材料化学知识要点与习题解答汇总
第一章绪论
1.材料:人类社会所能够接受的经济地制造有用器件的物质。(可以用来制造有用的构件、器件或物品的物质。)
或材料是具有满足指定工作条件下使用要求的形态和物理性状的物质。
2.材料化学:在分子结构层次上研究材料的合成、制备、理论,以及分子结构和聚集态结构、材料性能之间关系的科学。
3.智能材料:能够随着环境、时间的变化改变自己的性能或状态一类新型功能材料。
4.在先进材料、电子信息技术、生物技术三大未来高技术领域中,先进材料中的先进陶瓷和高分子基质材料将于今后25年内在世界上发挥重大作用,并可能是美国在国际生产和技术竞争中保持强力地位的关键技术领域。
5.在第四代材料(可设计材料)中,最具代表性的是复合材料。
6.按照材料的化学组成材料可以分为哪几类?
答:按照材料化学组成,可以分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料、复合材料。
7.按照材料的性能材料可以分为哪几类?
答:按照材料的性能,可以分为(结构材料)和(功能材料)。
8.材料的结构分为哪几个层次?请举例说明。
答:材料的有效性总体上可以分为分子结构、分子聚集态结构和构成材料的外形结构等三个层次。分子结构:属于原始基础结构,决定材料所具有的潜在功能;分子聚集态结构:决定材料所具有的可表现的实际功能;构成材料的外形结构:决定材料具有某种特定的有效功能。
例如贝克,贝壳的基本性质由构成它的碳酸钙和多糖基质(材料的分子结构)的结构决定,但二者通过有序组装(材料的聚集态结构)构成的复合材料决定了它的基本材料性质。而且只有当这种材料构成一定的壳状结构(材料的外形结构)时,它才能起到贝壳的作用。
9.何为材料科学研究的四要素?
答:材料科学研究的四要素是指材料的“基本性质”、“结构与成分”、“合成与
加工”、“使用性能”。基本性质:主要指材料的物理和化学性能等,用以确定材料功能特性和效用的描述;结构与成分:主要指材料的化学组成,物理和化学结构,用以确定制造每种特定材料所采取的合成和加工的结果;合成与加工:主要指建立原子、分子和分子团的新排列,在所有尺寸上(从原子尺寸到宏观尺寸)对结构的控制,以及高效而有竞争力地制造材料和零件的演变过程;使用性能:主要指材料固有性质同产品设计、工程能力和人类需求相融合要一起的一个要素。
10.简述材料发展的历史阶段及其主要特征。
答:材料的产生与发展经历了五个历史阶段:天然材料(第一代)(石器时代)、烧炼材料(第二代)(青铜器时代、.铁器时代、陶瓷时代)、合成材料(第三代)、可设计材料(第四代)和智能材料(第五代)。
11.对新一代材料的主要要求是什么?
答:对新一代材料的主要要求有以下几点:
(1)既是结构材料又具有多种功能的材料;
(2)具有感知、自我调节和反馈等能力的智能型材料;
(3)制作和废弃过程中尽可能减少污染的绿色材料;
(4)充分利用自然资源,能循环作用的可再生性材料;
(5)少维修或不维修的长寿命材料。
第二章晶体学基础
1.晶体:晶体是内部质点在三维空间呈周期性重复排列的固体。(具有格子构造的固体)
2.周期性:一定数量和种类的粒子(或粒子集团)在空间排列时,在一定的方向上,相隔一定的距离重复出现的现象。
3.点阵理论:用点阵的性质来探讨晶体的几何结构的理论。
4.点阵:反映结构周期性的几何形式。
5.平移群:反映结构周期性的代数形式。
6.晶轴系:晶胞中三个互不平行的棱构成的天然合理的空间坐标系。
7.正当点阵单位:对称性高含阵点数少的点阵单位。
8.理想晶体:按照点阵式的周期性在空间无限伸展的晶体。
9.空间点阵:表示晶体结构中各类等同点排列规律的几何图形。(表示晶体内部结构中质点重复规律的几何图形。)
10.晶向:空间点阵的结点可以看成是在一系列相互平行的直线上,这些直线系称为晶列,同一个格子可以形成方向不同的晶列,每个晶列定义了一个方向,称为晶向。
11.晶面:空间点阵的结点可以从各个方向被划分成许多组平行且等距的平面点阵,这些平面点阵所处的平面称为晶面。
12.肖特基缺陷:正常各点上的质点,在热起伏过程中获得能量离开平衡位置迁移到晶体的表面,而在晶体内部正常格点上留下空位。
13.弗伦克尔缺陷:在晶格热振动时,一些能量较大的质点离开平衡位置后,进入到间隙位置,形成间隙质点,而在原位置上形成空穴。
14.单晶:基本上为一个空间点阵所贯穿的晶体。
15.孪晶:一块晶体由2个或几个单晶按不同取向结合而成。有时候把它也看作为单晶的一种。
16.多晶:多数微小晶体颗粒的聚集态。
17.同质多晶:同一化合物存在两种或两种以上不同的晶体结构形式。
18.类质同晶:在两个或多个化合物中,化学式相似,晶体结构型式相同,并能互相置换。
19.对称:指物体中相同部分作有规律的重复。(或一个物体包含若干等同部分,
对应部分相等)
20.对称操作:不改变图形中任意两点间距离而能使图形复原的操作。
21.对称元素:对称操作作据以进行的几何元素(点、线、面等)。
22.点群:晶体结构中所有点对称元素(对称面、对称中心、对称轴和旋转反演轴)的集合。
23.空间群:是指一个晶体结构中所有对称要素的聚合。
24.衍射:晶体中各原子散射的电磁波互相干涉、互相叠加,从而在某方向上得到加强的现象。
25.点缺陷可以分为:空位、杂质原子、错位原子、变价原子等四种类型。
26.晶体的对称要素中点对称要素的种类有:对称面、对称中心、对称轴和旋转反演轴,含有平移操作的对称要素种类有:旋转轴、滑移面。
27.所有晶体结构的空间点阵可以分成十四种类型的空间格子,这14种空间格子称为布拉菲格子。
28.晶族、晶系、点阵、布拉菲格子、空间群的数目分别是:3、7、32、14、230。
29. 根据相应的对称性特征,可以把所有晶体的空间点阵划归为七类,即七大晶系,包括:立方、六方、四方、三方、正交、三斜和单斜等。
30.晶体中的结构缺陷按照尺寸范围分为:点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷。
31.位错是在滑移面上局部滑移区的边界,位错分为刃位错和螺位错,刃位错的方向与滑移的方向垂直,螺位错的方向与滑移的方向平行。
32.晶体中存在有8种独立的宏观对称要素,分别是:i,m,1,2,3,4,6,4
33.晶体中的缺陷按几何位置和成分可分为:空间、间隙质点、杂质原子,按其形成的原因可分为本征缺陷或热缺陷、非本征缺陷或杂质缺陷和非化学计量缺陷。
34.点阵结构、结构基元和点阵的关系可以概括为点阵结构=点阵+结构基元。
35.点阵是周期性重复的方式,结构基元是周期性重复的内容。
习题解答
1.晶体与非晶体的主要区别是什么?
答:晶体与非晶体的主要区别是:晶体具有长程有序,而非晶体(长程无序、短程有序)。
2. 晶体有哪些宏观特征,请举例说明。
答:晶体有规则的几何外形(如食盐、石英、明矾等分别具有立方体、六角体和八面体的几何外形),晶面角守恒,有固定的熔点,物理性质各向异性(云母和方解石具有完好的解理性)
3.何为晶体结构的二要素?
答:晶体周期性结构的二要素是指:周期性重复的内容---结构基元和周期性重复的方式----周期的大小和方向
4.何为晶胞,晶胞的二要素?
答:晶胞:空间格子将晶体结构截成一个个大小、形状相等,包含等同内容的基本单位。晶胞的二要素:晶胞的大小和形状---相应点阵单位的基本向量的大小和方向;晶胞所含内容----晶胞内原子的种类、数量、位置。
5.平面正当点阵单位有哪几种形状和哪几种型式?
答:平面点阵的正当单位有四种形状(正方、矩形、六方、平行四边)五种型式(正方、六方、简单矩形、带心矩形、平行四边形):
6.晶体为什么会产生缺陷?
答:晶体产生缺陷的原因主要有:(1)实际晶体中的微粒总是有限的;(2)存在着表面效应;(3)存在着表面效应;(4)粒子热运动;(5)存在着杂质。
7.为什么要研究晶体的缺陷?
答:晶体材料的导电、半导体、发色(色心)、发光、扩散、烧结、固相反应等都与晶体的缺陷有关。
8.简述晶体与非晶体间转化的特点。
答:非晶态是一种亚稳态,所以非晶态固体有向晶态自发转化的趋势,但当温度不够高时,非晶态中的原子(离子)的运动幅度较小,同时晶核的形成和生长都比较困难,因此非晶态向晶态的转化就不易发生。另外,非晶态向晶态的转化要经过一些中间步骤,且变带有突变的特征,一般伴随有幅度不大的体积变化。
晶态向非晶态的转化:可以通过一些机械能,如材料表面的研磨和破碎、冲击波作用等,机械能的作用破坏警惕的长程有序。
9.晶体的缺陷中,两类典型的缺陷是什么?各自有什么特点?
答:肖特基缺陷,特点:离子晶体中的肖特基缺陷是等量的正离子空位和负离子空位成对出现。
弗伦克尔缺陷,特点:间隙质点与空位总是成对出现,正离子弗伦克尔缺
陷和负离子弗伦克尔缺陷之间没有直接联系,离子晶体中的弗伦克尔缺陷一般是
正离子空位和间隙正离子。
10.晶体中可能存在的宏观对称要素和相应的对称操作有哪些?
