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材料化学 第二章 化学基础知识 一、 填空题 1. 热力学第三定律的具体表述为 纯物质完美晶体在 0K 时的熵值为零 ，数学表达式为 S*（ T） =0 J K-1。 2. 理想稀溶液存在依数性质，即溶剂的 蒸气压下降 、 凝固点降低 、 沸点升高 、 渗透压 的量 值 均与溶液中溶质的数量有关，而与溶质的种类无关。 3. 人们将存在于两相间厚度为几个分子大小的薄层称为界面层，简称界面，有 液 -气、固 - 气、固 -液、液 -液、固 -固 界面，通常把 固 -气界面及液 -气界面 称 为表面。 4. 表面张力一般随温度和压力的增加而 降低 。 5. 按照氧化态、还原态物质的状态不同，一般将电极分成 第一类电极（金属电极、气体电 极） 、 第二类电极（金属 -难溶盐电极、金属 -难溶氧化物电极） 、 氧化还原电极 三类。 6. 相律是描述相平衡系统中 自由度 、 组分数 、 相数 之间关系的法则。其有多种形式，其中 最基本的是吉布斯相律，其通式为 f=c-p+2。 二、 名词解释 1. 拉乌尔定律 气液平衡时 ,稀溶液中溶剂 A 在气相中的蒸气压 pA 等于同一温度下该纯溶剂的饱和 蒸气压与溶液中溶剂的摩尔分数 xA 的乘积 2. 基元反应 反应物生成 生成物的中间步骤反应称为基元反应 3. 稳态近似处理 假设中间物浓度不随时间变化 而改变 的处理方法 4. 相图 相图 (phase diagram)又称平衡状态图，是用几何 (图解 )的方式来描述处于平衡状态 下，物质的成分、相和外界条件相互关系的示意图 三、 简答题 1. 简述物理吸附与化学吸附的区别。 第三章 材料的制备 一、 填空题 1. 熔体生长法主要有 提拉法 、 坩埚下降法 、 区熔法 、 焰熔法 等。 2. 物理气体沉积法是利用 高温热源 将原料加热 ，使之汽化或形成 等离子体 ，在基体上冷却 凝聚成各种形态的材料（如晶须、薄膜、晶粒等）的方法。其中以 阴极溅射法 、 真空蒸 镀 较为常用。 3. PECVD 所采用的等离子种类有 辉光放电等离子体 、 射频等离子体 、 电弧等离子体 。 4. 固相反应按反应物状态不同为 纯固相反应 、 气固相反应 、 液固相反应 及 气液固相反应 ， 按反应机理不同 分 为 扩散控制过程 、 化学反应速度控制过程 、 晶核成核速率控制过程 和 升华控制过程 等 ， 按反应性质分为 为 氧化反应 、 还原反应 、 加成反应 、 置换反应 和 分解 反应 。 二、 名词解释 1. 水热法 水热法指在高压釜中，通过对反应体系加热、加压，产生相对高温、高压的反应环 境，使通常难溶或不溶的物质溶解而达到过饱和、进而析出晶体的方法 2. 高温溶液生长法 高温溶液生长法又称熔盐法，是采用液态金属或熔融无机化合物为溶剂，在高温下 把晶体原料溶解，形成均匀的饱和溶液，通过缓慢降温或其他方法析出晶体的技术 3. 离子镀 离子镀指蒸发物质的分子被电子碰撞电离后以离子形式沉积在固体表面的方法，是 真空蒸镀与阴极溅射技术的结合 4. 化学气相沉积 化学气相沉积法是指通过气相化学反应生成固态产物并沉积在固体表面的方法 三、 简答题： 1. 简述溶胶 -凝胶法的原理及优缺点 原理 ： 溶胶 -凝胶法一般以含高化学活性结构的化合物为前驱体，其主要反应步骤是先将前 驱体溶于溶剂中，形成均匀的溶液，并进行水解、缩合，在溶液中形成稳定的透明溶胶 体系，经陈化胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络结构，网络间充满了失去流动性的溶 剂，形成凝胶。 