材料物理题库-22.doc

名词解释：
配位数：一个原子具有的第一邻近（原子或离子）数。
费米能级： 费米能级表示的是金属在绝对零度时的最高填充能级。
能带：许多原子聚集，由许多分子轨道组成的近乎连续的能级带。
价带(Valence band)：价电子能级展宽成的能带(可满可不满)
满带(Filled band)：添满电子的价带
空带(Empty band)：价电子能级以上的空能级展宽成的能带
导带(Conduction band)：0 K时最低的可接受被激发电子的空带
禁带(Band Gaps)：两分离能带间的能量间隔，又称为能隙（ΔEg）
固溶体(Solid Solution)：杂质原子（或离子、分子）均匀分布（溶）于基质晶格中的固体。
点缺陷(Point Defect)：任何方向尺寸都远小于晶体线度的缺陷区
线缺陷(位错Dislocation)：仅一维尺寸可与晶体线度比拟的缺陷一或数列原子发生有规则的错排
弛豫：偏离了原平衡态或亚稳态的体系回复到原状态的过程.
相数 p：系统内性质相同且均匀部分的种类数
独立组分数 C：平衡系统中各相组成的最少纯物质数，等于纯物质数减去独立化学反应数。
自由度数 F：相平衡系统中可独立改变而不引起相变的变量数
共晶：共晶是指凝固时由一个液相同时生成两个不同的固相。
共析：即两种以上的固相新相，从同一固相母相中一起析出，而发生的相变。
包晶：在结晶过程先析出相进行到一定温度后新产生的固相大多包围在已有的旧固相周围生成。
表面张力 g ：扩张表面时单位长度上所需要的力。
表面能：增加单位面积的表面所需要做的功。
构象：高分子链由于单键内旋转形成的不同空间排列方式。
内聚能：1摩尔分子聚集在一起的总能量，或1摩尔液体蒸发，或1摩尔固体气化的总能量。
表面(Surface)：固体与气体或液体的界面
取向：链段、大分子链、晶粒（取向单元）在外力作用下，沿一定方向排列
聚合物合金：两种或两种以上聚合物通过物理的或化学的方法共同混合而成的宏观上均匀、连续的高分子材料。
IPN：互穿聚合物网络，是一种两相连续的共混聚合物，在这种共混物中，两种聚合物网络相互贯穿，使得整个样品成为一个交织网络。
铁素体 ferrite: 碳溶解在α铁中的固溶体，C%≤0.02%（727℃），硬度和强度低，但塑性和韧性好。
奥氏体 austenite：碳溶解在g铁中的固溶体，C%≤2%（1148℃）塑性和可锻性好。
应力：单位面积上的内力，其值与外加的力相等.
拉伸强度：规定的温度、湿度和加载速度条件，标准试样上沿轴向施加拉伸力直到试样被拉断为止，计算断裂前试样所承受的最大载荷F max 与试样截面积之比。
临界氧指数：能够维持稳定燃烧的最小氧浓度。
介电常数：征电介质在电场作用下极化程度的宏观物理量。

1、 按照能级写出N，O，Si原子的电子排布。
N：1S22S22P3；O：1S22S22P4；Si：1S22S22P63S23P2
2、简述描述电子分布和运动的四个量子数的物理意义。
（1）n , 第一量子数： 决定体系的能量
（2）l , 第二量子数：决定体系角动量和电子几率分布的空间对称性
（3）m l , 第三量子数：决定体系角动量在磁场方向的分量
（4）m s ，第四量子数：决定电子自旋的方向 +1/2，-1/2
3、将离子键、共价键和金属键按有方向性和无方向性分类，简单说明理由。
方向性，即要按照一定的方向形成作用力。
共价键具有方向性，是原子间通过共用电子对（电子云重叠）所形成的，为实现共用电子云的最大重叠，这种化学键必须具有方向性；
离子键无方向性，离子在空间各个方向上吸引异号电荷离子的能力是相同的，所以离子键没有方向性；
金属键无方向性，金属阳离子与电子之间的作用。
4、为什么金属、金属氧化物、无机化合物通常具有高的表面能，而有机物（包括高聚物）表面能相对很低？
表面能是增加单位面积的表面所需要做的功。扩张表面时要克服原有原子、分子或离子之间的相互作用，故表面张力与物质原有的键合方式相关，作用力弱，做功小表面能低；作用力强，表面能高。金属、金属氧化物、无机化合物的化学键为金属键、离子键、共价键，作用力强，表面能大；而高分子主要以范德华力、氢键为主，作用力弱，表面能低。

