西安交通大学电气材料课后题

第一章绪论1-1.什么是电气材料？主要有哪些种类？1.电气材料是指在电力设备中应用的材料。电气材料是构成电力设备的基础物质，是实现电力设备各种功能的基础，是电力设备安全可靠运行的基本保证。2.根据其电气功能，电气材料主要分为电介质绝缘材料、半导体材料、导电材料、磁性材料。1-2.什么是电力设备？电力系统中的电力设备主要有哪些类别？电力设备是指在电力系统中能够实现电能的生产、传输、变换、分配、使用的设备的总称。电力设备的分类：按电力先后顺序，分为：发电设备、变电设备、输电设备和用电设备。按在电力系统中所起的作用，分为：一次设备、二次设备。按技术重要程度，分为：核心设备、辅助设备。按经济价值差异，分为：大型贵重设备、普通设备。1-3.电气材料的作用和地位？1.电气材料是构成电力设备的基础物质，是实现电力设备各种功能的基础，是电力设备安全可靠运行的基本保证。随着导电材料、半导体材料、磁性材料和绝缘材料的发展，使人们在电磁场理论与量子力学的基础上，设计制造出各种电力设备与器件，实现对电能产生、传输、变换及应用过程的控制，发展形成现代电力工业并使之成为国民经济的命脉。2.在电气功能技术领域中，电气材料始终占有不可替代的重要地位。各种电气新技术的产生，往往都要通过相应的设备和器件来实现，设备和器件需要各种材料来进行制作，即使是原理上可行的新技术和新产品，如果没有相应的材料，也都无法实现。1-4.电气设备的作用和地位？1.电力设备是电力系统的基本组成单元。电力系统是发电厂的发电机、电力网的变压器和输电线路以及各种用电设备按照一定的规律连接而组成的统一整体，电脑产生、传输、变换、分配使用等多个环节都是通过电力设备来完成的。2.电力系统的安全稳定运行的关键在于电力设备的绝缘和电力设备的故障检测，电力设备的生产能力和技术水平决定着电力系统运行的效率和质量。1-5.电气材料与电力设备二者之间的关系？1.在电气工程技术领域中，电气材料始终占用着不可替代的重要地位。各种电气新技术的产生，往往都要通过相应的设备和器件来实现，设备和器件需要各种材料来进行制作，即使是原理上可行的新技术和新产品，如果没有相应的材料，也都无法实现。电气材料是构成电力设备的基础物质，是实现电力设备各种功能的基础，是电力设备安全可靠运行的基本保证。2.电力系统和电力设备发展也对于电气材料的发展提出来新的要求。（例如，特高压直流输电、环境友好绝缘材料、纳米绝缘材料）第二章电气材料基础2-1请举例说明电气材料的结构与性能的关系？电气材料的结构对性能起决定性的作用，各种材料之所以具有不同性能，是由于物质结构不同所致。举例:ZnO压敏陶瓷2-2如何描述原子的微观结构？1.原子模型：“壳层模型”认为原子是由位于原子中心带正电的原子核和环绕核的带负电的电子云所组成。原子核由质子和中子组成，每个质子带一个单位正电荷，中子为电中性，原子核所带正电荷与核外电子云所带负电荷相等，通常情况下整个原子呈现电中性。原子的质量主要集中在原子核。2.电子运动：按照量子力学用统计的观点去认识电子在核外空间的几率分布。描述电子的运动状态时，需要有四个量子数（n,l,m,𝑚𝑠）。3.原子中的电子分布：可以用泡利不相容原理、能量最小原理和洪特原理来描述。一般来说，原子中的电子只能处于一系列特定的运动状态，所以在每一主壳层上就只能容纳一定数量的电子；同样，也不能将所有的电子填入一个亚壳层中。原子中电子的分布主要由泡利不相容原理和能量最低原理来确定，并遵循洪特规则。4.原子中电子的得失：闭壳层外的最外亚层上的电子远离原子核，在原子相互作用中扮演重要角色。在化学反应中，这些电子首先与相邻原子的外层电子发生相互作用，故最外层的电子也称为价电子，决定元素的化合价。例如碱金属Li、Na、K等原子在闭壳层外有一个电子，很容易失去这个电子而成为一价正离子，以形成稳定的闭壳层结构。