11.找出一个立方体具有的所有旋转轴。
答:具有3个互相垂直的4度旋转轴,4个3度轴(即体对角线),6个2度轴(即
6个与2度轴垂直的对称面,以及1个对称中心)
12.请根据水分子的结构,写出其对称元素和对称操作及相应的乘法表。
解:根据水分子的结构,可以得到其乘法表如下
第三章金属材料
1. 金属键:金属离子与自由电子之间的强烈的相互作用。
2.合金:指两种或两种以上的金属(或金属与某些非金属)经熔合后形成的宏观均匀体系。
3.金属固溶体:一个(或几个)组元的原子(化合物)溶入另一个组元的晶格中,而仍保持另一组元的晶格类型的固态晶体。
3.置换固溶体:溶质原子替换溶剂原子的位置形成的固溶体。
4.间隙固溶体:溶质原子填入溶剂晶格间隙中形成的固溶体。
5.单向合金:只有一个相的合金。
6.多相合金:具有两个或两个以上相的合金。
7.晶须:晶须是一种针状单晶体材料,其直径为零点几至几个微米,长度为几微米至数百微米。在单晶体中的原子排列非常整齐,几乎是一种理想的晶体。
8.一般说来,很多金属的生物相容性都不好,但钛的生物相容性较好,被认为是亲生物的金属。
9.紧密堆积的空间占有率为74.05%,立方体心密堆积的空间占有率为68.02%。
10.按照组元在固溶体中的溶解度,可分为有限固溶体和无限固溶体。
11.淬火是让金属快速冷却,其目的是让金属获得无序结构;退火是让金属缓慢冷却,其目的是让金属获得有序结构。
12.钢是一种铁与碳组成的间隙固溶体。
13.铁有αβγδ四种变体,其中α、β、δ变体具有A
型结构,γ变体具有A1
2
型结构。
14.组成钢铁的物相除石墨外主要有下面四种含铁物相:奥氏体、铁素体、渗碳体和马氏体等。
15.奥氏体是碳在γ-Fe中形成的间隙固溶体。
16.铁素体是碳在α-Fe中形成间隙固溶体。
17.渗碳体是铁和碳组成比为3:1的化合物,碳的质量分数为6.67%,化学式为Fe3C。
18.马氏铁是碳在α-Fe中的过饱和间隙固溶体,在α-Fe中含碳量可达1.6wt.%。
19.硬铝是在铝中主要添加了Mg和Cu,溶于其中形成固溶体。
20.超强硬铝是在铝中添加有Zn、Mg、Cu等元素。
习题解答
1.金属有哪些基本特性?
答:金属的主要特性有:(1)常温下大多为固体(汞除外);(2)不透明,有光泽;(3)良导体(热、电);(4)延展性(可拉成细丝,碾成薄片)
2.金属晶体有何特点?
答:由于金属元素的电负性一般都比较小,电离能也比较小,最外层价电子很容易脱离原子的束缚而在金属晶粒中由各个正离子形成的势场中比较自由地运动,形成“自由电子”或称“离域电子”。
3.什么是金属键,有何特点?
答:金属离子与自由电子之间的强烈的相互作用。其主要特点是:(1)参与共用的原子数多;(B2)电子运动三维空间。
4.简述经典自由电子的理论核心内容。
答:金属中的价电子类似于理想气体分子,价电子间无相互作用,在金属晶体中受一定恒势场作用,可以在整个晶体内自由运动,但不能超出表面。
5. 简述现代自由电子理论的核心内容。
答:金属元素电负性、电离能较小,最外层价电子容易脱离原子核的束缚,在金属晶粒中正离子形成的势场中比较自由地运动,形成“自由电子”或“离域电子”。
这些金属中的自由电子可看作彼此间没有相互作用、各自独立地在势能等于平均值的势场中运动,相当于在三维势箱中运动的电子。
6. 简述非完全自由电子能带理论的核心内容。
答:金属离子按点阵结构有规则地排列着,每一个离子有一定的正电荷。电子在其间运动时与正离子之间有吸引势能,而且电子所处的位置不同,与正离子之间距离不同,势能的大小就不同。电子除直线运动(一维时)外,在正电荷附近还要作轻微的振动。
7. 简述固体能带理论的核心内容。
答:固体能带理论把金属晶体看成一个大分子,这个分子由晶体中所有原子组合而成。由于各原子的原子轨道之间的相互作用便组成一系列相应的分子轨道,其数目与形成它的原子轨道数目相同。
N个原子轨道线性组合得到N个分子轨道。N的数值越大,分子轨道之间的能级差(或能级间隔)越小。当N非常大时,能级间隔非常小,实际上这些能级已经分不清,可以看作连续能带。
8.什么是满带、导带和禁带?
答:满带:能带中完全被电子所充满;导带:有电子但未充满;禁带:各能带的间隙,是电子不能存在的区域。
9.根据能带理论,简要说明金属、半导体、绝缘体的划分有何区别(可以画图辅助说明)?并说明金属镁之所以是金属而不是绝缘体或半导体的原因?
答:金属:晶体的能带中存在不满带,表现出导电性。有两种情况(如同):一是没有足够的电子填充价带能级,形成不满带;另一种是价带与空带重叠,电子在没有排满价带之前,一部分电子就开始填充空带部分,而形成不满带。
半导体:在波矢K落在布里渊区边缘时,会发生能级分裂,出现禁带,但是半导体材料的禁带宽度很小,一般小于2eV,在热激发下部分低能级电子可以跃迁到高能级上,从而表现出导电性。
绝缘体:同样也出现禁带,只是他的禁带宽度相对大一些,一般的温度下,热激发不能提供足够的能量使低能级上的电子跃迁到高能级上,因此不能表现出导电性。
金属镁如果仅仅从核外电子排布情况来看,1S、2S、2P、3S能级都被电子
排满,应该为绝缘体或半导体,但是金属镁的3S能带和3P能带发生部分重叠,从而使金属镁表现出导电性,为导体。
10.指出金属中键型和结构的主要特征。为什么可将金属单质的结构问题归结为等径圆球的密堆积问题?
答:(1)金属中的键型是金属键,由于金属元素的电负性一般都比较小,电离能也较小,最外层家电子很容易脱离原子的束缚而在金属晶粒中由各个正离子形成的势场中比较自由的运动,形成自由电子。金属晶体中各金属原子的价电子公有化于整个金属大分子,所有成键电子可在整个聚集体中流动,而共同组成了离域的N中心键。在金属晶体中没有定域的双原子键,也不是几个原子间的离域键,而是所有原子都参加了成键,这些离域电子在三维空间中运动,离域范围很大。(2)因为整个金属单质晶体可以看作是同种元素的金属正离子周期性排列而成,这些正离子的最外层电子结构都是全充满或半充满状态,他们的电子分布基本上是球形对称的;而同种元素的原子半径都相等,因此可以把他们看成是一个个等径圆球。又因为金属键无饱和性和方向性,金属原子在组成晶体时,总是趋向于形成密堆积的结构,其特点是堆积密度大,相互的配位数高,能够充分利用空间,整个体系能量最低。所以可以用等圆球密堆积的模型来描述金属结构。
11. 为什么金属单质的结构可以近似为等径圆球的紧密堆积?
答:近似的合理性:等径--同种元素的原子半径是相等的;圆球--组成晶格的原子实近似球形对称;密堆积--金属键没有方向性和饱和性,金属晶体内原子趋向于形成最紧密堆积,尽可能多的配位。
12. 固溶体与溶液有何异同?固溶体有几种类型?
答:所谓金属固溶体,就是两种或多种金属或金属化合物相互溶解组成的均匀物相,其中组分的比例可以改变而不破坏均匀性。少数非金属单质如 H、B、C、N 等也可溶于某些金属,生成的固溶体仍然具有金属特性。
金属固溶体存在三种结构类型不同的形式:置换固溶体、间隙固溶体、缺位固溶体。
13. 金属固溶体有何特点?
答:固溶体具有一种均匀的组织,具有以下特点:(1)溶质和溶剂原子占据一个共同的晶体点阵,点阵类型和溶剂的点阵相同;(2)有一定的成分范围;(3)具有比较明显的金属性质,结合键主要是金属键。
14. 金属在什么条件下可以形成无限固溶体?
答:(1)单质的结构形式:结构类型相同才能形成金属固溶体;(2)原子尺寸:组分金属的原子半径相近,两者相差不能超过15%;(3)化学亲和力:两种元素若化学亲和力很强,它们易形成稳定的金属化合物,而不形成固溶体。只有化学亲和力较弱的情况,合金才形成固溶体。
15.何为固溶强化,其主要作用是什么?
答:溶质原子溶入造成的晶格畸变使塑性变形抗力增加,位错移动困难,因而使固溶体的强度、硬度提高,塑性和韧性有所下降,这种现象称为固溶强化。固溶强化是提高金属材料机械性能的重要途径之一。
16. 金属化合物物相与金属固溶体物相有何不同?试从结构特征、组成特征和性能特征说明之。
答:(1)构成金属固溶体的组成成分具有相同的结构形式,组分金属的原子半径相近,并且其电负性不能相差太多;而金属化合物组成成分的结构形式和原子半径、电负性有较大的差别。
(2)金属固溶体的结构仍然保持着其组分的结构,而金属化合物的结构一般不同其组分在独立存在是的结构形式,不同于金属固溶体中各组分原子占据着相同的结构位置,金属化合物各组分中原子在结构中位置占据着不同的位置。
(3)金属固溶体的性能与其组成成分在熔点和硬度上都要强许多,而金属化合物易于生成组成可变的金属化合物。
17.镁合金有何性能特点,主要有哪些用途?
答:镁合金的强度不如铝合金,但密度小,只有铝的1/3,故比强度仍比铝合金高,并且刚度好,抗震能力强,切削性能好。用镁合金压铸的零部件轻薄,具有表面光亮,质量轻,强度重量比高,尺寸稳定,吸震性好,散热快,抗静电等特点。
镁合金广泛用于航空(发动机的机匣、机匣盖等)、航天、国防工业,汽车工业及制作各种镁合金型材。可以用于高档家用电器,如壁挂式电视机外壳、笔记本电脑外壳、通讯电子产品、汽车零、部件的制造。
18.非晶态金属材料是怎样形成的,有何特征?
答:非晶态金属材料是用超高速急冷(冷却速度可达1×106℃\s)的方法来获得的,快速冷却使原子来不及排列整齐形成晶体就已固化。非晶态金属材料的主要特征如下:(1)原子排列长程无序和短程有序(即金属原子的周围配位情况彼此相似,也与晶态中原子的情况相近)性;(2)无晶界。从亚微观来看金属玻璃是均匀的固体,不存在晶粒和晶界,这一特点大大提高了金属玻璃的力学性能和电磁性能;(3)热力学的亚稳定性。金属玻璃在热力学上是不稳定的,它有向晶态转化的趋势。
19.非晶态金属材料与晶态金属材料的最大区别是什么?