5、下表列出了几种材料的表面能数据，从表中可以发现什么规律，说明理由。
材料
表面能（J·m2）
材料
表面能（J·m2）
Cu
1.10~1.27
NaPO2
0.209
Au
1.10
FeO
0.585
NaCl
0.114
PS
3.3×10-4
Al2O3
0.70
PA66
4.3×10-4
PVC
3.9×10-4
Zn
0.75
PTFE
1.8×10-4
Hg
0.48
金属、金属氧化物、无机化合物通常具有高的表面能，而有机物（包括高聚物）表面能相对很低。表面能是增加单位面积的表面所需要做的功。扩张表面时要克服原有原子、分子或离子之间的相互作用，故表面张力与物质原有的键合方式相关，作用力弱，做功小表面能低；作用力强，表面能高。金属、金属氧化物、无机化合物的化学键为金属键、离子键、共价键，作用力强，表面能大；而高分子主要以范德华力、氢键为主，作用力弱，表面能低。
6、根据电子围绕原子的分布方式，可以将结合键分为基本键合和派生键合两类，其中基本键合包括 离子键合 、 共价键合 、金属键合；派生键合包括 范德华键合 、氢键键合 。
7、简述离子键的特点。
① 电子束缚在离子中；
②正负离子吸引，达静电平衡；电场引力无方向性;
③构成三维整体——晶体结构 ；
④在溶液中离解成离子。
8、简述金属键的特点。
① 由正离子排列成有序晶格；
② 各原子最 (及次)外层电子释放，在晶格中随机、自由、无规则运动，无方向性；
③ 原子最外壳层有空轨道或未配对电子，既容易得到电子，又容易失去电子；
④ 价电子不是紧密结合在离子芯上，键能低、具有范性形变。
9、简述共价键的特点。
两个原子共享最外壳电子的键合。
特点：
①两原子共享最外壳层电子对；
②两原子相应轨道上的电子各有一个，自旋方向必须相反；
③有饱和性和方向性。电子云最大重叠，一共价键仅两个电子。
10、电负性是表示原子吸引电子的能力，同一周期从左向右电负性增高，同一族从上向下电负性降低。两种元素电负性相差较大时，易成极性共价键；电负性相差很大易形成离子键。
11、分之间作用力按原因和特性可分为三部分：取向力、诱导力和色散力。
12、下表是一些物质的键能和熔点数据，请据此比较不同结合键的键能大小并简单分析原因。

化学键 > 物理键（分子键）
化学键中: 共价键≈ 离子键 > 金属键
共价键中: 叁键>双键>单键
氢键 > 范氏键
13、简述能带与材料的导电性的关系
导 体：价带未填满；或满带与空带重叠。
绝缘体：满的价带与空的导带间的禁带宽， ΔEg＞5 eV 。
半导体：满的价带与空的导带间的禁带较小，ΔEg＜2 eV 。
14、导体、绝缘体和本征半导体的能带示意图

15画出肖特基缺陷和弗兰克尔缺陷的示意图
肖特基缺陷弗兰克尔缺陷

16、图是棱位错和螺旋位错的示意图，请指出（1）位错线；（2）滑移面

棱位错：滑移面必须是同时包含有位错线（EF）和滑移矢量（BB’）的平面。位错线与滑移矢量互相垂直,它们构成平面只有一个。

螺旋位错: 螺型位错线(AD)与滑移矢量平行，纯螺型位错的滑移面不是唯一的(几何里,两个方向相互垂直才能确定一个面)。凡是包含螺型位错线的平面都可以作为它的滑移面。
1. 17、下图是几种材料（气体、液体、固体晶体）的分布函数曲线，（1）分别标出曲线所属材料类别；（2）从固体晶体的分布函数曲线能得到哪些参数？配位数、原子间距

晶体 液体
气体

18、图是NaCl中加CdCl2后钠离子扩散系数的变化，说明原因。

NaCl中加入高价的Cd2+后，会产生一定数量的空位。在低温下，由于空位的存在促进了Na+的扩散，所以导致加Cd2+的比不加的扩散系数要高。但在高温下，本征态的缺陷占优势，由Cd2+加入导致的空位对Na+的扩散系数的影响不明显。
19、述扩散的原因及晶体材料的扩散机制。
扩散的原因 （1）原子不是静止的；（2）原子围绕其平衡位置进行小振幅的振动；（3）部分原子具有足够振幅，位置移动。
扩散机制：（1）空位扩散(Vacancy Diffusion)：一个原子与一个相邻空位交换位置多数金属和置换固溶体；（2）间隙扩散(Interstitial Diffusion)：间隙式固溶体；（3）直接交换机制：极难，很少发生。
20、plate of iron is exposed to a carburizing (carbon-rich) atmosphere on one side and a decarburizing (carbon-deficient) atmosphere on the other side at 700℃. If a condition of steady state is achieved, calculate the diffusion flux of carbon through the plate if the concentrations of carbon at positions of 5 and 10 mm (5×10-3 and 10-2 m) beneath the carburizing surface are 1.2 and 0.8 kg/m3, respectively. Assume a diffusion coefficient of 3×10-11 m2/s at this temperature.

