材料化学期末考试预测题

材料化学期末考试预测题1：[论述题]1-1、无机材料化学是一门什么样的学科？1-2、无机材料化学主要研究哪些方面的问题？参考答案：1-1、参考答案：无机材料化学是研究无机材料，主要是无机非金属材料的制备、组成、结构、表征、性质和应用的一门学科。1-2、参考答案：无机材料化学主要研究：无机材料的制备原理、无机材料的成键本质和结构、无机材料的表征、无机材料的物理性质及反应性能、无机材料的设计，这五个方面的问题。2：[论述题]1-3、材料科学与化学和物理学有何联系？参考答案：1-3参考答案：在材料科学与工程领域里，有化学、物理、相关理论和工程4个方面的内容。由于研究的对象不同，化学方面的内容又分为高分子化学和无机材料化学等。无机材料化学是材料科学的一个极重要的分支，又可以是化学学科的一部分，呈明显的交叉、边缘学科的性质。材料科学和物理、化学、相关理论及工程学的关系。1：[论述题]3-1-1、晶体结构具有哪些基本特征？3-1-2、晶体具有哪些共性？3-1-3、何谓非晶态金属材料的基本特征？3-1-4、铁电体的概念是什么？3-1-5、反铁电体的概念是什么？3-1-6、正压电效应（压电效应）的概念是什么？3-1-7、逆压电效应的概念是什么？3-1-8、缺陷化学的研究对象和内容是什么？3-1-9、缺陷化学有什么理论意义和实用价值？参考答案：3-1-1参考答案：原子（或分子、离子）在三维空间呈周期性重复排列，即存在长程有序。3-1-2参考答案：由于具有周期性的空间点阵结构，晶体具有下列共同性质：均一性，即晶体不同部位的宏观性质相同；各向异性，即晶体在不同方向上具有不同的物理性质；自限性，即晶体能自发地形成规则的几何外形；对称性，即晶体在某些特定方向上的物理化学性质完全相同；具有固定熔点；内能最小。性能上两大特点：固定的熔点，各向异性。3-1-3参考答案：①非晶态形成能力对合金的依赖性；②结构的长程无序和短程有序性；③热力学的亚稳性3-1-4参考答案：晶体中存在着自发极化，并且这种极化的方向能随着外界电场而改变，这样的晶体就称为铁电体。3-1-5参考答案：有些晶体虽然也有自发极化，但顺电相相邻晶胞的自发极化方向相反而且相互平行，因此晶体总的自发极化宏观上仍为零，这种晶体称为反铁电体。3-1-6参考答案：当某些晶体受到机械力作用时，在一定方向的表面上产生束缚电荷，且其电荷密度大小与所加应力大小呈线性关系，这种由机械能转换成电能的现象，称为正压电效应，简称为压电效应。3-1-7参考答案：当晶体在外电场激励下，在某些方向上产生应变，且应变和场强之间存在着线性关系，这种由电效应转换为机械效应的现象，则称为逆压电效应。3-1-8参考答案：缺陷化学的研究对象是点缺陷，但不包括声子和激子。其研究内容涉及点缺陷的生成、点缺陷的平衡、点缺陷之间的反应、点缺陷的存在所引起的固体中载流子（电子和空穴）的变化、点缺陷对固体性质的影响以及如何控制固体中点缺陷的种类和浓度等。3-1-9参考答案：缺陷化学具有重要的理论意义和实用价值。固体中的化学反应，只有通过缺陷的运动。陶瓷材料在高温时能正常烧结的基本条件是：材料中要有一定的缺陷机构与缺陷浓度，以使许多传质过程能顺利进行。点缺陷对材料的性质也有重要的影响，例如，固体材料的导电性与缺陷关系极大。可以说，缺陷化学及其相关的能带理论，是无机材料化学中最重要的内容。正如West所说："在固态科学中，晶体缺陷的研究是一个活跃和迅速发展的领域。”2：[论述题]3-2-1、何谓非化学计量缺陷？3-2-2、何谓弗仑克尔缺陷？3-2-3、何谓肖特基缺陷？3-2-4、何谓色心（F色心）？3-2-5、何谓非整比化合物缺陷（化合物）材料？3-2-6、什么是纳米、纳米结构、纳米技术？3-2-7、纳米微粒的概念是什么？3-2-8、纳米固体的概念是什么？