答:非晶态合金与晶态合金最大的区别在于长程无序。晶态合金只要了解一个晶胞中原子的排布,由于周期性,固体中所有原子的排布都知道了。而非晶态合金结构特点为短程有序、长程无序,即某一个第一近邻、第二近邻原子是有固定排列的,而更远的原子是无序的。
第五章无机材料
1. 配位数:晶体结构中与一个离子直接相邻的异号离子数。
2. 配位体:晶体结构中与某一个阳离子直接相邻、形成配位关系的各个阴离子中心连线所构成的多面体。
3.离子半径:指正、负电子相互作用时,所表现出的半径。
4.分子间作用力:分子间力(又称范德华力)是指除了分子内相邻原子间存在的强烈的化学键外,分子和分子之间还存在着一种较弱的吸引力。
5.超分子:由两种或两种以上分子以非共价键的分子间作用力结合在一起而形成的、较复杂的、有组织的缔合体,并能保持确定的完整性,具有特定的相行为和比较明确的微观结构和宏观特征。
6.分子识别:不同分子间的一种特殊的、专一的相互作用。
7.超分子自组装:一种或多种分子,依靠分子间相互作用,自发地结合起来,形成分立的或伸展的超分子。
型结构中,Ca2+按面心立方紧密排列,F-占据晶胞中全部四面体8. 萤石型:CaF
2
空隙。
9.反萤石型:阳离子和阴离子的位置与CaF2型结构完全相反,即碱金属离子占据F-的位置,O2-占据Ca2+的位置。
10.NaCl型离子晶体负离子属于立方最紧密堆积,其配位数为6,所占空隙为正八面体,所占空隙分数为1。
11.CsCl型离子晶体负离子属于简单立方,其配位数为8,所占空隙为立方体,所占空隙分数为1。
12.影响离子半径的因素很多,但最主要的是配位数和构型。
13.一个离子的半径是不定的,它和离子所处的特定条件有关,一般常以NaCl 构型的半径作为标准,对其余构型的半径应作一定的校正。
14.哥希密特离子半径是从球形离子间堆积的几何观点来计算离子半径。
15.离子极化的会使键能、晶格能的增加,引起键长的缩短,产生从离子键向共价键过渡的键型变异。
16.原则上,离子晶体中各配位多面体之间可通过共顶点或共棱或共面连接,共面连接会大大缩短M-M键的距离,使同号离子间的排斥能增加,降低晶体结构的稳定性,所以在典型的离子化合物中主要采用共顶点连接的方式。
17.冰是一种典型的分子晶体,石墨是一种典型的混合晶体。
18.在极性分子间存在着色散力、取向力和诱导力等分子间作用力。
19.分子间作用力是一种较弱的作用力,在非极性分子间存在着色散力。
20.石墨分子是一种混合键型的分子,在石墨层之间存在着π…π作用。
21.形成超分子时,要求分子间达到能量和空间结构的匹配,称之为识别,超分子自组装是靠分子间作用力来完成的。
22.金刚石属于原子晶体,节点间的作用力是共价键,晶体中无单独分子,整个晶体为一个大分子。
23.在立方金刚石晶体结构中,碳原子形成呈椅式构象的六元环,每个C—C键的中心点为对称中心;在六方金刚石中一部分 C—C 键采用重叠式构象,平行C 轴的 C—C 键中心点具有镜面对称性。
24.单晶硅是制造太阳能电池的一种重要原料,对其纯度要求很高,一般要求纯度达到99.999%。
25.氮化硼质地柔软,具有润滑性能,是一种白色的固体,又称白石墨;碳化硅具有与金刚石相似的晶体结构,熔点很高,硬度近于金刚石,又称金刚砂。
26.普通玻璃的成份是Na
2SiO
3
、CaSiO
3
、SiO
2
;工业上制水泥的主要原料是黏土、
石膏和石灰石,普通水泥的主要成分是硅酸三钙(3CaO·SiO
2
)、硅酸二钙
(2CaO·SiO
2)、铝酸三钙(3CaO·Al
2
O
3
)。
27.金刚石和氮化硼都是硬度较高的材料,在钢铁的切削、磨削方面,选用氮化硼要好一些。
习题解答
1.传统无机材料主要有哪些,有何特点?
答:传统的无机非金属材料指以硅酸盐为主要成分的材料(如玻璃、水泥和陶瓷等),并包括一些生产工艺相近的非硅酸盐材料。传统的非金属材料主要有:高熔点,高硬度,不导电,低膨胀系数,脆性大等特性。
2.CsCl的晶胞如下图所示,请写出Cl-和Cs+的分数坐标。
答:Cl-的分数坐标为:
Cs+的分数坐标为:
2.为什么可将离子晶体的结构归于不等径圆球密堆积的问题?
答:离子晶体的结构多种多样,而且有的很复杂。但复杂的离子晶体结构一般都是典型的简单结构形式的变形,故可将离子晶体的结构归结为几种典型的结构形式。
2.如何正确理解离子半径的概念?离子半径是不是常数? 它与哪些因素有关? 答:若将离子近似的看作具有一定半径的弹性球,两个相互接触的球形离子的半径之和即等于核间的平衡距离,这就是一般所说的离子半径的意义。离子半径本来应该是指离子电子云的分布范围,但是按照量子力学计算,离子的电子云密度是无穷的,因此严格的说,一个离子的半径是不定的,它和离子所处的特定条件有关。
3.什么是金属原子半径、离子半径、共价半径、范德华半径,它们有何不同?举例说明。
答:金属原子半径:用 X 射线衍射法可以测定金属单质的结构,从金属晶体的晶胞参数可以求出两个邻近金属原子间的距离,他的一半就是原子半径。金属原子半径随配位数不同稍有变化,配位数高,半径大。
离子半径:在离子晶体中,相邻的正负离子间存在着静电吸引力和离子外层电子云相互作用的排斥力,当这两种作用力达成平衡时,离子间保持一定的接触距离。若将离子近似的看作具有一定半径的弹性球,两个相互接触的球形离子的半径之和即等于核间的平衡距离,这就是一般所说的离子半径的意义。
Van de waals 半径:代表相邻分子中原子之间最小接触距离的平均值。
4. 金刚石结构中C原子按面心立方排列,为什么其堆积系数仅为34%?
答:为了分析晶体结构方便起见,金刚石结构中C原子可以看成按面心立方排列。但实际上由于C原子之间是共价键,具有方向性和饱和性,每个C原子与4个C 原子形成共价键(紧密相邻),所以并没有达到紧密堆积(紧密堆积时每个原子同时与12个原子紧密相邻),其晶体结构内部存在很多空隙。所以其堆积系数仅为34%,远远小于紧密堆积的74.05%.
2. 同为碱土金属阳离子Be2+、Mg2+、Ca2+,其卤化物BeF
2和SiO
2
结构相同,MgF
2
与TiO
2(金红石型)结构相同,CaF
2
则有萤石型结构,分析其原因。
答:碱土金属离子Be2+、Mg2+、Ca2+,随着原子序数的增大,离子半径逐渐增大,极化性能变化不大。当阴离子同为F-时,使得其r+/r-增大,配位数增大,由BeF
2
的4配位到MgF
2的6配位,再到CaF
2
的8配位。
3.为什么在AX型晶体结构中,NaCl型结构最多?
答:在AX型晶体结构中,一般阴离子X的半径较大,而阳离子A的半径较小,
所以X做紧密堆积,A填充在其空隙中。大多数AX型化合物的r+/r-在0.414~0.732之间,应该填充在八面体空隙,即具有NaCl型结构;并且NaCl型晶体结构的对称性较高,所以AX型化合物大多具有NaCl型结构。
4.MgAl
2O
4
晶体结构中,按r+/r-与CN关系,Mg2+、Al3+都填充八面体空隙,但在
该结构中Mg2+进入四面体空隙,Al3+填充八面体空隙;而在MgFe
2O
4
结构中,Mg2+
填充八面体空隙,而一半Fe3+填充四面体空隙。
答:按照阳、阴离子半径比与配位数之间的关系,Al3+与Mg2+的配位数均应该为6,填入八面体空隙。但是,根据鲍林规则,高电价离子填充于低配位的四面体空隙时,排斥力要比填充八面体空隙中较大,稳定性较差,所以Al
3+
填入八面体空隙,而Mg2+填入四面体空隙。
而在MgFe
2O
4
结构中,由于Fe3+的八面体择位能为0,可以进入四面体或八面体空
隙,当配位数为4时,Fe3+离子半径0.049nm,Mg2+离子半径0.057nm,Fe3+在四面体空隙中更加稳定,所以Mg2+填充八面体空隙、一半Fe3+填充四面体空隙。
5. 何为离子极化,影响离子极化的因素有哪些?
答:正负离子相互接近时,由于各自原子核对对方电子云的吸引和对对方原子核的排斥,总会引起对方电子云主要是最外层电子云的变形,使电子云分布的重心偏离原子核,这种现象称为离子极化。影响极化率的因素主要有:(1)离子半径越大,极化率越大;(2)无论是正离子或负离子都有极化作用和变形性两个方面,但负离子极化率一般大于正离子,因为正离子较小,电子云不易变形,所以不易被极化,反之正离子却具有较高的极化力使异号离子极化,负离子则相反;(3)正离子价数越高极化率越小,负离子价数越高极化率越大。
6.分子晶体有何特点?
答:(1)较低的熔沸点;(2)较小的硬度;(3)固态或熔融状态下一般不导电;(4)分子晶体的熔沸点随相对分子量的增加、氢键的存在而升高;(5)分子晶体的溶解性与溶质与溶剂的分子间作用力类型相关——相似相溶。
7.硅酸盐在结构上最基本的特征是什么?
答:(1)以(SiO4)4-作为结构基元,四个O2-以正四面体方式配位于Si4+周围,形成硅氧四面体;(2)Si4+之间不存在直接接触,通常是通过共用的氧原子将硅氧四面体连接在一起以形成有限和无限扩展的配位多核阴离子。
8.绿宝石和透辉石中Si:O都为1:3,前者为环状结构,后者为链状结构。
答:绿宝石和透辉石中Si:O都为1:3。但是,绿宝石中的其它阳离子Be2+和Al3+的离子半径较小,配位数较小(4或6),相互间斥力较大,所以绿宝石通过[SiO
4
]顶角相连形成六节环,再通过Be2+和Al3+将六节环连接起来,离子堆积结合状态不太紧密,这样晶体结构较稳定。透辉石中是Mg2+和Ca2+,离子半径较大,配位
数较大(分别为6和8),相互间斥力较小,所以透辉石通过[SiO
4
]顶角相连形成单链,离子堆积结合状态比较紧密。
9. 叙述硅酸盐晶体结构分类原则及各种类型的特点,并举一例说明之。
答:硅酸盐矿物按照硅氧四面体的连接方式进行分类,具体类型见表。
表硅酸盐矿物的结构类型
结构类型共用氧数形状络阴离子氧硅比实例
岛状0 四面体[SiO
4]4- 4 镁橄榄石Mg
2
[SiO
4
]
组群状1~2 六节环 [Si
6O
18
]12- 3.5~3 绿宝石Be
3
Al
2
[Si
6
O
18
]
链状2~3 单链[Si
2O
6
]4-3~2.5 透辉石CaMg[Si
2
O
6
]
层状 3 平面层 [Si
4O
10
]4- 2.5 滑石Mg
3
[Si
4
O
10
](OH)
2
架状 4 骨架[SiO
2] 2 石英SiO
2
10.什么是分子筛,在结构上有何特点?
