化学竞赛-材料化学

纳米材料

1、    什么是纳米材料？纳米材料包括哪些类型？

答：所谓纳米材料，是指微观结构至少在一维方向上收纳米尺度（1-100nm）调制的各种固体超细材料，或由他们作为基本单元构成的材料。

2、    零维纳米材料：指在空间三维均在纳米尺度，如：纳米尺度颗粒、原子簇等；

一维纳米材料：指在空间二维均在纳米尺度，如：纳米丝、纳米管、纳米棒等；

二维纳米材料：指在空间一维均在纳米尺度，如：超薄膜、多层膜、超晶格等。

3、    纳米材料的特殊效应

① 小尺寸效应：当超细微粒的尺寸与光波波长、传导电子的德布罗意波长、超导态的相于长度或透射深度等物理特征尺寸相当或比它们更小时，一般固体材料赖以成立的周期性边界条件将被破坏，声、光、电磁、热力学等特性均会呈现新的尺寸效应。

② 表面效应：球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积(表面积/体积)与直径成反比。

③ 量子尺寸效应：当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连

续变为离散能级的现象，以及纳米半导体微粒存不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级，这些能隙变宽现象均称为量子尺寸效应。

④ 宏观量子隧道效应：量子隧道效应是从量子力学的粒子具有波粒二象性的观点出发

的，解释粒子能够穿越比总能量高的势垒，这是一种微观现象。

4、    当尺寸减小到纳米级时，因为其对可见光的反射率极低，强吸收率所以各种金属纳米微粒几乎都呈黑色。

5、    当粒子小到一定程度时（Si降到6nm），平移现象消失，因此出现发光现象。

6、    材料尺寸降到纳米级时，出现的热学新现象

① 熔点急剧下降；

② 扩散速率显著提高，烧结温度急剧下降；

③ 比热容和膨胀系数成倍增加。

7、当金属尺寸降到纳米级，电阻率降低。

8、溶胶-凝胶法的优缺点：溶胶凝胶法的特点：是可在低温下制备纯度高，粒径分布均匀、化学活性高的单、多组分混合物(分子级混合)，并可制备传统方法不能或难以制备的产物。缺点是：前驱体原料价格高、有机溶剂有毒性以及高温热处理下会使颗粒快速团聚等。

9、纳米材料优缺点：

优点：除味、杀菌、韧性强、延长老化时间等。

缺点：一、点缺陷，如空位，溶质原子和杂质原子等，这是一种零维缺陷。二、线缺陷，如位错，一种一维缺陷，位错的线长度及位错运动的平均自由程均小于晶粒的尺寸。三、面缺陷，如孪晶、层错等。

高分子材料

1、    高分子材料也称为联合物材料，它易以高分子化合物 (树脂)为基体，再配有其他添加剂所构成的材料。

高分子材料包括①天然高分子，如棉、麻、丝、毛等；②由天然满分子原科经化学加工而成的改性高分子材料，如黏胶纤维、醋酸纤维、改性淀粉等；③以及由小分子化合物通过聚合反应合成的合成高分子材料，如聚氯乙烯树脂、顺丁橡胶  丙烯酸涂料等。

2、    通用高分子材料主要有哪些类别?各有什么特点?

① 塑料：电的不良导体;耐化学腐蚀;易于加工。

② 橡胶:高弹性、粘弹性 、缓冲减震作用、电绝缘性等。

③ 纤维:柔软、有弹性。

④ 涂料:  绝缘、防锈、防霉、装饰等。

⑤ 黏合剂：较好的粘附性和弹性。

3、对复合型导电高分子材料和结构型导电高分子材料的导电原理和优缺点进行评述。

  （1）复合型: ①原理:复合型导电高分子材料的导电性与导电填料填充密度紧密相关。当导电填料浓度较低的。电导率随导电填料浓度增加变化很小,但当浓度达某一数值. 电导率急剧上升，超过这一值后，电导率增加又平缓②优点：制备工艺简单，成型加个方便，且具有较好的导电性能。③缺点：导电性填料需要达到一定浓度才能发挥作用。

（2）结构型导电：①原理:结构型导电高分子本身具有“固有”的导电性，由聚合物结构提供导电载流子。②优点:导电能力在整个材料中均匀一致，导电状态容易得到迅速控制。

③缺点：造价昂贵，加工处理困难，化学稳定性较差。

无机非金属

1、普通水泥的主要成分和生产原料分别是什么？

  主要成分有硅酸二钙、硅酸三钙、铝酸三钙

  生产原料是石灰石和黏土。

2、简述玻璃的通性？

各向同性：均质玻璃在各个方向的性质如折射率、硬度、弹性模量、热膨胀系数等性能相同.

