廣東工業(yè)大學(xué)-材料結(jié)構(gòu)與性能-材料科學(xué)導(dǎo)論-習(xí)題

1、1、 共價(jià)鍵與金屬鍵有何異同？從它們的差異性簡(jiǎn)要說(shuō)明共價(jià)鍵型晶體材料與金屬型晶體材料的性能差異？答：共價(jià)鍵：原子間通過(guò)共用電子對(duì)（電子云重疊）形成的化學(xué)鍵，有方向性，有飽和性。金屬鍵：金屬晶體中金屬原子（或離子）與自由電子形成的化學(xué)鍵，無(wú)方向性，無(wú)飽和性。二者的相同點(diǎn)是：都是外層電子公有化的結(jié)果。共價(jià)鍵型晶體材料與金屬鍵型晶體材料由于共價(jià)鍵和金屬鍵的存在將表現(xiàn)出不同的性能，共價(jià)鍵材料由于晶體內(nèi)各個(gè)鍵之間有確定的方位、配位數(shù)外，公用的電子對(duì)不能移動(dòng)，此類材料表現(xiàn)出 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、熔點(diǎn)高、質(zhì)硬脆、導(dǎo)電性差，一般為絕緣體。 金屬材料由于晶體內(nèi)自由電子的存在使得材料具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，晶體中的原子在

2、受外力作用時(shí)，有可能形成低能量的密堆結(jié)構(gòu)而不易受到破壞，使金屬具有良好的延展性。2、 分別示意性畫出描述材料結(jié)構(gòu)的五種空間正多面體模型，他們分別屬于哪三類群？以此進(jìn)一步分析C60分子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)？滿足的組合只有三種233、432、532三種，分別為四面體類群、八面體類群、二十面體類群C60分子：講二十面體的頂角全部削去得截角二十面體，出現(xiàn)20個(gè)正五邊形得到C60結(jié)構(gòu),因?yàn)樵鹊?0個(gè)三角形變成20個(gè)正五邊形，頂點(diǎn)共有60個(gè)，棱邊共有90根，仍保留二十面體群的對(duì)稱性。3、 何為居里點(diǎn)溫度Tc？從磁性材料的Tc溫度處的性能轉(zhuǎn)變模式分析材料結(jié)構(gòu)的有序無(wú)序突變？答：在高溫下，原子自旋的取向完全無(wú)序，表現(xiàn)

3、出順磁性。當(dāng)?shù)陀谀硿囟葧r(shí)，磁矩作順向排列呈現(xiàn)鐵磁性，此時(shí)，我們將該臨界溫度稱為居里點(diǎn)Tc。 高溫的順磁相中，自旋取向具有任意性，對(duì)稱性表現(xiàn)為三維空間內(nèi)的球面對(duì)稱，而轉(zhuǎn)變?yōu)殍F磁性后，自旋具有特定的方向，喪失無(wú)窮多個(gè)對(duì)稱元素，產(chǎn)生對(duì)稱破缺，導(dǎo)致有序相的產(chǎn)生，因?yàn)閷?duì)稱性的改變不是漸變式的，故使得有序無(wú)序轉(zhuǎn)變也是突變的。4、 分別畫出CuZn及AuCu3合金的可能的晶體結(jié)構(gòu)圖，從熱力學(xué)定律F=U-TS分析這種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的突變性的物理本質(zhì)。CuZn合金在742K時(shí)存在有序無(wú)序轉(zhuǎn)變，無(wú)序相是體心立方結(jié)構(gòu)，有序相則為原點(diǎn)和體心分別是銅、鋅原子。AuCu3合金在665k時(shí)存在有序無(wú)序轉(zhuǎn)變，無(wú)序相是面心立方結(jié)構(gòu)，

4、有序相是原點(diǎn)為Au,6個(gè)面心為Cu對(duì)于F=U-TS，F(xiàn)為自由能，當(dāng)系統(tǒng)與環(huán)境取得熱平衡狀態(tài)，F(xiàn)取得最小值，U為內(nèi)能，T為絕對(duì)溫度，S為無(wú)序度。物質(zhì)的平衡態(tài)取決于能量和熵相互競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果，這是有序無(wú)序轉(zhuǎn)變的物理根源。當(dāng)溫度T很大時(shí)，為無(wú)序相；當(dāng)溫度很低時(shí)，形成有序相。1、 解釋下列概念（1） 準(zhǔn)晶準(zhǔn)晶是一種介于晶體和非晶體之間的固體。準(zhǔn)晶具有完全有序的結(jié)構(gòu)，然而又不具有晶體所應(yīng)有的平移對(duì)稱性，因而可以具有晶體所不允許的宏觀對(duì)稱性。（2） TCP結(jié)構(gòu)四面體密堆結(jié)構(gòu)，四面體合金的往往有一種大原子和一種小原子構(gòu)成高配位的環(huán)，有12個(gè)14個(gè)原子環(huán)繞一個(gè)原子。若用同樣的方式堆積不能填滿整個(gè)空間，利用合金結(jié)構(gòu)

