材料化学练习题及答案

一、名词解释:材料：人类社会所能够接受的经济地制造有用器件的物质。（可以用来制造有用的构件、器件或物品的物质。）晶体：晶体是内部质点在三维空间呈周期性重复排列的固体。（具有格子构造的固体）空间点阵：表示晶体结构中各类等同点排列规律的几何图形。（表示晶体内部结构中质点重复规律的几何图形。）　晶向：空间点阵的结点可以看成是分列在一系列相互平行的直线上，这些直线系称为晶列，同一个格子可以形成方向不同的晶列，每一个晶列定义了一个方向，称为晶向。晶面：　空间点阵的结点可以从各个方向被划分为许多组平行且等距的平面点阵，这些平面点阵所处的平面称为晶面。对称：是指物体相同部分作有规律的重复。点群：晶体结构中所有点对称要素（对称面、对称中心、对称轴和旋转反演轴）的集合。空间群：是指一个晶体结构中所有对称要素集合。肖特基缺陷：正常格点上的质点，在热起伏过程中获得能量离开平衡位置迁移到晶体的表面，而在晶体内部正常格点上留下空位。弗伦克尔缺陷：在晶格热振动时，一些能量较大的质点离开平衡位置后，进入到间隙位置，形成间隙质点，而在原来位置上形成空位。置换固溶体：溶质原子替换溶剂原子的位置形成的固溶体。间隙固溶体：溶质原子填入溶剂晶格间隙中形成的固溶体。中间相：合金组元间相互作用所形成的一种晶格类型及性能均不同于任一组元的合金固相。相律：相平衡体系中揭示相数P，独立组分数C和自由度F之间关系的规律。相图：表达多相体系的状态随温度、压力、组成等强度性质变化情况的图形。二、填空题1、材料按化学组成，可分为（金属材料）、（无机非金属材料）、（有机高分子材料）、（复合材料）；根据材料的性能，可分为（结构材料）和（功能材料）。2、物质的三态：气态、液态和固态，从宏观上来看，气体和液体表现为（流动性），固体表现出（固体性）。液体在缓慢降温过程中形成（晶体），在急冷过程中形成（非晶体）。3、晶体与非晶体的根本区别是：晶体具有（长程有序），而非晶体（长程无序、短程有序）。4、实际晶体结构、基元和点阵的关系可概括为（晶体结构=点阵+基元）；点阵是周期性重复的（方式），基元是周期性重复的（内容）。5、晶向族是指晶体中（原子排列情况相同但空间位向不同）的一组晶向，可以用符号（）表示；立方晶系的四条体对角线构成的8个晶向构成了一个晶向族，可以表示为（<111>）。６、晶面族是指（晶面间距和晶面上原子的分布完全相同，只是空间位向不同）的一组晶面；同一晶面族中，不同晶面的指数的（数字）相同，只是（正负号）不同。7、晶体的对称要素中点对称要素种类有（对称面、对称中心、对称轴和旋转反演轴），含有平移操作的对称要素种类有__螺旋轴___、_滑移面。8、晶族、晶系、点群、布拉菲格子、空间群的数目分别是_3、_7_、_32_、14_、_230_。9、晶体中存在有（8）种独立的宏观对称要素，分别为（）。10、根据相应的对称性特征，可以把所有晶体的空间点阵划归为七类，即七大晶系，包括：（立方）、（六方）、（四方）、（三方）、（正交）、（三斜）和（单斜　）。11、晶体中的结构缺陷按尺寸范围可分为（点缺陷）、（线缺陷）、（面缺陷）、（体缺陷）12、晶体中的点缺陷按几何位置和成分可分为（空位）、（间隙质点）、（杂质原子），按形成原因可分为（本征缺陷或热缺陷）、（非本征缺陷或杂质缺陷）和（非化学计量比缺陷）。13、书写缺陷反应方程式应遵循的基本原则（位置关系）、（质量平衡）（电中性）。14、非整比化合物通常可分为（阴离子空位型）、（阳离子填隙型）、（阴离子填隙型）和（阳离子空位型）四种类型；其中（阴离子空位型）和（阳离子填隙型）属于n型半导体，（阴离子填隙型）和（阳离子空位型）属于p型半导体。15、位错分为（刃位错）和（螺位错）。16、位错是在滑移面上局部滑移区的边界，刃位错方向与滑移的方向（垂直），螺位错的方向与滑移的方向（平行）。17、按溶质组元在固溶体中的溶解度，可分为（有限固溶体）和（无限固溶体）。三、简答或计算：1、按材料的发展水平，简述材料发展的五个过程，这五个过程的关系如何天然材料，烧炼材料，合成材料，可设计材料，智能材料。