无机材料科学基础教程第二版答案

第一章 晶体几何基础

1-1 解释概念：

等同点：晶体结构中，在同一取向上几何环境和物质环境皆相同的点。 空间点阵：概括地表示晶体结构中等同点排列规律的几何图形。 结点：空间点阵中的点称为结点。

晶体：内部质点在三维空间呈周期性重复排列的固体。 对称：物体相同部分作有规律的重复。

对称型：晶体结构中所有点对称要素（对称面、对称中心、对称轴和旋转反伸轴）的集合为 对称型，也称点群。

晶类：将对称型相同的晶体归为一类，称为晶类。

晶体定向：为了用数字表示晶体中点、线、面的相对位置，在晶体中引入一个坐标系统的过程。

空间群：是指一个晶体结构中所有对称要素的集合。

布拉菲格子：是指法国学者A.布拉菲根据晶体结构的最高点群和平移群对称及空间格子的平行六面体原则，将所有晶体结构的空间点阵划分成14种类型的空间格子。 晶胞：能够反应晶体结构特征的最小单位。

晶胞参数：表示晶胞的形状和大小的6个参数（a、b、c、α 、β、γ ）.

1-2 晶体结构的两个基本特征是什么？哪种几何图形可表示晶体的基本特征？ 解答：⑴晶体结构的基本特征：

① 晶体是内部质点在三维空间作周期性重复排列的固体。 ② 晶体的内部质点呈对称分布，即晶体具有对称性。

⑵14种布

第二章 晶体结构与晶体中的缺陷

§2-1 典型结构类型一、金刚石结构金刚石晶体结构为立方晶系Fd3m,立方面心格子，碳原子位 于所有立方面心的结点和1/2的8个小立方体中心，a0=0.356nm 每个碳周围都有4个碳，碳原子之间形成共价键。

(001)面投影图 晶胞图 性质：硬度最高，导热性极好，半导体性能。 应用：高硬度切割材料、磨料、钻头；集成电路中的散热片；高温半导 体材料。 2 类似材料:Si、Ge、灰Sn和立方BN。

晶体结构中可能出现的微观对称要素类型 名称 国际符号

平移轴 平移格子 P、C、I、F 轴对称 要素 面对称 要素 对称轴 倒转轴 螺旋轴 对称面 像移面 1(=平移格子)、2、3、4、6 1 (=对称中心)、 (=m)、=(3+ )、 、 (=3+m) 2 1 4 6 321、31、32、41、42、43、61、62、63、64、65

m a、b、c、n、d

二、石墨结构

C原子的四个外层电子，在层内 形成三个共价键，多余的一个 电子可以在层内部移动，类似 于金属中的自由电子

结构： 立方晶系AB型， P63/mmc,a0=0.146nm, c0=0.670nm,每个碳周围都有3个 碳，碳原子成层排列。层内的碳原子之 间为

一、名词解释（20分）：

1. 不一致熔融化合物，连线规则

答： 不一致熔化合物是一种不稳定的化合物，加热到一定温度会发生分解，分解产物是一种液相和一种固相，液相和固相的组成与化合物组成都不相同。（2.5分）

连线规则：将一界线（或其延长线）与相应的连线（或其延长线）相交，其交点是该界线上的温度最高点。（2.5分） 2. 非本征扩散，稳定扩散 非本征扩散：受固溶引入的杂质离子的电价和浓度等外界因素所控制的扩散。或由不等价杂质离子取代造成晶格空位，由此而引起的质点迁移。（2.5）

稳定扩散：若扩散物质在扩散层dx内各处的浓度不随时间而变化，即dc/dt=0。这种扩散称稳定扩散。（2.5分） 3. 非均匀成核, 一级相变

非均匀成核：是指借助于表面、界面、微粒裂纹器壁以及各种催化位置等而形成晶核的过程 一级相变：体系由一相变为另一相时，如两相的化学势相等但化学势的一级偏微商(一级导数)不相等的称为一级相变。（2.5） 4. 晶粒生长，二次再结晶

晶粒生长：平衡晶粒尺寸在不改变其分布的情况下，连续增大的过程。（2.5分） 二次再结晶：是少数巨大晶粒在细晶消耗时成核长大的过程。（2.5分） 5. 一致熔融化合物，三角形规则

答：一致熔融化合物是一

第六章答案

6-1略。

6-2什么是吉布斯相律？它有什么实际意义？

解：相律是吉布斯根据热力学原理得出的相平衡基本定律，又称吉布斯相律，用于描述达到相平衡时系统中自由度数与组分数和相数之间的关系。一般形式的数学表达式为F＝C－P＋2。其中F为自由度数，C为组分数，P为相数，2代表温度和压力两个变量。应用相率可以很方便地确定平衡体系的自由度数。

