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材料结构与性能总结 材料结构与性能总结 一、基本概念: 1、七大晶系立方晶系a=b=c,=90?，有简单立方、体心立方、面心立方三种布拉菲晶胞三方晶系a=b=c,=90?，有一种简单三方布拉菲晶胞四方晶系a=bc,=90?，有简单四方、体心四方二种布拉菲晶胞正交晶系abc,=90?，有简单正交、底心正交、体心正交、面心正交四种布拉菲晶胞。 2、肖特基缺陷在晶体内部形成空位，而表面产生新的原子层，结果就在晶体内部产生空位但没有间隙原子，这种缺陷称为肖特基缺陷。 3、佛伦克尔缺陷间隙原子和空位成对出现的缺陷称为佛伦克尔缺陷。 4、金属键金属中自由电子与金属正离子之间构成的键。 5、共有化运动在晶体结构中，大量的原子按一定的周期有规则的排列在空间构成一定形式的晶格。 如果原子是紧密堆积的，原子间间距很小。 晶体中原子能级上的电子不完全局限在某一个原子上，可以由一个原子转移到相邻的原子上去，结果电子可以在整个晶体中运动。 6、 6、）能带（允带）固体中若有N个原子，每个原子内的电子有相同的分立的能级，当这N个原子逐渐靠近时，原来束缚在单原子中的电子，不能在一个能级上存在，从而只能分裂成N个非常靠近的能级，因为能量差甚小，可看成能量连续的区域，称为能带。 7、半导体导电性能介于金属和绝缘体之间，具有负的电阻温度系数的一类物质。 8、非晶无规则的外形和固定的熔点，内部结构也不存在长程有序，但在若干原子间距内的较小范围内存在结构上的有序排列短程有序。 9、单晶指整个晶体主要由原子（或离子）的一种规则排列方式所贯穿。 10、多晶 10、多晶是由大量的微小单晶体随机堆积而成的整块材料。 11、超导体 11、超导体低于某一温度出现超导电性的物质。 12、快离子导体有一类离子晶体，有数目相当大的载流子，载流子浓度与温度无明显关系，其平均自由程大，离子导电激活能低，它们的离子电导率与液体电解质差不多，甚至更高，这类例子化合物叫做快离子导体。 13、贮存材料在室温和常压条件下能迅速吸氢或反应生成氢化物，使氢以氢化物的形式贮存起来，在需要的时候，适当加温或减小压力使这些贮存的氢释放出来以供使用的材料。 14、原子团簇:由几个至上千个原子、分子结合成相对稳定的微观和亚微观聚集体叫做团簇。 15、幻数某些原子数目的团簇出现的频率特别高，结构也特别稳定，这些原子出现频率特别高的原子数目叫做幻数。 16、纳米材料:是指材料的基本结构单元至少有一维的特征尺寸介于1100nm，并由于纳米尺寸效应，表面、界面效应和量子尺寸效应而表现出奇异的、不同于相应的体材料所具备的物理或化学特性的材料或材料体系。 17、溶胶凝胶法用含有高化学活性组分的化合物做前驱体，并进行水解、醇解、缩聚反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经一段时间放置后，形成三维空间网络结构的凝胶，凝胶经过干燥、烧结去除水及有机成分，得到纳米材料。 18、玻璃化温度粘度相当于1013泊时的温度，用Tg表示。 19、过冷度晶态材料的热力学熔点Tm与玻璃转化温度之间的差值，用T表示，即T=Tm-Tg。 20、准晶具有准周期平移格子构造的固体，其中的原子呈定向有序排列，但不做周期性平移重复。 21、电介质能够承受较强的外电场，同时在外电场的作用下，束缚电荷出现短程运动与位移，结果使正负电荷中心偏移，通过这种方式来传递、存储或记录外电场的影响。 22、电介质的极化在外电场中，电介质表面出现极化电荷的现象。 23、自发极化对于一些特殊的材料，晶胞不进结构上没有对称中心，而且在无外力作用时晶胞本身的正、负电荷中心不重合，即晶胞具有极性，由于这种极化状态是在外场为零时自发建立起来的，因此称为自发极化。 24、电畴由于晶体构造的周期性和重复性。 晶胞的固有电矩便会沿着同一方向排列整齐，电偶极矩在一定的子区域内取向相同，这些区域就称为电畴或畴。 论述题 1、试简述面缺陷与材料的行为？答 1、试简述面缺陷与材料的行为？答 （1）对位错运动有阻碍作用，所以细化晶粒，增加晶界含量，可以改善材料的力学性能，既提高强度又增加韧性。 （2）原子的混乱排列成为扩散的快速通道和固态相变成核的优先位置。 （3）晶界等处的原子活性较高，以及杂质的存在，使材料易被氧化和腐蚀。 