材料化學(xué)練習(xí)題及答案

1、一、名詞解釋:材料：人類社會所能夠接受的經(jīng)濟(jì)地制造有用器件的物質(zhì)。（可以用來制造有用的構(gòu)件、器件或物品的物質(zhì)。）晶體：晶體是內(nèi)部質(zhì)點在三維空間呈周期性重復(fù)排列的固體。（具有格子構(gòu)造的固體）空間點陣：表示晶體結(jié)構(gòu)中各類等同點排列規(guī)律的幾何圖形。（表示晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)中質(zhì)點重復(fù)規(guī)律的幾何圖形。）晶向：空間點陣的結(jié)點可以看成是分列在一系列相互平行的直線上，這些直線系稱為晶列，同一個格子可以形成方向不同的晶列，每一個晶列定義了一個方向，稱為晶向。晶面： 空間點陣的結(jié)點可以從各個方向被劃分為許多組平行且等距的平面點陣，這些平面點陣所處的平面稱為晶面。對稱：是指物體相同部分作有規(guī)律的重復(fù)。點群：晶體結(jié)構(gòu)中所有

2、點對稱要素（對稱面、對稱中心、對稱軸和旋轉(zhuǎn)反演軸）的集合。空間群：是指一個晶體結(jié)構(gòu)中所有對稱要素集合。肖特基缺陷：正常格點上的質(zhì)點，在熱起伏過程中獲得能量離開平衡位置遷移到晶體的表面，而在晶體內(nèi)部正常格點上留下空位。弗倫克爾缺陷：在晶格熱振動時，一些能量較大的質(zhì)點離開平衡位置后，進(jìn)入到間隙位置，形成間隙質(zhì)點，而在原來位置上形成空位。置換固溶體：溶質(zhì)原子替換溶劑原子的位置形成的固溶體。間隙固溶體： 溶質(zhì)原子填入溶劑晶格間隙中形成的固溶體。中間相：合金組元間相互作用所形成的一種晶格類型及性能均不同于任一組元的合金固相。相律：相平衡體系中揭示相數(shù) P，獨(dú)立組分?jǐn)?shù)C和自由度F之間關(guān)系的規(guī)律。相圖：表達(dá)

3、多相體系的狀態(tài)隨溫度、壓力、組成等強(qiáng)度性質(zhì)變化情況的圖形。二、填空題1、材料按化學(xué)組成，可分為（金屬材料）、（無機(jī)非金屬材料）、（有機(jī)高分子 材料）、（復(fù)合材料）；根據(jù)材料的性能，可分為（結(jié)構(gòu)材料）和（功能材料）。 2、物質(zhì)的三態(tài)：氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)，從宏觀上來看，氣體和液體表現(xiàn)為（流動性）， 固體表現(xiàn)出（固體性）。液體在緩慢降溫過程中形成（ 晶體），在急冷過程中形 成（非晶體）。3、晶體與非晶體的根本區(qū)別是：晶體具有（長程有序），而非晶體（長程無序、短程有序）。4、實際晶體結(jié)構(gòu)、基元和點陣的關(guān)系可概括為（晶體結(jié)構(gòu)=點陣+基元）；點陣是周期性重復(fù)的（ 方式），基元是周期性重復(fù)的（內(nèi)容）。5、晶向

4、族是指晶體中（原子排列情況相同但空間位向不同）的一組晶向，可以用符號（<hkl > ）表示；立方晶系的四條體對角線構(gòu)成的8個晶向構(gòu)成了一個晶向族，可以表示為（<111> ）。6、晶面族是指（晶面間距和晶面上原子的分布完全相同，只是空間位向不同）的一組晶面；同一晶面族中，不同晶面的指數(shù)的（ 數(shù)字）相同，只是（正負(fù)號） 不同。7、晶體的對稱要素中點對稱要素種類有（ 對稱面、對稱中心、對稱軸和旋轉(zhuǎn)反演軸），含有平移操作的對稱要素種類有螺旋軸滑移面8、晶族、晶系、點群、布拉菲格子、空間群的數(shù)目分別是工、_7_、_32_、14_、_230_。9、晶體中存在有 （8 ）種獨(dú)姑祖宏1

