(2025年)無機(jī)非金屬材料工藝學(xué)試題附答案一、選擇題（每題2分，共30分）1.以下哪種原料預(yù)處理工藝不屬于“均化”范疇？A.原料的多倉搭配B.機(jī)械攪拌混合C.濕法球磨后的陳腐D.原料的磁選除鐵答案：D（磁選屬于除雜，均化強(qiáng)調(diào)成分均勻性）2.碳化硅陶瓷常壓燒結(jié)時(shí)，通常需添加少量Al?O?和Y?O?作為燒結(jié)助劑，其主要作用是：A.降低燒結(jié)溫度B.形成液相促進(jìn)擴(kuò)散C.抑制晶粒異常長大D.提高材料致密度答案：B（Al?O?-Y?O?在高溫下與SiC表面SiO?反應(yīng)提供硅酸鹽液相，通過液相燒結(jié)機(jī)制促進(jìn)致密化）3.玻璃生產(chǎn)中，“澄清”階段的核心任務(wù)是：A.消除配合料中的氣泡B.使玻璃液化學(xué)成分均勻C.降低玻璃液黏度D.促進(jìn)玻璃液與窯氣的熱交換答案：A（澄清期通過物理或化學(xué)方法（如加入澄清劑）使熔體中氣泡上浮排出）4.水泥生料煅燒時(shí)，“過渡帶”（800-1300℃）的主要反應(yīng)是：A.碳酸鈣分解B.C?S與CaO反應(yīng)提供C?SC.黏土礦物脫水分解D.少量液相形成答案：D（過渡帶中，部分低共熔物開始熔融形成液相，為C?S提供提供反應(yīng)介質(zhì)）5.制備納米氧化鋯陶瓷時(shí)，采用冷等靜壓成型而非干壓成型的主要原因是：A.提高生坯密度B.減少生坯內(nèi)部應(yīng)力C.降低成型壓力D.適應(yīng)復(fù)雜形狀成型答案：B（納米粉體粒徑小，干壓成型時(shí)顆粒間摩擦力大，易導(dǎo)致生坯密度分布不均和內(nèi)部應(yīng)力，等靜壓通過各向同性加壓可減少應(yīng)力集中）6.以下哪種工藝參數(shù)對(duì)陶瓷素坯干燥裂紋的影響最??？A.干燥介質(zhì)濕度B.素坯初始含水率C.成型壓力D.燒成溫度答案：D（干燥裂紋主要由干燥過程中水分遷移不均引起，與燒成溫度無直接關(guān)聯(lián)）7.制備堇青石（2MgO·2Al?O?·5SiO?）陶瓷時(shí)，若原料中MgO含量偏高，可能導(dǎo)致的主要缺陷是：A.熱膨脹系數(shù)升高B.抗熱震性下降C.燒成收縮率減小D.抗彎強(qiáng)度降低答案：A（堇青石熱膨脹系數(shù)低源于其結(jié)構(gòu)中SiO?四面體的特殊排列，MgO過量會(huì)提供鎂橄欖石（Mg?SiO?），其熱膨脹系數(shù)高于堇青石）8.玻璃退火的關(guān)鍵是控制：A.退火溫度上限B.退火溫度下限C.冷卻速率D.保溫時(shí)間答案：C（退火的核心是通過緩慢冷卻消除玻璃內(nèi)部熱應(yīng)力，冷卻速率過快會(huì)導(dǎo)致殘余應(yīng)力過大）9.以下哪種成型方法最適用于制備大尺寸、薄壁的氧化鋁陶瓷管？A.干壓成型B.等靜壓成型C.注漿成型D.熱壓鑄成型答案：C（注漿成型利用石膏模的吸水性，可成型形狀復(fù)雜、尺寸較大的薄壁制品）10.水泥熟料中，C?S含量過高時(shí)，可能導(dǎo)致：A.早期強(qiáng)度低B.水化熱過大C.抗硫酸鹽侵蝕性增強(qiáng)D.凝結(jié)時(shí)間延長答案：B（C?S水化速率快，水化放熱量大，含量過高會(huì)導(dǎo)致水泥水化熱過大，易引發(fā)混凝土開裂）11.制備多孔陶瓷時(shí)，添加造孔劑的主要作用是：A.降低燒結(jié)溫度B.在燒成時(shí)分解或揮發(fā)形成氣孔C.提高材料強(qiáng)度D.改善成型性能答案：B（造孔劑（如淀粉、碳粉）在燒成時(shí)分解或燃燒，留下氣孔，控制多孔結(jié)構(gòu)）12.以下哪種原料屬于“可塑性原料”？A.石英砂B.高嶺土C.方解石D.滑石粉答案：B（高嶺土含有黏土礦物，具有可塑性，是陶瓷成型的關(guān)鍵原料）13.