材料化学第一章习题和解答
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材料化学考试题及答案一、选择题(每题2分,共20分)1. 材料化学中,以下哪种材料不属于金属材料?A. 钢B. 陶瓷C. 铝D. 铜答案:B2. 以下哪种技术不是用于制备纳米材料的?A. 溶胶-凝胶法B. 激光烧蚀C. 机械研磨D. 电化学沉积答案:C3. 材料的热处理过程中,淬火的目的是:A. 提高硬度B. 增加韧性C. 减少脆性D. 增加导电性答案:A4. 下列哪种材料具有超导性?A. 铜B. 铝C. 陶瓷D. 铌钛合金答案:D5. 以下哪种材料是半导体材料?A. 石墨B. 金刚石C. 硅D. 金答案:C6. 材料的疲劳断裂通常发生在:A. 材料表面B. 材料内部C. 材料的缺陷处D. 材料的接合处答案:C7. 以下哪种测试方法用于评估材料的热稳定性?A. 拉伸试验B. 压缩试验C. 热重分析D. 硬度测试答案:C8. 材料的断裂韧性通常用以下哪个参数表示?A. 弹性模量B. 屈服强度C. 疲劳极限D. 临界应力强度因子答案:D9. 以下哪种材料是磁性材料?A. 橡胶B. 塑料C. 铁D. 玻璃答案:C10. 材料的塑性变形通常发生在:A. 弹性范围之外B. 弹性范围之内C. 断裂点D. 疲劳点答案:A二、填空题(每题2分,共20分)1. 材料的______是指材料在受到外力作用时,能够发生形变而不立即断裂的能力。
答案:韧性2. 金属材料的______是指材料在受到外力作用时,能够抵抗永久变形的能力。
答案:硬度3. 材料的______是指材料在受到外力作用时,能够抵抗断裂的能力。
答案:强度4. 纳米材料的______特性使其在许多领域具有独特的应用潜力。
答案:量子尺寸效应5. 材料的______是指材料在受到重复或交变应力作用时,发生断裂的能力。
答案:疲劳6. 材料的______是指材料在受到温度变化时,能够保持其性能不变的能力。
答案:热稳定性7. 材料的______是指材料在受到电场作用时,能够抵抗电流通过的能力。
材料化学习题答案(完整版)第二章2.1 扩散常常是固相反应的决速步骤,请说明:1) 在用MgO 和32O Al 为反应物制备尖晶石42O MgAl 时,应该采用哪些方法加快固相反应进行?2) 在利用固相反应制备氧化物陶瓷材料时,人们常常先利用溶胶-凝胶或共沉淀法得到前体物,再于高温下反应制备所需产物,请说明原因。
3) “软化学合成”是近些年在固体化学和材料化学制备中广泛使用的方法,请说明“软化学”合成的主要含义,及其在固体化学和材料化学中所起的作用和意义。
答:1. 详见P6A.加大反应固体原料的表面积及各种原料颗粒之间的接触面积;B.扩大产物相的成核速率C.扩大离子通过各种物相特别是产物物相的扩散速率。
2. 详见P7最后一段P8 2.2节一二段固相反应中反应物颗粒较大,为了使扩散反应能够进行,就得使得反应温度很高,并且机械的方法混合原料很难混合均匀。
共沉淀法便是使得反应原料在高温反映前就已经达到原子水平的混合,可大大的加快反应速度;由于制备很多材料时,它们的组分之间不能形成固溶的共沉淀体系,为了克服这个限制,发展了溶胶-凝胶法,这个方法可以使反应物在原子水平上达到均匀的混合,并且使用范围广。
3. P22“软化学”即就是研究在温和的反应条件下,缓慢的反应进程中,采取迂回步骤以制备有关材料的化学领域。
2.2 请解释为什么在大多数情况下固体间的反应很慢,怎样才能加快反应速率?答:P6以MgO 和32O Al 反应生成42O MgAl 为例,反应的第一步是生成42O MgAl 晶核,其晶核的生长是比较困难的,+2Mg 和+3Al 的扩散速率是反应速率的决速步,因为扩散速率很慢,所以反应速率很慢,加快反应速率的方法见2.1(1)。
第三章(张芬华整理)3.1 说明在简单立方堆积、立方密堆积、六方密堆积、体心立方堆积和hc 型堆积中原子的配位情况。
答:简单立方堆积、 6立方密堆积、 12六方密堆积、 12体心立方堆积 8hc 型堆积 123.2 3SrTiO 为钙钛矿结构,a=3.905A ,计算Sr-O ,Ti-O 键长和3SrTiO 密度。
材料化学作业第一章1、晶体的一般特点是什么?点阵和晶体的结构有何关系?晶态固体具有长程有序的点阵结构,即其中组成单元是处于一定格式空间排列的状态。
1、晶体的周期性:晶体是一种内部粒子或粒子集团在空间按一定规律周期性重复排列而成的固体。
结构基元和大小方向为二个要素。
2、点阵结构与点阵:将晶体结构中的每个结构基元抽象成一个点,将这些点按照周期性重复的方式排列,就可构成点阵。
2、什么是同质多晶?什么是类质同晶?一些组成固定的化合物,由于其内部微粒可以以不同的方式堆积,因而产生不同种类的晶体,我们把这种同一化合组成存在两种或两种以上晶体结构形式的现象为同质多晶现象。
同种化合物的不同晶型,在其物理、化学性质上可能差别很大,如金刚石与石墨。
3、产生晶体缺陷的原因是什么?晶体缺陷对晶体的物理化学性质的影响如何?(1)实际晶体中的微粒数量是有限的;(2)晶体中所有的微粒并非处在晶格中相应位置静止不动,而是在其平衡位置附近不停的振动;(3)实际晶体中多少存在一定的缺陷。
这些缺陷是指偏离理想的点阵结构情况。
晶体的结构缺陷包括点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷等情况。
在实际晶体中缺陷和畸变的存在使正常的点阵结构受到了一定程度的破坏或扰乱,对晶体的生长,晶体的力学性能、电学性能、磁学性能和光学性能等到都有很大的影响,在生产和科研中非常重要,是固体物理、固体化学和材料科学等领域的重要内容。
第二章1、晶体的结构特性是什么?这些特性是什么原因引起的?答1、晶体的均匀性、2、晶体的各向异性、3、晶体的自范性、4、晶体的熔点、5、晶体的对称性。
晶态物质有别于气体、液体的最典型特征是具有点阵结构,正是由于本身结构的特殊性,使晶体呈现出与其它物质完全不同的特殊性质。
2、简述产生非整比化合物的原因,当二元氧化物AB中某原子被氧化,则此原子的组成系数将向什么方向变化?当晶体中出现空位或填隙原子,从而使化合物的成份偏离整数比,这在晶体中是很普遍的现象。
材料化学习题答案材料化学是一门研究材料的化学组成、结构、性质及其应用的学科。
在解决材料化学习题时,通常需要对材料的物理化学性质、合成方法、表征手段以及应用领域有深入的了解。