2、画出Si、GaAs材料的实际二维能带图并简述其结构性能。 答 2、画出Si、GaAs材料的实际二维能带图并简述其结构性能。 答硅的价带的极大值位于k=0处，三维晶体中为一球形等能面；硅导带多能谷结构，三维晶体中存在6个能量最小值；硅的导带底和价带顶在k空间处于不同的k值，为间接带系半导体。 砷化镓价带极大值位于k=0处，导带极小值也在k=0处，为直接带系型半导体，与硅的间接带系相比光能转换效率更高；砷化镓的禁带宽度（Eg)比硅大，晶体管的工作温度上限与Eg有关，因此砷化镓工作温度上限比硅高，而且大的禁带宽度是晶体管击穿电压大。 3、试述超导体的特点答 3、试述超导体的特点答完全导电性（零电阻），超导体进入超导态时，其电阻率实际上等于零。 1.1ev1.42ev（例如室温下将超导体放入磁场中，冷却到低温进入超导状态，去掉外加磁场后，线圈产生感生电流，由于没有电阻，此电流将永不衰减。 即超导体的“持久电流”。 ）完全抗磁性(迈斯纳效应)当超导体冷却到临界温度以下而转变为超导态后，只要周围的外加磁场没有强到破坏超导性的程度，超导体就会把穿透到体内的磁力线完全排斥出体外，在超导体内永远保持磁感应强度为零。 超导体的这种特殊性质被称为“迈斯纳效应”。 存在临界参数临界温度（Tc），超导体必须冷却至某一临界温度以下才能保持其超导性。 临界电流密度（Jc），通过超导体的电流密度必须小于某一临界电流密度才能保持超导体的超导性。 临界磁场（Hc），施加给超导体的磁场必须小于某一临界磁场才能保持超导体的超导性。 4、试述高温超导体的结构特点答 4、试述高温超导体的结构特点答层状钙钛矿结构，可以看作是由导电层和绝缘的组合层构成的夹层状结构。 导电层是由一层或几层Cu-O平面组成的，电导和超导都是主要发生在这些Cu-O层上，电学性质和超导性质都具有强烈的各向异性。 绝缘的组合层也可称作载流子库层。 向CuO面提供载流子。 超导体材料的应用超导发电机、超导输电线路、超导计算机、高温超导过滤器、超导磁悬浮列车。 5、试述快离子导体的微观结构特点答 5、试述快离子导体的微观结构特点答快离子导体中的载流子主要是离子，电导活化能低，在固体中可流动的数量相当大。 快离子导体往往不是某一组成的某一材料，而是指某一特定的相。 快离子导体的晶格中包含能量近似相等，而数量远比传导离子数目多的间隙位。 传导离子的间隙位之间势垒不能太高，传导离子在间隙位之间可以比较容易跃迁。 这些空位应彼此互相连接，间隙位的分布应取共面多面体，构成一个立体网络结构，可拥有贯穿晶格始末的离子通道的传输离子。 6、试述ZrO 6、试述ZrO22氧传感器的工作原理答氧传感器的工作原理答ZrO2具有快离子导体的结构，但是室温下不稳定，可通过加入少量的碱土金属氧化物或稀土氧化物，使ZrO2保持其稳定为萤石结构，成为快离子导体。 氧传感器的工作原理为内层电极与大气接触，所以氧气浓度高，外层电极与排气接触，氧气浓度低。 当排放的废气中所含的氧相对少，氧化锆两侧的电极所接触到的氧气高低落差大，所产生的电动势也相对高(将近1V)；当燃烧完成多余的氧气较多时，氧化锆两侧的白金层的氧气落差小，因此所产生的电动势低(将近0V)。 电动势的信号传送到调节系统，通过改变油量大小进行相应的调节。 7、试述贮氢合金的结构特点以及吸氢、放氢原理。 答特点储氢合金中，氢密度极高。 金属氢化物的氢密度与液态氢、固态氢的相当，约是氢气的1000倍。 一般储氢合金中，氢分解压较低，所以用金属氢化物贮氢时并不必用耐压钢瓶。 吸氢、放氢原理改变温度和压力的条件,使反应正向或逆向进行即可实现吸氢或放氢，反应如下恒定温度通过改变压力实现吸氢或放氢。 将金属至于T1温度，高于P1压力，金属会与氢反应生成氢化物，即金属吸氢；低于P1的气氛中，氢化物发生分解释放出氢气。 恒定压力通过改变温度也可实现吸氢或放氢。 压力为P2时，当温度高于T2时，（如T3）氢化物发生分解释放出氢气,将温度降到T2温度以下（如T1），金属与氢反应生成氢化物。 8、原子团簇的四个效应答 8、原子团簇的四个效应答同位数效应、量子尺寸效应、表面效应、小尺寸效应。 （？不知如何详述） 9、试述金刚石、石墨、C60的结构特征以及性质的不同点。 答的结构特征以及性质的不同点。 答金刚石是碳的同素异构体，晶体结构为正四面体，为等轴晶，在单位晶胞中，C原子具有高度的对称性。 