材料物理题库-22

材料物理题库-22
名词解释：
配位数：一个原子具有的第一邻近（原子或离子）数。

费米能级：费米能级表示的是金属在绝对零度时的最高填充能级。

能带：许多原子
聚集，由许多分子轨道组成的近乎连续的能级带。

价带(Valence band)：价电子能级展
宽成的能带(可满可不满) 满带(Filled band)：添满电子的价带
空带(Empty band)：价电子能级以上的空能级展宽成的能带导带(Conduction band)：0 K时最低的可接受被激发电子的空带禁带(Band Gaps)：两分离能带间的能量间隔，又
称为能隙（ΔEg）
固溶体(Solid Solution)：杂质原子（或离子、分子）均匀分布（溶）于基质晶格中
的固体。

点缺陷(Point Defect)：任何方向尺寸都远小于晶体线度的缺陷区
线缺陷(位错Dislocation)：仅一维尺寸可与晶体线度比拟的缺陷一或数列原子发生
有规则的错排
弛豫：偏离了原平衡态或亚稳态的体系回复到原状态的过程. 相数 p：系统内性质相
同且均匀部分的种类数
独立组分数 C：平衡系统中各相组成的最少纯物质数，等于纯物质数减去独立化学反
应数。

自由度数 F：相平衡系统中可独立改变而不引起相变的变量数共晶：共晶是指凝
固时由一个液相同时生成两个不同的固相。

共析：即两种以上的固相新相，从同一固相母相中一起析出，而发生的相变。

包晶：在结晶过程先析出相进行到一定温度后新产生的固相大多包围在已有的旧固相周围生成。

表面张力 ? ：扩张表面时单位长度上所需要的力。

表面能：增加单位面积的表面所
需要做的功。

构象：高分子链由于单键内旋转形成的不同空间排列方式。

内聚能：1摩尔分子聚集在一起的总能量，或1摩尔液体蒸发，或1摩尔固体气化的总能量。

表面(Surface)：固
体与气体或液体的界面
取向：链段、大分子链、晶粒（取向单元）在外力作用下，沿一定方向排列
聚合物合金：两种或两种以上聚合物通过物理的或化学的方法共同混合而成的宏观上
均匀、连续的高分子材料。

IPN：互穿聚合物网络，是一种两相连续的共混聚合物，在这种共混物中，两种聚合
物网络相互贯穿，使得整个样品成为一个交织网络。

铁素体 ferrite: 碳溶解在α铁中的固溶体，C%≤0.02%（727℃），硬度和强度低，但塑性和韧性好。

奥氏体 austenite：碳溶解在?铁中的固溶体，C%≤2%（1148℃）塑性和可锻性好。

应力：单位面积上的内力，其值与外加的力相等.
拉伸强度：规定的温度、湿度和加载速度条件，标准试样上沿轴向施加拉伸力直到试
样被拉断为止，计算断裂前试样所承受的最大载荷F max 与试样截面积之比。

临界氧指数：能够维持稳定燃烧的最小氧浓度。

介电常数：征电介质在电场作用下极化程度的宏观物理量。

1、按照能级写出N，O，Si原子的电子排布。

N：1S22S22P3；O：1S22S22P4；Si：1S22S22P63S23P2 2、简述描述电子分布和运动
的四个量子数的物理意义。

（1）n , 第一量子数：决定体系的能量
（2）l , 第二量子数：决定体系角动量和电子几率分布的空间对称性（3）m
l , 第三量子数：决定体系角动量在磁场方向的分量（4）m s ，第四量子数：决定电
子自旋的方向 +1/2，-1/2
3、将离子键、共价键和金属键按有方向性和无方向性分类，简单说明理由。

方向性，即要按照一定的方向形成作用力。

共价键具有方向性，是原子间通过共用电子对（电子云重叠）所形成的，为实现共用
电子云的最大重叠，这种化学键必须具有方向性；离子键无方向性，离子在空间各个方
向上吸引异号电荷离子的能力是相同的，所以离子键没有方向性；
金属键无方向性，金属阳离子与电子之间的作用。

4、为什么金属、金属氧化物、无机化合物通常具有高的表面能，而有机物（包括高
聚物）表面能相对很低？
表面能是增加单位面积的表面所需要做的功。

扩张表面时要克服原有原子、分子或离
子之间的相互作用，故表面张力与物质原有的键合方式相关，作用力弱，做功小表面能低；作用力强，表面能高。

金属、金属氧化物、无机化合物的化学键为金属键、离子键、共价键，作用力强，表面能大；而高分子主要以范德华力、氢键为主，作用力弱，表面能低。

5、下表列出了几种材料的表面能数据，从表中可以发现什么规律，说明理由。

材料Cu Au NaCl Al2O3 PVC PTFE 表面能（J・m2）1.10~1.27 1.10 0.114 0.70 3.9×10-4 1.8×10-4 材料 NaPO2 FeO PS PA66 Zn Hg 表面能（J・m2）0.209 0.585 3.3×10-4
4.3×10-4 0.75 0.48 金属、金属氧化物、无机化合物通常具有高的表面能，而有机物
（包括高聚物）表面能相对很低。