6-3固体硫有两种晶型，即单斜硫、斜方硫，因此，硫系统可能有四个相，如果某人实验得到这四个相平衡共存，试判断这个实验有无问题？

解：有问题，根据相律，F=C-P+2=1-P+2=3-P，系统平衡时，F=0，则P=3，硫系统只能是三相平衡系统。

图6-1 图6-2

6-4如图6-1是钙长石（CaAl2Si2O）的单元系统相图，请根据相图回解：（1）六方、正交和三斜钙长石的熔点各是多少？（2）三斜和六方晶型的转变是可逆的还是不可逆的？你是如何判断出来的？（3）正交晶型是热力学稳定态？还是介稳态？

解：（1）六方钙长石熔点约1300℃（B点），正钙长石熔点约1180℃（C点），三斜钙长石的熔点约为1750℃（A点）。

（2）三斜与六方晶型的转变是可逆的。因为六方晶型加热到转变温度会转变

第一章 晶 体 结 构 基 础

1-1 定义下述术语，并注意它们之间的联系和区别： 晶系；点群；空间群；平移群；空间点阵

1-2 简述晶体的均一性、各向异性、对称性三者的相互关系。 1-3 列表说明七个晶系的对称特点及晶体定向规则。

1-4 四方晶系晶体a＝b，c＝1/2a。一晶面在X、Y．Z轴上的截距分别为2a, 3b和6c。给出该晶面的密勒指数。

1-5 在立方晶系中画出下列晶面：a）（001）b）（110）c）（111） 1-6 在上题所画的晶面上分别标明下列晶向：a(210) b(111) c(101) 1-7 立方晶系组成{111}单形的各晶面构成一个八面体，请给出所有这些晶面的密勒指数。

1-8 试在完整的六方晶系晶胞上画出（1012）晶面的交线及〔1120〕〔2113〕晶向，并列出{1012}晶面族中所有晶面的密勒指数。 1-9 a≠b≠c α=β=γ=90℃的晶体属什么晶系？

a≠b≠c α≠β≠γ≠90℃的晶体属什么晶系？ 你能否据此确定这二种晶体的布拉维点阵？

1-10 下图示正交面心格子中去掉上下底心后的结点排列情况。以图中的形状在三维空间无限重复，能否形成一空间点阵？为什么？

第 2 章 结晶结构

一、名词解释

1．晶体：晶体是内部质点在三维空间内周期性重复排列，具有格子构造的固体 2．空间点阵与晶胞：

空间点阵是几何点在三维空间内周期性的重复排列 晶胞：反应晶体周期性和对称性的最小单元

3．配位数与配位多面体：

化合物中中心原子周围的配位原子个数

成配位关系的原子或离子连线所构成的几何多面体 4．离子极化：

在离子化合物中，正、负离子的电子云分布在对方离子的电场作用下，发生变形的现象 5．同质多晶与类质同晶：

同一物质在不同的热力学条件下具有不同的晶体结构

化学成分相类似物质的在相同的热力学条件下具有相同的晶体结构 6．正尖晶石与反尖晶石：

正尖晶石是指2价阳离子全部填充于四面体空隙中，3价阳离子全部填充于八面体空隙中。

反尖晶石是指2价阳离子全部填充于八面体空隙中，3价阳离子一半填充于八面体空隙中，一半填充于四面体空隙。 二、填空与选择

1．晶体的基本性质有五种：对称性 ， 异相性 ， 均一性 ， 自限性 和 稳定性（最小内能性） 。

2．空间点阵是由 C 在空间作有规律的重复排列。 （ A 原子 B离子 C几何点 D分子）

3．在等大球体的最紧密堆积中有 面心立方密堆积 和 六方密堆积 二

第1章绪论

1．材料科学与工程的四个基本要素

解：制备与加工、组成与结构、性能与应用、材料的设计与应用

2．金属﹑无机非金属材料﹑高分子材料的基本特性

解：①金属材料的基本特性：a.金属键；b.常温下固体，熔点较高；c.金属不透明，具有光泽；d.纯金属范性大、展性、延性大；e.强度较高；f.导热性、导电性好；g.多数金属在空气中易氧化。

②无机非金属材料的基本性能：a.离子键、共价键及其混合键；b.硬而脆；c.熔点高、耐高温，抗氧化；d.导热性和导电性差；e.耐化学腐蚀性好；f.耐磨损；g.成型方式：粉末制坯、烧结成型。