答:分子筛是一种天然或人工合成的泡沸石型水合铝硅酸盐的晶体,具有很空旷的骨架型结构,在结构中有许多孔径均匀的通道和排列整齐内表面很大的孔穴。
11.新型无机材料的性能有何特点?
答:(1)能承受高温、强度高;(2)具有电学特性;(3)具有光学特性;(4)具有生物特性。
五.高分子材料
名词解释
1.高分子化合物:高分子化合物是由成千上万个原子通过化学键连接而成的化合物。
2.高分子材料:是由分子量比一般有机化合物高得多的高分子化合物为主要成分制成的物质,也称为有机高分子材料。
3.分子链和链节:由一种或几种简单的低分子化合物通过共价键重复连接而成的链称为分子链,大分子链中的重复结构单元叫链节。
4.聚合度:链节的重复次数即链节数叫聚合度。
5.高分子链结构:一次(近程)结构:是构成的最基本微观结构,包括其组成和构型;二次(远程)结构:大分子链的构象,即空间结构,以及链的柔顺性等。
6.高分子聚集态结构:指高分子链之间的堆砌结构,包括晶态、非晶态、液晶态、取向态等。
7.线形高分子:其长链可能比较伸展,也可能卷曲成团,取决于链的柔顺性和外部条件,一般为无规线团适当溶剂可溶解,加热可以熔融,即可溶可熔。8.体型高分子:分子链之间有许多链节互相交联,交联程度深的, 既不溶解, 又不熔融,即不溶不熔
9.全同立构:取代基R全部处于主链一侧;间同立构:取代基R相间地分布在主链两侧;无规立构:取代基R在主链两侧作不规则地分布。
10.多分散性:一般高分子的分子量在 104 ~106 范围,这种高分子的分子量不均一(即分子量大小不一、参差不齐)的特性,称为分子量的多分散性。
5.共聚物:
5-2问答题
1.什么是构象,构象与构型有何区别?
答:构象是由单键的内旋转引起的原子在空间占据不同位置所构成的分子链的各种形态。
构象与构型的根本区别在于:构象通过单键内旋转可以改变,而构型无法通过内旋转改变。
2.构象与高分子的柔顺性有何区别?
答:高分子链能形成的构象数越多,柔顺性越大。由于分子内旋转是导致分子链柔顺性的根本原因,而高分子链的内旋转又受其分子结构的制约,因而分子链的柔顺性与其分子结构密切相关。
3.(a)聚丙烯酸甲酯和(b)聚甲基丙烯酸甲酯哪一个较为柔顺?
答:聚丙烯酸甲酯的柔顺性比和聚甲基丙烯酸甲酯要好。
高分子在运动时C-C单键在保持键长和键角不变的情况下可绕轴任意旋转,称之为单键的内旋转。高分子链能够通过内旋转作用改变其构象的性能称为高分子链的柔顺性。高分子链能形成的构象数越多,柔顺性越大。
由于分子内旋转是导致分子链柔顺性的根本原因,而高分子链的内旋转又受其分子结构的制约,因而分子链的柔顺性与其分子结构密切相关,其中主链结构、侧基和链的长度都起作用。在C-C键上带有其他原子或基团时,由于这些原子和基团之间存在着一定的相互作用,会阻碍单键的内旋转,所以柔顺性降低。4.何为高分子的聚集态结构,分为哪几种类型?
答:高分子的聚集态结构,是指高聚物材料整体的内部结构,即高分子链与链之间的排列和堆砌结构,也称超分子结构。依分子在空间排列的规整性可将高聚物分为结晶型、部分结晶型和无定型(非晶态)三类。
5.在受热过程中高分子材料会发生哪些状态变化,这些变化的主要特点是什么?
答:非晶态聚合物在不同温度下,可以呈现三种不同的力学状态,即玻璃态、高弹态和粘流态,这三种力学状态是聚合物分子微观运动特征的宏观表现。(1)玻璃态(T 类似。高聚物呈现玻璃态的最高温度(Tg)为玻璃化温度;(C )高聚物为玻璃态时具有较好的力学性能,因此凡高于室温的高聚物均可作结构材料。(2)高弹态(Tg 6.说出分子间力主要是:(a )色散力,(b )偶极力,(c )氢键的聚合物名称。 答:(1)主要是色散力的聚合物:聚乙烯等;(2)主要是偶极力的聚合物:聚氯乙烯等;(3)主要是氢键的聚合物:聚乙烯醇、纤维素等。 7. 试述聚合物球晶的生长过程。 答:聚合物在从熔体或较浓的溶液(>1%)中结晶时,可以形成球晶。 聚合物球晶的生长过程一般按下列顺序发生: (1) 具有相似构象的高分子链段 聚集在一起,形成一个稳定 的原始晶核; (2) 随着更多的高分子链段排列 到晶核的晶格中,初级晶核 逐渐生长成一个片晶; (3) 片晶不断的生长,同时诱导 形成新的晶核,并逐渐生长 分叉,原始的晶核逐渐发展 成一束晶片; (4) 这一束片晶进一步生长,并分叉生长出更多的片晶,最终形成一个球晶。 8. 非晶态聚合物在不同温度下的力学状态有何特点? 答:非晶态聚合物在不同温度下,可以呈现三种不同的力学状态,即玻璃态、高弹态和粘流态,这三种力学状态是聚合物分子微观运动特征的宏观表现。 如下图球晶的生长过程 2013年材料化学期末考试试卷及答案 一、填空题(共10 小题,每题1分,共计10分) 1、材料按化学组成与结构一般可分为金属材料、无机非金属材料、聚合物材料 和复合材料四大类。 2、材料化学是关于材料的结构、性能、制备和应用的化学。 3、材料的结构一般可分为微观结构、介观结构和宏观结构三个层次来研究。 4、元素的原子之间通过化学键相结合,不同元素由于电子结构不同结合的强弱也不同。其中离子键、共价键和金属键较强;范德华键为较弱的物理键;氢键归于次价键。 5、范德华力有三种来源分别是取向力、诱导力和色散力。 6、晶体包括有金属晶体、离子晶体、原子晶体和分子晶体。 7、硅酸盐的基本结构单元为[SiO4] 四面体,其结构类型为岛装、环状、链状、层状与架状等。 8、晶体的缺陷按几何维度可划分为点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷。其中点缺陷又可分为热缺陷和杂质缺陷。 9、力对材料的作用方式为拉伸、压缩、弯曲和剪切等;而力学性能表征为强度、韧性和硬度等。 10、材料的电性能是材料被施加电场时所产生的响应行为。主要包括导电性、介电性、铁电性和压电性等。 11、晶体生长技术包括有融体生长法和溶液生长法;其中融体生长法主要有提拉法、坩埚下降法、区融法和焰融法。 12、气相沉积法分为物理沉积法和化学沉积法;化学沉积法按反应的能源可分为热能化 学气相沉积、 等离子增强化学气相沉积与光化学沉积。 13、金属通常可分为黑色金属和有色金属;黑色金属是指铁、铬、锰金属与它们的合金。 14、铁碳合金的形态包括有奥氏体、马氏体、铁素体、渗碳体、与珠光体等。 15、无机非金属材料一般为某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、硫化物和硅酸盐、钛酸盐、铝酸盐、磷酸盐等含氧酸盐组成。 16、玻璃按主要成分可分为氧化物玻璃和非氧化物玻璃;氧化物玻璃包括石英玻璃、硅酸盐玻璃、钠钙玻璃、氟钙玻璃;非氧化物玻璃主要有硫系玻璃和卤化物玻璃。17、半导体可分为元素半导体、化合物半导体和固溶体半导体;按价电子数可分为n-型和p-型。 18、聚合物通常是由许多简单的结构单元通过共价键重复连接而成。合成聚合物的化合物称为单体,一种这样化合物聚合形成的成为均聚物,两种以上称共聚物。 19、聚合的实施方法可分为本体聚合、溶液聚合、悬浮聚合和乳液聚合。 20、具有导电性的聚合物主要有:共轭体系的聚合物、电荷转移络合物、金属有机螯合物和高分子电解质。 21、复合材料按基体可分为聚合物基复合材料、金属基复合材料和无机非金属复合材料。 22、纳米材料的独特效应包括小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子效应。 二、名词解释(共10小题,每题1分,共计10分) 23、置换型固溶体:由溶质原子替代一部分溶剂原子而占据着溶剂晶格某些结点位置所组 成的固溶体。 24、填隙型固溶体:溶质质点进入晶体中的间隙位置所形成的固溶体。 25、介电性:在电场作用下,材料表现出的对静电能的储蓄和损耗的性质。 26、居里温度:高于此温度铁电性消失。 27、相图:用几何的方式来描述处于平衡状态下物质的成分、相和外界条件相互关系的示 意图。 材料化学习题第二章参 考答案 https://www.doczj.com/doc/6012193743.html,work Information Technology Company.2020YEAR 2章材料化学的理论基础 1.用固体能带理论区别导体、半导体、绝缘体。 根据晶体的能带理论,金属晶体中布里渊区一般有重叠,且部分充填。同一区相邻状 能级非常接近,只要很下的电场就能把电子提升到相邻的较高能级,导电性好; 半导体物质,第一布里渊区是填满的,和空的第二布里渊区之间只有较小的能量间隙 温度升高时,第一布里渊区顶部的电子受到激发,进入到第二布里渊区底部,向自由电子一样,在外加电场的作用下,表现出导电性;温度越高,激发到第二布里渊区的电子越多,其导电性也越强;( 绝缘体物质,电子填满最低的一系列能带,满带与空带之间的能量间隙很大,电子不能被激发到空带中,因此不能导电。 2.晶体的宏观特性有那些。 自限性、晶面角守恒、解理性、晶体的各向异性、晶体的均匀性、晶体的对称性、固定的熔点这是由构成晶体的原子和晶体内部结构的周期性决定的。说明晶体宏观特性是微观特性的反映 3.说明晶体点阵缺陷的分类情况。 按形成晶体缺陷的原子种类,可将晶体缺陷分成化学缺陷和点阵(几何)缺陷两类。按点阵缺陷在三维空间的尺度,又可将点阵缺陷分为点缺陷、线缺陷、面缺陷三类。 4.用实验事实简述非晶体材料的几何特征。 5.写出TiO2在还原气氛中失去部分氧,生成的缺陷反应,说明代表的意义。 6.晶体一般的特点有哪些;点阵和晶体的结构有何关系。 (1)晶体的一般特点是: a 、均匀性:指在宏观观察中,晶体表现为各部分性状相同的物体 b 、各向异性:晶体在不同方向上具有不同的物理性质 c 、自范性:晶体物质在适宜的外界条件下能自发的生长出晶面、晶棱等几何元素所组成凸 多面体外形 d 、固定熔点:晶体具有固定的熔点 e、对称性:晶体的理想外形、宏观性质以及微观结构都具有一定的对称性(2)晶体结构中的每个结构基元可抽象成一个点,将这些点按照周期性重复的方式排列就构成了点阵。