第二章物质结构基础
原子中电子的空间位置和能量
1、电子的统计形态法描述
四个量子数
n,第一量子数:决定体系的能量 n = 1, 2, 3…（整数）,n=l 时为最低能级
K, L, M-
1, 第二量子数:决定体系角动量和电子几率分布的空间対称性
1 = 0, 1, 2, 3, 4
（n-1） n 二 1, 1 二 0 s p d f g 状态
n = 2, 1 = 0, 1 （s, p ）
m t ,第三量子数:决定体系角动量在磁场方向的分量
mi = 0, ±1, ±2, ±3 有（21+1）个
ms,第四量子数：决定电子自旋的方向 +1/2, -1/2 2、电子分布遵从的基本原理：
（1） 泡利不相容原理：在一个原子中不可能有运动状态完全相同的两个电子，即同一原子
中，垠多只能有两个电子处于同样能量状态的轨道上，口自旋方向必定相反。
n=l 吋最多容纳2个电子
n 二2吋最多容纳8个电子
主量子数为11的壳层中最多容纳2『个电子。
（2） 能量最低原理：原子核外的电子是按能级高低而分层分布，在同一电子层中电子的能
级依s 、p 、d 、f 的次序增大。
（3） 洪特规则：简并轨道（柑同能量的轨道）上分布的电子尽可能分占不同的轨道，且自
旋方向相同。
请写出Fe 和Cu 原子的外层电子排布 Fe:(26)
Is 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2
Cu:(29)
Is" 2s" 2p" 3s 2 3p° 3d"J 4s'
结合方式
材料复习知识点
粘接性 粘接性
耐热性及刚性
基本结合：
1.离子键合
离子键：原子核释放最外层电子变成的止离子与接收其放出电子liij变成的负离子相互之间的吸引作用（库仑引力）所形成的一种结合。典型的离子化合物有NaCl. MgCL等。
特点：
%1电子束缚在离子中；
%1正负离子吸引，达到静电平衡，电场引力无方向性和饱和性一一产生密堆积，取决于止负离子的电荷数和止负离子的相对大小。
%1构成三维整休-晶体结构；
%1在溶液中离解成离子。
2.共价键合
共价键：两个原子共享最外层电子的键合。典型的例子有氏、0八0、SiC等。
特点：
%1两个原子共亨最外层电子对；
%1两原子相应轨道上的电子各有一个，自旋方向必须相反；
%1有饱和性和方向性，电子云最大重叠，一共价键仅两个电子。
3.金属键合
金屈键：金屈原子通过游离电子用库仑引力将原子结合到一?起的键合。即各原子都贡献出其价电子而变成外层为八电子的金属止离子，所贡献出来的价电子为所有金属原子（止离子）所共用，金属晶体的结合力就是价电子集体（自山电子气）与金属止离子间的静电引力。特点：%1山正离子排列成有序晶格；
%1各原子最外层电子释放，在晶格中随机、自山、无规则运动，无方向性；
%1原子最外层有空轨道或未配对电子，既容易得到电子，又容易失去电子；
价电子不是紧密结合在离子芯上，键能低，具有范性形变
4.混合键合
在某些化合物中，存在着既有离子键合又有共价键合，即介于离子键和共价键之间的混合键。如氯化氢。
电负性：元素的原子在化合物中把电子引向白己的能力，（表示吸引电子的能力）同一周期左——右电负性增高
同一族上一一下电负性降低
电负性对化学键的影响：
同种原子间无影响
异种原子相互作用时：
两元素电负性相差较大：非金属一非金属成极性共价键
电负性相差很大：金属一非金属成离子键
派生结合
物理键合的作用力也是库仑引力，但在键合过程中不存在电子的交换，是电子在其原子或分子中的分布受到外界条件的影响产生分布不均匀而引起原子或分子的极性结合。
物理键合的大小直接影响物质的许多物理性质，如熔点、沸点、溶解度、表而吸附等。包括分子间作用力、氢键等。
1、分子间作用力
分子（或电中性原子）间的结合力，又称范氏力。
特点：无方向性和饱和性；键能最小。
按原因和特性可分为：収向力；诱导力；色散力
分子间作用力
A.取向力：极性分子永久偶极间静电相互作用
与分子偶极矩的平方成止比，即分子极性越大，収向力越大。
与绝对温度成反比，即温度越高，取向力越弱。
与分子间距离的6次方成反比，即随分子间距离增大，取向力迅速递减。
B.诱导力：被诱导的偶极与永久偶极间作用
存在于极性分子与非极性分子之间和极性分子与极性分子之间。与极性分子偶极矩的平方成正比。
与被诱导分子的变形性成止比。
与分子间距离的6次方成反比，即随分子间距离增大，诱导力迅速递减。
与温度无关。
C.色散力：电屮性原子与非极性分子的瞬时偶极间的作用
存在于一切极性的与非极性的分子中。具有加和性和普遍性。
与相互作用分子的变形性成正比。
与相互作用分子的电离势成反比。
与分子间距离的6次方成反比。
与温度无关。
2、氢键
质子给予体（如H）与强电负性原子X （如0、N、F、C1）结合再与另一强电负性原子Y （质子接受体）形成键的键合方式。
特点
&.有方向性，饱和性。
b.分为分子内氢键和分子间氢键两种。
c.键能一?般为几到十几千卡/摩。
形成氢键必须满足的条件
（1）分子中必须含氢
（2）另一个元素必须是电负性很强的非金属元素（F、0、N）。