以下是一些材料化学习题的答案示例:习题一:简述材料化学中的“相”的概念。
答案:在材料化学中,“相”指的是在宏观尺度上具有相同化学组成和物理性质的区域。
一个材料可以包含一个或多个相。
相的区分通常基于化学组成、晶体结构、相界面以及相的物理性质。
例如,在合金中,不同的金属元素可以形成不同的相,如固溶体、沉淀相等。
习题二:解释什么是纳米材料,并举例说明其应用。
答案:纳米材料是指至少在一个维度上具有纳米尺度(1-100纳米)的材料。
这类材料因其独特的尺寸效应而展现出与宏观材料不同的性质,如高比表面积、量子效应等。
纳米材料的应用非常广泛,包括纳米电子器件、药物输送系统、催化剂、能源存储设备等。
习题三:描述材料的表征方法,并举例说明。
答案:材料的表征方法包括但不限于X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)、红外光谱(IR)和核磁共振(NMR)。
例如,XRD用于确定材料的晶体结构和相组成;SEM和TEM用于观察材料的表面形貌和微观结构;AFM用于测量材料表面的粗糙度和局部性质;IR和NMR则用于分析材料的化学组成和分子结构。
习题四:简述材料的合成方法之一——溶胶-凝胶法,并说明其优势。
答案:溶胶-凝胶法是一种从溶液到固体的合成方法,通常涉及金属醇盐的水解和聚合过程。
这种方法的优势在于可以在较低的温度下制备材料,从而减少热处理对材料性质的影响;同时,溶胶-凝胶法可以精确控制材料的化学组成和微观结构,适用于制备薄膜、纤维和粉末等不同形态的材料。
习题五:讨论材料的环境友好性,并举例说明。
答案:材料的环境友好性指的是在材料的整个生命周期中,从生产、使用到废弃处理,对环境的影响尽可能小。
例如,生物降解材料可以在一定时间内自然分解,减少环境污染;绿色建筑材料如绿色混凝土,通过使用工业废料作为骨料,减少了对自然资源的开采和对环境的破坏。
第一章绪论
1.什么是材料化学?其主要特点是什么?
答:材料化学是关于材料的结构,性能,制备和应用的化学;其主要特点是跨学科性和实践性。
2.新石器时代的标志是什么?
答:其标志为陶器和农业的出现。
3.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成别的物质,而材料则一般可重复,持续使用,除了正常消耗,它不会不可逆的转变成别的物质。
4.材料按其组成和结构可以分为哪几类?
答:金属材料,无机非金属材料,聚合物材料和复合材料。
5、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。
第一章材料的结构一、解释以下基本概念空间点阵、晶格、晶胞、配位数、致密度、共价键、离子键、金属键、组元、合金、相、固溶体、中间相、间隙固溶体、置换固溶体、固溶强化、第二相强化.二、填空题1、材料的键合方式有四类,分别是(),( ),(),().2、金属原子的特点是最外层电子数(),且与原子核引力(),因此这些电子极容易脱离原子核的束缚而变成( )。
3、我们把原子在物质内部呈( )排列的固体物质称为晶体,晶体物质具有以下三个特点,分别是(),( ),( ).4、三种常见的金属晶格分别为(),( )和().5、体心立方晶格中,晶胞原子数为( ),原子半径与晶格常数的关系为( ),配位数是(),致密度是( ),密排晶向为(),密排晶面为( ),晶胞中八面体间隙个数为(),四面体间隙个数为( ),具有体心立方晶格的常见金属有()。
6、面心立方晶格中,晶胞原子数为( ),原子半径与晶格常数的关系为(),配位数是( ),致密度是(),密排晶向为( ),密排晶面为(),晶胞中八面体间隙个数为( ),四面体间隙个数为(),具有面心立方晶格的常见金属有()。
7、密排六方晶格中,晶胞原子数为(),原子半径与晶格常数的关系为(),配位数是(),致密度是(),密排晶向为( ),密排晶面为(),具有密排六方晶格的常见金属有( )。
8、合金的相结构分为两大类,分别是()和( )。
9、固溶体按照溶质原子在晶格中所占的位置分为()和(),按照固溶度分为()和(),按照溶质原子与溶剂原子相对分布分为()和()。
10、影响固溶体结构形式和溶解度的因素主要有()、()、()、()。
11、金属化合物(中间相)分为以下四类,分别是( ),( ),( ),( )。
12、金属化合物(中间相)的性能特点是:熔点()、硬度( )、脆性(),因此在合金中不作为()相,而是少量存在起到第二相()作用。
13、CuZn、Cu5Zn8、Cu3Sn的电子浓度分别为(),( ),( ).14、如果用M表示金属,用X表示非金属,间隙相的分子式可以写成如下四种形式,分别是( ),(),( ),( ).15、Fe3C的铁、碳原子比为(),碳的重量百分数为(),它是( )的主要强化相。
材料化学专业试题及答案一、单选题(每题1分,共20分)1. 材料化学中,以下哪个元素的原子半径最大?A. 锂B. 钠C. 钾D. 铯2. 金属氧化物的导电性通常如何?A. 良好B. 较差C. 不导电D. 取决于金属类型3. 以下哪种材料不是陶瓷材料?A. 氧化铝B. 硅酸盐C. 聚四氟乙烯D. 碳化硅4. 以下哪种材料属于高分子材料?A. 石墨B. 玻璃C. 聚乙烯D. 碳钢5. 材料的硬度通常与下列哪个因素有关?A. 原子间键的强度B. 材料的密度C. 材料的颜色D. 材料的导电性6. 以下哪种材料是半导体材料?A. 铜B. 铁C. 硅D. 银7. 材料的韧性是指材料的哪种性能?A. 抗拉强度B. 抗剪强度C. 抗冲击性能D. 耐磨性能8. 以下哪种材料是磁性材料?A. 铝B. 铜C. 铁D. 铅9. 材料的热膨胀系数是指什么?A. 材料在受热时体积的变化率B. 材料在受冷时体积的变化率C. 材料在受热时长度的变化率D. 材料在受冷时长度的变化率10. 以下哪种材料是绝缘体?A. 橡胶B. 玻璃C. 石墨D. 铜11. 材料的导热性与下列哪个因素有关?A. 材料的密度B. 材料的硬度C. 材料的导电性D. 材料的化学结构12. 以下哪种材料是生物降解材料?A. 聚氯乙烯B. 聚丙烯C. 聚乳酸D. 聚苯乙烯13. 材料的电化学腐蚀通常发生在哪种环境下?A. 干燥环境B. 真空环境C. 潮湿环境D. 无氧环境14. 以下哪种材料是超导材料?A. 铜B. 铝C. 铅D. 铌15. 