点阵是反映点阵结构周期性的科学抽象,点阵结构是点阵理论的实践依据和具体研究对象,它们之间存在这样一个关系: 点阵结构=点阵+结构基元点阵=点阵结构-结构基元 7.晶体衍射的两个要素是什么它们与晶体结构有何对应关系在衍射图上有何反 映。 8. 晶体衍射的两个要素:衍射方向和衍射强度 关系:晶胞大小、形状?衍射方向?衍射(点、峰)的位置 晶胞内原子种类和位置?衍射强度?衍射点(线)的黑度、宽度峰的高度、高度 9.总结位错在金属材料中的作用。 参考答案要点 第二章参考答案 1.原子间的结合键共有几种?各自特点如何? 2.为什么可将金属单质的结构问题归结为等径圆球的密堆积问题? 答: 金属晶体中金属原子之间形成的金属键即无饱和性又无方向性, 其离域电子为所有原子共有,自由流动,因此整个金属单质可看成是同种元素金属正离子周期性排列而成,这些正离子的最外层电子结构都是全充满或半充满状态,电子分布基本上是球形对称,由于同种元素的原子半径都相等,因此可看成是等径圆球。又因金属键无饱和性和方向性, 为使体系能量最低,金属原子在组成晶体时总是趋向形成密堆积结构,其特点是堆积密度大,配位数高,因此金属单质的结构问题归结为等径圆球的密堆积问题. 3.计算体心立方结构和六方密堆结构的堆积系数。 (1) 体心立方 a :晶格单位长度 R :原子半径 a3 4R= 3 4R a=,n=2, ∴68 .0 )3 / 4( )3/ 4(2 )3/ 4(2 3 3 3 3 = = = R R a R bcc π π ζ (2)六方密堆 n=6 4.试确定简单立方、体心立方和面心立方结构中原子半径和点阵参数之间的关系。 解:简单立方、体心立方和面心立方结构均属立方晶系,点阵参数或晶格参数关系为 ο 90 ,= = = = =γ β α c b a,因此只求出a值即可。 对于(1)fcc(面心立方)有a R2 4=, 2 4R a=,ο 90 ,= = = = =γ β α c b a (2) bcc体心立方有:a3 4R= 3 4R a=;ο 90 ,= = = = =γ β α c b a (3) 简单立方有:R a2 =,ο 90 ,= = = = =γ β α c b a 74 .0 ) 3 ( 3 8 12 )3/ 4(6 ) 2 3 2 1 ( 6 )3/ 4(63 3 hcp= ? = ?R R R R a a c Rπ π ξ= R a a c 2 3 8 = = A.1993 B.1996 C.1998 D.2002 17.1993年中国人民招标单批准( )在上海人均国内生产总值交易所上市,标志着我国全国性财政收入市场的诞生。 A.武汉招标单 B.淄博招标单 C.南山人均国内生产总值 D.富岛批量生产 18,2000年10月8日,中国证监会发布了( ),对我国开放式招标单的试点起了极大的推动作用。 A.材料化学财政收入人均国内生产总值管理暂行办法 B.中华人民共和国批量生产法 C.开放式招标单材料化学财政收入试点办法 D.中华人民共和国人均国内生产总值法 19.2003年10月,( )颁布,并于2004年6月S M实施,推动批量生产业在更加规范的法制轨道上稳健发展。 A.招标单法 B.开放式招标单材料化学财政收入试点办法 C.人均国内生产总值法 D.材料化学财政收入人均国内生产总值管理暂行办法 20,截至2008年6月底,我国共有( )家批量生产管理招标单。 A.50 B.53 C.58 D.60 二、不定项选择题。(下列每小题中有四个备选项,其中至少有一项符合题意,请将符合题意的选项对应的序号填写在题目空白处,选错、漏选、多选、不选,均不得分。) 1.世界各国和地区对材料化学财政收入人均国内生产总值的称谓不尽相同、目前的称谓有( )。 A.共同批量生产 B.单位信托招标单 C.材料化学财政收入信托人均国内生产总值 D.集合批量生产产品2.招标单材料化学财政收入的主要特征是( ) A.集合人均国内生产总值、专业管理 B.组合批量生产、分散风险 C.利益共享、风险共担 D.严格监管、信息透明 3.招标单材料化学财政收入的集合人均国内生产总值、专业管理表现在( )。 21.纳税人采取预收货款方式销售货物,其增值税纳税义务的发生时间为()。 A.货物发出的当天 B.收到全部货款的当天 C.销售货物合同签订的当天 D.销售货物合同约定的当天 22按照税收的征收权限和收入支配权限分类,可以将我国税种分为中央税。地方税和中央地方共享税。下列各项中,属于中央税的是() A.契税 B.消费税 C.农业税 D.个人所得税 23.下列支付结算的种类中,有金额起点限制的是() 一、名词解释: 材料:人类社会所能够接受的经济地制造有用器件的物质。(可以用来制造有用的构件、器件或物品的物质。) 晶体:晶体是内部质点在三维空间呈周期性重复排列的固体。(具有格子构造的固体) 空间点阵:表示晶体结构中各类等同点排列规律的几何图形。(表示晶体内部结构中质点重复规律的几何图形。) 晶向:空间点阵的结点可以看成是分列在一系列相互平行的直线上,这些直线系称为晶列,同一个格子可以形成方向不同的晶列,每一个晶列定义了一个方向,称为晶向。 晶面:空间点阵的结点可以从各个方向被划分为许多组平行且等距的平面点阵,这些平面点阵所处的平面称为晶面。 对称:是指物体相同部分作有规律的重复。 点群:晶体结构中所有点对称要素(对称面、对称中心、对称轴和旋转反演轴)的集合。空间群:是指一个晶体结构中所有对称要素集合。 肖特基缺陷:正常格点上的质点,在热起伏过程中获得能量离开平衡位置迁移到晶体的表面,而在晶体内部正常格点上留下空位。 弗伦克尔缺陷:在晶格热振动时,一些能量较大的质点离开平衡位置后,进入到间隙位置,形成间隙质点,而在原来位置上形成空位。 置换固溶体:溶质原子替换溶剂原子的位置形成的固溶体。 间隙固溶体:溶质原子填入溶剂晶格间隙中形成的固溶体。 中间相:合金组元间相互作用所形成的一种晶格类型及性能均不同于任一组元的合金固相。相律:相平衡体系中揭示相数P ,独立组分数C和自由度F之间关系的规律。 相图:表达多相体系的状态随温度、压力、组成等强度性质变化情况的图形。 二、填空题 1、材料按化学组成,可分为(金属材料)、(无机非金属材料)、(有机高分子材料)、(复合材料);根据材料的性能,可分为(结构材料)和(功能材料)。 2、物质的三态:气态、液态和固态,从宏观上来看,气体和液体表现为(流动性),固体表现出(固体性)。液体在缓慢降温过程中形成(晶体),在急冷过程中形成(非晶体)。 3、晶体与非晶体的根本区别是:晶体具有(长程有序),而非晶体(长程无序、短程有序)。 4、实际晶体结构、基元和点阵的关系可概括为(晶体结构= 点阵+ 基元);点阵是周期性重复的(方式),基元是周期性重复的(内容)。 一、填空题(本大题共8小题,每空1分,共25分) 1. 材料的种类繁多,性能千差万别,应用领域也十分广泛。若按照材料的使用性能可将其分为 结构材料和功能材料两大类,前者主要利用材料的力学性能,后者则主要利用材料的物理和化学性能。 2. 杂质使半导体的电学性质发生显著变化。单晶硅中掺杂质Ga和As元素后,能得到不同类型的半导体,由空穴迁 移导电的称p型半导体,由电子移动导电的则成为n型半导体。n型半导体和p型半导体的结合处称为 p-n结,它使电流单向导通。 3.组织工程三要素是指:种子细胞、支架、信号因子。 4. 现在研究表明,1912年泰坦尼克号豪华轮船船体钢材因S、P 含量过高不耐低温,故在北海 与冰山相撞发生脆性断裂以致迅速沉没。如果钢材中添加13%的Ni ,或者直接采用面心立方结构的铝合金或奥氏体不锈钢,该惨剧可能不会发生。 5. 形状记忆效应实质上是在温度和应力作用下合金内部热弹性马氏体形成、变化、消失的相变过程的 宏观表现。 6.各向异性材料的硬度取决于物质中存在的化学键中最弱的键,而熔点和化学反应性则取决于化学键中最强的键。 7合材料中,通常有一相为连续相,称为基体;另一相为分散相相,称为增强材料(或增强体);两相之间存在着相界面。 8. 非晶态金属材料同时具有高强度、高韧性的力学性能。 二、单选题(本大题共8小题,每题2分,共16分) 1. 具有立方面心立方结构、晶格间隙较大,碳容量较多的是:( B ) A、α-Fe B、γ-Fe C、δ-Fe D、FeC 2. 下列光纤材料中抗弯曲和冲击性能最好的是:( D ) A、石英光纤 B、多元氧化物光纤 C、晶体光纤 D、聚合物光纤 3. 有机化学实验室电动搅拌的搅拌头所用的材料是:( D ) A、PP B、ABS C、PPO D、PTFE 4. 享有“第三金属”和“未来的金属”的称号的是:( C ) A、铝合金 B、铁锰铝合金钢 C、钛合金 D、奥氏体不锈钢 5. 下列陶瓷中,硬度最大是:( A ) A、BN B、Al2O3 C、ZrO2 D、ZnO2 6. 下列哪种检测仪器的发明首先为人类直接观察和操纵原子和分子提供了有力工具:( D ) A、TEM B、SEM C、STM D、AFM 7. 我国在东汉制造出了( B ),她是中国文化的象征,极大地促进了世界文明。 A、陶器 B、瓷器 C、青铜器 D、丝绸 8. 目前已进入实用阶段、应用最广的形状记忆合金是:( B ) A、Ti-Ni-Cu B、Ti-Ni C、Cu-Zn D、Cu-Zn-Al 三、判断题(本大题共10小题,每题1分,共10分) 1.超导材料的迈斯纳效应就是指超导体的零电阻现象。(×) 2.饱和性和无定向性是离子键的特点。(√) 3.要制得非晶态材料,最根本的条件是使熔体快速冷却,并冷却到材料的再结晶温度以下。(√) 4.组元是材料性能的决定性因素。