材料化学练习题答案

一、名词解释:材料：人类社会所能够接受的经济地制造有用器件的物质。

（可以用来制造有用的构件、器件或物品的物质。

）晶体：晶体是内部质点在三维空间呈周期性重复排列的固体。

（具有格子构造的固体）空间点阵：表示晶体结构中各类等同点排列规律的几何图形。

（表示晶体内部结构中质点重复规律的几何图形。

）晶向：空间点阵的结点可以看成是分列在一系列相互平行的直线上，这些直线系称为晶列，同一个格子可以形成方向不同的晶列，每一个晶列定义了一个方向，称为晶向。

晶面：空间点阵的结点可以从各个方向被划分为许多组平行且等距的平面点阵，这些平面点阵所处的平面称为晶面。

对称：是指物体相同部分作有规律的重复。

点群：晶体结构中所有点对称要素（对称面、对称中心、对称轴和旋转反演轴）的集合。

空间群：是指一个晶体结构中所有对称要素集合。

肖特基缺陷：正常格点上的质点，在热起伏过程中获得能量离开平衡位置迁移到晶体的表面，而在晶体内部正常格点上留下空位。

弗伦克尔缺陷：在晶格热振动时，一些能量较大的质点离开平衡位置后，进入到间隙位置，形成间隙质点，而在原来位置上形成空位。

置换固溶体：溶质原子替换溶剂原子的位置形成的固溶体。

间隙固溶体：溶质原子填入溶剂晶格间隙中形成的固溶体。

中间相：合金组元间相互作用所形成的一种晶格类型及性能均不同于任一组元的合金固相。

相律：相平衡体系中揭示相数P ，独立组分数C和自由度F之间关系的规律。

相图：表达多相体系的状态随温度、压力、组成等强度性质变化情况的图形。

二、填空题1、材料按化学组成，可分为（金属材料）、（无机非金属材料）、（有机高分子材料）、（复合材料）；根据材料的性能，可分为（结构材料）和（功能材料）。

2、物质的三态：气态、液态和固态，从宏观上来看，气体和液体表现为（流动性），固体表现出（固体性）。

液体在缓慢降温过程中形成（晶体），在急冷过程中形成（非晶体）。

3、晶体与非晶体的根本区别是：晶体具有（长程有序），而非晶体（长程无序、短程有序）。

4、实际晶体结构、基元和点阵的关系可概括为（晶体结构= 点阵+ 基元）；点阵是周期性重复的（方式），基元是周期性重复的（内容）。

5、晶向族是指晶体中（原子排列情况相同但空间位向不同）的一组晶向，可以用符号（<hkl > ）表示；立方晶系的四条体对角线构成的 8 个晶向构成了一个晶向族，可以表示为（<111> ）。

６、晶面族是指（晶面间距和晶面上原子的分布完全相同，只是空间位向不同）的一组晶面；同一晶面族中，不同晶面的指数的（数字）相同，只是（正负号）不同。

7、 晶体的对称要素中点对称要素种类有（对称面、对称中心、对称轴和旋转反演轴），含有平移操作的对称要素种类有__螺旋轴___ 、_滑移面 。

8、 晶族、晶系、点群、布拉菲格子、空间群的数目分别是 _3 、_7_ 、_32_ 、14_ 、_230_ 。

9、晶体中存在有 （8 ）种独立的宏观对称要素，分别为（ ）。

10、根据相应的对称性特征，可以把所有晶体的空间点阵划归为七类，即七大晶系，包括：（立方）、（六方）、（四方）、（三方）、（正交）、（三斜）和（ 单斜 ）。

11、晶体中的结构缺陷按尺寸范围可分为（点缺陷 ）、（线缺陷）、（面缺陷）、（体缺陷）12、晶体中的点缺陷按几何位置和成分可分为（空位）、（间隙质点）、（杂质原子），按形成原因可分为（本征缺陷或热缺陷）、（非本征缺陷或杂质缺陷）和（非化学计量比缺陷 ）。

