材料制备技术考试及答案

1．简述鲍林离子晶体结构的规则。

①围绕每一阳离子，形成一个阴离子配位多面体，阴、阳离子的间距决定于它们的半径之和，而阳离子的配位数取决于它们的半径之比。

②静电价规则。

在一个稳定的晶体结构中，从所有相邻接的阳离子到达一个阴离子的静电键的总强度，等于阴离于的电价数。

对于一个规则的配位多面体面言，中心阳离子到达每一配位阴离子的静电键强度S，等于该阳离子的电荷数Z除以它的配位数n，即S＝Z／n。

③在配位结构中，两个阴离子多面体以共棱，特别是共面方式存在时，结构的稳定性便降低。

对于电价高而配位数小的阳离子此效应更显著；当阴、阳离子的半径比接近于该配位多面体稳定的下限值时，此效应更为显著。

④在一个含有不同阳离子的晶体中，电价高而配位数小的那些阳离子，不趋向于相互共有配位多面体的要素。

⑤在一个晶体中，本质不同的结构组元的种类，倾向于为数最少。

这一规则也称为节省规则。

2．解释类质同像并指出发生类质同像的必备条件。

类质同像是指在晶体结构中部分质点为其他质点所代换，晶格常数变化不大，晶体结构保持不变的现象。

如果相互代换的质点可以成任意的比例，称为完全的类质同像。

如果相互代换只局限于一个有限的范围内，则称为不完全类质同像。

当相互代换的质点电价相同时称为等价类质同像，如果相互代换的质点电价不同，则称为异价类质同像，此时，必须有电价补偿，以维持电价的平衡。

类质同像的形成，必须具备下列条件：①质点大小相近。

相互代替的原子(离子)有近似的半径如以r1和r2表示相互代换的原于(离子)半径。

根据经验数据：(r1-r2 )/r2＜15％，完全类质同像；(r1-r2 )/r2 =15％～25％，一般为有限的代换，在高温的条件下完全类质同像；(r1-r2 )/r2=25％～40％，在高温条件下形成有限的代换，低温条件下不能形成类质同像。

②电价总和平衡。

在离子化合物中，类质同像代换前后，离子电价总和应保持平衡。

③相似的化学键性。

类质同像的置换受到化学键性的限制，离子类型不同，惰性气体型离子易形成离子键，而铜型离子趋向于共价结合，这两种不同类型的离子之间，不易形成类质同像代换。

④热力学条件：除考虑决定类质同像的内因外，还要考虑外部条件的影响。

温度升高类质同像代换的程度增大，温度下降则类质同像代换减弱。

组分的浓度对类质同像也会产生影响。

3．缺陷反应表示方法和缺陷反应方程式的基本原则目前采用国际上通用的克罗格—文克(Kroger-Vink)符号。

①在Kroger-Vink符号系统中，用一个主要符号来表示缺陷的名称，具体符号是：空位缺陷用V，杂质缺陷则用该杂质的元素符号表示，异类杂质用F，电子缺陷用e表示；空穴(电子空缺)用h 表示。