2-3原子中电子分布应遵循什么原理？泡利不相容原理、能量最小原理和洪特规则。2-4分子是如何形成的？原子是由带正电的原子核和围绕其周围运动的带负电的电子所组成。当两个原子靠近时，相邻原子核及价电子之间产生相互作用，同时存在着方向相反的吸引力和排斥力，在某一距离下两种作用力相互抵消，结果在两个原子间形成稳定结合的化学键而生成一个分子。键的形成意味着两相连原子系统的能量必须小于两个分离原子的能量，使分子形成更稳定的结构。2-5化学键的类型及构成物质的特点?化学键可分为共价键、离子键和金属键三大类。1.共价键：两个相同或不同元素的原子由于共同拥有（以电子云重叠的方式）部分或全部价电子而形成的化学键所形成的化合物称为共价化合物。当这类共价键物质的固体熔化或液体汽化时，分子内的化学键并未破坏，只需克服组成固体或液体物质的微弱分子间力。因此，这类共价键物质具有较低的熔点和沸点。2.离子键：原子间的相互作用产生电子转移，形成正负离子，正负离子间库仑力的相互作用而形成的化学键。离子键往往由金属-非金属元素组成。离子键化合物具有许多共同的物理性质。例如：1）强度高、易碎、熔点高（与金属相比）2）易溶于极性液体如水中，形成导电离子3）所有电子被严格束缚在离子上，因此，离子型固体介质是典型的绝缘体4）离子键固体具有比金属键和共价键固体更低的热导率3.金属键：当许多金属原子堆积成固体时，价电子会脱离单一原子而被所有原子共享，成为自由电子，渗入离子间的空间而形成电子气或电子云。电子气负电荷与金属阳离子的相互吸引作用，大于将价电子移离单一原子所需的能量，因而形成金属键。金属键晶体的特点：导电导热性能好、延展性好。2-6什么是分子间力及其作用？1.由于一个原子中电子分布状态与其它原子核间的静电吸引所致，这就是所谓的分子间力，又称为范德华力。2.分子间作用力包括取向力、诱导力和色散力三种。3.分子间力影响物质的熔点、沸点、溶解度、表面张力等理化特性。2-7什么是晶体？如何表征晶体结构？1．晶体是原子、离子和分子按照一定的周期性在空间排列，在结晶过程中形成具有一定规则几何外形的固体。2．为了更好的观察、描述晶体内部原子排列的方式，可把晶体中按周期重复排列的原子（结构单元）抽象成一个几何点来表示，从晶体结构中抽象出来的几何点的集合称之为晶体点阵，简称晶格。晶格中忽略了周期中所包含的具体结构单元内容，而集中反应周期重复方式，既然晶格具有周期性，只要绘出一个点阵的最小周期单元（一个阵点及相应空间位置）——点阵的原胞，即可反应整个晶体的原子排布。所以可简单的将晶体表示为晶体结构=点阵+原胞。2-8举例说明典型离子晶体的结构特征及应用。1.AB型氧化物MgO、CaO、SrO等就是典型的AB型结构。结构特征：氧离子在立方体的顶点和面心得位置，二阶阳离子在各边的中央和立方体的中心。这两组离子互成立方面心结构。阳离子占据着全部氧八面空隙，配位数为6.应用：电子陶瓷2.𝑨𝑩𝟐型氧化物金红石就是典型的𝐴𝐵2型氧化物。结构特点：晶胞是四方柱体，而3、不是立方体。可以近似的将𝑇𝑖𝑂2看成是𝑂2−做六方密堆积，𝑇𝑖4+八面体空隙的一半，在柱体的顶点和体心位置。由六个𝑂2−形成一个八面体，把𝑇𝑖4+包围起来。应用：由于这种结构，在电场作用下𝑇𝑖𝑂2将产生很强的离子位移和电子位移极化，从而具有很高的介电常数，所以成为许多陶瓷电容器的基本原料。3.𝑨𝟐𝑩𝟑型氧化物𝐴𝑙2𝑂3就是典型的𝐴2𝐵3结构结构特点：氧离子做六方密堆积，𝐴𝑙3+占据八面体空隙。但是因为在𝐴𝑙2𝑂3晶格中Al和O的数目比为2：3，所以只有2/3的八面体空隙被𝐴𝑙3+占据。应用：紧密结构和极大的离子键强度，使它具有很高的机械强度硬度和稳定性，成为很好的结构材料。4.𝑨𝑩𝑶𝟑型复合化合物（钙钛矿结构），属于这种结构的有𝐶𝑎𝑇𝑖𝑂3、𝐵𝑎𝑇𝑖𝑂3、𝑃𝑏𝑇𝑖𝑂3、𝑃𝑏𝑍𝑟𝑂3、𝑆𝑟𝑇𝑖𝑂3等。