5、，有些四面體發(fā)生扭曲來(lái)滿足這個(gè)要求。（3） 玻璃化溫度Tg指過(guò)冷液體轉(zhuǎn)變?yōu)椴ＡB(tài)時(shí)的溫度，即結(jié)構(gòu)無(wú)序的液體轉(zhuǎn)變成結(jié)構(gòu)無(wú)序的固體的溫度。（4） 無(wú)規(guī)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)的基本單元為4個(gè)氧原子構(gòu)成的四面體，并與處于中心處的四價(jià)硅原子鍵合，而相鄰的四面體是其共頂點(diǎn)，因而無(wú)限結(jié)構(gòu)形成后，化學(xué)式保持為SiO2，這樣的結(jié)構(gòu)稱為無(wú)規(guī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（5） 空位形成能從晶內(nèi)正常點(diǎn)陣位置上取出一個(gè)原子并放到晶體表面上所需要的能量。（6） 空位遷移激活能以空位機(jī)制為例，當(dāng)移動(dòng)原子達(dá)到相鄰平衡位置中間時(shí)，所引起的點(diǎn)陣畸變最大，被稱為鞍點(diǎn)組態(tài)，鞍點(diǎn)組態(tài)與正?？瘴唤M態(tài)之間的勢(shì)能差稱為空位遷移激活能。（7） 向錯(cuò)分為楔型向錯(cuò)和扭型向錯(cuò)，

6、剖面兩岸作一剛體式的旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的線缺陷稱為向錯(cuò)。（8） 位錯(cuò)核心寬度位錯(cuò)兩側(cè)原子沿滑移面的相對(duì)位移量的b/43b/4區(qū)域來(lái)界定位錯(cuò)寬度，這一概念是基于這一相對(duì)位移從0到b不是突變而是漸變的。（9） 派-納力位錯(cuò)核心的錯(cuò)排能可隨位置變化，因而引起對(duì)位錯(cuò)滑移的阻力，位錯(cuò)在翻越勢(shì)壘時(shí)所要克服的阻力稱為派-納力。2、 晶體的密堆結(jié)構(gòu)形式主要有哪幾種結(jié)構(gòu)模型？畫出并計(jì)算其堆積系數(shù)及間隙半徑。答：3、 以C元素為例，描述其建聯(lián)結(jié)構(gòu)模式，分析其構(gòu)成的四類先進(jìn)的材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。（1） 金剛石結(jié)構(gòu)：四配位的鍵聯(lián)結(jié)構(gòu)，每個(gè)原子有四個(gè)最近鄰，且分處在以該原子為中心的正四面體的頂角的位置上。（2） 石墨結(jié)構(gòu)：三配位的

7、鍵聯(lián)結(jié)構(gòu)，原子層之間是弱的范德瓦爾斯鍵，層狀結(jié)構(gòu)中原子團(tuán)由強(qiáng)鍵結(jié)合在一起并在二維上無(wú)限延伸。（3） 納米碳管：將是有明顯層狀結(jié)構(gòu)的單個(gè)石墨片構(gòu)成的六角網(wǎng)絡(luò)卷成直徑為納米量級(jí)的碳管。（4） C60團(tuán)族：零維體系鍵聯(lián)結(jié)構(gòu)，具有20個(gè)六邊形和120個(gè)五邊形構(gòu)成，是系統(tǒng)能量最低的C60團(tuán)族。4、 非晶態(tài)材料與晶態(tài)材料有何本質(zhì)區(qū)別？用C曲線原理分析非晶形成的物理過(guò)程？非晶態(tài)材料：長(zhǎng)程無(wú)序，無(wú)平移對(duì)稱性。短程有序晶態(tài)材料：原子周期性排列，原子的取向和位置長(zhǎng)程有序。當(dāng)液體具有一定過(guò)冷度時(shí)，晶核才逐漸長(zhǎng)大。如果從液相冷卻下來(lái)的速度夠快，冷卻曲線將不與C曲線的鼻尖相接觸，避免了結(jié)晶過(guò)程，形成玻璃態(tài)。5、 影響非

