材料化學(xué)期末考試預(yù)測(cè)題

材料化學(xué)期末考試預(yù)測(cè)題1：[論述題]1-1、無機(jī)材料化學(xué)是一門什么樣的學(xué)科？1-2、無機(jī)材料化學(xué)主要研究哪些方面的問題？參考答案：1-1、參考答案：無機(jī)材料化學(xué)是研究無機(jī)材料，主要是無機(jī)非金屬材料的制備、組成、結(jié)構(gòu)、表征、性質(zhì)和應(yīng)用的一門學(xué)科。1-2、參考答案：無機(jī)材料化學(xué)主要研究：無機(jī)材料的制備原理、無機(jī)材料的成鍵本質(zhì)和結(jié)構(gòu)、無機(jī)材料的表征、無機(jī)材料的物理性質(zhì)及反應(yīng)性能、無機(jī)材料的設(shè)計(jì)，這五個(gè)方面的問題。2：[論述題]1-3、材料科學(xué)與化學(xué)和物理學(xué)有何聯(lián)系？參考答案：1-3參考答案：在材料科學(xué)與工程領(lǐng)域里，有化學(xué)、物理、相關(guān)理論和工程4個(gè)方面的內(nèi)容。由于研究的對(duì)象不同，化學(xué)方面的內(nèi)容又分為高分子化學(xué)和無機(jī)材料化學(xué)等。無機(jī)材料化學(xué)是材料科學(xué)的一個(gè)極重要的分支，又可以是化學(xué)學(xué)科的一部分，呈明顯的交叉、邊緣學(xué)科的性質(zhì)。材料科學(xué)和物理、化學(xué)、相關(guān)理論及工程學(xué)的關(guān)系。1：[論述題]3-1-1、晶體結(jié)構(gòu)具有哪些基本特征？3-1-2、晶體具有哪些共性？3-1-3、何謂非晶態(tài)金屬材料的基本特征？3-1-4、鐵電體的概念是什么？3-1-5、反鐵電體的概念是什么？3-1-6、正壓電效應(yīng)（壓電效應(yīng)）的概念是什么？3-1-7、逆壓電效應(yīng)的概念是什么？3-1-8、缺陷化學(xué)的研究對(duì)象和內(nèi)容是什么？3-1-9、缺陷化學(xué)有什么理論意義和實(shí)用價(jià)值？參考答案：3-1-1參考答案：原子（或分子、離子）在三維空間呈周期性重復(fù)排列，即存在長(zhǎng)程有序。3-1-2參考答案：由于具有周期性的空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，晶體具有下列共同性質(zhì)：均一性，即晶體不同部位的宏觀性質(zhì)相同；各向異性，即晶體在不同方向上具有不同的物理性質(zhì)；自限性，即晶體能自發(fā)地形成規(guī)則的幾何外形；對(duì)稱性，即晶體在某些特定方向上的物理化學(xué)性質(zhì)完全相同；具有固定熔點(diǎn)；內(nèi)能最小。性能上兩大特點(diǎn)：固定的熔點(diǎn)，各向異性。3-1-3參考答案：①非晶態(tài)形成能力對(duì)合金的依賴性；②結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)程無序和短程有序性；③熱力學(xué)的亞穩(wěn)性3-1-4參考答案：晶體中存在著自發(fā)極化，并且這種極化的方向能隨著外界電場(chǎng)而改變，這樣的晶體就稱為鐵電體。3-1-5參考答案：有些晶體雖然也有自發(fā)極化，但順電相相鄰晶胞的自發(fā)極化方向相反而且相互平行，因此晶體總的自發(fā)極化宏觀上仍為零，這種晶體稱為反鐵電體。3-1-6參考答案：當(dāng)某些晶體受到機(jī)械力作用時(shí)，在一定方向的表面上產(chǎn)生束縛電荷，且其電荷密度大小與所加應(yīng)力大小呈線性關(guān)系，這種由機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的現(xiàn)象，稱為正壓電效應(yīng)，簡(jiǎn)稱為壓電效應(yīng)。3-1-7參考答案：當(dāng)晶體在外電場(chǎng)激勵(lì)下，在某些方向上產(chǎn)生應(yīng)變，且應(yīng)變和場(chǎng)強(qiáng)之間存在著線性關(guān)系，這種由電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為機(jī)械效應(yīng)的現(xiàn)象，則稱為逆壓電效應(yīng)。