21、下表是方铁矿的组成和晶胞大小关系，解释为什么随Fe含量增加，晶胞边长和密度逐渐变大。

.随着Fe原子的含量增加，方铁矿中Fe（II）的含量增加，Fe(III)含量降低，由于Fe（II）的离子半径比Fe（III）大，所以晶胞边长增加；此外由于Fe(III)减少，方铁矿中的空位数降低，所以密度增大。
22、固体中的转变类型：同素异构、非晶态的晶化、结构弛豫 、相分离
23、简述同素异构转变及特点?
同素异构转变是固体从一种晶体结构变为另一种晶体结构的过程。
特点1)   均为相变（Phase Transformations） ；
2)   扩散型包括成核和长大；
3) 金属多高温倾向于体心立方, 低温转变为密排六方或面心立方
24、固体表面易产生一些界面现象，根本原因： 表面力和表面能
25、任何物体都倾向表面积缩小（收缩），总表面能最低，故液体趋于球形，固体表面积难改变，常吸附外部低表面能物质。
26、与低分子物质相比，高分子材料有哪些结构特点？
① 分子量大，分子量分布 104---107， Mn, Mw,
② 高分子链多种形态
③ 分子链间力：范氏力为主，部分化学键分子内共价键
④ 结构的多层次性
27、高分子的空间的构型主要有全同立构、间同立构、无规立构。
28、共聚物的结构类型主要有哪些，画出简图。
无规共聚物：
交替共聚物:
嵌段共聚物：
接枝共聚物：
29、什么是内聚能，下表是某些高分子材料内聚能密度数据，请推断这些高分子材料适合用作什么材料（塑料、橡胶、纤维）？

高分子化合物
内聚能密度/J·cm3
高分子化合物
内聚能密度/J·cm3
聚异丁烯
272
聚乙酸乙烯酯
368
聚丙烯腈
991
聚甲基丙烯酸甲酯
347
聚酰胺66
773
聚氯乙烯
380
内聚能是1摩尔分子聚集在一起的总能量，或1摩尔液体蒸发，或1摩尔固体气化的总能量。内聚能小于290 J·cm3一般用作橡胶，如聚异丁烯；内聚能密度大于400J·cm3一般用作纤维，如聚丙烯腈，聚酰胺66；介于两者之间的可用作塑料，如聚乙酸乙烯酯，聚甲基丙烯酸甲酯，聚氯乙烯。
30、高分子的结晶形态很多，常见的如单晶、多晶、球晶、串晶、微晶等。
31、下图是共析钢的结晶过程示意图，请说明从起始点降温，历经哪些相以及相态的变化情况。

1以前，液态；1-2按匀晶方式析出奥氏体；2-3形成单相奥氏体；3，共析转变，析出珠光体。
32、下图是亚共析钢的结晶过程示意图，请说明从起始点降温，历经哪些相以及相态的变化情况。

1以前，液态；1-2，析出δ固溶体, L+δ；2-2’ 包晶转变形成奥氏体；2-3，L+奥氏体；3以后，亚共析钢全部凝固，成为单相奥氏体；4点，奥氏体中开始析出铁素体；4-5，铁素体+奥氏体；冷到5点，奥氏体含碳量达到0.77%，发生共析转变，转别产物为珠光体。

33、下图是闪锌矿的点阵排布，S的配位数为4，位于面心立方点上；Zn的配位数为4，位于四面体间隙中。

34、简述复合材料的基本结构形式，复合材料中基体、增强相、界面相的功用是什么？有何不同？
简言之：复合材料由连续基体相和分散增强相及界面相所构成。基体主要用于固定和粘附增强体，并将所受的载荷通过界面传递到增强体上，自身也承受少量载荷；增强体主要用来承受载荷；界面特性决定着基体与复合材料之间结合力的大小。

35、在制造玻璃纤维增强复合材料时，往往对玻璃纤维进行表面处理，说明其原因和目的。
由于聚合物通常是非极性的，而玻璃纤维通常是极性的，两者之间的粘接比较困难，通常用偶联剂对玻璃纤维表面进行处理，目的：
偶联剂的作用(functions of coupling agent)：
①在两相界面形成化学键，大幅度提高界面粘接强度
②改善了界面对应力的传递效果
③提供了一个可塑界面层，可部分消除界面残余应力
④提供了一个防水层，保护了界面，阻止了脱粘和腐蚀的发生

