复旦大学材料科学导论课后习题答案搭配石德珂材料科学基础教材

材料科学导论课后习题答案

第一章材料科学概论

1.氧化铝既牢固又坚硬且耐磨，但为什么不能用来制造榔头？

答：氧化铝脆性较高，且抗震性不佳。

2.将下列材料按金属、陶瓷、聚合物和复合材料进行分类：

黄铜、环氧树脂、混泥土、镁合金、玻璃钢、沥青、碳化硅、铅锡焊料、橡胶、纸杯答：金属：黄铜、镁合金、铅锡焊料；陶瓷：碳化硅；聚合物：环氧树脂、沥青、橡胶、纸杯；复合材料：混泥土、玻璃钢

3.下列用品选材时，哪些性能特别重要？

答：汽车曲柄：强度，耐冲击韧度，耐磨性，抗疲劳强度；

电灯泡灯丝：熔点高，耐高温，电阻大；

剪刀：硬度和高耐磨性，足够的强度和冲击韧性；

汽车挡风玻璃：透光性，硬度；

电视机荧光屏：光学特性，足够的发光亮度。

第二章材料结构的基础知识

1.下列电子排列方式中，哪一个是惰性元素、卤族元素、碱族、碱土族元素及过渡金属？

(1) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d7 4s2

(2) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6

(3) 1s2 2s2 2p5

(4) 1s2 2s2 2p6 3s2

(5) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d2 4s2

(6) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1

答：惰性元素：(2)；卤族元素：(3)；碱族：(6)；碱土族：(4)；过渡金属：(1),(5)

2.稀土族元素电子排列的特点是什么？为什么它们处于周期表的同一空格内？

答：稀土族元素的电子在填满6s态后，先依次填入远离外壳层的4f、5d层，在此过程中，由于电子层最外层和次外层的电子分布没有变化，这些元素具有几乎相同的化学性质，故处于周期表的同一空格内。

3.描述氢键的本质，什么情况下容易形成氢键？

答：氢键本质上与范德华键一样，是靠分子间的偶极吸引力结合在一起。它是氢原子同时与两个电负性很强、原子半径较小的原子（或原子团）之间的结合所形成的物理键。当氢原子与一个电负性很强的原子（或原子团）X结合成分子时，氢原子的一个电子转移至该原子壳层上；分子的氢变成一个裸露的质子，对另外一个电负性较大的原子Y表现出较强的吸引力，与Y之间形成氢键。

4.为什么金属键结合的固体材料的密度比离子键或共价键固体高？

答：一是金属原子质量大；二是金属键的结合方式没有方向性，原子趋于紧密排列，得到简单的原子排列形态。离子键和共价键结合的原子，相邻原子的个数受到共价键数目的限制，离子键结合还要满足正、负离子间电荷的平衡，原子不可能紧密堆积，而且存在孔洞缺陷，故金属键结合的固体材料的密度比离子键或共价键固体高。

5.应用公式计算Mg2+O2-离子对的结合键能，以及每摩尔MgO晶体的结合键能。假设离子

半径为r Mg2+=；r O2-=；n=7。

答：F

吸引=−z1z2e2

4πε0a2

=e2

πε0(r Mg2++r O2−)2

F

排斥

=−nb

a n+1

=−7b

(r Mg2++r O2−)8

在平衡时，F吸引=F排斥

故e2

πε0(r Mg2++r O2−)2=7b

(r Mg2++r O2−)8

，解得b=9.763×10−87N∙m10

晶体的结合键能：E

合=−e2

πε0a

+b

a7

=−3.85×10−18J

转换为每摩尔MgO晶体的结合键能：E0=E合×N A=−2318.5kJ∙mol−1

6.原子序数为12的Mg有三种同位素：%的Mg原子由12个中子，%的Mg原子由13个

中子，%的Mg原子由14个中子，试计算Mg的原子量。

答：78.70%×24+10.13%×25+11.17%×26=24.32

7.试计算原子N壳层内的最大电子数。若K,L,M和N壳层中所有能级都被填满，试确定该

原子的原子数。

答：N壳层内最大电子数：2×42=32

1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f145s25p66s2该原子的原子数是70

8.试写出Al原子13个电子的每个电子的全部量子数。

答：

9.材料的三级和四级结构可以通过加工工艺来改变，那么材料的二级结构可以改变吗？为

什么？

答：原子的结合键是材料的二级结构。对于单一的材料来说，其价键结构是不可以通过加工工艺来改变的。但是实际工程应用中，通过一定的加工工艺来改变材料的二级结构，比如金刚石具有共价键，石墨具有共价键和物理键，而石墨等碳质原料和某些金属在高温高压下可以反应生成金刚石，即一定程度上改变了材料的二级结构。

第三章固体材料的晶体学基础

1.回答下列问题：

（1）在立方晶系的晶胞内画出具有下列密勒指数的晶面和晶向：

（001）与[210]，（111）与[112̅]，(11̅0)与[111]，(1̅32)与[123]，(3̅2̅2)与[236]。（2）在立方晶系的一个晶胞中画出(111)和(112)晶面，并写出两晶面交线的晶向指数。（3）在立方晶系的一个晶胞中画出同时位于(101)，(011)，(112)晶面上的[111̅]晶向。答：作图略。（2）两晶面交线的晶向指数为[11̅0]或[1̅10]。

2.有一正交点阵的a=b，c=a/2。某晶面在三个晶轴上的截距分别为6个，2个，4个原子

间距，求该晶面的密勒指数。

答：（263）

3.写出六方晶系的{101̅2}晶面族中所有晶面的密勒指数，在六方晶胞中画出[112̅0]、[11̅01]

晶向和(101̅2)晶面，并确定(101̅2)晶面与六方晶胞交线的晶向指数。

答：{101̅2}晶面族中所有晶面的密勒指数为：(101̅2)，(1̅012)，(11̅02)，(1̅102)，(011̅2)，(01̅12)

(101̅2̅)，(1̅012̅)，(11̅02̅)，(1̅102̅)，(011̅2̅)，(01̅12̅)

作图略，（101̅2）晶面与六方晶胞交线的晶向指数为：

[1̅21̅0]，[12̅10]，[4̅223]，[42̅2̅3̅]，[2̅2̅43]，[224̅3̅]

4.根据刚性球模型回答下列问题：

（1）以点阵常数为单位，计算体心立方、面心立方和密排六方晶体中的原子半径及四面体和八面体的间隙半径。

（2）计算体心立方、面心立方和密排六方晶胞中的原子数、致密度和配位数。

答：