材料的疲劳是指什么?A. 材料在反复受力后逐渐破坏的过程B. 材料在高温下逐渐破坏的过程C. 材料在低温下逐渐破坏的过程D. 材料在化学作用下逐渐破坏的过程16. 以下哪种材料是光学材料?A. 硅B. 石英C. 橡胶D. 聚酯17. 材料的弹性模量是指什么?A. 材料在受力时的形变程度B. 材料在受力时的恢复程度C. 材料在受力时的应力与应变的比值D. 材料在受力时的应力与形变的比值18. 以下哪种材料是耐火材料?A. 木材B. 塑料C. 陶瓷D. 橡胶19. 材料的断裂韧性是指什么?A. 材料在受到冲击时的破坏程度B. 材料在受到拉伸时的破坏程度C. 材料在受到压缩时的破坏程度D. 材料在受到剪切时的破坏程度20. 以下哪种材料是电绝缘材料?A. 铝B. 铜C. 橡胶D. 石墨二、多选题(每题2分,共20分)1. 以下哪些因素会影响材料的导电性?A. 材料的化学结构B. 材料的晶体结构C. 材料的表面状态D. 材料的温度2. 以下哪些材料属于复合材料?A. 玻璃钢B. 碳纤维C. 铝合金D. 陶瓷基复合材料3. 以下哪些材料是热塑性塑料?A. 聚氯乙烯B. 聚丙烯C. 聚四氟乙烯D. 聚碳酸酯4. 以下哪些材料是热固性塑料?A. 酚醛树脂B. 环氧树脂C. 聚酰亚胺D. 聚酯5. 以下哪些因素会影响材料的热膨胀系数?A. 材料的化学成分B. 材料的晶体结构C.。
一、名词解释:材料:人类社会所能够接受的经济地制造有用器件的物质。
(可以用来制造有用的构件、器件或物品的物质。
)晶体:晶体是内部质点在三维空间呈周期性重复排列的固体。
(具有格子构造的固体)空间点阵:表示晶体结构中各类等同点排列规律的几何图形。
(表示晶体内部结构中质点重复规律的几何图形。
)晶向:空间点阵的结点可以看成是分列在一系列相互平行的直线上,这些直线系称为晶列,同一个格子可以形成方向不同的晶列,每一个晶列定义了一个方向,称为晶向。
晶面:空间点阵的结点可以从各个方向被划分为许多组平行且等距的平面点阵,这些平面点阵所处的平面称为晶面。
对称:是指物体相同部分作有规律的重复。
点群:晶体结构中所有点对称要素(对称面、对称中心、对称轴和旋转反演轴)的集合。
空间群:是指一个晶体结构中所有对称要素集合。
肖特基缺陷:正常格点上的质点,在热起伏过程中获得能量离开平衡位置迁移到晶体的表面,而在晶体内部正常格点上留下空位。
弗伦克尔缺陷:在晶格热振动时,一些能量较大的质点离开平衡位置后,进入到间隙位置,形成间隙质点,而在原来位置上形成空位。
置换固溶体:溶质原子替换溶剂原子的位置形成的固溶体。
间隙固溶体:溶质原子填入溶剂晶格间隙中形成的固溶体。
中间相:合金组元间相互作用所形成的一种晶格类型及性能均不同于任一组元的合金固相。
相律:相平衡体系中揭示相数P ,独立组分数C和自由度F之间关系的规律。
相图:表达多相体系的状态随温度、压力、组成等强度性质变化情况的图形。
二、填空题1、材料按化学组成,可分为(金属材料)、(无机非金属材料)、(有机高分子材料)、(复合材料);根据材料的性能,可分为(结构材料)和(功能材料)。
2、物质的三态:气态、液态和固态,从宏观上来看,气体和液体表现为(流动性),固体表现出(固体性)。
液体在缓慢降温过程中形成(晶体),在急冷过程中形成(非晶体)。
3、晶体与非晶体的根本区别是:晶体具有(长程有序),而非晶体(长程无序、短程有序)。
材料化学课后习题答案【篇一:材料化学课后题答案】ass=txt>二.应用化学专业1166129108三.什么是纳米材料?四.试阐述纳米效应及其对纳米材料性质的影响?答: 1.小尺寸效应;使纳米材料较宏观块体材料熔点有显著降低,并使纳米材料呈现出全新的声,光,电磁和热力学特性。
2.表面与界面效应;使纳米颗粒表面具有很高的活性和极强的吸附性。
3. 量子尺寸效应;使纳米微粒的磁,光,热,电以及超导电性与宏观特性有着显著不同。
4. 宏观量子隧道效应;使纳米电子器件不能无限制缩小,即存在微型化的极限。
三.纳米材料的制备方法?答:1.将宏观材料分裂成纳米颗粒。
2.通过原子,分子,离子等微观粒子聚集形成微粒,并控制微粒的生长,使其维持在纳米尺寸。
四.1.玻璃体:冷却过程中粘度逐渐增大,并硬化形成不结晶且没有固定的化学组成硅酸盐材料。
2.陶瓷:凡是用陶土和瓷土这两种不同性质的黏土为原料经过配料,成型,干燥,焙烧等工艺流程制成的器物都可叫陶瓷。
3.p-型半导体:参杂元素的价电子小于纯元素的价电子的半导体。
4.黑色金属:是指铁,铬,锰金属及它们的合金。
5.有色金属:除铁,铬,锰以外的金属称为有色金属。
6.金属固溶体:一种金属进入到另一种金属的晶格内,对外表现的是溶剂的晶格类型的合金。
7.超导体:具有超低温下失去电阻性质的物质。
五.1.简述传统陶瓷制造的主要原料?答:黏土,长石,石英矿是制造传统陶瓷的主要原料。
2.陶瓷是否一定含有玻璃相?答:并非所有的陶瓷材料都含有玻璃相,某些非氧特种陶瓷材料可以近乎100%的晶相形式存在。
3.试讨论超导体性质的形成原理及超导状态时所表现出来的特殊现象?答:电子同晶格相互作用,在常温下形成导体的电阻,但在超低温下,这种相互作用是产生超导电子对的原因。
温度越低所产生的这种电子对越多,超导电子对不能相互独立地运动,只能以关联的形式做集体运动。
于是整个空间范围内的所有电子对在动量上彼此关联成为有序的整体,超导电子对运动时,不像正常电子那样被晶体缺陷和晶格振动散射而产生电阻,从而呈现无电阻的超导现象。
第一章1.1 为什么说无机材料的化学键与电子结构是决定其晶体结构和物理性能的最基本因素?答:晶体结构是晶体中原子或离子按照一定的排列规律在空间周期性重复排列的结果。
构成晶体的各原子的电子结构决定了它们按照何种键型结合:离子键、金属键、共价键或分子键。
键型是影响晶体中原子配位结构的最主要因素,如纯离子键晶体中离子按照等大球体或不等大球体最紧密堆积方式排列;金属键是离子间的排斥力和电子与离子间引力平衡的结果;共价键中电子排列特点使共价键具有饱和性,原子间只能按照特定的方位结合;极性共价键是离子键向共价键过渡,缩短了部分阴阳离子间的距离,进而影响晶体结构。
晶体的物理性质取决于其晶体结构,也最终与材料的化学键和电子结构有关。
