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1、材料化学分章小测试1 绪论1. 从材料与化学的概念及相互关系出发，论述材料化学的内涵。化学的定义：化学关注原子分子水平的相互作用，比如，可以利用化学理论和方法从分子水平构筑材料，自主调节材料的功能，利用化学反应合成材料。材料科学与工程的四大要素，四要素间的相互关系。材料化学是关于材料的化学组成、结构与性能关系、合成制备方法、性能表征及其环境协调等问题的科学。材料化学是材料和化学结合的产物，是材料科学的重要分支，是材料科学的核心内容，也是化学学科的重要组成部分。4 材料的性能一、简答题1. 何谓腐蚀电池？构成腐蚀电池的3个必备基本条件是什么？ P72 答：当两种金属材料在电解质溶液中构成原电池时
2、，作为阳极的金属会被腐蚀，这种能导致金属腐蚀的原电池称为腐蚀电池。 基本条件：有电位差，有电解质溶液，有导线连接或直接接触。2. 有机溶剂中，热塑性、热固性高分子的行为差异？ P73 热塑性高分子材料使用适当的有机溶剂能将其溶解，而热固性高分子只会在有机溶剂中溶胀，不会出现溶解现象。3. 塑料防老化的常用方法有哪些，各自有怎样的作用原理？ P74 在制造成品时，加入适当的抗氧化剂和光稳定剂。4. 金属、无机非金属和高分子材料的硬度特征如何？ P77 无机非金属材料由离子键和共价键构成，由于两种键的强度均较高，故一般都具有较高的硬度；金属材料的硬度主要受金属晶体结构的影响，形成固溶体或合金时可显
3、著提高材料的硬度；高分子材料的分子链以共价键结合，但分子链之间主要以范德华力或氢键结合，健力较弱，因此硬度通常较低。5. 金属、无机非金属和聚合物材料的热膨胀性能有何差异？P796. 铁电材料 (铁磁材料) 的最典型特征，是存在居里温度和对外电场（磁场）响应的电滞(磁滞)回线，请结合所学知识，加以解释。P817. 金属、半导体和其他非金属材料的光吸收特性取决于什么因素？请解释。P868. 金属、无机绝缘材料、半导体和高分子材料在热传导中能量传递的方式有什么区别？9. 简述何谓压电效应和电致伸缩效应现象。10. 为什么紫外光谱检测需用石英比色皿，而Si可作为红外检测的样品基片？P86 一般玻璃在
4、紫外光区（320nm以下）有较强的吸收，而石英和蓝宝石则可以较好地透过紫外线，因此紫外线波段的应用中常使用石英或蓝宝石作为材料。硅在红外波段有大约50%的透过率，且没有杂峰，可用作红外光谱测量的样品基片。二、综合分析论述题1. 由材料受力时的形变情况可获得材料的强度数据。工程学上，材料受力及受力发生的形变可用应力-应变曲线表征。下图是不同力学性能材料在拉力作用下的应力-应变曲线，请结合图及所学知识回答以下问题：(1) 工程学上是如何定义应力和应变的。(2) 图中曲线A、B分别代表哪两类不同力学性能材料。(3) 试在图中曲线A、B上标出表征材料强度的指标有哪些，说明各指标代表的含义。 (4) 工
5、程设计中，材料的强度指标有何选用原则，试举例说明。2. 请结合势能曲线，解释材料的热膨胀现象。金属、无机非金属和高分子材料的热膨胀性能差异？典型势能曲线如图所示：原子间距离在r0处总势能达到最小(温度0K)，相应的相互作用力为0，即排斥力和吸引力大小相等，该距离即为平衡键合距离，也就是键长。当温度升高时，原子吸收热能产生振动，能量上升到E1，此时的平衡距离为r1，是势能曲线中间的截线的中点。由于势能曲线一般是不对称的，左边较陡而右边平缓，所以能量升高时，原子间的平衡距离增大。也即，当能量依次上升到E2、E3时，原子间的平衡距离也依次增大到r2、r3，宏观上就是材料的尺度的增加，也就是热膨胀。不
