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(diǎn)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(diǎn)陣 ：表示晶體結(jié)構(gòu)中各類等同點(diǎn)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(diǎn) 重復(fù)規(guī)律的幾何圖形。）晶向：空間點(diǎn)陣的結(jié)點(diǎn)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(gè)格子可以形成方向不同的晶列，每一個(gè)晶列定義了一個(gè)方向，稱為 晶向。晶面 ：空間點(diǎn)陣的結(jié)點(diǎn)可以從各個(gè)方向被劃分為許多組平行且等距的平面點(diǎn)陣，這些平面點(diǎn)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(diǎn)群：晶

2、體結(jié)構(gòu)中所有點(diǎn)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(gè)晶體結(jié)構(gòu)中所有對稱要素集合。肖特基缺陷： 正常格點(diǎn)上的質(zhì)點(diǎn)，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(diǎn)上留下空位。弗倫克爾缺陷：在晶格熱振動(dòng)時(shí)，一些能量較大的質(zhì)點(diǎn)離開平衡位置后，進(jìn)入到間隙位置， 形成間隙質(zhì)點(diǎn)，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

3、由度 F 之間關(guān)系的規(guī)律。相圖：表達(dá)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 ）、i, m, 1, 2, 3, 4, 6, 4（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(dòng)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(shí)際晶體結(jié)構(gòu)、基元和點(diǎn)陣的關(guān)系可概括

4、為（ 晶體結(jié)構(gòu) = 點(diǎn)陣 + 基元 ）；點(diǎn)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(gè)晶向構(gòu)成了一個(gè)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。6、 晶體的對稱要素中點(diǎn)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_ 、

5、_滑移面 。7、 晶族、晶系、點(diǎn)群、布拉菲格子、空間群的數(shù)目分別是 _3 、_7_ 、_32_ 、14_ 、_230_ 。8、 晶 體 中 存 在 有 （ 8 ） 種 獨(dú) 立 的 宏 觀 對 稱 要 素 ， 分 別 為 （ ）。6、 根據(jù)相應(yīng)的對稱性特征，可以把所有晶體的空間點(diǎn)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(diǎn)缺陷 ）、（線缺陷）、（面缺陷）、（體缺陷）12、 晶體中的點(diǎn)缺陷按幾何位置和成分可分為（空位）、（間隙質(zhì)點(diǎn)）、（雜質(zhì)原子），按形成原因可分為（本征缺陷或熱缺陷）、（非本征

6、缺陷或雜質(zhì)缺陷）和（非化學(xué)計(jì)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?？煞譃椋庪x子空位型）、（陽離子填隙型）、（陰離子填隙型）和（陽離子空位型）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)1 1 0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(cuò)分為（刃位錯(cuò)）和（螺位錯(cuò)）。16、 位錯(cuò)是在滑移面上局部滑移區(qū)的邊界，刃位錯(cuò)方向與滑移的方向（ 垂直 ），螺位錯(cuò)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(jì)

7、算：1、按材料的發(fā)展水平，簡述材料發(fā)展的五個(gè)過程，這五個(gè)過程的關(guān)系如何？天然材料，燒煉材料，合成材料，可設(shè)計(jì)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(gè)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。規(guī)則的幾何外形（食鹽、石英、明礬等分別具有立方體、六角柱體和八面體的幾何外形），晶面角守恒，有固定的熔點(diǎn)，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(diǎn)。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(shí)，非晶態(tài)中的原子（離子）的運(yùn)動(dòng)幅度較小，同時(shí)晶核的形成和生長都比較困難，因此非晶態(tài)向晶態(tài)的

8、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(gè)面心立方格子，標(biāo)出其中的 111 、121 及晶向。1111 1 01215、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？對稱操作類 對稱要素及符號 型對稱操作簡單旋轉(zhuǎn)軸 n鏡面（反映面） m對稱中心 i旋轉(zhuǎn)反映反演（倒反）復(fù)合反軸 n旋轉(zhuǎn)反演7、找出一個(gè)立

9、方體具有的所有旋轉(zhuǎn)軸。具有 3 個(gè)互相垂直的 4 度旋轉(zhuǎn)軸，4 個(gè) 3 度軸（即體對角線），6 個(gè) 2 度軸（即面對角線）。（另外還有：3 個(gè)與 4 度軸垂直的對稱面，6 個(gè)與 2 度軸垂直的對稱面，以及 1 個(gè)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）？ 并說明金屬鎂之所以是金屬而不是絕緣體或半導(dǎo)體的原因？n-5-9-5n U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(jià)帶能級，形成不滿帶；另一種是價(jià)帶與空帶重疊，電子在沒有排滿價(jià)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