各种键型的比较
—?般说来，化学键（离子,共价，金属）最强，氢键次之，分子键最弱。（后两者属于物理键）
原子的空间排列与配位数
影响原子配位数的因素：
共价键数一围绕一个原子的共价键数取决于原子的价电子数目。
有效堆积一主要出现在离子键合和金属键合的情况下
2-4多原子体系电子的相互作用和稳定性
■ 杂化轨道和分子轨道理论
A、杂化轨道理论
杂化：在一个原子中不同原子轨道的线性组合称为原子轨道的杂化。杂化轨道：杂化后的原子轨道。
杂化轨道理论：原子在化合中，受其他原子的作用，原來的状态发生改变，从而使能最相似、轨道类型不
同的原子轨道重新组合成新的杂化轨道，在组合过程中，轨道的数目不变，轨道在空间的分布方向和分布情况发生改变，轨道的能量状态也改变。
杂化的本质：量子力学态叠加原理，一?种数学方法，而不是物理过程。
杂化：能级相近的单中心原子轨道的线形组合。
杂化的目的：更有利于成键。
杂化的动力：受周围原子的影响。
杂化的规律：轨道数日守恒，空间取向改变；杂化轨道能与周围原子形成更强的。键，或安排孤对电子，而不会以空的杂化轨道存在。
等性杂化轨道和不等性杂化轨道：杂化轨道中，参与杂化的s、p、d等成分相等，称为等性杂化轨道；如果不相等，称为不等性杂化轨道。
B、分子轨道理论
（1）分子中每个电子是在山各个原子核和其余电子组成的势场中运动，它的运动状态可用分子轨道e 描述。
（2）分子轨道0可近似地用能量相似的原子轨道组合得到。原子轨道通过线性纽合成分子轨道吋，轨道数不变，轨道能量改变。
（3）分子中的电子根据泡利不相容原理、能量最低原理和洪特规则增填在分子轨道上。
纽?合成分子轨道的条件
1）能量相近
2）轨道最大重叠
3）对称性匹配
能最低于原子轨道-成键轨道
能量高于原子轨道-反键轨道
能量等于原子轨道-非键轨道—
1、o轨道和o键- “头碰头”
相对于分子中键轴呈圆柱形对称的分子轨道称为。轨道。
山两个相同或不相同的原子轨道沿轨道对称轴方向相互重叠而形成的共价键，叫做0键。
0键是原子轨道沿轴方向重叠而形成的，具有较大的重叠程度，因此。键比较稳定。
0键能围绕対称轴旋转，而不影响键的强度以及键跟键之间的角度（键角）。
2、71轨道和71键-"肩并肩”
成键原子的未杂化P轨道，通过平行、侧而重叠而形成的共价键，叫做H键。
H键是山两个P轨道从侧而重證而形成的，重龛程度比。键小，所以H键不如0键稳定° 当形成兀键的两个原子以核间轴为轴作相对旋转时，会减少P轨道的重叠程度，最后导致H键的断裂。
3、6轨道和d键- “面对面”
具有两个通过分子轴对称节面的分子轨道称为6轨道。
凡是一个原子的d轨道与另一个原子相匹配的d轨道（例如為与dxy）以“而对面”的方式重叠（通过键轴有两个节面），所成的键就称为6键。
6轨道不能山s或p原子轨道纽成°
费米能级
费米能级是金属在绝对零度时电子的最高填充能级。
金属内的电子因泡利不相容原理故而不能每一个电子都在报低的能级，因此便一个一个依序往高能级填直到最后一个填进的那个能级即所谓费米能级。
T二0K （基态）时，最高的被电子充满的能级能量为心，E F以下能级全满，以上能级全空。
T>OK吋，某些电子受到激发，移到费米能级以上的能级，达到平衡的分布。E厂体积不变的条件下，系统增加一个电子所需的自山能
分布函数：电子气体中电子处在能量为E的状态的几率是温度T的函数。
1、T=0, E
2、T HO, E=E P： f(E)=l/2 填充几率为一半
3、T H0(很低)，E E>Ep： 0 固体中的能带 能级分裂：n个同种原子接近吋，相同的原子能级分裂成n个能量不同的能级(分子轨道)。能带：由许多聚集在一起的原子的许多分子轨道纽成的近乎连续的能级带。 带宽：能带中最高能级与瑕低能级的能量差。其与原子数目无关，仅収决于原子间距，间跖小，带宽大。价带：价电子能级展宽成的能帯。(可满可不满) 满带：添满电子的价带。 空带：价电子能级以上的空能级展宽成的能带。 导带：0K时最低的可接受被激发电子的空带。 禁带：两分离能带间的能量间隔，又称为能隙(AEg) 能带理论是研究固体中电子运动规律的一种近似理论。固体山原子组成，原子又包括原子实和最外层电子，它们均处于不断的运动状态中。为使问题简化，首先假定固体中的原子实固定不动，并按-淀规律作周期性排列，然后进一步认为每个电子都是在固定的原子实周期势场及其他电子的平均势场中运动，这就把整个问题简化成单电子问题。能带理论就属这种单电子近似理论 能带理论的应用-导体、绝缘体、半导体 导体：固体中的价电子浓度比较低，没有填满价带。如锂。 价带和导带交叠，没有能隙。如钺。 Li ls^s1 (2s没有填满) Be 1S22S2 (2s 和2p 交叠) 在外加电场下可以改变价电子的能彊和速度分布，从而形成疋向电流。 绝缘体：价带与导带间存在较大的能隙，而价带又被电子填满。 惰性气体：各能级均满，结合成晶体吋能带也为电子填满； 离子晶休：止负离子各外层轨道被电子充满，晶休中相应能带填满； 在外加电场下不能改变价电子的能量和速度分布，从血不能形成定向电流。 