2011材料化学试卷标准答案

中南大学考试试卷评分标准2011--2012学年上学期时间110分钟材料化学原理(I)课程64学时4学分考试形式：闭卷专业年级：材化0901,0902班总分100分一、名词解释（24分，每题6分）1、肖特基缺陷与弗仑克尔缺陷答：当晶体热振动时，一些能量足够大的原子离开平衡位置而挤到晶格点的间隙中，形成间隙原子，而原来位置上形成空位，这种缺陷称为弗伦克尔缺陷。（3分）如果正常格点上原子，热起伏后获得能量离开平衡位置，跃迁到晶体的表面，在原正常格点上留下空位，这种缺陷称为肖特基缺陷。（3分）2、置换型固溶体与填隙型固溶体答：杂质原子进入晶体中正常格点位置所生成的固溶体。（3分）杂质原子进入溶剂晶格中的间隙位置所生成的固溶体。（3分）3、等离子体与等离子体化学答：等离子体就是指电离气体，它是由电子、离子、原子、分子或自由基等粒子组成的集合体。（2分）无论气体是部分电离还是完全电离，其中的正负电荷总数在数值上总是相等的，故称为等离子体。（1分）等离子体化学是研究存在等离子体时所发生的多相化学反应，包括等离子体和气体是参与者的反应。（2分）等离子体化学作为一门新兴的多学科交叉的前沿学科，在化学合成、薄膜制备、表面改性、精细化学加工、高分子材料等领域有着广泛的应用前景。（1分）4、清洁表面与实际表面答：清洁表面：采用离子轰击、高温脱附、超高真空中解理、蒸发、化学反应、分子束外延等特殊处理后（1分），保持在10-6-10-9Pa超高真空下（1分）外来沾污少到不能用一般表面分析方法探测的表面（2分）二、填空题（28分，每空1分）1、非化学计量缺陷的浓度与周围气氛的性质、压力大小有关。增大压力时，Zn1+xO的密度降低、TiO2-x的密度增大。2、金属表面氧化膜具有保护性的条件是P-B比1、化学稳定性，致密，少缺陷与基体结合牢固。3、固相反应与固相烧结的区别是是否存在化学反应，固相反应的泰曼温度是指__反应物内部开始呈现明显扩散作用的温度。4、液相烧结过程的溶解-沉淀传质能进行的条件包括固相在液相中有一定溶解度，液相润湿固相、合适的液相量。5、自蔓延燃烧反应能进行的必要条件是绝热温度大于1800K。6、材料的表面润湿时，其粗糙度越大，则表观接触角越小_，润湿性越好。7、为了减少溶液中粉末的团聚现象，可加入无机分散剂___、_有机分散剂_或__高分子分散剂_等三类分散剂。8、纳米效应有小尺寸效应、_表面效应、_量子尺寸效应和_宏观量子隧道效应。9、试列举出三种表面处理方法电镀、化学镀、化学转化膜。10、金属还原的热力学判据是还原反应的吉布斯自由能小于0。11、溶剂在化学反应中的作用是提供反应场所_、参与产生溶剂化效应、对化学反应速率产生影响。12、无机非金属材料往往同时具有离子键和共价键。三、简答题（共48分）1、试论述烧结的推动力与晶粒生长的推动力，并从宏观上描述固相烧结过程的致密度与气孔形状的变化。（8分）答：烧结过程的推动力是颗粒表面能的降低（1分）；晶粒生长的推动力是晶界两侧晶粒自由能的变化。（1分）烧结前坯体的颗粒之间有着较多的空隙如图(a)所示。随着烧结的进行，出现颗粒间的键合和重排过程，坯体中的大空隙逐渐消失，气孔的总体积迅速减少，但颗粒之间仍以点接触为主，总表面积并没有缩小，如图(b)所示。（2分）(b)－(c)阶段开始有明显的传质过程。颗粒间由点接触逐渐扩大为面接触，粒界面积增加，固气表面积相应减少，但空隙仍然是连通的，烧结密度有所提高，如图(c)所示。（2分）(c)－(d)表明，随着传质过程的继续进行，粒界进一步发育扩大，气孔则逐渐缩小和变形，最终转变成孤立的闭气孔。与此同时颗粒粒界开始移动，粒子长大，气孔逐渐迁移到粒界而消失，烧结体致密度增高，如图(d)所示。（2分）2、为什么固体材料的表面自由能不等于其表面张力？（6分）答：一般不等于表面张力，其差值与过程的弹性应变有关。1）固体表面质点没有流动性，能够承受剪应力的作用。（2分）2）固体的弹性变形行为改变了增加面积的做功过程，不再使表面能与表面张力在数值上相等。（2分）从热力学上讲，。对于固体，当形状改变后，表面积发生变化，由于表面分子重排相当困难，不能恢复原状，于是表面分子（或离子）排列方式发生变化，表面张力及表面自由能均改变，γ不能提出积分号外，二者不能混为一谈。