材料化学期末考试预测题

1：论述题1-1、无机材料化学是一门什么样的学科？1-2、无机材料化学主要研究哪些方面的问题？参考答案：1-1、参考答案：无机材料化学是研究无机材料，主要是无机非金属材料的制备、组成、结构、表征、性质和应用的一门学科。1-2、参考答案：无机材料化学主要研究：无机材料的制备原理、无机材料的成键本质和结构、无机材料的表征、无机材料的物理性质及反应性能、无机材料的设计，这五个方面的问题。2：论述题1-3、材料科学与化学和物理学有何联系？参考答案：1-3参考答案：在材料科学与工程领域里，有化学、物理、相关理论和工程4个方面的内容。由于研究的对象不同，化学方面的内容又分为高分子化学和无机材料化学等。无机材料化学是材料科学的一个极重要的分支，又可以是化学学科的一部分，呈明显的交叉、边缘学科的性质。材料科学和物理、化学、相关理论及工程学的关系。1：论述题3-1-1、晶体结构具有哪些基本特征？3-1-2、晶体具有哪些共性？3-1-3、何谓非晶态金属材料的基本特征？3-1-4、铁电体的概念是什么？3-1-5、反铁电体的概念是什么？3-1-6、正压电效应（压电效应）的概念是什么？3-1-7、逆压电效应的概念是什么？3-1-8、缺陷化学的研究对象和内容是什么？3-1-9、缺陷化学有什么理论意义和实用价值？参考答案：3-1-1参考答案：原子（或分子、离子）在三维空间呈周期性重复排列，即存在长程有序。 3-1-2参考答案：由于具有周期性的空间点阵结构，晶体具有下列共同性质：均一性，即晶体不同部位的宏观性质相同；各向异性，即晶体在不同方向上具有不同的物理性质；自限性，即晶体能自发地形成规则的几何外形；对称性，即晶体在某些特定方向上的物理化学性质完全相同；具有固定熔点；内能最小。性能上两大特点： 固定的熔点，各向异性。3-1-3参考答案：非晶态形成能力对合金的依赖性；结构的长程无序和短程有序性；热力学的亚稳性3-1-4参考答案：晶体中存在着自发极化，并且这种极化的方向能随着外界电场而改变，这样的晶体就称为铁电体。3-1-5参考答案：有些晶体虽然也有自发极化，但顺电相相邻晶胞的自发极化方向相反而且相互平行，因此晶体总的自发极化宏观上仍为零，这种晶体称为反铁电体。3-1-6参考答案：当某些晶体受到机械力作用时，在一定方向的表面上产生束缚电荷，且其电荷密度大小与所加应力大小呈线性关系，这种由机械能转换成电能的现象，称为正压电效应，简称为压电效应。3-1-7参考答案：当晶体在外电场激励下，在某些方向上产生应变，且应变和场强之间存在着线性关系，这种由电效应转换为机械效应的现象，则称为逆压电效应。3-1-8参考答案：缺陷化学的研究对象是点缺陷，但不包括声子和激子。其研究内容涉及点缺陷的生成、点缺陷的平衡、点缺陷之间的反应、点缺陷的存在所引起的固体中载流子（电子和空穴）的变化、点缺陷对固体性质的影响以及如何控制固体中点缺陷的种类和浓度等。 3-1-9参考答案：缺陷化学具有重要的理论意义和实用价值。固体中的化学反应，只有通过缺陷的运动。陶瓷材料在高温时能正常烧结的基本条件是：材料中要有一定的缺陷机构与缺陷浓度，以使许多传质过程能顺利进行。点缺陷对材料的性质也有重要的影响，例如，固体材料的导电性与缺陷关系极大。可以说，缺陷化学及其相关的能带理论，是无机材料化学中最重要的内容。正如West所说：在固态科学中，晶体缺陷的研究是一个活跃和迅速发展的领域。”2：论述题3-2-1、何谓非化学计量缺陷？3-2-2、何谓弗仑克尔缺陷？