结构特征：A位一般是稀土或碱土元素离子，B位一般是过渡元素离子，A位和B位皆可被半径相近的其他金属栗子部分取代而保持其晶体结构基本不变。应用:它是研究催化剂表面及催化性能的理想样品，由于这类化合物具有稳定的晶体结构、独特的电磁性能以及很高的氧化还原、氢解、异构化、电催化等活性，作为一种新型的功能材料。在环境保护和工业催化等领域具有很大的开发潜力。5.𝑨𝑩𝟐𝑶𝟒型离子化合物通式𝐴𝐵2𝑂4型的离子化合物，又称尖晶石型结构化合物，是离子晶体中的一个大类。A为二价阳离子，如𝑀𝑔2+、𝐹𝑒2+、𝐶𝑜2+、𝑁𝑖2+、𝑀𝑛2+、𝑍𝑛2+、𝐶𝑑2+等；B为三价阳离子，如𝐴𝑙3+、𝐴𝑙3+、𝐹𝑒3+、𝐶𝑜3+、𝐶𝑟3+、𝐺𝑎3+等。结构中𝑂2−离子作立方紧密堆积，其中A离子填充在四面体空隙中，B离子在八面体空隙中，即A离子为4配位，而B离子为6配位。尖晶石型化合物结构较稳定，有的可用作高温耐火材料，有的可用作电子陶瓷材料。6.正四面体结构种类繁多的硅酸盐的基本结构就是硅—氧四面体结构特征：在这种四面体内，硅原子占据中心。四个氧原子占据四角，这些四面体，依着不同的配合，形成了各类硅酸盐。用途：它们大多数熔点高，化学性质稳定，是硅酸盐工业的主要原料。硅酸盐制品和材料广泛应用于各种工业、科学研究及日常生活中。2-9能级是如何产生?由玻尔的理论发展而来的现代量子物理学认为原子的可能状态是不连续的，因此各状态对应能量也是不连续的。这些能量值就是能级。2-10简述能级的分裂及能带的形成。能级分裂：以氢分子的形成为例。当两个H原子相互靠近形成分子时，一个原子上的电子与另一个原子上的电子及原子核发生相互作用，电子系统获得新的能量和波函数。当两H原子的波函数相互干涉时，产生同相交叠和异相交叠，分别形成两个分子轨道。能级分裂为两个。能带形成：能级分裂的最大宽度，取决于固体中原子间的最小距离，N个轨道相互作用产生的N个分裂能级。当N相当大（~1023）时，相邻分裂能级间间隔非常小，几乎是连续的额，从而产生能带。2-11简述电子的共有化运动。1.当两个原子相距较远时，能级如同两个孤立原子被一个高而宽的势垒相隔，电子只在各自的原子内部运动，其能量为分立能级；而当两个原子靠的很近时，原子势场相互影响，势垒宽度减小高度降低原子原来处于较高能级上的电子可能穿透势垒或越过势垒，形成电子的共有化运动。2.通过量子力学证明:由于晶体中电子共有化运动，使每个原子具有相同的价电子能级分裂成为一系列和原来能级很接近的新能级，这些新能级基本上连成一片而形成能带。2-12从能带理论的角度简述导体、半导体和绝缘体的异同。1.能带的填充与导电性的关系：若固体由N个原子组成则每个能带内有N个能级，按照泡利不相容原理，最多可容纳2N个电子。所有能级全部被电子所填充的能带叫满带，而只有部分能级为电子所填充的叫不满带。在外电场作用下，只有不满带中的电子才具有导电能力，而满带中的电子是不导电的2.导体：除满带外还存在不满带，即导带，导带以下的第一个满带称为价带。导体中的电子易在电场作用下产生迁移运动。表现为电阻率很低，通常在𝟏𝟎−𝟖~𝟏𝟎𝟐Ω·m范围。3.绝缘体：其最低的一系列能带被填满，而其上的能带则完全为空带，切禁带宽度较宽，大于2eV。固体中的电子不易在电场作用下产生迁移运动，表现为电阻率很高，在𝟏𝟎𝟖~𝟏𝟎𝟏𝟔Ω·m范围。4.半导体：能带结构与绝缘体相同，但禁带宽度较窄，一般小于2eV。固体中的电子易受热激发到空带参加导电，同时产生空穴电流。Ge和Si禁带宽度分别为0.74eV和1.17eV，此类介质的电阻率较低，一般在𝟏𝟎𝟐~𝟏𝟎𝟖Ω·m范围。2-13简述缺陷结构及缺陷能级。1.通常晶体中总是存在缺陷，这些缺陷往往来源于结晶的不完整与外来质。缺陷结构包括点缺陷、线缺陷和面缺陷。外来杂质缺陷则有替位与填隙两种，他们一般都属于点缺陷。2.当晶体中存在缺陷时，将在禁带中引入附加能级，称之为缺陷能级。缺