96
第6章 固体的磁性和磁性材料
§6.1 固体的磁性质及磁学基本概念
6.1.1 固体的磁性质
某些无机固体并不像其他所有物质那样表现出抗磁性（Diamaganetism ）,而是呈现出磁效应。这些无机固体往往是以存在不成对电子为特征的，这些不成对电子又常常是处在金属阳离子中。因此，磁行为主要限制在过渡金属和镧系金属元素的化合物上。它们中许多金属原子具有不成对的d 和f 电子，就可能具有某些磁效应。
我们知道，电子有自旋，形成自旋磁矩。在不同的原子中，不成对电子可以随机取向，此时材料就是顺磁的（Paramagnetic ）；如果不成对的电子平行地排成一列，材料就有净的磁矩，这是材料是铁磁性的（iferromagnetic ）；相反，不成对电子反平行排列，总磁矩为零，材料就呈现反铁磁性为（Antiferromagnetic ）；如果自旋子虽是反平行排列，但两种取向的数量不同，会产生净的磁矩，材料就具有亚铁磁性（Ferrimagnetic ）。图6.1就说明这些情形。
(b)
(d)(c)
图6.1 成单电子自旋取向和材料的磁性
a 抗磁性
b 铁磁性
c 反铁磁性
d 亚铁磁性
磁性材料广泛地应用在电器、电声、磁记录和信息存储各方面，可以说，现代社会离不开磁性材料。
6.1.2 磁学基本概念
1．物质在磁场中的行为
97首先，我们讨论不同材料在磁场中的行为。如果磁场强度为H ，样品单位体积的磁矩为I ，那么样品的磁力线密度，即所谓磁通量 （Magnetic induction ）B 为：
B = H + 4πI 6.1.1
导磁率（Permeability ）P 和磁化率（Susceptinity ）K 定义为： P = H
B = 1 + 4πK 6.1.2 K = H
I 6.1.3 摩尔磁化率χ为
χ= d
M κ 6.1.4 式中M 是分子量，d 式样品密度。根据、K 、χ及其与温度和磁场的依赖关系可以区分不同种类的磁行为，这总结在表6.1中。
表6.1 磁化率与磁行为类型
磁性种类 典型的χ值 χ随温度的变化χ随场强的变化
抗磁性 -1×10-6 无变化 无关
顺磁性 0~10-2 减小 无关
铁磁性
10-2~10-6 减小 无关 反铁磁性 0~10-2 增加 有关
抗磁性物质是那些P<1,K 、χ是小的负值的物质；对顺磁物质则恰恰相反，P>1,K 、χ是正值。当物质置于磁场中时，抗磁性物质其中通过的磁力线大于其在真空中的值，对顺磁性物质，则刚好相反，稍少于真空中数目，图6.2示意此种情况。于是，顺磁物质和磁场相吸引。抗磁物质与磁场产生稍微的排斥作用。
对于铁磁物质，可观察到P>>1及大的K 、χ值。这样的材料与磁场强烈吸引；反铁磁性物质的P=1，K 、χ为正值并且与顺磁物质值的大小差不多或稍小一些。
图6.2 顺磁物质（上）和抗磁物质（下）
T(K)
-1图6.3 χ-1~T 的关系图
98T 图6.4 顺磁（a ）、铁磁（b ）、反铁磁材料（c ）磁化率与温度的关系
在磁场中的行为
2．温度效应：居里-威斯定律
不同种类的磁材料的磁化率可以通过它们与温度的不同关系及其绝对大小来加以区分。许多顺磁材料都遵从居里定律（Curie Law ）,尤其是在高温下。该定律认为，磁化率与温度成反比：
χ= T
C 6.1.5 式中C 是居里常数。不过，实验常数常常更适合居里-威斯定律（Curie-Weiss Law ）： χ=
θ+T C 6.1.6 式中，θ是威斯常数。图6.3是χ-1~T 的关系图。图6.4则具体反映各类磁性材料的磁化率μ与温度T 的关系。
对铁磁和反铁磁材料，它们的磁化率χ与温度T 的关系并不适应简单的居里-威斯定律。铁磁材料在低温下呈现极大的磁化率，并随温度的升高而迅速减小，当达到某一温度（铁磁居里温度T C ）以上，材料不再具有铁磁性，而变为顺磁性，这是通常服从居里-威斯定律（图6.4(b)）。对于反铁磁材料（图6.4(C)），磁化率χ值随温度升高而增大，直到所谓Ne’el 点T N 的临界温度，材料由铁磁性变为顺磁性，磁化率χ值随温度升高而变小。
那么为什么对不同的材料，其磁化率与温度会有上述关系以及大小呢？我们可以将其原因讨论如下：
顺磁材料的磁化率χ值对应于材料中存在未成对
电子，并且这些电子在磁场中呈现某种排列趋势的情况。 在铁磁材料中，由于晶体结构中毗邻粒子间的协同相互
作用，电子自旋平行排列。大的χ值表示巨大数目自旋
子的平行排列。一般地，除非磁场极强或所采用温度极低，对给定的材料来说，并非全部自旋子都是平行排列在反铁磁材料中，电子自旋是反平行排列的，结果对磁
化率有抵消作用。因此，磁化率较低，对应反平行自旋排列的无序相。
对所有材料来说，升高温度都会影响到离子和电子
热能的增加，所以升高温度自然会增加结构无序的趋势。
对顺磁物质，离子和电子的热能增加可以部分抵消所加磁场的有序化影响。只要磁场一撤开，电子自旋的方向
就变为无序。因此，顺磁物质的磁化率χ值随温度升高
遵从居里或居里-威斯定律，呈减小趋势。
对于铁磁材料和反铁磁材料，温度的影响是在原本完善的有序地或者反平行的自旋排列中引入了无序化。对铁磁材料，结果造成χ随温度升高而迅速减小；对于
99
反铁磁材料，这导致反平行有序化的减弱，即增加了“无序”电子自旋的数目，因而增加了χ值。
材料的磁性质常常很方便的使用磁矩μ来表示。这一参数直接与原子中未成对的电子数目相联系，它与χ值的关系如下：
χ= KT
N 32
2βμ 6.1.7 式中N 是Avogradlo 常数，β是Bohr 磁子（Magneton ），K 是Bolzman 常数，将此常数代入6.1.7式，可导出：
μ= 2.83 T χ 6.1.8
磁化率和磁矩常常使用古埃（Gouy ）天平测定，磁强计还可以测定变温磁化率。
3．磁矩的计算
不成对电子的磁性可以看作由电子自旋和电子轨道运动两部分构成，其中电子自旋是最重要的部分。电子自旋磁矩μs 的大小为：
μs =g )1(+s s 6.1.9
式中g 是旋磁比（Gyromagnetic ratio ）.取值为~2.00，s 是不同的成单电子自旋量子数总和，1个电子的s=1/2。磁矩的单位是BM ，称作玻尔磁子，其大小定义为 1BM=mc
eh π4 6.1.10 式中：e 电子电荷，h 普朗克常数， m 电子质量，c 光速。 例如，1个成单电子的磁矩为μs =g )1(+s s =2
)121(21+=1.73 BM 电子轨道围绕原子核运动产生的轨道磁矩也对总磁矩有贡献。如果考虑全部轨道磁矩，这时总磁矩为：
μs+L =)1()1(4+++L L s s 6.1.1
式中L 是粒子的轨道量子数。式（6.1.9）、（6.1.11）可以应用于自由原子和离子，但对于固体材料，式（6.1.11）并不成立。这是因为原子或离子周围的电场限制了电子轨道的运动。因此，在一般情况下，实验观察到的磁矩近似等于或者大于仅由电子自旋计算出的磁矩。
尽管上述计算方法有其深奥的量子力学来源，但与实验值之间的符合并不十分好。对铁磁和反铁磁材料，有时也使用更简化的方程：
μ= g s 6.1.12
或者干脆将g 作为可调参数以与实验结果吻合。
100
H C (A/m) 106
105
104 10
3 102
101
1 10-1
图6.6磁性材料的分类 6.1.2 电子交换作用和磁畴及其取向化
1．电子交换作用
材料的磁性来源于原子的磁性，而原子的磁性起源与电子自旋和轨道运动。因此，原子内具有未成对电子是具有磁性的重要条件。另外，电子的交换作用也是原子具有磁性的重要因素。我们已经知道，在顺磁态其中含有的未成对电子的各子磁矩是随机排列的，只有加了外磁场后，它们才取向排列。而偶极子与磁场之间的作用要比离子或偶极子本身具有的热能KT 要大一些。在铁磁态和反铁磁态，磁偶极子的取向排列是自发的。因此为了使这种或是平行的或是反平行的取向排列自发发生，毗邻自旋间的相互作用就必须具有正的值。
我们以NiO 为例来讨论自旋耦合如何产生反铁磁性，也就是所谓超交换作用（Superedchange ）。图6.5示意这种超交换作用。
图6.5 Ni 2+离子d 电子和O 2-离子p 电子耦合产生反铁磁性
Ni 2+离子有8个d 电子，在八面体配位环境中，只有其中2个电子为成单状态，它
们占据八面体晶体场中的e g 轨道（d 2z 和d 2x +2z ）
