材料化学课后题答案第三章.pdf

第三章 材料的性能 1.1.用固体能带理论说明什么是导体，半导体，绝缘体？用固体能带理论说明什么是导体，半导体，绝缘体？ 答： 固体的导电性能由其能带结构决定。对一价金属（如 Na） ，价带是未满带， 故能导电。对二价金属（如 Mg） ，价带是满带，但禁带宽度为零，价带与较高 的空带相交叠，满带中的电子能占据空带，因而也能导电。绝缘体和半导体的 能带结构相似，价带为满带，价带与空带间存在禁带。禁带宽度较小时 （0.13eV）呈现半导体性质，禁带宽度较大（5eV）则为绝缘体。 答案或者是：答案或者是： 满带满带：充满电子的能带 空带空带：部分充满或全空的能带 价带价带：价电子填充的能带 禁带禁带：导带及满带之间的空隙 （其中，空带和价带是 导带） 导体导体：价带未满，或价带全满但禁带宽度为零，此时，电子能够很容易的实现 价带与导带之间的跃迁。 半导体半导体：价带全满，禁带宽度在 0.1-3eV 之间，此时，电子可以通过吸收能量 而实现跃迁。 绝缘体绝缘体：价带全满，禁带宽度大于 5eV，此时，电子很难通过吸收能量而实现 跃迁 2 2、 有一根长为有一根长为 5 m5 m，直径为，直径为 3mm3mm 的铝线，已知铝的弹性模量为的铝线，已知铝的弹性模量为 70Gpa70Gpa，求在，求在 200N200N 的拉力作用下，此线的总长度。的拉力作用下，此线的总长度。 = = 5.0025.002 m m 3 3. .试解释为何铝材不易生锈，而铁则较易生锈？试解释为何铝材不易生锈，而铁则较易生锈？ 答:锈蚀机理不同，前者为化学腐蚀，后者为电化学腐蚀 铝是一种较活泼的金属，但因为在空气中能很快生成致密的氧化铝薄膜，所以 在空气中是非常稳定的。铁与空气中的水蒸气，酸性气体接触，与自身的氧化 物之间形成了腐蚀电池，遭到了电化学腐蚀，所以容易生锈。 4 4. .为什么碱式滴定管不采用玻璃活塞？为什么碱式滴定管不采用玻璃活塞？ 答：因为普通的无机玻璃主要含二氧化硅，二氧化硅是一种酸性的氧化物，在 碱液中将会被溶解或侵蚀，其反应为：SiO2+2NaOHNa2SiO3+H2O 5 5. .何种结构的材料具有高硬度？如何提高金属材料的硬度？何种结构的材料具有高硬度？如何提高金属材料的硬度？ 答：由共价键结合的材料具有很高的硬度，这是因为共价键的强度较高。无机 非金属材料由离子键和共价键构成，这两种键的强度均较高，所以一般都有较 高硬度，特别是当含有价态较高而半径较小的离子时，所形成的离子键强度较 0 /FA (Hookes Law)E 00 ()/lll 00 ()/lll 高(因静电引力较大)，故材料的硬度较高。金属材料的硬度主要受金属晶体结 构的影响，形成固溶体或合金时可显著提高材料的硬度。 6 6. .什么是材料的疲劳？有哪些指标反应材料的疲劳性能？什么是材料的疲劳？有哪些指标反应材料的疲劳性能？ 答：疲劳是指材料在循环受力（拉伸，压缩，弯曲，剪切等）下，在某点或某 些点产生局部的永久性损伤，并在一定循环次数后形成裂纹或使裂纹进一步扩展 直到完全断裂的现象。 高循环疲劳的裂纹形成阶段的疲劳性能常以 S-N 曲线表征， 7 7、热膨胀受什么因素影响？试用势能图说明热膨胀受什么因素影响？试用势能图说明 热膨胀主要受到键强的影响，键强越强，热膨胀越弱。此外，组织结构也对热膨 胀有影响。结构紧密的固体，膨胀系数大。 第三章第三章 材料的性能材料的性能 1、 用固体能带理论说明什么是导体、半导体、绝缘体？用固体能带理论说明什么是导体、半导体、绝缘体？ 答: 1）固体能带理论是关于晶体的量子理论，是研究固体中电子运动规律的一种 近似理论。其中，分子轨道理论认为，两原子间相应的原子轨道可以组合成相同 数目的分子轨道。在金属晶体中，金属原子靠得很近，可以通过原子轨道组合成 分子轨道，以使能量降低。金属晶体中通常包含数目极多的原子，这些原子轨道 可组成极多的分子轨道，随着数量的增多，各相邻分子轨道实际上连成一片，构 成了具有一定能量宽度的能带。2）固体通常含有不同的能带。已充满电子的能 带叫满带，其中的电子无法自由流动、跃迁。在此之上，能量较高的能带，可以 是部分充填电子或全空的能带，叫做空带，空带获得电子后可以参与导电过程， 又叫导带。价电子所填充的能带称为价带。