第二章2.3 金属Ni 具有立方最紧密堆积的晶体结构,试问:① 一个晶胞中有几个Ni 原子;② 若已知Ni 原子的半径为0.125 nm ,其晶胞的边长为多少? 答:① 一个晶胞中Ni 原子个数为:4881621=⨯+⨯个② 假设Ni 原子半径为r=0.125 nm ,晶胞边长为a ,则:a r 24=nm r a 354.022==2.4 金属Al 属立方晶系,其边长为0.405 nm ,假定其质量密度是2.70 g/cm 3,试确定其晶胞的布拉菲格子类型。
解:要确定晶胞的布拉菲格子实际上就是确定每个晶胞中Al 原子的个数 每个晶胞的体积为:323333310643.606643.0)405.0(cm nm nm a v ⨯====每个晶胞的质量:23222.70 6.64310 1.79410m v g g ρ--==⨯⨯=⨯每个晶胞中Al 原子个数:4)1002.6/(2710794.12322=⨯⨯==-Al m m n由此可以判断金属Al 为立方面心格子。
2.6试画出立方晶体结构中的下列晶面:(001)、(110)、(111);并分别标出下列晶向:[210]、[111]、[101]。
习题一答案1、晶体一般的特点是什么?点阵和晶体的结构有何关系?答:(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2、下图是一个伸展开的聚乙烯分子,其中C—C化学键长为1.54Å。
试根据C原子的立体化学计算分子的链周期。
答:因为C原子间夹角约为109.5°,所以链周期=2×1.54Å×sin(109.5°/2)=2.51Å3、由X射线法测得下列链型高分子的周期如下,试将与前题比较思考并说明其物理意义。
化学式链周期聚乙烯醇 2.52聚氯乙烯 5.1聚偏二氯乙烯 4.7答:由题中表格可知,聚乙烯醇的链周期为2.52 Å,比聚乙烯略大,原因可能是-OH体积比H大,它的排斥作用使C原子间夹角变大,因而链周期加长,但链周期仍包含两个C原子;聚氯乙烯的链周期为5.1 Å,是聚乙烯链周期的两倍多,这说明它的链周期中包含四个C原子,原因是原子的半径较大Cl原子为使原子间排斥最小,相互交错排列,其结构式如下:聚偏二氯乙烯链周期为4.7 Å比聚乙烯大的多,而接近于聚氯乙烯的链周期为5.1 Å,可知链周期仍包含4个C原子。
周期缩短的原因是由于同一个C原子上有2个Cl原子,为使排斥能最小它们将交叉排列,即每个Cl原子在相邻2个Cl原子的空隙处。
Chap 1 Structure of Crystals1.1. Show that the face-centered tetragonal lattice is equivalent to thebody-centered tetragonal lattice.1.2. Show that the spacing d(hkl ) between adjacent lattice planes with Millerindices (hkl ) is equal to 222l k h /++a for cubic Bravais lattices and to 222222////1c l b k a h ++for orthorhombic Bravais lattices.1.3. Calculate the densities of lattice points in the (100), (110), (111), and (hkl )lattice planes of a simple cubic lattice.1.4. Write a computer program that will determine the distance d(n) form a givenatom to the n th nearest neighbor(NN) in a Bravais lattice. Also computer N(n ) ,the number of n th NNs .Carry out the calculation for the SC (简单立方), BBC ,and FCC lattices.1.5. Calculate the packing fractions for the following crystal structures: FCC,HCP, and diamond .1.6. Show that the B atoms in an A-B 8 bounding unit come into contact with eachother when r B =1.366r A [i.e., when r A= (3-1)r B ] .Here r A and r B are the radii of the hard-sphere A and B atoms, respectively .Find the analogous conditions on the radii for the A-B 6 and A-B 4 bonding units.1.7. Prove for hard-sphere atoms in the HCP crystal structure that c/a=3/8=1.633.1.8. Assuming that the atoms in the CC crystal structure are hard spheres (刚性球)of radius R in contact with each other, calculate the maximum radii r of the smaller hard-sphere atoms that could occupy the octahedral interstitial sites in the FCC crystal structure.Chap 2 Bonding in Solids1.1. Compute the cohesive energies for monatomic crystals of atoms bondstogether by the Lennard-Jones potential U(r) given in Eq.