材料化学课后题答案第三章

第三章 材料的性能 1.用固体能带理论说明什么是导体，半导体，绝缘体？ 答：固体的导电性能由其能带结构决定。

对一价金属（如Na ），价带是未满带，故能导电。

对二价金属（如Mg ），价带是满带，但禁带宽度为零，价带与较高的空带相交叠，满带中的电子能占据空带，因而也能导电。

绝缘体和半导体的能带结构相似，价带为满带，价带与空带间存在禁带。

禁带宽度较小时（0.1—3eV ）呈现半导体性质，禁带宽度较大（＞5eV ）则为绝缘体。

答案或者是： 满带：充满电子的能带 空带：部分充满或全空的能带 价带：价电子填充的能带 禁带：导带及满带之间的空隙 （其中，空带和价带是 导带） 导体：价带未满，或价带全满但禁带宽度为零，此时，电子能够很容易的实现价带与导带之间的跃迁。

半导体：价带全满，禁带宽度在0.1-3eV 之间，此时，电子可以通过吸收能量而实现跃迁。

绝缘体：价带全满，禁带宽度大于5eV ，此时，电子很难通过吸收能量而实现跃迁 2、 有一根长为5 m ，直径为3mm 的铝线，已知铝的弹性模量为70Gpa ，求在200N 的拉力作用下，此线的总长度。

= 5.002 m 3.试解释为何铝材不易生锈，而铁则较易生锈？ 答:锈蚀机理不同，前者为化学腐蚀，后者为电化学腐蚀
铝是一种较活泼的金属，但因为在空气中能很快生成致密的氧化铝薄膜，所以在空气中是非常稳定的。

铁与空气中的水蒸气，酸性气体接触，与自身的氧化物之间形成了腐蚀电池，遭到了电化学腐蚀，所以容易生锈。

4.为什么碱式滴定管不采用玻璃活塞？
答：因为普通的无机玻璃主要含二氧化硅，二氧化硅是一种酸性的氧化物，在碱液中将会被溶解或侵蚀，其反应为：SiO2+2NaOH →Na2SiO3+H2O
5.何种结构的材料具有高硬度？如何提高金属材料的硬度？
答：由共价键结合的材料具有很高的硬度，这是因为共价键的强度较高。

无机非金属材料由离子键和共价键构成，这两种键的强度均较高，所以一般都有较高硬度，特别是当含有价态较高而半径较小的离子时，所形成的离子键强度较0/F A σ= (H E σε=00()/l l l
ε=-()/l l l ε=-
高(因静电引力较大)，故材料的硬度较高。

金属材料的硬度主要受金属晶体结构的影响，形成固溶体或合金时可显著提高材料的硬度。

6.什么是材料的疲劳？有哪些指标反应材料的疲劳性能？
答：疲劳是指材料在循环受力（拉伸，压缩，弯曲，剪切等）下，在某点或某些点产生局部的永久性损伤，并在一定循环次数后形成裂纹或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象。

高循环疲劳的裂纹形成阶段的疲劳性能常以S-N曲线表征，7、热膨胀受什么因素影响？试用势能图说明
热膨胀主要受到键强的影响，键强越强，热膨胀越弱。

此外，组织结构也对热膨胀有影响。

结构紧密的固体，膨胀系数大。

第三章材料的性能
1、用固体能带理论说明什么是导体、半导体、绝缘体？
答: 1）固体能带理论是关于晶体的量子理论，是研究固体中电子运动规律的一种近似理论。

其中，分子轨道理论认为，两原子间相应的原子轨道可以组合成相同数目的分子轨道。

在金属晶体中，金属原子靠得很近，可以通过原子轨道组合成分子轨道，以使能量降低。

金属晶体中通常包含数目极多的原子，这些原子轨道可组成极多的分子轨道，随着数量的增多，各相邻分子轨道实际上连成一片，构成了具有一定能量宽度的能带。

2）固体通常含有不同的能带。

已充满电子的能带叫满带，其中的电子无法自由流动、跃迁。

在此之上，能量较高的能带，可以
是部分充填电子或全空的能带，叫做空带，空带获得电子后可以参与导电过程，又叫导带。

价电子所填充的能带称为价带。

3）固体的导电性质由其能带结构决定。

导体的能带特点是价带是未满带，或价带是满带，而禁带宽度为零，价带与较高的空带相交叠，满带中的电子能占据空带，因此这两种情况都能导电。

半导体和绝缘体的能带结构相似，价带为满带，价带与空带间存在禁带。

当禁带宽度为0.1~3时，呈现半导体性质；禁带宽度大于5时则为绝缘体。

2、有一根长为5 ，直径3 的铝线，已知铝的弹性模量为70 ，求在200 的拉力作用下，此线的总长度。

5 , 3 . , 70 , 200 . 答：已知σ＝/0，ε＝(-0)0，σ＝ε，又已知0 = 5，0=π(0.0015)2, =70×109 , =200,将以上数据代入，可得=5.002米。