陶瓷燒成過程中，“氧化保溫期”的主要目的是：A.促進(jìn)坯體收縮B.排除殘余水分C.氧化分解坯體中的有機(jī)物和碳D.形成液相促進(jìn)燒結(jié)答案：C（氧化保溫期（通常在300-900℃）需保證足夠氧氣，使坯體中殘留的碳、有機(jī)物等充分氧化，避免還原氣氛導(dǎo)致的黑心等缺陷）14.玻璃的“料性”是指：A.玻璃液的黏度隨溫度變化的速率B.玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性C.玻璃的熱膨脹系數(shù)D.玻璃的透光率答案：A（短性玻璃黏度隨溫度升高迅速下降，長性玻璃黏度變化緩慢，影響成型工藝選擇）15.制備碳化硼（B?C）陶瓷時(shí)，通常采用熱壓燒結(jié)而非常壓燒結(jié)，主要因?yàn)椋篈.碳化硼熔點(diǎn)過高B.碳化硼原子間結(jié)合力強(qiáng)，擴(kuò)散系數(shù)低C.熱壓可避免氧化D.熱壓能降低成本答案：B（B?C晶體結(jié)構(gòu)中B-C鍵共價(jià)性強(qiáng)（共價(jià)鍵占比＞90%），原子擴(kuò)散困難，常壓下難以燒結(jié)致密，熱壓通過外加壓力促進(jìn)顆粒重排和擴(kuò)散）二、填空題（每空1分，共20分）1.陶瓷原料預(yù)處理中，“球磨”的主要目的是______和______。（細(xì)化顆粒、混合均勻）2.水泥熟料的四種主要礦物是C?S、C?S、C?A和______。（C?AF）3.玻璃生產(chǎn)中，“熔化”階段的溫度范圍通常為______℃。（1450-1600）4.等靜壓成型分為______和______兩種類型。（冷等靜壓、熱等靜壓）5.陶瓷素坯干燥時(shí)，“臨界含水率”是指______與______的分界點(diǎn)。（表面蒸發(fā)控制階段、內(nèi)部擴(kuò)散控制階段）6.制備壓電陶瓷（如PZT）時(shí)，通常需添加______（填元素）以調(diào)節(jié)居里溫度和壓電性能。（La/鑭，或Nb/鈮等摻雜元素）7.耐火材料的“荷重軟化溫度”是指材料在______作用下，發(fā)生一定變形時(shí)的溫度。（恒定荷重和升溫）8.水泥的“初凝時(shí)間”是指水泥加水拌和至標(biāo)準(zhǔn)稠度凈漿______的時(shí)間。（開始失去可塑性）9.多孔陶瓷的氣孔率主要通過______和______控制。（造孔劑添加量、燒成溫度）10.玻璃的“退火點(diǎn)”是指玻璃______的溫度。（黏度達(dá)到1013Pa·s，應(yīng)力能在幾分鐘內(nèi)松弛）三、簡答題（每題8分，共40分）1.簡述干壓成型與等靜壓成型的主要區(qū)別及適用場景。答案：干壓成型是單向加壓（上下模），壓力沿壓制方向衰減，導(dǎo)致生坯密度分布不均（邊緣低、中心高），適用于形狀簡單、尺寸較小的制品（如陶瓷片）；等靜壓成型通過液體或氣體傳遞各向同性壓力，生坯密度均勻，內(nèi)部應(yīng)力小，適用于形狀復(fù)雜、尺寸較大或?qū)γ芏染鶆蛐砸蟾叩闹破罚ㄈ绱蟪叽缣沾晒?、異形件）?.分析影響水泥水化速率的主要因素。答案：（1）礦物組成：C?A水化最快，C?S次之，C?S最慢；（2）細(xì)度：水泥顆粒越細(xì)，比表面積越大，水化速率越快；（3）溫度：溫度升高，水化反應(yīng)速率加快（5-40℃范圍內(nèi)，溫度每升高10℃，水化速率約提高1倍）；（4）水灰比：水灰比增大，自由水增多，水化初期速率加快，但后期因水灰比過大導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疏松，速率可能下降；（5）外加劑：如緩凝劑（石膏）可延緩C?A水化，早強(qiáng)劑可加速水化。3.陶瓷燒成時(shí)，“還原氣氛”的作用及控制方法。答案：作用：（1）防止高價(jià)金屬氧化物（如Fe?O?）