表面能是增加单位面积的表面所需要做的功。

扩张表面
时要克服原有原子、分子或离子之间的相互作用，故表面张力与物质原有的键合方式相关，
作用力弱，做功小表面能低；作用力强，表面能高。

金属、金属氧化物、无机化合物的化
学键为金属键、离子键、共价键，作用力强，表面能大；而高分子主要以范德华力、氢键
为主，作用力弱，表面能低。

6、根据电子围绕原子的分布方式，可以将结合键分为基本
键合和派生键合两类，其中基本键合包括离子键合、共价键合、金属键合；派生
键合包括范德华键合、氢键键合。

7、简述离子键的特点。

① 电子束缚在离子中；
②正负离子吸引，达静电平衡；电场引力无方向性; ③构成三维整体――晶体结构；④在溶液中离解成离子。

8、简述金属键的特点。

① 由正离子排列成有序晶格；
② 各原子最 (及次)外层电子释放，在晶格中随机、自由、无规则运动，无方向性；
③ 原子最外壳层有空轨道或未配对电子，既容易得到电子，又容易失去电子；④ 价
电子不是紧密结合在离子芯上，键能低、具有范性形变。

9、简述共价键的特点。

两个原子共享最外壳电子的键合。

特点：
①两原子共享最外壳层电子对；
②两原子相应轨道上的电子各有一个，自旋方向必须相反；③有饱和性和方向性。

电子云最大重叠，一共价键仅两个电子。

10、电负性是表示原子吸引电子的能力，同一周期从左向右电负性增高，同一族从上
向下电负性降低。

两种元素电负性相差较大时，易成极性共价键；电负性相差很大易形成
离子键。

11、分之间作用力按原因和特性可分为三部分：取向力、诱导力和色散力。

12、下表是一些物质的键能和熔点数据，请据此比较不同结合键的键能大小并简单分析原因。

化学键 > 物理键（分子键）
化学键中: 共价键≈ 离子键 > 金属键共价键中: 叁键>双键>单键
氢键 > 范氏键
13、简述能带与材料的导电性的关系
导体：价带未填满；或满带与空带重叠。

绝缘体：满的价带与空的导带间的禁带宽，ΔEg＞5 eV 。

半导体：满的价带与空的导带间的禁带较小，ΔEg＜2 eV 。

14、导体、绝缘体和本征半导体的能带示意图
15画出肖特基缺陷和弗兰克尔缺陷的示意图
肖特基缺陷弗兰克尔缺陷
16、图是棱位错和螺旋位错的示意图，请指出（1）位错线；（2）滑移面
棱位错：滑移面必须是同时包含有位错线（EF）和滑移矢量（BB’）的平面。

位错线与滑移矢量互相垂直,它们构成平面只有一个。

螺旋位错: 螺型位错线(AD)与滑移矢量平行，纯螺型位错的滑移面不是唯一的(几何里,两个方向相互垂直才能确定一个面)。

凡是包含螺型位错线的平面都可以作为它的滑移面。

1. 17、下图是几种材料（气体、液体、固体晶体）的分布函数曲线，（1）分别标出曲线所属材料类别；（2）从固体晶体的分布函数曲线能得到哪些参数？配位数、原子间距
晶体液体
气体
18、图是NaCl中加CdCl2后钠离子扩散系数的变化，说明原因。

NaCl中加入高价的Cd2+后，会产生一定数量的空位。

在低温下，由于空位的存在促进了Na+的扩散，所以导致加Cd2+的比不加的扩散系数要高。

但在高温下，本征态的缺陷占优势，由Cd2+加入导致的空位对Na+的扩散系数的影响不明显。

19、述扩散的原因及晶体材料的扩散机制。

扩散的原因（1）原子不是静止的；（2）原子围绕其平衡位置进行小振幅的振动；（3）部分原子具有足够振幅，位置移动。

扩散机制：（1）空位扩散(Vacancy Diffusion)：一个原子与一个相邻空位交换位置多数金属和置换固溶体；（2）间隙扩散(Interstitial Diffusion)：间隙式固溶体；（3）直接交换机制：极难，很少发生。

20、plate of iron is exposed to a carburizing (carbon-rich) atmosphere on one side and a decarburizing (carbon-deficient) atmosphere on the other side at 700℃. If a condition of steady state is a chieved, calculate the diffusion flux of carbon through the plate if the concentrations of carbon at positions of 5 and 10 mm (5×10-3 and 10-2 m) beneath the carburizing surface are 1.2
and 0.8 kg/m3, respectively. Assume a diffusion coefficient of 3×10-11 m2/s at this temperature.
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