②缺陷符号右下角的符号是标志缺陷在晶体中所占的位置：用被取代的原子的元素符号表示的缺陷是处于该原子所在的点阵格位上；用字母i表示的缺陷是处于晶格点阵的间隙位置。

③在缺陷符号的右上角标明缺陷所带有效电荷的符号：“×”表示缺陷是中性，“．”表示缺陷带有正电荷，“′”表示缺陷带有负电荷。

一个缺陷总共带有几个单位的电荷，则用几个这样的符号。

基本原则①质量平衡：缺陷反应方程式两边的物质的质量应保持平衡。

②位置关系：MaXb中，M位置的数目必须永远与X位置的数目成比例。

③位置增殖：当缺陷发生变化时，有可能引入M空位VM，也可能把VM消除。

引入或消除空位时，相当于增加或减少M格点数，但这种变化要服从格点数比例关系。

④电中性。

在缺陷反应前后，晶体必须保持电中性，即缺陷反应方程式两边的有效电荷应该相同。

⑤表面位置：肖特基缺陷中，原子迁移到晶体表面，在晶体内部留下空位，同时增加了晶格点阵结点的位置数目。

4．简述高温固相反应特点和机理。

(1)由扩散基本理论已知，即使在较低温度下，固体中质点也可能扩散迁移，并随温度升高扩散速度以指数规律增长。

因此，固态物质间可以直接进行反应。

在多数情况下，固相反应总是发生在两种组分界面上的非均相反应。

对于粒状物料，反应首先是通过颗粒间的接触点或面进行，随后是反应物通过产物层进行扩散迁移，使反应得以继续。

因此参与反应的固相相互接触是反应物间发生化学作用和物质输送的先决条件，固相反应一般包括相界面上的反应和物质迁移两个过程。

(2)在低温情况下，固体的化学性质一般是不活泼，因而，固相反应通常在高温下进行。

固相反应开始温度通常远低于反应物的熔点或系统的低共熔点，通常相当于一种反应物开始呈现明显扩散作用的温度，这个温度称为泰曼温度或烧结开始温度。

对于不同物质的泰曼温度与其熔点Tm间存在一定的关系。

例如，对于金属为0.3-0.4Tm；盐类和硅酸盐则分别为0.5-0.7Tm和0.8-0.9Tm。

5. 什么是模板法，分为几种，各自特点。

模板法是合成结构型复合材料的一种重要方法。

以主体构型去控制，影响和修饰所得客体的尺寸、形貌和性质等因素的方法。

模板法根据模板自身的特点和局限性的不同可以分为“硬模板法”和“软模板法”软模板：以分子间或分子内的弱相互作用维系特异形状的模板，主要指分子自组装体。

硬模板：则是指以共价键维系特异形状的模板6. 超声效应、超声空化机制、超声波的特点超声波在传播过程中与媒质相互作用，相位和幅度发生变化，可以使媒质的状态、组成、结构、功能和性质等发生变化。

这类变化称之为超声效应。

空化机制，超声波是一种高频机械波，具有能量集中、穿透力强等特点。

超声波由一系列疏密相间的纵波构成，并通过液体介质向四周传播。

当声能足够高时，在疏松的半周期内，液相分子间的吸引力被打破，形成空化核。

空化核的寿命约为0.1μs，它在爆炸的瞬间可以产生大约 4000-6000 K 和100MPa的局部高温高压环境，并产生速度约110m/s具有强烈冲击力的微射流，这种现象称为超声空化。

特点：超声波在介质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律，与(可闻)声波的规律并没有本质上的区别。

但是超声波的波长很短，只有几厘米，甚至千分之几毫米。

与(可闻)声波比较，超声波具有许多奇异特性：1、超声波的波长很短，通常的障碍物的尺寸要比超声波的波长大好多倍，因此超声波的衍射本领很差，但它在均匀介质中能够定向直线传播，超声波的波长越短，这一特性就越显著。

因此，超声波在传播时，方向性强，能量易于集中。

2、超声波能在各种不同介质中传播，可传播足够远的距离。

3、超声与传声介质的相互作用适中，易于携带有关传声介质状态的信息（诊断或对传声介质产生效应）。

超声波是一种波动形式，它可以作为探测与负载信息的载体或媒介（如B超等用作诊断）；超声波同时又是一种能量形式，当其强度超过一定值时，它就可以通过与传播超声波的介质发生相互作用，影响、改变以致破坏后者的状态、性质及结构（用作治疗）。