（2分）3、在晶体MX2中存在有本征的弗仑克尔缺陷iM和MV，当少量的三价离子N3+的化合物NX3掺杂到晶体中，在晶体中将产生取代杂质缺陷，反应可以表示为：MXMNXVNX2623试从弗仑克尔缺陷生成平衡和晶体中的电中性关系，讨论本征缺陷浓度随杂质浓度MN的变化。(10分)解：弗仑克尔缺陷方程：iMMMVM]][[iMfMVK(1)（1分）根据NX3固溶掺杂到MX2的缺陷方程：MMNNVN222]][[MMNVK(2)（2分）电中性条件：][][2][2MiMNMV(3)（2分）高温区：本征缺陷为主，正电粒子选择iM由（1）-（3）方程有2][][][MiMNMV（3分）低温区以固溶掺杂为主：正电离子选择][MN，电中性条件][][2MMNV1][][MiNM，][][MMNV（2分）γdAdG3、试以一类材料为例，阐述材料中的结合键与材料晶体结构及其物理、力学性能的关系。（8分）答：能选择一种材料，正确分析结合键与材料晶体结构及其物理、力学性能的关系的第一项，可得2分。4、机械合金化制备的概念是什么？其制备出的粉末结构上有什么特点？（8分）答：反应物在球磨机内磨球的碰撞挤压下，发生强烈的塑性变形，不同的元素组分冷焊在一起，随后发生断裂。冷焊、断裂不断重复进行，使得粉粒总是在最短的尺度上以性质晶格类型离子键共价键金属键分子键结合键性质由阴、阳离子间的静电引力相维系，没有饱和性和方向性。结合键作用力中等至强，主要决定于离子的电子价和半径由共用电子对相维系，有饱和性和方向性。结合键作用力中等至强，主要决定于原子价、原子间距及极化程度由自由电子把金属阳离子结合起来，没有饱和性和方向性。结合键作用力一般不强，主要决定于原子的间距与自由电子的多少由分子的偶极吸引力相维系，没有饱和性和方向性，。结合键作用力很弱结构特点一般阴离子成紧密堆垛，阳离子填充空隙。配位数较高，主要决定于阴、阳离子半径的比值原子不是紧密堆垛，配位数偏低，决定于结合键的饱和性和方向性原子通常是最紧紧密堆垛，具有很高甚至最高的配位数非球形分子作紧密堆垛光学性质透明，折射率较低至中等，反射率低透明，折射率中等至高，反射率中等偏低不透明，反射率高与分子处于气态或液态时的性质相同电学性质中等绝缘体，变成熔体时导电。好的绝缘体，熔体时也不导电。良导体绝缘体热学性质熔点高，热膨胀系数小熔点高，热膨胀系数小熔点高低不一，热膨胀系数小熔点低，易升华，热膨胀系数大力学性质硬度中等到高硬度中等至高，典型的共价键晶体具有很高硬度硬度偏低，具有延展性硬度低新鲜的原子面相互接触，最终达到合金化的目的（4分）。机械合金化制备的粉末往往具有非平衡结构，如过饱和结构、非晶、纳米晶等结构，此外粉末细小均匀（4分）。6、固相合成反应的特点是什么？影响固相合成反应速率的因素有哪些？（8分）答：固相反应是指那些有固体物质参加的反应，如固体的热分解及氧化反应、烧结反应，以及固体与固体、固体与液体、固体表面的化学反应等，均属固相反应的范畴。固相反应具有如下特点：（1）固相反应属于非均相反应，参与反应的固相相互接触是反应物之间发生化学作用和物质传输的先决条件。（2分）（2）固相反应开始温度与反应物内部开始呈现显著扩散作用的温度相一致。（1.5分）（3）固相反应通常由几个简单的物理化学过程构成，如化学反应、扩散、结晶、熔融、升华等。（1.5分）影响固相合成反应速率的因素有：（1）浓度的影响（2）反应温度的影响（3）接触界面大小对于多相反应，反应速率取决于接触界面的大小，增加反应物表面积，可使反应速率大大加快。利用该原理，对于固相反应可将固相反应物制成多孔状或将固体粉碎成粉末颗粒以增大接触面积，并采用压片、烧结、研磨、加温加压等各种强制手段，对于液固反应还可持续搅拌等来促使化学反应进行。即使这样，相对于液相和气相反应来说，固相反应的速率还是很慢的。（4）固体中的点缺陷晶体越完整，反应性越小，缺乏完整性的地方（点阵缺陷）就是发生反应的部位，这种点阵缺陷包括原子级的点缺陷、位错、微晶点阵排列错乱、高角度晶界及微晶中位错网等。（5）其它因素如固体的活化状态、表面和界面特性等。对一些特殊的化学反应，外加的光、超声波、激光、放射线、电磁波都是影响反应速率的重要因素。（以上每小点各1分）