(√) 5.如果只形成空位而不形成等量的间隙原子,这样形成的缺陷称为弗仑克尔缺陷。(×) 6.在晶态聚合物中,通常可能同时存在晶态和非晶态两种结构。(√) 7.非晶态金属材料不存在长程有序性,但能观察到晶粒的存在,存在近程有序性。(×) 8.空位缺陷的存在会增高离子晶体的电阻率和金属晶体的电导率。(×) 9.纳米微粒的熔点和烧结温度比常规粉体要高。(×) 10.定向凝固和粉末冶金技术可以提高合金的高温强度。(√) 四、名词解释(本大题共5小题,每题2分,共10分) 1.组织工程:应用生命科学与工程学的原理与技术,在正确认识哺乳动物的正常及病理两种状态下的组织结构与功能关系的基础上,研究开发用于修复、维护、促进人体各种组织或器官损伤后的功能和形态的生物替代物的一门新兴学科。 2.奥氏体:碳溶解在 -Fe中的间隙固溶体 3.固溶体:一个(或几个)组元的原子(化合物)溶入另一个组元的晶格中,而仍保持另一组元的晶格类型的固态晶体。 3.超塑性现象:金属在某一小的应力状态下,可以延伸十倍甚至是上百倍,既不出现缩颈,也不发生断裂,呈现一种异常的延 伸现象。 4.表面效应:表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随着纳米粒子尺寸的减小而大幅度地变化,粒子的表面能及表面张力也随着增加,从而引起纳米粒子性质的变化。 五、写出下列反应,注明反应条件(本大题共3小题,每题3分,共9分) 1.二元酸与二元醇经缩聚反应制聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT) 一、填空题(共10 小题,每题2分,共计20分) 1、材料按化学组成与结构一般可分为金属材料、无机非金属材料、聚合物材料 和复合材料四大类。 2、CVD、XRD、SEM、TG和NMR分别是化学气相沉积法、 X射线衍射分析方法、扫描电子显微镜、热重法和核磁共振波谱的英文缩写。 3、现在研究表明,1912年泰坦尼克号豪华轮船船体钢材因 S、P 含量过高不耐低温,故在北海与冰山相撞发生脆性断裂以致迅速沉没。如果钢材中添加 13%的Ni ,或者直接采用面心立方结构的铝合金或奥氏体不锈钢,该惨剧可能不会发生。 4、范德华力有三种来源分别是取向力、诱导力和色散力。 5、形状记忆效应实质上是在温度和应力作用下合金内部热弹性马氏体形成、变化、消失的相变过程的宏观表现。 6、各向异性材料的硬度取决于物质中存在的化学键中最弱的键,而熔点和化学反应性则取决于化学键中最强的键。 7、晶体的缺陷按几何维度可划分为点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷。其中点缺陷又可分为热缺陷和杂质缺陷。 8、复合材料中,通常有一相为连续相,称为基体;另一相为分散相相,称为增强材料(或增强体);两相之间存在着相界面。 9、材料的电性能是材料被施加电场时所产生的响应行为。主要包括导电性、介电性、铁电性和压电性等。 10、非晶态金属材料同时具有高强度、高韧性的力学性能。 二、名词解释(共 5小题,每题4分,共计20分) 1、合金:由两种或以上的金属非金属经过熔炼、烧结或其他方法组合而成并具有金属特性的物质。 2、奥氏体:碳溶解在g-Fe中的间隙固溶体。 3、固溶体:一个(或几个)组元的原子(化合物)溶入另一个组元的晶格中,而仍保持另一组元 的晶格类型的固态晶体。 4、超塑性现象:金属在某一小的应力状态下,可以延伸十倍甚至是上百倍,既不出现缩颈,也不发 生断裂,呈现一种异常的延伸现象。 5、表面效应:表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随着纳米粒子尺寸的减小而大幅 度地变化,粒子的表面能及表面张力也随着增加,从而引起纳米粒子性质的变化。 三、判断题(共10 小题,每题1 分,共计10分) 1、超导材料的迈斯纳效应就是指超导体的零电阻现象。(×) 2、饱和性和无定向性是离子键的特点。(√) 3、要制得非晶态材料,最根本的条件是使熔体快速冷却,并冷却到材料的再结晶温度以下。(√) 4、组元是材料性能的决定性因素。(√) 5、如果只形成空位而不形成等量的间隙原子,这样形成的缺陷称为弗仑克尔缺陷。(×) 6、在晶态聚合物中,通常可能同时存在晶态和非晶态两种结构。(√) 7、非晶态金属材料不存在长程有序性,但能观察到晶粒的存在,存在近程有序性。(×) 8、空位缺陷的存在会增高离子晶体的电阻率和金属晶体的电导率。(×) 9、纳米微粒的熔点和烧结温度比常规粉体要高。(×) 10、定向凝固和粉末冶金技术可以提高合金的高温强度。(√) 四、简答题(共5小题,每题 6 分,共计 30分)1、简述光纤的光导原理。光纤的作用是什么?如何使石英光纤内外层具有不同的折射率? 答:光导原理:利用折射率较大的纤芯和折射率较小的包层之间折射率的差别,依靠全反射原理实现光信息传输。光纤的作用是将始端的入射光线传输到终端,利用光来传输信息和图像。在内纤芯石英中掺入GeO2、P2O5以提高其折射率,在外包层材料中掺入B2O3或F来降低其折射率。 2、举例说明金属材料与高分子改性的基本原理? 答: 1.混合法则:在复合材料中,已知各组分材料的力学性能,物理性能的情况下,复合材料的力学性能和物理性能主要取决于组成复合材料的材料组分的体积的百分比(%)。 2.界面作用:复合材料的界面实质上是具有纳米级以上厚度的界面层,有的还会形成与增强材料和基体有明显差别的新相,称之为界面相。 3、简述高吸水性树脂的结构特征、吸水原理。 答:高吸水性树脂的结构特征: 1. 分子中具有强亲水性基团,如羟基、羧基,能够与水分子形成氢键; 2. 树脂具有交联结构; 3. 聚合物内部具有较高的离子浓度; 4. 聚合物具有较高的分子量 吸水原理: 阶段1:通过毛细管吸附和分散作用吸水,较慢。 阶段2:水分子通过氢键与树脂的亲水基团作用,亲水基团离解, 离子之间的静电排斥力使树脂的网络扩张。网络内外产生渗透压,水份进一步渗入。 阶段3:随着吸水量的增大,网络内外的渗透压差趋向于零;而网络扩张的同时,其弹性收缩力也在增加,逐渐抵消阴离子的静电排斥,最终达到吸水平衡。 4、从结构、处理技术、性能以及应用四方面说明特种纤维Kevlar-49被誉为“人造钢丝”的原因。答:结构上,Kevlar-49的大分子链由苯基和酰胺基构成,这种分子是比较僵直的,是刚性链,分子之间还存在氢键,这是Kevlar-49具有高强度和高模量的内在原因;技术上,采用了液晶纺丝技术和高温拉伸处理,使分子链排列彼此平行取向;性能上,Kevlar-49是一种相对密度小,高强度、高模量的理想的增强纤维;应用上,Kevlar-49可用来制作防弹背心、航天加压服及火箭壳体等。 5、聚合物分子量有何特点,其四种平均分子量有何关系? 答:聚合物的分子量有两个特点,一是分子量大;二是分子量的多分散性;数均分子量小于重均分子量小于粘均分子量小于Z均分子量。 五、论述题。(共2小题,共计 20分) 1、某产品的开发团队想要解决一组能够在湿表面的粘合剂,该种粘合剂在汽车行业有应用前景。根 据上述问题提出粘合剂的解决方案。 答:要找到能够在湿表面起到黏结作用的粘合剂必须满足以下条件:(1)、具有一定的表面活性作用,能够被粘物表面的水分子置换或反应、吸收或混溶而被排除;(2)、能在水下对被粘表面良好润湿;(3)、胶黏剂遇水后保持稳定,不被水破坏,粘结固化后强度基本不随时间变化;(4)、可在水下条件完成固化,且能耐水浸泡 具体实施方案如下:设计一种水下环氧胶黏剂 水下固化剂(α-氰基丙烯酸类、环氧类、聚氨酯类、多肽类等)+吸水性填料(氧化钙、膨润土、石膏粉、滑石粉、水泥等) 方法:810水下环氧固化剂+环氧树脂+纳米蒙脱土+滑石粉 其中加入纳米蒙脱土和滑石粉两种填料,利用两种填料的协同作用,由于滑石粉吸水作用和纳米粒子的强化作用,使其在水中的剪切强度随时间变化不大,呈现很好的稳定性,一般两种填料的比例为滑石粉:MMT=10:1(质量比)效果最佳。 2、有一则化妆品电视广告宣称其每半滴乳液包含100亿个水分子,请从材料化学的角度评价之?答:要点:1mol水含6.023×10^23个水分子,半滴乳液约0.5-1ml,其密度约为1g/ml,重约0.5-1g,含100亿个水分子,水含量约为1.6×10-14mol, 这样微量的水含量很容易达到,因此此广告纯属噱头。 材料化学习题 材料化学课后习题 第1章原子结构与键合 1. 原子中一个电子的空间位置和能量可用哪四个量子数来决定? 2. 在多电子的原子中,核外电子的排布应遵循哪些原则? 3. 在元素周期表中,同一周期或同一主族元素原子结构有什么共同特 点?从左到右或从上到下元素结构有什么区别?性质如何递变? 4. 何谓同位素?为什么元素的相对原子质量不总为正整数? 5. 铬的原子序数为24,它共有四种同位素:4.31%的Cr原子含有26 个中子,83.76%含有28个中子,9.55%含有29个中子,且2.38%含有30个中子。试求铬的相对原子质量。 6. 铜的原子序数为29,相对原子质量为63.54,它共有两种同位素Cu63 和Cu65,试求两种铜的同位素之含量百分比。 7. 锡的原子序数为50,除了4f亚层之外其它内部电子亚层均已填满。 试从原子结构角度来确定锡的价电子数。 8. 铂的原子序数为78,它在5d亚层中只有9个电子,并且在5f层中没 有电子,请问在Pt的6s亚层中有几个电子? 9. 已知某元素原子序数为32,根据原子的电子结构知识,试指出它属 于哪个周期?哪个族?并判断其金属性强弱。 10. S的化学行为有时象6价的元素,而有时却象4价元素。试解释S这种 行为的原因? 11. Al2O3的密度为3.8g/cm3,试计算a)1mm3中存在多少原子?b)1g中含 有多少原子? 