材料化学课后题答案 (1)

半导体：价带全满，禁带宽度在0.1-3eV之间， 此时，电子可以通过吸收能量而实现跃迁。
绝缘体：价带全满，禁带宽度大于5eV，此时， 电子很难通过吸收能量而实现跃迁
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有一根长为5 m，直径为3mm的铝线，已知 铝的弹性模量为70Gpa，求在200N的拉力作 用下，此线的总长度。
F / A0
a0 = 2r+ + 2r- = 2(0.133) + 2(0.181) = 0.628 nm a0 = 0.363 nm
2r++2r -
4 4 4 4 ( r )3 ( r )3 (0.133)3 (0.181)3 3 3 堆积系数 3 3 0.725 3 3 a0 (0.363)
A：0,1,1 1,0,1 1,1,0 [110] B： 0,1,0 1,0,1 1,1, 1 [111]
1 1 1 1 1, 0, ,1, 0 , 1, [121] C： 2 2 2 2
E： 0, 0, 0 , 0,1 , 0, 1 [102]
移，朝x方向平移一晶格参数，则 x＝1，y＝-1，z＝ ∞ 故为（1,-1, ∞ ），即为（1,1,0）
－
D面：x＝1，y＝1/3， z＝ ∞ 故为（1,1/3, ∞ ）， 即为（1,3,0）
F面： x＝0，y＝0，z＝ 1/2,故须平
移，朝x方向平移一晶格参数，则
x＝1，y＝-1，z＝ 1/2 故为（1,-1, 1/2 ），即为（1,1,2）
（4）晶体结构类型的影响
溶质与溶剂晶体结构类型相同，能形成连续固溶体
Chapter2 Structure of Materials 13
说明下列符号的意义
VNa
Na脱离开原来的位置，形成的空位
Na+脱离开原来的位置，形成的空位， 有效电荷为-1 Cl-脱离开原来的位置，形成的空位，有效 电荷为+1 Ca2+ 取代K+而进入K+的位置，有效电荷为+1 Ca取代Ca而进入占据Ca的位置 Ca2+进入间隙位置，有效电荷为+2
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计算体心立方结构和六方密堆结构的堆积系数 （1）体心立方
bcc
4R
4 3a a R 3
单位晶胞原子数 n = 2
2(4R 3 / 3) 2(4R 3 / 3) bcc＝ 0.68 3 3 a (4 R / 3 )
6
（2）六方密堆
ca 8 3 a 2R
n=6么是导体、半导体、 绝缘体？
满带：充满电子的能带
空带：部分充满或全空的能带
2.1.3.5 Electrical property
价带：价电子填充的能带
导带
禁带：导带及满带之间的空隙
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导体：价带未满，或价带全满但禁带宽度为零， 此时，电子能够很容易的实现价带与导带之间 的跃迁。
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简要回答晶体和非晶体的区别和转化
区别：
从空间结构上来说，晶体长程；短程都有序，非晶体 长程无序短程有序。 宏观性质来说，（1）晶体具有整齐、规则的几何外形； 非晶体没有一定的几何形状。（2）晶体具有各向异性； 非晶体各向同性。（3）晶体有固定的熔点；非晶体没 有。 从热力学来说，晶体为热力学稳定状态；非晶体热力 学不稳定。
G 0 H 0 T S 0
G0与温度T关系式的斜率为-S0
C(s) +O2 (g)=CO2 (g)
氧化过程气体数目不变，则S0=0, (-S0)=0，斜率为 零。
2C(s) +O2 (g)=2CO(g)
氧化过程气体数目增加，则S0>0, (- S0)<0，斜率为负。
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吉布斯相律通常为f=c-p+2，为什么在固体材料 的研究中，相律一般可表达成f=c-p+1
6(4R / 3) 6(4R / 3) hcp＝ 0.74 1 3 8 6c( a a ) 12 R ( R 3R) 2 2 3
3 3
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（3）面心立方
4 4 R 2a a R n=4 2 3 3 4(4R / 3) 4(4R / 3) fcc＝ 0.74 3 3 a (4 R / 2 )
转化：非晶体容易向晶体转化，而晶体只有在极端的条
件下（如骤冷）才可以向晶体转化
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固溶体与溶液有何异同？固溶体有机种类型？
相同点：都有两种或两种以上的组分组成；都可
以形成分散均匀、稳定的单一相，都存在溶解度
不同点：状态不同，溶液为液态，固溶体为固态；
结构不同，固溶体的溶质结构和溶剂相似，溶液只
有在稀溶液时才相同；性质不同，固溶体的性质与 溶剂有关，但溶液只有在稀溶液时才相同。 分类：固溶体分为置换型固溶体和填充型固溶体
什么是材料化学？其主要特点是什么？
材料化学是与材料相关的化学学科的一个 分支，是与材料的结构、性质、制备及应
用相关的化学。
材料化学的主要特点是跨学科性和实践性
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材料与试剂的主要区别是什么？
试剂在使用过程中通常被消耗并转化成别的物质 材料则一般可重复、持续使用，除正常损耗外， 它不会不可逆地转变成其他物质