氧化，避免制品呈色（如瓷器中Fe3+會(huì)導(dǎo)致泛黃，還原為Fe2+可呈青色）；（2）促進(jìn)某些氧化物（如TiO?）的還原，形成缺陷結(jié)構(gòu)，改善電學(xué)性能（如制備半導(dǎo)體陶瓷）；（3）降低氣氛中氧分壓，抑制易氧化組分（如SiC）的氧化?？刂品椒ǎ和ㄟ^調(diào)節(jié)燃料（如煤氣、天然氣）與空氣的比例，使燃燒不充分，產(chǎn)生CO等還原性氣體；或直接通入還原性氣體（如H?、CO）；同時(shí)監(jiān)測窯內(nèi)氣氛（如通過氧傳感器或CO濃度檢測）。4.玻璃“析晶”（失透）的危害及預(yù)防措施。答案：危害：析晶會(huì)導(dǎo)致玻璃透明度下降（如乳濁）、機(jī)械強(qiáng)度降低（晶相與玻璃相熱膨脹系數(shù)差異引發(fā)微裂紋）、化學(xué)穩(wěn)定性變差（晶界易受侵蝕）。預(yù)防措施：（1）調(diào)整玻璃成分，避免形成易析晶的組成（如控制SiO?含量≥60%，引入Al?O?、B?O?等網(wǎng)絡(luò)修飾體抑制析晶）；（2）加快冷卻速率，使玻璃液快速通過析晶溫度區(qū)間（Tg-Tm）；（3）控制成型工藝（如縮短玻璃液在析晶溫度區(qū)的停留時(shí)間）；（4）添加少量析晶抑制劑（如TiO?、ZrO?）。5.分析陶瓷素坯“過燒”的現(xiàn)象及原因。答案：現(xiàn)象：坯體過度收縮（尺寸縮小明顯）、表面出現(xiàn)流釉（若施釉）、氣孔率顯著降低（甚至閉口氣孔增多）、力學(xué)性能下降（因晶粒異常長大，晶界弱化）。原因：燒成溫度過高或保溫時(shí)間過長，導(dǎo)致液相量過多，晶?？焖偕L并合并（二次再結(jié)晶）；或原料中低熔點(diǎn)雜質(zhì)（如K?O、Na?O）含量過高，降低燒結(jié)溫度范圍，易引發(fā)過燒。四、計(jì)算題（每題10分，共20分）1.某工廠需制備MgO含量為20wt%的鎂質(zhì)陶瓷，原料為菱鎂礦（主要成分為MgCO?，純度95%）和工業(yè)氧化鋁（Al?O?純度99%）。已知MgCO?燒失量（CO?分解）為52.2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），計(jì)算制備100kg成品所需菱鎂礦和氧化鋁的質(zhì)量。（保留2位小數(shù)）解：成品中MgO質(zhì)量=100kg×20%=20kg。菱鎂礦中MgCO?分解反應(yīng)：MgCO?→MgO+CO?↑，MgO理論產(chǎn)率=（MgO分子量/MgCO?分子量）=40/84≈47.62%。但菱鎂礦純度為95%，且燒失量52.2%（即100kg菱鎂礦分解后剩余質(zhì)量=100×(1-52.2%)=47.8kg，其中MgO質(zhì)量=47.8kg×(95%×47.62%/(1-52.2%))？不，更簡單的方法：設(shè)需菱鎂礦質(zhì)量為xkg，其中MgCO?質(zhì)量=0.95xkg，分解后提供MgO質(zhì)量=0.95x×(40/84)=0.4476xkg。成品中MgO來自菱鎂礦分解，故0.4476x=20kg→x=20/0.4476≈44.68kg。氧化鋁質(zhì)量=100kg-20kg（MgO）=80kg（假設(shè)成品僅含MgO和Al?O?），但需考慮氧化鋁純度：實(shí)際需氧化鋁質(zhì)量=80kg/0.99≈80.81kg。驗(yàn)證：菱鎂礦分解后剩余質(zhì)量=44.68kg×(1-0.522)=44.68×0.478≈21.36kg（其中MgO=20kg，雜質(zhì)=1.36kg）；氧化鋁引入Al?O?=80.81×0.99≈80kg，雜質(zhì)=0.81kg。總成品質(zhì)量=21.36+80.81=102.17kg？這說明假設(shè)成品僅含MgO和Al?O?