材料化学习题课

材料化学知识要点与习题解答

第一章 绪论

1.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。）

或材料是具有满足指定工作条件下使用要求的形态和物理性状的物质。 2.材料化学：在分子结构层次上研究材料的合成、制备、理论，以及分子结构和聚集态结构、材料性能之间关系的科学。

3.智能材料：能够随着环境、时间的变化改变自己的性能或状态一类新型功能材料。

4.在先进材料、电子信息技术、生物技术三大未来高技术领域中，先进材料中的先进陶瓷和高分子基质材料将于今后25年内在世界上发挥重大作用，并可能是美国在国际生产和技术竞争中保持强力地位的关键技术领域。 5.在第四代材料（可设计材料）中，最具代表性的是复合材料。 6.按照材料的化学组成材料可以分为哪几类？

答：按照材料化学组成，可以分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料、复合材料。

7.按照材料的性能材料可以分为哪几类？

答：按照材料的性能，可以分为（结构材料）和（功能材料）。 8.材料的结构分为哪几个层次？请举例说明。

答：材料的有效性总体上可以分为分子结构、分子聚集态结构和构成材料的外形结构等三个层次。分子结构：属于原始基础结构，决定材料所具有的潜在功能；分子聚集态结构：决定材料所具有的可表现的实际功能；构成材料的外形结构：决定材料具有某种特定的有效功能。

例如贝克，贝壳的基本性质由构成它的碳酸钙和多糖基质（材料的分子结构）的结构决定，但二者通过有序组装（材料的聚集态结构）构成的复合材料决定了它的基本材料性质。而且只有当这种材料构成一定的壳状结构（材料的外形结构）时，它才能起到贝壳的作用。 9.何为材料科学研究的四要素？

答：材料科学研究的四要素是指材料的 “基本性质”、“结构与成分”、“合成与

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加工”、“使用性能”。基本性质：主要指材料的物理和化学性能等，用以确定材料功能特性和效用的描述；结构与成分：主要指材料的化学组成，物理和化学结构，用以确定制造每种特定材料所采取的合成和加工的结果；合成与加工：主要指建立原子、分子和分子团的新排列，在所有尺寸上（从原子 尺寸 到宏观尺寸）对结构的控制，以及高效而有竞争力地制造材料和零件的演变过程；使用性能：主要指材料固有性质同产品设计、工程能力和人类需求相融合要一起的一个要素。

10.简述材料发展的历史阶段及其主要特征。

答：材料的产生与发展经历了五个历史阶段：天然材料（第一代）（石器时代）、烧炼材料（第二代）（青铜器时代、.铁器时代、陶瓷时代）、合成材料（第三代）、可设计材料（第四代）和智能材料（第五代）。 11.对新一代材料的主要要求是什么？ 答：对新一代材料的主要要求有以下几点： （1）既是结构材料又具有多种功能的材料；

（2）具有感知、自我调节和反馈等能力的智能型材料； （3）制作和废弃过程中尽可能减少污染的绿色材料； （4）充分利用自然资源，能循环作用的可再生性材料； （5）少维修或不维修的长寿命材料。

第二章 晶体学基础

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1.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）

2.周期性：一定数量和种类的粒子（或粒子集团）在空间排列时，在一定的方向上，相隔一定的距离重复出现的现象。

3.点阵理论：用点阵的性质来探讨晶体的几何结构的理论。 4.点阵：反映结构周期性的几何形式。 5.平移群：反映结构周期性的代数形式。

6.晶轴系：晶胞中三个互不平行的棱构成的天然合理的空间坐标系。 7.正当点阵单位：对称性高含阵点数少的点阵单位。 8.理想晶体：按照点阵式的周期性在空间无限伸展的晶体。

9.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。）

10.晶向：空间点阵的结点可以看成是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，每个晶列定义了一个方向，称为晶向。