五代材料并不是新旧交替的，而是长期并存，它们共同在各个领域发挥着不同的作用。2、晶体有哪些宏观特征，并分别举例说明。规则的几何外形（食盐、石英、明矾等分别具有立方体、六角柱体和八面体的几何外形），晶面角守恒，有固定的熔点，物理性质的各向异性（云母和方解石具有完好的解理性）。3、简述晶体与非晶体间的转化特点。非晶态是一种亚稳态，所以非晶态固体有向晶态自发转化的趋势，但当温度不够高时，非晶态中的原子（离子）的运动幅度较小，同时晶核的形成和生长都比较困难，因此非晶态向晶态的转化就不易发生。另外，非晶态向晶态的转化要经过一些中间步骤，且转变带有突变的特征，一般伴随有幅度不大的体积变化。晶态向非晶态的转化：可以通过一些机械能，如材料表面的研磨和破碎、冲击波作用等，机械能的作用破坏警惕的长程有序。4、画出一个面心立方格子，标出其中的[111]、[121]及晶向。[111][121]5、在简单立方格子中，画出(101)，(021)，(1-22)，及（2-10）晶面。6、晶体中可能存在的宏观对称要素和相应的对称操作有哪些对称操作类型对称要素及符号对称操作简单旋转轴n镜面（反映面）m对称中心i旋转反映反演（倒反）复合反轴n旋转反演7、找出一个立方体具有的所有旋转轴。具有3个互相垂直的4度旋转轴，4个3度轴（即体对角线），6个2度轴（即面对角线）。（另外还有：3个与4度轴垂直的对称面，6个与2度轴垂直的对称面，以及1个对称心。）8、根据能带理论，简要说明金属、半导体、绝缘体的划分有何区别（可用画图辅助说明）并说明金属镁之所以是金属而不是绝缘体或半导体的原因金属：晶体的能带中存在不满带，表现出导电性。有两种情况（如图）：一是没有足够的电子填充价带能级，形成不满带；另一种是价带与空带重叠，电子在没有排满价带之前，一部分电子就开始填充空带部分，因而形成不满带。半导体：在波矢k落在布里渊区边缘时，会发生能级分裂，出现禁带，但是半导体材料的禁带宽度很小，一般小于2eV，在热激发下部分低能级电子可以跃迁到高能级上，从而表现出导电性。绝缘体：同样也出现禁带，只是它的禁带宽度要相对大些，一般的温度下，热激发不能够提供足够的能量使低能级上的电子跃迁到高能级上，因此不能表现出导电性。金属镁如果仅仅从核外电子排布情况来看的话，1s、2s、2p、3s能级都被电子排满，应该为绝缘体或者半导体，但是金属镁的3s能带和3p能带发生部分重叠，从而使金属镁表现出导电性，为导体。9、晶体的点缺陷中，两类典型的热缺陷是什么各自有什么特点肖特基缺陷，特点：离子晶体中的肖特基缺陷是等量的正离子空位和负离子空位成对出现。弗伦克耳，特点：间隙质点与空位总是成对出现，正离子弗仑克尔缺陷和负离子弗仑克尔缺陷之间没有直接联系，离子晶体中的Frenkel缺陷一般是正离子空位和间隙正离子。10、在MgO晶体中，肖特基缺陷的生成能为6ev，计算在25℃和1600℃时热缺陷的浓度。根据，由题意Us=6ev，k=×10－5eV/KT1=25+273=298KT2=1600+273=1873K298K：1873K：11、对某晶体的缺陷测定生成能为84KJ/mol，计算该晶体在1000K和1500K时的缺陷浓度。解：根据热缺陷浓度公式：由题意U=84KJ/mol=84000J/mol(1eV=×10-19J)则其中R=J/mol·K当T1=1000K时，当T2=1500K时，12、写出下列缺陷反应式：（1）NaCl形成肖特基缺陷；（2）AgI形成弗仑克尔缺陷（Ag+进入间隙）（3）Ca2+置换KCl中K+或进入到KCl间隙中去。(1)(2)(3)Ca2+置换KCl中K+缺陷反应式如下：Ca2+进入到KCl间隙中而形成点缺陷的反应式为：13、非化学计量氧化物TiO2-x的制备强烈依赖于氧分压和温度：（a）试列出其缺陷反应式；（b）求其缺陷浓度表达式。解：非化学计量氧化物TiO2-x，其晶格缺陷属于负离子缺位而使金属离子过剩的类型。