优点： （ 1） 由于溶胶 -凝胶法中所用的原料首先被分散到溶剂中形成低黏度的溶液，因 此可在很短的时间内获得分子水平的均匀性，在形成凝胶时，反应物之间 很可能是在分子水平上被均匀的混合 （ 2） 经过溶液反应步骤 ，很容易均匀的定量的 掺入 一些微量元素 ， 实现分子水 平上的均匀掺杂 （ 3） 一般认为溶胶凝胶 体系中组分的扩散在纳米范围内 ， 而固相反应时组分扩 散在微米范围内，因此化学反应较容易进行且所需温度较低 （ 4） 选择合适的条件可以制备各种新型材料 缺点 : (1) 所使用原料价格昂贵 , 有些原料为有机物 , 对健康有害 (2) 通常整个溶胶 -凝胶过程所需时间较长 , 常需要几天或几周 (3) 凝胶中存在大量微孔 , 在干燥过程中会逸出许多气体及有机物 , 并产生收缩 2. 简述自蔓延高温合成的技术类型 （ 1） SHS 制粉技术 反应物料 在一定的气氛中 燃烧 ，再粉碎、研磨燃烧产物，得到不同规格的粉末。 （ 2） SHS 烧结技术 通过固相反应烧结 ，制得一定形状和尺寸的产品 （ 3） SHS 致密化技术 致密化技术又分 SHS 加压法 ， SHS 挤压法 ， SHS 等静压 （ 4） SHS 熔铸 技术 通过选择 高放热性 反应物 形成超过产物熔点的 燃烧温度 ， 从而获得难熔物质的 液相产品 （ 5） SHS 焊接 技术 再待焊接两块材料之间填进 合适的燃烧反应原料，以一定的压力夹紧待焊材料， 待 中间原料的燃烧过程完成后，即可实现焊接 （ 6） SHS 涂层 技术 包括 SHS 熔铸涂层 ， SHS 助渗涂层 ， SHS 烧结涂层 ， 气相传输 SHS 涂层 ， SHS 喷 射沉积涂层 ，自反应涂层 第四章 材料的性能 一、 简答题 1. 什么是腐蚀电池，其形成应具备哪些基本条件？ 当两种金属材料在电解质溶液中构成原电池时，作为阳极的金属被会腐蚀。这种能 导致金属腐蚀的原电池为腐蚀电池。 形成腐蚀电池必须具备三个基本条件： （ 1）不同金属或同种金属的不同区域间有电位差存在，且电位差越大，腐蚀越剧 烈。较活泼金属的电位较低，成为阳极而遭受腐蚀；较不活泼金属电位较高，作为阴极 起传递电子的作用，不受腐蚀。 （ 2）两极材料共处于相连通的电解质溶液中。潮湿的空气因溶解了 SO2 等酸性气 体，构成电解质溶液。 （ 3）具有不同电位的金属之间必须有导线连接或直接接触。 2. 什么是材料的强度指标？这些指标各代表什么含义？ e 弹性极限、 s屈服强度 、 b 极限强度和 k断裂应力为材料的强度指标 在弹性变形阶段，弹性变形的最大值所对应的应力称为弹性极限 材料进入塑性变形阶段， 应力随应变增加而继续增大，但达到某一个值后反而下降， 该值为材料的屈服强度 当应力达到最大值 b 时， 试样的均匀变形中止，该值称为材料的极限 强度 k 称为材料的 断裂应力，表示材料对塑性变形的极限抗力 3. 什么是材料的疲劳 ？ 有哪些指标反应材料的疲劳性能 ？ 疲劳指材料在循环受力 (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。 疲劳性能就是材料抵抗疲劳破坏的能力，常以 S-N 曲线表征， S 为应力水平， N 为 疲劳寿命 。 经过无限多次循环应力作用而材料不发生断裂的最大应力，称为疲劳极限 4. 什么是热膨胀，其受什么因素影响 ？ 大多数物质的体积都随温度的升高而增大，这种现象称为热膨胀 材料的热膨胀性与材料中原子结合情况有关，结合键越强则原子间作用力越大，原 子离开平衡位置所需的能量越高，则热膨胀系数越小。结构紧密的晶体的热膨胀系数比 结构松散的非晶体的热膨胀系数大 5. 何谓压电效应，简述其产生原因 ？ 当对 某些物质 在一定方向上施加机械应力时，在其两端表面上会出现数量相等、符 号相反的束缚电荷；当作用力反向时，表面电荷电性也反号，而且在一定范围内电荷密 度与作用力成正比。反之， 某些物质 在一定方向的电场作用下，则会产生外形尺寸的变 化，在一定范围内，其形变与电场强度成正比。 前者称为正压电效应，后者称为逆压 电 效应，统称为压电效应 晶体的压电效应的本质是因为机械作用 (应力与应变 )引起了晶体介质的“极化”，从 而导致介质两端表面上出现符号相反的束缚电荷 第五章 金属材料 一、 填空题 1. 