этой системе и как ее можно увеличить? 2. Процесс спекания. Сущность и признаки процесса спекания. Способы характеристики степени спекания. Что понимается под температурой спекания? Влияние спекания на свойства силикатных и других тугоплавких материалов и значение этого процесса при их производстве. ЗАДАНИЕ №5 1. Трехкомпонентные диаграммы состояния. Опишите все элементы строения плоскостных трехкомпонентных диаграмм состояния и укажите, что показывают эти элементы строения. Типы тройных точек на этих диаграммах. Определите вариантность системы в полях первичной кристаллизации, на пограничных кривых и в тройных точках и объясните, что это означает. Сформулируйте правила: определения направления падения температуры на пограничных кривых, температуры начала кристаллизации, первичного пути кристаллизации и первично выпадающей фазы. Проиллюстрируйте применение этих правил на диаграмме состояния (рис. 15). 2. Механизм твердофазового спекания по Френкелю и Пинесу. Причины возникновения в пористом теле градиента концентрации вакансий и величина пересыщения вакансий у поверхности поры. Направление движения материальных частиц и вакансий в пористом теле при твердофазовом спекании. ЗАДАНИЕ №6 1. Диаграмма состояния однокомпонентной системы в общем виде (рис. 1). Опишите последовательность фазовых превращений в системе в равновесных условиях для состава, отвечающего точке б. Определите вариантность системы в точках а, б и С и объясните, что это означает. Что такое неравновесная температура плавления и как определить ее по диаграмме состояния? Как влияет угол наклона линий упругости пара ВЕ и СF к оси температур на зависимость температуры фазового превращения от упругости пара? 2. Опишите, как влияет на процесс твердофазового спекания наличие в спекающемся теле пор разного диаметра и присутствие в порах газовой фазы. Что такое коалесценция пор и процесс внутреннего спекания? Напишите уравнение Гегузина, характеризующее критериальный размер пор и объясните значение всех входящих в него параметров. ЗАДАНИЕ №7 1. Диаграмма состояния однокомпонентной системы с энантиотропными и монотропными полиморфными превращениями (рис. 2). Полиморфизм: сущность этого явления и классификация видов полиморфных превращений. Объясните разницу между энантиотропными и монотропными превращениями, используя диаграмму р-Т. Приведите схемы энантиотропных и монотропных полиморфных превращений и их примеры в силикатных системах. 2. Опишите сущность, механизм и значение для технологии силикатов и других тугоплавких материалов процессов жидкостного спекания, спекания за счет испаренияконденсации, реакционного спекания и спекания за счет пластической деформации. Каковы особенности спекания за счет процесса испарение - конденсация по сравнению с другими видами спекания и каковы условия, необходимые для протекания этого вида спекания? Приведите конкретные примеры получения технических продуктов с участием этих видов спекания. ЗАДАНИЕ №8 1. Диаграмма состояния двухкомпонентной системы с бинарным соединением, плавящимся инконгруентно (рис. 5). Что является признаком такого соединения на диаграмме? Опишите, что показывают элементы строения этой диаграммы: кривые ликвидуса, точки эвтектики и перитектики. Характер процессов, происходящих при эвтектической и перитектической температурах. Опишите последовательность фазовых превращений при охлаждении расплавов составов а1, а2 и а13 и нагревании соединения АВ. 2. Первичная рекристаллизация. Движущая сила, сущность, механизм и условия, необходимые для первичной рекристаллизации. Что такое условный градиент искажений в кристалле и как с его помощью можно охарактеризовать интенсивность процесса образования зародышей новых кристаллов при первичной рекристаллизации? Какое влияние оказывает первичная рекристаллизация на микроструктуру (количество и размер кристаллов) твердых тел. ЗАДАНИЕ №9 1. Диаграмма состояния двухкомпонентной системы с ликвацией и полиморфными превращениями (рис. 6). Что является признаком указанных фазовых превращений на диаграмме? Что такое явление ликвации, что показывают на диаграмме ветви кривой b1b3b5, как проявляется ликвация в реальных силикатных расплавах? Опишите последовательность фазовых превращений при охлаждении расплавов составов а1 и а2. Какие фазовые превращения происходят в системе (рис. 7) при охлаждении