课后习题答案
第二章
1. 0K时纯物质完美晶体的熵值为零 limΔS*（T）=0（J·K-1）或S*（完美晶体，0K）
T?0=0 J·K-1
??T???V???S???T???p???T???p???V???????????????????????2. ? ? ? ??p??p?S?T?V?S?V?S?s??V??s??V?p???p??s???T ??G??B?GB???n??3. 化学势 ?B?T，p，nC4. 蒸气压下降、凝固点降低、沸点升高及渗透压
5. 液-气 固-气 固-液 液-液 固-固 固-气界面 液-气界面 6. > > >
7. 第一类电极（金属电极、气体电极）、第二类电极（金属-难溶盐电极、金属-难溶氧化物电极）、氧化还原电极。
8. 自由度 组分数 相数 f?c?p?2 二、名词解释
拉乌尔定律指气液平衡时稀溶液中溶剂A在气相中的蒸气压pA等于同一温度下该纯溶剂的饱和蒸气压pA与溶液中溶剂的摩尔分数xA的乘积。
亨利定律指在一定温度下，稀溶液中易挥发溶质B在平衡气相中的分压pB与其在平衡液相中的摩尔分数xB成正比。
化学反应并非都是由反应物直接生成生成物，而是分若干真实步骤进行的，这些步骤称为基元反应。
速率与反应中各反应物浓度的幂乘积成正比，这一规律称为基元反应的质量作用定律，其中各反应物浓度的幂指数为反应物的系数。
稳态近似处理指假定中间物浓度不随时间而改变的处理方法。
相图又称平衡状态图，是用几何 (图解)的方式来描述处于平衡状态下，物质的成分、相和外界条件相互关系的示意图。
当电化学系统中有电流通过时，两个电极上的实际电极电势将偏离其平衡电势?e，这种现象称为电极的。
三、简答题
1. 亚稳状态是一种热力学不稳定状态，如过饱和溶液、过冷熔体，但在一定条件下能长期存在。亚稳状态能长久存在是动力学原因，虽然从热力学角度考虑，亚稳状态有自发变成稳定状态的趋势，但实际进行中需要克服一定的活化能，如果活化能太高，过程进行的速度就很慢甚至为零，因此体系就能长期处于亚稳状态。生产中经常遇到亚稳状态，有时需要保护，有时需要破坏，如非晶体材料制备就是将材料高温熔融后迅速冷却，使晶格排列长程无序，从而形成非晶态亚稳结构，使材料的耐腐蚀性能和力学性能得以提高。金属材料退火处理是为了消除淬火等处理产生的一些不平衡相，使材料的内部组织重新达到平衡状态。 2.按吸附作用的性质不同，可将吸附分为物理吸附和化学吸附，其主要区别如表2-1所示。
表2-1 物理吸附与化学吸附的区别
* 1
项目 吸附力 物理吸附 分子间力 化学吸附 化学键力 单分子层 高 项目 吸附热 吸附速率 吸附选择性 物理吸附 小 快 无 化学吸附 大 慢 有 吸附分子层 多分子层或单分子层 吸附温度 低 3. 热分析法是绘制相图常用的基本方法，其原理是根据系统在冷却过程中，温度随时间的变化情况来判断系统是否发生了相变化。先将样品加热成液态，然后令其缓慢而均匀地冷却，记录冷却过程中系统在不同时刻的温度数据，以温度为纵坐标，时间为横坐标，绘制成温度-时间曲线，即冷却曲线(或称为步冷曲线)，由若干条组成不同的冷却曲线可绘制出相图。当出现相变时，冷却曲线发生转折，转折点就是相变点。测出各种不同成分样品的相变温度，并把这些数据引入以温度为纵坐标、成分为横坐标的坐标系中，连接相关点，得到相应的曲线。所有的曲线把图分成若干区间，这些区间分别限定了成分、温度范围，称为相区 (phase filed)。通过必要的组织分析测出各相区所含的相 (如图中的液相L和固溶体α)，将其名称分别标注在相应的相区中，最终形成相图。
第三章
1. 提拉法 坩埚下降法 区熔法