缺陷反应式为：（b）缺陷浓度表达式：14、非化学计量缺陷的浓度与周围气氛的性质、压力大小相关，如果增大周围氧气的分压，非化学计量化合物Fe1-xO及Zn1+xO的密度将发生怎样变化为什么材料的电导率发生怎样变化为什么解：（a）非化学计量化合物Fe1-xO，是由于正离子空位，引起负离子过剩：平衡常数电中性条件：由此可得即：铁空位的浓度和氧分压的1/6次方成正比，故当周围分压增大时，铁空位浓度增加，晶体质量减小，则Fe1-xO的密度也将减小。Fe1-xO是空穴导电（p型半导体），空穴的浓度和氧分压的1/6次方成正比，所以周围氧分压增大时，空穴浓度增加，材料导电率增大。（b）非化学计量化合物Zn1+xO，由于正离子填隙，使金属离子过剩：反应平衡常数：电中性条件：得即：间隙离子的浓度与氧分压的1/6次方成反比，故增大周围氧分压，间隙离子浓度减小，晶体质量减小，则Zn1+xO的密度也将减小。Zn1+xO是电子导电（n型半导体），电子的浓度和氧分压的1/6次方成反比，所以周围氧分压增大时，电子浓度减小，材料导电率变小。15、画出三类基本的二元相图图形并进行简单分析。16.固态相变的含义是什么从热力学角度来划分，相变可以分为哪几类各自有什么特点固态相变：固态物质在温度、压力、电场、磁场改变时，从一种组织结构转变成另一种组织结构。固态相变中的变化：晶体结构，化学成分，有序程度固态相变驱动力：新相与母相的自由能差固态相变的分类：按照热力学的观点分类，可分为：一阶相变和二阶相变一阶相变：相变时两相的化学势相等（μ1=μ2），但化学势对温度及压力的一阶偏微分（S、V）不等。即：一级相变时，熵及体积会发生不连续的变化，即有相变潜热和体积的改变。二阶相变：相变时两相的化学位相等（μ1=μ2），化学位的一阶偏微分也相等（S1=S2,V1=V2），但二阶偏微分不相等（Cp1≠Cp2，K1≠K2，a1≠a2）。即，二级相变时，没有相变潜热和体积改变，只有比热容、压缩系数、膨胀系数变化。磁性转变、有序－无序转变、超导转变等属于此类。从动力学的观点（原子迁移），可分为：重建型相变和位移型相变重建型相变：原子重新形成点阵，相变前后化学键的类型或配位数发生变化。如石墨转变为金刚石，Ｃ由原来3配位的六边形平面层结构，转变为4配位的三维网络。重建型相变是通过化学键的断开而重建新的结构，因此相变活化能较高，速度通常较为缓慢。位移型相变：原子仅作微小的位移。不需要断开和重建化学键，仅发生键角的扭曲和晶格的畸变。二、固态相变的特点1、相变阻力大，固态相变困难界面能增加；额外弹性应变能：比体积差；扩散困难（新、旧相化学成分不同时）；存在过冷现象：结晶时，实际结晶温度低于理论结晶温度的现象。两相的比容相差较大时，新相晶核的出现将引起较大的应力，因而抑制了相变的实现。最突出的也是最早发现的例子是，灰锡和白锡间的相变。白锡是四方结构的金属而灰锡为金刚石型的半导体，二者的比容相差18％，它们的热力学相平衡温度由电化学方法测出,在常压下为292K。（常见的金属锡是白锡（β锡），在低于℃开始转变为它的同素异形体灰锡（α锡）,但转变速度很慢，）但是,在冰点或更冷的环境中，并不出现白锡→灰锡的相变。高度清洁的实验室中，白锡能在很低的温度（如液氮）下不变形。2、新相晶核与母相之间存在一定的晶体学位向关系新相的某一晶面和晶向分别与母相的某一晶面、晶向平行。形成共格、半共格界面，降低界面能。新、旧两相之间相互平行的晶面和晶向皆分别为两种结构中原子排列和原子面间距最相似的晶面和晶向。因为只有这样，两相之间便能得到最佳匹配，从而可以降低界面能，减小相变的阻力。3、惯习现象*新相沿特定的晶向在母相特定晶面上形成。母相中惯于析出新相的这种特定晶面称为“惯习面”。原因：沿应变能最小的方向和界面能最低的界面发展。4、母相晶体缺陷促进相变缺陷类型：点、线、面原因：晶格畸变、自由能高，促进形核及相变。5、易出现过渡相固态相变阻力大，直接转变困难，出现协调性中间产物（过渡相）母相——较不稳定的过渡相——较稳定的过渡相——稳定相；例如LiIO3的α→γ→β相变系列里，γ是过渡相。