材料科学与工程基础思考题第1部分.pdf

材料科学与工程基础思考题材料科学与工程基础思考题 姓名：姓名： 程扬程扬 学号：学号： 111100322 班级：班级： 高分子高分子 1101 班班 1、计算计算 NaCl 的填充因子，离子半径：的填充因子，离子半径：Na+ = 0.102 nm, Cl- = 0.181 nm 解：晶格常数： = 2rNa+ 2rCl= 2 0.102 + 0.181 nm = 0.566nm ; 晶胞体积：V1= 3= 0.5663nm3= 0.18132nm3 离子体积：V2= VNa+ VCl= 4 4 3 rNa+3+ 4 4 3 rCl3 = 4 4 3 0.1023+ 4 4 3 0.1813 nm3 = 0.117134nm3 填充因子：NaCl= V2 V1 = 0.117134 0.18132 = 0.646 2 2、计算计算 NaClNaCl 的密度，离子半径的密度，离子半径 Na+ = 0.102 nm, = 0.102 nm, Cl- = 0.181 nm = 0.181 nm，NaNa 的摩尔质量为的摩尔质量为 22.99g/mol22.99g/mol， ClCl 的摩尔质量为的摩尔质量为 35.45g/mol35.45g/mol。 解：晶格常数： = 2rNa+ 2rCl= 2 0.102 + 0.181 nm = 0.566nm ; 晶胞体积：V = 3= 0.5663nm3= 0.18132nm3= 1.8132 1022cm3 一个晶胞中离子的质量：m = mNa+ mCl= 4 6.021023 22.9 + 35.45 g = 3.877 1022g 密度 = m V = 3.8771022g 1.81321022cm3 = 2.1382 g/cm3 3 3、计算计算 CsClCsCl 的填充因子，已知离子半径：的填充因子，已知离子半径：CsCs+ = 0.170 nm, Cl= 0.170 nm, Cl- = 0.181 nm= 0.181 nm 解：由题意可得： 3 = 2rCs+ 2rCl = 2 0.170 + 0.181 nm = 0.702nm 则：晶格常数 = 0.4053nm 晶胞体积：V1= 3= 0.40533nm3= 0.06658 nm3 离子体积：V2= VCs+ VCl= 4 3 rCs+3+ 4 3 rCl3 = 4 3 0.1703+ 4 3 0.1813 nm3 = 0.04542nm3 填充因子：CsCl= V2 V1 = 0.04542 0.06658 = 0.6823 4 4、在离子晶体中，密堆积的负离子恰好互相接触并与中心正离子也恰好相互接触时，正负离子的半在离子晶体中，密堆积的负离子恰好互相接触并与中心正离子也恰好相互接触时，正负离子的半 径比为临界半径比，分别计算：径比为临界半径比，分别计算：(1)(1)立方体配位；立方体配位；(2)(2)八面体配位；八面体配位；(3)(3)四面体配位和四面体配位和(4)(4)三角形配三角形配 位的临界半径比。位的临界半径比。 解： （1）立方配位： 如图所示： 3 = 2r+ 2r 1 而： = 2r 2 联立12 可得：r+ r = 3 1 = 0.732 （2）八面体配位： 如图所示：4r= 2 2（r+ r） 则：r+ r = 2 1 = 0.414 （3）四面体配位： 如图所示：sin 109.5 2 = r r+r 则：r+ r = 0.225 （4）三角形配位： 如图所示： r r+r = cos30 则：r+ r = 0.155 5 5、 闪锌矿相闪锌矿相 ZnSZnS 中硫离子为面心立方堆积，中硫离子为面心立方堆积，ZnZn 离子位于四面体间隙。已知离子半径数据为离子位于四面体间隙。已知离子半径数据为 ZnZn 2+2+=0.06nm, S =0.06nm, S 2 2- -=0.174nm, =0.174nm,计算计算 ZnSZnS 的密度。的密度。 解：由图可得： 3 4 = rZn2+ rS2 = 0.06 + 0.174 nm = 0.234nm 则：晶格常数 = 0.5404 nm 晶胞体积：V = 3= 0.54043nm3= 0.1578 nm3 = 1.578 1022cm3 离子质量：m = mZn2+ mS2= 4 6.021023 （65 + 32）g = 6.445 1022g 闪锌矿密度：ZnS= m V = 6.4451022g 1.5781022cm3 = 4.0844 g/cm3 109.5o/2 6 6、钙钛矿相的通式是钙钛矿相的通式是 ABOABO3，A A 和和 B B 分别代表哪些元素？钙钛矿相分别代表哪些元素？钙钛矿相 CaTiOCaTiO3中中 CaCa、TiTi 和和 O O 的位数分别的位数分别 是多少？画出是多少？画出 CaTiOCaTiO3晶体的单位晶胞结构示意图。说明它们主要用途。晶体的单位晶胞结构示意图。说明它们主要用途。 答： （1）A 为与Ca2+相近的大正离子，如：Sr2+、Ba2+、Cd2+、Pb2+、Y3+、La3+； B 为与Ti4+相近的小正离子，如：Fe3+、Mn3+、Mn4+、Co3+、Al3+、Zr4+。 （2）Ca 的配位数为：12 ； Ti 的配位数为： 6 ；O 的配位数为：6 。 （3）晶胞结构如下图所示 （4）用途：压电材料、温敏开关材料 7 7、硅酸盐是含氧矿物中品种最多的一类矿物，根据硅酸盐是含氧矿物中品种最多的一类矿物，根据SiOSiO4 4 硅氧四面体与相邻四面体共顶情况，其在硅氧四面体与相邻四面体共顶情况，其在 空间排列可分成哪五个亚类？空间排列可分成哪五个亚类？ 答：岛状结构、环状结构、链状结构、层状结构、架状结构 8 8、 从显微结构的角度看， 陶瓷主要是有哪几个部分构成的？陶器、 炻器和从显微结构的角度看， 陶瓷主要是有哪几个部分构成的？陶器、 炻器和瓷瓷器具有不同的外观特征，器具有不同的外观特征， 其显微结构的主要差别是什么？将其弹性模量和热导率进行排序。其显微结构的主要差别是什么？将其弹性模量和热导率进行排序。 答： （1）组成：晶相、玻璃相、气相、晶界； （2）主要差别： 1 陶器显微结构中，气孔多，气孔率大，且大小不均匀，微裂纹多，几乎只有 晶粒；2 瓷器的气孔小，大小分布窄，微裂纹少，除了晶粒外还有玻璃相；炻 器介于二者之间。 （3）弹性模量：陶器 炻器 瓷器 热导率： 陶器 炻器 瓷器 9 9、什么是玻璃的“晶子学说”和“无规网络学说”？什么是玻璃的“晶子学说”和“无规网络学说”？ 答：晶子学说：硅酸盐玻璃是有无数“晶子”组成，“晶子”的化学性质取决于玻璃的化学组成，所 谓“晶子”不同于一般微晶，而是带有晶格变形的有序区域，在晶子中心质点排列较 有规律，愈远离中心则变形程度愈大，“晶子”分散在无定形介质中，从“晶子”部 分的过渡是逐步完成的，两者间无明显界限。 无规网络学说：玻璃体的结构与晶体的结构相似，也是由氧离子多面体以顶角相连的形式在三维 空间形成网络；晶体结构网络由多面体规律性的周期排列而成，而玻璃体结构网络中 多面体的排列是拓扑无序的。 1010、碳材料有多种结构形式，说出几种常见的碳材料，并讨论至少碳材料有多种结构形式，说出几种常见的碳材料，并讨论至少三种材料的结构与性能。三种材料的结构与性能。 答： 碳纤维，碳纤维， 结构： 碳纤维的聚集态结构由两相组成， 一相的取向度比较高， 微晶较大， 所含空隙少， 位于纤维的外层； 另一相的取向度较低， 微晶较小且含大量空隙， 位于纤维的芯部。 两相间存在混合相。 性能： 碳纤维具有一般碳素材料的耐高温、 耐摩擦、 耐腐蚀、 化学稳定以及导电等特性； 但它又与一般的碳素材料有明显不同，碳纤维的微观结构沿轴向有择优取向， 沿轴 向有很高的抗张强度和杨氏模量。由于碳纤维的密度小，因而具有很高的比强度和 比模量。 金刚石，金刚石，结构：金刚石属于立方晶系结构，其单位晶胞包含 8 个碳原子。碳原子的最外层电子发 生 SP3杂化形成 4 个等价的 SP3杂化轨道，碳原子之间以 C-C 键相结合，在三维空 间进行延伸而得到金刚石晶体。 性能：自然界中硬度最大，导热性最好的物质；还具有优异的抗腐蚀性和耐气候性。 富勒烯，富勒烯，结构：具有高度对称的足球式笼架空心结构，由 12 个正五边形碳环和 20 个六边形碳环 组成，其中正五边形的 C-C 键长为 0.1455nm。 性能： （1）呈一定的芳香性，和特殊的化学性质，能进行亲核加成反应，生成各种衍生 物； （2）其球形分子结构，使其堆砌缝隙和空芯中可掺杂其他原子或分子，从而表现 出超导性、强磁性等特殊性质。 其它碳材料：碳纳米管、石墨、炭黑 等。 1111、粘土、滑石和云母同为层状结构的硅酸盐，为什么它们却表现出非常大的机械性能差异？粘土、滑石和云母同为层状结构的硅酸盐，为什么它们却表现出非常大的机械性能差异？ 答：粘土、云母结构中:负离子片间依靠离子键结合，层内及层间均为较强的化学键，因而解离难以 进行； 滑石结构中：层间依靠范德华键结合，层内键合强而层间键合弱，易沿着层面发生解离。 12、一玻璃含一玻璃含 80%（质量）的（质量）的 SiO2和和 20%（质量）的（质量）的 Na2O，问非桥氧的分数是，问非桥氧的分数是多少？多少？ 解：由题意：基数 100g = 80g SiO2+ 20g Na2O； 则：nSiO2= 80g (28.1+216.0)g/mol = 1.33mol ； nNa2O= 20g (223.0+16.0)g/mol = 0.32mol ； n非桥氧= nNa= 2 0.32 = 0.64mol 且 n氧= 2 nSiO2+ nNa2O= （2 1.33 + 0.32）mol = 2.98mol 非桥氧的分数 = 0.64mol 2.98mol = 0.215 1313、一个、一个 AXAX 型陶瓷材料具有立方晶体结构，其晶格常数为型陶瓷材料具有立方晶体结构，其晶格常数为 0.43nm0.43nm，密度为，密度为 2.65g/cm2.65g/cm3。A A 和和 X X 的摩的摩 尔质量分别为尔质量分别为 86.6g/mol86.6g/mol 和和 40.3g/mol40.3g/mol。 判断其属于哪类材料：。 判断其属于哪类材料： NaCl, CsCl, NaCl, CsCl, 闪锌矿？说明理由闪锌矿？说明理由。 解：晶胞体积：V = 3= 0.433nm3= 0.079507nm3= 7.9507 1023cm3 一个晶胞的质量为：m = V = 2.65 7.9507 1023g = 2.1069355 1022g A 原子的质量mA= 86.6 6.021023 g = 1.4385 1022g X 原子的质量m