(2.3). Express thecohesive energy, c H ∆(0K) = n (atoms)(CN/2))(0r U , in terms of the parameter ε and the equilibrium interatomic distance r 0 in terms of the parameter σ. Here n (atom) is the concentration of atoms and CN is the coordination number. Carry out the calculations for the SC, BCC ,and FCC crystal structures. Eq.(2.3): ])()[(4)(612612rr r C r B r U σσε-=-+= 1.2. Given the following lattice constants for crystals with the NaCl crystalstructure, a(NaCl)=0.563nm, a(KCl)=0.629nm, a(NaF)=0.462nm, and a(KF)=0.535nm, show that these data are not sufficient to obtain a self-consistent set of ionic radii for the Na +, K +, Cl -, and F- ions .Why is it not possible to determine a completely self-consistent set of radii from the data given?1.3. Use the cohesive energy c H ∆ (see below)o f cubic β-SiC with the zincblendecrystal structure to determine the bond energy E (Si-C).1.4. Calculate the potential energy U of an anion-cation(Na +-Cl -) pair resultantingfrom their mutual Coulomb attraction and then compare the result with the cohesive energy c H ∆ of NaCl listed in the above Table. The lattice constant of NaCl is a = 0.563 nm .(Hint: Take into account the fact that each Na + ion in NaCl interacts with six NN Cl - ions, and vice versa.)1.5. In the structural change from BCC a-Fe to FCC r-Fe at T=912℃ thelattice constant change from a(BCC)=0.290nm to a(FCC)=0.364nm. Assuming that the Fe atoms act as hard spheres, which is more nearly constant in a-Fe and r-Fe ---the radius r met or the atomic volume V met ?3、Diffraction and Reciprocal Lattice3.1 Prove that ∑Rexp(iq·R)=0, where {R} is a set of Bravais lattice vectors andq (≠0)lies within the primitive unit cell of the reciprocal lattice. Also prove the orthogonality identity appearing in Eq.(3.12):G G WS G G i WS V dr e ''-=⎰,)(δ3.2 Find the Fourier coefficients 傅里叶级数Vn for the periodic functions)/2sin()(a x A x V π= and )/2cos()(a x B x V π=.3.3 Prove that the plane defined by the equation G·r = A lies a distance d=A/Gform the origin and that the normal to the plane is parallel to ∧G .3.4 Use the results of Problem 3.3 to generate formulas for the bounding planesof the first Brillouin zones for the FCC, BCC, and HCP crystal structures. 3.5 Determine the structure factor for the basis, Φ(q), defined in∑=Φj iqs j j eq f q )()(, for the cubic ZnS, CsCl, and NaCl crystal structures.3.6 Draw the x-ray ring patterns produced by diffractions from powders for theSC, FCC, BCC, and diamond crystal structures.3.7 Given an amorphous solid in which each atom has an electron densitydescribed by n(r)=A exp(-2r/a) and the pair distribution function is the unit step function g(r) =Ө(r-b), find the expected scattering intensity.3.8 Sketch the Wigner-Seitz cell for the HCP crystal structure.3.9 Find the distances from the center of the Wigner-Seitz cells for theBCC,FCC.3.10 The primitive translation vectors of the hexagonal lattice can be written as∧∧+=2231a j a i u , ∧∧+-=2232a j a i u , ∧=k c u 3(a) Show that the fundamental translation vectors of the reciprocal lattice aregiven bya j a i g ππ2321∧∧+= , a j a i g ππ2322∧∧+-= , ∧=k c g π23 (b) Describe and sketch the first Brillouin zone of the hexagonal lattice.