材料科学基础2版课后答案.docx

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1、1章答案1.1 仔细观察下白炽灯泡，会发现有多少种不同的材料？每种材料需要何种热学、电学性质？答：（1）构成白炽灯的材料有两种，分别为玻璃材料和金属材料。（2）白炽灯中的玻璃材料需要有很好的热容性耐高温性，而且热膨胀系数要小；白炽灯中的金属材料主要有灯丝和金属接口，灯丝需要耐高温且熔点高，接口处的金属需要有很好的导电性。1.2 为什么金属具有良好的导电性和导热性？答：金属具有良好的导电性和导热性的原因为：金属中有大量可以自由移动的电子。自由电子对电流的阻碍作用弱，所以金属有良好的导电性；自由电子可以传递热量，所以金属有良好的导热性。1.3 为什么陶瓷、聚合物通常是绝缘体？答：陶瓷、聚合物通常是

2、绝缘体是因为在陶瓷和聚合物中电子或者离子都被严重地束缚，没有可以自由流动的电子和传递电子的离子，所以它们通常是绝缘体。1.4 铝原子的质量是多少？若铝的密度2.7g化H?,计算Imm3中有多少原子？答：（D铝的相对原子质量为27gmo1.,铝为面心立方结构，每个晶胞中有4个铝原子，则铝原子的质量为Ma1=27NA=4.482x1.0-26kg（2）Imm3中铝的质量为m,由p=mV得m=pV=2.710-31.10-3=2.710-6kgImm3中铝原子的数量为n=2.71064.4821026=6.0210,91.5 为了防止碰撞造成扭折，汽车的挡板可由装甲制造，但实际应用中为何不如此设计？

3、说出至少三种理由。答：实际应用中不用装甲制造汽车挡板的理由有：（1）用装甲制造汽车的挡板成本太高，不符合经济型选材原则；（2）用装甲制造汽车挡板工艺更杂，不符合工艺性能原则；（3）用装甲制造汽车挡板耗能耗材大，不符合环境协调性原则。1.6 描述不同材料常用的加工方法。答：不同材料常用的加工方法如下：（1）金属材料常用的加工方法有铸造、成型、连接、机械加工和冶金粉末；（2）陶瓷材料常用的加工方法有浇注、压制和烧结；（3）聚合物常用的加工方法有模制和成型：（4）复合材料常用的加工方法有铸造、成型、连接、压制和烧结。1.1 叙述金属材料的类型及其分类依据。答：金属材料的类型及其分类依据为：（1）由一

4、种金属元素构成的单质（纯金属）；（2）由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素构成的合金。合金又可分为固溶体和金属间化合物。1.2 试将下列材料按金属、陶瓷、聚合物或复合材料进行分类：黄铜钢筋混凝土橡胶氯化钠铅-锡焊料沥青环氧树脂镁合金碳化硅混凝土石墨玻璃钢答：金属：黄铜，铅-锡焊料，镁合金；陶瓷：碳化硅；聚合物：橡胶沥青，环氧树脂；复合材料：钢筋混凝土，玻璃钢。1.3 AhCh陶瓷既牢固又坚硬且耐磨，为什么不用AI2O3制造铁锤？答：不用AI2O3制造铁锤的原因为：材料的选择不仅要符合它的使用性能原则，而且要兼顾它的工艺性能原则和经济性原则，相比金属材料，AI2O3制造铁锤的工艺复杂，而

5、且生产成本很高，所以不用AI2。3制造铁锤。2章答案2.1 定性描述晶体结构的参量有哪些？定量描述晶体结构的参量又有哪些？答：（1）定性描述晶体结构的参量有晶胞参数、晶系划分和空间点阵类型。（2）定量描述晶体结构的参量有晶面指数和晶向指数。2.2 依据结合力的本质不同，晶体中的键合作用分为哪几类？其特点是什么？答：（1）依据结合力本质的不同，晶体中的键合作用分为强键力（主价键或化学键）和弱键力（次价键或物理键）。强键力包括离子键，共价键和金属键。弱键力包括范德华键和氢键。（2）各种键的特点分析如下：离子键是正、负离子依靠静电库仑力而产生的键合，其特点是没有方向性和饱和性。共价键是原子之间通过共