8、晶形成的因素有哪些？制備非晶金屬材料有哪些方法？因素：（1）過(guò)冷度（2）冷卻速度（3）擴(kuò)散速率（4）熔融態(tài)粘度方法：（1）氣相沉積法（2）能量泵入法（3）潑濺淬火技術(shù)（4）熔融淬火法（5）激光玻璃化（6）溶膠-凝膠法6、 以石英玻璃為例，畫出SiO2玻璃結(jié)構(gòu)的無(wú)規(guī)網(wǎng)絡(luò)模型，分析其與二氧化硅晶體結(jié)構(gòu)的區(qū)別？答：無(wú)規(guī)性的引入使SiOSi鍵角可以對(duì)平均值產(chǎn)生偏離，鍵長(zhǎng)也可以相應(yīng)的予以伸縮，還可以沿SiO鍵來(lái)旋轉(zhuǎn)四面體的方位，但化學(xué)式保持為SiO2.二氧化硅晶體的原子排布與金剛石中碳原子排列方式相同，只是每?jī)蓚€(gè)Si原子相互獨(dú)立，他們之間插入一個(gè)氧原子，并且鍵長(zhǎng)鍵角固定，二氧化硅晶體結(jié)構(gòu)與二氧化硅玻璃結(jié)

9、構(gòu)明顯不同。7、 從熱力學(xué)觀點(diǎn)，推出并分析點(diǎn)缺陷平衡濃度模型:C=2Aexp(-U/kT)在較低溫度下，列舉并分析引入非平衡點(diǎn)缺陷的一些方法。低溫時(shí)，引入非平衡缺陷的辦法有：（1） 輻照：通過(guò)輻照使原子或離子產(chǎn)生電離損失，產(chǎn)生大量的點(diǎn)缺陷。（2） 離子注入：用高能離子轟擊材料將其嵌入近表面區(qū)域，注入組分離子，產(chǎn)生空位和填隙離子，注入雜質(zhì)原子，則產(chǎn)生代位或填隙雜質(zhì)。（3） 非化學(xué)配比：特定條件下，用化學(xué)的方法按照非化學(xué)配比度來(lái)得到大量的缺陷。（4） 塑性形變：產(chǎn)生形變的本質(zhì)是晶體中位錯(cuò)的大量滑移，因此能產(chǎn)生大量空位和填隙原子。8、 從位錯(cuò)核心結(jié)構(gòu)理論及P-N力模型，分析金屬晶體、共價(jià)晶體、復(fù)雜氧

10、化晶體的力學(xué)性質(zhì)的本質(zhì)區(qū)別？答：位錯(cuò)核心結(jié)構(gòu)理論是指，位錯(cuò)寬度取決于彈性畸變能或錯(cuò)排能這兩個(gè)相反因素的平衡作用。彈性畸變能減小，位錯(cuò)寬度增大，但是錯(cuò)排能增大，位錯(cuò)寬度會(huì)減小。PN力模型：位錯(cuò)核心的錯(cuò)排能可隨位置變化，因而引起對(duì)位錯(cuò)滑移的阻力，位錯(cuò)在翻越勢(shì)壘時(shí)所要克服的阻力稱為PN力。金屬晶體：無(wú)方向性，錯(cuò)排對(duì)位錯(cuò)能量影響相對(duì)較弱，所以位錯(cuò)較寬，PN力較小，位錯(cuò)易滑移，因此具有良好的塑性和延展性。共價(jià)晶體：強(qiáng)方向性，使錯(cuò)排能比彈性畸變能對(duì)位錯(cuò)寬度產(chǎn)生更大的影響，PN力很大，位錯(cuò)寬度較窄，位錯(cuò)難以發(fā)生滑移，因此只有在高溫時(shí)才有一定的塑性。復(fù)雜結(jié)構(gòu)氧化物晶體：由于它們點(diǎn)陣參數(shù)大，位錯(cuò)具有大柏氏矢量，

