2-1 无机非金属材料 同步作业 《化学（加工制造类）》同步教学 高教版

专题二 化学与材料 第一节 无机非金属材料 同步作业 一、基础题（共70分） （一）选择题（每题3分，共33分） 1. 下列关于无机非金属材料的说法，正确的是（ ） A. 无机非金属材料均为绝缘体，不导电 B. 无机非金属材料的主要成分是金属元素与非金属元素形成的化合物 C. 陶瓷、玻璃、水泥均属于传统无机非金属材料 D. 无机非金属材料的硬度均低于金属材料，韧性优于金属材料 2. 加工制造中常用的普通玻璃，其主要成分是（ ） A. 硅酸盐 B. 氧化铝 C. 二氧化硅 D. 碳酸钙 3. 下列关于陶瓷材料的说法，错误的是（ ） A. 陶瓷的主要原料是黏土 B. 陶瓷烧制过程中发生了复杂的物理变化和化学变化 C. 陶瓷具有耐高温、耐腐蚀、绝缘性好等优点 D. 陶瓷的韧性强，不易破碎，适合制造精密机械零件 4. 下列材料中，不属于无机非金属材料的是（ ） A. 钢化玻璃 B. 不锈钢 C. 氮化硅陶瓷 D. 水泥混凝土 5. 加工制造中，用于制造耐高温仪器的无机非金属材料是（ ） A. 普通玻璃 B. 石英玻璃 C. 有机玻璃 D. 钢化玻璃 6. 关于水泥的说法，正确的是（ ） A. 水泥的主要成分是硅酸钙和硅酸二钙 B. 水泥加水搅拌后会立即凝固，无法调整施工时间 C. 水泥属于纯净物，具有固定的化学式 D. 水泥只能用于建筑工程，不能用于加工制造领域 7. 下列关于新型无机非金属材料的说法，错误的是（ ） A. 新型无机非金属材料包括高温结构陶瓷、光导纤维等 B. 新型无机非金属材料具有特殊的物理性能和化学性能 C. 氮化硅陶瓷属于新型无机非金属材料，可用于制造发动机叶片 D. 新型无机非金属材料的制备工艺简单，成本低于传统无机非金属材料 8. 加工制造中，光导纤维的主要成分是（ ） A. 硅单质 B. 二氧化硅 C. 碳化硅 D. 氧化铝 9. 下列特性中，不属于无机非金属材料共性的是（ ） A. 耐高温 B. 耐腐蚀 C. 导电性好 D. 硬度大 10. 加工制造中，利用陶瓷材料制造轴承的主要原因是（ ） A. 陶瓷密度小，轻便 B. 陶瓷硬度大，耐磨性强 C. 陶瓷导电性好，便于散热 D. 陶瓷价格低廉，易于加工 11. 下列关于无机非金属材料制备的说法，错误的是（ ） A. 玻璃的制备原料是纯碱、石灰石和石英砂 B. 水泥的制备原料是石灰石和黏土 C. 陶瓷的制备过程包括成型、干燥、烧制等步骤 D. 光导纤维的制备需要高温熔融和拉制工艺 （二）填空题（每空2分，共28分） 1. 无机非金属材料是指以______为主要成分的材料，根据发展阶段可分为______和______两类。 2. 传统无机非金属材料主要包括______、______、______，其共同特点是______、______、______，但韧性较差。 3. 普通玻璃的制备原料为______、______和______，在高温下发生复杂反应，生成的主要成分是______。 4. 新型无机非金属材料具有______、______、______等优异性能，常见的有______、______、______等。 5. 加工制造中，无机非金属材料的应用场景有______（电子元件绝缘层）、______（耐高温机械部件）、______（精密仪器外壳）等。 6. 陶瓷材料的制备工艺流程为：原料处理→______→______→______→成品。 （三）判断题（每题1分，共9分，对的打“√”，错的打“×”） 1. 无机非金属材料的主要成分均为氧化物，不含其他类型化合物。（ ） 2. 普通玻璃和钢化玻璃的主要成分相同，只是加工工艺不同。（ ） 3. 陶瓷材料烧制过程中，黏土中的矿物质发生分解和重组，形成稳定的结构。（ ） 4. 新型无机非金属材料的导电性均优于传统无机非金属材料，可用于制造导电元件。（ ） 5. 水泥的硬化过程是物理变化，无需发生化学反应。（ ） 6. 加工制造中，氮化硅陶瓷可用于制造发动机活塞，因为其耐高温、耐磨。