介稳性：当熔体冷却成玻璃体时,它能在较低温度下保留高温时的结构而不变化.

可逆渐变性：熔融态向玻璃态转化是可逆和渐变的.

连续性：熔融态向玻璃态转变时物理化学性质随温度变化是连续的.

3、钢化玻璃与普通玻璃相比具有什么优缺点？

  （1）优点：①钢化玻璃的强度比普通玻璃高数倍，提高强度的同时亦提高了安全性。

        ②钢化玻璃使用比普通玻璃安全，耐急冷急热性质也比普通玻璃高2~3倍，对防止炸裂有明显的效果。

 （2）缺点：一是钢化玻璃在温差变化大时有自爆的可能性，而普通玻璃没有；二是钢化后的玻璃不能再进行切割和加工。

4、什么是陶瓷？陶瓷的微结构包括哪三相？陶瓷包括哪些种类？

① 定义:陶瓷是天然或人工合成的粉状化合物，经过成型和高温烧结制成的，由全属和非金属元素或非金属元素与非金属元素的无机化合物构成的多晶固体材料。

② 微结构包括:晶相、玻璃相和气孔三相

③ 分类a.普通陶瓷:陶器、瓷器、熔器

b.特种陶瓷:结构陶瓷：氧化铝陶瓷、氦化硅陶瓷、碳化硅陶瓷等

                  功能陶瓷:介电陶瓷、导电陶瓷、敏感性陶瓷等

5、陶器和瓷器的区别是什么？

区别：（1）陶器的原料是黏土，黏土随处可取，不受地理条件的限制。

陶器烧制的温度比较低一般是800摄士度。

陶器的密度小，吸水率较高。

陶器一般单纯由陶胎组成，到后来才在陶器上涂釉。

（2）瓷器的胎料必须是瓷土的。瓷器的胎体必须经过1200℃——1300℃的高温焙烧，才具备瓷器的物理性能，瓷器表面所施的釉，必须是在高温之下和瓷器一道烧成的玻璃质釉，瓷器烧成之后，胎体必须坚硬结实，组织致密，叩之能发出清脆悦耳的金属声。

6、结构陶瓷具有什么特性？例举一些常见的结构陶瓷？

 （1）结构陶瓷是指作为工程结构材料使用的陶瓷材料，具有高机械强度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦，以及高硬度等特性。

（2）比如氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷、六方氮化硼陶瓷。

7、热敏陶瓷和压敏陶瓷分别具有什么特点？各有什么用途 ?

① 热敏陶瓷：特点:对温度变化敏感，应用广泛的热敏电阻：电阻值随温度升高而增大或随温度升高面减小。

  用途:电子设备等产品中达自动消磁、过热过流保护、电机启动、恒温加热、温度补偿、抑制浪涌电流等场合。

② 敏陶瓷：特点：电阻值对外加电压敏感、阻值随外加压呈非线性变化，I与V之比不为定值。电压很小的增量,可引起较大的电流上升。

用途：过压保护、高能浪涌吸收和高压稳压等。

8、解释以下概念：

半导体:导电性能介于导体和绝缘体之间的物质

元素半导体：是指由单体元素构成的半导体材料。共有12种元素具有半导体性质。

化合物半导体：化合物半导体多指晶态无机化合物半导体，即是指由两种或两种以上元素以

确定的原子配比形成的化合物，并具有确定的禁带宽度和能带结构等半导体性质。

固溶半导体:由元素半导体或化合物半导体互相溶解而形成的具有半导体性质的固体材料

非晶态半导体:非晶半导体又称无定形半导体或玻璃半导体,非晶态固体中具有半导电性的一类材料。

超晶格半导体:半导体超晶格是指由一组多层薄膜周期重复排列而成的单晶

本征半导体:是完全不含杂质且无晶格缺陷的纯净半导体称为本征半导体

掺杂半导体:但实际半导体不能绝对的纯净，此类半导体称为杂质半导体

金属

  5、解释下列名词

  奥氏体（A）:碳溶解在r-Fe中的间隙固溶体。

马氏体(M):碳在a-Fe中的过饱和固溶体。

  渗碳体(C):碳与铁形成的一种具有极高硬度的脆性化合物Fe3C。

铁素体（F）:碳溶解在a-Fe立方晶格中的间隙固溶体。

珠光体(P):铁素体和渗碳体相间成层排列的混合物。

亚共析钢:含碳量在0.0218-07%之间的结构钢。

共析钢：具有共析成分含0.77%碳的碳素钢。

过共析钢：含碳量高于0.77%的碳素钢。

  9.什么是形状记忆合金?形状记忆合金的作用机理是什么样的？形状记忆合金有什么用途?

