材料科学基础复习资料1.docx

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材料科学基础复习资料1

第二章

一名词解释

（1）晶胞：

从晶体结构中取出来的以反映晶体周期性和对称性的最小重复单元。

（2）晶胞参数：

表示晶胞的形状和大小可用六个参数即三条边棱的长度a、b、c和三条边棱的夹角α、β、γ即为晶胞参数。

（3）米勒指数（晶面指数）：

结晶学中经常用（hkl）来表示一组平行晶面，称为晶面指数。

数字hkl是晶面在三个坐标轴（晶轴）上截距的倒数的互质整数比。

（4）同质多晶：

化学组成相同的物质，在不同的热力学条件下结晶成结构不同的晶体的现象，称为同质多晶现象。

（5）类质同晶：

物质结晶时，其晶体结构中本应由某种离子或原子占有的配位位置，一部分被介质中性质相似的它种离子或原子占有，共同结晶成均匀的呈单一相的混合晶体，但不引起键性或晶体结构型式发生质变的现象称为类质同晶。

（6）正尖晶石：

在AB2O4尖晶石结构中，A离子占据四面体空隙，B离子占据八面体空隙的尖晶石。

（7）反尖晶石：

如果半数的B离子占据四面体空隙，A离子和另外半数的B离子占据八面体空隙则称反尖晶石。

（8）反萤石结构：

这种结构与萤石完全相同，只是阴、阳离子的个数及位置刚好与萤石中的相反，即金属离子占有萤石结构中F—的位置，而02—离子或其他负离子占Ca2+的位置，这种结构称为反萤石结构。

（9）空间群：

指在一个晶体结构中所存在的一切对称要素的集合。

它由两部分组成，一是平移轴的集合（也就是平移群），另外是除平移轴之外的所有其他对称要素的集合（与对称型相对应）。

（10）点群：

又名对称型，是指宏观晶体中对称要素的集合。

a=b≠cα=β=γ=900的晶体属（）晶系。

六方紧密堆积的原子密排面是晶体中的（）面，立方紧密堆积的原子密排面是晶体中的（）面。

硅酸盐晶体结构分类依据是什么？

可分为哪几类，每类的结构特点是什么？

（9分）

答：

硅酸盐晶体结构分类依据是：

结构中硅氧四面体的连接方式。

（1.5分）

可分为岛状：

硅氧四面体孤立存在；（1.5分）组群状：

硅氧四面体以两个、三个、四个或六个，通过共用氧相连成硅氧四面体群体，群体之间由其它阳离子连接；（1.5分）链状：

硅氧四面体通过共用氧相连，在一维方向延伸成链状，链与链之间由其它阳离子连接；（1.5分）层状：

硅氧四面体通过三个共用氧在两维平面内延伸成硅氧四面体层；（1.5分）架状：

每个硅氧四面体的四个顶角都与相邻的硅氧四面体共顶，形成三维空间结构。

（1.5分）

在AB2O4型尖晶石结构中，若以氧离子作立方紧密堆积排列，在正尖晶石结构中，A离子占有（）空隙，B离子占有（）空隙。

晶体的对称要素中微观对称要素种类有（）、（）、（）。

同价阳离子饱和的黏土胶粒的ξ电位随阳离子半径的增加而（）。

12、Ca-黏土泥浆胶溶时，加入NaOH和Na2SiO3电解质，（）效果好？

1、简述硅酸盐晶体结构分类的原则和各类结构中硅氧四面体的形状。

（9分）

答：

硅酸盐晶体结构分类的原则：

结构中硅氧四面体的连接方式。

（1.5分）

1、试解释说明为什么在硅酸盐结构中Al3+经常取代[SiO4]中Si4+，但Si4+一般不会置换[AlO6]中的Al3+？

（（配位数为6时，S14＋、A13＋和O2－的离子半径分别为0.40Å、0.53Å和1.40Å；配位数为4时，一离子半径依次为0.26Å、0.40Å和1.38Å））。

（8分）

答：

CN=4,rAl3+/ro2-=0.4/1.38=0.29,Al3+四配位稳定，故在硅酸盐结构中Al3+经常取代[SiO4]中Si4+形成[AlO4]；（4分）CN=6，rSi4+/ro2-=0.4/1.38=0.29,Si4+四配位稳定，六配位不稳定，故在硅酸盐结构中Si4+一般不会置换[AlO6]中的Al3+，形