所以，在200的拉力作用下，此线的总长度为5.002米。

: , σ＝/0，ε＝(-0)0，σ＝ε, 0 = 5，0=π(0.0015)2, =70×109, =200. , = 5.002 . , 5.002 200 .
3、试解释为何铝材不易生锈，而铁则较易生锈。

, .
答:铝材在常温下会在其表面形成一层致密而稳定的23薄膜，会有效的保护铝材而不易生锈。

而铁的化学性质很活泼，在空气中形成的铁的氧化物也不是很稳定，容易与环境中的水、2、2等发生反应，形成氧化铁、氢氧化铁与碱式碳酸铁等，从而使铁生锈。

4、为什么碱式滴定管不采用玻璃活塞？?
答：因为玻璃的主要成分是2，它是一种酸性的氧化物，容易与碱发生反应从而使玻璃被溶解或侵蚀。

所以碱式滴定管不采用玻璃活塞，可以避免使用玻璃活塞时而被粘结在一起而影响使用。

5、何种结构的材料具有高硬度？如何提高金属材料的硬度? ? ?
答：共价键和离子键的强度较高，由这两种键合形成的材料通常具有较高的硬度，如金刚石。

由金属键结合构成的金属材料通常也具有一定的硬度，其硬度主要受金属晶体结构的影响，形成固溶体或合金时可显著提高其硬度。

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6、什么是材料的疲劳？有哪些指标反应材料的疲劳性能？? ’ ?
答：疲劳是指材料在循环受力（拉伸、压缩、剪切、弯曲等）下，在某点或某些
点产生局部的永久性损伤，并在一定循环次数后形成裂纹或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象。

疲劳强度、疲劳极限、抗拉强度这三个因素可以反应材料的疲劳性能。

7、热膨胀受什么因素的影响？试用势能图进行解释。

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答：热膨胀受组成材料的原子键合性质、材料的组织结构的影响。

1）原子间的键合力越强，其势能阱越深。

当能量增加Δ时，原子间的平衡距离增加Δ。

对于较强键来说，其Δ较小，热膨胀系数较小；而对于较弱键来说，其Δ较大，热膨胀系数较大。

2）结构紧密的固体，膨胀系数大；结构疏松，内部空隙较多，温度升高时，原子振幅增大，原子间距离增加时，部分被结构内部空隙所容纳，宏观膨胀就小。

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8、压电体有什么用途？?
答：压电性是指对材料施加压力，导致极化发生改变，从而在样品两侧产生小电压的现象，相应的材料称为压电体。

1）压电体可以把应力转换为容易测量的电压值，可用于制造压力传感器。

2）对压电体两侧施加电压，可引起其尺寸的变化，这种现象成为电致伸缩（又叫逆压电效应）。

如果对压电薄膜施加交变电流，则薄膜产生振动而发出声音，利用这种现象可制作音频发声器件，如扬声器、耳机、蜂鸣器。

9、简述软磁材料和硬磁材料的磁化曲线特征及这两种材料的用途。

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答：1）软磁材料在较弱的磁场下，易磁化也易退磁，在磁滞回线上表现为较小的矫顽力，磁滞回线呈狭长形，所包面积很小，磁滞损耗低。

例如铁氧体、铁氧体均属于软磁材料。

软磁材料晶体结构一般都是立方晶系尖晶石型，主要用作各
种电感元件，例如滤波器、变压器、天线的磁性、录音的磁带、录像的磁头，以及各种交流线圈的铁芯。

2）硬磁材料的剩余磁化强度和矫顽力均很大，在磁化后不易退磁而能长期保留磁性，又称为永磁材料，适用于作永久磁铁。

硬磁铁氧体的晶体结构大多是六角（又称六方）晶系磁铅石型，其典型代表是钡铁氧体1219。

可用作电讯器件，如录音器、电话机及各种仪表的磁铁，在医学、生物和印刷显示等方面也得到了应用。