13、书写缺陷反应方程式应遵循的基本原则（位置关系）、（质量平衡 ）（电中性）。

14、非整比化合物通常可分为（阴离子空位型）、（阳离子填隙型）、（阴离子填隙型）和（阳离子空位型）四种类型；其中（阴离子空位型）和（阳离子填隙型）属于n 型半导体，（阴离子填隙型）和（阳离子空位型）属于p 型半导体。

15、位错分为（刃位错）和（螺位错）。

16、位错是在滑移面上局部滑移区的边界，刃位错方向与滑移的方向（垂直），螺位错的方向与滑移的方向（平行）。

17、按溶质组元在固溶体中的溶解度，可分为（有限固溶体）和（无限固溶体）。

三、简答或计算：1、按材料的发展水平，简述材料发展的五个过程，这五个过程的关系如何？天然材料，烧炼材料，合成材料，可设计材料，智能材料。

五代材料并不是新旧交替的，而是长期并存，它们共同在各个领域发挥着不同的作用。

2、晶体有哪些宏观特征，并分别举例说明。

规则的几何外形（食盐、石英、明矾等分别具有立方体、六角柱体和八面体的几何外形），晶面角守恒，有固定的熔点，物理性质的各向异性（云母和方解石具有完好的解理性）。

3、简述晶体与非晶体间的转化特点。

4,6,4,3,2,1,,m i非晶态是一种亚稳态，所以非晶态固体有向晶态自发转化的趋势，但当温度不够高时，非晶态中的原子（离子）的运动幅度较小，同时晶核的形成和生长都比较困难，因此非晶态向晶态的转化就不易发生。

另外，非晶态向晶态的转化要经过一些中间步骤，且转变带有突变的特征，一般伴随有幅度不大的体积变化。

晶态向非晶态的转化：可以通过一些机械能，如材料表面的研磨和破碎、冲击波作用等，机械能的作用破坏警惕的长程有序。

4、画出一个面心立方格子，标出其中的 [111]、[121] 及 晶向。

6、晶体中可能存在的宏观对称要素和相应的对称操作有哪些？7、找出一个立方体具有的所有旋转轴。

具有3个互相垂直的4度旋转轴，4个3度轴（即体对角线），6个2度轴（即面对角线）。

]011[（另外还有：3个与4度轴垂直的对称面，6个与2度轴垂直的对称面，以及1个对称心。

）8、根据能带理论，简要说明金属、半导体、绝缘体的划分有何区别（可用画图辅助说明）？并说明金属镁之所以是金属而不是绝缘体或半导体的原因？金属：晶体的能带中存在不满带，表现出导电性。

有两种情况（如图）：一是没有足够的电子填充价带能级，形成不满带；另一种是价带与空带重叠，电子在没有排满价带之前，一部分电子就开始填充空带部分，因而形成不满带。

半导体：在波矢k落在布里渊区边缘时，会发生能级分裂，出现禁带，但是半导体材料的禁带宽度很小，一般小于2 eV，在热激发下部分低能级电子可以跃迁到高能级上，从而表现出导电性。

绝缘体：同样也出现禁带，只是它的禁带宽度要相对大些，一般的温度下，热激发不能够提供足够的能量使低能级上的电子跃迁到高能级上，因此不能表现出导电性。

金属镁如果仅仅从核外电子排布情况来看的话，1s、2s、2p、3s能级都被电子排满，应该为绝缘体或者半导体，但是金属镁的3s能带和3p能带发生部分重叠，从而使金属镁表现出导电性，为导体。

9、晶体的点缺陷中，两类典型的热缺陷是什么？各自有什么特点？肖特基缺陷，特点：离子晶体中的肖特基缺陷是等量的正离子空位和负离子空位成对出现。

弗伦克耳，特点：间隙质点与空位总是成对出现，正离子弗仑克尔缺陷和负离子弗仑克尔缺陷之间没有直接联系，离子晶体中的Frenkel 缺陷一般是正离子空位和间隙正离子。