  ①形状记忆合金:具有一定初始形状的合金经形变并固定成一种形状后,通过热、光、电等物理或化学刺激处理又恢复初始形状的合金；

②机理:合金在特定温度下发生的马氏体相--奥氏体相组织结构相互转换。

用途:军事和航天工业方面：大型月面天线；

        工程方面：制作管接口、自控元件等；

医疗方面：移植材料、 接骨的接骨板等；

        形状记忆式热发动机。

材料

1.什么是材料？材料和化学试剂有什么区别?

  答：（1）材料是具有使其能够用于机械、结构、设备和产品的性质的物质。材料首先是一种物质,这种物质具有一定的性能或功能，从而为人们所使用。

（2）材料与化学试剂的区别在于:化学试剂在使用过程中通常被消耗并转化成别的物质,而材料则一般可重复、持续使用，除了正常的损耗外，它不会不可逆转地转变成其他的物质。

 2.什么是材料化学？材料化学的主要研究内容是什么?

  答：（1）材料化学是与材料相关的化学学科的一个分支，是与材料的结构、性质、制备及应用相关的化学，其主要特点是跨学科性和实践性。

（2）材料化学的主要研究内容是:

  结构:组成原子、分子在不同层次上彼此结合的形式、状态和空间分布；

  性能:材料固有的化学性能、物理性能及力学方面的性能等；

  制备：将原子、分子聚合起来并最终转变为有用的产品的一系列连续的过程；

  应用:材料的应用。

3.材料按组成和结构可以分为哪些类型?

  答：材料按化学组成与结构一般可分为金属材料、无机非金属材料、聚合物材料和复合材料四大类。其中复合材料是由两种或多种基本材料相结合而构成的，其组成、结构和性能特点有别于其他三类基本材料。

材料的结构和性能

1.晶体和非晶体有哪些区别？

 答：（1）从空间结构上来说:晶体长程短程都有序，非晶体长程无序，短程有序。

   （2）从宏观性质来说: 晶体有整齐、规则的几何外形，非晶体没有一定的几何形状；晶体具有各向异性,非晶体有各向同性;晶体有固定的熔点，非晶体没有固定熔点。

   （3）从热力学角度来看:晶体为热力学稳定状态，非晶体热力学不稳定。

2.什么是晶格和晶胞?晶胞参数包括哪些参数？根据晶胞参数可以将晶体分为哪些体系？

 答：（1）把晶体中质点的中心用直线连起来构成的空间格架即晶体格子，简称晶格；构成晶格的最基本的几何单元称为晶胞。

（2）晶胞参数包括边长a、b、c（叫晶轴）和轴间夹角ɑ、B、r共6个参数。

（3）晶体可分为三斜晶系、单斜晶系、正交晶系、三方晶系、四方晶系、六方晶系以及立方晶系共7个晶系。

3.就形成金属晶体而言，金属原子有哪几种堆积方式？

 答：常见的有六方堆积、面心立方堆积和体心立方堆积三种类型。

4、什么是晶体缺陷?包括哪些类型？

 答：（1）晶体中原子、离子、分子存在排列的不规则性及不完整性，偏离理想的周期性排列的区域，称之为晶体缺陷。

   （2）种类：点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷。

5.什么是点缺陷？包括哪些类型？

 答：（1）点缺陷是在晶格结点上或邻近的微观区域内偏离晶体结构的正常排列的一种缺陷，是最简单的晶体缺陷。

（2）类型：空位、间隙原子、杂质原子。

6.什么是位错？包括哪些类型？刃型位错和螺型位错有什么差别？

 答：（1）晶体在结晶时受到杂质、温度变化或振动产生的应力作用，或由于受到机械应力的作用，使晶体内部质点排列变形，原子行间相互滑移，而不再符合理想晶体的有秩序的排列，由此形成的缺陷称位错。

