石德珂材料科学简答题

材料科学基础简答题第一章 材料结构的基本知识1、说明结构转变的热力学条件与动力学条件的意义。答：结构转变的热力学条件决定转变是否可行，是结构转变的推动力，是转变的必要条件；动力学条件 决定转变速度的大小，反映转变过程中阻力的大小。2、说明稳态结构与亚稳态结构之间的关系。答：稳态结构与亚稳态结构之间的关系：两种状态都是物质存在的状态，材料得到的结构是稳态或亚稳 态，取决于转交过程的推动力和阻力（即热力学条件和动力学条件），阻力小时得到稳态结构，阻力很大 时则得到亚稳态结构。稳态结构能量最低，热力学上最稳定，亚稳态结构能量高，热力学上不稳定，但 向稳定结构转变速度慢，能保持相对稳定甚至长期存在。但在一定条件下，亚稳态结构向稳态结构转变3、说明离子键、共价键、分子键和金属键的特点。答：离子键、共价键、分子键和金属键都是指固体中原子（离子或分子）间结合方式或作用力。离子键 是由电离能很小、易失去电子的金属原子与电子亲合能大的非金属原于相互作用时，产生电子得失而形 成的离子固体的结合方式。共价键是由相邻原子共有其价电子来获得稳态电子结构的结合方式。分子键是由分子（或原子）中电荷的极化现象所产生的弱引力结合的结合方式。当大量金属原子的价电子脱离所属原子而形成自由电子时，由金属的正离子与自由电子间的静电引 力使金属原子结合起来的方式为金属键。4、原子中的电子按照什么规律排列？ 答：原子核周围的电子按照四个量子数的规定从低能到高能依次排列在不同的量于状态下， 同一原子中电子的四个量子数不可能完全相等。第二章 材料的晶体结构1、在一个立方晶胞中确定6个表面面心位置的坐标。6个面心构成一个正八面体，指出这个八面体各个表 面的晶面指数、各个棱边和对角线的晶向指数。解 八面体中的晶面和晶向指数如图所示。图中A、B、C、D、E、F为立方晶胞中6个表面的面心，由它们构成的正八面体其表面和棱边两两互相平行。ABF面平行CDE面，其晶面指数为（111）；abe面平行cdf面，其晶面指数为（ill）；ADF面平行BCE面，其晶面指数为（ill）；ADE面平行BCF面，其晶面指数为（111）。棱边 AB / DC , AD / BC , BF / ED , AF / EC , EA / CF , EB / DF，其晶向指数分别为110， ll0, l0l，011， 0ll，101。对角线分别为DB, AC, EF，其晶向指数分别为100,010,001图 八面体中的晶面和晶向指数2、标出图2中ABCD面的晶面指数，并标出AB、BC、AC、BD线的晶向指数。 解：晶面指数：ABCD面在三个坐标轴上的截距分别为3/2a,3a,a,2l截距倒数比为3:3: 1 = 2:1:3 ABCD面的晶面指数为（213）4分晶向指数：AB的晶向指数：A、B两点的坐标为A （0, 0, 1）, B （0, 1,2/3）（以 a 为单位） 1 -则AB = （0,1, 3），化简即得AB的晶向指数031二（2）图同理：BC、AC、BD线的晶向指数分别为302, 111, 331。 各2分3、如图所示立方晶胞晶格常数为a , A0的长度为2/3a, BD的长度为1/2a, CF的长度为1/3a，标出图 中ABC面的晶面指数，并标出AB、BC、AC的晶向指数。解：ABC面的晶面指数：ABC面在x、y、z三个坐标轴上的截距分别为4, 2, 2/3, （1分）113截距倒数比为4:2:2 =1:2:6（1分） ABC面的晶面指数为（126）（1分）晶向指数：AB的晶向指数：A、B、C点的坐标为uuur 1AB = (1,0,三)6uur _1BC = (1,1, -) 6uuur1AC = (0,1, 3) 则AB的晶向指数601或601(1 分)BC的晶向指数661 或661(1分)AC的晶向指数031或031(1分)4、求图中所示立方晶胞中ABCD面的指数；并求该晶面与晶胞所交的四边形四条边和对角线的晶向 指数。解：晶面指数：ABCD面在三个坐标轴上的截距分别为2a,a,2a截距倒数比为2：1：2=1：2：1- ABCD面的晶面指数为(121)2分晶向指数：AB的晶向指数：A、B两点的坐标为A (1, 1/2, 0), B (0, 1,0)(以 a 为单位)1 则AB = 1/ + 2 j , AB的晶向指数2102分同理：BC、AC、BD线的晶向指数分别为012 , 101 , 111。