10、在MgO 晶体中，肖特基缺陷的生成能为6ev ，计算在25℃和1600℃时热缺陷的浓度。

根据 ， 由题意 Us = 6ev ，k = 8.617×10－5 eV/KT 1= 25 + 273 = 298 K T 2 = 1600 + 273 = 1873K298K ： 1873K ：11、对某晶体的缺陷测定生成能为84K J/mol ，计算该晶体在1000K 和1500K 时的缺陷浓度。

解：根据热缺陷浓度公式：)2exp(kTU N n -= 由题意 U = 84 KJ/mol = 84000J/mol (1 eV = 1.602 ×10-19J) 则 )2exp(RTU N n -= 其中R = 8.314 J/mol ·K当T 1=1000K 时，3104.6)1000314.8284000exp()2exp(-⨯=⨯⨯-=-=RT U N n 当T 2=1500K 时，21045.3)1500314.8284000exp()2exp(-⨯=⨯⨯-=-=RT U N n12、写出下列缺陷反应式：（1）NaCl 形成肖特基缺陷；（2）AgI 形成弗仑克尔缺陷（Ag +进入间隙）（3）Ca 2+置换KCl 中K +或进入到KCl 间隙中去。

(1) •+→Cl Na V V '0 (2) 'Ag i Ag V Ag Ag +→•(3) Ca 2+置换KCl 中K+缺陷反应式如下：Ca 2+进入到KCl 间隙中而形成点缺陷的反应式为： ⎪⎭⎫ ⎝⎛-=kT U N n 2ex p S 5151092.129810617.826ex p --⨯=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯⨯-=N n95108187310617.826ex p --⨯=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯⨯-=N n ClK K KCl2Cl 2V Ca CaCl +'+−−→−•Cl K i KCl 2Cl 2V 2Ca CaCl +'+−−→−••13、非化学计量氧化物TiO 2-x 的制备强烈依赖于氧分压和温度：（a ）试列出其缺陷反应式；（b ）求其缺陷浓度表达式。

解：非化学计量氧化物TiO 2-x ，其晶格缺陷属于负离子缺位而使金属离子过剩的类型。

（a ） 缺陷反应式为：↑+++=••2'221322O O V Ti TiO O O Ti ↑++=••2'212O e V O O O （b ）缺陷浓度表达式：6/12][-••∝O O P V14、非化学计量缺陷的浓度与周围气氛的性质、压力大小相关，如果增大周围氧气的分压，非化学计量化合物Fe 1-x O 及Zn 1+x O 的密度将发生怎样变化？为什么？材料的电导率发生怎样变化？为什么？解：（a ）非化学计量化合物Fe 1-x O ，是由于正离子空位，引起负离子过剩：O Fe Fe Fe O V Fe g O Fe ++→+•''22)(212 •++→h V O g O Fe O 2)(21''2 平衡常数 212''2]][][[O Fe O Ph V O K •= 电中性条件： ][][2''•=h V Fe由此可得 6/1''2][21][O Fe P h V ∝=• 即：铁空位的浓度和氧分压的1/6次方成正比，故当周围分压增大时，铁空位浓度增加，晶体质量减小，则Fe 1-x O 的密度也将减小。

Fe 1-x O 是空穴导电（p 型半导体），空穴的浓度和氧分压的1/6次方成正比，所以周围氧分压增大时，空穴浓度增加，材料导电率增大。

（b ）非化学计量化合物Zn 1+x O ，由于正离子填隙，使金属离子过剩：)(2122'g O e Zn ZnO i ++→•• 反应平衡常数： 2122]'][[O i P e Zn K ••=电中性条件： ][][2'e Zn i =••得 6/1'2][21][-••∝=O i P e Zn 即：间隙离子的浓度与氧分压的1/6次方成反比，故增大周围氧分压，间隙离子浓度减小，晶体质量减小，则Zn 1+x O 的密度也将减小。