(c) Prove that the perpendicular distance d(hkl) between adjacent parallel planes in the hexagonal lattice is222223)(41)(c l a k hk h hkl d +++=[Hint: Use )(/2)(hkl G hkl d π=.]3.11 Find the shortest G(hkl) for (a) the BCC crystal structure, and (b) the FCCcrystal structure.Chap 4 Order and Disorder in Solids4.1 Take a small box or cylindrical container and measure its volume. Pourmarbles or ball bearings into the box until it is full. Determine the volume occupied by the sphere. Compute the packing fraction. Repeat the experiment several times and average the results. Compute your result with the packing fraction for FCC and HCP, BCC, SC, and the value 0.64obtained for the random packing of hard spheres.4.2 Draw sketches of the two-atom Frenkel pair interstitial configurationsknown as “dumbbells ” in both FCC and BCC metals.4.3 Consider the equilibrium concentration of Frenkel defects in a solid. (a) Derive the value of N L (V) given in Eq.(4.7) ( ]2)()(exp[)]()([)(2/1Tk A G V G V N A N V N B I L I L L +-=]2)()(exp[)(2/1T k V G V G N N B I LI L +-≈) by first setting N L (A) = N L (V) in Eq.(4.6) and then minimizing the resulting Gibbs free energy with respect to NL(V).Eq.(4.6):)()()()()0(A G A N V G V N G G I I L L ++≈)(ln )()](ln[)]([ln {V N V N V N N V N N N N T k L L L L L L L L B -----)}(ln )()](ln[)]([ln A N A N A N N A N N N N I I I I I I I I ----+(b) Repeat the derivation using Lagrange multipliers to enforce the constraintsof Eq.(4.4)( )()(V N A N N L L L +=, )()(V N A N N I I I +=).4.4 Consider a monatomic solid consisting of N atoms. Determine thenumber of ways, W, that n of the atoms may be removed to form n vacancies. Compute the entropy, given by S=k B lnW. For the SC, BCC, and FCC crystal structures, compute the entropy for forming NN vacancies.4.5 Consider a one-dimensional monatomic solid with N atoms and N L (V)vacancies at temperature T>0K. Show that the fractional vacancy concentration n v (T)=N L (V)/N is given approximately by00//a a l l n v ∆-∆≈. Here l 0=Na 0 is the length of the solid at T=0 K, l ∆ is the change in length, a 0 is the lattice constant of T = 0 K, and a ∆ is the change in the lattice constant. (Hint: Write the change of length as vacancies thermal l l l l l ∆+∆=-=∆0)。
第一章几何结晶学基础1-1.晶体、晶胞的定义;空间格子构造的特点;晶体的基本性质。
1-2.参网页上的模型,运用对称要素组合定律,写出四方柱、六方柱、四方四面体、斜方双锥、六八面体、三方柱、复三方三角面体、四六面体的点群符号,并写出其所属的晶系和晶族。