碳溶解在α-Fe中形成的过饱和固溶体
能在700～1200℃高温下仍能长时间保持所 超耐热合金： 需力学性能，具抗氧化、抗腐蚀能力，且能 满意工作的金属材料通称超耐热合金。
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金属固溶体：
一个（或几个）金属组元的原子溶入另一 个金属组元的晶格中，而仍保持另一金属 组元的晶格类型的固态晶体。
形成金属固溶体后，继续增大溶质金属的 金属间化合物： 量，溶质析出与溶剂反应，形成一种晶格
类 型 键本身特点 键合 强弱 形成晶体的特点
高熔点、高强度、高硬度、低 无饱和性、无方向性、 离子键 最强 膨胀系数、塑性较差、固态不 高配位数 导电、熔态离子导电 高熔点、高强度、高硬度、低 有饱和性、有方向性、 共价键 强 膨胀系数、塑性较差、在熔态 低配位数 也不导电 电子共有化，可以自 塑性较好、有光泽、良好的导 金属键 由流动；无饱和性、 较强 热、导电性 无方向性、配位数高 范德华 无饱和性、无方向性 最弱 键 氢键 有饱和性、有方向性 弱
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简述材料化学的主要研究内容
结构：组成原子、分子在不同层次上彼此结合的 形式、状态和空间分布 性能：材料固有的化学、物理及力学方面的性能 制备：将原子、分子聚合起来并最终转变为有用 产品的一系列连续的过程 应用
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材料中的结合键有哪几种？各自 的特点如何？对材料的特性有何 影响？
4
各种结合键主要特点比较
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热膨胀受什么因素影响？试用势能图说明
热膨胀主要受到键强的影响，键强越强，热膨胀越弱。 此外，组织结构也对热膨胀有影响。结构紧密的固体， 膨胀系数大。
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Cs熔体的标准吉布斯自由能（单位为J）与温 度T（单位为K）的关系为 Gm＝2100-6.95T， 求熔点
到熔点时Gm＝0
2100 T＝ ＝302.2K 6.95
100℃时，此合金含有晶体α和β
在140℃到275℃时，此合金只有一相存在。
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固溶体合金的相图如下图所示，试根据相图确定：
（a）成分为40％B的合金首先凝固出来的固体成分是？ （b）若首先凝固出来的固体成分含60％B，合金成分为？ （c）成分为70％B的合金最后凝固的液体成分是？ （d）合金成分为50％B，凝固到某温度时液相含有40％ B， 固体含有80％B，此时液体和固体各占多少分数？ （a）80％B
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为什么碱式滴定管不采用玻璃活塞?
玻璃的主要原料为SiO2， 而SiO2为酸性氧化物，因 此，容易在碱性条件下发生化学反应: SiO2＋2NaOH＝Na2SiO3＋H2O 造成活塞失灵。
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何种结构的材料具有高硬度？如何提高金属 材料的硬度？
由共价键组成的材料具有高的硬度，离子键次之。 金属材料在形成固溶体或合金时可以有效地提高金 属材料的硬度。
2 1 1 0,1, 1, 0, 1,1, [331] F： 3 3 3 1 2 1 1, , 0 0, ,1 1, , 1 [616] G： 2 3 6
1 2
1 2
D：0,1, 1, 0, 0 1,1, [221]
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1 2
1 2
试求下图中所示面的密勒指数
类型及性能与任意合金组元不同新相
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简述形状记忆合金的原理
形状记忆效应源于某些特殊结构合金在特定温度下发生的 马氏体－奥氏体相组织结构的相互转化。当温度降低时，
相律式中的‘2’表示温度和压力，但对于固体材料 来说，压力的影响不大，只受温度的影响，所以相 律表达为f=c-p+1。
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一合金的成分为90Pb-10Sn。（a）请问此合金 在100℃、200℃、300℃时含有哪几种相？ （b）在哪个温度范围内将将只有一相存在？
300℃时，此合金含晶体α和液体L
200℃时，此合金只含有晶体α
Chapter2 Structure of Materials 11
试述影响置换型固溶体的固溶度的因素
（1）原子或离子尺寸的影响
当 固溶体；
r
r
r1 r2 0.15 r1
时，溶质与溶剂之间可以形成连续
时，溶质与溶剂之间只能形成
Hume-Rothery经验规则
当 有限型固溶体；
r r1 r2 30% r1
CaCl 2 Ca K KCl ' Cl Cl Cl i
• Ca2+进入间隙位置，Cl-占据晶格位置：
' CaCl 2 Ca 2VK 2Cl Cl i KCl
Chapter2 Structure of Materials 15