各2分回答下列问题：(1) 在立方晶系的晶胞内画出具有下列密勒指数的晶面和晶向：(001 )与210, (111)与112, (110)与111, (132)与123, (322)与236(2) 在立方晶系的一个晶胞中画出(111)和(112)晶面,并写出两晶面交线的晶向指数。(3) 在立方晶系的一个晶胞中画出同时位于(101). (011)和(112)晶面上的111晶向。解：1、(011)110111面心立方结构和体心立方结构中有几种间隙，各有几个？ 答：面心立方结构包含4个正八面体间隙和8个正四面体间隙；体心立方结构包含6个正八面体间隙和12个正四面体间隙。（数目：每个2分，类型：每个1分）5、简述同素异构产生原因。 答：与该类原子的电子层结构的变化有关，即在不同的温度或压力下，通过参与键和的外层数分布状态 的改变，而引起原子间结合能以致点阵的形式发生改变，过渡族金属多型性倾向较大，与此结构中的s能 级和d能级十分接近有关性能：发生多型性转变，由于晶体点阵致密度不同，伴随热涨，6、在离子（陶瓷）晶体中正、负离子的堆积方式取决于哪些因素？ 答：（1）正、负离子的电荷大小晶体必须保持电的中性，即所有正离子的正电荷应等于所有负离子的 负电荷。 （2）正、负离子的相对大小由于正、负离子的外层电子形成闭合的壳层，因此可以把离 子看成具有一定半径的刚性圆球。在离子晶体中，一些原子失去其外层电子而成为正离子另一些则得到 外层电子而成为负离子。（答对（1）、（2）中的任一点5分）7、简要说明硅酸盐的几种结构单元的主要特点。答：第三章 高分子材料的结构1简要说明加聚反应和缩聚反应的区别？ 答：加聚反应是由不饱和的单体聚合成高分子的反应，其产物只有种高分子化合物。参加缩聚反应的 单体一般含有两种或两种以上能相互作用的官能团（两个或两个以上易断裂的共价键）的化合物，产物中 除一种高分子化合物外，还生成有小分子。如H20、HCl、NH3等。产物的组成与参加反应的任何一种单 体均不相同。从反应机理上看，加聚反应是不饱和分子中的双键或叁键发生的，实质还是加成反应。所 以，双键、叁键是发生加聚反应的内因。缩聚反应是通过单体中的官能团相互作用经缩合生成小分子， 同时又聚合成大分子的双线反应。发生缩聚反应的内因是相互能作用的官能团（或较活动的原子）。发生 加聚反应的单体不一定是一种物质，也可以是两种或两种以上。如丁苯橡胶就是由单体1，3丁二烯和 苯乙烯加聚而成，缩聚反应的单体不一定就是两种，也有一种的，如单糖缩聚成多糖、氨基酸缩聚成多 肽，也可以是两种以上的。2写出下列化合物的链节结构，并指出有无氢键，若有，是分子内还是分子间的？（1）聚氯乙烯；（2）聚乙烯醇；（3）尼龙-6；（4）涤纶；（5）纤维素答：（1） -CHCHCl-、分子间氢键2（2）-CH2CHOH-、 分子间氢键（3）-HN（CH） CO-、 分子间氢键5（4）分子间氢键（5）分子内和分子间都有氢键3聚合物的分子结构对主链的柔顺性有什么影响？答：主链结构对高分子链的柔顺性的影响（1）主链杂原子使柔性增大，其中按照SiO、co、CC键的 顺序柔性递减；（2）主链芳环使柔性下降；（3）共轭双键使柔性大为下降；（4）孤立双键使柔性大为增加。 当主链结构相同时，可根据侧基情况来比较或判断链柔性大小。侧基对高分子链的柔顺性的影响（1）侧基 极性越大柔性越小；（2）侧基对称取代会使柔性大大增加；（3）侧基不对称取代时的柔性会显著下降；（4） 一般来说，侧基体积较大，柔性下降。但柔性侧基随着侧基增长，柔性增加。4试解释下列实验现象：将一个砝码系于聚乙烯醇纤维的一端，把砝码和部分纤维浸入盛有沸水的烧杯 中。如果砝码悬浮在水中，则体系是稳定的；如果砝码挨着烧杯底部，则纤维被溶解了？ 答：当砝码悬在水中时，聚乙烯醇纤维被拉伸取向，耐热性提高，纤维不被溶解，如果砝码挨着烧杯的 底部，聚乙烯醇纤维未被拉伸取向，耐热性未提高，因此在沸水中溶解了。5高聚物主要有哪几种聚集态？