C原子位于四面体的角顶及中心，CC原子间为共价键，配位数为4。 石墨也是碳的同素异构体，它的结晶格架为六边形层状结构，是一种混合型晶体层内存在共价键，层间以范德华力结合，兼具有原子晶体、分子晶体的特征和特性。 C60是碳的第三种同素异构体，C60由20个六边形、12个五边形组成的32面体；形状类似于足球，球是空心的；每三个面的交点处为一个C原子，共60个；C-C键的杂化介于sp3和sp2之间，以共价键为主，具有方向性和饱和性。 性能的差异三者都是碳的同素异构体，具有相似的化学性质，但由于碳原子的排列顺序不同，导致物理方面的性质差别较大。 金刚石硬度很大，且较脆，密度较大，纯净的为无色透明状，有金刚光泽，不溶于水，可溶于有机溶剂，不具有导电性；石墨呈灰黑色，硬度很小，质软，易于变形，具有良好的塑韧性，可以导电，不溶于水，易溶于CS2等有机溶剂；C60固体是黑色固态分子晶体，密度不高，低于金刚石和石墨，非常软，在任何方向上都可以在较小的压力下变形，属于半导体材料，常态下不导电，不溶于水，易溶于CCl 4、甲苯等非极性分子，掺入一定量的碱金属，可形成超导体。 10、试画出纳米材料的硬度（H）、韧性（K）、熔点（Tm)、热膨胀系数（a)与粒径的关系图并解释。 答: 10、试画出纳米材料的硬度（H）、韧性（K）、熔点（Tm)、热膨胀系数（a)与粒径的关系图并解释。 答:硬度硬度是由晶粒的尺寸和缺陷决定的，在纳米晶体中存在一个临界尺寸dc:当ddc时，硬度随着粒径的增加而降低。 韧性多晶材料的变形可以用外加应力施加下的扩散蠕变机制来解释，随着粒径的减小，蠕变速率增加，塑韧性增加。 熔点熔点反应了质点间结合力的大小，纳米粒子的表面能高，表面原子数多，这些表面原子近邻配位不全，活性大，因此熔化时所需增加的内能小得多，即温度不需要很高就可熔化。 随着粒径的减小，熔点急剧降低。 热膨胀系数热膨胀系数与物质内原子间的斥力、引力大小及原子间的键能大小直接相关。 随着粒径的减小，热膨胀系数增加。 11、试述非晶材料的微观结构特征。 答 11、试述非晶材料的微观结构特征。 答只存在小区间范围内的短程有序，在近程或次近邻的原子间的键合（如配位数、原子间距、键角、键长等）具有某种规律性，但没有长程序结构。 非晶态材料的电子衍射是漫散的中心衍射斑点。 X射线衍射图上非晶没有特征峰。 但由于短程有序，仍存在择优性衍射，出现非晶态馒头峰。 非晶材料在电子显微镜下看不到晶粒间界、晶格缺陷等形成的衍衬反差。 任何体系的非晶态固体与其对应的晶态材料相比，都是亚稳态。 当温度升高时，在某个很窄的温度区间，原子重排会发生明显的结构相变。 12、试简述制备非晶态材料需要控制哪些工艺参数，在试验中如何获得这些参数值。 12、试简述制备非晶态材料需要控制哪些工艺参数，在试验中如何获得这些参数值。 答非晶态材料的特点无固定熔点，存在玻璃化转变温度，长程无序，短程有序，整体结构均匀。 制备非晶态材料需要控制的工艺参数过冷度，冷却速度。 获得方法过冷度T=TmTg其中Tg玻璃化转变温度，Tm熔点冷却速度非晶形成条件冷速快，晶核形成长大速度慢，即单位时间内形成的晶核数量少。 临界冷速Q=Tm-Tn/tn非晶形成冷却速度大于Q。 13、试述非晶材料的性能。 答 13、试述非晶材料的性能。 答力学性能高强度、高硬度非晶态的结构在宏观上是各向同性的，没有晶态材料中常见的晶界和缺陷等各种局部不均匀。 这样就使得非晶态材料具有很高的强度和硬度。 高韧性非晶态材料中原子排列不规则，原子不是整齐的排在晶面上，而是犬牙交错，这使得材料断裂需要较高的能量，因而韧性较大。 耐蚀性能非晶态材料比相同成分的晶态材料具有强得多的耐腐蚀性能。 主要因为: (1)非晶态的结构在宏观上是各向同性的，没有晶态材料中常见的晶界和缺陷等各种局部不均匀，这使得腐蚀液无缝可钻。 (2)非晶态材料的自身活性较高，能够在表面迅速的形成钝化膜。 一旦钝化膜局部破裂能立即自动修复。 14、根据BaTiO33的晶体结构特点画出BaTiO33的介温图谱（-150200），并解释各个温度段的晶体结构特点。 实验中一般通过什么方法来降低BaTiO33d的居里温度，并解释降低的原理。 答d的居里温度，并解释降低的原理。 答三方a=b=c，=90?正交abc,=90?四方a=bc,=90?立方a=b=c