36、复合材料易产生哪些缺陷？原因何在？
复合材料在成型加工过程中伴有组分材料复杂的物理和化学变化，不可避免的带来一些缺陷：微裂纹、界面缺陷、残余应力等。

37、画出液体滴于固体表面铺展后的接触角示意图，并写出平衡状态的润湿方程。

润湿方程(Wetness Equation) ： gSG - gSL = gLG×cosq

38、非晶态聚合物的三种力学状态玻璃态、高弹态、粘流态。玻璃化温度(Tg)是非晶态塑料使用的上限温度，是橡胶使用的下限温度。

39、画出非晶聚合物与结晶聚合物的温度形变曲线，并比较两者力学状态特点。

I．非晶聚合物：
（1）处于玻璃态的聚合物，链段的运动处于“冻结”状态，显出高模量，具有虎克弹性行为，质硬而脆。
（2）处于高弹态的聚合物表现出高弹性，在较小的应力下即可迅速发生很大的变形，除去外力后，形变可迅速恢复。
（3）处于粘流态的非晶聚合物，由于链段的剧烈运动，整个大分子链的重心发生相对位移，产生不可逆形变，即粘性流动，聚合物成为粘性液体。
II．结晶聚合物：
（1）结晶聚合物常存在一定的非晶部分，也有玻璃化转变。
（2）在Tg以上模量下降不大，在Tm以上模量迅速下降
（3）聚合物分子量很大，Tm <Tf ，则在T m 与T f 之间将出现高弹态；分子量较低，Tm > Tf ，则熔融之后即转变成粘流态

40、同一拉伸实验中，工程应力（或名义应力）与真实应力比较哪个数值大，为什么？
工程应力s： s =F / A 0
真实应力s T： sT =F / AT
A0 > AT，工程应力s小于真实应力s T

41、画出钢、刚玉、橡胶、聚乙烯、电木的应力-应变曲线示意图并简要说明其力学特征。
刚而脆脆性较大刚而韧

软而韧 拉伸强度低，具有一定韧性

42、什么是弹性模量，比较金属、陶瓷和高分子材料的弹性模量大小，并分析产生这种差异的原因。
材料的弹性模量表示材料对于弹性变形的抵抗力主要取决于原子间的结合能力。
弹性模量：陶瓷≈金属＞高分子
金属的模量值主要取决于
A 晶体中原子的本性、电子结构
B 原子的结合力、
C 晶格类型以及晶格常数等。
D 合金元素降低弹性模量。
陶瓷材料具有较高模量、原因
A 原子键合的特点
B 构成材料相的种类，分布、比例及气孔率有关。
高分子材料低模量 高分子材料中以分子间相互作用力为主，相对于金属键、离子键或共价键来说小的多，所以模量比较低。

43、在弹性形变下，一硫化的橡胶棒在受到516.8Kpa的拉应力时伸长2.1%，而相同材质的橡胶球受到6.89Mpa的静水压力，直径减少了1.2%，，则此橡胶棒的泊松比和剪切模量为多少？
E=σ/ε=516.8Kpa/2.1% =24.6Mpa
K=σ/(ΔV/V)=6.89Mpa/[1-0.9883]=193.7Mpa
∴ν=0.5(1-E/3K)= 0.5[1-24.6/(3×193.7)]=0.48
G = E/2(1+ν)= 24.6/[2×(1+0.48)]=8.31 Mpa

44、晶质材料塑性变形机理两种滑移和孪生

45、有哪些途径可以提高材料的屈服强度？并说明理由。
（1）减小晶粒尺寸：使晶界数量增加，阻止位错的滑移。
（2）加入杂质原子：加入原子限制所形成固溶体或合金中的位错移动。
（3）应变强化：应变过程将产生位错，这些位错间作用相互排斥，一位错限制另一位错的移动。
（4）高分子的取向和交联：分子链间相互移动的能力降低。

46、评价高分子材料的热稳定性常用手段有TG、DTA、DSC。
47、n型半导体是在Si、Ge等四价元素中掺入少量五价元素，p型半导体是在在四价元素Si、Ge等中掺入少量三价元素在价带附近形成掺杂的能级。
48、超导体的两种特性是完全导电性和完全抗磁性，三个性能指标是超导转变温度、临界磁场、临界电流密度
49、介质极化主要有三种类型 电子极化 、 离子极化 、和 取向极化 。
50、根据材料的磁化率，可以把材料按磁性大致分成五类 抗磁性材料 、 顺磁性材料 、铁磁性材料 、 亚铁磁性材料 、 反铁磁性材料 。
51、化学吸附属于 单分子层吸附 ，一般放热较大；物理吸附属于多分子层吸附，一般放热较小。