1-3.参阅网页上的模型,请确定单型中的六八面体、复三方偏三角面体、复六方双锥、和聚型中2、3、4号模型在晶体定向中,各晶体的晶轴分别与哪些对称轴重或晶棱方向平行1-4.请写出单型三方柱、四方柱、四方双锥、六方柱、菱面体、斜方双锥各晶面的主要晶面符号。
1-5.请写出下列聚型模型各晶面的晶面符号:1、2、3、4。
两个对称面相互成1)60°、2)90°、3)45°、4)30°,可组合成什么点群1-6.由两根相交的二次轴互成1)90°、2)60°、3)45°、4)30°,可以组合成什么点群试在面心立方格子中画出菱面体格子1-7.一晶面在X、Y、Z轴分别截得2、4、6个轴单位,请写出此晶面符号。
1-8.作图表示立方晶体的(123)、(012)、(421)晶面。
1-9.在六方晶体中标出晶面(0001)、(2110)、(1010)、(1120)、(1210)的位置。
1. 答:晶体最本质的特点是其内部的原子、离子、或原子集团在三维空间以一定周期性重复排列而成, 晶体的空间格子构造有如下特点:结点空间格子中的点,在实际晶体中它们可以代表同种质点占有的位置,因此也称为晶体结构中的等同点位置。
行列结点在一维方向上的排列. 空间格子中任意两个结点连接的方向就是一个行列方向。
面网结点在平面上的分布构成面网。
空间格子中,不在同一行列上的任意三个结点就可联成一个面网。
平行六面体空间格子中的最小单位。
它由六个两两平行且大小相等的面组成。
晶体的基本性质是指一切晶体所共有的性质,这些性质完全来源于晶体的空间格子构造。
《材料化学导论》练习与思考题第一章 绪论1. 讨论新材料与材料加工新技术的出现对现代工业的影响。
2. 举例说明新材料如何引导科技进步。
3. 列举几种你常见到过的和心目中的复合材料。
4. 列举几种正处于发展期的新材料。
5. 简述材料的不同分类方法。
6. 何谓航天高聚物?试举例说明之。
7. 我国在东汉制造出了(),她是中国文化的象征,极大地促进了世界文明。
(A)陶瓷(B)瓷器(C)青铜器(D)丝绸8. 从我国河南商遗址出土的司母戊鼎重8750N,是世界上最古老的大型()。
(A)石器(B)瓷器(C)青铜器(D)铁器9. 工程材料一般可分为()等四大类。
(A)金属、陶瓷、塑料、复合材料(B)金属、陶瓷、塑料、非金属材料(C)钢、陶瓷、塑料、复合材料(D)金属、陶瓷、高分子材料、复合材料判断题:10. 金属材料韧性好,应用广泛,是重要的工程材料。
()11. 材料的加工性能有铸造性、压力加工性、焊接性、热处理性能、切削性能、硬度、强度等。
()第二章 晶体学基础1. 为什么14种种点阵型式中有正交底心,而无四方底心,也没有立方底心型式?2. 0℃时,水和冰的密度分别是1.0005 g/cm3和0.95g/cm3,如何解释这一现象?3. 方向为[111]的直线通过1/2,0,1/2点,则在此直线上的另外两点的坐标是什么?4. 画出立方晶系中下列晶面和晶向:(010),(011),(111),(231),(321);[010],[011],[111],[231],[321]。
5. 在六方晶体中,绘出常见晶面:(1120),(0110),(1012),(1100),(1012)。
6. (a)在立方体系中,[100]方向和[211]方向的夹角是多少?(b)[011]方向和[111]方向的夹角是多少?7. 一平面与晶体两轴的截距为a=0.5,b=0.75,并且与Z轴平行,则此平面的米勒指标是什么?8. 一平面与三轴的截距为a=1,b=-2/3,c=2/3, 则此平面的米勒指标是什么?9. 立方晶体中的[001]方向是()(A)二次对称轴(B)四次对称轴(C)六次对称轴10. 晶体的特性是()(A)有确定的熔点,无各向异性;(B)有确定的熔点,有各向异性;(B)无确定的熔点,有各向异性;(D)无确定的熔点,无各向异性;11. 名词解释:(1)点群和空间群;(2)空间格子和晶胞第三章金属材料1. 当CN=6时,K+离子的半径为0.133nm(a)当CN=4时,半径是多少?(b)CN=8时,半径是多少?若(按K+半径不变) 求负离子半径。
第一章习题1、什么是材料化学?其主要特点是什么?(15分)答:材料化学是研究材料的制备、组成、结构、性质及其应用的一门科学。
又称为固体化学。
既是材料科学的一个重要分支,也是材料科学的核心内容。
同时又是化学学科的一个组成部分。
材料化学是最近几十年发展并形成的化学科学的重要分支。
是无机化学、有机化学、物理化学、材料物理、晶体结构和材料科学等多学科的交叉领域,因此材料化学具有明显的交叉学科、边缘学科的性质。
已成为当前材料科学与工程学科中一个十分活跃的新兴分支学科。
2、新石器时代的标志是什么?(10分)答:新石器时代的标志:磨制石器的出现、陶器的出现、原始农业、畜牧业和手工业的出现。
3、材料与试剂的主要区别是什么?(15分)材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的那些物质。
材料是物质,但不是所有物质都称为材料。
燃料和化学原料、工业化学品、食物和药物,一般都不算作材料,往往称为原料。
但这个定义并不严格,如炸药、固体火箭推进剂,一般称之为“含能材料”,因为它属于火炮或火箭的组成部分。
材料总是和一定的使用场合相联系,可由一种或若干种物质构成。
同一种物质,由于制备方法或加工方法不同,可成为用途迥异的不同类型和性质的材料。
试剂,又称生物化学试剂或试药。
主要是实现化学反应、分析化验、研究试验、教学实验、化学配方使用的纯净化学品。
一般按用途分为通用试剂、高纯试剂、分析试剂、仪器分析试剂、临床诊断试剂、生化试剂、无机离子显色剂试剂等。
4、人类照明可以简单地说,经历了太阳光、篝火、油灯、蜡烛、电气照明、白炽灯、荧光灯、三基色节能灯直到今天LED照明的发展过程,尤其是发白光LED灯的发明,大幅提高了人类的照明效率。
试着查阅文献,简述白色LED灯的发光原理和所需要的材料组成,并列出引用的文献。
(25分)它是半导体二极管的一种,可以把电能转化成光能。
发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成,也具有单向导电性。
当给发光二极管加上正向电压后,从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子,在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合,产生自发辐射的荧光。