6、用电子对或通过电子云重叠而产生的键合，其特点是具有方向性和饱和性。金属键是失去最外层电子（价电子）的原子实和自由电子组成的电子云之间的静电库仑力而产生的结合，其特点是没有方向性和饱和性。范德华键（分子键）是通过“分子力”而产生的键合，包括葛生力、德拜力和伦敦力，有极性和非极性两大类。氢键是指氢原子同时与两个电负性很大而原子半径较小的原子相结合所形成的键，氢键具有饱和性，它是一种特殊形式的物理键。2.3 等径球最紧密堆积的空隙有哪两种？一个球的周围有多少个四面体空隙、多少个八面体空隙？答：（1）等径球最紧密堆积的空隙有四面体空隙和八面体空隙两种。（2） 一个球的周围有8个四面体空隙和6个八面体空

7、隙。2.4 n个等径球作最紧密堆积时可形成多少个四面体空隙、多少个八面体空隙？不等径球是如何进行堆积的？答：（1）n个等径球作最紧密堆积时可形成2n个四面体空隙和n个八面体空隙。（2）不等径球进行堆积时，直径大的球先进行密堆积，直径小的球填充在四面体或者八面体的空隙中。2.5 硅酸盐晶体结构有何特点？怎样表征其化学式？答：（1）硅酸盐晶体结构的特点结构中Si,+离子位于O?一离子形成的四面体中心，构成硅酸盐晶体的基本结构单元SiOj四面体。Si-O-Si键是一条夹角不等的折线，一般在145。左右。SiCM四面体的每个顶点，即。2一离子最多只能为两个SiCM四面体所共用。两个相邻的SiOH四面体

8、之间只能共顶而不能共棱或共面连接。SiOJ四面体中心的Si,+离子可部分地被AP+所取代，发生同晶取代，晶体的性质可以发生很大的变化。（2）其化学式的表征氧化物方法氧化物方法是指把构成硅酸盐晶体的所有氧化物按一定的比例和顺序全部写出来。无机络盐表示法无机络盐表示法是指把构成硅酸盐晶体的所有离子按照一定比例和顺序全部写出来，再把相关的络阴离子用中括号括起来即可。2.6 硅酸盐晶体的分类依据是什么？可分为哪几类，每类的结构特点是什么？答：（1）硅酸盐晶体的分类依据是硅酸盐晶体化学式中Si和O的比例。（2）根据Si/O比例的不同可以把硅酸盐晶体分为岛状、组群状、链状、层状和架状五种结构。（3）各类结

9、构特点岛状结构结构中SiO4四面体以孤岛状存在，它们之间通过其他正离子的配位多面体来连接，Si04四面体各顶点之间并不互相连接，每个O?一离子一侧与1个Si4+离子连接，另一侧与其他金属离子相配位来使其电价平衡。结构中Si/O比为1:4o组群状结构组群状结构是2个、3个、4个或6个Si04四面体通过共用氧相连接形成单独的硅氧络阴离子团，硅氧络阴离子团之间再通过其他金属离子连接起来，组群状结构中SVO比为2:7或1：3,有限四面体群中连接两个Si4+离子的氧称为桥氧，也称为非活性氧。相对地只有一侧与Si4+离子相连接的氧称为非桥氧或活性氧。链状结构硅氧四面体通过共用的氧离子相连接，形成向一维方向

10、无限延伸的链，依照硅氟四面体共用顶点数目的不同，分为单链和双链两类。如果每个硅氧四面体通过共用两个顶点向一维方向无限延伸，则形成单链，单链结构以SiQJ3为结构单元不断重复，所以，单链结构单元的化学式可写为SOJ!双链以S1.06-为结构单元向一维方向无限伸展，故双链的化学式为ES1.OUrt一,双链结构中的硅氧四面体，一半桥氧数3,另一半为2。层状结构层状结构是每个硅氮四面体通过3个桥氧连接。构成向二维方向伸展的六节环状的硅氧层（无限四面体群），在六节环状的层中，可取出一个矩形单元竽,0|。,于是硅氧层的化学式可写为与,047.按照硅氧层中活性氧的空间取向不同，硅氧层分为两类：单网层和复网层