。这些轨道是平行于晶胞轴取向的，因此指向毗邻的氧负离子O 2-。Ni 2+离子的e g 轨道上的未成对电子能与O 2-离子p 电子进行磁耦合，耦合过程发生电子从Ni 2+离子的e g 轨道跃迁到O 2-离子
的p 轨道。这样，每个O 2-离子的p 轨道上就有2个反平行耦合
的电子。所以，NiO 晶体中允许直链耦合发生，使电子可能进行耦合。这种情况发生总结果造成毗邻的镍离子和氧离子相间排列，并且是反平行耦合的。由此可见，物质具体态中原子的电子交换对其磁性有重要的影响。 2.磁畴和磁滞曲线 具有磁畴结构是一切磁性材料的共同特点。在每个磁畴中，所有自旋子的取向排列是一平行的方式，但除非材料是在饱和状态下，不同的磁畴具有不同的自旋方向。磁畴的取向与
外加磁场强度成正比例关系，但不是线性关系，而是像我们在
第5章讨论铁电材料时电滞曲线那样的关系，称作磁滞曲线。随着磁场强度变大，磁畴取向有序度增大，在充分高的磁场下，永磁材料 磁记录材料 磁记忆材料 软磁记料
101
Mn Ⅰ图6.8α-Mn 的反铁磁性结构中磁矩的排列 全部磁畴的自旋方向都是平行的，这时达到饱和磁化状态。但当外加磁场强度变为零时，就是撤去外加磁场，材料并不能达到完全去磁化。要达到完全去磁化，就需要加一个反向磁场，其强度为H C ，同样也可称作材料的矫正顽场。H C 可以作为磁性材料分类的一个参数。图6.6给出根据H C 对磁性材料的分类。
H C 很低的材料称作软磁材料，其具有相应的的导磁率；H C 高的材料称作硬磁材料，其具有相应高的残余磁化率M r ，就是磁场关闭后所剩余的磁化率。硬磁材料不容易去磁，因此可用于永久磁体。
§6.2代表性磁性材料的结构和性质
6.2.1金属与合金磁性材料
1．过渡金属磁性材料
元素周期表中d 区过渡金属有5个元素Cr 、Mn 、Fe 、Co 、Ni 和f 区的大多数镧系元素呈现出铁磁性或者反铁磁性。Fe 、Co 、Ni 是铁磁体。α-Fe 是体心立方结构，自旋指向平行于立方晶胞的[100]方向；金属镍是面心立方结构，自旋指向平行于立方体体对角线的[111]方向；而金属钴是六方密堆结构，自旋取向平行于晶体的c 轴。图6.7示意这些情况。由此可见，铁磁性并不要求特定的晶体结构。铬和锰在低温下（T N ：95K （Mn ）;313K(Cr)）是反铁磁体。Mn 具有复杂的结构，Cr 类似于α-Fe 具有体心立方结构。
α-Fe Tc=1043K Ni Tc=631K Co Tc=1404K
图6.7 体心立方α-Fe 、面心立方Ni 和六方密堆Co 中的铁磁性有序
3个铁磁元素都位于周期系第
一过渡系列，电子构型分别为：
Fe d 6s 2 Co d 7s 2 Ni d 8s 2 在自由态，这些原子的4s 轨道是填满
电子的。但能带理论计算表明，在铁磁态，4s 能带并不是全满，而是部分迁入d 带。于是，Fe 、Co 、Ni 的未成
对电子数依次为2.2、1.7、0.6。饱和磁化率值与未成对电子成正比例，每
102
Al Fe ⅠFe Ⅱ
图6.9 Fe 3Al 的晶体结构
个铁原子的净磁矩为2.2BM 。如此计算的Fe 原子的电子构型为d 7.4s 0.6,未成对电子数为2.4。当形成合金时，随着进入d 轨道的电子总数的增多，其未成对电子数会减少，铁磁性能就会下降。例如组成为Fe 0.8Co 0.2的合金具有最大的未成对电子数为2.4，经过Co 、Ni ，到Ni 0.4Cu 0.6时，成单电子数变为零；在合金Fe 0.8Co 0.2的另一侧，经过Fe 、Mn 、Cr ，未成对电子数也在减少。事实上，Mn 和Cr 在低温下是反铁磁性的。
Mn 有4种同素异形体存在。δ- Mn 具有体心立方结构，反铁磁性，每一原子磁矩为1μB ；γ-Mn 是面心立方结构，也是反铁磁性，每一原子磁矩为2.4μB ；β-Mn 为复杂的立方型结构A 12，不具有磁有序现象；α-Mn 具有更复杂的立方结构A 12，具有很高的顺磁磁化率，低于100℃时是反铁磁性的。图6.8展示出α-Mn 的反铁磁性结构中磁矩的排
列。其中有3类锰原子Mn Ⅰ处在晶胞体心位置，其自旋反平行于4个Mn Ⅱ的自旋；这4
个Mn Ⅱ的自旋以一个规则四面体的形式围绕Mn Ⅰ自旋；Mn Ⅱ的自旋反平行于畸变四面体顶
角上的4个自旋。这个畸变四面体是由1个Mn Ⅰ(距离为28.2nm)和3个Mn Ⅲ(距离为24.9nm)
组成的。还有围绕1个Mn Ⅱ及具有自旋平行的3个Mn Ⅲ(但距离为29.6nm)组成；最后。每
一个Mn Ⅲ有2个Mn Ⅱ作近邻（1个距离为24.9nm ，另1个距离为29.6nm ）,有6个其它Mn Ⅲ(距离为26.7nm)，其中4个反平行，2个平行。
镧系元素由于含有未成对电子而具有磁序结构。大多数镧系元素在低温下呈反铁磁性。重镧系元素在不同温度下会形成铁磁性和反铁磁性结构。和过渡金属相比，镧系元素具有许多特异的磁学性质，主要有几下几点：
（1）镧系元素有7个4f 轨道，可容纳未成对的电子数高达7个。而d 区元素最多能容纳5个成单电子。因此，镧系元素是周期表中顺磁磁化率最大的一族元素。
（2）镧系元素的4f 轨道中的电子受其外层5s 25p 6电子所屏蔽，受外场的影响较小。电子对之间的相互作用也较小，主要通过导电电子的间接交换作用。而d 区过渡金属的d 电子受外场的影响较大，电子对之间的相互作用表现为直接交换作用。
（3）镧系元素有很高的饱和磁化强度、磁致伸缩系数、磁光旋转能力以及磁各向异性等常数。例如，Dy 的饱和磁化强度（3000高斯）是铁（1720高斯）的1.5倍。
（4）镧系元素的缺点是居里温度低，高的
才290K ，最低的则只有20K ，而铁、钴、镍则分
别达到1043、1403和631K 。
2．合金磁性材料
铁、钴、镍合金是一类重要的合金磁性材料。
铁镍合金 具有高导磁率和低矫顽力，具
有一定强度且不易氧化，亦易于加工，被广泛用于
制作磁性元件。低镍合金和α-Fe 一样是体心立方
结构。含30~100%镍的合金是工业上比较重要的合
金，它们与镍一样是面心立方结构。 铁铬合金 一种高强度的抗蚀材料，可用作永磁体。合金的磁化强度几乎与铬含量成反比，
103
Ba 位16d 位
图6.10 反铁磁性和亚铁磁性尖晶石的磁结构 当铬含量超过80%时，合金则呈无磁状态。在此合金体系中，骤冷可以防止σ相产生，并得到连续的体心立方固溶体。
铁钴合金 铁和钴两元素直到含钴75%为止，可以形成连续体心立方固溶体。它们主要应用于生产高磁能积永磁体。
铁铝合金 有序系统全是体心立方结构。在Fe 3Al 中，Al 原子占据交替的体心位
置；而在FeAl 中，Al 原子占据全部的的体心位置。Fe 在Fe 3Al 中可占据2种位置：Fe
Ⅰ和Fe Ⅱ都在体心位置，但前者周围是其他的铁原子，后者周围是铝原子。Al 原子有负的磁矩，Fe Ⅰ的磁矩为2.1μB ，Fe Ⅱ的磁矩为1.5μB 。
除此以外，Fe-Si 、Ni-Co 、Ni-Cu 以及Mn 与许多金属都能形成合金磁性材料。 稀土族中14个元素大多具有彼此密切的晶体结构，其特性也极相近，能与相当其它金属形成合金。应当说在它们之间发现新的磁性合金大有余地。这里值得介绍的所谓第三代永磁材料钕磁铁。其组成可表示为Nd x B y Fe 100-x-y (x=8-30%atom ，y=2-28%atom)。此种材料的磁性能相当好，其磁通密度几乎随外加磁场强度成线性变换关系。另一重要原因是商业上的利益性，它实现了磁铁材料不用高价钴原料的愿望以及稀土资源中钕较为丰富的状况。
6.2.2 化合物磁材料
在磁性材料中，铁氧体是重要的一类。铁氧体材料是以氧化铁为主要成分的磁性氧化物。从结构来分类，主要有尖晶石铁氧体、六方铁氧体和稀土石榴石铁氧体。
1．尖晶石铁氧体
许多重要的商品铁氧体材料都具有尖晶石结构。这类铁氧体的通式可表示为M 2+O ·Fe 23+O 3，其中M 2+为二价金属离子，如Fe 2+、Ni 2+、Cu 2+、Zn 2+、Mn 2+、Co 2+、Mg 2+等。有关尖晶石结构，我们已在第2章讨论过。在整个尖晶石结构中，有2种位置适合阳离子占据：氧负离子四面体配位体，每个晶胞中有64个，其中只有8个位置上有阳离子；氧负离子八面体配位体，每个晶胞中有32个，其
中仅有16个位置上有阳离子。最简单的铁氧体是
赤铁矿Fe 3O 4，其净磁矩等于二价铁离子的磁矩。
磁赤铁矿γFe 3O 4也具有尖晶石结构，但是没有二
价离子，由二价离子空出的八面体位置有2/3被