11、PN力很大，所以位錯(cuò)不易滑移，某些這種類型的晶體甚至在高溫時(shí)難以滑移，塑性很差。1、 解釋概念或行為（1） 小角度晶界相鄰晶粒的位向差小于10°，亞晶界均屬于小角度晶界。（2） 大角度晶界相鄰晶粒的位向差大于10°，多晶體中的晶界大多為大角度晶界。（3） 共格界面具有不同結(jié)構(gòu)的兩固相之間的相界以完全有序、兩相完全匹配的部分稱為共格界面。（4） 反相疇界：無(wú)序有序相變時(shí)，產(chǎn)生許多有序核，相鄰的有序核中的原子以占據(jù)無(wú)序相的同等位置或不同等位置的方式會(huì)合，使得界內(nèi)分成了許多區(qū)域，相鄰區(qū)域間有一非點(diǎn)陣平移，但仍保持共格，只有界面處由正常的配對(duì)狀態(tài)轉(zhuǎn)為非正常配對(duì)狀態(tài)，這種界面稱為反相

12、疇界。（5） 堆垛層錯(cuò)正常堆垛順序中引入不正常順序堆垛的原子面而產(chǎn)生的一類面缺陷（6） 熱電效應(yīng)：當(dāng)受熱物體中的電子(空穴)，因隨著溫度梯度由高溫區(qū)往低溫區(qū)移動(dòng)時(shí)，所產(chǎn)生電流或電荷堆積的一種現(xiàn)象。（7） 霍爾效應(yīng)：當(dāng)電流通過(guò)一個(gè)位于磁場(chǎng)中的導(dǎo)體的時(shí)候，磁場(chǎng)會(huì)對(duì)導(dǎo)體中的電子產(chǎn)生一個(gè)垂直于電子運(yùn)動(dòng)方向上的作用力，從而在導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生電壓差。（8） 能隙：泛指半導(dǎo)體或絕緣體的價(jià)帶頂端至導(dǎo)帶底端的能量差距。（9） 磁滯回線：磁場(chǎng)中，鐵磁體的磁感應(yīng)強(qiáng)度B與磁場(chǎng)強(qiáng)度的的關(guān)系可用曲線來(lái)表示，當(dāng)磁化磁場(chǎng)作周期性變化時(shí)，鐵磁體中的磁感應(yīng)強(qiáng)度B與磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系是一條閉合線，稱為磁滯回線。（10） 磁致伸縮效應(yīng)：當(dāng)

13、強(qiáng)磁體被磁場(chǎng)磁化時(shí)，它的形狀和體積隨之變化，稱為磁致伸縮。（11） 超彈性：指物體彈性模量小，宏觀變形特別大的性質(zhì)。（12） 蠕變：高溫時(shí)，金屬或非金屬在恒定應(yīng)力下，除發(fā)生瞬時(shí)形變外，還要發(fā)生緩慢而持續(xù)的形變，這種形變是隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增加的現(xiàn)象。（13） 斷裂韌性：表征材料阻止裂紋擴(kuò)展的能力，度量材料韌性好壞的指標(biāo)。2、 若拉伸試樣的橫截面面積為A，拉伸載荷為P，針對(duì)超塑性變形力學(xué)方程Ó=Km，試證明：截面縮減率與A（1-1/m）成比例關(guān)系，并說(shuō)明m的物理意義。m的意義：抵抗局部變形或產(chǎn)生均勻變形的能力3、 由題2結(jié)果，結(jié)合蠕變或高溫變形機(jī)理進(jìn)一步分析材料實(shí)現(xiàn)超塑性微觀模型及主

14、要機(jī)制答 ：超塑性：在高溫下某些粒度極細(xì)的金屬材料中，一定條件下發(fā)現(xiàn)其具有非常大的延展性，即在很大的拉伸性變下也不發(fā)生縮頸和斷裂現(xiàn)象。實(shí)現(xiàn)超塑性的條件是：0.3m1，當(dāng)m0.3時(shí)，就不會(huì)出現(xiàn)超塑性；超塑性形變特點(diǎn)：材料在變形前后，晶?；旧媳３值容S，晶界滑動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)變?cè)诳倯?yīng)變中占50%70%比例，這說(shuō)明晶界滑動(dòng)在超塑形變中起了主要作用，也需要晶界遷移與頸內(nèi)位錯(cuò)相配合。蠕變的主要機(jī)制在于位錯(cuò)的攀移，這需要位錯(cuò)在晶體中的擴(kuò)散，只有在高溫區(qū)（T>0.4Tm）才實(shí)現(xiàn)。高溫變形的機(jī)理：位錯(cuò)攀移、回復(fù)再結(jié)晶；晶界滑移；擴(kuò)散蠕變。4、 金屬的電阻率p隨溫度的變化可由下列經(jīng)驗(yàn)公式描述：p=p0(1+a(