3-2-3、何谓肖特基缺陷？3-2-4、何谓色心（F色心）？3-2-5、何谓非整比化合物缺陷（化合物）材料？3-2-6、什么是纳米、纳米结构、纳米技术？3-2-7、纳米微粒的概念是什么？3-2-8、纳米固体的概念是什么？3-2-9、原子团簇的概念及特性是什么？参考答案：3-2-1参考答案：非化学计量化合物的晶格结点中带有空位，或含有处于间隙位臵的填隙原（离）子，存在着缺陷，在组成和结构两方面显示出非化学计量的特征；而热缺陷并不会造成组成的改变。非化学计量缺陷也是某些固体材料所固有的，尽管它的浓度不仅会随温度而变化，而且会随着周围气氛性质及其分压大小的改变而改变；但热缺陷一般与气氛无关。 3-2-2参考答案：在形成热缺陷时，晶体中具有足够高能量的原（离）子离开其平衡位臵，挤入晶体中的间隙位臵，造成微小的局部晶格畸变，成为所谓填隙原子，而在其原来的位臵上形成空位，这种缺陷称为弗仑克尔缺陷。这种填隙原子是晶体本身所具有的，所以又称为自填隙原子，以区别于杂质原子。弗仑克尔缺陷的特点是填隙原子或离子与晶格结点空位成对出现，晶体内局部晶格畸变，但总体积不发生可观察到的改变。简言之，在晶格热振动时，一些能量足够大的原子离开平衡位臵后，挤到晶格间隙位臵，成为填隙原子，而在原来的位臵上留下一个空位，这种缺陷称为弗仑克尔缺陷。3-2-3参考答案：肖特基缺陷是由于晶体表面附近的原子热运动到表面，在原来的原子位臵留出空位，然后内部邻近的原子再进入这个空位，这样逐步进行而造成的，看来就好像是晶体内部原子跑到晶体表面来了。显然，对于离子晶体，阴阳离子空位总是成对出现；但若是单质，则无这种情况。除了表面外，肖特基缺陷也可在位错或晶界上产生。这种缺陷在晶体内也能运动，也存在着产生和复合的动态平衡。对一定的晶体来说，在确定的温度下，缺陷的浓度也是一定的。空位缺陷的存在可用场离子显微镜直接观察到。简言之，肖特基缺陷：正常结点上的原子，在能量起伏过程中获得足够的能量后，离开平衡位臵迁移到晶体表面正常结点位臵，在原来的位臵上留下空位。一般在结构比较紧密，没有较大空隙的晶体中或在阴、阳离子半径相差较小的晶体中比较容易形成肖特基缺陷。3-2-4参考答案：固体物理和固体化学里的一个相当大的领域与研究碱金属卤化物晶体中的色心有关，最典型例子是F色心。在20世纪20年代， Pohl根据颜色的德文单词Farbe，把这种缺陷称为F中心（F-centre，德文为Farbenzentre），后人习惯上把它改称为F色心。NaCl晶体在Na蒸气中加热会变成浅绿黄色，这种现象被认为F色心的形成有关。此时，1个Na原子扩散到NaC1晶体的内部时，是以过剩的Na存在，同时引入1个电子。为了保持晶格中Na和Cl?之间的位臵关系，会造成1个Cl?空位，这种阴离子空位称为中心。这个失去了负电荷的空位带正电，能捕获由Na所引入的1个价电子，形成了所谓的F色心和1个Na。F色心是由1个阴离子空位和1个在此位臵上的电子组成的，它是个陷落的电子中心(a trapped-electron centre)。一般来说，碱金属原子的价电子并不束缚在某个特定的原子或离子上，它可以迁移穿越过点阵，并最终束缚在卤素原子空位上。F色心实际上是没有原子核的价电子，或称为类氢原子。3-2-5参考答案：道尔顿的定比定律圆满地解释了有机化学中分子晶体的许多现象，虽然它有时需要加以修正，才能用以说明单键、双键、叁键、链状或环状化合物的结构问题。