材料化學課后題答案.ppt

1、1,什么是材料化學？其主要特點是什么？,材料化學是與材料相關(guān)的化學學科的一個分支，是與材料的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、制備及應(yīng)用相關(guān)的化學。,材料化學的主要特點是跨學科性和實踐性,2,材料與試劑的主要區(qū)別是什么？,試劑在使用過程中通常被消耗并轉(zhuǎn)化成別的物質(zhì),材料則一般可重復、持續(xù)使用，除正常損耗外，它不會不可逆地轉(zhuǎn)變成其他物質(zhì),3,簡述材料化學的主要研究內(nèi)容,結(jié)構(gòu)：組成原子、分子在不同層次上彼此結(jié)合的形式、狀態(tài)和空間分布,性能：材料固有的化學、物理及力學方面的性能,制備：將原子、分子聚合起來并最終轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏卯a(chǎn)品的一系列連續(xù)的過程,應(yīng)用,4,材料中的結(jié)合鍵有哪幾種？各自的特點如何？對材料的特性有何影響？,5,

2、各種結(jié)合鍵主要特點比較,6,計算體心立方結(jié)構(gòu)和六方密堆結(jié)構(gòu)的堆積系數(shù),單位晶胞原子數(shù) n = 2,bcc,（1）體心立方,7,（2）六方密堆,hcp,n = 6,8,fcc,n = 4,（3）面心立方,9,已知K+和Cl-的半徑分別為0.133 nm 和0.181 nm，試分析KCl的晶體結(jié)構(gòu)，并計算堆積系數(shù),解：因為r+/ r- = 0.133/0.181 = 0.735，其值處于0.732和1.000之間，所以正離子配位數(shù)應(yīng)為8，處于負離子立方體的中心，屬于下面提到的CsCl型結(jié)構(gòu)。,a0 = 2r+ + 2r- = 2(0.133) + 2(0.181) = 0.628 nm a0 =

3、0.363 nm,2r+2r -,10,簡要回答晶體和非晶體的區(qū)別和轉(zhuǎn)化,從空間結(jié)構(gòu)上來說，晶體長程；短程都有序，非晶體長程無序短程有序。,宏觀性質(zhì)來說，（1）晶體具有整齊、規(guī)則的幾何外形；非晶體沒有一定的幾何形狀。（2）晶體具有各向異性；非晶體各向同性。（3）晶體有固定的熔點；非晶體沒有。,從熱力學來說，晶體為熱力學穩(wěn)定狀態(tài)；非晶體熱力學不穩(wěn)定。,區(qū)別：,轉(zhuǎn)化：,非晶體容易向晶體轉(zhuǎn)化，而晶體只有在極端的條件下（如驟冷）才可以向晶體轉(zhuǎn)化,11,Chapter2 Structure of Materials,固溶體與溶液有何異同？固溶體有機種類型？,相同點：都有兩種或兩種以上的組分組成；都可以形

4、成分散均勻、穩(wěn)定的單一相，都存在溶解度,不同點：狀態(tài)不同，溶液為液態(tài)，固溶體為固態(tài)；結(jié)構(gòu)不同，固溶體的溶質(zhì)結(jié)構(gòu)和溶劑相似，溶液只有在稀溶液時才相同；性質(zhì)不同，固溶體的性質(zhì)與溶劑有關(guān)，但溶液只有在稀溶液時才相同。,分類：固溶體分為置換型固溶體和填充型固溶體,12,試述影響置換型固溶體的固溶度的因素,Hume-Rothery經(jīng)驗規(guī)則,當 時，溶質(zhì)與溶劑之間可以形成連續(xù)固溶體； 當 時，溶質(zhì)與溶劑之間只能形成有限型固溶體； 當 時，溶質(zhì)與溶劑之間很難形成固溶體或不能形成固溶體，而容易形成中間相或化合物。,（1）原子或離子尺寸的影響,13,Chapter2 Structure of Materials

5、,（2）電價因素,一般來說，兩種固體只有在離子價相同或同號離子的離子價總和相同時，才可能滿足電中性的要求，生成連續(xù)固溶體。,（3）離子類型和鍵性,化學鍵性質(zhì)相近，即取代前后離子周圍離子間鍵性相近，容易形成固溶體。,（4）晶體結(jié)構(gòu)類型的影響,溶質(zhì)與溶劑晶體結(jié)構(gòu)類型相同，能形成連續(xù)固溶體,14,Chapter2 Structure of Materials,說明下列符號的意義,VNa,Na脫離開原來的位置，形成的空位,Na+脫離開原來的位置，形成的空位， 有效電荷為-1,Cl-脫離開原來的位置，形成的空位，有效電荷為+1,CaK,Ca2+ 取代K+而進入K+的位置，有效電荷為+1,CaCa,Ca取