各类结构中硅氧四面体的形状：

岛状结构：

四面体；组群状结构；（1.5分）双四面体、三节环、四节环和六节环；（1.5分）链状结构：

单链、双链；（1.5分）层状结构：

平面层；（1.5分）架状结构：

三维空间延伸的骨架。

（1.5分）

在硅酸盐晶体结构中，[SiO4]四面体或孤立存在，或共顶连接，而不共棱，更不共面，解释之。

（6分）

答：

在硅酸盐晶体结构中，[SiO4]四面体中的Si4+是高电价低配位的阳离子，以共棱、共面方式存在时，两个中心阳离子（Si4+）间距离较近、排斥力较大，所以不稳定，而孤立存在，或共顶连接。

（6分）

1、试比较伊利石和蒙脱石的结构特点。

（8分）

答：

伊利石和蒙脱石是2：

l型结构（1分），其结构皆属于单斜晶系；都存在同晶取代，蒙脱石同晶取代主要发生在八面体层中（1分），而伊利石是发生在硅氧面体层中（1分）；蒙脱石的电荷不平衡由进入层间的水化阳离子补偿，这种水化阳离子在层间无固定位置，结合力弱，容易被交换出来（2分）；伊利石的电荷不平衡由进入层间的K+离子补偿，K+离子有固定位置和配位数，结合较牢固（2分），因此蒙脱石的阳离子交换能力比伊利石强，蒙脱石结构中有层间水，并有膨胀性，而伊利石没有（1分）。

1、为什么等轴晶系有原始、面心、体心格子，而没有单面心格子？

（4分）

答：

因为从结构分布看，单面心格子不符合立方格子所固有的4L3的对称性。

2、说明高岭石和蒙脱石的结构特点，并解释为什么蒙脱石具有膨胀性和高的阳离子交换容量，而高岭石则不具有膨胀性、阳离子交换容量也很低。

（10分）

答：

高岭石的阳离子交换容量较小，而蒙脱石的阳离子交换容量较大。

因为高岭石是1:

1型结构，离子的取代很少，单网层与单网层之间以氢键相连，氢键强于范氏键，水化阳离子不易进入层间，因此阳离子交换容量较小。

（5分）而蒙脱石是为2:

1型结构，铝氧八面体层中大约1/3的Al3+被Mg2+取代，为了平衡多余的负电价，在结构单位层之间有其它阳离子进入，而且以水化阳离子的形式进人结构。

水化阳离子和硅氧四面体中O2-离子的作用力较弱，因而，这种水化阳离子在一定条件下容易被交换出来。

C轴可膨胀以及阳离子交换容量大，是蒙脱石结构上的特征。

（5分）

4、MoO3和CaCO3反应时，反应机理受到CaCO3颗粒大小的影响。

当MoO3：

CaCO3＝1：

1，MoO3的粒径r1为0.036mm，CaCO3的粒径r2为0.13mm时，反应是扩散控制的；而当CaCO3：

MoO3＝15：

1，r2＜0.03mm时，反应由升华控制，试解释这种现象。

（7分）

答：

当MoO3的粒径r1为0.036mm，CaCO3的粒径r2为0.13mm时,CaCO3颗粒大于MoO3，由于产物层较厚，扩散阻力较大，反应由扩散控制，反应速率随着CaCO3颗粒度减小而加速，（3.5分）当r2