后来研究发现，这种严格按化学计量形成的化合物其实是一种很特殊的情况，大多数原子或离子晶体化合物并不符合定比定律，其正负离子的比，并不是一个简单、固定的值。它们呈现范围很宽的组成，并且组成和具体结构之间没有简单的对应关系(或化学同一性)，这些化合物被称为非化学计量化合物、非化学计量比化学物、非化学配比化合物或非整比化合物，或被称为偏离整比的化合物。3-2-6参考答案：纳米是一种度量单位，1纳米为百万分之一毫米，即1毫微米，也就是十亿分之一米。纳米结构通常是指尺寸在100纳米以下的微小结构，在这种水平上对物质和材料进行研究、处理的技术称为纳米技术。纳米技术其实就是一种用单个原子、分子制造物质的科学技术。3-2-7参考答案：纳米微粒是指颗粒尺寸为纳米量级的超微颗粒，它的尺寸大于原子团簇(cluster)，小于通常的微粉。在固体物理和分子化学中，常将含有几个到几百个原子或尺度小于1nm 的粒子称为簇”，它是介于单个原子和固态之间的原子集合体。纳米微粒一般在1100nm之间。3-2-8参考答案：由纳米微粒为主要构成成分，经一定工艺制备条件制得的体相材料，称纳米固体材料。包括块体材料和薄膜材料。3-2-9参考答案：是一类于20世纪80年代才发现的新的化学物种。它是几个至几百个原子的聚集体（粒径小于或等于1nm），如Fen，CunSm，CnHm（n和m为正数）和碳簇（C60, C70等）等。原子分子团簇简称团簇or微团簇（microcluster ）是由几个至上千个原子、分子or离子通过物理和化学结合力组成相对稳定的聚集体，其物理和化学性质随着所含的原子数目不同而变化。原子团簇不同于具有特定大小和形状的分子，也不同于以弱的结合力结合的松散分子团簇和具有周期性的晶体。它们的形状多种多样，它们尚未形成规整的晶体。原子团簇有许多奇异的特性，如极大的比表面使其具有异常高的化学活性和催化活性、光的量子尺寸效应和非线性效应。1：论述题4-5、溶胶-凝胶法在材料制备中有哪些应用？4-6、何谓水热化学法（水热法）？4-7、与高温固态反应相比，水热合成氧化物粉末陶瓷具有何优势？4-8、何谓气相化学沉积（CVD）法？参考答案：4-5参考答案：由于溶胶-凝胶技术在控制产品的成分及均匀性方面具有独特的优越性，近年来己用该技术制成LiTaO2、LiNbO3、PbTiO3、Pb(ZrTi)O3和BaTiO3，等各种电子陶瓷材料。特别是制备出形状各异的超导薄膜、高温超导纤维等。在光学方面该技术己被用于制备各种光学膜，如高反射膜、减反射膜等和光导纤维、折射率梯度材料、有机染料掺杂型非线性光学材料等以及波导光栅、稀土发光材料等。 在热学方面用该技术制备的SiO2-TiO2玻璃非常均匀，热膨胀系数很小，化学稳定性也很好；已制成的InO3-SnO2(ITO)大面积透明导电薄膜，具有很好的热镜性能；制成的SiO2气凝胶具有超绝热性能等特点。在化学材料方面用该技术制备的下列产品都具有独特的优点：超微细多孔滤膜具有耐温耐压耐腐蚀等特点，而且孔径可以调节；超细氧化物已被广泛应用在金属、玻璃、塑料等表面作为氧化物保护膜，其抗磨损和抗腐蚀能力大为增强；催化剂具有高比表面、大孔容和孔径均匀以及低的表观堆密度等特点；氧化物气敏材料具有良好的透气性、较大的比表面和均匀分布的微孔。4-6参考答案：水热法又称热液法，具有晶粒发育完整、粒径很小且分布均匀、团聚程度较轻、易得到合适的化学计量比和晶粒形态、不需高温煅烧和球磨等特点。4-7参考答案：(1)明显地降低反应温度和压力(100200)；(2)能够以单一反应步骤完成（不需研磨和焙烧步骤)；(3)很好地控制产物的理想配比及织构形态；(4)制备纯相陶瓷（氧化物）材料；(5)可以大批量生产。