2. 高温热源 等离子体 阴极溅射法 真空蒸镀 3. 辉光放电等离子体 射频等离子体 电弧等离子体 4. 沉淀剂 直接沉淀法 共沉淀法 均匀沉淀法
5.纯固相反应 气固相反应 液固相反应 扩散控制过程 化学反应速度控制过程 晶核成核速率控制过程 氧化反应 还原反应
6. 插层法 反插层法 二、名词解释
水热法指在高压釜中，通过对反应体系加热、加压，产生相对高温、高压的反应环境，使通常难溶或不溶的物质溶解而达到过饱和、进而析出晶体的方法。
高温溶液生长法又称熔盐法，是采用液态金属或熔融无机化合物为溶剂，在高温下把晶体原料溶解，形成均匀的饱和溶液，通过缓慢降温或其他方法析出晶体的技术。
离子镀指蒸发物质的分子被电子碰撞电离后以离子形式沉积在固体表面的方法，是真空蒸镀与阴极溅射技术的结合。
化学气相输运指在一定条件下把材料转变成挥发性的中间体，再改变条件使原来的材料重新形成的过程。
溶胶-凝胶法是通过凝胶前驱体的水解缩聚制备金属氧化物材料的湿化学方法。它提供了一种常温、常压下合成无机陶瓷、玻璃等材料的方法。
自蔓延高温合成法简称SHS，是利用反应物间化学反应热的自加热和自传导作用来合成材料的一种技术。
三、简答题
1. 化学气相沉积法(CVD)是指通过气相化学反应生成固态产物并沉积在固体表面的方法。可用于制造覆膜、粉末、纤维等材料，它是半导体工业中应用最为广泛的沉积多种材料的技术，包括大范围的绝缘材料、大多数金属材料和合金材料。按所采用的反应能源不同，CVD技术可分为热能化学气相沉积法(thermal CVD)、等离子体增强化学气相沉积法
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(plasma-enhanced CVD，PECVD)和光化学气相沉积法 (photo CVD，PHCVD)。按气体压力大小，可分为常压化学气相沉积法(APCVD)、低压化学气相沉积法(LPCVD)、亚常压化学气相沉积法 (SACVD)、超高真空化学气相沉积法(UHCVD)等。
2.溶胶-凝胶法一般以含高化学活性结构的化合物 (无机盐或金属醇盐)为前驱体 (起始原料)，其主要反应步骤是先将前驱体溶于溶剂 (水或有机溶剂)中，形成均匀的溶液，并进行水解、缩合，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，经陈化胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络结构，网络间充满了失去流动性的溶剂，形成凝胶。凝胶经过后处理(如干燥、烧结固化)可制备出所需的材料。
溶胶-凝胶法与其他方法相比具有许多独特的优点：
（1）由于溶胶-凝胶法中所用的原料首先被分散到溶剂中形成低黏度的溶液，因此可在很短的时间内获得分子水平的均匀性，在形成凝胶时，反应物之间很可能是在分子水平上被均匀的混合；
（2）经过溶液反应步骤，很容易均匀定量的掺入一些微量元素，实现分子水平上的均匀掺杂；
（3）一般认为溶胶-凝胶体系中组分的扩散在纳米范围内，而固相反应时组分扩散在微米范围内，因此化学反应较容易进行且所需温度较低； （4）选择合适的条件可以制备各种新型材料。 溶胶-凝胶法存在的问题：
（1）所使用的原料价格比较昂贵，有些原料为有机物，对健康有害； （2）通常整个溶胶-凝胶过程所需时间较长，常需要几天或几周；
（3）凝胶中存在大量微孔，在干燥过程中会逸出许多气体及有机物，并产生收缩 3. 矿化剂的作用主要有如下：
（1）改变反应机制降低反应活化能； （2）影响晶核的生成速率； （3）影响结晶速率及晶格结构；
（4）降低系统的共熔点，改善液相性质等。
4.