三价铁占据，其余1/3位置仍空着。其他具有尖
晶石结构的简单铁氧体还有锰铁氧体、钴铁氧体、
镍铁氧体、铜铁氧体、镁铁氧体等。当两种铁氧
体复合时，可以得到优异磁性能的复合铁氧体，
它可以看作是一种铁氧体溶于另一种铁氧体的固溶体。这类复合铁氧体复合锌铁氧体M 1-x Zn x Fe 2O 4(M 为二价离子)，例如镍锌铁氧体Zn 1-x Ni x Fe 2O 4、钴锌铁氧体Zn 1-x Mn x Fe 2O 4、锰锌铁氧体
104
图6.11不含氧离子的石榴石结构
单元
图6.12 NiO的磁结构示意图
Zn1-x Co x Fe2O4。它们一般具有高的导磁率，高的饱和磁化强度以及高的磁致伸缩性质。这些铁磁体的磁结构示意在图6.10中，8个四面体位置粒子的磁自旋与16个八面体位置离子的磁自旋反平行。
2．六方铁氧体
六方铁氧体具有可以和钴相比的高磁晶各向性，适于作永久磁体。它们具有A2+O·6B3+2O化学式。A是二价的Ba、Sr、Pb，B是三价的Al、Ga、Cr、Fe等。最为熟知的是钡铁氧体BaFe12O19和氧化铅铁淦氧PbO·6Fe2O3，晶体结构属于六方晶体。
3．稀土石榴石铁氧体
石榴石型矿物是一类通式为A3B2X3O12的
复杂氧化物，其中许多是重要的铁磁材料。稀土石
榴石的一般组成可以表示为（3M2O3）c
（2Fe2O3）a（3 Fe2O3）d，M为稀土离子，晶体结
构是立方形的。每个晶胞中有160个原子，含有8
个M3Fe2Fe3O12分子。图6.11展示了不含氧离子的
石榴石结构单元。a离子排列在体心立方点阵上，
c，d离子位于立方体面上。晶胞由8个亚单元组
成，每个亚单元有24个c离子，16个a离子和24
个d离子。每个a离子周围有6个氧负离子，形成
一个八面体配位；每个c离子周围有4个氧负离子，
形成四面体配位。这些配位多面体中没有一种是规
则的，氧点阵严重畸变。a和d离子的总磁矩是反
平行排列的，c离子的磁矩与d离子的磁矩是反平
行的。因此，式(3M2O3）c（2Fe2O3）a（3 Fe2O3）d的排列为6M c·4Fe a·6Fe d，净磁矩（玻尔磁子/单位元）为m=6m c－(6m d－4m a)=6m c－10μB(假设每个铁离子为—5μB的磁矩)。
4．其他类型磁材料
第一过渡系列金属的性质随原子系数和d电子数具有极大的系列变化。前过渡元素的氧化物TiO、VO、CrO是顺磁性的。在这些
氧化物中，d电子并不定域在每个二价离子，
而是非定域于整个结构部分充填的t2g轨道上。
这些非定域化电子之间不存在相互作用，因此
是抗磁性的，并且是导体；后过渡元素氧化物
MnO、FeO、CoO、NiO在高温下是顺磁的，
在低温下呈现有序的磁结构。在这些氧化物中，
f电子定域在各自的二价离子上。这些未成对电
子的定域化使得它们具有磁性质并且实际上成
为非电导体。
氧化物MnO、FeO、CoO、NiO在低温下全是反铁磁体，在奈尔温度T N以上变为
105
图6.13 信息存储材料的正交磁滞曲线 顺磁体。它们的T N 值依次为-153、-75、-2、+250℃。所有这些化合物都具有类似的反铁磁结构和顺磁结构。我们以NiO 为例讨论它们的磁结构和磁性关系。
图6.12是NiO 的磁结构示意图。在高温下，NiO 的晶胞属于氯化钠型。如果沿着立方体体对角线的4个等价的[111]方向任何一个来透视，会看到Ni 2+离子和O 2-离子交替的排列层。在250℃以下，NiO 的晶胞发生沿着平行于[111]方向的轻微压缩畸变，即菱形畸变。这样就失去了原来晶胞具有的4次轴和3个3次轴，仅剩下1个3次轴。换句话说，结构对成形降低了。由于结构畸变，使得Ni 2+离子具有反铁磁有序化，在给定的一层Ni 2+离子中，全部Ni 2+离子的自旋都是平行取向排列的，但毗邻的Ni 2+离子层的自旋却是反平行取向排列的。
6.2.3 磁性材料的应用
磁性材料广泛地应用于电子工业、电气工业以及通讯、测量、印刷、计算机等方面。近年来已深入研究了磁光、磁电、压磁和磁致伸缩灯光功能转换材料，不断开发出各种磁转换器件。 铁磁和亚铁磁材料的一项重要用途是制作变压器和马达的磁芯。因此要求其具有大的功率容量和低的损耗，均属于软磁材。这类材料具有高的导磁率、低磁场中易于磁化，并且残余磁场极低。此外还要求其磁致伸缩系数小、磁晶各向异性系数也小。从结构上来看，软磁材料是磁畴容易移动的材料。 信息产业的飞速发展日益需要提供高性能的信息存储磁性材料。这类材料属于软磁材料，并且具有如图6.13所示的磁滞曲线，在给样品加上反向磁场后，样品不发生变化，直到磁场达到H C 时，磁化突然发生。
用于永磁材料的磁性物质应当具备这样的特点：高的饱和磁化率和磁通量能积、高的后滞磁场H C 和高的居里温度以及高的残余磁场和磁晶各向异性。换句话说，永磁材料是硬磁材料。
声、磁、电、光等性质相互作用可以发展许多新的功能转换材料。磁声、磁电、磁光系统的性质近年来已得到深入的研究，发展了许多向光的功能转换材料。
习题 1.为什么含有未成对电子壳层的原子组成的物质只有一部分具有铁磁性？
2.导致铁磁性和亚铁磁性的物质的离子结构有什么特征？
3.试说明你如何用古埃天平实验区分顺磁性、铁磁性和反铁磁性行为？
4.一氧化钒是反铁磁性的，且为电的良导体，而一氧化镍是顺磁性的或反铁磁性的，且是电的不良导体。请解释这些现象。
5.根据下列数据：T （K ） 800 900 1000 1100 1200
χ10-5 3.3 2.1 1.55 1.2 1.0
作图证明这些数据符合居里-威斯定律，计算出T C 、θ或C 。
第二章参考答案 1.原子间的结合键共有几种？各自特点如何？ 2.为什么可将金属单质的结构问题归结为等径圆球的密堆积问题? 答: 金属晶体中金属原子之间形成的金属键即无饱和性又无方向性, 其离域电子为所有原子共有,自由流动,因此整个金属单质可看成是同种元素金属正离子周期性排列而成,这些正离子的最外层电子结构都是全充满或半充满状态,电子分布基本上是球形对称,由于同种元素的原子半径都相等,因此可看成是等径圆球。又因金属键无饱和性和方向性, 为使体系能量最低，金属原子在组成晶体时总是趋向形成密堆积结构,其特点是堆积密度大,配位数高,因此金属单质的结构问题归结为等径圆球的密堆积问题. 3.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 a ：晶格单位长度 R ：原子半径 a3 4R= 3 4R a=，n=2, ∴68 .0 )3 / 4( )3/ 4(2 )3/ 4(2 3 3 3 3 = = = R R a R bcc π π ζ (2)六方密堆 n=6 4.试确定简单立方、体心立方和面心立方结构中原子半径和点阵参数之间的关系。 解：简单立方、体心立方和面心立方结构均属立方晶系，点阵参数或晶格参数关系为 ο 90 ,= = = = =γ β α c b a，因此只求出a值即可。 对于（1）fcc(面心立方)有a R2 4=, 2 4R a=，ο 90 ,= = = = =γ β α c b a (2) bcc体心立方有：a3 4R= 3 4R a=；ο 90 ,= = = = =γ β α c b a (3) 简单立方有：R a2 =，ο 90 ,= = = = =γ β α c b a 74 .0 ) 3 ( 3 8 12 )3/ 4(6 ) 2 3 2 1 ( 6 )3/ 4(63 3 hcp= ? = ?R R R R a a c Rπ π ξ＝ R a a c 2 3 8 = =
山东轻工业学院 教师授课教案 课程名称：材料化学 课程代码：0731504 课程学分： 课程类别：必修课 授课班级：材料化学04－1,2 授课教师：刘素文，刘金华
<<材料化学>>教案 （理论教学48学时，实验教学8学时） 一、课程介绍 课程名称：材料化学(Materials chemistry) 课程性质：专业基础课 先修课程：无机化学，物理化学 总学时：56 （理论教学48 ，实验 8 ） 教材：《材料化学》，潘伟主编，武汉工业出版社，2004年出版 参考资料：《材料化学导论》，唐小真等，高等教育出版社，2004年第三次印刷课程内容：材料化学的基本理论（晶态与非晶态、缺陷化学、相图化学、表面与界面化学等）；材料制备化学（合成方法及原理）；材料化学工程（扩 散、相变、固相反应、烧结等动力学）；新型结构材料；新型功能材 料；功能转换材料等。 二、主要内容 第一章绪论 2学时 §1-1材料科学及其发展 §1-2 材料分类 §1-3 材料化学的任务 第二章材料化学的理论基础14学时 §2-1 晶体与非晶体 一、结构特征 二、性能区别 三、晶体结构基本类型 §2-2 缺陷化学 一、缺陷的分类 二、缺陷化学基础（缺陷符号，缺陷方程）
