广东工业大学-材料结构与性能-材料科学导论-习题资料

1、共价键与金属键有何异同？从它们的差异性简要说明共价键型晶体材料与金属型晶体

材料的性能差异？

答：共价键：原子间通过共用电子对（电子云重叠）形成的化学键，有方向性，有饱和性。金属键：金属晶体中金属原子（或离子）与自由电子形成的化学键，无方向性，无饱和性。二者的相同点是：都是外层电子公有化的结果。

共价键型晶体材料与金属键型晶体材料由于共价键和金属键的存在将表现出不同的性能，共价键材料由于晶体内各个键之间有确定的方位、配位数外，公用的电子对不能移动，此类材料表现出结构稳定、熔点高、质硬脆、导电性差，一般为绝缘体。

金属材料由于晶体内自由电子的存在使得材料具有良好的导电性和导热性，晶体中的原子在受外力作用时，有可能形成低能量的密堆结构而不易受到破坏，使金属具有良好的延展性。

2、分别示意性画出描述材料结构的五种空间正多面体模型，他们分别属于哪三类群？以此

进一步分析C60分子的结构特点？

满足的组合只有三种233、432、532三

种，分别为四面体类群、八面体类群、二十面体类群

C60分子：讲二十面体的顶角全部削去得截角二十面

体，出现20个正五边形得到C60结构,因为原先的20

个三角形变成20个正五边形，顶点共有60个，棱边

共有90根，仍保留二十面体群的对称性。

3、何为居里点温度Tc？从磁性材料的Tc温度处的性

能转变模式分析材料结构的有序无序突变？

答：在高温下，原子自旋的取向完全无序，表现出顺

磁性。当低于某温度时，磁矩作顺向排列呈现铁磁性，

此时，我们将该临界温度称为居里点Tc。

高温的顺磁相中，自旋取向具有任意性，对称性

表现为三维空间内的球面对称，而转变为铁磁性后，自旋具有特定的方向，丧失无穷多个对称元素，产生对称破缺，导致有序相的产生，因为对称性的改变不是渐变式的，故使得有序无序转变也是突变的。

4、分别画出CuZn及AuCu3合金的可能的晶体结构图，

从热力学定律F=U-TS分析这种结构转变的突变性的

物理本质。

CuZn合金在742K时存在有序无序转变，无序相是体心

立方结构，有序相则为原点和体心分别是铜、锌原子。

AuCu3合金在665k时存在有序无序转变，无序相是面心

立方结构，有序相是原点为Au,6个面心为Cu

对于F=U-TS，F为自由能，当系统与环境取得热平

衡状态，F取得最小值，U为内能，T为绝对温度，S为

无序度。物质的平衡态取决于能量和熵相互竞争的结果，

这是有序无序转变的物理根源。当温度T很大时，为无序相；当温度很低时，形成有序相。

1、解释下列概念

（1）准晶

准晶是一种介于晶体和非晶体之间的固体。准晶具有完全有序的结构，然而又不具有晶体所应有的平移对称性，因而可以具有晶体所不允许的宏观对称性。

（2）TCP结构

四面体密堆结构，四面体合金的往往有一种大原子和一种小原子构成高配位的环，有12个14个原子环绕一个原子。若用同样的方式堆积不能填满整个空间，利用合金结构，有些四面体发生扭曲来满足这个要求。

（3）玻璃化温度Tg

指过冷液体转变为玻璃态时的温度，即结构无序的液体转变成结构无序的固体的温度。（4）无规网络模型

结构的基本单元为4个氧原子构成的四面体，并与处于中心处的四价硅原子键合，而相邻的四面体是其共顶点，因而无限结构形成后，化学式保持为SiO2，这样的结构称为无规网络结构

（5）空位形成能

从晶内正常点阵位置上取出一个原子并放到晶体表面上所需要的能量。

（6）空位迁移激活能

以空位机制为例，当移动原子达到相邻平衡位置中间时，所引起的点阵畸变最大，被称为鞍点组态，鞍点组态与正常空位组态之间的势能差称为空位迁移激活能。

（7）向错

分为楔型向错和扭型向错，剖面两岸作一刚体式的旋转时产生的线缺陷称为向错。

（8）位错核心宽度

位错两侧原子沿滑移面的相对位移量的b/4~3b/4区域来界定位错宽度，这一概念是基于这一相对位移从0到b不是突变而是渐变的。

（9）派-纳力

位错核心的错排能可随位置变化，因而引起对位错滑移的阻力，位错在翻越势垒时所要克服的阻力称为派-纳力。

2、晶体的密堆结构形式主要有哪几种结构模型？画出并计算其堆积系数及间隙半径。答：

3、以C元素为例，描述其建联结构模式，分析其构成的四类先进的材料的结构特点。（1）金刚石结构：四配位的键联结构，每个原子有四个最近邻，且分处在以该原子为中心的正四面体的顶角的位置上。

（2）石墨结构：三配位的键联结构，原子层之间是弱的范德瓦尔斯键，层状结构中原子团由强键结合在一起并在二维上无限延伸。

（3）纳米碳管：将是有明显层状结构的单个石墨片构成的六角网络卷成直径为纳米量级的碳管。

（4）C60团族：零维体系键联结构，具有20个六边形和120个五边形构成，是系统能量最低的C60团族。

4、非晶态材料与晶态材料有何本质区别？用C曲线原理分析非晶形成的物理过程？

非晶态材料：长程无序，无平移对称性。短程有序

晶态材料：原子周期性排列，原子的取向和位置长程有序。

当液体具有一定过冷度时，晶核才逐渐长大。如果从液相冷却下来

的速度够快，冷却曲线将不与C曲线的鼻尖相接触，避免了结晶过

程，形成玻璃态。

5、影响非晶形成的因素有哪些？制备非晶金属材料有哪些方法？

因素：（1）过冷度（2）冷却速度（3）扩散速率（4）熔融态粘度

方法：（1）气相沉积法（2）能量泵入法（3）泼溅淬火技术

（4）熔融淬火法（5）激光玻璃化（6）溶胶-凝胶法

6、以石英玻璃为例，画出SiO2玻璃结构的无规网络模型，分析其与二氧化硅晶体结构的

区别？

答：无规性的引入使Si—O—Si键角可以对平均值产生

偏离，键长也可以相应的予以伸缩，还可以沿Si—O

键来旋转四面体的方位，但化学式保持为SiO2.二氧化

硅晶体的原子排布与金刚石中碳原子排列方式相同，

只是每两个Si原子相互独立，他们之间插入一个氧原

子，并且键长键角固定，二氧化硅晶体结构与二氧化

硅玻璃结构明显不同。

7、从热力学观点，推出并分析点缺陷平衡浓度模型:C=2Aexp(-U/kT)在较低温度下，列举并

分析引入非平衡点缺陷的一些方法。