6、同材料的热膨胀性能不同，其中，金属和无机非金属材料的线膨胀系数小，而聚合物材料的线膨胀系数较大。这种差异可通过势能图解释如下： 当能量增加DE时，较强键的原子间平衡距离增加值Dr较小，而较弱键的原子间平衡距离增加值Dr较大。可见，原子间的键合力越强，则热膨胀系数越小。聚合物分子链间以范德华力结合，键合力较弱，因此热膨胀系数较大；而以离子键和共价键结合的陶瓷材料的热膨胀系数则较小。3. 眼镜片是一种光学透镜，在选购、使用眼镜片时，通常会遇到如下问题：(1) 如果眼镜屈光度比较高，则会被建议选用折射率比较大的镜片，为什么？(2) 市售的树脂镜片表面，通常都有颜色各异的镀膜层，结合所学知识，简单介绍
7、镜片表面的镀膜层可以起到哪些作用？为什么会出现不同的颜色？(3) 夏日来临，太阳镜成了大家出门的必备之选，请结合所学知识，简单介绍佩戴太阳能除了美观意外，还有什么好处?但如果太阳镜选择不当，可能会对眼睛带来伤害，为什么？4. 材料的颜色与其对光的吸收特性有关，对于无机非金属材料而言，其光吸收特性取决于能隙。试通过计算分析Si、CdS和钻石对可见光的吸收特性，并分析其在可见光下的颜色。已知，Si、CdS和钻石的能隙分别为1.1eV、2.45eV和5.45eV，普朗克常数h=6.621034Js，光速c=299792.458km/s。3 材料的制备一、简答题1. 何谓化学气相沉积法？2. 简述溶胶
8、-凝胶法的基本原理。3. 简述均匀沉淀法、共沉淀法和直接沉淀法的根本差异。4. 简述固相反应中，矿化剂的主要作用。5. 简述高温自蔓延合成法的原理。6. 简述液相骤冷法的特点。7. 有固相参与的反应中，通常对参与反应的固体颗粒尺度及其分布有一定的要求，请简单介绍。二、综合论述题1. 下图是当前商品化的4大类二次电池的性能比较，请根据所学知识回答以下问题：(1) 何谓二次电池?何谓一次电池？(2) 如何理解图中所示的能量密度和电流密度。(3) 四种二次电池中，锂离子电池因能量密度高、循环性能好、无记忆效应而成为现代高性能电池的代表，如何理解电池的记忆效应。(4) 以石墨为原料，经插层法制得的石墨
9、层间化合物，是性能优异的电极材料，请简述插层法和反插层法的原理。(5) 试分析石墨层间化合物在锂离子电池中的应用及工作原理。5-6 金属、无机非金属材料11. 普通陶瓷的原料主要有哪些？各有的作用？普通陶瓷的原料中必不可少的三组分是石英、粘土和长石。石英为耐高温骨架成分，粘土提供可塑性，长石为助熔剂。12. 金属陶瓷有何特点？金属陶瓷就是把金属的热稳定性、韧性与陶瓷的硬度、耐火度、耐蚀性等综合起来形成的具有高强、高韧、高耐蚀的新型材料。13. 为何细晶粒金属的强度和塑性都比粗晶粒金属高? （细晶强化）14. 简述形状记忆合金的特征15. 简述合金的结构类型，并说明Fe-C合金中的组织结构及其所
10、属类型。合金的结构类型Fe-C合金的组织结构机械混合物珠光体：铁素体和渗碳体的机械混合物莱氏体：奥氏体和渗碳体的机械混合物固溶体奥氏体：碳在g-Fe中的间隙固溶体铁素体：碳在a-Fe中的间隙固溶体马氏体：在a-Fe中的过饱和金属间化合物渗碳体Fe3C16. 储氢合金的储氢原理及吸放氢过程？储氢原理：在一定的温度和压力下，储氢合金能与氢化合生成金属氢化物；而且，储氢合金与氢的反应式可逆过程，改变温度、压力，金属氢化物释出氢气。吸氢过程：吸收少量氢时，形成固溶体，合金结构保持不变；含氢量达到一定量时，化合生成金属氢化物。放氢过程可逆。17. 何谓胶凝材料？有哪些类别？凡是能将散状材料或纤维材料胶结