什么样的聚集状态是高聚物独有的？ 答：高聚物的聚集态有：液态、高弹态、玻璃态、取向态、结晶态、液晶态。其中高弹态是高分子所特 有的。6提高高分子材料强度的方法有哪些？答：提高高分子材料强度的方法有：1改变高分子材料的结晶度，结晶度增加，则高分子材料的强度提高； 2改变侧基的性质，侧基体积越大、极性越大则高分子材料的强度提高； 3改变主链结构，主链刚性越大，则高分子材料的强度提高； 4共聚，与其他高强度高分子材料单体共聚，可提高高分子材料的强度；5. 拉拔强化，一些高分子材料在Tg温度附近冷拉，可提高其强度。7为什么聚乙烯容易结晶，而聚氯乙烯则难以结晶？为什么在热塑性塑料中完全结晶不大可能？ 答：因为聚乙烯高分子链结构简单、对称所以容易结晶，而聚氯乙烯分子的对称结构被打乱，而且CHCl 体积比ch2大，因此结晶能力下降。由于高聚物分子链很长，不能象小分子化合物那样可以实现整个分子 都进入“结晶区”而达到完全结晶。因此在热塑性塑料中完全结晶不太可能。8说明交联的作用，它如何改变聚合物的结构和性能？ 答：交联作用是分子链之间生成化学键，形成网状结构。线型聚合物经适度交联后，其力学强度、弹性、 尺寸稳定性、耐溶剂性等均有改善。第四章 晶体缺陷1、为什么位错没有平衡浓度？ 答：自由能分析：位错是由大量点缺陷串成线，混乱程度受到限制，熵的作用大减，主要考虑内能，位 错总是增加内能，位错越多，越不稳定，热力学要求位错越少越好，故位错没有平衡浓度。虽然热力学 不稳定，但因其呈网状分布，故力学上是稳定的。2、简述大角晶界特点；答：1.过渡层厚度仅23个原子直径；2.原子排列混乱；3.相对稀疏。3、简述物理吸附机理及特点。答：物理吸附是由范德华耳斯力作用而相互吸引的特点：任何固体对任何气体或其他原子都有这类吸附作用，（1、吸附无选择性、多层吸附），只是吸 附的程度随气体或其他原子的性质不同而有所差异。2、物理吸附的吸附热较小。4、某晶体中有一条柏氏矢量为a 001的位错线，位错线的一端露头于晶体表面，另一端与两条位错线相连接，其中一条的柏氏矢量为a/2111，求另一条位错线的柏氏矢量。答：根据柏氏矢量的守恒性，另一条位错的柏氏矢量为：a - a - a110- 2U1 = 2m5、在图4-52所示的晶体中，ABCD滑移面上有一个位错环，其柏氏矢量b平行于AC(1) 指出位错环各部分的位错类型。 (2)在图中表示出使位错环向外运动所需施加的切应力方向。(3) 该位错环运动出晶体后，晶体外形如何变化？答：(1)位错环和与AC平行的直线相切的部分为纯螺位错，位错环和与AC垂直的直线相切的部分为纯 刃位错，其余部分为混合位错，作图(2) 切应力与b平行，作用在晶体上下两面上。t Xb-多余原子面，作图(3) 沿b方向滑出一个柏氏矢量单位的距离第五章 材料的相结构及相图1、应用相律时须考虑哪些限制条件？解：(1)相律只适用于热力学平衡状态。平衡状态下各相的温度应相等(热量平衡)；各相的压力应相 等 (机械平衡)；每一组元在各相中的化学位必须相同(化学平衡)。2) 相律只能表示体系中组元和相的数目，不能指明组元或相的类型和含量。3) 相律不能预告反应动力学(速度)。4) 自由度的值不得小于零。2、影响固溶体的无序、有序和偏聚的主要因数是什么？答：溶质原子在溶剂品格中的分布状态，主要取决于因溶体中同类原子结合能与异类原子间结合能的相 对大小：当同类原子间结合能人于异类原子间结合能时溶质原子便倾向于聚集在一起，呈偏聚状念； 当同类原子间结合能小于异类原子结合能时，溶质原子便倾向于按一定规则有序排列。如果溶质原子的 有序分布只在短距离小范围内存在，称为短程有序；如果全部都达到有序状态，则称为长程有序。3、影响有序化的因数有哪些？答(1)、结合能小于零，必要条件，降低内能(2)、T: T0时,V0,(SS) VO,自旋反平行为基态，即反铁磁性排列系统能量最低；两个磁矩反平行 ij(SS) 0，自旋平行为基态，即铁磁性排列系统能量最低。两个磁矩平行 ij因此，交换作用有正负两种。正的交换作用使磁性电子的自旋磁矩互相平行，而负的交换作用使磁性电 子的自旋磁矩互相反平行，磁性电子的相互取向就取决于交换作用的性质。