3）固体的导电性质由其能带结构决 定。导体的能带特点是价带是未满带，或价带是满带，而禁带宽度为零，价带与 较高的空带相交叠，满带中的电子能占据空带，因此这两种情况都能导电。半导 体和绝缘体的能带结构相似，价带为满带，价带与空带间存在禁带。当禁带宽度 为 0.13 时，呈现半导体性质；禁带宽度大于 5 时则为绝缘体。 2、有一根长为、有一根长为 5 ，直径，直径 3 的铝线，已知铝的弹性模量为的铝线，已知铝的弹性模量为 70 ，求在，求在 200 的拉力的拉力 作用下， 此线的总长度。作用下， 此线的总长度。 5 , 3 . , 70 , 200 . 答：已知 /0，(-0)0， ，又已知0 = 5，0=(0.0015)2, =70109 , =200,将 以上数据代入， 可得=5.002 米。 所以， 在 200 的拉力作用下， 此线的总长度为 5.002 米。: , /0，(-0)0，, 0 = 5，0=(0.0015)2, =70109 , =200. , = 5.002 . , 5.002 200 . 3、试解释为何铝材不易生锈，而铁则较易生锈。、试解释为何铝材不易生锈，而铁则较易生锈。 , . 答:铝材在常温下会在其表面形成一层致密而稳定的23薄膜， 会有效的保护铝材而 不易生锈。而铁的化学性质很活泼，在空气中形成的铁的氧化物也不是很稳定， 容易与环境中的水、2、2等发生反应，形成氧化铁、氢氧化铁与碱式碳酸铁等， 从而使铁生锈。 4、为什么碱式滴定管不采用玻璃活塞？、为什么碱式滴定管不采用玻璃活塞？ ? 答：因为玻璃的主要成分是 2，它是一种酸性的氧化物，容易与碱发生反应从而 使玻璃被溶解或侵蚀。所以碱式滴定管不采用玻璃活塞，可以避免使用玻璃活塞 时而被粘结在一起而影响使用。 5 、 何 种 结 构 的 材 料 具 有 高 硬 度 ？ 如 何 提 高 金 属 材 料 的 硬、 何 种 结 构 的 材 料 具 有 高 硬 度 ？ 如 何 提 高 金 属 材 料 的 硬 度度? ? ? 答： 共价键和离子键的强度较高， 由这两种键合形成的材料通常具有较高的硬度， 如金刚石。由金属键结合构成的金属材料通常也具有一定的硬度，其硬度主要受 金属晶体结构的影响，形成固溶体或合金时可显著提高其硬度。: 6、什么是材料的疲劳？有哪些指标反、什么是材料的疲劳？有哪些指标反应材料的疲劳性能？应材料的疲劳性能？ ? ? 答：疲劳是指材料在循环受力（拉伸、压缩、剪切、弯曲等）下，在某点或某些 点产生局部的永久性损伤，并在一定循环次数后形成裂纹或使裂纹进一步扩展直 到完全断裂的现象。疲劳强度、疲劳极限、抗拉强度这三个因素可以反应材料的 疲劳性能。 7、热膨胀受什么因素的影响？试用势能图进行解释。、热膨胀受什么因素的影响？试用势能图进行解释。 ? . 答：热膨胀受组成材料的原子键合性质、材料的组织结构的影响。1）原子间的 键合力越强，其势能阱越深。当能量增加 时，原子间的平衡距离增加 。对于 较强键来说，其 较小，热膨胀系数较小；而对于较弱键来说，其 较大，热膨 胀系数较大。2）结构紧密的固体，膨胀系数大；结构疏松，内部空隙较多，温 度升高时，原子振幅增大，原子间距离增加时，部分被结构内部空隙所容纳，宏 观膨胀就小。: 8、压电体有什么用途？、压电体有什么用途？ ? 答：压电性是指对材料施加压力，导致极化发生改变，从而在样品两侧产生小电 压的现象，相应的材料称为压电体。1）压电体可以把应力转换为容易测量的电 压值，可用于制造压力传感器。2）对压电体两侧施加电压，可引起其尺寸的变 化，这种现象成为电致伸缩（又叫逆压电效应） 。如果对压电薄膜施加交变电流， 则薄膜产生振动而发出声音，利用这种现象可制作音频发声器件，如扬声器、耳 机、蜂鸣器。 9 、 简 述 软 磁 材 料 和 硬 磁 材 料 的 磁 化 曲 线 特 征 及 这 两 种 材 料 的 用、 简 述 软 磁 材 料 和 硬 磁 材 料 的 磁 化 曲 线 特 征 及 这 两 种 材 料 的 用 途。途。 . 答：1）软磁材料在较弱的磁场下，易磁化也易退磁，在磁滞回线上表现为较小 的矫顽力，磁滞回线呈狭长形，所包面积很小，磁滞损耗低。例如铁氧体、铁氧 体均属于软磁材料。软磁材料晶体结构一般都是立方晶系尖晶石型，主要用作各 种电感元件，例如