5、觀2對3集4分別為（ ）。10、根據(jù)相應(yīng)的對稱性特征，可以把所有晶體的空間點陣劃歸為七類，即七大晶系，包括：（立方）、（六方）、（四方）、（三方）、（正交）、（三斜）和（單斜 ）。11、晶體中的結(jié)構(gòu)缺陷按尺寸范圍可分為（點缺陷 ）、（線缺陷）、（面缺陷）、（體缺陷）12、晶體中的點缺陷按幾何位置和成分可分為（空位）、（間隙質(zhì)點）、（雜質(zhì)原子），按形成原因可分為（本征缺陷或熱缺陷）、（非本征缺陷或雜質(zhì)缺陷）和（非化學(xué)計量比缺陷）。13、書寫缺陷反應(yīng)方程式應(yīng)遵循的基本原則（位置關(guān)系）、（質(zhì)量平衡 ）（電中性）。14、非整比化合物通常可分為（陰離子空位型）、（陽離子填隙型）、（陰離子填隙型）和（陽離

6、子空位型）四種類型；其中（陰離子空位型）和（陽離子填隙型）屬于n型半導(dǎo)體，（陰離子填隙型）和（陽離子空位型）屬于 p型半導(dǎo)體。15、位錯分為（刃位錯）和（螺位錯）。16、位錯是在滑移面上局部滑移區(qū)的邊界，刃位錯方向與滑移的方向（垂直），螺位錯的方向與滑移的方向（ 平行）。17、按溶質(zhì)組元在固溶體中的溶解度，可分為（有限固溶體）和（無限固溶體）。三、簡答或計算:1、按材料的發(fā)展水平，簡述材料發(fā)展的五個過程，這五個過程的關(guān)系如何?天然材料，燒煉材料，合成材料，可設(shè)計材料，智能材料。五代材料并不是新舊 交替的，而是長期并存，它們共同在各個領(lǐng)域發(fā)揮著不同的作用。2、晶體有哪些宏觀特征，并分別舉例說明。

7、規(guī)則的幾何外形（食鹽、石英、明磯等分別具有立方體、六角柱體和八面體的幾 何外形），晶面角守恒，有固定的熔點，物理性質(zhì)的各向異性（云母和方解石具有 完好的解理性）。3、簡述晶體與非晶體間的轉(zhuǎn)化特點。非晶態(tài)是一種亞穩(wěn)態(tài)，所以非晶態(tài)固體有向晶態(tài)自發(fā)轉(zhuǎn)化的趨勢，但當(dāng)溫度不夠 高時，非晶態(tài)中的原子（離子）的運(yùn)動幅度較小，同時晶核的形成和生長都比較 困難，因此非晶態(tài)向晶態(tài)的轉(zhuǎn)化就不易發(fā)生。另外，非晶態(tài)向晶態(tài)的轉(zhuǎn)化要經(jīng)過 一些中間步驟，且轉(zhuǎn)變帶有突變的特征，一般伴隨有幅度不大的體積變化。晶態(tài)向非晶態(tài)的轉(zhuǎn)化：可以通過一些機(jī)械能，如材料表面的研磨和破碎、沖擊波作用等，機(jī)械能的作用破壞警惕的長程有序。4、畫出一個

8、面心立方格子，標(biāo)出其中的111 !10121及 晶向。5、在簡單立方格子中，畫出（101） , （021） , （1-22）,及（2-10）晶面6、晶體中可能存在的宏觀對稱要素和相應(yīng)的對稱操作有哪些?復(fù)合反軸n旋轉(zhuǎn)反演對稱操作類型對稱要素及符號對稱操作簡單旋轉(zhuǎn)軸n鏡面（反映面）m對稱中心i旋轉(zhuǎn)反映反演（倒反）7、找出一個立方體具有的所有旋轉(zhuǎn)軸。具有3個互相垂直的4度旋轉(zhuǎn)軸，4個3度軸（即體對角線），6個2度軸（即面 對角線）。（另外還有：3個與4度軸垂直的對稱面，6個與2度軸垂直的對稱面，以及1個 對稱心。）8、根據(jù)能帶理論，簡要說明金屬、半導(dǎo)體、絕緣體的劃分有何區(qū)別（可用畫圖輔助說明）？并說