（ ） 7. 光导纤维利用二氧化硅的光学特性，实现光信号的传输。（ ） 8. 无机非金属材料的脆性大，受冲击时易破碎，限制了其在机械制造中的应用。（ ） 9. 玻璃是晶体材料，具有固定的熔点和规则的几何外形。（ ） 二、提升题（共30分） （一）简答题（10分） 1. 加工制造车间需选择材料制造以下部件：① 电子设备中的绝缘支架；② 高温炉的炉衬；③ 精密仪器的透光窗口。请分析：（1）每个部件应选择的无机非金属材料类型（传统或新型）及具体材料；（2）说明选择依据（结合材料的性能特点和部件需求）；（3）简述所选材料的主要制备原料或工艺。 2. 某学生发现，普通玻璃在常温下透明、坚硬，但加热到一定温度后会软化变形，而陶瓷加热到高温仍能保持形状稳定。请分析：（1）普通玻璃加热软化的原因；（2）陶瓷耐高温的原因；（3）若要提高玻璃的耐高温性能，可采取什么措施，说明原理。 （二）分析题（10分） 1. 分析下列加工制造场景中无机非金属材料选择的合理性，若存在问题请提出改进方案，并说明理由： （1）机械加工中，用普通玻璃制造机床的防护罩； （2）电子元件制造中，用氮化铝陶瓷制造芯片底座； （3）汽车零部件生产中，用水泥制造发动机外壳。 2. 某新型无机非金属材料厂生产的氮化硅陶瓷零件，在使用过程中出现断裂失效。经检测，零件内部存在气孔和裂纹。请分析可能的原因（从原料、制备工艺、加工过程等方面说明）；并提出改进措施，以提高零件的质量和使用寿命。 （三）计算题（10分） 1. 普通玻璃的主要成分之一是硅酸钠（Na₂SiO₃），若制备1mol Na₂SiO₃，计算： （1）需要SiO₂的质量； （2）若原料中纯碱（Na₂CO₃）的利用率为90%，需要纯碱的质量； （3）生成CO₂的体积（标准状况下）（写出计算过程）。 2. 水泥的主要成分之一是硅酸钙（CaSiO₃），某水泥样品中CaSiO₃的质量分数为60%。若取100g该水泥样品，计算： （1）CaSiO₃的物质的量； （2）其中Si元素的质量； 3. 氮化硅陶瓷（Si₃N₄）可用于制造耐高温部件，若制备140g Si₃N₄，计算： （1）需要Si单质的质量； （2）需要N₂的体积（标准状况下）； （3）若制备过程中N₂的利用率为80%，实际需要通入N₂的体积（标准状况下）（写出计算过程）。 参考答案 一、基础题 （一）选择题 1. C 2. A 3. D 4. B 5. B 6. A 7. D 8. B 9. C 10. B 11. B （二）填空题 1. 无机化合物；传统无机非金属材料；新型无机非金属材料 2. 陶瓷；玻璃；水泥；耐高温；耐腐蚀；硬度大 3. 纯碱（Na₂CO₃）；石灰石（CaCO₃）；石英砂（SiO₂）；硅酸盐（如Na₂SiO₃、CaSiO₃） 4. 耐高温；高强度；耐腐蚀（或绝缘性好、透光性强等）；氮化硅陶瓷；光导纤维；氧化铝陶瓷（其他合理答案也可） 5. 陶瓷绝缘材料；氮化硅陶瓷；石英玻璃（其他合理答案也可） 6. 成型；干燥；烧制 （三）判断题 1. × 2. √ 3. √ 4. × 5. × 6. √ 7. √ 8. √ 9. × 二、提升题 （一）简答题 1. （1）① 部件选择传统无机非金属材料——陶瓷；② 部件选择新型无机非金属材料——氮化硅陶瓷；③ 部件选择新型无机非金属材料——石英玻璃。 （2）选择依据：① 绝缘支架需具备良好的绝缘性、硬度和稳定性，陶瓷符合要求，且成本较低；② 高温炉炉衬需极致耐高温、隔热性好，氮化硅陶瓷耐高温性能优异（可耐1200℃以上高温），适配高温环境；③ 透光窗口需高透光率、耐高温和机械强度，石英玻璃透光性接近天然水晶，且耐高温、化学稳定性强。 （3）制备原料/工艺：① 陶瓷：原料为黏土，经成型、干燥、高温烧制（800~1300℃）而成；② 氮化硅陶瓷：原料为硅粉和氮气，经高温烧结（1400~1600℃）反应生成Si₃N₄；③ 石英玻璃：原料为高纯石英砂（SiO₂），经高温熔融（1700℃以上）、拉制或吹制成型。 