半导体：能带结构与绝缘体类似，即价带被电子填满，价带与导带间有一疋的能隙AEg,但能隙AEg比较小。 本征半导体-禁帯宽度较小，一般条件下具有一定导电能力 导电性丄激发到导带中的电子有关 b.与满带的空穴有关（空穴-电子对） 杂质半导休-禁带宽度很小，需掺杂其它元素 电子型导电一一n型半导休（高价杂质元素）杂质导带 空穴型导电一一P型半导体（低价杂质元素）价带杂质 2-5固体中的原子有序 ■结晶与晶体 1、结晶特性 ?晶休：原子（团）沿三维空间呈周期性长程有序排列的固休物质（金屈、大多陶瓷及一些聚合物）。 ?非晶体：原子（团）无周期性长程有序排列的物质（包括气体、液体和部分固体）。 ?结晶：形成晶体的过程。 晶体的性质 -具有确定的熔点 -能白发形成规则的多面体外形 -稳定性（晶体的化学成分处于热力学的能量最低状态） -各向异性（不同的方向具有不同的物理性质） -均匀性（晶体务部分的宏观性质相同） 品体是一种均匀而各向异性的结构稳定性固体 1、晶体的对称元素 对称：相同部分有规律的重复。 生长良好的晶体外形常呈某些对称性。 晶体外形的宏观对称性是其内部晶体结构微观对称性的表现。 对称中心（点）——反演（倒反）操作 一个图形绕着某一点旋转180度后与另一个图形重合 b、门重旋转轴——旋转操作 可旋360°/n n （轴次）：仅1, 2, 3, 4, 6 c、镜面——反映操作 d、n重反轴——旋转反演操作（旋转与反演的复合） 轴次同旋转轴 e、平移对称——点阵一一平移操作（平移轴） 连接图形中任何两点的矢量进行平移，图形能复原。 f、n重螺旋轴——旋转平移操作（旋转与平移的复合） 滑移量受点阵限制，轴次同旋转轴。 g、滑移面——平（滑）移反映操作（反映与平移的复合） 滑移量受点阵限制 2、点阵 ?点阵：晶体结构的微观特征。 ?某种结构单元（基元）在三维空间作周期性规则排列。 ?基元：原子、分子、离子或原子团（组成、位形、取向均同） 3、晶胞、晶系和空间点阵型式 品胞：代农品体内部结构的基本重复单位。 晶胞一定是一个平行六面体，但三条边的长度不一?定相等，也不一定互相垂直。 晶胞的基本要素：A.大小和形状 B.各原子坐标位置 品轴上品胞三个边的长度&,b,（:和其夹角a,|3，Y称为品格當数（Lattice parameters） <> 品轴上品胞三个边的长度&,b,（:和-其夹角01,卩,丫称为品格常数（Lattice parameters）o 晶胞中原子的坐标可曲原点指向原子的向量表示： r = xa + yb + zc x, y, z 4、晶向指数和晶面指数 A、晶胞定位-采用分数坐标 ?原点（0, 0, 0）,晶胞内离原点最远的顶角点（1, 1, 1）,即位置为（la, lb, lc） ?定位系数以晶胞的尺度来表示，点的位置用（x, y, z）表示（点在晶胞内，无符号，分数） B、晶向指数 晶向：原点出发通过某点的射线（或通过若干结点的直线方向）。如［111］方向-（0,0, 0） （1/2, 1/2, 1/2）（2,2,2） 晶向指数：晶胞各轴上投影的最低整数（可以是负值）。 ［u v w］表示晶向，英中u V W即晶向指数。 i个晶向代表了一系列相互平行的阵点构成的直线。 晶体中同一晶向的阵点直线系列称为晶列。 （u V W〉农示晶向族，代衣原子密度相同的所有晶向（与对称性相联系的原子排列相同但空间位向不同）。 C、晶面指数 晶面：晶体内的阵点（组成的）平面。 晶面纽?：晶体所有阵点被划成平行等距的?纽.晶面。 D、晶而族 某晶而的晶而指数乘以-1后所表示的一组晶而仍与其平行，共为一晶而组，也用（hkl）表示。 晶面族用｛h k 1｝表示，代衣原子排列相同（晶面方位不同）的所有晶面，即同一晶休结构中相互平行的晶面以及空间方位虽不同但原子排列情况相同的品面都属于同一品面族。 5、晶面间距 ?晶面组「I1 2最近两晶而间的距离叫晶面间距。 ?晶面指数低，面上具有较高的原子密度，间距大、作用力弱。 ?使用X-射线衍射（X-ray Diffraction）结果，通过布拉格立律，可测定晶面I'可距: nX = 2dsin6 = 1金属晶体 金属在固态时一般都是晶体。 以金属键结合，口无方向性。 金属结构配位数髙，结构紧密，原子呈圆球状密堆积。 常见的金属结构有：体心立方、而心立方、密排六方 2离子晶体 山离子键结合，无方向性和饱和性。止离子周围配位多个负离子，离子的堆积受邻近质点异号电荷及化学量比限制。 堆积形式决定于止负离子的电荷数和相对大小。 MH"P （光程差） n = 1, 2, 3,,,为衍射级数；入为波长；0为衍射角 硕度高、强度大、熔沸点高、膨胀系数小 山于电子少，多为绝缘体；不易吸收可见光，多为无色透明 3、共价晶休 山共价键结合，存在方向性和饱和性。配位数和方向受限制（配位须成键） 多山非金属元素纽成（IV-VIA族） N族元素共价晶体的配位数为（8-N）。 强度高、换度高、脆性大、熔点高、沸点高、挥发性低、结构比较稳定、导电能力较差。 4、分子晶体 组元为分子；以范氏力和氢键结合。 