优秀文档 三、固溶体 四、非整比化合物 五、位错与晶界 六、缺陷在材料中的应用 §2-3 相图与相图化学（刘光华P171-199） 一、固体材料中的基本晶体相（固溶体和化合物） 二、相平衡与相律 三、相图分析 四、相图与新材料（唐小真P102-104） §2-4 材料表面与界面 一、表面现象及其在材料科学中的应用 二、超细粉体的分散性 三、纳米材料简介 第三章材料制备化学 10学时 §3-1 各类材料制备方法比较 §3-2 晶体材料的制备 一、陶瓷法（固相反应法） 二、化学法（沉淀法、溶胶-凝胶法、水热合成法） §3-3 非晶态材料的制备 §3-4 晶体生长 §3-5 高分子材料的制备 第四章材料化学反应工程 6学时 §4-1 固态相变（唐小真P104） 一、相变类型 二、固体中的扩散 三、相变动力学 四、相变增韧 §4-2 固相反应（刘光华P226） 一、固相反应的特点和分类
第二章 缺陷与扩散 §2。1 扩散的基本知识 扩散系数与温度的关系可以用 )exp()exp(00kT h D kT g D D ?-?=?- ?= 式2-1-1 来描述。其中的h ?为晶格中的原子从一个稳定位置移动到另一个相邻的稳定位置之间要克服的能垒。扩散系数的单位是sec /2 cm ，它反映了某物质在一定情况下扩散的难易程度。 反映扩散规律的基本公式为菲克第一和第二定律： 菲克第一定律：C D J → → → ??-=，式中的→ J 是扩散通量，单位为sec)/(2 ?cm g 或 sec)/(2?cm mol ；C 是扩散物质的浓度；负号表示扩散方向与浓度梯度方向相反。第一定 律适用于稳态扩散的情况，对三维扩散，)(z C D y C D x C D J z y x ??+??+??-=→ ；对一维扩散，x C D J x ??-=→ 。 菲克第二定律：A R C V C D t C +???-???=??→→)(2 ，描述了浓度随时间的变化规律。式中右边的第一项表示直接和物质的扩散性质有关的影响；第二项表示体系运动的影响；第三项表示体系中化学反应的影响。 晶体中的扩散路径为： 1）表面扩散 2）晶界扩散 3）位错扩散 4）晶格扩散 若用l d g s Q Q Q Q ,,,分别代表单独通过这四种路径扩散所需能量，用l d g s D D D D ,,,分别代表这四种扩散途径的扩散系数，则有：l d g s Q Q Q Q <<<，l d g s D D D D >>>。可见扩散由1）到4）是由易到难的，故一般情况下晶体内的扩散以晶格扩散为控速环节。 §2。2 扩散驱动力 扩散的驱动力是体系中存在的化学位梯度。从微观角度考虑：体系中的A 物质沿x 方向扩散时，作用在每一个原子上的力为： x G N F A a ???- =1 式2-2-1 其中的A G 是体系中某位置A 原子的摩尔化学位，a N 是阿佛加德罗常数。 用A B 表示A 原子的迁移率或称“淌度”，定义A 原子的运动速度：
第一章 1.什么是材料化学其主要特点是什么 答：材料化学是有关于材料的结构、性质、制备及应用的化学。 主要特点：跨学科性，实践性。 2.材料与试剂的主要区别是什么 答：试剂在使用过程中通常被消耗并转化为其他物质，而材料通常是可重复的、连续的，除了正常的消耗外，它不会不可逆地转化为其他物质。 3.观察一只灯泡，列举制造灯泡所需的材料。 4.材料按其组成和结构可以分为哪几类如果按功能和用途对材料分类，列举十种不同功能或用途的材料。 答：（1）金属材料，无机非金属材料，高分子材料，复合材料 （2）导电材料、绝缘材料、生物医用材料、航天航空材料、能源材料、电子信息材料、感光材料 5.简述材料化学的主要内容。 答：结构：原子和分子在不同层次彼此结合的形式、状态和空间分布。 特性：材料固有的化学、物理和力学特性。 制备：将原子和分子结合在一起，并最终将其转化为有用的产品应用。． 第二章1.原子间的结合键共有几种各自特点如何 特键形成晶体的特 高熔点、高强度、高硬度、低膨无饱和性、无方向性、高最系数、塑性较差、固态不导电、离子位数态离子导电高熔点、高强度、高硬度、低膨有饱和性、有方向性、低共价在熔态也不导电系数塑性较差位可以自由流动电子共有化塑性较好、有光泽、良好的导热较金属无饱和性、无方向性、配位导电性。数高范德华键无饱和性、无方向性最弱 有饱和性、有方向性氢键弱4RaaR?34??3计算体心立方及六方密堆的的堆积系数。3. （1）体心立方33RR??/(42(43)2/3)??0.68＝?bcc3a3R)/(43 n = 2单位晶胞原子数 ca8?3aR2? （2）六方密堆33R?R?/36/3)6(4(4)??＝?0.74hcp831RcaRaR)6(12?)?(3n=6322 4RaaR?24??2（3）面心立方
材料化学习题第二章参 考答案 https://www.doczj.com/doc/e88630575.html,work Information Technology Company.2020YEAR
2章材料化学的理论基础 1.用固体能带理论区别导体、半导体、绝缘体。 根据晶体的能带理论，金属晶体中布里渊区一般有重叠，且部分充填。同一区相邻状 能级非常接近，只要很下的电场就能把电子提升到相邻的较高能级，导电性好； 半导体物质，第一布里渊区是填满的，和空的第二布里渊区之间只有较小的能量间隙 温度升高时，第一布里渊区顶部的电子受到激发，进入到第二布里渊区底部，向自由电子一样，在外加电场的作用下，表现出导电性；温度越高，激发到第二布里渊区的电子越多，其导电性也越强；（ 绝缘体物质，电子填满最低的一系列能带，满带与空带之间的能量间隙很大，电子不能被激发到空带中，因此不能导电。 2.晶体的宏观特性有那些。 自限性、晶面角守恒、解理性、晶体的各向异性、晶体的均匀性、晶体的对称性、固定的熔点这是由构成晶体的原子和晶体内部结构的周期性决定的。说明晶体宏观特性是微观特性的反映 3.说明晶体点阵缺陷的分类情况。 按形成晶体缺陷的原子种类，可将晶体缺陷分成化学缺陷和点阵(几何)缺陷两类。按点阵缺陷在三维空间的尺度，又可将点阵缺陷分为点缺陷、线缺陷、面缺陷三类。 4.用实验事实简述非晶体材料的几何特征。 5.写出TiO2在还原气氛中失去部分氧，生成的缺陷反应，说明代表的意义。 6.晶体一般的特点有哪些；点阵和晶体的结构有何关系。
（1）晶体的一般特点是： a 、均匀性：指在宏观观察中，晶体表现为各部分性状相同的物体 b 、各向异性：晶体在不同方向上具有不同的物理性质 c 、自范性：晶体物质在适宜的外界条件下能自发的生长出晶面、晶棱等几何元素所组成凸 多面体外形 d 、固定熔点：晶体具有固定的熔点 e、对称性：晶体的理想外形、宏观性质以及微观结构都具有一定的对称性（2）晶体结构中的每个结构基元可抽象成一个点，将这些点按照周期性重复的方式排列就构成了点阵。点阵是反映点阵结构周期性的科学抽象，点阵结构是点阵理论的实践依据和具体研究对象，它们之间存在这样一个关系： 点阵结构＝点阵＋结构基元点阵＝点阵结构－结构基元 7.晶体衍射的两个要素是什么它们与晶体结构有何对应关系在衍射图上有何反 映。 8. 晶体衍射的两个要素：衍射方向和衍射强度 关系：晶胞大小、形状?衍射方向?衍射（点、峰）的位置 晶胞内原子种类和位置?衍射强度?衍射点（线）的黑度、宽度峰的高度、高度 9.总结位错在金属材料中的作用。 参考答案要点