金属通常可分为 黑色金属 与 有色金属 两大类，前者包括铁、锰、铬及其合金，主要是铁 碳合金，常作为 结构材料 使用；有色金属通常指除 钢铁 之外的所有金属，常作为 功能材料 使 用。 2. 大多数金属单质采取的密堆积型式有 立方最紧密堆积 、 六方最紧密堆积 、 体心立方密堆 积 三种 3. 导电性 AlZn， CuFe 4. 根据 原子在溶剂晶格中占据的位置 不同，可将固溶体分为 置换固溶体 、 间隙固溶体 和 缺 位固溶体 三种。 二、 名词解释 1. 光电效应 许多金属在光的照射下能放出电子 , 其中在短波辐射照射下能放出电子的现象称为 光电效应 2. 合金 合金是指由两种或两种以上的金属元素（或金属元素与非金属元素）组成的具有金 属性质的物质 3. 固溶体 合金在固态下由不同组元相互溶解而形成的相称为固溶体 . 即在某一组元的晶格中 包含其它组元的原子 , 前一组员称为溶剂 , 其它组元称为溶质 . 4. 奥氏体 奥氏体是 碳在 Fe 中的 间隙 固溶体 , C 原子无序地分布在 Fe 原子所组成的八面体 空隙中 . 含碳约 0.8% 5. 马氏体 马氏体可看作 Fe 中含碳量可达 1.6%的过饱和固溶体 三、 简答题 1. 为何细晶粒金属的强度和塑性都比粗晶粒高。 晶粒细化后，晶界增多，而晶界上的原子排列不规则，杂质和缺陷多，能量较高， 阻碍位错的通过，即阻碍塑性变形，也就实现了高强度。 晶粒越细，在一定体积内的晶粒数目多，则在同样塑性变形量下，变形分散在更多 的晶粒内进行，变形较均匀，且每个晶粒中塞积的位错少，因应力集中引起的开裂机会 较少，有可能在断裂之前承受较大的变形量，既表现出较高的塑性。 2. 简述储氢合金的储氢原理。 在一定温度和压力下，许多金属、合金或金属间化合物与氢能生成金属氢化物。 金属、合金或金属间化合物与氢的反应是可逆过程，改变温度和压力条件可以使金 属氢化物释放出氢 第六章 无机非金属材料 一、 填空题 1. 典型的无机非金属材料的晶体结构有 AC 型 晶体 、 AX2型 晶体 、 A2X3型 晶体 、 ABO3型 晶 体 、 AB2O4型 晶体 以及 金刚石和石墨的晶体 等类型。 2. 普通陶瓷是用 粘土 、 长石 、 石英 等原料烧制而成。 二、 简答题 1. 无机非金属材料的结合键包括几类？由它们组成的材料性能有何区别？ 无机非金属材料中主要以 离子键、共价键和其混合键组成。 所以键的比例对性能具 有决定性作用 . 由于二者具有相对高的能量 , 其混合键的键能也较大 , 从而给无机非金 属带来熔点高、硬度高、脆性大、透明度高、导电性低的性质特点 2. 试 描述无机非金属材料的各种性能 。 热学性能 : 耐高温 , 膨胀系数对所观察晶轴方向上的各向异性有特别显著的依赖性 力学性能 : 硬度高 , 符合胡可定律 , 绝大多数呈现脆性 , 在适当条件下 , 也会存在可 延展性 电学性能 : 一般不具有自由电子 , 导电性较差 , 多为绝缘体 磁学性能 : 强磁性 , 高电阻 , 低松弛损失 光学性能 : 多样复杂 , 包括对光的折射 , 反射 , 吸收 , 散射和透射 , 以及受激辐射光 放大等特性 化学性能 : 多由氧化物构成 , 随着键合力的增加酸性越强 , 碱性越弱 . 第七章 高分子材料 一、 填空题 1. 常把生成高分子化合物的小分子原料 称为 单体 ，将 存在于聚合物分子中重复出现的原子 团 称为 结构单元 ，高聚物中结构单元的数目称为 聚合度 。 2. PP、 PB、 PS、 PVC 分别为 聚丙烯 、 聚丁二烯 、 聚苯乙烯 、 聚氯乙烯 的缩写。 3. 高分子的结构指单个高分子链的结构和形态 ，包括 近程结构 和 远程结构 。前者属于化学 结构 ， 又称 一级结构 ，包括高分子链中原子的种类和排列、取代基和端基的种类、结构 单元的排列顺序等后者指分子的尺寸、形态，链的柔顺性以及分子在环境中的构想，又 称 二级结构 。 4. 