15、T-T0)。從輸運(yùn)理論分析并建立金屬材料的這一經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并解釋其結(jié)構(gòu)機(jī)理。進(jìn)一步分析添加合金元素對(duì)金屬導(dǎo)電性的影響。答：在較低溫度范圍內(nèi)(T<T0)，材料的電阻率不隨溫度改變，該電阻率稱為剩余電阻率剩。在較高溫度范圍內(nèi)(T>T0)，電阻隨溫度的升高而成線性上升。得如下經(jīng)驗(yàn)公式： 結(jié)構(gòu)機(jī)理：由多種彼此獨(dú)立的散射過(guò)程產(chǎn)生的電阻率應(yīng)等于各散射過(guò)程所產(chǎn)生的電阻率之和，晶體結(jié)構(gòu)的不完整性和晶格振動(dòng)是晶體中兩類彼此獨(dú)立的散射源，有=不完整性+晶格振動(dòng) 剩余電阻率由不完整性引起，不隨溫度改變，則有剩余=不完整性=雜質(zhì)+缺陷經(jīng)淬火的材料存在大量的缺陷，所以此時(shí)電阻率較高，若再進(jìn)行退火再結(jié)晶，使缺陷

16、大量消失，完整性提高，電阻率下降。合金元素的影響：1.加入合金元素后，因增加了材料的不完整性，所以將對(duì)剩余電阻率產(chǎn)生顯著影響。2.合金元素的原子與金屬導(dǎo)體的原子大小不同，從而改變了晶格參數(shù)，使得散射作用增強(qiáng)。3.合金原子與金屬原子由于電子價(jià)不同，電子濃度有所改變，從而影響費(fèi)米能，繼而影響N(Ef)的值。5、 從半導(dǎo)體導(dǎo)電性質(zhì)與溫度的關(guān)系分析題4中的規(guī)律是否適應(yīng)半導(dǎo)體材料，為什么？答：不適用，半導(dǎo)體中有兩種載流子即電子和空穴，隨著溫度的升高，價(jià)帶中的部分電子躍遷到導(dǎo)帶，并在價(jià)帶中留下等量空穴，它們具有相反的電荷，因其導(dǎo)電率,所以載流子的濃度和遷移速率成為其重要影響因素，溫度越高晶格振動(dòng)越劇烈，晶

17、格散射越強(qiáng)，使得載流子遷移速度降低，但是另一方面載流子的濃度隨溫度的升高按指數(shù)規(guī)律迅速增加，最終本征半導(dǎo)體的電阻率隨溫度的升高呈上升趨勢(shì)，這與金屬情況截然相反，所以上述題不適用于半導(dǎo)體材料。6、 軟磁材料/永磁材料的磁滯回線有何區(qū)別？用磁性形成機(jī)理分析之。答：軟磁材料的磁滯回線窄，矯頑力小(Hc約為1A/m)，磁導(dǎo)率與磁感應(yīng)強(qiáng)度大，易磁化和去磁，因此磁滯回線呈細(xì)長(zhǎng)狀。永磁材料的磁滯回線寬，所圍的面積較大。剩磁與矯頑力大(Hc>100A/m)，因而磁化后，磁感應(yīng)強(qiáng)度能保持不變。7、 推導(dǎo)經(jīng)典電導(dǎo)的導(dǎo)電率模型，分析量子導(dǎo)電理論與之主要區(qū)別。區(qū)別：1.前者認(rèn)為，在外電場(chǎng)的作用下，所有自由電子對(duì)電流都有貢獻(xiàn)，而后者認(rèn)為，只有費(fèi)米級(jí)附近的電子才對(duì)電流有貢獻(xiàn)。2.前者認(rèn)為非周期性元素如晶格振動(dòng)、缺陷、雜質(zhì)原子對(duì)電子的散射作用是晶體材料電阻產(chǎn)生的根源，而后者認(rèn)為理想周期性排列的晶格對(duì)能帶中電子沒有散射作用。前者認(rèn)為電子流動(dòng)的阻力來(lái)源于晶格原子的相互作用。8、 分別描述晶體塑性形變的幾何學(xué)關(guān)系及結(jié)晶學(xué)關(guān)系，以此說(shuō)明非晶材料、晶體材料的形變差異？答：幾何關(guān)系：塑性材料發(fā)生塑性形變時(shí)，常有與拉伸方向成45度角傾斜的傾向滑移形變帶，這種現(xiàn)象在高聚物、金屬晶體和非金屬晶體中