9、明金屬鎂之所以是金屬而不是絕緣體或半導(dǎo)體的原因？金屬：晶體的能帶中存在不滿帶，表現(xiàn)出導(dǎo)電性。有兩種情況（如圖）：一是沒有足夠的電子填充價帶能級，形成不滿帶；另一種是價帶與空帶重疊，電子在 沒有排滿價帶之前，一部分電子就開始填充空帶部分，因而形成不滿帶半導(dǎo)體：在波矢k落在布里淵區(qū)邊緣時，會發(fā)生能級分裂，出現(xiàn)禁帶，但是半導(dǎo)體材料的禁帶寬度很小，一般小于2 eV,在熱激發(fā)下部分低能級電子可以躍遷到高能級上，從而表現(xiàn)出導(dǎo)電性。絕緣體：同樣也出現(xiàn)禁帶，只是它的禁帶寬度要相對大些，一般的溫度下，熱激發(fā)不能夠提供足 夠的能量使低能級上的電子躍遷到高能級上，因此不能表現(xiàn)出導(dǎo)電性。金屬鎂如果僅僅從核外電子排布情

10、況來看的話，1s、2s、2p、3s能級都被電子排滿，應(yīng)該為絕緣體或者半導(dǎo)體，但是金屬鎂的3s能帶和3p能帶發(fā)生部分重疊，從而使金屬鎂表現(xiàn)出導(dǎo)電性，為導(dǎo)體。9、晶體的點缺陷中，兩類典型的熱缺陷是什么？各自有什么特點？肖特基缺陷，特點：離子晶體中的肖特基缺陷是等量的正離子空位和負(fù)離子空位成對出現(xiàn)。弗倫克耳，特點：間隙質(zhì)點與空位總是成對出現(xiàn)，正離子弗侖克爾缺陷和負(fù)離子弗侖克爾缺陷之間沒有直接聯(lián)系，離子晶體中的Frenkel缺陷一般是正離子空位和間隙正離子。10、在MgO!體中，肖特基缺陷的生成能為6ev,計算在25c和1600c時熱缺陷的濃度。n _Us_根據(jù) N eXP . 2kT由題意 Us =

11、 6ev , k = 8.617 X10-5 eV/KT 1= 25 + 273 = 298 K T2 = 1600 + 273 = 1873K298K: =exp 6- =1.92 10日1873K: n一二 exp NN . 2 8.617 102986-9W =8 102 8.617 101873計算該晶體在 1000K和1500K時11、對某晶體的缺陷測定生成能為84K J/mol的缺陷濃度。解：根據(jù)熱缺陷濃度公式：=exp(U-)N2kT由題意 U = 84 KJ/mol = 84000J/mol(1 eV =1.602 X0-19J)貝11n =exp(-U-)N 2RT其中 R

12、= 8.314 J/mol - K當(dāng) Ti=1000K 時，_n=exp(-U-) =exp(-84000) =6.4父10工N2RT2 8.314 1000當(dāng) T2=1500K時，=exp(-U) =exp(-84000) = 3.45父 10/N2RT2 8.314 150012、寫出下列缺陷反應(yīng)式：(1) NaCl形成肖特基缺陷；(2) AgI形成弗侖克爾缺陷(Ag+進(jìn)入間隙)(3) Ca2+置換KCl中K+或進(jìn)入到KCl間隙中去。 0，VNa V(2)AgAg > Ag VAgCa 2+置換KCl中K啾陷反應(yīng)式如下：CaCl2 KCl > CaK Vk 2C1ciCa2+進(jìn)

13、入到KCl間隙中而形成點缺陷的反應(yīng)式為：13、非化學(xué)計量氧化物 TQ2-x的制備強(qiáng)烈依賴于氧分壓和溫度：(a)試列出其缺 陷反應(yīng)式；(b)求其缺陷濃度表達(dá)式。解：非化學(xué)計量氧化物TiO2-x,其晶格缺陷屬于負(fù)離子缺位而使金屬離子過剩的類型。(a)缺陷反應(yīng)式為：(b)缺陷濃度表達(dá)式：14、非化學(xué)計量缺陷的濃度與周圍氣氛的性質(zhì)、壓力大小相關(guān)，如果增大周圍氧氣的分壓，非化學(xué)計量化合物Fei-xO及Zni+xO的密度將發(fā)生怎樣變化？為什么？材 料的電導(dǎo)率發(fā)生怎樣變化？為什么？解：（a）非化學(xué)計量化合物 Fei-xO,是由于正離子空位，引起負(fù)離子過剩： ''2平衡常數(shù)K = 0。叫hPO