2章材料化学的理论基础 1.用固体能带理论区别导体、半导体、绝缘体。 2.晶体的宏观特性有那些。 3.说明晶体点阵缺陷的分类情况。 4.用实验事实简述非晶体材料的几何特征。 5.写出TiO2在还原气氛中失去部分氧，生成的缺陷反应，说明代表的意义。 6.晶体一般的特点有哪些；点阵和晶体的结构有何关系。 7.晶体衍射的两个要素是什么？它们与晶体结构有何对应关系？在衍射图上有何反映。 8.总结位错在金属材料中的作用。 9.说明晶界对材料性能及变形的影响。 10.画出fcc晶胞中（111）晶面上的所有[110]晶向。 11.假设把MgO固溶到ZrO2中（10%），,（1）写出两种可能的固溶反应式；（2）设Mg2+进入Zr2+位置的摩尔分数为x，试写出相应两种固溶体分子式。 12.一个立方晶系晶胞中，一晶面在晶轴X、Y、Z上的截距分别为2a、1/2a 、 2/3a，确定此晶面的晶面指数，并图示。 13.简述P型半导体和N型半导体导电机理。 14.Mg（熔点924K）和Zn（熔点692K）的相图具有两个低共熔点，一个为641K （3.2%Mg，质量分数），另一个为620K（49%Mg，质量分数），体系的熔点曲线上有一个最高点863K（15.7%Mg）。（1）绘出Mg和Zn的T—x（温 度—组成）图。（2）标明各区中的相。 15.四面体型分子CH3Cl具有哪些那些对称元素。 16. 在立方晶系中写出面OBC’、ODD’O’的晶面 指数和OB、OD晶向指数（AD=1/2AB）。 17.图例是A-B-C三元系成分三角形的一部分，其中X合金的成分是 _______________。
17题图18题图 18.如图是A-B-C三元系统相图，根据相图回答下列问题： （1）写出点P，R，S的成分； （2）设有2kgP，问需要多少何种成分的合金Z才可混熔成6kg成分为R的合金。 19.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？ 3章材料结构的表征 1.什么是材料结构的表征？包括那些内容？ 2.热分析技术包括那些？可研究那些内容？ 3.X射线衍射技术 4.简述波谱技术的分类。 4章材料制备化学 1.晶体材料制备的方法有哪些，简述其原理。 2.分别从热力学和动力学分析MgO和Al2O3以1：1摩尔比生成尖晶石MgAl2O4的固态反应。 3.如何控制晶体颗粒的生长。 5章材料结构的物理性能 1.简述晶体材料共同的和基本的特性。 2.晶体缺陷在材料的改性和制备新型或特殊性能材料的作用。
材料化学导论复习提纲 第一章绪论 一、材料的分类（按成分分类、按功能分类） 1、按组成、结构特点分 金属材料：由金属及合金构成的材料。 黑色金属：如钢Fe、Mn、Cr及其合金； 有色金属：黑色金属以外的各种金属及其合金。 无机非金属材料：由非金属单质或金属与非金属组成的化合物所构成的材料。 传统无机非金属材料：水泥、玻璃、陶瓷等 新型无机非金属材料：高温结构陶瓷、光导纤维等。如水晶(SiO2)、金刚石(C)、刚玉(Al2O3)、 新型陶瓷材料或精细陶瓷。 高分子材料：以脂肪族或芳香族的C-C 共价键为基础结构的大分子组成。 天然高分子材料：木材,天然橡胶,棉花,动物皮毛等。 合成高分子材料：塑料,合成橡胶,合成纤维和粘合剂等。 复合材料：金属、无机非金属和有机高分子材料有机结合，可以在性能上起到协同作用，从而获得全新性能的一类材料。如碳纤维等。 2、按使用性能分 结构材料：主要利用材料的力学性能的材料。 功能材料：主要利用材料的物理和化学性能的材料。 二、原料与材料的区别、（化学过程与材料过程？）。 材料：人类能用来制作有用物件的物质。是为获得产品，无化学变化。 原料：人们在自然界经过开采而获得的劳动对象。是生产材料，往往伴随化学变化。 注意：材料和原料合成为原材料。 三、.材料的发展过程（了解）。 第一代：天然材料 在原始社会，生产技术水平低下，人类使用的材料只能是自然界的动物、植物和矿物，主要的工具是棍棒，用石料加工的磨制石器。 第二代：烧炼材料 烧炼材料是烧结材料和冶炼材料的总称。天然的矿、土烧结的砖瓦、陶瓷、玻璃、水泥，都属于烧结材料；从天然矿石中提炼的铜、铁等，属于冶炼材料。 第三代材料：合成材料 如合成塑料、合成橡胶、合成纤维。 第四代：可设计的材料 近代出现的根据实际需要去设计特殊性能的材料。 第五代：智能材料 随时间、环境的变化改变自己的性能或形状的材料。如形状记忆合金。 第二章 一、晶体的对称性：点对称操作的独立操作元素、点对称操作与平移对称操作的组合（空间群）。 晶体的对称性：指对晶体施加某种几何操作后，晶体可以完全复原的性质。这种几何操作为对称操作。 点对称操作：在晶体对称操作过程中，若至少有一个点保持不变，则这种对称操作称为点对称操作。晶体的这种对称性称为点对称性或宏观对称性。 能使点阵结构复原的对称元素：平移群、对称中心（又称倒反）、镜面、旋转轴、旋转反轴。 空间点阵结构中只能容纳有限的几种旋转轴，即二重轴、三重轴、四重轴和六重轴，所以其最基本的对称元素只有七种。 1、旋转对称性：指以一个假想直线为轴，绕此直线旋转一定的角度可使图形相同部分重合。 （该直线称为对称轴，以L表示，分为n重旋转轴，其中n＝360/α, α为旋转角度。受点阵结构的限制，晶体中只存在1，2，3，4，6几种旋转轴，用L1， L2 ，L3，L4，L6 表示。）
第6章习题答案 1.纳米的基本涵义是什么?简述为什么纳米材料会表现出许多前所未有的新特性? 答：纳米材料是指晶粒尺寸为纳米级(10-9米)的超细材料。它的微粒尺寸大于原子簇，小于通常的微粒，一般为100~102nm。它包括体积分数近似相等的两个部分：一是直径为几个或几十个纳米的粒子二是粒子间的界面。前者具有长程序的晶状结构，后者是既没有长程序也没有短程序的无序结构。 由于纳米材料具有颗粒尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子所占比例大等特点，纳米材料具有传统材料所不具备的奇异或反常的物理、化学特性，如原本导电的铜到某一纳米级界限就不导电，原来绝缘的二氧化硅、晶体等，在某一纳米级界限时开始导电。即纳米材料显现出纳米效应，具体表现为三大效应：表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。 由于纳米效应，纳米材料光学、热学、电学、磁学、力学乃至化学性质也就相应地发生十分显著的变化。因此纳米材料具备其它一般材料所没有的优越性能，可广泛应用于电子、医药、化工、军事、航空航天等众多领域，在整个新材料的研究应用方面占据着核心的位置。 2.纳米材料可分为哪几类? 答：纳米材料大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体等四类。其中纳米粉末开发时间最长、技术最为成熟，是生产其他三类产品的基础。 纳米粉末又称为超微粉或超细粉，一般指粒度在100纳米以下的粉末或颗粒，是一种介于原子、分子与宏观物体之间处于中间物态的固体颗粒材料。纳米纤维指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料。纳米膜分为颗粒膜与致密膜。颗粒膜是纳米颗粒粘在一起，中间有极为细小的间隙的薄膜。致密膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜。纳米块体是将纳米粉末高压成型或控制金属液体结晶而得到的纳米晶粒材料。 3.比较小尺寸效应和量子尺寸效应。 答：纳米颗粒的小尺寸所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。当纳米材料中的微粒尺寸小到与光波波长或德布罗意波波长、超导态的相干长度等物理特征相当或更小时，晶体周期性的边界条件被破坏，非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小，使得
材料化学专业硕士研究生课程 教学大纲 课程名称：材料化学导论课程编号：0703212X01 学分：3 总学时：54 开课学期：1－2 学期考核方式：笔试＋课程论文课程说明： 本课程是材料化学专业硕士研究生学位课。要求同学以固体结构、用为主线，掌握二元离子晶体和三元典型离子晶体的结构描 述和各类点缺陷，握主要类型电、光和磁功能材料 的结构和性能， 纳米技术。教学内容、要求及学时分配： 01 绪论（4 学时）定义和分类材料科 学中基本化学问题 02 理想晶体的结构（10学时）宏观 特征等径球主要堆积方式 03 缺陷晶体的结构（10学时）两类热 缺陷非化学整比化合物不等价元 素置换固溶体能带理论的概念 04 固体的电学性质与电功能材料（固 体电导率定义Frenkel 导体和 Schottky 导体超导概念和特征参 数压电效应和压电材料 材料与新技术革命 点阵概念 间隙杂质和替代杂质缺陷点缺 陷F- 心双重价态控制半导体 各类 缺陷 的拟化学平衡 10 学时）固体中的离子扩散快离子导 体两类超导体和库柏电子对模 型铁电效应和铁电材料 性能和应掌 了解固体材料的基本制备方法和