3-1-8參考答案：缺陷化學(xué)的研究對(duì)象是點(diǎn)缺陷，但不包括聲子和激子。其研究?jī)?nèi)容涉及點(diǎn)缺陷的生成、點(diǎn)缺陷的平衡、點(diǎn)缺陷之間的反應(yīng)、點(diǎn)缺陷的存在所引起的固體中載流子（電子和空穴）的變化、點(diǎn)缺陷對(duì)固體性質(zhì)的影響以及如何控制固體中點(diǎn)缺陷的種類和濃度等。3-1-9參考答案：缺陷化學(xué)具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。固體中的化學(xué)反應(yīng)，只有通過缺陷的運(yùn)動(dòng)。陶瓷材料在高溫時(shí)能正常燒結(jié)的基本條件是：材料中要有一定的缺陷機(jī)構(gòu)與缺陷濃度，以使許多傳質(zhì)過程能順利進(jìn)行。點(diǎn)缺陷對(duì)材料的性質(zhì)也有重要的影響，例如，固體材料的導(dǎo)電性與缺陷關(guān)系極大?？梢哉f，缺陷化學(xué)及其相關(guān)的能帶理論，是無機(jī)材料化學(xué)中最重要的內(nèi)容。正如West所說："在固態(tài)科學(xué)中，晶體缺陷的研究是一個(gè)活躍和迅速發(fā)展的領(lǐng)域。”2：[論述題]3-2-1、何謂非化學(xué)計(jì)量缺陷？3-2-2、何謂弗侖克爾缺陷？3-2-3、何謂肖特基缺陷？3-2-4、何謂色心（F色心）？3-2-5、何謂非整比化合物缺陷（化合物）材料？3-2-6、什么是納米、納米結(jié)構(gòu)、納米技術(shù)？3-2-7、納米微粒的概念是什么？3-2-8、納米固體的概念是什么？3-2-9、原子團(tuán)簇的概念及特性是什么？參考答案：3-2-1參考答案：非化學(xué)計(jì)量化合物的晶格結(jié)點(diǎn)中帶有空位，或含有處于間隙位臵的填隙原（離）子，存在著缺陷，在組成和結(jié)構(gòu)兩方面顯示出非化學(xué)計(jì)量的特征；而熱缺陷并不會(huì)造成組成的改變。非化學(xué)計(jì)量缺陷也是某些固體材料所固有的，盡管它的濃度不僅會(huì)隨溫度而變化，而且會(huì)隨著周圍氣氛性質(zhì)及其分壓大小的改變而改變；但熱缺陷一般與氣氛無關(guān)。3-2-2參考答案：在形成熱缺陷時(shí)，晶體中具有足夠高能量的原（離）子離開其平衡位臵，擠入晶體中的間隙位臵，造成微小的局部晶格畸變，成為所謂填隙原子，而在其原來的位臵上形成空位，這種缺陷稱為弗侖克爾缺陷。這種填隙原子是晶體本身所具有的，所以又稱為自填隙原子，以區(qū)別于雜質(zhì)原子。弗侖克爾缺陷的特點(diǎn)是填隙原子或離子與晶格結(jié)點(diǎn)空位成對(duì)出現(xiàn)，晶體內(nèi)局部晶格畸變，但總體積不發(fā)生可觀察到的改變。簡(jiǎn)言之，在晶格熱振動(dòng)時(shí)，一些能量足夠大的原子離開平衡位臵后，擠到晶格間隙位臵，成為填隙原子，而在原來的位臵上留下一個(gè)空位，這種缺陷稱為弗侖克爾缺陷。3-2-3參考答案：肖特基缺陷是由于晶體表面附近的原子熱運(yùn)動(dòng)到表面，在原來的原子位臵留出空位，然后內(nèi)部鄰近的原子再進(jìn)入這個(gè)空位，這樣逐步進(jìn)行而造成的，看來就好像是晶體內(nèi)部原子跑到晶體表面來了。顯然，對(duì)于離子晶體，陰陽離子空位總是成對(duì)出現(xiàn)；但若是單質(zhì)，則無這種情況。除了表面外，肖特基缺陷也可在位錯(cuò)或晶界上產(chǎn)生。這種缺陷在晶體內(nèi)也能運(yùn)動(dòng)，也存在著產(chǎn)生和復(fù)合的動(dòng)態(tài)平衡。對(duì)一定的晶體來說，在確定的溫度下，缺陷的濃度也是一定的?？瘴蝗毕莸拇嬖诳捎脠?chǎng)離子顯微鏡直接觀察到。簡(jiǎn)言之，肖特基缺陷：正常結(jié)點(diǎn)上的原子，在能量起伏過程中獲得足夠的能量后，離開平衡位臵遷移到晶體表面正常結(jié)點(diǎn)位臵，在原來的位臵上留下空位。