根据燃烧合成所采用的设备以及最终产物的结构等，可以将SHS分为6种主要技术形式。
(l)SHS制粉技术 SHS中最简单的技术，反应物料在一定的气氛中燃烧，再粉碎、研磨燃烧产物，能得到不同规格的粉末。利用此技术，可以得到高质量的粉末。
(2)SHS烧结技术 SHS烧结是通过固相反应烧结，制得一定形状和尺寸的产品，它可以在空气、真空或特殊气氛中烧结。利用SHS烧结技术可制得高质量、高熔点的难熔化合物产品。
(3)SHS致密化技术 把SHS技术同致密化技术相结合得到致密产品的技术。常用的SHS致密化技术有SHS-加压法、SHS-挤压法、SHS-等静压。
（4）SHS熔铸 通过选择高放热性反应物形成超过产物熔点的燃烧温度，从而获得难熔物质的液相产品。高温液相可以进行传统的铸造处理，以获得铸锭或铸件，故该技术称为SHS熔铸。可用于陶瓷内衬钢管的离心铸造、钻头或刀具的耐磨涂层等。
(5)SHS焊接 在待焊接的两块材料之间填进合适的燃烧反应原料，以一定的压力夹紧待焊材料，待中间原料的燃烧反应过程完成以后，即可实现两块材料之间的焊接，这种方法己被用来焊接SiC-SiC、耐火材料-耐火材料、金属-陶瓷、金属-金属等系统。利用该技术可获得在高温环境使用的焊接件。
(6)SHS涂层 SHS制备涂层的工艺包括SHS熔铸涂层、SHS铸渗涂层、 SHS烧结涂
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层、气相传输SHS涂层、SHS喷射沉积涂层、自反应涂层。
5. 液相骤冷是目前制备非晶态金属和合金的主要方法之一，并已进入工业化生产阶段。它的基本特点是先将金属或合金加热熔融成液态，然后通过不同途径使熔体急速的降温，降温速度高达105~108C/s，以致晶体生长来不及成核就降温到原子热运动足够低的温度，从而把熔体中的无序结构“冻结”并保留下来，得到结构无序的固体材料，即非晶或玻璃态材料。样品可以制成几微米到几十微米的薄片、薄带或细丝状。
第四章
1.什么是腐蚀电池，其形成应具备哪些基本条件？
能导致金属腐蚀的原电池为腐蚀电池。形成腐蚀电池必须具备三个基本条件：（1）不同金属或同种金属的不同区域间有电位差存在，且电位差越大，腐蚀越剧烈。较活泼金属的电位较低，成为阳极而遭受腐蚀；较不活泼金属电位较高，作为阴极起传递电子的作用，不受腐蚀。（2）两极材料共处于相连通的电解质溶液中。潮湿的空气因溶解了SO2等酸性气体，构成电解质溶液。（3）具有不同电位的金属之间必须有导线连接或直接接触。
2. 什么是材料的强度指标？这些指标各代表什么含义？
?e 、?s (或?0.2)、
?b和?k为材料的强度指标。?e为在弹性变形阶段，弹性变形的
最大值所对应的应力称为弹性极限。应力随应变增加而继续增大，但达到某一个值后反而下降，该值为材料的屈服强度(yield strength, ?s)，表示材料开始发生明显塑性变形的抗力。当应力达到最大值?b时，试样的均匀变形中止，?b值称为材料的拉伸强度 (tensile strength)或极限强度，表示材料在载荷作用下发生断裂前的最大应力。在?b以后，试样开始发生不均匀塑性变形并形成颈缩 (necking)，应力下降，当应力达?k时，试样断裂。?k称为材料的断裂应力 (fracture stress)，表示材料对塑性变形的极限抗力。
3. 何谓材料的塑性，塑性用何种指标来评定?