расплава состава a? 2. Вторичная рекристаллизация. Движущая сила и механизм роста кристаллов при вторичной рекристаллизации. Роль поверхностной межфазной энергии и кривизны поверхности при этом процессе. Кинетика вторичной рекристаллизации. Влияние вторичной рекристаллизации на микроструктуру твердых тел и значение этого процесса при синтезе силикатных и других тугоплавких соединений. ЗАДАНИЕ №10 1. Диаграмма состояния двухкомпонентной системы с непрерывным и ограниченным рядом твердых растворов (рис. 8, рис. 9). Интерпретируйте понятие твердый раствор. Чем отличается непрерывный твердый раствор от ограниченного?. Что показывают точки кривых ликвидуса и солидуса на этих диаграммах? Чем отличается твердый раствор SА(В) от твердого раствора SВ(А)? Каковы пределы растворимости компонента А в В и компонента В в А (рис. 9)?. Опишите последовательность фазовых превращений при охлаждении расплавов составов а1 и а2 (рис.9). 2. Кристаллизация расплавов. Что называется переохлажденным (пересыщенным) расплавом и какова роль переохлаждения в процессе кристаллизации. Опишите, из каких двух стадий складывается процесс кристаллизации и каково значение каждой из этих стадий. Объясните ход температурных кривых при охлаждении расплавов без и с переохлаждением. Приведите конкретные примеры из технологии керамики, вяжущих материалов, стекла и ситаллов, иллюстрирующие значение процесса кристаллизации и его роль в формировании различных технических продуктов. ЗАДАНИЕ №11 1. Диаграмма состояния системы Na2O-SiO2 (рис. 10). Опишите особенности этой системы и приведите характеристику существующих в ней бинарных соединений – их состав, полиморфизм, способы получения, свойства, распространение. Значение системы для химии и технологии силикатов. Жидкое (растворимое) стекло – получение, свойства, применение. 2. Опишите, в чем состоит сущность и механизм процесса гомогенного зародышеобразования и что представляют собой зародыши (центры) кристаллизации с точки зрения их структуры и размера. Рассмотрите, как изменяется энергия Гиббса при гомогенном зародышеобразовании и укажите, какие причины и как обусловливают это изменение. Что такое критический размер зародышей новой фазы и максимальная энергия активации процесса гомогенного зародышеобразования. Объясните график зависимости энергии Гиббса от размера зародыша кристаллизации. ЗАДАНИЕ №12 1. Полиморфизм ортосиликата кальция – 2СaO∙SiO2. Опишите схему полиморфных превращений этого соединения по Бредигу, укажите области стабильного и метастабильного существования отдельных полиморфных форм, последовательность полиморфных превращений при нагревании и охлаждении ортосиликата кальция и приведите характеристику свойств его отдельных модификаций. С какой целью в технических продуктах (цементе, керамике) стремятся предотвратить полиморфное превращение метастабильной -формы ортосиликата кальция в -форму.? Опишите способы стабилизации при нормальной температуре ортосиликата кальция в -форме. В чем сущность и механизм различных способов стабилизации -C2S? 2. Опишите зависимость скорости образования центров кристаллизации и линейной скорости роста кристаллов от степени переохлаждения расплава (кривые Таммана). Чем объясняется наличие максимума на этих кривых? Укажите, каково взаимное расположение кривых Таммана для плохо и хорошо кристаллизующихся веществ. Каким образом по кривым Таммана можно выбрать режим направленной кристаллизации расплава, обеспечивающий заданную микроструктуру (размер и количество кристаллов) закристаллизованного материала? ЗАДАНИЕ №13 1. Диаграмма состояния системы AI2O3-SiO2. Приведите изображение этой диаграммы по Боуэну и Грейгу и по данным отечественных исследователей (П.П.Будникова, Н.А.Торопова и др.) и укажите в чем и по какой причине различаются эти диаграммы. Опишите особенности этой системы и ее значение для химии и технологии силикатов. Почему на диаграмме отсутствует точка состава силлиманита. Муллит: состав, структура, получение, свойства, распространение в природе и технических продуктах. 