10、 落在布里淵區(qū)邊緣時(shí)，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(diǎn)缺陷中，兩類典型的熱缺陷是什么？各自有什么特點(diǎn)？肖特基缺陷，特點(diǎn)：離子晶體中的肖特

11、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(diǎn)：間隙質(zhì)點(diǎn)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 晶體中，肖特基缺陷的生成能為 6ev，計(jì)算在 25和 1600時(shí)熱缺陷的濃度。根據(jù)nN=expæ U öç- S ÷è 2 kT ø，由題意 Us = 6ev，k= 8.617×105 eV/KT = 25 + 273 = 298 K T = 1600 + 273 = 1873K 1 2298K：

12、=expNæ 6 öç- ÷ è 2 ´8.617 ´10 ´298 ø=1.92 ´10-511873K：n æ 6 ö=exp ç- ÷=8´10N è 2 ´8.617 ´10 ´1873 ø11 、對某晶體的缺陷測定生成能為 84K J/mol ，計(jì)算該晶體在 1000K 和 1500K 時(shí)的缺陷濃 度。解：根據(jù)熱缺陷濃度公式： =exp( - )N 2kTn U 840001n U 84

13、00022-x1-x由題意 U = 84 KJ/mol = 84000J/mol ( 1 eV = 1.602×10-19J)n U則=exp( - )N 2 RT其中 R = 8.314 J/mol ·K當(dāng) T =1000K 時(shí)， =exp( - ) =exp( -N 2 RT 2 ´8.314 ´1000) =6.4 ´10-3當(dāng) T =1500K 時(shí)， =exp( - ) =exp( -N 2 RT 2 ´8.314 ´1500) =3.45 ´10-212 、寫出下列缺陷反應(yīng)式：（1 ）NaCl 形成肖特基

14、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。+(1)0 ® V'Na+V Cl(2)AgAg® Agi+V'Ag(3) Ca2+置換 KCl 中 K+缺陷反應(yīng)式如下：CaCl ¾KCl¾®Ca +V ¢ 2 K K+2ClClCa2+進(jìn)入到 KCl 間隙中而形成點(diǎn)缺陷的反應(yīng)式為：13 、非化學(xué)計(jì)量氧化物 TiO 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；2-x（b）求其缺陷濃度表達(dá)式。解：非化學(xué)計(jì)量氧化物 TiO ，其晶格缺陷屬

15、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(jì)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(jì)量化合物 Fe O 及 Zn O 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1-x 1+x變化？為什么？解：（a）非化學(xué)計(jì)量化合物 Fe O，是由于正離子空位，引起負(fù)離子過剩：221-x1- x1+x2i1+x1+x平衡常數(shù)K =O V '' h O Fe1P 2O2電中性條件：由此可得2V '' =h Fe1 V '' = hFe µ P 1/ 6 O2即

16、：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(shí)，鐵空位濃度增加， 晶體質(zhì)量減小，則 Fe O 的密度也將減小。Fe O 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(shí)，空穴濃度增加，材料導(dǎo)電率增大。（b）非化學(xué)計(jì)量化合物 Zn O，由于正離子填隙，使金屬離子過剩：反應(yīng)平衡常數(shù)：電中性條件：1K = Zn e' 2 P 2 i O2 Zn = e ' i得1Zn = e2' µ P -1/ 6 O2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，間隙離子濃度減小， 晶體質(zhì)量減小，

17、則 Zn O 的密度也將減小。Zn O 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(shí)，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(diǎn)?n 固態(tài)相變：固態(tài)物質(zhì)在溫度、壓力、電場、磁場改變時(shí)，從一種組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成另 一種組織結(jié)構(gòu)。n 固態(tài)相變中的變化：晶體結(jié)構(gòu)，化學(xué)成分，有序程度n 固態(tài)相變驅(qū)動(dòng)力：新相與母相的自由能差n 固態(tài)相變的分類：（1） 按照熱力學(xué)的觀點(diǎn)分類，可分為：一階相變和二階相變一階相變：相變時(shí)兩相的化學(xué)勢相等（

18、81; = µ ），但化學(xué)勢對溫度及壓力的一階偏微分1 2（S、V）不等。即：一級相變時(shí)，熵及體積會發(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(shí)兩相的化學(xué)位相等（µ = µ ），化學(xué)位的一階偏微分也相等（S =S ,V =V ） ，1 2 1 2 1 2但二階偏微分不相等（ C C ，K K ，a a ） 。p1 p2 1 2 1 2即，二級相變時(shí)，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(dòng)力學(xué)的觀點(diǎn)（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(diǎn)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 為金剛石，由原來 3 配位的六邊形平面層結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)變?yōu)?4 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(diǎn)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(shí)