若仅有范氏力：无方向性、饱和性，趋于密堆。常还受分子非球性及永久偶极相互作用影响。有氢键吋：有方向性、饱和性，堆积密度低。 5、多晶型：一化合物有两种以上的晶型 ■相互间转变的形式 不改变配位，而改变连接方式：ZnS、Si02 改变配位：CsCl （随温度变化） 改变分子或离子的对称性（分子热运动）：NaCN 改变键型：白锡-灰锡金刚石-石墨 第三章材料组成与结构 材料的纽?成：构成材料的基本单元的成分及数目。 材料的结构：材料的纽成单元Z间相互吸引和相互排斥作用达到平衡时在空间的几何排列。材料的结构包括构成材料的原子的电子结构（决定化学键类型）、分子的化学结构及聚集态结构（决定材料的基本类型及材料组成相的结构）以及材料的显微纽织结构（组成材料的齐相的形态、大小、数量和分布等）。材料的结构可分为宏观结构、显微结构和微观结构。 材料的结构和组成是决定材料性能的基础。是合理地设计、制造和选用材料的基础。 高分子材料的组成和结构 1921年Staudinger （施陶丁格）提出高分子的概念。 基本特征 %1平均分子量大，存在分子量分和10^10?M… %1高分子链具有多种形态 %1分子链间力以范氏力为主，部分化学键为分子内共价键 %1组成和结构的多层次性 高分子相容剂 理想的相容剂是含有两种聚合物链段的共聚物，或含极性、非极性基团的共聚物。如PP和PE共混，以乙丙橡胶作为相容剂；SBS嵌段共聚物。 反应性相容剂：如环氧基可与聚氨酯、尼龙、聚酯等高分子链上的基团H0-、时、HOOC- 等发生反应，从血改善聚合物的相容性。 使用相容剂的典型体系:HDPE/PET体系加SEBS,冲击性能提高；HIPS、ABS、SBS、PC、PBT 废弃物，加PMMA接枝橡胶，对提高冲击性；IIDPE/纤维素复合材料，加离子聚合物或氯化聚乙烯，可改善英性 能。 复合材料 复合材料山连续基体相和分散增强相及界而相所构成。 1.复合材料的纽?成 复合材料山基体和增强材料两组元所组成。 基体和增强材料都是一个庞大的材料体系、品种繁多，结构与性能呈多样化，复合体系的系统组合、排列赋予复合材料巨大的发展空间。 原则上，基体与增强体结构与性能差异越大，越具复合价值，但更为重要的是基体与增强体之间的匹配。 ?增强体 颗粒増强体：指高强、高模、耐高温的陶瓷和石墨等非金屈材料的微细粉末，主要起増强、增韧作用，而不是普通填料的填充休积或降低成本的作用，增强体价格往往比基体还贵。晶须：长径比5~100Z间，横截面积小于52xl0-5cm2（直径约PlOpm）的含缺陷很少的单晶纤维，英模量和强度接近英纯品体的理论值。主要有金属品须、氧化物品须、陶瓷品须、氮化物品须、硼化物晶须和无机盐类品须。 纤维及其织物：植物纤维、动物纤维、矿物纤维、合成纤维（有机、无机） ?复合材料的特性 8?可设计性 b.构件复合与成型一次性完成，報体性好 c.性能分散性大，性能対工艺工程及工艺参数其至一些偶然性因素都十分敏感，难以椿确控制结构和性能 d.复合效应（多种复合效应） e.复合材料的性能特点 ?比强度、比模量大 ?破坏安全性高 ?耐疲劳性好 ?阻尼减震性好 ?耐烧蚀性能好 复合材料界面的形成 在复合材料界面形成过程中涉及： ?i）界而间的相互置换：如，润湿过程是一个固-液界而直换固-气表而的过程。 ?ii）界而间的相互转化：如，固化过程是固-液界而向固-固界而转化的过程。 ?iii）后处理过程：固-固界而自身完善与平衡的过程。 A.增强体农面预处理或改性阶段。 ?（1）界面设计与控制的重要手段 ?（2）改性层成为最终界面层的重要纽成部分 ?（3）为第二阶段作准备 B.增强体与基体的接触与浸润过程 ?（1）接触-吸附与浸润-交互扩散-化学结合或物理结合 ?（2）界而形成与发展的关键阶段 C.液态（或粘流态）组分的固化过程，即凝固或固化过程。 ?（1）界而的固定（亚稳态、非平衡态） ?（2）界面的稳定（稳态、平衡态） 复合材料的界面结构 ?i）非单分子层，其组成、结构形态、形貌十分复杂，形式多样。界而区至少包括：基体表面层、增强体表面层、基体/增强体界面层三个部分。 ?ii）具有一定厚度的界面相（层），其纽.成、结构、性能随厚度方向变化而变化，具有“梯度” 材料性能特征。 ?iii）界而的比衣面积或界面相的休积分数很大（尤其是纳米复合材料），界面效应显著。这是复合材料复合效应产生的根源。 ?iv）界面缺陷形式多样（包括残余应力），对复合材料性能影响十分敏感。 界面上力的传递与残余应力 有一定结合强度的界面（层），可在基体与增强体Z间进行力的转递和力的分陀，并且在基体或增强体彼坏过程中还可进行应力再分配，使得复合材料产生出组合的力学性能。 残余应力：在复合材料未受外力时，界而上仍存在应力或应力分布，即残余应力。來源： %1增强相与基体相热膨胀系数不匹配。 %1相与相之间的弹性系数不匹配，相内的应力分布不均。 %1成型过程中，山高温-室温、化学和物理变化引起的各创元体积收缩的不同，如：基体固化、聚集态转变、晶相转变等。 %1层合板中铺层方向不同带来的层间残余应力（层合板的翅曲）= %1流变过程中，纽元间的醱性变形差异引起的流变残余应力。 