2. Опишите, какие существуют виды рекристаллизации, их движущую силу, сущность и признаки. Чем отличается микроструктура (размер и количество кристаллов) твердых тел до и после рекристаллизации? Какой вид рекриталлизации вызывает наиболее сильное изменение микроструктуры и почему? Опишите влияние на процесс рекристаллизации температуры, размера исходных зерен материала и наличия в нем примесей и каков механизм этого влияния. Каким образом можно замедлить вторичную рекристаллизацию и зачем это бывает необходимым в технологии силикатных и других тугоплавких материалов? ЗАДАНИЕ №14 1. Глинозем. Полиморфные разновидности глинозема и области их стабильно существования. Технический глинозем: способы его получения, свойства и применение. Корунд: распространение в природе и технических продуктах, способы получения и применение. Характерные физические и химические свойства корунда и где они используются в технике. 2. Процесс массопереноса (диффузии) в твердых телах. Что такое коэффициент диффузии и от каких факторов зависит его абсолютная величина? Типы диффузии. Сравнительная характеристика объемной, поверхностной диффузии и диффузии по границам зерен. Природа диффундирующих частиц: теория Вагнера и современные представления о природе диффундирующих частиц в твердых телах. Механизм диффузии частиц в твердых телах, какой механизм реализуется на практике наиболее часто (имеет наименьшую энергию активации). ЗАДАНИЕ №15 1. Сформулируйте правило рычага и проиллюстрируйте его применение для количественных расчетов по диаграммам состояния двух- и трехкомпонентных систем. Какие случаи применения правила рычага встречаются в трехкомпонентных системах? Применив правило рычага, определите процентное содержание фаз в системе MgO-SiO2 после охлаждения расплава, содержащего 50% MgO; и расплава, содержащего 20% MgO, до 1750o. (рис. 12). 2. Каким процессом лимитируется скорость большинства твердофазовых реакций? Что такое коэффициент диффузии и энергия активации процесса диффузии? Опишите различные типы диффузии и дайте сравнительную характеристику скорости диффузии по этим типам, механизм диффузии в кристаллических телах. Какова роль дефектов кристаллической решетки в процессе диффузии ЗАДАНИЕ №16 1. Диаграмма состояния трехкомпонентной системы с двойным химическим соединением, плавящимся инконгруентно (рис. 15). Признак подобного соединения на диаграмме. Характеристика процессов, происходящих вдоль конгруентных и инконгруентных пограничных кривых. Сформулируйте правила определения конечных фаз и конечной точки кристаллизации. Опишите последовательность фазовых превращений при нагревании твердой смеси состава М1 и химического соединения АС; при охлаждении расплава состава М2 и расплава, отвечающего по составу точке пересечения пограничной кривой E1G и соединительной прямой В-АС. 2. Опишите сущность и механизм процесса гетерогенного зародышеобразования. Какие условия необходимы для протекания процесса гетерогенного зародышеобразования. Используя уравнение Фольмера, докажите, что при выполнении этих условий энергия активации гетерогенного зародышеобразования всегда меньше, чем гомогенного. Рассчитайте по этому уравнению, во сколько раз энергия активации гетерогенного зародышеобразования меньше, чем гомогенного при угле смачивания расплавом твердой фазы, равном 30о. ЗАДАНИЕ №17 1. Трехкомпонентная диаграмма состояния с двойным химическим соединением, разлагающимся или образующимся при изменении температуры в твердом состоянии (рис. 16). Признак подобного соединения на диаграмме. Точки двойного подъема и опускания: признак подобных точек и характеристика процессов, происходящих в них. Сформулируйте правило определения дальнейшего пути кристаллизации из точки двойного опускания. Опишите последовательность фазовых превращений при охлаждении расплава состава М, при нагревании твердой смеси состава М1 и состава, отвечающего точке двойного опускания G1. 2. Опишите, какие особенности твердофазовых реакций отличают их от реакций в жидких и газовых фазах. Какова последовательность образования соединений при твердофазовых реакциях в системе извести и кремнезема с молярным отношением СаО:SiO2 = 1:1, почему в этой системе в качестве первичного продукта образуется ортосиликат кальция? ЗАДАНИЕ №18 1. Диаграмма состояния трехкомпонентной системы с тройным химическим соединением, плавящимся конгруентно, с полиморфными превращениями и с ликвацией (рис. 17). Признаки указанных фазовых превращений на диаграмме. Интерпретируйте сущность понятий конгруентное плавление, инконгруентное плавление, ликвация. Что показывают все точки бинодальной кривой на диаграмме? Опишите последовательность