材料的延展性或塑性 (ductility)则与材料断裂时的伸长程度有关，可以用伸长率 (elongation,?)和断面收缩率 (reduction of area，?)表示。伸长率是试样拉断后长度的相对伸长量，试样拉伸后其截面积减小，断面收缩率是试样拉断后横截面的相对收缩值。
4. 比较布氏、洛氏、维氏硬度的测量原理及应用范围。
（1）布氏硬度 在直径为D(一般为l0mm)的硬钢球上施加负荷F，压入被测金属表面，保持规定时间后卸载，根据被测金属表面压痕直径D，使用公式计算布氏硬度HB。
P
HB?(?/2)D(D?D2?Di2)布式硬度压痕较大，测量值准，适用于测定未经淬火的钢、铸铁、有色金属或质地轻柔的轴承合金等，不适用于测定硬度较高的材料。
（2）洛氏硬度 用一个顶角120°的金刚石圆锥体或直径为1.59mm、3.18mm的钢球，在一定载荷F下压入被测材料表面，由压痕的深度h求出材料的硬度。压入深度h越大，硬度越低；反之，则硬度越高。计算中为了使数值越大，硬度越高，采用一个常数K减去h来表示硬度的高低，并用每0.002mm的压痕深度为一个硬度单位。由此获得的硬度称为洛氏硬度，用符号HR表示，即HR=(K-h)/0.002。根据试验材料硬度的不同，分HRA、HRB和HRC三种不同的标度，其中HRC和HRA的K值取0.2；HRB的K值取0.26。HRA是采用60kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度极高的材料(如硬质合金等)；HRB是
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采用100kg载荷和直径1.58mm淬硬的钢球求得的硬度，用于硬度较低的材料 (如退火钢、铸铁等)；HRC是采用150kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度很高的材料。洛式硬度压痕很小，测量值有局部性，需测数点求平均值，适用于成品和薄片。
（3）维氏硬度 是以49.03~980.7N的负荷，将相对面夹角为136°的方锥形金刚石压入器压在材料表面，保持规定时间后卸载，测量压痕对角线长度，再按公式计算硬度。
HV=0.189F/d2
式中：F为作用在压头上的载荷，N；d为压痕两对角线长度的平均值，mm；HV值的单位为N/m，但习惯上只写出硬度值而不标出单位。维氏硬度适用于较大工件和较深表面层的硬度测定。还有小负荷维氏硬度，试验负荷为1.961~49.03N，适用于较薄工件、工具表面或镀层硬度的测定；显微维氏硬度，试验负荷<1.961N，适用于金属箔、极薄表面层的硬度测定。
5. 什么是材料的疲劳?有哪些指标反应材料的疲劳性能?
疲劳(fatigue)指材料在循环受力 (拉伸、压缩、弯曲、剪切等)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。疲劳性能就是材料抵抗疲劳破坏的能力，常以S-N曲线表征，S为应力水平，N为疲劳寿命，即在循环载荷下，产生疲劳破坏所需的应力或应变循环数。在S-N曲线上，对应某一寿命值的最大应力称为疲劳强度。由图3-5可见，高应力下寿命较短，随着应力降低，寿命不断增加。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，用?-1表示。鉴于疲劳极限存在较大的分散性，把疲劳极限定义为指定循环基数下中值的疲劳强度。
6. 什么是热膨胀，其受什么因素影响?
大多数物质的体积都随温度的升高而增大，这种现象称为热膨胀。材料的热膨胀性与材料中原子结合情况有关，结合键越强则原子间作用力越大，原子离开平衡位置所需的能量越高，则热膨胀系数越小。结构紧密的晶体的热膨胀系数比结构松散的非晶体的热膨胀系数大；共价键材料与金属相比，一般具有较低的热膨胀系数；离子键材料与金属相比，具有较高的热膨胀系数；高分子材料与大多数金属和陶瓷相比有较大的热膨胀系数；塑料的线膨胀系数一般高于金属的3~4倍。
7. 何谓压电效应，简述其产生原因?
当对石英晶体在一定方向上施加机械应力时，在其两端表面上会出现数量相等、符号相反的束缚电荷；当作用力反向时，表面电荷电性也反号，而且在一定范围内电荷密度与作用力成正比。反之，石英晶体在一定方向的电场作用下，则会产生外形尺寸的变化，在一定范围内，其形变与电场强度成正比。前者称为正压电效应，后者称为逆压电效应，统称为压电效应。
晶体的压电效应的本质是因为机械作用(应力与应变)引起了晶体介质的“极化”，从而导致介质两端表面上出现符号相反的束缚电荷，其机理见图3-7。图3-7(a)表示压电晶体中质点在某方向上的投影。此时晶体不受外力作用，正电荷重心与负电荷重心重合，整个晶体总电矩为零(这是简化了的假定)，因而晶体表面无荷电。但是当沿某一方向对晶体施加机械力时，晶体由于形变导致正、负电荷重心不重合，即电矩发生变化，从而引起晶体表面荷电。图3-7(b)为晶体在压缩时的荷电的情况，图3-7(c)是拉伸时的荷电情况。在后两种情况下，晶体表面电荷符号相反。如果将一块压电晶体置于外电场中，由于电场作用，晶体内部正、负电荷重心产生位移，导致晶体发生形变，这个效应即为逆压电效应
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材料化学___(宿辉)___习题答案