05 固体的光性质和光功能材料（8 学时） 光导电和光电转化材料发光材料组固体光吸收的本质发光材料的发光特性 成和发光原理 激光原理和激光材料 06 固体的磁性和磁功能材料（6 学时） 固体的磁性磁化率与温度的关系 磁性材料的分类过渡金属、合金和铁氧体的磁结构 分子磁体及其磁化学 07 纳米材料化学简介（6 学时） 纳米材料的概念、特性及应用主要纳米技术 纳米粉材料、孔材料和纳米碳管材料制备原理和典型示例 教材或主要参考书目： [1]张逢星、李珺编著，《材料化学导论》，西北大学本科讲义，2004 年 [2]张逢星、李珺编译，《无机材料化学》，牛津双语读物，2005 年 [3]苏勉曾，固体化学导论，北京大学出版社，1996 年 [4]唐小真主编，材料化学导论，高等教育出版社，1997 年 （大纲起草人：张逢星大纲审定人：史启祯） 课程名称：功能高分子材料导论 课程编号：0703212X02 学分：3 总学时数：54 开课学期：第1-2 学期 考核方式：笔试 课程说明： 本课程是材料化学专业硕士研究生学位课。功能高分子材料在生态环境保护、信息功能化、生物医用器材、物质分离膜、能量转换和储能技术等工业领域有着极为广泛的应用。本课程的目的是使学生了解和掌握功能高分子材料的基本内容、研究方法、主要研究领域、国内外发展现状及发展趋势。要求学生全面了解和掌握功能高分子材料类型、结构和功能的关系、制备原理及方法，提高研究、开发特种功能高分子材料的能力。
材料化学导论习题库 第一篇高分子材料导论 第一章 1.叙述高分子科学在科学技术发展中的地位。 2.说出获得诺贝尔奖的高分子科学家的名字和他们的主要贡献。 3.说出十种你日常生活中遇到的高分子的名称。 4.查阅最新的全世界合成材料的年产量，并与图1-2相比较，看又增长了多少？(提示： 从当年的“塑料工业”、“橡胶工业”和“合成纤维工业”的有关文章中可查到前一年的数据) 5.调查学习高分子的学生毕业后就业的百分比是多少？ 6.下列产品中哪些属于聚合物？(1) 水；（2）羊毛；(3) 肉；(4) 棉花；(5) 橡胶轮胎；(6) 涂料 7.写出下列高分子的重复单元的结构式：(1) PE；(2) PS；(3) PVC；(4) POM；(5) 尼龙； (6) 涤纶 8．用简洁的语言说明下列术语：（1）高分子；(2) 链节；（3）聚合度；(4) 多分散性； (5) 网状结构；(6) 共聚物 9．说出具有下列重复单元的一种聚合物的名称。 A．亚乙基—CH2—CH2— B．苯酚和甲酚缩合后的单元 C．氨基酸缩和后的单元 10．H（CH2CH2）3000H的分子量是多少？ 11．平均分子量为100万的超高分子量PE的平均聚合度是多少？ 12．已知一个PS试样的组成如下表所列，计算它的数均分子量、重均分子量和d。 组分重量分数平均分子量组分重量分数平均分子量 1 0.10 20.19 30.24 4 0.18 1.2万 2.1万 3.5万 4.9万 5 6 7 8 0.11 0.08 0.06 0.04 7.5万 10.2万 12.2万 14.6万 13．按值递增的次序排列数均分子量、重均分子量、Z均分子量和粘均分子量。 14．下列哪一种聚合物是单分散的？（1）天然橡胶；(2) 玉米淀粉；(3) 棉纤维素；(4) 牛奶酪蛋白；(5) 高密度聚乙烯；(6) 聚氯乙烯；(7) β—角蛋白；(8) 尼龙-66；(9) 脱氧核糖核酸；(10) 石腊 15．高分子结构有哪些层次？各层次研究的内容是什么？ 16．什么是高分子的构型？什么是高分子的构象？请举例说明。 17．有一种等规度不高的聚丙烯，能否通过改变构象的办法提高它的等规度？为什么？18．由以下单体聚合得到的高分子是否存在有规立构体？有几种？ (1) CH2=CH－CH2－CH=CH2；(2) CH2=C(CH3)2 19．画出PE的平面锯齿形构象示意图。 20．当n=2000时，高密度聚乙烯分子链的近似长度为多少？重复单元数目相同的聚氯乙烯分子链的近似长度是多少？ 21．线形聚合物和支化聚合物中碳原子的近似键角各是多少度？
第一章材料科学基础 1.1 原子间的键合、分子间作用 1、原子的键合、分子间作用有哪些？ 原子：金属键、离子键 分子：共价键、氢键、德华键 2、各种键合有什么特点和特性？ 3、形成氢键的两个条件是什么？ 分子中必须含活性氢、另一个元素必须是显著的非金属元素 1.2 晶体结构与缺陷 1、晶态与非晶态之间的转化？ 非晶态所属的状态属于热力学亚稳态，所以非晶态固体总有向晶
态转化的趋势，即非晶态固体在一定温度下会自发地结晶，转化到稳定性更高的晶体状态。通常呈晶体的物质如果将它从液态快速冷却下来也可能得到非晶态。 2、晶格常数（晶系）？ 例如：正交晶系的晶格常数特征是什么？（选择题） 3、按几何形态分晶体缺陷有哪几种？ 点缺陷（零维缺陷）：缺陷尺寸处于原子大小的数量级上，即三维方向上缺陷的尺寸都很小。包括：空位；间隙质点；错位原子或离子。线缺陷（一维缺陷）：指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列所产生的缺陷，即缺陷尺寸在一维方向较长，另外二维方向上很短。 面缺陷(二维缺陷)：是指在二维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列而产生的缺陷。如晶界、堆积层错等。
1.3 材料的亚稳态 1、为什么纯金属做玻璃不可能？ 因为可用于做玻璃的多元合金需满足以下条件： 合金系有三个以上组元、主要组元要有12%以上的尺寸差、各元素间要有大的混合热 第三章高分子材料学基础 3.1.1 高分子链近程结构 1、常见的高分子的缩写及单体？ 聚氯乙烯：PVC，CHCLl=CH2 有机玻璃：PMMA聚甲基丙烯酸甲酯， 塑料王：PTFE,聚四氟乙烯，CF2=CF2 2、聚乙烯醇在水中可不可以水解？ 3、链的原子种类和排列特点及举例？ 特点举例 碳链高分子不溶于水，可塑性（可加 工性）但耐热性差PP聚丙烯, PE聚乙烯,PS聚苯乙烯.PVC聚氯乙烯、PMMA聚甲基丙烯酸甲酯 杂链高分子具有极性，易水解、醇解， 耐热性比较好，强度高PA（尼龙）、PET（涤纶）、PPO（聚苯醚）、PSU （聚砜）、POM（聚甲醛）、PPS（聚苯硫醚）。 元素有机高分子具有无机物的热稳定性， 有机物的弹性和塑性 硅橡胶 4、几何异构：顺式异构和反式异构举例？ 顺式聚异戊二烯: 弹性大，是一种橡胶 反式聚异戊二烯:由于结构对称，极易结晶，为坚硬塑料
材料化学是从化学的角度研究材料的设计、制备、组成、结构、表征、性质和应用的一门科学。它既是材料科学的一个重要分支，又是化学学科的一个组成部分，具有明显的交叉学科、边缘学科的性质。它的内涵在于（2）……随着国民经济的迅速发展以及材料科学和化学科学领域的不断进展，作为新兴学科的材料化学发展日新月异。 本专业的设立目标在于培养较系统地掌握材料科学的基本理论与技 术，具备材料化学相关的基本知识和基本技能，能在材料科学与工程及其 相关的领域从事研究、教学、科技开发及相关管理工作的材料化学高级专 门人才。它要求本专业学生主要学习材料科学方面的基本理论、基本知识 和基本技能，受到科学思维与科学实验方面的基本训练，具有运用化学和 材料化学的基础理论、基本知识和实验技能进材料研究和技术开发的基本 能力。本专业毕业生应掌握数学、物理、化学等方面的基本理论和基本知 识；掌握材料制备（或合成）、材料加工、材料结构与性能测定等方面的 基础知识、基本原理和基本实验技能；了解相近专业的一般原理和知识； 熟悉国家关于材料科学与工程研究、科技开发及相关产业的政策，国内外 知识产权等方面的法律法规；了解材料化学的理论前沿、应用前景和最新 发展动态，以及材料科学与工程产业的发展状况；掌握中外文资料查询、 文献检索以及运用现代信息技术获取相关信息的基本方法。具有一定的实 验设计，创造实验条件，归纳、整理、分析实验结果，撰写论文，参与学 术交流的能力。 应用化学专业的学生无须像以上所述的那样去严格要求自己，但是， 若在学好自己的专业课程之余还有精力去进一步了解材料化学的话，那也 是多多益善的，毕竟各学科之间是有交集的。（3）…… （4）…… （5）…… 其一高分子材料 高分子材料已经和金属材料、无机非金属材料并驾齐驱，在国际上被列为一级学科。 从化学角度来定义，高分子是由分子量很大的长链分子所组成，而每个分子链都是由共价键联结的成百上千的一种或多种小分子构造而成。高分子的分类有多种，按来源可分为天然高分子、天然高分子衍生物、合成高分子；据用途可分为结构高分子和功能高分子；据工业产量和价格还可分为通用高分子、中间高分子、工程塑料以及特种高分子等等。 高分子材料的功能很多且应用十分广泛。就结构高分子而言，大家知道最多的当属塑料、橡胶和纤维。其中塑料产量最大，主要用于包装材料、结构材料、建筑材料以及交通运输材料；橡胶主要用于制造轮胎；纤维主