（2）类型：刃型位错、螺型位错和混合位错。（运动分为滑移和攀移）

（3）差别：①刃型位错具有一个额外的半原子面，而螺型位错无；②刃型位错必须与滑移方向垂直，也垂直于滑移矢量；而螺型位错线与滑移矢量平行，且位错线的移动方向与晶体滑移方向互相垂直。③刃型位错的滑移线不一定是直线，可以是折线或曲线；而螺型位错的滑移线一定是直线。④刃位错的滑移面只有一个，不能在其他面上进行滑移；而螺位错的滑移面不是唯一的。⑤刃位错周围的点阵发生弹性畸变，既有切应变，又有正应变；而螺型位错只有切应变没有正应变。

7.什么是固溶体？有哪些类型的固溶体？

 答：（1）固溶体是指一种或多种溶质组元溶入晶态溶剂并保持溶剂的晶格类型所形成的单相晶态固体。

（2）类型：填隙型固溶体和置换型固溶体。

8.解释材料的疲劳性能和疲劳极限。

 答：（1）疲劳是指材料在循环受力下，在某点或某些点产生局部的永久性损伤，并在一定循环次数后形成裂纹或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象，疲劳破坏是一种损伤积累的过程，而疲劳性能就是材料抵抗疲劳破坏的能力。

（2）疲劳极限：经过无限多次循环应力作用而材料不发生断裂的最大应力，称为疲劳极限。

9.物质的磁性是怎样产生的？有哪些类型？

 答：（1）物质的磁性来源于原子的磁性,原子具有磁矩，由于原子的结构不同所以各种原子的磁矩不同，有的可能为零；而原子的磁矩来源于电子；电子的磁矩又分为轨道磁矩和自旋磁矩两部分,有时也用磁偶极矩来表示磁性的强弱。

（2）类型：顺磁性、反磁性、铁磁性、反铁磁性和铁氧体磁性。

10、什么是热缺陷?热缺陷包括哪两种类型，这两种类型的差别有哪些?

热缺陷：由于原子的热起动使其偏离正常结点而形成的缺陷。

类型:弗仑克尔缺陷和肖特基缺陷。

  差别：①弗仑克尔缺陷，原子（离子)离开平衡位置,挤入晶格间隙中,在原来位置留下空位；空位与间隙粒子成对出现，数量相等，晶体体积不变化。

②肖特基缺陷:原子(离于)移动到晶体表面或晶界的格点位上,在晶体内部留下相应的空位；晶体体积圈胀，密度下降。

11、生成无限固溶体必须符合哪些条件?

②原子或离子尺寸差：溶质与溶剂的原子或离子半径相近，半径差  r<15%。

  ②电价因素：溶质与溶剂离子价相同或同号离子离于价总和相同，满足电中性要求,才可生成无限固溶体。

③电负性影响：两者电负性相差不大。

① 体结构因素:晶体结构类型要相同。

12.材料的化学性能包括哪些？对金属材料、无机非金属材料和高分子材料而言，它们的哪些化学性能是特别需要关注的?

  答：包括:①耐氧化性②耐酸碱性③耐有机溶剂性④耐老化性；

金属材料:特别关注耐氧化性，因金属易去电子而被氧化。

      无机非金属材料:耐酸碱性，因无机化合物多具有一定的酸性或碱性。

高分子材料：耐有机溶剂性，因高分子材料可被溶剂溶解；

                  耐老化性，高分子材料在太阳光下易发生降解反应。

13.什么铁电性和压电性?什么是正压电效应和负压电效应，分别有什么应用?

铁电性：外电场作用下电介质产生极化，而某些材料在除去外电场后仍保持部分极化状态，这种现象称为铁电性。

    压电性:对BaTi03之类的铁电材料施加压力，导致极化发生改变， 从而在样品两侧产生小电压的现象。

    正压电效应：当压力方向改变时，电荷极性随之改变，这种现象称"正压电效应”

负压电效应：对压电体两侧施加电正，则可引起其尺寸发生变化的现象。

应用：正压电效应：压力传感器

          负压电效应：音频发声器件，如特声器、耳机等。

14、什么是硬磁材料和软磁材料？它们分别具有什么特性和有什么用途?

①硬磁材料：在磁化后不易退磁而能长期保留磁性的材料。

       特征：剩余磁化强度和矫顽力均很大，性能较好，成本低。

用途：电讯器件，如录音器、电话机等。

② 磁材料:在较弱磁场下,易磁化也易退磁的材料。

    特征:高磁导率、低矫顽力 、磁滞损耗低。

用途:电感元件如变压器等。

15、一束光照射到均匀材料上可能会发生哪些光学情况？

① 一部分被材料表面所反射；

② 一部分被材料所吸收；

③ 一部分通过材料。