一般在結(jié)構(gòu)比較緊密，沒有較大空隙的晶體中或在陰、陽離子半徑相差較小的晶體中比較容易形成肖特基缺陷。3-2-4參考答案：固體物理和固體化學(xué)里的一個(gè)相當(dāng)大的領(lǐng)域與研究堿金屬鹵化物晶體中的色心有關(guān)，最典型例子是F色心。在20世紀(jì)20年代，Pohl根據(jù)顏色的德文單詞Farbe，把這種缺陷稱為F中心（F-centre，德文為Farbenzentre），后人習(xí)慣上把它改稱為F色心。NaCl晶體在Na蒸氣中加熱會(huì)變成淺綠黃色，這種現(xiàn)象被認(rèn)為F色心的形成有關(guān)。此時(shí)，1個(gè)Na原子擴(kuò)散到NaC1晶體的內(nèi)部時(shí)，是以過剩的Na＋存在，同時(shí)引入1個(gè)電子。為了保持晶格中Na＋和Cl?之間的位臵關(guān)系，會(huì)造成1個(gè)Cl?空位，這種陰離子空位稱為α中心。這個(gè)失去了負(fù)電荷的空位帶正電，能捕獲由Na所引入的1個(gè)價(jià)電子，形成了所謂的F色心和1個(gè)Na＋。F色心是由1個(gè)陰離子空位和1個(gè)在此位臵上的電子組成的，它是個(gè)陷落的電子中心(atrapped-electroncentre)。一般來說，堿金屬原子的價(jià)電子并不束縛在某個(gè)特定的原子或離子上，它可以遷移穿越過點(diǎn)陣，并最終束縛在鹵素原子空位上。F色心實(shí)際上是沒有原子核的價(jià)電子，或稱為類氫原子。3-2-5參考答案：道爾頓的定比定律圓滿地解釋了有機(jī)化學(xué)中分子晶體的許多現(xiàn)象，雖然它有時(shí)需要加以修正，才能用以說明單鍵、雙鍵、叁鍵、鏈狀或環(huán)狀化合物的結(jié)構(gòu)問題。后來研究發(fā)現(xiàn)，這種嚴(yán)格按化學(xué)計(jì)量形成的化合物其實(shí)是一種很特殊的情況，大多數(shù)原子或離子晶體化合物并不符合定比定律，其正負(fù)離子的比，并不是一個(gè)簡(jiǎn)單、固定的值。它們呈現(xiàn)范圍很寬的組成，并且組成和具體結(jié)構(gòu)之間沒有簡(jiǎn)單的對(duì)應(yīng)關(guān)系(或化學(xué)同一性)，這些化合物被稱為非化學(xué)計(jì)量化合物、非化學(xué)計(jì)量比化學(xué)物、非化學(xué)配比化合物或非整比化合物，或被稱為偏離整比的化合物。3-2-6參考答案：納米是一種度量單位，1納米為百萬分之一毫米，即1毫微米，也就是十億分之一米。納米結(jié)構(gòu)通常是指尺寸在100納米以下的微小結(jié)構(gòu)，在這種水平上對(duì)物質(zhì)和材料進(jìn)行研究、處理的技術(shù)稱為納米技術(shù)。納米技術(shù)其實(shí)就是一種用單個(gè)原子、分子制造物質(zhì)的科學(xué)技術(shù)。3-2-7參考答案：納米微粒是指顆粒尺寸為納米量級(jí)的超微顆粒，它的尺寸大于原子團(tuán)簇(cluster)，小于通常的微粉。在固體物理和分子化學(xué)中，常將含有幾個(gè)到幾百個(gè)原子或尺度小于1nm的粒子稱為"簇”，它是介于單個(gè)原子和固態(tài)之間的原子集合體。納米微粒一般在1~100nm之間。（5）可在相當(dāng)?shù)偷臏囟认洛兩细呷埸c(diǎn)材料鍍層；（6）可控制晶粒大小與微結(jié)構(gòu)（7）CVD設(shè)備通常比PVD簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)。缺點(diǎn)：（1）反應(yīng)需要揮發(fā)性化合物，不適用于一般可電鍍的金屬，因其缺少適合的反應(yīng)物，如：錫、鋅、金；（2）需可形成穩(wěn)定固體化合物的化學(xué)反應(yīng)，如：硼化物、氮化物及硅化物等；（3）因有劇毒物質(zhì)的釋放，腐蝕性的廢氣及沉積反應(yīng)需適當(dāng)控制，需要封閉系統(tǒng)；（4）某些反應(yīng)物價(jià)格昂貴；（5）反應(yīng)物的使用率低，反應(yīng)常受到沉積反應(yīng)平衡常數(shù)的限制。溶膠-凝膠法的優(yōu)缺點(diǎn)有哪些？