2. （1）普通玻璃加热软化的原因：普通玻璃是无定形非晶体材料，无固定熔点，加热到玻璃化温度（约500~600℃）时，内部原子排列无规则的结构逐渐松弛，表现为软化变形，继续加热可熔融流动。 （2）陶瓷耐高温的原因：陶瓷烧制过程中，黏土中的矿物质发生脱水、分解和烧结反应，形成稳定的晶体结构（如莫来石、刚玉），晶体内部原子结合牢固，化学键能高，高温下不易破坏，因此能保持形状稳定。 （3）提高玻璃耐高温性能的措施：在玻璃制备原料中加入氧化硼（B₂O₃）或氧化铝（Al₂O₃），制成硼硅玻璃或铝硅玻璃；原理：B₂O₃、Al₂O₃的加入会改变玻璃的网络结构，增强原子间的结合力，提高玻璃的软化温度和耐高温性能。 （二）分析题 1. （1）不合理；改进方案：将普通玻璃更换为钢化玻璃或聚碳酸酯（PC）材料；理由：普通玻璃脆性大，受冲击易破碎，无法满足机床防护罩的安全要求；钢化玻璃通过特殊处理，强度是普通玻璃的3~5倍，破碎后呈钝角小颗粒，安全性高；PC材料韧性更强，耐冲击性优异，更适配机械加工的防护场景。 （2）合理；理由：氮化铝陶瓷属于新型无机非金属材料，具有高导热性、绝缘性好、耐高温、与半导体材料兼容性强等优点，能有效散热并保护芯片，适配电子元件制造中芯片底座的需求。 （3）不合理；改进方案：将水泥更换为铝合金或耐高温陶瓷材料；理由：水泥硬度低、韧性差，且不耐高温（高温下会脱水开裂），无法承受发动机工作时的高温和振动；铝合金密度小、强度高、导热性好，是传统发动机外壳的常用材料；耐高温陶瓷（如氮化硅）则能承受更高温度，适用于高性能发动机。 2. （1）断裂失效的原因：① 原料问题：硅粉或氮气纯度不足，含有杂质，导致烧结过程中形成气孔；② 制备工艺：烧结温度过低或保温时间不足，坯体未完全致密化，内部残留气孔；烧结速率过快，内部应力未释放，形成裂纹；③ 加工过程：零件成型时压力不均，导致内部密度不一致；后期机械加工时切削力过大，产生表面裂纹。 （2）改进措施：① 原料控制：选用高纯度（99.9%以上）硅粉和氮气，减少杂质引入；② 优化工艺：提高烧结温度至1500℃以上，延长保温时间，促进坯体致密化；采用梯度升温降温工艺，释放内部应力；③ 加工优化：成型时采用等静压工艺，保证坯体密度均匀；后期加工采用金刚石砂轮低速磨削，减少切削应力；④ 质量检测：烧结后通过超声波探伤检测内部缺陷，不合格产品及时剔除。 （三）计算题 1. 解：（1）制备Na₂SiO₃的反应方程式：Na₂CO₃ + SiO₂=Na₂SiO₃ + CO₂↑；1mol Na₂SiO₃消耗1mol SiO₂，SiO₂的摩尔质量=60g/mol，需要SiO₂的质量=1mol×60g/mol=60g。 （2）Na₂CO₃的摩尔质量=106g/mol，理论需要Na₂CO₃的质量=1mol×106g/mol=106g；利用率90%，实际需要纯碱质量=106g÷90%≈117.78g。 （3）1mol Na₂SiO₃生成1mol CO₂，标准状况下体积=1mol×22.4L/mol=22.4L。 答：（1）60g；（2）≈117.78g；（3）22.4L。 2. 解：（1）CaSiO₃的摩尔质量=116g/mol，100g样品中CaSiO₃的质量=100g×60%=60g，物质的量=60g÷116g/mol≈0.517mol。 （2）Si元素的质量=0.517mol×28g/mol≈14.48g。 3. 解：（1）Si₃N₄的摩尔质量=140g/mol，140g Si₃N₄的物质的量=140g÷140g/mol=1mol；需要Si的物质的量=3mol，Si的摩尔质量=28g/mol，质量=3mol×28g/mol=84g。 （2）需要N₂的物质的量=2mol（1mol Si₃N₄含4mol N，需2mol N₂），标准状况下体积=2mol×22.4L/mol=44.8L。 （3）N₂利用率80%，实际需要通入N₂的体积=44.8L÷80%=56L。 答：（1）84g；（2）44.8L；（3）56L。 学科网（北京）股份有限公司 $