3-2-9、原子团簇的概念及特性是什么？参考答案：3-2-1参考答案：非化学计量化合物的晶格结点中带有空位，或含有处于间隙位臵的填隙原（离）子，存在着缺陷，在组成和结构两方面显示出非化学计量的特征；而热缺陷并不会造成组成的改变。非化学计量缺陷也是某些固体材料所固有的，尽管它的浓度不仅会随温度而变化，而且会随着周围气氛性质及其分压大小的改变而改变；但热缺陷一般与气氛无关。3-2-2参考答案：在形成热缺陷时，晶体中具有足够高能量的原（离）子离开其平衡位臵，挤入晶体中的间隙位臵，造成微小的局部晶格畸变，成为所谓填隙原子，而在其原来的位臵上形成空位，这种缺陷称为弗仑克尔缺陷。这种填隙原子是晶体本身所具有的，所以又称为自填隙原子，以区别于杂质原子。弗仑克尔缺陷的特点是填隙原子或离子与晶格结点空位成对出现，晶体内局部晶格畸变，但总体积不发生可观察到的改变。简言之，在晶格热振动时，一些能量足够大的原子离开平衡位臵后，挤到晶格间隙位臵，成为填隙原子，而在原来的位臵上留下一个空位，这种缺陷称为弗仑克尔缺陷。3-2-3参考答案：肖特基缺陷是由于晶体表面附近的原子热运动到表面，在原来的原子位臵留出空位，然后内部邻近的原子再进入这个空位，这样逐步进行而造成的，看来就好像是晶体内部原子跑到晶体表面来了。显然，对于离子晶体，阴阳离子空位总是成对出现；但若是单质，则无这种情况。除了表面外，肖特基缺陷也可在位错或晶界上产生。这种缺陷在晶体内也能运动，也存在着产生和复合的动态平衡。对一定的晶体来说，在确定的温度下，缺陷的浓度也是一定的。空位缺陷的存在可用场离子显微镜直接观察到。简言之，肖特基缺陷：正常结点上的原子，在能量起伏过程中获得足够的能量后，离开平衡位臵迁移到晶体表面正常结点位臵，在原来的位臵上留下空位。一般在结构比较紧密，没有较大空隙的晶体中或在阴、阳离子半径相差较小的晶体中比较容易形成肖特基缺陷。3-2-4参考答案：固体物理和固体化学里的一个相当大的领域与研究碱金属卤化物晶体中的色心有关，最典型例子是F色心。在20世纪20年代，Pohl根据颜色的德文单词Farbe，把这种缺陷称为F中心（F-centre，德文为Farbenzentre），后人习惯上把它改称为F色心。NaCl晶体在Na蒸气中加热会变成浅绿黄色，这种现象被认为F色心的形成有关。此时，1个Na原子扩散到NaC1晶体的内部时，是以过剩的Na＋存在，同时引入1个电子。为了保持晶格中Na＋和Cl?之间的位臵关系，会造成1个Cl?空位，这种阴离子空位称为α中心。这个失去了负电荷的空位带正电，能捕获由Na所引入的1个价电子，形成了所谓的F色心和1个Na＋。F色心是由1个阴离子空位和1个在此位臵上的电子组成的，它是个陷落的电子中心(atrapped-electroncentre)。一般来说，碱金属原子的价电子并不束缚在某个特定的原子或离子上，它可以迁移穿越过点阵，并最终束缚在卤素原子空位上。F色心实际上是没有原子核的价电子，或称为类氢原子。3-2-5参考答案：道尔顿的定比定律圆满地解释了有机化学中分子晶体的许多现象，虽然它有时需要加以修正，才能用以说明单键、双键、叁键、链状或环状化合物的结构问题。后来研究发现，这种严格按化学计量形成的化合物其实是一种很特殊的情况，大多数原子或离子晶体化合物并不符合定比定律，其正负离子的比，并不是一个简单、固定的值。它们呈现范围很宽的组成，并且组成和具体结构之间没有简单的对应关系(或化学同一性)，这些化合物被称为非化学计量化合物、非化学计量比化学物、非化学配比化合物或非整比化合物，或被称为偏离整比的化合物。3-2-6参考答案：纳米是一种度量单位，1纳米为百万分之一毫米，即1毫微米，也就是十亿分之一米。纳米结构通常是指尺寸在100纳米以下的微小结构，在这种水平上对物质和材料进行研究、处理的技术称为纳米技术。