答：優(yōu)點(diǎn)：（1）由于溶膠－凝膠法中所用的原料首先被分散到溶劑中而形成低粘度的溶液，因此，就可以在很短的時(shí)間內(nèi)獲得分子水平的均勻性，在形成凝膠時(shí)，反應(yīng)物之間很可能是在分子水平上被均勻地混合。（2）由于經(jīng)過溶液反應(yīng)步驟，那么就很容易均勻定量地?fù)饺胍恍┪⒘吭兀瑢?shí)現(xiàn)分子水平上的均勻摻雜；（3）與固相反應(yīng)相比，化學(xué)反應(yīng)將容易進(jìn)行，而且僅需要較低的合成溫度，一般認(rèn)為溶膠一凝膠體系中組分的擴(kuò)散在納米范圍內(nèi)，而固相反應(yīng)時(shí)組分?jǐn)U散是在微米范圍內(nèi)，因此反應(yīng)容易進(jìn)行，溫度較低。（4）選擇合適的條件可以制備各種新型材料。缺點(diǎn)：（1）原料價(jià)格比較昂貴；（2）通常整個(gè)溶膠－凝膠過程所需時(shí)間較長(zhǎng)，常需要幾天或兒幾周。（3）凝膠中存在大量微孔，在干燥過程中又將會(huì)逸出許多氣體及有機(jī)物，并產(chǎn)生收縮。簡(jiǎn)述陶與瓷的區(qū)別？答：陶器的吸水性一般大于3％而瓷器一般不大于3％；陶器不透光而瓷器透光；陶器胎體未?；虿；潭炔睢嗝娲植诙善鞑；潭雀?、結(jié)構(gòu)致密、細(xì)膩，斷面呈石狀或貝殼狀；陶器敲擊聲沉濁而瓷器清脆。聚合物分子量有何特點(diǎn)，其四種平均分子量有何關(guān)系？答：聚合物的分子量有兩個(gè)特點(diǎn)，一是分子量大；二是分子量的多分散性；數(shù)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。簡(jiǎn)述自蔓延高溫合成法的原理？答：它是許多金屬和非金屬難熔化合物在燃燒合成時(shí)依靠自身放熱，來合成材料的技術(shù)。某些物質(zhì)在合成時(shí)自身可以放熱并利用此熱量可以使合成反應(yīng)繼續(xù)下去的現(xiàn)象。復(fù)合材料按基體材料可分幾類？按增強(qiáng)纖維種類又可分為幾類？答：聚合物基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料和無機(jī)非金屬復(fù)合材料。玻璃纖維復(fù)合材料；碳纖維復(fù)合材料；有機(jī)纖維（芳香族聚酰胺纖維、芳香族聚酯纖維、聚烯烴纖維等）復(fù)合材料；金屬纖維（如鎢絲、不銹鋼絲等）復(fù)合材料；陶瓷纖維（如氧化鋁纖維、碳化硅纖維等）復(fù)合材料。為什么要對(duì)納米顆粒材料表面進(jìn)行改性？有哪些改性方法？答：納米體易于團(tuán)聚的原因：表面效應(yīng)、布朗運(yùn)動(dòng)、范德華力和氫鍵；因此克服團(tuán)聚的途徑：對(duì)納米粒子進(jìn)行表面改性。改性方法有：物理改性；化學(xué)改性。五論述題。（共2小題，共計(jì)8分）分別簡(jiǎn)述材料與化學(xué)的研究范疇及材料化學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容？答：材料是具有使其能夠用于機(jī)械、結(jié)構(gòu)、設(shè)備和產(chǎn)品性質(zhì)的物質(zhì)。這種物質(zhì)具有一定的性能（Performance）或功能(function)。一般可以重復(fù)使用。可用的物質(zhì)即材料?；瘜W(xué)：關(guān)于物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)以及物質(zhì)相互轉(zhuǎn)換的研究。材料注重宏觀方面，化學(xué)注重原子分子水平的相互作用。主要研究?jī)?nèi)容包括：（1）結(jié)構(gòu)材料的結(jié)構(gòu)是指組成原子、分子在不同層次上彼此結(jié)合的形式、狀態(tài)和空間分布，包括原子與電子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)，相結(jié)構(gòu)、晶粒結(jié)構(gòu)、表面與晶界結(jié)構(gòu)、缺陷結(jié)構(gòu)等；在尺度上則包括納