自由基型聚合反应主要包括链引发 、链增长、链终止等基元反应 。 5. 阴离子聚合机理的特点是 快引发 ， 慢增长 ， 无终止 。 6. 酚醛塑料 由酚醛树脂外加添加剂构成，是世界上最早实现工业化生产的塑料 ；产量最大 的合成橡胶是 丁苯橡胶 。 聚丙烯腈纤维 蓬松柔软 、轻盈、保暖性好，性能极似羊毛，固 有 “人造羊毛 ”之称。 二、 名词解释 1. 蠕变 蠕变是在应力保持恒定的情况下，应变随时间的延长而增加的现象 2. 应力松弛 应力松弛是在应变保持恒定的情况下，应力随时间延长而逐渐衰减的现象 3. 热塑性塑料 指在特定温度范围内具有可反复加热软化、冷却硬化特性的塑料品种 三、 简答题 1. 举例说明塑料的分类 塑料有不同的分类方法，具体如下 ： (1) 按加工条件下的流变性能分为： 热塑性塑料 ： 如聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯等。 热固性塑料 ： 如聚氨酯、环氧树脂、酚醛树脂等。 (2) 若按使用性能分类： 通用塑料 ： 如聚氯乙烯、聚乙烯等。 工程塑料： 如聚酰胺 (尼龙 )、聚甲醛、聚碳酸酯等。 特种塑料 具有某些特殊性能的塑料，如耐高温、耐腐蚀等。 2. 举例说明纤维的种类及其应用 纤维分为天然纤维与化学纤维两大类，而化学纤维又分为人造纤维和合成纤维两种。 合成纤维强度高、耐磨、保暖，不会发生霉烂，大量用于工业生产以及各种服装等， 其中聚酯纤维、尼龙、聚丙烯腈纤维被称为三大合成纤维，产量最大。 应用 : 聚酯纤维 用于电绝缘材料 , 运输带 , 帐篷 , 帘子线 尼龙 用于轮胎 , 帘子布 , 渔网 , 帆布等 聚丙烯腈纤维 用于窗布 , 帐篷 , 船帆 , 碳纤维 , 原材料 3. 简述连锁聚合和逐步聚合的特点 连锁聚合特征 ： a. 聚合过程一般由链引发、链增长、链终止三个基元反应组成，各个基元反应的反应速 率和活化能差别很大； b. 打开一个双键的 键需要供给 264KJ/mol 能量，形成两个 单键放出 348KJ/mol 能量， 因而是放热反应； c. 瞬间生成高分子，一旦活性中心生成，在极短的时间内，许多单体加成上去，生成高 分子量的聚合物； d.延长反应时间只能提高单体转化率，不能增加聚合物的分子量； e.单体只能与活性中心反应生成新的活性中心，单体之间不能反应，反应体系始终是由 单体、聚合产物和微量引发剂及含活性中心的增长链所组成； 逐步聚合特征 ： （ 1）聚合反应是通过单体功能基之间的反应逐步进行的； （ 2）每步反应的机理相同，因而反应速率和活化能大致相同； （ 3） 反应体系始终由单体和分子量递增的一系列中间产物组成，单体以及任何中间产 物两分子间都能发生反应； （ 4） 聚合产物的分子量是逐步增大的。 第八章 复合材料 一、 填空题 1 按基体材料不同 ， 复合材料可分为 聚合物基复合材料 、 金属基复合材料 、 无机非金属基 复合材料 等 。 2 按 增强形态不同 ，复合材料可分为 纤维增强复合材料 、 颗粒增强复合材料 、 板状增强体、 编织复合材料 。 3 复合材料的命名 以 相 为基础，方法是将增强相或分散相放在前， 基体相 放在后。再缀以 “复合材料” 。如有硼纤维和环氧树脂构成的复合材料 称为 硼 纤维环氧树脂复合材料 。 4 碳 /碳 复合材料是由 碳纤维 增强体与 碳 基体组成的复合材料，简称 碳基复合材料 。 5 环氧树脂 是聚合物基复合材料中最为重要的基体材料。以双酚 A 与环氧氯丙烷缩合而得 的 双酚 A 环氧 为主 ， 其分子量可以从几百至数千，常温下为黏稠液状或脆性固体。 二、 名词解释 1. 复合材料 复合材料是由两种或两种以上不同性能、形态的组分通过复合工艺而形成的多相材 料 2. 增强相 在复合材料中，凡是能提高基体材料性能的物质，均称为增强相 3. 聚酰胺 聚酰胺是一类具有许多重复酰氨基的线形聚合物的总称，通常称为尼龙 三、 简答题 1. 