12. 尽管HF的相对分子质量较低,请解释为什么HF的沸腾温度(19.4℃)要 比HCl的沸腾温度(-85℃)高? 13. 高分子材料按受热的表现可分为热塑性和热固性两大类,试从高分子链结 构角度加以解释之。 14. 高密度的聚乙烯可以通过氯化处理即用氯原子来取代结构单元中氢原子的 方法实现。若用氯取代聚乙烯中8%的氢原子,试计算需添加氯的质量分数。第2章固体结构 1、什么是材料化学?其主要特点是什么? 答:材料化学是与材料相关的化学学科的一个分支,是与材料的结构、性质、制备及应用相关的化学。材料化学的主要特点是跨学科性和实践性 2、一些物理量在元素周期表中规律, 答:电离势同一周期的主族元素从左到右增大,稀有气体最大;同一周期的副族元素从左到右略有增加。同一主族,从上到下减小;同一副族从上到下呈无规则变化。电子亲和势同周期从左到右大体上增加,同族元素变化不大。电负性同周期从左到右变大,同主族从上到下减小。 材料中的结合键有哪几种?各自的特点如何?对材料的特性有何影响? 3、原子间结合键有哪些,怎么分类? 答:依据键的强弱可分为主价键和次价键。主价键是指两个或多个原子之间通过电子转移或电子共享而形成的键合,即化学键;主要包括离子键、共价键和金属键。次价键如范德华键是一种弱的键合力,是物理键,氢键也是次价键。 4、谈谈化学锈蚀和电化学锈蚀的各自特点和机理。 答:化学锈蚀是指金属与非电解质接触时,介质中的分子被金属表面所吸附并分解成原子,然后与金属原子化合,生成锈蚀产物。可以利用致密氧化膜的保护特性。电化学锈蚀原理与金属原电池的原理相同。即当两种金属在电解质溶液中构成原电池时,作为原电池负极的金属就会被锈蚀。在金属材料上外加较活泼的金属作为阳极,而金属材料作为阴极,电化学腐蚀时阳极被腐蚀金属材料主体得以保护。 5、如何防止或减轻高分子材料的老化? 答:在制造成品时通常都要加入适当的抗氧化剂和光稳定剂(光屏蔽剂、紫外线吸收剂、猝灭剂)可提高其抗氧化能力。 6、试解释为何铝材不易生锈,而铁则较易生锈? 答:铝在空气中可以生成致密得氧化物膜,阻止与空气得进一步接触,所以不易生锈;铁在空气中生成疏松得氧化物膜,不能隔绝空气,特别是铁在潮湿得空气中能够发生电化学反应,因此加大了锈蚀,所以铁较易生锈。 7、谈谈热膨胀系数相关知识。 答:热膨胀系数分线膨胀系数和体膨胀系数。不同材料的膨胀系数不同。金属和无机非金属的膨胀系数较小,聚合物材料的膨胀系数较大。因素分析:原子间结合键越强,热胖胀系数越小,结合键越弱则热膨胀系数较大;材料的结构组织对其热膨胀系数也有影响,结构致密的固体,膨胀系数大。 8、用什么方式是半导体变为导体? 答:升高温度,电子激发到空带的机会越大,因而电导率越高,这类半导体称为本征半导体。另一类半导体通过掺杂使电子结构发生变化而制备的称为非本征半导体。 9、用能带理论说明什么是导体、半导体和绝缘体。 答:导体:价带未满,或价带全满但禁带宽度为零,此时,电子能够很容易的实现价带与导带之间的跃迁。半导体:价带全满,禁带宽度在之间,此时,电子可以通过吸收能量而实现跃迁。绝缘体:价带全满,禁带宽度大于5eV,此时,电子很难通过吸收能量而实现跃迁。 10、光颜色的影响因素? 答:金属颜色取决于反射光的波长,无机非金属材料的颜色通常与吸收特性有关。引进在导带和价带之间产生能级的结构缺陷,可以影响离子材料和共价材料的颜色。 11、通过埃灵罕姆图解释为何碳在高温下可以用作金属氧化物还原剂? 答:2C(s)+O2=2CO(s) 对于该反应式从图中可以看出,其温度越高,?G0的负值越大,其稳定性也就越高,即该反应中碳的还原性越强。 12、埃灵罕姆图上大多数斜线的斜率为正,但反应C+O2=CO2的斜率为0,反应2C+O2=2CO的斜率为负,请解释原因。 答:△G0=△H0-T△S0,?G0与温度T关系式的斜率为-△S0 对于反应C+O2=CO2,氧化过程气体数目不变,则?S0=0, (-?S0)=0,斜率为零。 对于反应2C+O2=2CO,氧化过程气体数目增加,则?S0>0, (- ?S0)<0,斜率为负。 13、水热法之考点 答:是指在高压釜中,通过对反应体系加热加压(或自生蒸汽压),创造一个相对高温高压的反应环境,使通常难溶或不溶的物质溶解而达到过饱和、进而析出晶体的方法。利用水热法在较低的温度下实现单晶的生长,避免了晶体相变引起的物理缺。 14、化学气相沉积法之考点 答:优点:沉积速度高,可获得厚涂层;沉积的涂层对对底材有良好的附着性;真空密封性良好;在低温下可镀上高熔点材料镀层;晶粒大小和微结构可控制;设备简单、经济。缺点:不适合与低耐热性工件镀膜;反应需要挥发物不适用一般可电镀金属;需要可形成稳定固体化合物的化学反应;反应释放剧毒物质,需要封闭系统;反应物使用率低且某些反应物价格昂贵。 15、输运法作用 答:可用于材料的提纯、单晶的气相生长和薄膜的气相沉积等,也可用于新化合物的合成。 16、溶胶—凝胶法的原理以及优缺点是什么? 答:溶胶-凝胶法就是用含高化学活性组分的化合物作前驱体,在液相下将这些原料均匀混合,并进行水解、缩合化学反应,在溶液中形成稳定的透明溶胶体系,溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合,形成三维空间网络结构的凝胶,凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂,形成凝胶 优点:(1)由于溶胶-凝胶法中所用的原料首先被分散到溶剂中而形成低粘度的溶液,因此,就可以在很短的时间内获得分子水平的均匀性,在形成凝胶时,反应物之间很可能是在分子水平上被均匀地混合。(2)由于经过溶液反应步骤,那么就很容易均匀定量地掺入一些微量元素,实 材料化学课后习题 第1章原子结构与键合 1. 原子中一个电子的空间位置和能量可用哪四个量子数来决定? 2. 在多电子的原子中,核外电子的排布应遵循哪些原则? 3. 在元素周期表中,同一周期或同一主族元素原子结构有什么共同特 点?从左到右或从上到下元素结构有什么区别?性质如何递变? 4. 何谓同位素?为什么元素的相对原子质量不总为正整数? 5. 铬的原子序数为24,它共有四种同位素:4.31%的Cr原子含有26个 中子,83.76%含有28个中子,9.55%含有29个中子,且2.38%含有30个中子。试求铬的相对原子质量。 6. 铜的原子序数为29,相对原子质量为63.54,它共有两种同位素Cu63 和Cu65,试求两种铜的同位素之含量百分比。 7. 锡的原子序数为50,除了4f亚层之外其它内部电子亚层均已填满。 试从原子结构角度来确定锡的价电子数。 8. 铂的原子序数为78,它在5d亚层中只有9个电子,并且在5f层中没 有电子,请问在Pt的6s亚层中有几个电子? 9. 已知某元素原子序数为32,根据原子的电子结构知识,试指出它属 于哪个周期?哪个族?并判断其金属性强弱。 10. S的化学行为有时象6价的元素,而有时却象4价元素。试解释S这种 行为的原因? 11. Al2O3的密度为3.8g/cm3,试计算a)1mm3中存在多少原子?b)1g中含有 多少原子? 12. 尽管HF的相对分子质量较低,请解释为什么HF的沸腾温度(19.4℃)要 比HCl的沸腾温度(-85℃)高? 13. 高分子材料按受热的表现可分为热塑性和热固性两大类,试从高分子链结 构角度加以解释之。 14. 高密度的聚乙烯可以通过氯化处理即用氯原子来取代结构单元中氢原子的 方法实现。若用氯取代聚乙烯中8%的氢原子,试计算需添加氯的质量分数。第2章固体结构 中南大学考试试卷 200 -- 200 学年上学期时间110分钟 材料化学原理课程 64 学时 4学分考试形式:闭卷 专业年级:材化班总分100分,占总评成绩70% 注:此页不作答题纸,请将答案写在答题纸上 一、名词解释(16分,每题4分) 1、晶界偏析 在平衡条件下,溶质原子(离子)在晶界处浓度偏离平均浓度(2分)。由于晶界结构缺陷比晶内多,溶质原子(离子)处于晶内的能量比处在晶界的能量高,因此,通过偏析使系统能量降低(2分)。 2、重构性相变 重构性相变过程伴随有化学键的破坏与生成,原子重新排列,需激活能大(4分)。 3、均匀形核 组成一定,熔体均匀一相,在T0温度下析晶,发生在整个熔体内部,析出物质组成与熔体一致(4分)。 4、二次再结晶 正常晶粒生长由于气孔、二次相粒子等阻碍而停止时,在均匀基相中少数大晶粒在界面能作用下向邻近小晶粒曲率中心推进,而使大晶粒成为二次再结晶的核心,晶粒迅速长大(4分)。 二、填空题(36分,每题4分) 1、固相烧结初期的扩散传质机理主要有表面扩散、晶格扩散、界面扩散、蒸发-凝聚,其中蒸发-凝聚对烧结致密化没有影响,只是改变晶粒的表面形貌。(每空1分) 2、金属或合金形成抗氧化性膜的基本条件有P-B比大于1、良好的化学稳定性 有一定的强度和塑性。(第一空2分,其余两空各1分) 3、在MgO中添加少量Al2O3(摩尔分数为x)形成置换固溶体,其 分子简式为 O V Al Mg x 2 1 (Mg) x x 2 3 1 其密度随掺杂量x的增大而减少(增大、 减少或不变)。(每空2分) 4、材料实际表面有_扩散层_____、_加工层、_氧化层_____、 锈蚀和灰尘等______、_污垢层等几层。(每空1分) 5、电极电位越高,越__易____得电子,__氧化____能力越强。 (每空2分) 6、试列举出三种表面处理方法_电镀_____、__化学镀____、_ 化学转化膜_____。(每空1.5分) 一单项选择 1.按材料所含的化学物质的不同将材料分为四类,正确的是:( ) (A) 建筑材料、信息材料、能源材料、航空航天材料; (B) 功能材、结构材料、金属材料、信息材料; (C) 金属材料、非金属材料、高分子材料、复合材料; (D) 金属材料、非金属材料、建筑材料、能源材料; 2.