复合材料界面的破坏机制 破坏的来源：基休内、増强体内和界面层上均存在微裂纹、气孔及内应力，在力场或外界环境（如介质、水）下，微裂纹和缺陷按本身的规律发展，并消散能量。 破坏形式 i）基体断裂 ii）纤维断裂 iii）纤维脱粘 iv）纤维拔出（摩擦功） v）裂纹扩展与偏转 复合材料的破坏机制则是上述5种基本破坏形式的纽合与综合体现的结果。 复合材料的界面理论 （1）界面设计与控制的概念 %1界而传递应力，需要一定的界而结合强度，但不是愈高愈好。 %1界而发生破坏，结合弱，界而破坏形式丰富，能量耗散多。 高的界面粘接强度t脆性断裂、破坏形式单一，不涉及界面破坏，其能量耗散仅限于产生新的断裂表面。弱的界面结合强度t可以发生多种界而破坏形式（如纤维拔出、脱粘、应力再分配等）t消耗大量的外界功，提高材料的强度和韧性，避免脆性断裂或灾难性破坏。 所谓界面设计与界面控制的基本概念即要求界面具有：①适宜的粘接强度；②垠佳的界面结构和状态；③与界面相联系的理想的微观破坏机制 （2）界面理论 A浸润理论 B化学键理论 C优先吸附理论 D来口J形变层理论：在玻纤增强的复合材料中，偶联剂不是阻止水分进入界面，而是与水在玻璃表面上竞争结合。在界面上建立了键的形成与断裂的动态平衡状态。山于偶联剂与玻璃表面上硅醇的反应能力比水强，所以在竞争中対水产生排斥，然而，这种反应产物与水又可 —CH 2-Cfi =CH 2-CH- hT L c-c 键览凤 0? 154na Kl R2 以水解，使键断裂。这种键的形成-断裂-形成的动态结合状态使树脂和纤维衣而始终保持 定的粘接状态。 复合材料的界面处理 (1)玻纤的衣而处理 有机硅烷类偶联剂 有机酸氯化锯络合物偶联剂 偶联剂的作用： %1 在两相界而形成化学键，人幅度捉髙界而粘接强度 %1 改善了界而对应力的传递效果 %1 提供了一个可蜩界而层，可部分消除界而残余应力 %1 提供了一个防水层，保护了界面，阻止了脱粘和腐蚀的发生 *偶联剂对不同复合体系具有较强的选择性 (2)碳纤维的表面处理 碳纤维氧化处理后： %1 能改善碳纤维表而与基体的浸润性、相容性 %1 能在表而形成许多活性官能团，这些官能团能与树脂基体形成化学键合 非氧化处理，主要用于C/C 复合、CMC. MMC 复合休系 体积收缩 范徳华力作用的单体分子，山于聚合反应，变成了化学键(共价键)连接。共价键距离小于范 徳华力距离，使得原子在聚合物中就比在线形单体屮排裂紧密得多，必然导致聚合过程中的 体积收缩。 讥体变成聚合物过程中爛的变化即自山体积的变化，也就是取体和聚合物中分子堆积密度的 变化。固化前液态单体分子处于松散的自山活动状态，自山体积较大。固化后分子间交联点 多，限制了链段的运动，自曲体积变小，从而也带来休积收缩。 热胀冷缩，影响较小。 CH 2=Q< ? ------ A CH 2=CH - Ri | |R 2 范堆华作用趾海C C 擁声禹 0> 3-0. 5no 0.133 rm (G 自由基型聚合 iCHa-CH-O —CHz-CH I ,1 Ri f^O 远大 T0> 145IMI (b)阳親子型聚合 能超华作用审离 c OR 距高 0? 3 0. 0> 14&nai 降低体积收缩的途经： 降低反应休系中官能团的浓度 加入高分子増韧剂-产生相分离、增加韧性 加入无机粉状填料-降低单体的份数、降低热膨胀系数、分散应力 改进固化工艺 利用膨胀单体共聚-螺环化合物（两个或多个环共寧一?个原子的i类有机化合物） 旳环取体在开环聚合反应中，每有一个范徳华距离转变成共价距离，必有一个共价距离转变成接近范德华距离。山此产生的收缩和膨胀可以部分抵消。 开环聚合反应体积收缩大小与环的大小有关。随着环的增大，开环后生成的近范氏越來越接近范氏距离，体积收缩率因而减小。 双环单体发生双开环聚合反应则有两个单键断裂变为近范徳华距离，有可能使聚合后体积收缩更小、不收缩其至膨胀。 聚合过程中另一个体积变化的因素是从单体到聚合物爛的变化，或者说虹体到相应聚合物的自山体积的变化，也就是在旳体和聚合物中原子堆积的紧密程度的变化°如以晶态单体到非晶态的聚合物，爛的变化将会造成体积膨胀。 从上面的分析可以推论：双螺环或多螺环的结晶性单体聚合时有对能实现体积膨胀。 第一组 材料的刚性越大，材料就越脆。F 按受力方式，材料的弹性模量分为三种类型，以下哪一种是错误的：D A. 正弹性模量（E） B. 切弹性模量（G） C. 体积弹性模量（G） D. 弯曲弹性模量（W） 滞弹性是无机固体和金属的与时间有关的弹性，它与下列哪个因素无关B A 温度； B 形状和大小； C 载荷频率 高弹性有机聚合物的弹性模量随温度的升高而A A. 上升； B. 降低； C. 不变。 金属材料的弹性模量随温度的升高而B A. 上升； B. 降低； C. 不变。 弹性模量和泊松比之间有一定的换算关系，以下换算关系中正确的是D A. K=E /[3(1+2)]； B. E=2G (1-)； C. K=E /[3(1-)]； D. E=3K (1-2)； E. E=2G (1-2)。 