依据等径球体的堆积原理得出，六方密堆积的堆积系数（）体心立方堆积的堆积系数。

A、大于B、小于C、等于D、不确定

某晶体AB，A—的电荷数为1，A—B键的S=1/6，则A+的配位数为（）。

A、4B、12C、8D、6

5、在单位晶胞的CaF2晶体中，其八面体空隙和四面体空隙的数量分别为（）。

A、4，8B、8，4C、1，2D、2，4

6、点群L6PC属（）晶族（）晶系。

A、高级等轴B、低级正交C、中级六方D、高级六方

晶体在三结晶轴上的截距分别为1/2a、1/3b、1/6c。

该晶面的晶面指数为（）。

A、（236）B、（326）C、（321）D、（123）

11、晶体结构中一切对称要素的集合称为（）。

A、对称型B、点群C、微观对称的要素的集合D、空间群

12、在ABO3（钙钛矿）型结构中，B离子占有（）。

A、四面体空隙B、八面体空隙C、立方体空隙D、三方柱空隙晶体

下列性质中（）不是晶体的基本性质。

A、自限性B、最小内能性C、有限性D、各向异性

晶体在三结晶轴上的截距分别为2a、3b、6c。

该晶面的晶面指数为（）。

A、（236）B、（326）C、（321）D、（123）

3、依据等径球体的堆积原理得出，六方密堆积的堆积系数（）立方密堆积的堆积系数。

A、大于B、小于C、等于D、不确定

4、某晶体AB，A—的电荷数为1，A—B键的S=1/6，则A+的配位数为（）。

A、4B、12C、8D、6

5、在单位晶胞的CaF2晶体中，其八面体空隙和四面体空隙的数量分别为（）。

A、4，8B、8，4C、1，2D、2，4

6、在ABO3（钙钛矿）型结构中，B离子占有（）。

A、四面体空隙B、八面体空隙C、立方体空隙D、三方柱空隙晶体

晶体结构中一切对称要素的集合称为（）。

A、对称型B、点群C、微观对称的要素的集合D、空间群

1、依据等径球体的堆积原理得出，立方密堆积的堆积系数（）体心立方堆积的堆积系数。

A、大于B、小于C、等于D、不确定

2、晶体在三结晶轴上的截距分别为2a、3b、6c。

该晶面的晶面指数为（）。

A、（236）B、（326）C、（321）D、（123）

3、下列性质中（）不是晶体的基本性质。

A、自限性B、最小内能性C、有限性D、各向异性

4、在单位晶胞的CaF2晶体中，其八面体空隙和四面体空隙的数量分别为（）。

A、4，8B、8，4C、1，2D、2，4

金红石晶体中，所有O2-作稍有变形的立方密堆排列，Ti4+填充了（）。

A、全部四面体空隙B、全部八面体空隙C、1/2四面体空隙D、1/2八面体空隙

滑石（3MgO·4SiO2·H2O）和高岭土（Al2O3·2SiO2·2H2O）分别属于（）层状结构的硅酸盐矿物。

A、1：

1和2：

1B、2：

1和1：

1C、3：

1和2：

1

晶体结构中一切对称要素的集合称为（）。

A、对称型B、点群C、微观对称的要素的集合D、空间群

高岭石和蒙脱石的结构特点，并解释为什么蒙脱石具有膨胀性和高的阳离子交换容量，而高岭石则不具有膨胀性、阳离子交换容量也很低。

答：

高岭石的阳离子交换容量较小，而蒙脱石的阳离子交换容量较大。

因为高岭石是1:

1型结构，离子的取代很少，单网层与单网层之间以氢键相连，氢键强于范氏键，水化阳离子不易进入层间，因此阳离子交换容量较小。

（5分）而蒙脱石是为2:

1型结构，铝氧八面体层中大约1/3的Al3+被Mg2+取代，为了平衡多余的负电价，在结构单位层之间有其它阳离子进入，而且以水化阳离子的形式进人结构。

水化阳离子和硅氧四面体中O2-离子的作用力较弱，因而，这种水化阳离子在一定条件下容易被交换出来。

C轴可膨胀以及阳离子交换容量大，是蒙脱石结构上的特征。

a=b≠cα=β=900，γ=1200的晶体属（）晶系。

晶体的对称要素中宏观晶体中可能出现的对称要素种类有（）、（）、（）、（）。

3、六方紧密堆积的原子密排面是晶体中的（）面，立方紧密堆积的原子密排面是晶体中的（）面。

立方紧密堆积的原子密排面是晶体中的（）面，六方紧密堆积的原子密排面是晶体中的（）面。

在硅酸盐晶体结构中，[SiO4]四面体或孤立存在，或共顶连接，而不共棱，更不共面，解释之。

答：

在硅酸盐晶体结构中，[SiO4]四面体中的Si4+是高电价低配位的阳离子，以共棱、共面方式存在时，两个中心阳离子（Si4+）间距离较近、排斥力较大，所以不稳定，而孤立存在，或共顶连接。