6、代Ca而進入占據(jù)Ca的位置,Ca2+進入間隙位置，有效電荷為+2,15,Chapter2 Structure of Materials,寫出CaCl2溶解在KCl中的各種可能的缺陷反應(yīng)式,Ca2+取代K+，Cl-進入Cl-晶格位置： Ca2+取代K+，Cl-進入間隙位置： Ca2+進入間隙位置，Cl-占據(jù)晶格位置：,16,試求下圖中所示方向的密勒指數(shù),17,試求下圖中所示面的密勒指數(shù),A面：朝x方向平移一晶格參數(shù)，則x1，y，z 故為（1,0,0）,B面： x1，y-1，z 1/2 故為（1,1,1/2），即（1,1,2）,C面： x1，y1，z -3/4 故為（1,1,-3/4），即（1,1

7、,-4/3） 即（3,3,4）,18,D面：x1，y1/3，z 故為（1,1/3, ）， 即為（1,3,0）,E面：x0，y0，z ,故須平移，朝x方向平移一晶格參數(shù)，則 x1，y-1，z 故為（1,-1, ），即為（1,1,0）,F面： x0，y0，z 1/2,故須平移，朝x方向平移一晶格參數(shù)，則 x1，y-1，z 1/2 故為（1,-1, 1/2 ），即為（1,1,2）,19,用固體能帶理論說明什么是導體、半導體、絕緣體？,2.1.3.5 Electrical property,滿帶：充滿電子的能帶 空帶：部分充滿或全空的能帶 價帶：價電子填充的能帶 禁帶：導帶及滿帶之間的空隙,導帶,20

8、,導體：價帶未滿，或價帶全滿但禁帶寬度為零，此時，電子能夠很容易的實現(xiàn)價帶與導帶之間的躍遷。,半導體：價帶全滿，禁帶寬度在0.1-3eV之間，此時，電子可以通過吸收能量而實現(xiàn)躍遷。,絕緣體：價帶全滿，禁帶寬度大于5eV，此時，電子很難通過吸收能量而實現(xiàn)躍遷,21,有一根長為5 m，直徑為3mm的鋁線，已知鋁的彈性模量為70Gpa，求在200N的拉力作用下，此線的總長度。,=5.002m,22,試解釋為何鋁材不易生銹，而鐵則較易生銹?,鋁在空氣中可以生成致密得氧化物膜，阻止與空氣得 進一步接觸，所以不易生銹,鐵在空氣中生成疏松得氧化物膜，不能隔絕空氣；特 別是鐵在潮濕得空氣中能夠發(fā)生電化學反應(yīng)，

9、因此加 大了銹蝕，所以鐵較易生銹。,23,為什么堿式滴定管不采用玻璃活塞?,玻璃的主要原料為SiO2， 而SiO2為酸性氧化物，因 此，容易在堿性條件下發(fā)生化學反應(yīng):,SiO22NaOHNa2SiO3H2O,造成活塞失靈。,24,何種結(jié)構(gòu)的材料具有高硬度？如何提高金屬 材料的硬度？,由共價鍵組成的材料具有高的硬度，離子鍵次之。,金屬材料在形成固溶體或合金時可以有效地提高金 屬材料的硬度。,25,熱膨脹受什么因素影響？試用勢能圖說明,熱膨脹主要受到鍵強的影響，鍵強越強，熱膨脹越弱。 此外，組織結(jié)構(gòu)也對熱膨脹有影響。結(jié)構(gòu)緊密的固體， 膨脹系數(shù)大。,26,27,Cs熔體的標準吉布斯自由能（單位為J）

10、與溫 度T（單位為K）的關(guān)系為 Gm2100-6.95T， 求熔點,到熔點時Gm0,T,2100,6.95,302.2K,即29.2,28,通過埃靈罕姆圖解釋為何碳在高溫下可以用作 金屬氧化物還原劑,對于該反應(yīng)式從圖中可以看出，其溫度越高， G0的負值越大，其穩(wěn)定性也就越高，即該反應(yīng)中碳的還原性越強。,29,埃靈罕姆圖上大多數(shù)斜線的斜率為正，但反應(yīng) C+O2=CO2的斜率為0，反應(yīng)2C+O2=2CO的斜 率為負，請解釋原因,氧化過程氣體數(shù)目不變，則S0=0, (-S0)=0，斜率為零。,G0與溫度T關(guān)系式的斜率為-S0,氧化過程氣體數(shù)目增加，則S00, (- S0)0，斜率為負。,30,吉布斯

11、相律通常為f=c-p+2，為什么在固體材料 的研究中，相律一般可表達成f=c-p+1,相律式中的2表示溫度和壓力，但對于固體材料來說，壓力的影響不大，只受溫度的影響，所以相律表達為f=c-p+1。,31,一合金的成分為90Pb-10Sn。（a）請問此合金 在100、200、300時含有哪幾種相？ （b）在哪個溫度范圍內(nèi)將將只有一相存在？,300時，此合金含晶體和液體L,200時，此合金只含有晶體,100時，此合金含有晶體和,在140到275時，此合金只有一相存在。,32,固溶體合金的相圖如下圖所示，試根據(jù)相圖確定： （a）成分為40B的合金首先凝固出來的固體成分是？ （b）若首先凝固出來的固體