14、2電中性條件：2VFe -hl由此可得VFe =ghk £26即：鐵空位的濃度和氧分壓的1/6次方成正比，故當(dāng)周圍分壓增大時，鐵空位濃度 增加，晶體質(zhì)量減小，則 Fei-xO的密度也將減小。Fei-xO是空穴導(dǎo)電（p型半導(dǎo)體），空穴的濃度和氧分壓的1/6次方成正比，所以周圍氧分壓增大時，空穴濃度增加，材料導(dǎo)電率增大。（b）非化學(xué)計量化合物 Zni+xO,由于正離子填隙，使金屬離子過剩：1反應(yīng)平衡常數(shù)：K =Zn*e'2Pc2電中性條件：2Zn1 =e'得ZnJ =，e工 P°：/6即：間隙離子的濃度與氧分壓的1/6次方成反比，故增大周圍氧分壓，間隙離子濃 度

15、減小，晶體質(zhì)量減小，則Zni+xO的密度也將減小。Zni+xO是電子導(dǎo)電（n型半導(dǎo)體），電子的濃度和氧分壓的1/6次方成反比，所以周圍氧分壓增大時，電子濃度減小，材料導(dǎo)電率變小。15、畫出三類基本的二元相圖圖形并進(jìn)行簡單分析16.固態(tài)相變的含義是什么？從熱力學(xué)角度來劃分，相變可以分為哪幾類？各自有什么特點？固態(tài)相變：固態(tài)物質(zhì)在溫度、壓力、電場、磁場改變時，從一種組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成另一種組織結(jié)構(gòu)。固態(tài)相變中的變化：晶體結(jié)構(gòu)，化學(xué)成分，有序程度固態(tài)相變驅(qū)動力：新相與母相的自由能差固態(tài)相變的分類：（1）按照熱力學(xué)的觀點分類，可分為：一階相變和二階相變一階相變：相變時兩相的化學(xué)勢相等（ 醫(yī)1 =d2）,但

16、化學(xué)勢對溫度及壓力的 一階偏微分（S、V）不等。即：一級相變時，嫡及體積會發(fā)生不連續(xù)的變化，即有相變潛熱和體積的改變。二階相變：相變時兩相的化學(xué)位相等（ 醫(yī)1 =醫(yī)2）,化學(xué)位的一階偏微分也相等 （S=S , V1=V2），但二階偏微分不相等（G1乎G2, K1乎K, 日片T）。即，二級相變時，沒有相變潛熱和體積改變，只有比熱容、壓縮系數(shù)、膨脹系數(shù)變化。磁性轉(zhuǎn)變、有序-無序轉(zhuǎn)變、超導(dǎo)轉(zhuǎn)變等屬于此類。（2）從動力學(xué)的觀點（原子遷移），可分為：重建型相變和位移型相變重建型相變：原子重新形成點陣，相變前后化學(xué)鍵的類型或配位數(shù)發(fā)生變化。如石墨轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸珻由原來 3配位的六邊形平面層結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)變?yōu)?4

17、配位的三維網(wǎng)絡(luò)重建型相變是通過化學(xué)鍵的斷開而重建新的結(jié)構(gòu)，因此相變活化能較高，速度通常較為 緩慢。位移型相變：原子僅作微小的位移。不需要斷開和重建化學(xué)鍵，僅發(fā)生鍵角的扭曲和晶格的畸變。二、固態(tài)相變的特點1、相變阻力大，固態(tài)相變困難界面能增加；額外彈性應(yīng)變能：比體積差；擴(kuò)散困難（新、舊相化學(xué)成分不同時）存在過冷現(xiàn)象：結(jié)晶時，實際結(jié)晶溫度低于理論結(jié)晶溫度的現(xiàn)象。兩相的比容相差較大時，新相晶核的出現(xiàn)將引起較大的應(yīng)力，因而抑制了相變的實現(xiàn)。 最突出的也是最早發(fā)現(xiàn)的例子是，灰錫和白錫間的相變。白錫是四方結(jié)構(gòu)的金屬而灰錫 為金剛石型的半導(dǎo)體，二者的比容相差 18%,它們的熱力學(xué)相平衡溫度由電化學(xué)方法測 出，在常壓下為292K。（常見的金屬錫是B錫），在低于13.2 C開始轉(zhuǎn)變?yōu)樗?同素異形體灰錫（a錫），但轉(zhuǎn)變速度很慢，）但是,在冰點或更冷的環(huán)境中，并不出現(xiàn) 白錫一灰錫的相變。高度清潔的實驗室中，白錫能在很低的溫度（如液氮）下不變形。2、新相晶核與母相之間存在一定的晶體學(xué)位向關(guān)系新相的某一晶面和晶向分別與母相的某一晶面、晶向平行。形成共格、半共格界面，降低界面能。新、舊兩相之間相互平行的晶面和晶向皆分別為