③高分子材料的基本特性：a.共价键，部分范德华键；b.分子量大，无明显熔点，有玻璃化转变温度（Tg）和粘流温度（Tf）；c.力学状态有三态：玻璃态、高弹态和粘流态；d.质量轻，比重小；e.绝缘性好；f.优越的化学稳定性；g.成型方法较多。

第2章物质结构基础

1． 在多电子的原子中，核外电子的排布应遵循哪些原则？

解：泡利不相容原理、能量最低原理、洪特规则

2．电离能及其影响电离能的因素

解：电离能：从孤立原子中，去除束缚最弱的电子所需外加的能量。

影响因素：①同一周期，核电荷增大，原子半径

材料科学基础思考题

1. 解释下列名词的含义：

晶体:固态下原子或分子在空间呈有序排列，则称之为晶体 非晶体:固态下原子或分子在空间呈无序排列，则称之为非晶体 晶格:用于描述原子在晶体当中排列形式的空间格架（点阵） 晶胞:反映该晶体结构(点阵)的特点的最小组成单元称为晶胞 晶格常数:晶胞的几何特征可以用晶胞的三条棱边长a、b、c和三条棱边之间的夹角α、β、γ等六个参数来描述。称为点阵常数（晶格常数）

致密度:晶胞中包含的原子所占有的体积与该晶胞体积之比称为致密度(也称密排系数)。

晶面指数:实际表示一组原子排列相同的平行晶面。 晶向指数:实际表示一组原子排列相同的平行晶向。

晶体的各向异性:在晶体中, 不同晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同, 它们之间的结合力的大小也不相同, 因而金属晶体不同方向上的性能不同。这种性质叫做晶体的各向异性。

点缺陷:是指在三维尺度上都很小的, 不超过几个原子直径的缺陷。 线缺陷:指两维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷。 面缺陷:是指二维尺度很大而第三维尺度很小的缺陷

亚晶粒: 在多晶体的每一个小晶粒内，晶格位向也并非完全一致，而是存在着许多尺寸很小，位向差很小的小晶块，它们相互镶嵌形成晶粒，称为亚晶粒

亚晶界

第1章 晶体结构

1．在立方晶系中，一晶面在x轴的截距为1，在y轴的截距为1/2，且平行于z 轴，一晶向上某点坐标为x=1/2，y=0，z=1，求出其晶面指数和晶向指数， 并绘图示之。

2．画出立方晶系中下列晶面和晶向：（010），（011），（111），（231），(321)，[010]， [011]，[111]，[231]，[321]。

3．纯铝晶体为面心立方点阵，已知铝的相对原子质量Ar（Al）=27，原子半径r=0.143nm，求铝晶体的密度。

4．何谓晶体？晶体与非晶体有何区别？

5．试举例说明：晶体结构与空间点阵？单位空间格子与空间点阵的关系？ 6．什么叫离子极化？极化对晶体结构有什么影响？ 7．何谓配位数（离子晶体/单质）？ 8．何谓对称操作，对称要素？

9．计算面心立方结构（111）与（100）晶面的面间距及原子密度（原子个数/单位面积）。

10．已知室温下α-Fe（体心）的点阵常数为0.286nm，分别求（100）、（110）、

（123）的晶面间距。

11. 已知室温下γ-Fe（面心）的点阵常数为0.365nm，分别求（100）、（110）、（112）的晶面间距。

12. 已知Cs+半径为0.170nm，

第1章 晶体结构

1．在立方晶系中，一晶面在x轴的截距为1，在y轴的截距为1/2，且平行于z 轴，一晶向上某点坐标为x=1/2，y=0，z=1，求出其晶面指数和晶向指数， 并绘图示之。

2．画出立方晶系中下列晶面和晶向：（010），（011），（111），（231），(321)，[010]， [011]，[111]，[231]，[321]。

3．纯铝晶体为面心立方点阵，已知铝的相对原子质量Ar（Al）=27，原子半径r=0.143nm，求铝晶体的密度。

4．何谓晶体？晶体与非晶体有何区别？

5．试举例说明：晶体结构与空间点阵？单位空间格子与空间点阵的关系？ 6．什么叫离子极化？极化对晶体结构有什么影响？ 7．何谓配位数（离子晶体/单质）？ 8．何谓对称操作，对称要素？

9．计算面心立方结构（111）与（100）晶面的面间距及原子密度（原子个数/单位面积）。

10．已知室温下α-Fe（体心）的点阵常数为0.286nm，分别求（100）、（110）、

（123）的晶面间距。

11. 已知室温下γ-Fe（面心）的点阵常数为0.365nm，分别求（100）、（110）、（112）的晶面间距。

12. 已知Cs+半径为0.170nm，