第三章

一名词解释

（1）点缺陷：

三维方向上缺陷尺寸都处于原子大小的数量级上。

（2）线缺陷:

指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列所产生的缺陷。

（3）面缺陷：

指在两维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列所产生的缺陷。

肖特基缺陷：

如果正常格点上的原子，热起伏过程中获得能量离开平衡位置迁移到晶体的表面，在晶体内正常格点上留下空位，这即是肖特基缺陷。

（4）弗伦可尔缺陷：

在晶格热振动时，一些能量足够大的原子离开平衡位置后，挤到晶格点的间隙中，形成间隙原子，而原来位置上形成空位，这种缺陷称为弗伦克尔缺陷。

（5）可塑性：

粘土与适当比例的水混合均匀制成泥团，该泥团受到高于某一个数值剪应力作用后，可以塑造成任何形状，当去除应力泥团能保持其形状，这种性质称为可塑性。

热缺陷：

晶体温度高于绝对0K时，由于热起伏使一部分能量较大的质点（原子或离子）离开平衡位置所产生的空位和/或间隙质点。

Zn1+xO在还原气氛中可形成（）型半导体，缺陷浓度与氧分压的1/6次方成（），如果减少周围氧气的分压，Zn1+xO的密度将（）。

5、b与位错线（）的位错称为刃位错，；b与位错线（）的位错称为螺位错，。

形成连续固溶体的条件是（）、（）和（）。

晶体的热缺陷有（）和（）两类，热缺陷浓度与温度的关系式为（）。

TiO2在还原气氛中可形成（）型非计量化合物，可形成（）型半导体，缺陷浓度与氧分压的1/6次方成（），如果减少周围氧气的分压，TiO2-x的密度将（）。

晶体的热缺陷有（）和（）两类，热缺陷浓度与温度的关系式为（）。

由于（）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：

（）和（）。

b与位错线（）的位错称为刃位错，可用符号（）表示；b与位错线（）的位错称为螺位错，可用符号（）表示。

CeO2为萤石结构，其中加入0.15molCaO形成固溶体,实验测得固溶体晶胞参数a0=0.542nm,测得固溶体密度ρ=6.54g/cm3,试计算说明固溶体的类型？

（其中Ce=140.12,Ca=40.08,O=16）

（1）（4分）

（2）（4分）

（1）式固溶式为：

（1.5分）

（1.5分）

（2）式固溶式为：

（1.5分）

（1.5分）

实测D＝6.54g/cm3，接近D01，说明方程

（1）合理，（1分）

固溶体化学式：

Ce0.85Ca0.15O1.85为氧空位型固溶体。

二、问答题

1、试写出少量MgO掺杂到A12O3中和少量YF3掺杂到CaF2中的缺陷反应方程与对应的固溶式。

解：

少量MgO掺杂到A12O3中缺陷反应方程及固溶式为：

，

（3.5分）

少量YF3掺杂到CaF2中缺陷反应方程及固溶式如下：

，

2在硅酸盐晶体结构中，[SiO4]四面体或孤立存在，或共顶存连接，而不共棱更不共面，解释之。

（6分）

答：

根据鲍林规则，高电价低配位的阳离子与阴离子形成的配位多面体以共棱，特别是共面方式存在时，结构的稳定性降低。

在硅酸盐晶体结构中，[SiO4]四面体以共棱、共面方式相连时，中心阳离子间距较孤立存在或共顶存连接时小，中心阳离子间的斥力大，尤其是共面时斥力更大，结构不稳定，因此在硅酸盐晶体结构中，[SiO4]四面体或孤立存在，或共顶存连接，而不共棱更不共面。