7. 微波的特性、微波加热的特点、微波加热原理。

微波特性：a) 似光性。

微波波长非常小，当微波照射到某些物体上时，将产生显著的反射和折射，就和光线的反、折射一样;b) 穿透性。

微波照射于介质物体时，能够深入该物体内部的特性称为穿透性;c) 信息性。

微波波段的信息容量非常巨大，即使是很小的相对带宽，其可用的频带也是很宽的，可达数百甚至上千兆赫;d) 非电离性。

微波的量子能量不够大，因而不会改变物质分子的内部结构或破坏其分子的化学键，所以微波和物体之间的作用是非电离的。

e)选择性加热。

物质吸收微波的能力，主要由其介质损耗因数来决定。

介质损耗因数大的物质对微波的吸收能力就强，相反，介质损耗因数小的物质吸收微波的能力也弱。

由于各物质的损耗因数存在差异，微波加热就表现出选择性加热的特点。

物质不同，产生的热效果也不同。

微波加热特点：a) 快速加热。

微波能以光速(3×109m/s)在物体中传播，瞬间(约10­9秒以内)就能把微波能转换为物质的热能，并将热能渗透到被加热物质中，无需热传导过程。

b) 快速响应能力。

能快速启动、停止及调整输出功率，操作简单。

c) 加热均匀。

里外同时加热。

d) 选择性加热。

介质损耗大的，加热后温度高，反之亦然。

e) 加热效率高。

由于被加热物自身发热，加热没有热传导过程，因此周围的空气及加热箱没有热损耗。

f) 加热渗透力强。

透热深度和波长处于同一数量级，可达几厘米到十几厘米，而传统加热为表面加热，渗透深度仅为微米数量级。

g) 安全无害。

由于微波能是控制在金属制成的加热室内和波导管中工作，所以微波泄漏极少，没有放射线危害及有害气体排放，不产生余热和粉尘污染，既不污染食物，也不污染环境。

微波加热原理：1.“内加热”微波靠介质的偶极子转向极化和界面极化在微波场中的介电耗损而引起的体内加热。

通俗地说, 是极性介质在微波场作用下随其高速旋转而产生相当于“分子搅拌”的运动, 从而被均匀快速地加热, 此即“内加热”2. 非热效应”微波加速有机反应的原理，传统的观点认为是对极性有机物的选择性加热，是微波的致热效应。

极性分子由于分子内电荷分布不平衡，在微波场中能迅速吸收电磁波的能量，通过分子偶极作用以每秒 4.9×109 次的超高速振动，提高了分子的平均能量，使反应温度与速度急剧提高。

8. 微波对于不同物质的作用、选择合适的加热材料不同物质具有不同的微波特性，通常来说：金属反射微波；石英、特氟隆等是吸收微波的能力非常弱，这些物质能被微波穿透；在通常的反应物中，除非极性溶剂吸收微波的能力很弱以外，其余的溶剂、底物、催化剂等都具有不同吸收微波的能力。

溶剂通常可分为极性溶剂和非极性溶剂。

极性溶剂因为在分子结构上处于非平衡状态具有偶极距，在微波场的作用下产生来回旋转，分子和分子就容易发生碰撞，分子间的碰撞提高了反应体系的能量。

非极性分子就不会出现这种情况。

所以极性溶剂通常能很容易吸收微波，非极性溶剂却不容易吸收微波。

从这里我们也就可以理解不同极性的溶剂吸收微波的能力也是不一致。

离子溶液在微波场的环境中，阴阳离子也会发生来回迁移，并使得离子发生碰撞，提高反应体系能量。

选择合适的加热材料：即良导体、绝缘体、微波介质和磁性化合物四种材料。

9. 微波反应的影响因素。

从反应物体系看：我们通常可以改变的是溶剂，底物，催化剂，以及反应体系中各种物质的比例等。

从辅助条件看：搅拌强度，是否预搅拌，气体保护，气体添加等。

从微波反应看：反应的温度，反应的时间，微波的利用率。

为了安全，有些反应不能做,一般意义上在微波场作用下容易发生爆管的反应是不能做的。

（比如：反应是连锁反应；反应物/溶剂带有CN或者N基团；反应物/溶剂闪点低于40度。

）有些反应要特别小心（比如：反应是放热反应；反应产生气体）。