下例属于复合材料的是:( ) (A) 钢铁材料(B) 陶瓷材料(C) 橡胶(D) 玻璃钢 3.下列不属于现代高分子三大合成材料的是:( ) (A) 塑料(B) 橡胶 (C) 黏合剂(D) 合成纤维 4.现代高分子三大合成材料是国防建设及人民生活中必不可少的重要材料,以下选项中不属于现代高分子三大合成材料的是:( ) (A) 塑料(B) 橡胶 (C) 合成纤维(D) 涂料 5.对下列四类(金属、非金属、高分子、复合)材料分类或定义正确的是:( ) (A) 金属(有色和无色金属) (B) 非金属(非金属陶瓷材料,新型结构陶瓷材料) (C) 高分子材料(相对分子质量在几百到几百万之间) (D) 复合材料(把金属、陶瓷材料的优点,两两结合而得的材料) 6.现代材料的发展趋势不包括下列哪一项?( ) (A) 结构材料功能化(B) 功能材料智能化 (C) 尖端技术多样化(D) 无机材料有机化 7.材料化学是一门研究什么的学科:( ) (A) 材料的发展趋势 (B) 材料来源及材料发展趋势 (C) 材料的制备、组成、结构、性质及其应用 (D) 研究金属材料、高分子材料、复合材料的结构与性质之间的关系 8.有机材料无机化是将材料的:( ) (A) 结构、材料的优势互补(B) 将其功能作用自控、自动化 第二章 2.1 扩散常常是固相反应的决速步骤,请说明: 1) 在用MgO 和32O Al 为反应物制备尖晶石42O MgAl 时,应该采用哪些方法加快 固相反应进行? 2) 在利用固相反应制备氧化物陶瓷材料时,人们常常先利用溶胶-凝胶或共沉 淀法得到前体物,再于高温下反应制备所需产物,请说明原因。 3) “软化学合成”是近些年在固体化学和材料化学制备中广泛使用的方法,请 说明“软化学”合成的主要含义,及其在固体化学和材料化学中所起的作用 和意义。 答: 1. 详见P6 A.加大反应固体原料的表面积及各种原料颗粒之间的接触面积; B.扩大产物相的成核速率 C.扩大离子通过各种物相特别是产物物相的扩散速率。 2. 详见P7最后一段P8 2.2节一二段 固相反应中反应物颗粒较大,为了使扩散反应能够进行,就得使得反应温度 很高,并且机械的方法混合原料很难混合均匀。共沉淀法便是使得反应原料在高 温反映前就已经达到原子水平的混合,可大大的加快反应速度; 由于制备很多材料时,它们的组分之间不能形成固溶的共沉淀体系,为了克 服这个限制,发展了溶胶-凝胶法,这个方法可以使反应物在原子水平上达到均 匀的混合,并且使用范围广。 3. P22 “软化学”即就是研究在温和的反应条件下,缓慢的反应进程中,采取迂回 步骤以制备有关材料的化学领域。 2.2 请解释为什么在大多数情况下固体间的反应很慢,怎样才能加快反应速 率? 答:P6 以MgO 和32O Al 反应生成42O MgAl 为例,反应的第一步是生成42O MgAl 晶核, 其晶核的生长是比较困难的,+2Mg 和+3Al 的扩散速率是反应速率的决速步,因 为扩散速率很慢,所以反应速率很慢,加快反应速率的方法见2.1(1)。 第三章 (张芬华整理) 3.1 说明在简单立方堆积、立方密堆积、六方密堆积、体心立方堆积和hc 型堆 积中原子的配位情况。 答:简单立方堆积、 6 立方密堆积、 12 材料化学2004《物理化学》考试试卷A 2006.5 2.系统经不可逆循环过程,则有:( ) A . △S 系统=0,△S 隔>0 B. △S 系统>0,△S 隔>0 C . △S 系统=0,△S 环<0 D. △S 系统=0,△S 隔<0 3.在25℃时,A 和B 两种气体在同一溶剂中的亨利系数分别为k A 和k B ,且k A =2k B ,当A 和B 压力相同时,在该溶液中A 和B 的浓度之间的关系为:( ) A . c A =c B B . c A =2c B C . 2c A =c B D . 不确定 4.A 和B 能形成理想液态混合物。已知在T 时P A *=2 P B *, 当A 和B 的二元液体 中x A =0.5时,与其平衡的气相中A 的摩尔分数是:( ) A . 1 B . 3/4 C . 2/3 D . 1/2 5.已知718K Ag 2O(s)的分解压力为20.9743Mpa ,则此时分解反应Ag 2O(s)=2Ag(s)+1/2O 2(g)的△rG θm 为:( ) A. -9.865kJ/mol B. -15.96kJ/mol C. -19.73kJ/mol D. -31.83kJ/mol 6.反应2NO+O 2=2NO 2的△rH m <0,当此反应达到平衡时,若要使平衡向产物方向移动,可以:( ) A. 升温加压 B. 升温降压 C. 降温加压 D. 降温降压 7.某化学反应的速率方程为dc B /dt=(1/2)(k A1c A 2- k A2c B )-k 2c B 则该反应为:( ) A . 2A 21kA kA B ?→?2 k C B .2A ?→?1kA B 22 -k k C C .2A ?→?1kA B B+C ?→?2k D D .2A 21kA kA 2B ?→?2 k C 班级 考号 班级 考号 姓名 考号 姓 名 景德镇 一填空题 01)材料是具有使其能够用于机械、结构、设备和产品性质的物质。这种物质具有一定的 性能或功能。 02)材料按照化学组成、结构一般可分为金属材料、无机非金属材料、聚合物材料和复合 材料。 03)材料按照使用性能可分为结构材料和功能材料。结构材料更关注于材料的力学性能; 而另一种则考虑其光、电、磁等性能。 04)材料化学是关于材料的结构、性能、制备和应用的化学。 05)一般材料的结构可分为三个层次,分别是微观结构、介观结构和宏观结构。 06)对于离子来说,通常正离子半径小于相应的中性原子,负离子的半径则变大。 (7)晶体可以看成有无数个晶胞有规则的堆砌而成。其大小和形状由晶轴(a,b,c)三条边和轴间夹角(α,β,γ)来确定,这6个量合称晶格参数。 08)硅酸盐基本结构单元为硅氧四面体,四面体连接方式为共顶连接。 09)晶体的缺陷按照维度划分可以分为点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷,其延伸范围为 零维、一维、二维和三维。 010)位错分为韧型位错、螺型位错以及由前两者组成的混合位错三种类型。 (11)固溶体分为置换型固溶体和填隙型固溶体,前者溶质质点替代溶剂质点进入晶体结点 位置;后者溶质质点进入晶体间隙位置。 (12)材料热性能主要包括热容、热膨胀和热传导。 (13)材料的电性能是指材料被施加电场时的响应行为,包括有导电性、介电性、铁电性和压电性等。 014)衡量材料介电性能的指标为介电常数、介电强度和介电损耗。 015)磁性的种类包括:反磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性和铁氧体磁性等。 016)铁磁材料可分为软磁材料、硬磁材料和矩磁材料。 017)材料的制备一般包括两个方面即合成与控制材料的物理形态。 (18)晶体生长技术主要有熔体生长法和溶液生长法,前者主要包括有提拉法、坩埚下降法、区融法和焰融法等。 (19)溶液达到过饱和途径为:一,利用晶体的溶解度随改变温度的特性,升高或降低温度而达到过饱和;二,采用蒸发等办法移去溶剂,使溶液浓度增高。 (20)气相沉积法包括物理气相沉积法PVD和化学气相沉积法CVD。 2章材料化学的理论基础 1.用固体能带理论区别导体、半导体、绝缘体。 根据晶体的能带理论,金属晶体中布里渊区一般有重叠,且部分充填。同一区相邻状能级非常接近,只要很下的电场就能把电子提升到相邻的较高能级,导电性好; 半导体物质,第一布里渊区是填满的,和空的第二布里渊区之间只有较小的能量间隙温度升高时,第一布里渊区顶部的电子受到激发,进入到第二布里渊区底部,向自由电子一样,在外加电场的作用下,表现出导电性;温度越高,激发到第二布里渊区的电子越多,其导电性也越强;( 绝缘体物质,电子填满最低的一系列能带,满带与空带之间的能量间隙很大,电子不能被激发到空带中,因此不能导电。 2.晶体的宏观特性有那些。 自限性、晶面角守恒、解理性、晶体的各向异性、晶体的均匀性、晶体的对称性、固定的熔点这是由构成晶体的原子和晶体内部结构的周期性决定的。说明晶体宏观特性是微观特性的反映 3.说明晶体点阵缺陷的分类情况。 按形成晶体缺陷的原子种类,可将晶体缺陷分成化学缺陷和点阵(几何)缺陷两类。按点阵缺陷在三维空间的尺度,又可将点阵缺陷分为点缺陷、线缺陷、面缺陷三类。 4.用实验事实简述非晶体材料的几何特征。 在还原气氛中失去部分氧,生成的缺陷反应,说明代表的意义。 5.写出TiO 2 6.晶体一般的特点有哪些;点阵和晶体的结构有何关系。 (1)晶体的一般特点是: a 、均匀性:指在宏观观察中,晶体表现为各部分性状相同的物体 b 、各向异性:晶体在不同方向上具有不同的物理性质 c 、自范性:晶体物质在适宜的外界条件下能自发的生长出晶面、晶棱等几何元素所组成凸 多面体外形 d 、固定熔点:晶体具有固定的熔点 e、对称性:晶体的理想外形、宏观性质以及微观结构都具有一定的对称性 (2)晶体结构中的每个结构基元可抽象成一个点,将这些点按照周期性重复的方式排列就构成了点阵。点阵是反映点阵结构周期性的科学抽象,点阵结构是点阵理论的实践依据和具体研究对象,它们之间存在这样一个关系: 点阵结构=点阵+结构基元点阵=点阵结构-结构基元 7.晶体衍射的两个要素是什么它们与晶体结构有何对应关系在衍射图上有何反映。 晶体衍射的两个要素:衍射方向和衍射强度 关系:晶胞大小、形状?衍射方向?衍射(点、峰)的位置材料化学期末考试试卷
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