材料化学习题材料化学课后习题第1章原子结构与键合1. 原子中一个电子的空间位置和能量可用哪四个量子数来决定?2. 在多电子的原子中,核外电子的排布应遵循哪些原则?3. 在元素周期表中,同一周期或同一主族元素原子结构有什么共同特点?从左到右或从上到下元素结构有什么区别?性质如何递变?4. 何谓同位素?为什么元素的相对原子质量不总为正整数?5. 铬的原子序数为24,它共有四种同位素:4.31%的Cr原子含有26个中子,83.76%含有28个中子,9.55%含有29个中子,且2.38%含有30个中子。
试求铬的相对原子质量。
6. 铜的原子序数为29,相对原子质量为63.54,它共有两种同位素Cu63和Cu65,试求两种铜的同位素之含量百分比。
7. 锡的原子序数为50,除了4f亚层之外其它内部电子亚层均已填满。
试从原子结构角度来确定锡的价电子数。
8. 铂的原子序数为78,它在5d亚层中只有9个电子,并且在5f层中没有电子,请问在Pt的6s亚层中有几个电子?9. 已知某元素原子序数为32,根据原子的电子结构知识,试指出它属于哪个周期?哪个族?并判断其金属性强弱。
10. S的化学行为有时象6价的元素,而有时却象4价元素。
试解释S这种行为的原因?11. Al2O3的密度为3.8g/cm3,试计算a)1mm3中存在多少原子?b)1g中含有多少原子?12. 尽管HF的相对分子质量较低,请解释为什么HF的沸腾温度(19.4℃)要比HCl的沸腾温度(-85℃)高?13. 高分子材料按受热的表现可分为热塑性和热固性两大类,试从高分子链结构角度加以解释之。
14. 高密度的聚乙烯可以通过氯化处理即用氯原子来取代结构单元中氢原子的方法实现。
若用氯取代聚乙烯中8%的氢原子,试计算需添加氯的质量分数。
第2章固体结构a=0.4514nm,b=0.508nm,c=0.6734nm,其密度ρ =7.66g/cm3,试求Fe3C每单位晶胞中含Fe原子与C原子的数目。
材料化学习题汇总材料化学知识要点与习题解答汇总第⼀章绪论1.材料:⼈类社会所能够接受的经济地制造有⽤器件的物质。
(可以⽤来制造有⽤的构件、器件或物品的物质。
)或材料是具有满⾜指定⼯作条件下使⽤要求的形态和物理性状的物质。
2.材料化学:在分⼦结构层次上研究材料的合成、制备、理论,以及分⼦结构和聚集态结构、材料性能之间关系的科学。
3.智能材料:能够随着环境、时间的变化改变⾃⼰的性能或状态⼀类新型功能材料。
4.在先进材料、电⼦信息技术、⽣物技术三⼤未来⾼技术领域中,先进材料中的先进陶瓷和⾼分⼦基质材料将于今后25年内在世界上发挥重⼤作⽤,并可能是美国在国际⽣产和技术竞争中保持强⼒地位的关键技术领域。
5.在第四代材料(可设计材料)中,最具代表性的是复合材料。
6.按照材料的化学组成材料可以分为哪⼏类?答:按照材料化学组成,可以分为⾦属材料、⽆机⾮⾦属材料、有机⾼分⼦材料、复合材料。
7.按照材料的性能材料可以分为哪⼏类?答:按照材料的性能,可以分为(结构材料)和(功能材料)。
8.材料的结构分为哪⼏个层次?请举例说明。
答:材料的有效性总体上可以分为分⼦结构、分⼦聚集态结构和构成材料的外形结构等三个层次。
分⼦结构:属于原始基础结构,决定材料所具有的潜在功能;分⼦聚集态结构:决定材料所具有的可表现的实际功能;构成材料的外形结构:决定材料具有某种特定的有效功能。
例如贝克,贝壳的基本性质由构成它的碳酸钙和多糖基质(材料的分⼦结构)的结构决定,但⼆者通过有序组装(材料的聚集态结构)构成的复合材料决定了它的基本材料性质。
⽽且只有当这种材料构成⼀定的壳状结构(材料的外形结构)时,它才能起到贝壳的作⽤。
9.何为材料科学研究的四要素?答:材料科学研究的四要素是指材料的“基本性质”、“结构与成分”、“合成与加⼯”、“使⽤性能”。
基本性质:主要指材料的物理和化学性能等,⽤以确定材料功能特性和效⽤的描述;结构与成分:主要指材料的化学组成,物理和化学结构,⽤以确定制造每种特定材料所采取的合成和加⼯的结果;合成与加⼯:主要指建⽴原⼦、分⼦和分⼦团的新排列,在所有尺⼨上(从原⼦尺⼨到宏观尺⼨)对结构的控制,以及⾼效⽽有竞争⼒地制造材料和零件的演变过程;使⽤性能:主要指材料固有性质同产品设计、⼯程能⼒和⼈类需求相融合要⼀起的⼀个要素。
《材料科学基础》课后习题答案第一章材料结构的基本知识4. 简述一次键和二次键区别答:根据结合力的强弱可把结合键分成一次键和二次键两大类。
其中一次键的结合力较强,包括离子键、共价键和金属键。
一次键的三种结合方式都是依靠外壳层电子转移或共享以形成稳定的电子壳层,从而使原子间相互结合起来。
二次键的结合力较弱,包括范德瓦耳斯键和氢键。
二次键是一种在原子和分子之间,由诱导或永久电偶相互作用而产生的一种副键。
6. 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为高?答:材料的密度与结合键类型有关。
一般金属键结合的固体材料的高密度有两个原因:(1)金属元素有较高的相对原子质量;(2)金属键的结合方式没有方向性,因此金属原子总是趋于密集排列。
相反,对于离子键或共价键结合的材料,原子排列不可能很致密。
共价键结合时,相邻原子的个数要受到共价键数目的限制;离子键结合时,则要满足正、负离子间电荷平衡的要求,它们的相邻原子数都不如金属多,因此离子键或共价键结合的材料密度较低。
9. 什么是单相组织?什么是两相组织?以它们为例说明显微组织的含义以及显微组织对性能的影响。
答:单相组织,顾名思义是具有单一相的组织。
即所有晶粒的化学组成相同,晶体结构也相同。
两相组织是指具有两相的组织。
单相组织特征的主要有晶粒尺寸及形状。
晶粒尺寸对材料性能有重要的影响,细化晶粒可以明显地提高材料的强度,改善材料的塑性和韧性。
单相组织中,根据各方向生长条件的不同,会生成等轴晶和柱状晶。
等轴晶的材料各方向上性能接近,而柱状晶则在各个方向上表现出性能的差异。
对于两相组织,如果两个相的晶粒尺度相当,两者均匀地交替分布,此时合金的力学性能取决于两个相或者两种相或两种组织组成物的相对量及各自的性能。
如果两个相的晶粒尺度相差甚远,其中尺寸较细的相以球状、点状、片状或针状等形态弥散地分布于另一相晶粒的基体内。
如果弥散相的硬度明显高于基体相,则将显著提高材料的强度,同时降低材料的塑韧性。