4-8参考答案：是一种利用气相反应制备材料的重要合成方法之一。是挥发性原料化合物的蒸气通过化学反应合成所需要物质的方法。CVD是利用热能、等离子体放电或紫外光照射等形式的能源，使气态物质在固体表面上发生化学反应，并在该表面上沉积，形成稳定固态膜的过程。2：论述题4-1、软化学是什么？4-2、什么是软材料？4-3、什么是溶胶-凝胶技术？4-4、溶胶-凝胶法有哪些特点？参考答案：4-1参考答案：软化学是20世纪70年代初由德国固体化学家费尔（Schafer）提出来的。严格地讲，软化学与其说是一门新的学科，不如说是一种新材料的制备思路。在这种思路下产生了一系列新型材料的制备技术，开辟出了具有节能、高效、经济、环境友好的工艺路线。软化学合成正在将新材料制备的前沿技术从高温、高压、高真空、高能和高制备成本的物理、化学方法中解放出来，进入一个更广阔的空间！4-2参考答案：软材料：采用软化学（软化学合成法）方法，如溶胶-凝胶方法、水热法、前驱体法、共沉淀法、离子交换法及插入反应法等获得的材料。4-3参考答案：溶胶-凝胶技术是指金属有机或无机化合物经过溶胶-凝胶化和热处理形成氧化物或其它固体化合物的方法。其过程是用液体化学试剂（或粉状试剂溶于溶剂）或溶胶为原料而不是用传统的粉状物为反应物，在液相中均匀混合并进行反应，生成稳定且无沉淀的溶胶体系，放臵一定时问后转变为凝胶经脱水处理，在溶胶或凝胶状态下成型为制品，再在略低于传统的温度下烧结。4-4参考答案：工艺设备简单，无需真空条件或真空昂贵设备；工艺过程温度低；可在各种不同形状、不同材料的表面上大面积制备薄膜，甚至可以在粉末材料的颗粒表面制备一层包一、填空题（共10 小题，每题1分，共计10分）1、 材料按化学组成与结构一般可分为 金属材料 、 无机非金属材料 、 聚合物材料 和复合材料四大类。2、 材料化学是关于材料的 结构 、 性能 、 制备 和应用的化学。3、 材料的结构一般可分为微观结构、 介观结构 和 宏观结构 三个层次来研究。4、 元素的原子之间通过 化学键 相结合，不同元素由于电子结构不同结合的强弱也不同。其中离子键、 共价键 和 金属键 较强； 范德华键 为较弱的物理键； 氢键 归于次价键。5、 范德华力有三种来源分别是 取向力 、 诱导力 和色散力。6、 晶体包括有金属晶体、 离子晶体 、 原子晶体 和分子晶体。7、 硅酸盐的基本结构单元为 SiO4 四面体，其结构类型为 岛装 、 环状 、 链状 、层状与架状等。8、 晶体的缺陷按几何维度可划分为点缺陷、 线缺陷 、 面缺陷 和 体缺陷 。其中点缺陷又可分为 热缺陷 和杂质缺陷。9、 力对材料的作用方式为拉伸、 压缩 、 弯曲 和剪切等；而力学性能表征为 强度 、 韧性和 硬度 等。10、 材料的电性能是材料被施加电场时所产生的 响应行为 。主要包括 导电性 、介电性、铁电性和 压电性 等。11、 晶体生长技术包括有融体生长法和 溶液生长法 ；其中融体生长法主要有 提拉法 、坩埚下降法、 区融法 和焰融法。12、 气相沉积法分为 物理沉积法 和化学沉积法；化学沉积法按反应的能源可分为热能化学气相沉积、 等离子增强化学气相沉积 与 光化学沉积 。13、 金属通常可分为黑色金属和 有色金属 ；黑色金属是指铁、 铬 、 锰 金属与它们的合金。14、 铁碳合金的形态包括有奥氏体、马氏体、 铁素体 、 渗碳体 、与珠光体等。