11、在一起，经物理、化学作用，由浆体硬化而成固体的材料，称为胶凝材料。主要有两大类：气硬性和水硬性胶凝材料，前者只能在空气中凝结硬化，如石膏；后者能在空气和水中硬化，如，水泥。18. 结合自己的理解，请简单介绍哪些材料可以用于制作高速刀具？硬质合金、氮化硅陶瓷等二、计算题1. 有一根长5m，直径3mm的铝线，已知铝的弹性模量为70Gpa，求在200N的拉力作用下，此线的总长度。2. 金属铷(Rb)为A2型结构，Rb的原子半径为0.2468nm，密度为1.53g/cm3，试计算：(1) Rb的晶格参数a；(2) Rb的相对原子质量。已知12C的原子质量为1.9931026kg。3. LaNi5是典型
12、的储氢合金，属于六方密堆结构，假设LaNi5储氢后形成LaNi5H6，而且吸氢后晶胞体积不变，试计算LaNi5H6中的氢密度。已知，LaNi5的晶胞参数a=511pm，c=397pm。三、综合分析题1. 氢能被认为是21世纪最理想的绿色能源，而储氢合金是氢能储存的理想介质，下图是储氢合金-H在不同温度下的 PCT曲线，请根据所学知识回答以下问题：(1) 简述储氢合金的储氢原理；储氢合金储氢的原理在于：储氢合金与氢原子结合，生成稳定的金属氢化物，同时放出热量；相反，稍微加热，金属氢化物吸收热量而发生分解，释放氢气。简言之，储氢合金储氢的原理在于金属与氢的一个可逆反应过程，正向吸氢放热，逆向吸热释
13、氢。(2) 简述储氢合金的典型吸、放氢过程；(3) 判断图中所示3个温度值T1、T2、T3的大小关系；(4) 结合图中曲线，分析储氢合金吸放氢性能的主要指标。2. 二次电池因具有多次充放电的特点而广泛使用，下图是当前商品化的4大类二次电池的性能比较，请根据所学知识回答以下问题：(1) 如何理解图中所示的能量密度和电流密度。能量密度（Wh/kg)指的是单位重量的电池所储存的能量多少，1Wh等于3600焦耳（J)的能量，描述的是电池的容量大小，也即电池储存电量的多少。功率密度（W/kg)指的是单位重量的电池在放电时可以何种速率进行能量输出，描述的是电池的倍率性能，也即电池可以多大的电流放电。(2)
14、 四种二次电池中，锂离子电池因能量密度高、循环性能好、无记忆效应而成为现代高性能电池的代表，如何理解电池的记忆效应。(3) 以石墨为原料，经插层法制得的石墨层间化合物，是性能优异的电极材料，请简述插层法和反插层法的原理。插层与反插层法：以现有晶体材料为基础，把一些新的原子、离子、分子导入晶体材料的空位的方法称为插层法， 相反，有选择性地从晶体材料中移去某些原子、离子的方法称为反插层法。(4) 试分析石墨层间化合物、储氢合金在锂离子电池、镍氢电池领域的应用及工作原理。3. 腐蚀对于金属材料和制品有严重的破坏作用，当然，不同的使用环境中，金属的腐蚀情况也会不同。请结合所学知识，回答以下问题：(1)
15、 构成腐蚀电池需要具备哪些基本条件？(2) 金属表面涂漆可以防腐，如果在金属涂料底漆中加入一定量的缓蚀剂，则可以显著提高其缓蚀能力，为什么？(3) 一般海船的外壳上都会嵌入镁合金或锌块来起到保护船体的作用，请结合腐蚀电池原理及电极反应方程式，解释其理论依据。(4) 崭新的户外广告“金字”招牌牌通常金光闪闪，但时间一长，就会锈迹斑斑，究竟是什么原因？4. 形状记忆合金是一种新型的合金材料，因其性能特殊而用途非常广泛。试结合所学知识，回答以下问题：(1) 简述性状记忆合金的工作原理。(2) 写出用自蔓延高温合成技术制备TiNi形状记忆合金的反应式（需注明反应条件）。(3) 1969年阿波罗登月舱所使用的人造月面天线即为TiNi合金制造，请结合TiNi合金的马氏体相变过程简述其应用原理。2、什么是腐蚀电池？构成腐蚀电池需要具备哪些基本条件？实际应用中，一般海船的外壳上都会嵌入镁合金或锌块来起到保护船体的作用，其依据是什么？请结合腐蚀电池原理图加以论述。（20分）3、什么是形状记忆合金？简述自蔓延高温合成法的基本原理。写出用自蔓延高温合成技术制备TiNi