7.Viscoelasticity”的意义是B A 弹性；B粘弹性； C 粘性 8.均弹性摸量的表达式是A A、E=σ/ε B、G=τ/r C、K=σ。/（△V/V） 9.金属、无机非金属和高分子材料的弹性摸量一般在以下数量级范围内C GPa A.10-102、＜10，10-102 B.＜10、10-102、10-102 C.10-102、10-102、＜10 10.体心立方晶胞的金属材料比面心立方晶胞的同类金属材料具有更高的摸量。T 11.虎克弹性体的力学特点是B A、小形变、不可回复 B、小形变、可回复 C、大形变、不可回复 D、大形变、可回复 13、金属晶体、离子晶体、共价晶体等材料的变形通常表现为，高分子材料则通常表现为和。A A 普弹行、高弹性、粘弹性 B 纯弹行、高弹性、粘弹性 C 普弹行、高弹性、滞弹性 14、泊松比为拉伸应力作用下，材料横向收缩应变与纵向伸长应变的比值υ=ey/ex F 第二组 1.对各向同性材料，以下哪一种应变不属于应变的三种基本类型C A. 简单拉伸； B. 简单剪切； C. 扭转； D. 均匀压缩 2.对各向同性材料，以下哪三种应变属于应变的基本类型ABD A. 简单拉伸； B. 简单剪切； C. 弯曲； D. 均匀压缩 3.“Tension”的意义是A A 拉伸； B 剪切； C 压缩 4.“Compress”的意义是C A 拉伸；B剪切； C 压缩 5.陶瓷、多数玻璃和结晶态聚合物的应力-应变曲线一般表现为纯弹性行为T 6.Stress”and “strain”的意义分别是A A 应力和应变；B应变和应力；C应力和变形 材料科学与基础习题集和答案 第七章回复再结晶，还有相图的内容。 第一章 1.作图表示立方晶体的()()()421,210,123晶面及[][][]346,112,021晶向。 2.在六方晶体中，绘出以下常见晶向[][][][][]0121,0211,0110,0112,0001 等。 3.写出立方晶体中晶面族{100}，{110}，{111}，{112}等所包括的等价晶面。 4.镁的原子堆积密度和所有hcp 金属一样，为0.74。试求镁单位晶胞的体积。已知Mg 的密度3 Mg/m 74.1=m g ρ，相对原子质量为24.31，原子半径r=0.161nm 。 5.当CN=6时+Na 离子半径为0.097nm ，试问： 1) 当CN=4时，其半径为多少？2) 当CN=8时，其半径为多少？ 6. 试问：在铜（fcc,a=0.361nm ）的<100>方向及铁(bcc,a=0.286nm)的<100>方向,原子的线密度为多少？ 7.镍为面心立方结构，其原子半径为nm 1246.0=Ni r 。试确定在镍的 （100），（110）及（111）平面上12mm 中各有多少个原子。 8. 石英()2SiO 的密度为2.653Mg/m 。试问： 1) 13 m 中有多少个硅原子（与氧原子）？ 2) 当硅与氧的半径分别为0.038nm 与0.114nm 时，其堆积密度为多少（假设原子是球形的）？ 9.在800℃时1010个原子中有一个原子具有足够能量可在固体内移 动，而在900℃时910个原子中则只有一个原子，试求其激活能（J/ 原子）。 10.若将一块铁加热至850℃，然后快速冷却到20℃。试计算处理前后空位数应增加多少倍（设铁中形成一摩尔空位所需要的能量为104600J ）。 第三章 1. 试述结晶相变的热力学条件、动力学条件、能量及结构条件。 2. 如果纯镍凝固时的最大过冷度与其熔点（tm＝1453℃）的比值为0.18，试求其凝固驱动力。（ΔH＝-18075J/mol） 3. 已知Cu的熔点tm＝1083℃，熔化潜热Lm＝1.88×103J/cm3，比表面能σ＝1.44×105 J/cm3。（1）试计算Cu在853℃均匀形核时的临界晶核半径。（2）已知Cu的相对原子质量为63.5，密度为8.9g/cm3,求临界晶核中的原子数。 4. 试推导杰克逊（K.A.Jackson）方程 5. 铸件组织有何特点？ 6. 液体金属凝固时都需要过冷，那么固态金属熔化时是否会出现过热，为什么？ 7. 已知完全结晶的聚乙烯（PE）其密度为1.01g/cm3,低密度乙烯（LDPE）为0.92 g/cm3，而高密度乙烯（HDPE）为0.96 g/cm3，试计算在LDPE及HDPE中“资自由空间”的大小。8欲获得金属玻璃，为什么一般选用液相线很陡从而有较低共晶温度的二元系？9. 比较说明过冷度、临界过冷度、动态过冷度等概念的区别。 10. 分析纯金属生长形态与温度梯度的关系。 11. 什么叫临界晶核？它的物理意义及与过冷度的定量关系如何？ 12. 简述纯金属晶体长大的机制。13. 试分析单晶体形成的基本条件。 14. 指出下列概念的错误之处，并改正。(1) 所谓过冷度，是指结晶时，在冷却曲线上出现平台的温度与熔点之差；而动态过冷度是指结晶过程中，实际液相的温度与熔点之差。(2) 金属结晶时，原子从液相无序排列到固相有序排列，使体系熵值减少，因此是一个自发过程。