15、 无机非金属材料一般为某些元素的氧化物、碳化物、 氮化物 、 硼化物 、硫化物和硅酸盐、 钛酸盐 、 铝酸盐 、磷酸盐等含氧酸盐组成。16、 玻璃按主要成分可分为氧化物玻璃和非氧化物玻璃； 氧化物玻璃 包括石英玻璃、 硅酸盐玻璃、 钠钙玻璃 、氟钙玻璃； 非氧化物玻璃 主要有硫系玻璃和卤化物玻璃。17、 半导体可分为元素半导体、 化合物半导体 和 固溶体半导体 ；按价电子数可分为 n-型 和 p-型 。18、 聚合物通常是由许多简单的 结构单元 通过 共价键 重复连接而成。合成聚合物的化合物称为 单体 ，一种这样化合物聚合形成的成为 均聚物 ，两种以上称 共聚物 。19、 聚合的实施方法可分为本体聚合、 溶液聚合 、 悬浮聚合 和乳液聚合。20、 具有导电性的聚合物主要有： 共轭体系的聚合物 、 电荷转移络合物 、金属有机螯合物和高分子电解质。21、 复合材料按基体可分为 聚合物基复合材料 、 金属基复合材料 和无机非金属复合材料。22、 纳米材料的独特效应包括小尺寸效应、 表面效应 、 量子尺寸效应 和宏观量子效应。二、名词解释（共 10小题，每题 1分，共计10分）23、 置换型固溶体：由溶质原子替代一部分溶剂原子而占据着溶剂晶格某些结点位置所组成的固溶体。24、 填隙型固溶体：溶质质点进入晶体中的间隙位置所形成的固溶体。25、 介电性：在电场作用下，材料表现出的对静电能的储蓄和损耗的性质。26、 居里温度：高于此温度铁电性消失。27、 相图：用几何的方式来描述处于平衡状态下物质的成分、相和外界条件相互关系的示意图。28、 合金：由两种或以上的金属非金属经过熔炼、烧结或其他方法组合而成并具有金属特性的物质。29、 阳离子聚合反应：以碳阳离子为反应活性中心进行的离子型聚合反应。30、 阴离子聚合反应：以阴离子为反应活性中心进行的离子型聚合反应。31、 复合材料：两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。32、 纳米材料：微观结构至少在一维方向上受纳米尺度调制的各种固体超细材料，或由它们作为基本单元构成的材料三、判断题（共10 小题，每题1 分，共计10分）33、 材料化学的特点是跨学科性和多样性。（）34、 在周期表中同周期从左到右电正性逐渐减小，同族由下到上逐渐减小。（）35、 在周期表中同周期从左到右原子半径逐渐减小，同族由下到上逐渐增大。（）36、 氢键的作用力强弱介于化学键与范德华力之间。（）37、 范德华键不具有方向性和饱和性，而离子键即有方向性又有饱和性。（）38、 一般晶体都有规则的几何外形和固定的熔点。（）39、 对于具有缺陷的晶体是不完美的，一般在制备材料上要避免。（）40、 以二氧化硅为主体的材料在酸性条件下是稳定存在的。（）41、 热性能与材料中原子的震动相关，一般表现为热传导、热膨胀和热辐射。（）42、 衡量材料介电性能的指标为介电损耗，其值越小绝缘性能越好。（）43、 含有共轭基团的材料一般为无色透明材料。（）44、 金属由于对所有光波吸收后又释放，所以呈现金属光泽。（）45、 埃灵罕姆图中位于G-T上方的氧化物可以使下方的元素氧化。（）46、 固态反应中颗粒尺寸越小、比表面积越大、反应速度越快。（）47、 在热力学上，非晶态是一种稳定的状态。（）48、 在铁碳合金中马氏体塑性最好而奥氏体硬度最高。（）49、 淬火处理可以减低合金的脆性提高韧性和切削性能。（）50、 水泥的标号越高硬化后的强度也越高。