不成立，應(yīng)考慮燒后總質(zhì)量為100kg，即菱鎂礦分解后的MgO和雜質(zhì)，加上氧化鋁中的Al?O?和雜質(zhì)，總質(zhì)量為100kg。正確計(jì)算：設(shè)菱鎂礦為xkg，氧化鋁為ykg。MgO質(zhì)量：0.95x×(40/84)=0.4476xAl?O?質(zhì)量：0.99y雜質(zhì)質(zhì)量：x×(1-0.95)+y×(1-0.99)=0.05x+0.01y總質(zhì)量：0.4476x+0.99y+0.05x+0.01y=100即0.4976x+y=100且MgO含量=0.4476x/100=20%→0.4476x=20→x=44.68kg代入上式：0.4976×44.68+y=100→22.25+y=100→y=77.75kg答案：菱鎂礦44.68kg，氧化鋁77.75kg2.某陶瓷生坯尺寸為100mm×100mm×10mm，燒成后尺寸為95mm×95mm×9.2mm，密度由1.8g/cm3增至3.2g/cm3。計(jì)算線收縮率、體積收縮率和燒成致密度（假設(shè)理論密度為3.5g/cm3）。解：線收縮率=（原始長度-燒成長度）/原始長度×100%=（100-95）/100×100%=5%（長度方向），同理寬度方向5%，厚度方向（10-9.2）/10×100%=8%，通常取平均線收縮率=（5%+5%+8%）/3≈6%（或按各向同性假設(shè)，線收縮率=1-(燒成體積/原始體積)^(1/3)）。體積收縮率=（原始體積-燒成體積）/原始體積×100%原始體積=100×100×10=100000mm3=100cm3燒成體積=95×95×9.2=82610mm3=82.61cm3體積收縮率=(100-82.61)/100×100%=17.39%燒成致密度=（燒成密度/理論密度）×100%=3.2/3.5×100%≈91.43%五、綜合分析題（20分）某企業(yè)生產(chǎn)的氧化鋁陶瓷（Al?O?含量95%）出現(xiàn)表面裂紋，經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)裂紋集中在制品邊緣，且生坯密度分布不均（邊緣密度低于中心）。結(jié)合工藝學(xué)知識(shí)，分析可能原因及改進(jìn)措施。答案：可能原因：（1）成型工藝問題：采用干壓成型時(shí)，壓力沿壓制方向衰減（邊緣離加壓面遠(yuǎn)，壓力傳遞損失大），導(dǎo)致邊緣生坯密度低于中心，燒成時(shí)邊緣收縮率大于中心（密度低的區(qū)域燒結(jié)收縮更大），產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，引發(fā)邊緣裂紋。（2）干燥工藝不當(dāng)：干燥過程中邊緣水分蒸發(fā)快，內(nèi)部水分遷移慢，邊緣先收縮形成拉應(yīng)力，若干燥速率過快（如熱風(fēng)溫度過高、濕度過低），超過坯體強(qiáng)度則引發(fā)裂紋。（3）原料處理問題：原料顆粒級(jí)配不合理（如細(xì)粉過多），成型時(shí)顆粒間摩擦力大，導(dǎo)致壓力傳遞不均；或原料可塑性差（如結(jié)合劑添加量不足），生坯強(qiáng)度低，干燥時(shí)易開裂。（4）燒成制度問題：升溫速率過快，尤其是在晶型轉(zhuǎn)變溫度（如α-Al?O?從γ相轉(zhuǎn)變，約1000℃）附近，體積變化（γ→α約收縮14%）引發(fā)熱應(yīng)力，若邊緣與中心溫度梯度大，應(yīng)力集中導(dǎo)致裂紋。改進(jìn)措施：（1）優(yōu)化成型工藝：改用等靜壓成型（各向同性加壓，密度均勻）；或調(diào)整干壓模具結(jié)構(gòu)（如采用多向加壓模具），減少壓力衰減；增加成型壓力（但需避免分層）。（2）控制干燥過程：采用梯度干燥（先低溫高濕，后逐步升溫降濕），降低邊緣與中心的水分差；延長干燥時(shí)間，使水分緩慢