材料化学第二章习题参考答案1 案场各岗位服务流程 销售大厅服务岗： 1、销售大厅服务岗岗位职责： 1)为来访客户提供全程的休息区域及饮品; 2)保持销售区域台面整洁; 3)及时补足销售大厅物资,如糖果或杂志等; 4)收集客户意见、建议及现场问题点； 2、销售大厅服务岗工作及服务流程 阶段工作及服务流程 班前阶段1）自检仪容仪表以饱满的精神面貌进入工作区域 2）检查使用工具及销售大厅物资情况，异常情况及时登记并报告上级。 班中工作程序服务 流程 行为 规范 迎接 指引 递阅 资料 上饮品 （糕点） 添加茶水工作1）眼神关注客人，当客人距3米距离侯客迎询问客户送客户
注意事项 15度鞠躬微笑问候：“您好！欢迎光临！”2）在客人前方1-2米距离领位，指引请客人向休息区，在客人入座后问客人对座位是否满意：“您好！请问坐这儿可以吗？”得到同意后为客人拉椅入座“好的，请入座！” 3）若客人无置业顾问陪同，可询问：请问您有专属的置业顾问吗？，为客人取阅项目资料，并礼貌的告知请客人稍等，置业顾问会很快过来介绍，同时请置业顾问关注该客人； 4）问候的起始语应为“先生-小姐-女士早上好，这里是XX销售中心，这边请”5）问候时间段为8:30-11:30 早上好11:30-14:30 中午好 14:30-18:00下午好 6）关注客人物品，如物品较多，则主动询问是否需要帮助（如拾到物品须两名人员在场方能打开，提示客人注意贵重物品）； 7）在满座位的情况下，须先向客人致
待； 阶段工作及服务流程 班中工作程序工作 要求 注意 事项 饮料（糕点服务） 1）在所有饮料（糕点）服务中必须使用 托盘； 2）所有饮料服务均已“对不起，打扰一 下，请问您需要什么饮品”为起始； 3）服务方向：从客人的右面服务； 4）当客人的饮料杯中只剩三分之一时， 必须询问客人是否需要再添一杯，在二 次服务中特别注意瓶口绝对不可以与 客人使用的杯子接触； 5）在客人再次需要饮料时必须更换杯 子； 下班程 序1）检查使用的工具及销售案场物资情况，异常情况及时记录并报告上级领导； 2）填写物资领用申请表并整理客户意见；3）参加班后总结会； 4）积极配合销售人员的接待工作，如果下班
材料化学专业培养方案 Curriculum of Undergraduate of Material Chemistry Major 一、培养目标 本专业培养适应社会经济发展需要，具有较好自然科学基础和人文社会科学基础、良好的敬业精神和社会责任感、扎实的材料化学方面专业知识，具有创新精神的高素质创新应用型人才，并期望毕业5年后能达成下列目标： 1、具有良好的个人修养与社会道德水准； 2、能够进行材料化学相关的新型材料技术与新产品研发、工艺与设备设计和生产技术管理； 3、能够具有一定的团队协作精神和领导能力，在一个科研技术开发团队中能有效地发挥作用； 4.、具备设计、研究和开发新材料、新工艺的能力，在新材料的合成与制备、材料性能分析、材料应用等领域具有就业竞争力，并有能力进入研究生阶段学习； 5、能够通过终身学习拓展自己的知识和能力； 6、有意愿创新实践，并有能力服务社会。 Ⅰ. Training Objectives This major aims at training undergraduate students to be high level creative talentswith good professional quality,moral cultivation, good employment competitive power and innovation ability. The expected achievements for graduates of Materials Chemistry in 5 years: 1.Good manner and excellent moralities; 2.Ability to conduct research on technology and product of new materials in materials chemistry discipline, the design of technique and equipment as well as management of production technique; 3.Good team spirit and leadership ability to have contributions in a technique developing team; 4.Knowledge and skills of designing, researching and developing new materials and technologies; Advantages in the field of materials preparation, processing, analyzing and application; Abilities to be engaged in postgraduate education; 5.Ability to adapt to the development and to expand the vision and to improve competitiveness through keeping study all their lifelong; 6.Ability to be creative and willing to serve the society. 二、毕业要求 1、工程知识：能够将数学、自然科学、工程基础和专业知识应用于解决材料化学领域的复杂工程问题。 2、问题分析：能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，识别、表达、掌握材料科学与工程学科的基础理论，掌握材料科学和化学科学的基本知识，具有一定的实验操作基本技能，并借助文献研究分析材料化学领域复杂工程问题，以获得有效结论。 3、设计、开发解决方案：能够针对材料化学领域复杂工程问题进行研究路线设计并提出解决方案，根据材料合成与制备、材料设计与加工、材料结构与性能测定等方面的专业基础知识和原理，设计制备新型材料化学体系，并具有分析测试新型材料基本性能和判断应用领域的能力，同时考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素。 4、实验设计与信息处理：能够基于科学原理并采用科学方法对材料化学领域复杂工程问题进行分析
第一章 1.什么是材料化学？其主要特点是什么？ 答：材料化学是有关于材料的结构、性质、制备及应用的化学。 主要特点：跨学科性，实践性。 2.材料与试剂的主要区别是什么？ 答：试剂在使用过程中通常被消耗并转化为其他物质，而材料通常是可重复的、连续的，除了正常的消耗外，它不会不可逆地转化为其他物质。 3.观察一只灯泡，列举制造灯泡所需的材料。 4.材料按其组成和结构可以分为哪几类？如果按功能和用途对材料分类，列举十种不同功 能或用途的材料。 答：（1）金属材料，无机非金属材料，高分子材料，复合材料 （2）导电材料、绝缘材料、生物医用材料、航天航空材料、能源材料、电子信息材料、感光材料 5.简述材料化学的主要内容。
答：结构：原子和分子在不同层次彼此结合的形式、状态和空间分布。特性：材料固有的化学、物理和力学特性。 制备：将原子和分子结合在一起，并最终将其转化为有用的产品应用。
第二章1.原子间的结合键共有几种？各自特点如何？ （1）体心立方 单位晶胞原子数n = 2 （2）六方密堆