纳米技术其实就是一种用单个原子、分子制造物质的科学技术。3-2-7参考答案：纳米微粒是指颗粒尺寸为纳米量级的超微颗粒，它的尺寸大于原子团簇(cluster)，小于通常的微粉。在固体物理和分子化学中，常将含有几个到几百个原子或尺度小于1nm的粒子称为"簇”，它是介于单个原子和固态之间的原子集合体。纳米微粒一般在1~100nm之间。（5）可在相当低的温度下镀上高熔点材料镀层；（6）可控制晶粒大小与微结构（7）CVD设备通常比PVD简单、经济。缺点：（1）反应需要挥发性化合物，不适用于一般可电镀的金属，因其缺少适合的反应物，如：锡、锌、金；（2）需可形成稳定固体化合物的化学反应，如：硼化物、氮化物及硅化物等；（3）因有剧毒物质的释放，腐蚀性的废气及沉积反应需适当控制，需要封闭系统；（4）某些反应物价格昂贵；（5）反应物的使用率低，反应常受到沉积反应平衡常数的限制。溶胶-凝胶法的优缺点有哪些？答：优点：（1）由于溶胶－凝胶法中所用的原料首先被分散到溶剂中而形成低粘度的溶液，因此，就可以在很短的时间内获得分子水平的均匀性，在形成凝胶时，反应物之间很可能是在分子水平上被均匀地混合。（2）由于经过溶液反应步骤，那么就很容易均匀定量地掺入一些微量元素，实现分子水平上的均匀掺杂；（3）与固相反应相比，化学反应将容易进行，而且仅需要较低的合成温度，一般认为溶胶一凝胶体系中组分的扩散在纳米范围内，而固相反应时组分扩散是在微米范围内，因此反应容易进行，温度较低。（4）选择合适的条件可以制备各种新型材料。缺点：（1）原料价格比较昂贵；（2）通常整个溶胶－凝胶过程所需时间较长，常需要几天或儿几周。（3）凝胶中存在大量微孔，在干燥过程中又将会逸出许多气体及有机物，并产生收缩。简述陶与瓷的区别？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；陶器胎体未玻化或玻化程度差、断面粗糙而瓷器玻化程度高、结构致密、细腻，断面呈石状或贝壳状；陶器敲击声沉浊而瓷器清脆。聚合物分子量有何特点，其四种平均分子量有何关系？答：聚合物的分子量有两个特点，一是分子量大；二是分子量的多分散性；数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。简述自蔓延高温合成法的原理？答：它是许多金属和非金属难熔化合物在燃烧合成时依靠自身放热，来合成材料的技术。某些物质在合成时自身可以放热并利用此热量可以使合成反应继续下去的现象。复合材料按基体材料可分几类？按增强纤维种类又可分为几类？答：聚合物基复合材料、金属基复合材料和无机非金属复合材料。玻璃纤维复合材料；碳纤维复合材料；有机纤维（芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚酯纤维、聚烯烃纤维等）复合材料；金属纤维（如钨丝、不锈钢丝等）复合材料；陶瓷纤维（如氧化铝纤维、碳化硅纤维等）复合材料。为什么要对纳米颗粒材料表面进行改性？有哪些改性方法？答：纳米体易于团聚的原因：表面效应、布朗运动、范德华力和氢键；因此克服团聚的途径：对纳米粒子进行表面改性。改性方法有：物理改性；化学改性。五论述题。（共2小题，共计8分）分别简述材料与化学的研究范畴及材料化学的主要研究内容？答：材料是具有使其能够用于机械、结构、设备和产品性质的物质。这种物质具有一定的性能（Performance）或功能(function)。一般可以重复使用。可用的物质即材料。化学：关于物质的组成、结构和性质以及物质相互转换的研究。材料注重宏观方面，化学注重原子分子水平的相互作用。主要研究内容包括：（1）结构材料的结构是指组成原子、分子在不同层次上彼此结合的形式、状态和空间分布，包括原子与电子结构、分子结构、晶体结构，相结构、晶粒结构、表面与晶界结构、缺陷结构等；在尺度上则包括纳