фазовых превращений при охлаждении расплавов составов а1 и а2, и при нагревании твердых смесей, отвечающих точкам m, n и s. 2. Дайте определение понятия "твердофазовые реакции". Приведите уравнения Яндера, выражающие кинетику твердофазовых реакций через толщину слоя продукта реакции и через степень превращения покрываемого компонента. Что такое покрывающий и покрываемый компоненты? Уравнение кинетики твердофазовых реакций ГинстлингаБроунштейна. Приведите сравнительную характеристику уравнений Яндера и ГинстлингаБроунштейна с точки зрения их применимости для разных стадий твердофазовых реакций и объясните причину различия данных, получаемым по этим уравнениям. ЗАДАНИЕ №19 1. Диаграмма состояния системы Na2O-CaO-SiO2 (рис. 18).Опишите значение этой системы для химии и технологии силикатов. Каким образом можно использовать диаграмму состояния этой системы для правильного выбора составов известково-натриевых стекол? Приведите характеристику составов, свойств и распространения в технических продуктах тройных соединений в этой системе. Решите задачу: высоко кремнеземистая твердая смесь, содержащая 10% Na2O, 10% CaO и 80% SiO2 нагрета в равновесных условиях до температуры 950 оС и затем подвергнута закалке; определите фазовый количественный состав полученного продукта. 2. Какими технологическими приемами можно ускорить протекание твердофазовых реакций? Опишите, как и почему может влиять на скорость реакций в смесях твердых веществ наличие жидкой и газовой фаз, химически инертных по отношению к реагирующим веществам. Влияние на скорость твердофазовых реакций природы реагентов, степени дефектности их кристаллической решетки и присутствия микродобавок и минерализаторов. Механохимическая активация твердых тел. ЗАДАНИЕ №20 1. Диаграмма состояния системы CaO-Al2O3-SiO2 (рис. 19).Опишите значение этой системы для химии и технологии силикатов и укажите на диаграмме области составов различных технических продуктов (вяжущих материалов, стекла, керамики). Приведите характеристику составов, свойств, распространения в природе и технических продуктах тройных соединений в этой системе. Решите задачу: огнеупор из чистого волластонита взаимодействует с расплавом, отвечающим составу геленита, причем взаимодействующие части этих материалов состоят из 37,2% волластонита и 62,8% геленита; определите из какого количества и каких по составу фаз будет состоять продукт взаимодействия в равновесных условиях при температуре 1400 оС и какое количество жидкой фазы останется к моменту начала кристаллизации эвтектического расплава. 2. Сформулируйте общее определение процесса спекания. Укажите, какие основные свойства твердых тел и как изменяются в процессе спекания. Перечислите виды спекания, встречающиеся при изготовлении силикатных и других тугоплавких материалов и укажите, какими величинами можно характеризовать степень спекания. Каковы условия и особенности спекания за счет процесса испарение-конденсация? ЗАДАНИЕ №21 1. Диаграмма состояния системы Na2O-CaO-SiO2 (рис. 18).На диаграмме состояния этой системы изобразите и опишите последовательность фазовых прекращений: (а) при нагревании твердой смеси, содержащей 20% CaO∙50% SiO2∙30% Na2O (точка лежит на соединительной линии) и (б) при охлаждении расплава 20% CaO∙65% SiO2∙15% Na2O (составы на диаграмме есть!). Решите задачу: исходная твердая смесь состоит из 50% дисиликата натрия и 50% соединения Na2O∙2CaO∙3SiO2, определить температуру начала плавления этой смеси и количество жидкой фазы, образовавшейся при нагревании смеси до температуры 1100 оС. 2. Процесс рекристаллизации. Опишите характеристику границ зерен в твердом теле, в том числе границ, образованных дислокациями, и укажите причины повышенной энергии атомов на границе зерен. Опишите механизм роста зерен при рекристаллизации за счет перемещения межзеренных границ и схему диффузии атомов через межзеренную границу. Какова роль кривизны поверхности зерен при их росте и какими факторами определяется подвижность межзеренных границ? Опишите практическое значение процесса рекристаллизации в технологии силикатных и других тугоплавких материалов. ЗАДАНИЕ №22 1. Диаграмма состояния системы MgO-Al2O3-SiO2 (рис. 20). На диаграмме состояния этой системы изобразите и опишите последовательность фазовых превращений: (а) при нагревании твердой смеси, содержащей 20% MgO, 30% SiO2, 50% Al2O3 (точка лежит на соединительной прямой), (б) при охлаждении расплава, содержащего 10% MgO, 30% SiO2, 60% Al2O3. Решите задачу: как изменится температура появления жидкой фазы в подвергаемой нагреванию смеси из равных количеств кристаллов форстерита и кордиерита при введении в нее добавки 20% кристаллов клиноэнстатита; определите количественный фазовый состав полученной смеси непосредственно после исчезновения эвтектического расплава. 