(3) 在任何温度下，液体金属中出现的最大结构起伏都是晶胚。 选择题第一组 1.材料的刚性越大，材料就越脆。（）B A. 正确； B. 错误 2.按受力方式，材料的弹性模量分为三种类型，以下哪一种是错误的：（）D A. 正弹性模量（E）； B. 切弹性模量（G）； C. 体积弹性模量（G）； D. 弯曲弹性模量（W）。 3.滞弹性是无机固体和金属的与时间有关的弹性，它与下列哪个因素无关（） B A 温度； B 形状和大小； C 载荷频率 4.高弹性有机聚合物的弹性模量随温度的升高而（）。A A. 上升； B. 降低； C. 不变。 5.金属材料的弹性模量随温度的升高而（）。B A. 上升； B. 降低； C. 不变。 6.弹性模量和泊松比ν之间有一定的换算关系，以下换算关系中正确的是（） D A. K=E /[3(1+2ν)]； B. E=2G (1-ν)； C. K=E /[3(1-ν)]； D. E=3K (1-2ν)； E. E=2G (1-2ν)。 7.“Viscoelasticity”的意义是（）B A 弹性； B粘弹性； C 粘性 8、均弹性摸量的表达式是（）A A、E=σ/ε B、G=τ/r C、K=σ。/（△V/V） 9、金属、无机非金属和高分子材料的弹性摸量一般在以下数量级范围内（GPa）C A、10-102、＜10，10-102 B、＜10、10-102、10-102 C、10-102、10-102、＜10 10、体心立方晶胞的金属材料比面心立方晶胞的同类金属材料具有更高的摸量。 11、虎克弹性体的力学特点是（）B A、小形变、不可回复 B、小形变、可回复 C、大形变、不可回复 D、大形变、可回复 13、金属晶体、离子晶体、共价晶体等材料的变形通常表现为，高分子材料则通常表现为和。A A 普弹行、高弹性、粘弹性 B 纯弹行、高弹性、粘弹性 C 普弹行、高弹性、滞弹性 14、泊松比为拉伸应力作用下，材料横向收缩应变与纵向伸长应变的比值υ=ey/ex （）B A. 正确； B. 错误 习题：第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章第十一章答案：第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章第十一章 3-2 略。 3-2试述位错的基本类型及其特点。 解：位错主要有两种：刃型位错和螺型位错。刃型位错特点：滑移方向与位错线垂直，符号⊥，有多余半片原子面。螺型位错特点：滑移方向与位错线平行，与位错线垂直的面不是平面，呈螺施状，称螺型位错。 3-3非化学计量化合物有何特点？为什么非化学计量化合物都是n型或p型半导体材料？ 解：非化学计量化合物的特点：非化学计量化合物产生及缺陷浓度与气氛性质、压力有关；可以看作是高价化合物与低价化合物的固溶体；缺陷浓度与温度有关，这点可以从平衡常数看出；非化学计量化合物都是半导体。由于负离子缺位和间隙正离子使金属离子过剩产生金属离子过剩（n型）半导体，正离子缺位和间隙负离子使负离子过剩产生负离子过剩（p型）半导体。 3-4影响置换型固溶体和间隙型固溶体形成的因素有哪些？ 解：影响形成置换型固溶体影响因素：（1）离子尺寸：15%规律：1.（R1-R2）/R1>15%不连续。 2.<15%连续。 3.>40%不能形成固熔体。（2）离子价：电价相同，形成连续固熔体。（ 3）晶体结构因素：基质，杂质结构相同，形成连续固熔体。（4）场强因素。（5）电负性：差值小，形成固熔体。差值大形成化合物。 影响形成间隙型固溶体影响因素：（1）杂质质点大小：即添加的原子愈小，易形成固溶体，反之亦然。（2）晶体（基质）结构：离子尺寸是与晶体结构的关系密切相关的，在一定程度上来说，结构中间隙的大小起了决定性的作用。一般晶体中空隙愈大，结构愈疏松，易形成固溶体。（3）电价因素：外来杂质原子进人间隙时，必然引起晶体结构中电价的不平衡，这时可以通过生成空位，产生部分取代或离子的价态变化来保持电价平衡。 3-5试分析形成固溶体后对晶体性质的影响。 解：影响有：（1）稳定晶格，阻止某些晶型转变的发生；（2）活化晶格，形成固溶体后，晶格结构有一定畸变，处于高能量的活化状态，有利于进行化学反应；（3）固溶强化，溶质原子的溶入，使固溶体的强度、硬度升高；（4）形成固溶体后对材料物理性质的影响：固溶体的电学、热学、磁学等物理性质也随成分而连续变化，但一般都不是线性关系。固溶体的强度与硬度往往高于各组元，而塑性则较低， 3-6说明下列符号的含义：V Na，V Na'，V Cl˙，（V Na'V Cl˙），Ca K˙，Ca Ca，Ca i˙˙解：钠原子空位；钠离子空位，带一个单位负电荷；氯离子空位，带一个单位正电荷；最邻近的Na+空位、Cl-空位形成的缔合中心；Ca2+占据K.位置，带一个单位正电荷；Ca原子位于Ca原子位置上；Ca2+处于晶格间隙位置。 3-7写出下列缺陷反应式：（l）NaCl溶入CaCl2中形成空位型固溶体；（2）CaCl2溶入NaCl中形成空位型固溶体；（3）NaCl形成肖特基缺陷；（4）Agl形成弗伦克尔缺陷（Ag+进入间隙）。 