（）51、 目前产量最高用途最广泛的玻璃是有机玻璃。（）52、 玻璃钢和钢化玻璃是同一种物质。（）53、 陶瓷材料与玻璃材料的区别是：玻璃透明而陶瓷不透明。（）54、 塑料材料的玻璃化转变温度一般要比橡胶材料要高。（）55、 PVC一般有悬浮聚合与乳液聚合两种产品，其中悬浮聚合分子量分布窄（）56、 应用最广泛的复合材料是聚合物基复合材料。（）57、 金属的纳米颗粒对可见光具有较好的反光性，所有都有金属光泽。（）58、 纳米颗粒一般需要采用一定保护措施来防止团聚。（）二、 简答题（共2小题，每题 3 分，共计 6分）1、 晶体与非晶体的区别有哪些？ 答：晶体：原子或原子团、离子或分子在空按一定规律呈周期性地排列构成 长程有序非晶体：原子、分子或离子无规则地堆积在一起所形成 长程无序短程有序。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。2、 形成腐蚀电池必备的条件是什么？答：第一、要有电位差存在；第二、两极处于电解质溶液中；第三、不同电位的两部分金属之间要有导线连接或接触。3、 简述热力学第一、二、三定律？答：热力学第一定律就是能量守恒定律，在一个封闭系统里，所有种类的能量，形式可以转化，但既不能凭空产生，也不会凭空消失。热力学第二定律就是判断自发过程进行的方向和限度的定律，它有不同的表述方法：热量不可能自发地从低温物体传到高温物体；热量不可能从低温物体传到高温物体而不引起其他变化；不可能从单一热源取出热量使之全部转化为功而不发生其他变化。热力学第三定律指出绝对零度是不可能达到的。4、 化学气相沉积法的优缺点有那些？答：优点：（1）不存在沉积视线阴影，可以对复杂的三维工件进行沉积镀膜。（2）具有高的沉积速度，并可获得厚的涂层（有时厚度可达厘米级）；（3）大于99.9%之高密度镀层，有良好的真空密封性；（4）沉积的涂层对底材具有良好的附着性；（5）可在相当低的温度下镀上高熔点材料镀层；（6）可控制晶粒大小与微结构（7）CVD设备通常比PVD简单、经济。缺点：（1）反应需要挥发性化合物，不适用于一般可电镀的金属，因其缺少适合的反应物，如：锡、锌、金；（2）需可形成稳定固体化合物的化学反应，如：硼化物、氮化物及硅化物等；（3）因有剧毒物质的释放，腐蚀性的废气及沉积反应需适当控制，需要封闭系统；（4）某些反应物价格昂贵；（5）反应物的使用率低，反应常受到沉积反应平衡常数的限制。5、 溶胶-凝胶法的优缺点有哪些？答：优点：（1）由于溶胶凝胶法中所用的原料首先被分散到溶剂中而形成低粘度的溶液，因此，就可以在很短的时间内获得分子水平的均匀性，在形成凝胶时，反应物之间很可能是在分子水平上被均匀地混合。（2）由于经过溶液反应步骤，那么就很容易均匀定量地掺入一些微量元素，实现分子水平上的均匀掺杂；（3）与固相反应相比，化学反应将容易进行，而且仅需要较低的合成温度，一般认为溶胶一凝胶体系中组分的扩散在纳米范围内，而固相反应时组分扩散是在微米范围内，因此反应容易进行，温度较低。（4）选择合适的条件可以制备各种新型材料。缺点：（1）原料价格比较昂贵；（2）通常整个溶胶凝胶过程所需时间较长，常需要几天或儿几周。（3）凝胶中存在大量微孔，在干燥过程中又将会逸出许多气体及有机物，并产生收缩。6、 简述陶与瓷的区别？答：陶器的吸水性一般大于3而瓷器一般不大于3；陶器不透光而瓷器透光；陶器胎体未玻化或玻化程度差、断面粗糙而瓷器玻化程度高、结构致密、细腻，断面呈石状或贝壳状；陶器敲击声沉浊而瓷器