2. Практическое значение процессов кристаллизации расплавов и стекол в технологии керамики, вяжущих и стеклокристаллических материалов (приведите конкретные примеры). Что такое направленная (управляемая) кристаллизация и где она используется в технологии силикатов? Катализаторы кристаллизации: виды, требования, предъявляемые к этим катализаторам и механизм их действия. ЗАДАНИЕ №23 1. Диаграмма состояния системы Na2O-CaO-SiO2 (рис. 18).Опишите особенности этой системы по сравнению с другими силикатными системами. Изобразите на диаграмме и опишите последовательность фазовых превращений: (а) при нагревании твердой смеси, точно отвечающей составу девитрита, (б) при охлаждении расплава, точка состава которого лежит на пересечении изотермы 1150 oС и соединительной прямой 2:1:3-дисиликат натрия. Решите задачу: охлаждается расплав, содержащий 20% CaO, 67% SiO2 и 13% Na2O; определите содержание всех фаз в системе при температуре 900 oС; в каком количественном соотношении при этой температуре выделяются кристаллические фазы. 2. Опишите сущность молекулярно-кинетической (классической) теории роста кристаллов из растворов и расплавов. Дислокационный механизм роста кристаллов. Объясните, почему рост бездефектных кристаллов может происходить только при очень больших пересыщениях раствора или расплава и почему реальные кристаллы растут с достаточно большой скоростью и при малых пересыщениях? ЗАДАНИЕ №24 1. Диаграмма состояния системы MgO-Al2O3-SiO2 (рис. 20).Опишите значение этой системы для химии и технологии силикатов. Изобразите на диаграмме и опишите последовательность фазовых превращений: (а) при нагревании твердой смеси, содержащей 50% шпинели и 50% кордиерита, (б) при охлаждении расплава, точно отвечающего составу сапфирина. Решите задачу: в массу, предназначенную для изготовления алюмомагнезиальной керамики ввели 60% корунда и 40% магнезиально-кремнеземистой фритты, содержащей 37,5% SiO2, определить содержание всех фаз в этом продукте при температуре 1600 оС. 2. Твердофазовое спекание. Опишите, как влияет на процесс твердофазового спекания наличие в спекающемся теле пор разного диаметра и присутствие газовой фазы в порах. Что такое процесс каолесценции пор и процесс внутреннего спекания? Критериальный размер пор по Гегузину, напишите уравнение, характеризующее критериальный размер размер пор и объясните значение входящих в него параметров. Как зависит процесс спекания от его продолжительности и при каких условиях этот процесс прекращается? ЗАДАНИЕ №25 1. Диаграмма состояния системы Na2O-CaO-SiO2 (рис. 18).Опишите особенности этой системы и ее значение для химии и технологии силикатов. На диаграмме состояния этой системы изобразите и опишите последовательность фазовых превращений: (а) при нагревании твердой смеси, соответствующей точке пересечения изотермы 1200 о с соединительной прямой девитрит-дисиликат натрия, (б) при охлаждении расплава, содержащего 20% Na2O, 20% CaO и 60% SiO2, (в) при нагревании соединения 2Na2O∙CaO∙3SiO2. Решите задачу: дана смесь, содержащая 10% Na2O, 20% CaO, 70% SiO2; определите количественный фазовый состав продукта, образующегося после полного расплавления этой смеси, ее последующего охлаждения до 900о и закалке от этой температуры. 2. Опишите сущность и механизм процессов жидкостного спекания, спекания за счет процесса испарение-конденсация, реакционного спекания и спекания за счет пластической деформации. Укажите, какие условия должны выполняться для протекания жидкостного спекания и спекания за счет процесса испарение-конденсация, какие особенности характерны для последнего вида спекания. Приведите конкретные примеры получения технических продуктов с участием указанных видов спекания. Рисунки к заданиям Рис. 1. Рис. 2. Рис. 3. Рис. 4. Рис. 5. Рис. 7. Рис. 6. Рис. 8. Рис. 9. Рис. 10. Рис. 11. Рис. 12. Рис. 13. Рис. 14. Рис. 15. Рис. 16. Рис. 17. Рис. 18 Рис. 19 Рис. 20