11、。单网层结构中，硅氧层的所有活性弱均指向同一个方向。而复网层结构中，两层硅氧层中的活性氧交替地指向相反方向。架状结构架状结构中硅氧四面体的每个顶点均为桥氧，硅氧四面体之间以共顶方式连接，形成三维“骨架”结构。结构的重复:单元为Si。2，作为骨架的硅氧结构单元的化学式为SiOz工。其中SVO比为1：2。2.7 解释下列概念:晶系、晶胞、晶胞参数、空间点阵、米勒指数（晶面指数）、离子晶体的晶格能、原子半径与离子半径、配位数、离子极化、同质多晶与类质同晶、正尖晶石与反正尖晶石、反萤石结构、铁电效应、压电效应。答：（1）晶系是指把晶胞按照对称性的不同进行的分类。（2）晶胞是指从晶体结构中取出来的反映晶

12、体周期性和对称性的最小重复单元。（3）晶胞参数是指在用平行六面体表示一个晶体结构的最小重复单元时，平行六面体的三个边长及夹角。（4）空间点阵是指把晶体结构中原子或分子等结构基元抽象为周围环境相同的阵点之后，描述晶体结构的周期性和对称性的图像。（5）米勒指数（晶面指数）是指在结晶学中用来表示一组平行晶面的指数，用（hk1.）表示，数字hk1.是晶面在三个坐标轴（晶轴）上截距的倒数的互质整数比。（6）离子晶体的晶格能是指Imo1.离子晶体中的正负离子，由相互远离的气态结合成离子晶体时所释放出的能量。（7）原子半径与离子半径原子半径a当原子处于孤立态时;原子半径是指从原子核中心到核外电子的几率分布趋

13、向于零的位置间的距离。h当原子处于结合状态时，原子半径是指相邻原子面间的距离。c.金属原子半径是指相邻两原子面间距离的一半。离子半径a.离子半径是描述离子大小的参数，取决于离子所带电荷、电子分布和晶体结构型式。b.离子晶体中的正、负离子半径之和等于相邻两原子面间的距离。（8）配位数是指一个原子（或离子）周围同种原子（或异号离子）的数目，用CN来表示。（9）离子极化是指在离子紧密堆积时，带电荷的离子所产生的电场，必然要对另一个离子的电子云产生吸引或排斥作用，使之发生变形的现象。（10）同质多晶与类质同晶同质多晶是指化学组成相同的物质，在不同的热力学条件下形成具有不同结构的晶体。类质同晶是指化学组

14、成相似或相近的物质，在相同的热力学条件下形成具有相同结构的晶体。（I1.）正尖晶石与反正尖晶石正尖晶石是指AB2O4中的氧离子O?一做面心立方最紧密堆积，当A离子占据四面体空隙，B离子占据八面体空隙，则称为正尖晶石；反正尖晶石是指在AB2O4结构中半数的B离子占据四面体空隙，A离子和另外半数的B离子占据八面体空隙。（12）反萤石结构是指在晶体结构中正负离子位置刚好与萤石结构中的相反，X离子作面心立方堆积，A离子则填充于四面体空隙。（13）铁电效应是指铁电体在循环电场作用下具有电滞回线的效应。(14)压电效应包括正压电效应和逆压电效应正压电效应是指晶体在机械力作用下发生变形，使晶体内正负电荷中心

15、相对位移而极化，致使晶体两端表面出现符号相反的束缚电荷，其电荷密度与应力成比例的现象；逆压电效应是指具有压电效应的晶体置于外电场中，电场使晶体内部正负电荷中心位移，导致晶体产生形变的现象。2.8 (1)一个晶面在x、y、Z轴上的截距分别为2a、3b、6c,求该晶面的米勒指数；(2)一个晶面在x、y、Z轴上的截距分别为a/3、b/2、c,求出该晶面的米勒指数。解：(1.)h:k:I=3:2:1,所以该晶面的晶面指数为(321)；(2)h:k:1.=3:2:1.,所以该晶面的晶面指数为(321)。2.9在立方晶系的晶胞中画出下列晶面和晶向的米勒指数：(OOD与21.o,(In)与口团JiTo)与111.(322)236.(257)11T.(123)121.(1O2).(112).(213).11O.11T.12O.321.答：各晶面和晶向如图2-2-1所小。(ojr)(123)图2212.1 写出面心立方格子的单位平行六面体上所有结点的坐标。答：面心立方格子的单位平行六面体上所