简述金属基体的选择材料 (1) 金属基复合材料的使用要求 这是选择金属基体材料最重要的依据，不同应用领域和工况条件对复合材料构件的 性能要求有很大的差异。 (2) 金属基复合材料的组成特点 在 连续纤维增强金属基复合材料中，基体的主要作用是充分发挥增强纤维的性能， 对于非连续增强金属基复合材料， 基体是主要承载物 (3) 基体金属与增强相的相容性 2. 简述复合材料中基体的主要作用 聚合物基体 材料中基体的作用主要有三种： 把纤维粘在一起； 分配纤维间的载荷； 保护纤维不受环境影响。制造基体的理想材料，其原始状态应该是低黏度的液 体，并能迅速变成坚固耐久的固体，足以把增强纤维粘住。 金属基体 : 固结增强相 , 传递和承受载荷的作用 3. 简述聚合物基复合材料的性能和特点 聚合物基复合材料应用广泛，大体上包括热固性聚合物与热塑性聚合物两类。 热固性聚合物通常为无定形结构，具有耐热性好、刚度大、尺寸稳定性好等优点。 热塑性聚合物基复合材料与热固性聚合物基复合材料相比，在力学性能、使用温度、 老化性能方面处于劣势，但具有加工工艺简单、周期短、成本低、密度小等优势。 聚合物基复合材料的性能与特点 包括： （ 1） 比强度 、比模量 大 （ 2） 耐疲劳性能好 （ 3） 减震性好 （ 4） 过载时安全性好 （ 5） 具有多种功能 第九章 纳米材料 一、 填空题 1. 纳米科技主要包括 纳米物理学 、 纳米化学 、 纳米材料学 、 纳米生物学 、 纳米 电子 学 、 纳 米加工学 、 纳米力学 七个相对独立又互相渗透的学科，及 纳米材料 、 纳米 器件 、 纳米尺 度的检测与表征 这三个研究领域。 2. 原子团簇 中最典型的是 富勒烯 ， 于 1985 年被发现，是继金刚石和石墨之后碳元素的第 三种晶体形态。 C60是最先发现的富勒烯，由 60 个碳原子构成，与足球拥有完全相同的 外型 。 3. 碳纳米管的电导率是 铜的 1 万 倍，强度是钢的 100 倍 ，而重量只有钢的 1/7。 它像金刚 石 一样硬 ，却有柔韧性，可以拉伸。它的 熔点 是已知材料中最高的 。 4. 纳米效应 包括 小尺寸效应 、 表面效应 、 量子尺寸效应 和 宏观量子隧道效应 。 5. 按照制备原理不同 ， 纳米材料的制备方法可分为 物理法 、 化学法 、 综合法 ；按照制备系 统的状态分类，分为 气相法 、 液相法 、 固相法 。 二、 名词解释 1. 原子团簇 是介于单个原子与固态块体之间的原子集合体，其尺寸一般小于 lnm，约含几个到 几百个原子 2. 蓝移现象 纳米微粒的吸收带移向短波方向的现象 3. 磁流体 磁流体也称磁性液体，是由磁性超细微粒包覆一层长链的有机表面活性剂，高度弥 散于基液中所形成的液体 三、 简答题 1. 什么是纳米材料？举例在日常生活中遇到的纳米材料。 处于纳米尺度的材料称为纳米材料或纳米结构材料。 如 纳米抗菌的冰箱、洗衣机，汽车润滑油， 电脑芯片 等 2. 简述纳米材料的分类方法，并举例说明。 纳米材料的种类繁多根据化学组成和结构不同，可分为纳米金属材料、纳米陶瓷材 料、纳米高分子材料和纳米复合材料 在纳米材料研究中，通常按维数不同，把纳米材料的基本单元分为零维、一维和二 维。 零维纳米材料指空间三维尺度均在纳米尺度范围，如纳米颗粒、原子团簇等； 一维纳米材料指空间中有两维处于纳米尺度，如纳米丝、纳米管、纳米棒等； 二维纳米材料指在三维空间中有一维在纳米尺度，如超薄膜、多层膜、超晶格等。 3. 何为自组装技术？有何特点？ 自组装技术是一种基于静电作用的制备超薄膜的方法，它和气相沉积、旋转涂布、 浸泡吸附等方 法的最大不同是其制备的超薄膜是高度有序和方向性。 其特点是方法简单、无需特殊装置，采用水为溶剂，具有沉积过程和膜结构分子级 可控制的优点。 4. 为何超微颗粒的熔点会下降？举例说明。 超微颗粒 的表面能 高 、比表面原子数多，活性大 且 体积远小于大块材料，因此 超微 颗粒融化时所需增加的内能 小得多，使得超微颗粒熔点急剧下降。