12、成分含60B，合金成分為？ （c）成分為70B的合金最后凝固的液體成分是？ （d）合金成分為50B，凝固到某溫度時液相含有40 B， 固體含有80B，此時液體和固體各占多少分數(shù)？,（a）80B,（b）20B,（c）25B,（d）WL/W(C-C0)/(C0-CL),=(80%B-50%B)/(50%B-40%B),=3/1,所以液體占25，固體占75,33,黑色金屬：,鐵、鈷、錳金屬及它們的合金,有色金屬：,馬氏體：,奧式體：,超耐熱合金：,除鐵、鈷、錳之外的金屬,碳溶解在-Fe中形成的間隙固溶體,碳溶解在-Fe中形成的過飽和固溶體,能在7001200高溫下仍能長時間保持所 需力學性能，具抗氧

13、化、抗腐蝕能力，且能 滿意工作的金屬材料通稱超耐熱合金。,34,金屬間化合物：,金屬固溶體：,一個（或幾個）金屬組元的原子溶入另一 個金屬組元的晶格中，而仍保持另一金屬 組元的晶格類型的固態(tài)晶體。,形成金屬固溶體后，繼續(xù)增大溶質(zhì)金屬的 量，溶質(zhì)析出與溶劑反應(yīng)，形成一種晶格 類型及性能與任意合金組元不同新相,35,簡述形狀記憶合金的原理,形狀記憶效應(yīng)源于某些特殊結(jié)構(gòu)合金在特定溫度下發(fā)生的 馬氏體奧氏體相組織結(jié)構(gòu)的相互轉(zhuǎn)化。當溫度降低時， 面心立方結(jié)構(gòu)的母體奧氏體逐漸轉(zhuǎn)變成體心立方或體心四 方結(jié)構(gòu)的馬氏體，溫度上升時，馬氏體又會向奧氏體轉(zhuǎn)變， 最終恢復到原來的形狀。,36,介紹儲氫合金類別，并說明

14、其儲氫、釋氫化學過程,儲氫：一個金屬原子能與兩個、三個甚至更多的氫原子結(jié)合，生成穩(wěn)定的金屬氫化物，同時放出熱量。 釋氫：將其稍稍加熱，氫化物又會發(fā)生分解，將吸收的氫釋放出來，同時吸收熱量。,37,討論儲氫合金在鎳氫電池領(lǐng)域的工作原理,充電時，金屬作為陰極電解KOH水溶液時，生成的氫 原子在材料表面吸附，繼而擴散入電極材料表面進行 氫化反應(yīng)生成金屬氫化物；放電時，金屬氫化物作為 陰極釋放所吸收的氫原子并氧化為水。電極反應(yīng)為：,充電：,M+H2O+e-,MH+OH-,Ni(OH)2+OH-,NiOOH+H2O+e-,放電：,MH+OH-,M+H2O+e-,NiOOH+H2O+e-,Ni(OH)2+

15、OH-,38,超塑性合金一般具有怎樣的結(jié)構(gòu)特點？,超塑性合金的組織結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)是晶粒一般為微小等 軸的晶粒。,39,非晶態(tài)金屬材料一般如何制得？它具有什么突 出性能特點？結(jié)構(gòu)上是熱力學穩(wěn)定體系嗎？,非晶態(tài)合金一般通過電鍍、激光法及熔體旋輥急冷 法制備。,性能特點:（1）高強度高韌性的力學性能 （2）高導磁、低鐵損的軟磁性能 （3）耐強酸、強堿腐蝕的化學特性 （4）電性能提高,結(jié)構(gòu)上為熱力學亞穩(wěn)體系,40,一般金屬材料是否為單晶態(tài)金屬結(jié)構(gòu)？,一般金屬材料為多晶態(tài)金屬結(jié)構(gòu),41,玻璃體：,熔體冷卻后呈堅硬無定形狀態(tài)的無機物,陶瓷：,所有以粘土為主要原料與其它天然礦物原料經(jīng)過粉碎、混煉、成形、燒結(jié)等過程

16、而制成的各種制品,p-型半導體：,以空穴為載流子的半導體,蒙脫土：,兩個四面體片夾一八面體片組成一個晶片，八面體片中，部分Mg取代Al而使層片帶負電，多余電荷由層間陽離子中和。,42,結(jié)構(gòu)陶瓷:,作為工程結(jié)構(gòu)材料使用的陶瓷材料,高嶺土：,四面體片與八面體片通過共用氧原子結(jié)合成一個晶片，晶片間以氫鍵相連，水化時基本不膨脹。,介電陶瓷：,具有介電性能的陶瓷，即在電場作用下帶電粒子只能產(chǎn)生微觀上的位移而不能進行宏觀上的遷移的性質(zhì)的陶瓷。,鐵電陶瓷：,具有鐵電性能的陶瓷，即在除去外電場后仍保持部分極化狀態(tài)的陶瓷,43,壓電陶瓷：,具有壓電效應(yīng)，能夠?qū)C械能和電能互相轉(zhuǎn)換的功能陶瓷材料。,超導體：,具有在超低溫下失去電阻性質(zhì)的物質(zhì)。,44,材料科學中得三大基礎(chǔ)材料是什么？,金屬材料、無機非金屬材料及高分子材料,45,硅酸鹽玻璃與硅酸鹽陶瓷結(jié)