11.晶面：空间点阵的结点可以从各个方向被划分成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。

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

13.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臵后，进入到间隙位臵，形成间隙质点，而在原位臵上形成空穴。 14.单晶：基本上为一个空间点阵所贯穿的晶体。

15.孪晶：一块晶体由2个或几个单晶按不同取向结合而成。有时候把它也看作为单晶的一种。

16.多晶：多数微小晶体颗粒的聚集态。

17.同质多晶：同一化合物存在两种或两种以上不同的晶体结构形式。 18.类质同晶：在两个或多个化合物中，化学式相似，晶体结构型式相同，并能互相臵换。

19.对称：指物体中相同部分作有规律的重复。（或一个物体包含若干等同部分，

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对应部分相等）

20.对称操作：不改变图形中任意两点间距离而能使图形复原的操作。 21.对称元素：对称操作作据以进行的几何元素（点、线、面等）。

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

23.空间群：是指一个晶体结构中所有对称要素的聚合。

24.衍射：晶体中各原子散射的电磁波互相干涉、互相叠加，从而在某方向上得到加强的现象。

25.点缺陷可以分为：空位、杂质原子、错位原子、变价原子等四种类型。 26.晶体的对称要素中点对称要素的种类有：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：旋转轴、滑移面。

27.所有晶体结构的空间点阵可以分成十四种类型的空间格子，这14种空间格子称为布拉菲格子。

28.晶族、晶系、点阵、布拉菲格子、空间群的数目分别是：3、7、32、14、230。 29. 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、三斜和单斜等。

30.晶体中的结构缺陷按照尺寸范围分为：点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷。 31.位错是在滑移面上局部滑移区的边界，位错分为刃位错和螺位错，刃位错的方向与滑移的方向垂直，螺位错的方向与滑移的方向平行。

32.晶体中存在有8种独立的宏观对称要素，分别是：i，m，1，2，3，4，6，4 33.晶体中的缺陷按几何位臵和成分可分为：空间、间隙质点、杂质原子，按其形成的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缺陷。

34.点阵结构、结构基元和点阵的关系可以概括为 点阵结构=点阵+结构基元 。 35.点阵是周期性重复的方式 ，结构基元是周期性重复的内容 。

习题解答

1.晶体与非晶体的主要区别是什么？

答：晶体与非晶体的主要区别是：晶体具有长程有序，而非晶体（长程无序、短程有序）。

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2. 晶体有哪些宏观特征，请举例说明。

答：晶体有规则的几何外形（如食盐、石英、明矾等分别具有立方体、六角体和八面体的几何外形），晶面角守恒，有固定的熔点，物理性质各向异性（云母和方解石具有完好的解理性） 3.何为晶体结构的二要素？

答：晶体周期性结构的二要素是指：周期性重复的内容---结构基元和周期性重复的方式----周期的大小和方向 4.何为晶胞，晶胞的二要素？

答：晶胞：空间格子将晶体结构截成一个个大小、形状相等，包含等同内容的基本单位。晶胞的二要素：晶胞的大小和形状---相应点阵单位的基本向量的大小和方向；晶胞所含内容----晶胞内原子的种类、数量、位臵。 5.平面正当点阵单位有哪几种形状和哪几种型式？

答：平面点阵的正当单位有四种形状（正方、矩形、六方、平行四边）五种型式（正方、六方、简单矩形、带心矩形、平行四边形） ： 6.晶体为什么会产生缺陷？

答：晶体产生缺陷的原因主要有：（1）实际晶体中的微粒总是有限的；（2）存在着表面效应；（3）存在着表面效应；（4）粒子热运动；（5）存在着杂质。 7.为什么要研究晶体的缺陷？

答：晶体材料的导电、半导体、发色（色心）、发光、扩散、烧结、固相反应等都与晶体的缺陷有关。

8.简述晶体与非晶体间转化的特点。

答：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。

9.晶体的缺陷中，两类典型的缺陷是什么？各自有什么特点？

答：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。

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