n=6 （3）面心立方 n=4 10. 单质Mn有一种同素异构体为立方结构，其晶胞参数为0.6326nm，密度= 7.26 g cm-3，原子半径r = 0.112nm，计算Mn晶胞中有几个原子，其堆积系数 为多少？ 74 . ) 3 ( 3 8 12 )3 / 4 (6 ) 2 3 2 1 ( 6 )3 / 4 (6 ＝ 3 3 hcp= ? = ?R R R R a a c Rπ π ξ R a a R 2 4 2 4= ? = 74 . ) 2 / 4 ( )3 / 4 (4 )3 / 4 (4 ＝ 3 3 3 3 fcc= = R R a Rπ π ξ
材料化学导论作业 ————未来超新型材料我认为，在未来，随着科学的进步，在材料的合成手段上必定是我们现在科学手段无法达到的，因此，未来的化学材料合成技术可以统一称为：完全炼金术。 （名词讲解： 完全炼金术：使用某种机器（例如原子构造共振器），通过影响组成原子的夸克的运动或着夸克与夸克之间作用的，影响原子性质，使不同种类原子之间能发生相互作用力，形成一种特殊的键，这种方法既不破坏原有原子的结构也不容易被破坏。最大限度的保留主要构成原子的特性。） 因为在未来合金的过程中我们对原子的利用是接近百分之百的，因此可以称之为“完全”，而此时的科学技术对于现在的我们就如同我们现在的科学技术对于古人的神秘性一样，都是属于未知的方法，因此可以将之称为未来的“炼金术”。 在此，我提出在未来可能出现的合金种类，命其名为：超硅钛合金，也可以称为“意识合金”。介绍如下 材料名称：超硅钛合金； 材料属性：合金； 材料主要成分：超硅（超硅能增加合金硬度，同时也能作为信息传导材料）、超钛金属（超钛金属是未来可能发现的相对原子量大的钛族金属，具有钛的性质和与同族原子电磁波共振的性质，而且能记忆金属初次变化后的形状）； 材料合成方式：完全炼金术； 材料特点：高耐性，高强度，耐腐蚀，能进行信息的传递与储存，有金属光泽（加入不同原子种类或者成分光泽不同），难熔，比一般合金轻，有一定的可塑性，可以对其进行回收再利用，减少资源浪费； 材料缺点：质脆，不适合用做大型建筑材料； 材料用途：多用途。 材料说明：这种材料在未来能发挥相当大的作用，比如说可以制作成未来的计算机终端。未来的计算机已经不再是现在的一芯片+其他东西，而是芯片与机体合为一体。只需要对这种合金进行改造，使合金内部的超硅成为传递信息和储存信息的芯片，使超钛金属具有导线和主板的功能，同时可以利用超钛金属的延展性制作成各种形状和样式的计算机外型，使用者需要在手臂上植入一枚小小的超硅钛合金芯片，就能通过芯片与这种“计算机”电磁波的共振读取储存在机体里的信息。同时使用者也能通过这种形式对计算机“发号施令”，对以超硅钛合金为材料的物体进行结构上的影响和调整。例如用一块合金便能自己制作成一张凳子或者一把刀，并且可以对形状进行稍微的调整，但并不能进行大的改变（比如说再变成桌子或着勺子之类）。也就是说，在未来的世界里，
第二章 1、天然或绝大部分人工制备的晶体都存在各种缺陷，例如，在某种氧化镍晶体中就存在这样的缺陷：一个Ni 2+空缺，另有两个Ni 2+被两个Ni 3+所取代。其结果晶体仍然呈电中性，但化合物中Ni 和O 的原子个数比发生了变化。试计算样品组成为Ni 0.97O 时该晶体中Ni 3+与Ni 2+ 的离子数之比。 解：设晶体中Ni 3+的离子数为a ，Ni 2+的离子数为b 。根据题意： 答：该晶体中Ni 3+与Ni 2+ 的离子数之比为6：91。 2、已知氧化铁Fe x 0(富士体)为氯化钠型结构，在实际晶体中，由于存在缺陷，x ＜1。今有一批氧化铁，测得其密度为5.7g/cm 3，用MoK α射线（λ=71.07pm ）测得其面心立方晶胞衍射 指标为200的衍射角θ=9.56°（sin θ=0.1661,Fe 的相对原子质量为55.85）。 （a ）计算Fe x 0的面心立方晶胞参数。 （b ）求x 值。 （c ）计算Fe 2 +和Fe 3+各占总铁质量的质量分数。 （d ）写出表明铁的价态的化学式。 解：（a ） （c ）设0.92mol 铁中Fe 2 +的摩尔数为y ，则Fe 3+ 的摩尔数为（0.92-y ），根据正负离子电荷平衡原则可得：
即Fe2+和Fe3+的摩尔数分别为0.76和0.16，他们在总铁中的摩尔百分数分别为： （d）富士体氧化铁的化学式为。 3、NiO晶体为NaCl型结构，将它在氧气中加热，部分Ni2+将氧化为Ni3+，成为Ni O(x＜1)。 x O，测得其密度为6.47，用波长λ=154pm的X射线通过粉末法测得立方晶胞111今有一批Ni x 衍射指标的θ=18.71°（sinθ=0.3208）。（Ni的相对原子质量为58.70）1molg?? O的立方晶胞参数； （a）计算Ni x （b）算出x值，写出标明Ni的价态的化学式。 O晶体中，O2-堆积方式怎样？Ni在此堆积中占据哪种空隙？占有率（即占有分数）（c）在Ni x 是多少？ O晶体中，Ni-Ni间最短距离是多少？ （d）在Ni x O的立方晶胞参数为： 解：（a）Ni x （b）因为Ni O晶体为NaCl型结构，可得摩尔质量M： x 而Ni O的摩尔质量又可以表示为： x 由此解得：x=0.92。 设0.92mol镍中有y mol Ni2+，则有（0.92-y）mol Ni3+。根据正负离子电荷平衡原则，有： 2y+3(0.92-y)=2 y=0.76 0.92-0.76=0.16
黑龙江大学硕士研究生入学考试大纲 考试科目名称：材料化学考试科目代码：[077] 一、考试要求 能深化基础知识的学习，并将所学的基础知识与实际材料的合成与性质研究结合起来，融会贯通。本课程要求学生掌握现代材料的合成，材料结构及分析的基本方法，以及材料科学研究的前沿和发展趋势。 二、考试内容 材料化学的理论基础如晶体材料的微观结构、能带理论、缺陷，非晶态结构的几何特征，相图，相变；材料结构的表征如热分析技术，显微技术，X射线，各种波谱；材料制备化学如溶胶－凝胶、陶瓷、水热以及电化学合成法，纳米材料的合成方法，水热合成纳米氧化物；材料的结构与物理性能如晶体及非晶体材料的结构与性质之间的关系，纳米晶材料的量子尺寸效应及表面效应对材料性质的影响；新型结构材料、新型功能材料、功能转换材料的一般合成方法、分类、作用机理，解释一些物理现象。 第一章材料化学的理论基础 第一节晶体和非晶体 晶体及非晶体定义，形成途径，宏观物化性质差别。 第二节晶体的宏观特征 晶体的四个宏观特性，非晶体－晶体之间相互转化条件。 第三节晶体材料的微观结构 空间点阵、晶向、晶面概念，密勒指数计算方法，点群、空间群及相关对称操作的概念。 第四节晶体的能带理论 共有化电子论，近自由电子论，禁束缚电子论，能带理论，能带理论的应用。 第五节缺陷化学基础 晶体点阵缺陷分类，点缺陷的热力学统计理论，基本点缺陷方程及应用，位错及晶界第六节非晶态材料 非晶态的结构表征，径向分布函数，无规密堆积模型，非晶态材料的稳定性。 知识点： 1．了解晶体与非晶体在微观结构描述上的差别；
2．掌握晶体微观结构描述的基本知识； 3．熟练掌握能带理论的基本知识，并能够解释一些基本物理化学现象； 4．熟练掌握点缺陷的定义，分类，缺陷方程及基本应用； 5．掌握相图的基本知识，能够看懂一元和简单的二元相图，并能解释。 第二章材料结构的表征 第一节X射线衍射技术 X射线的产生，X射线的衍射和散射，粉末法X射线衍射原理，单晶法X射线衍射原理，粉末X射线应用实例。 知识点： 1．掌握X射线分析的一般原理 2．了解波谱分析技术 第三章材料制备化学 第一节陶瓷法 陶瓷法合成原理，陶瓷法合成材料实例。 第二节溶胶-凝胶法 溶胶-凝胶反应原理，溶胶-凝胶法制备陶瓷材料及薄膜，溶胶-凝胶法的拓展。 第三节水热合成技术 水热反应原理，水热合成微孔有序结构，水热合成功能材料，水热合成中的有机化学。 第四节晶体生长 水热法，坩锅提拉法，区域熔融法，模板法。 知识点： 掌握溶胶－凝胶、陶瓷、水热法的基本原理。 第四章材料的结构与物理性能 第一节晶体材料的结构与物理性能 晶体材料的物理性质，晶体材料的结构对性质的影响。 第二节非晶体及液晶材料的结构与物理性能 非晶体与液晶的结构特点，非晶体与液晶的物理性质，液晶结构对物理性质的影响。 知识点： 掌握晶体及非晶体材料的结构与性质之间的关系； 第五章新型结构材料 第一节极端使用条件下的结构材料