出下列反应的合理缺陷反应式（10分）

a．NaCl溶入CaCl2中形成空位型固溶体

b．CaCl2溶人NaC1中形成空位型固溶体

答：

a.NaCl溶入CaCl2中形成空位型固溶体

（5分）

b．CaCl2溶人NaC1中形成空位型固溶体

三、计算题（10分）

在CaF2晶体中，肖特基缺陷的生成能为5.5ev，计算在1600℃时热缺陷的浓度。

如果CaF2晶体中，含有百万分之一的YF3杂质，则在1600℃时CaF2晶体中是热缺陷占优势还是杂质缺陷占优势？

（玻尔兹曼常数k=1.38×10-23、电子的电荷e=1.602×10-19）

解：

因为n/N=exp（-∆Gf/2kT）

∆Gf=5.5×1.602×10-19=8.817×10-19JT=1600+273=1873K

所以n/N=exp（-8.817×10-19/2×1.38×10-23×1873）=exp（-17.056）=3.9×10-8（5分）

在CaF2晶体中，含有百万分之一的YF3杂质，缺陷方程如下：

此时产生的缺陷为

，

=10-6大于热缺陷浓度3.9×10-8，故在1873K时杂质缺陷占优势

或

此时产生的缺陷为

，

=5.5×10-7大于热缺陷浓度3.9×10-8，故在1873K时杂质缺陷占优势（5分）

试写出少量MgO掺杂到A12O3中和少量YF3掺杂到CaF2中的缺陷反应方程与对应的固溶式。

（7分）

解：

少量MgO掺杂到A12O3中缺陷反应方程及固溶式为：

，

（3.5分）

少量YF3掺杂到CaF2中缺陷反应方程及固溶式如下：

，

出下列反应的合理缺陷反应式（7分）

a．NaCl溶入CaCl2中形成空位型固溶体

b．CaCl2溶人NaC1中形成空位型固溶体

答：

a.NaCl溶入CaCl2中形成空位型固溶体

（3.5分）

b．CaCl2溶人NaC1中形成空位型固溶体

完成下列缺陷反应式

或

或

四、计算题（10分）

在CaF2晶体中，肖特基缺陷的生成能为5.5ev，计算在1600℃时热缺陷的浓度。

如果CaF2晶体中，含有百万分之一的YF3杂质，则在1600℃时CaF2晶体中是热缺陷占优势还是杂质缺陷占优势？

（玻尔兹曼常数k=1.38×10-23、电子的电荷e=1.602×10-19）

解：

因为n/N=exp（-∆Gf/2kT）

∆Gf=5.5×1.602×10-19=8.817×10-19JT=1600+273=1873K

所以n/N=exp（-8.817×10-19/2×1.38×10-23×1873）=exp（-17.056）=3.9×10-8（5分）

在CaF2晶体中，含有百分之一的YF3杂质，缺陷方程如下：

此时产生的缺陷为

，

=10-6大于热缺陷浓度3.9×10-8，故在1873K时杂质缺陷占优势

或

）

此时产生的缺陷为

，

=5.5×10-7大于热缺陷浓度3.9×10-8，故在1873K时杂质缺陷占优势

非化学计量化合物Cd1+xO中存在（）型晶格缺陷

A、阴离子空位B、阳离子空位C、阴离子填隙D、阳离子填隙

第四章

一名词解释

缩聚（聚合）：

由分化过程产生的低聚合物，相互作用，形成级次较高的聚合物，同时释放出部分Na2O，这个过程称为缩聚，也即聚合。

解聚：

在熔融SiO2中，O/Si比为2：

1，[SiO4]连接成架状。

若加入Na2O则使O/Si比例升高，随加入量增加，O/Si比可由原来的2：

1逐步升高到4：

1，[SiO4]连接方式可从架状变为层状、带状、链状、环状直至最后断裂而形成[SiO4]岛状，这种架状[SiO4]断裂称为熔融石英的分化过程，也即解聚。

晶子假说：

苏联学者列别捷夫提出晶子假说，他认为玻璃是高分散晶体（晶子）的结合体，硅酸盐玻璃的晶子的化学性质取决于玻璃的化学组成，玻璃的结构特征为微不均匀性和近程有序性。

晶子学说、无规则网络学说：

凡是成为玻璃态的物质和相应的晶体结构一样，也是由一个三度空间网络所构成。

这种网络是由离子多面体（三角体或四面体）构筑起来的。

晶体结构网是由多面体无数次有规律重复构成，而玻璃中结构多面体的重复没有规律性。

硼反常现象：

硼酸盐玻璃与相同条件下的硅酸盐玻璃相比，其性质随R2O或RO加入量的变化规律相反，这种现象称硼反常现象。

二、问答题（70分）

说明熔体中聚合物形成过程？

从结构上来说明在SiO2熔体中随着Na2O加入量的不同，熔体粘度、形成玻璃能力如何变化，为什么?

答：

熔体中聚合物形成分三个阶段。

初期：

主要是石英颗粒的分化；中期：

缩聚并伴随变形；后期：

在一定时间和一定温度下，聚合和解聚达到平衡。

（3分）

在SiO2熔体中随着Na2O加入量的增加，分化的不断进行，熔体中高聚合度的聚合物的含量不断减少，低聚合度的聚合物的含量不断增加，导致熔体粘度降低、形成玻璃能力下降。

4、对比不稳分解和均匀成核成长这两种相变过程。

讨论热力学和动力学特性以及过冷度和时间对产物组织的影响。

如何用实验方法区分这两种过程？

在玻璃工业中，分相有何作用？

请举例说明。

（9分）

答：

不稳分解：

在此区域内，液相会自发分相，不需要克服热力学势垒；无成核-长大过程，分相所需时间极短，第二相组成随时间连续变化。

在不稳分解分相区内，随着温度的降低、时间的延长，析出的第二相在母液中相互贯通，形成蠕虫状结构。

（4分）

成核-生成：

在此区域内，在热力学上，系统对微小的组成起伏是亚稳的，形成新相需要做功，即存在成核势垒，新相形成如同结晶过程的成核-长大机理，分相所需时间长，分出的第二相组成不随时间变化。

随着温度的降低、时间的延长，析出的第二相在母液中逐渐长大，形成孤立球状结构。

用TEM观察分相以后形貌，若两相无明显的连续性，第二相呈孤立球状，则为成核-生长分相；若两相形成互相交织的"蠕虫状"，则为不稳分解相变过程。

（4分）

在玻璃工业中，利用玻璃分相可以改进结构和玻璃性能，制备新型玻璃。

例如通过硼硅酸盐玻璃分相制备微孔玻璃、高硅氧玻璃，通过分相促进锂铝硅微晶玻璃的核化和晶化，通过磷硅酸盐玻璃的分相制备乳浊玻璃等。

2、试述B2O3中加入Na2O后,结构发生的变化,解释硼酸盐玻璃的硼反常现象？

（7分）

答、B2O3中加入Na2O后,Na2O所提供的氧使[BO3]三角体变成[BO4]四面体，导致B2O3玻璃结构由两度空间的层状结构部分转变为三维的架状结构，从而加强了网络，并使玻璃的各种物理性质变好，这与相同条件下的硅酸盐玻璃相比，其性质随R2O或RO加入量的变化规律相反，出现硼酸盐玻璃的硼反常现象

2、试解释说明为什么在硅酸盐结构中Al3+经常取代[SiO4]中Si4+，但Si4+一般不会置换[AlO6]中的Al3+？

（（配位数为6时，S14＋、A13＋和O2－的离子半径分别为0.40Å、0.53Å和1.40Å；配位数为4时，一离子半径依次为0.26Å、0.40Å和1.38Å））。

（7分）

答：

CN=4,rAl3+/ro2-=0.4/1.38=0.29,Al3+四配位稳定，故在硅酸盐结构中Al3+经常取代[SiO4]中Si4+形成[AlO4]；（3.5分）CN=6，rSi4+/ro2-=0.4/1.38=0.29,Si4+四配位稳定，六配位不稳定，故在硅酸盐结构中Si4+一般不会置换[AlO6]中的Al3+，形成[SiO]

3、网络变性体（如Na2O）加到石英玻璃中，使硅氧比增加。

实验观察到当O/Si=2.5~3时，即达到形成玻璃的极限，根据结构解释为什么在2

（7分）

答：

在2

说明影响烧结的因素？

（6分）

（1）、粉末的粒度。

细颗粒增加了烧结推动力，缩短原子扩散距离，提高颗粒在液相中的溶解度，从而导致烧结过程的加速。

（2）、外加剂的作用。

在固相烧结中，有少量外加剂可与主晶相形成固溶体，促进缺陷增加，在液相烧结中，外加剂改变液相的性质（如粘度，组成等），促进烧结。

（3）、烧结温度：

晶体中晶格能越大，离子结合也越牢固，离子扩散也越困难，烧结温度越高。

（4）、保温时间：

高温段以体积扩散为主，以短时间为好，低温段为表面扩散为主，低温时间越长，不仅不引起致密化，反而会因表面扩散，改变了气孔的