《材料科学与工程基础》习题和思考题及答案 第二章 2-1.按照能级写出N、O、Si、Fe、Cu、Br原子的电子排布（用方框图表示）。 2-2.的镁原子有13个中子，11.17%的镁原子有14个中子，试计算镁原子的原子量。 2-3.试计算N壳层内的最大电子数。若K、L、M、N壳层中所有能级都被电子填满时，该原子的原子序数是多少？ 2-4.计算O壳层内的最大电子数。并定出K、L、M、N、O壳层中所有能级都被电子填满时该原子的原子序数。 2-5.将离子键、共价键和金属键按有方向性和无方向性分类，简单说明理由。 2-6.按照杂化轨道理论，说明下列的键合形式： （1）CO2的分子键合（2）甲烷CH4的分子键合 （3）乙烯C2H4的分子键合（4）水H2O的分子键合 （5）苯环的分子键合（6）羰基中C、O间的原子键合 2-7.影响离子化合物和共价化合物配位数的因素有那些？ 2-8.试解释表2-3-1中，原子键型与物性的关系？ 2-9.0℃时，水和冰的密度分别是1.0005 g/cm3和0.95g/cm3，如何解释这一现象？ 2-10.当CN=6时，K+离子的半径为0.133nm(a)当CN=4时，半径是多少？(b)CN=8时，半径是多少？ 2-11.(a)利用附录的资料算出一个金原子的质量？(b)每mm3的金有多少个原子？(c)根据金的密度，某颗含有1021个原子的金粒，体积是多少？(d)假设金原子是球形(r Au=0.1441nm),并忽略金原子之间的空隙，则1021个原子占多少体积？(e)这些金原子体积占总体积的多少百分比？ 2-12.一个CaO的立方体晶胞含有4个Ca2+离子和4个O2-离子，每边的边长是0.478nm，则CaO的密度是多少？ 2-13.硬球模式广泛的适用于金属原子和离子，但是为何不适用于分子？ 2-14.计算（a）面心立方金属的原子致密度；（b）面心立方化合物NaCl的离子致密度（离子半径r Na+=0.097，r Cl-=0.181）；（C）由计算结果，可以引出什么结论？ 材料科学基础考研经 典题目 16.简述金属固态扩散的条件。 答：⑴扩散要有驱动力——热力学条件，化学势梯度、温度、应力、电场等。 ⑵扩散原子与基体有固溶性——前提条件；⑶足够高温度——动力学条件；⑷足够长的时间——宏观迁移的动力学条件 17. 何为成分过冷？它对固溶体合金凝固时的生长形貌有何影响？ 答：成分过冷：在合金的凝固过程中，虽然实际温度分布一定，但由于液相中溶质分布发生了变化，改变了液相的凝固点，此时过冷由成分变化与实际温度分布这两个因素共同决定，这种过冷称为成分过冷。成分过冷区的形成在液固界面前沿产生了类似负温度梯度的区域，使液固界面变得不稳定。当成分过冷区较窄时，液固界面的不稳定程度较小，界面上偶然突出部分只能稍微超前生长，使固溶体的生长形态为不规则胞状、伸长胞状或规则胞状；当成分过冷区较宽时，液固界面的不稳定程度较大，界面上偶然突出部分较快超前生长，使固溶体的生长形态为胞状树枝或树枝状。所以成分过冷是造成固溶体合金在非平衡凝固时按胞状或树枝状生长的主要原因。 18.为什么间隙固溶体只能是有限固溶体，而置换固溶体可能是无限固溶体？ 答：这是因为当溶质原子溶入溶剂后，会使溶剂产生点阵畸变，引起点阵畸变能增加，体系能量升高。间隙固溶体中，溶质原子位于点阵的间隙中，产生的点阵畸变大，体系能量升高得多；随着溶质溶入量的增加，体系能量升高到一定程度后，溶剂点阵就会变得不稳定，于是溶质原子便不能再继续溶解，所以间隙固溶体只能是有限固溶体。而置换固溶体中，溶质原子位于溶剂点阵的阵点上，产生的点阵畸变较小；溶质和溶剂原子尺寸差别越小，点阵畸变越小，固溶度就越大；如果溶质与溶剂原子尺寸接近，同时晶体结构相同，电子浓度和电负性都有利的情况下，就有可能形成无限固溶体。 19.在液固相界面前沿液体处于正温度梯度条件下，纯金属凝固时界面形貌如何？同样 条件下，单相固溶体合金凝固的形貌又如何？分析原因 3-3.有两个形状、尺寸均相同的Cu-Ni合金铸件，其中一个铸件的w Ni=90%，另一个铸件的w Ni=50%，铸后自然冷却。问凝固后哪一个铸件的偏析严重？为什么？找出消除偏析的措施。 答： 合金在凝固过程中的偏析与溶质原子的再分配系数有关，再分配系数为k0=Cα/C L。对一给定的合金系，溶质原子再分配系数与合金的成分和原子扩散能力有关。根据Cu-Ni合金相图，在一定成分下凝固，合金溶质原子再分配系数与相图固、液相线之间的水平距成正比。当w Ni=50% 时，液相线与固相线之间的水平距离更大，固相与液相成分差异越大；同时其凝固结晶温度比w Ni=90%的结晶温度低，原子扩散能力降低，所以比偏析越严重。 一般采用在低于固相线100~200℃的温度下，长时间保温的均匀化退火来消除偏析。 3-6.铋（熔点为271.5℃）和锑（熔点为630.7℃）在液态和固态时均能彼此无限互溶，w Bi=50%的合金在520℃时开始凝固出成分为w Sb=87%的固相。w Bi=80%的合金在400℃时开始凝固出成分为w Sb=64%的固相。根据上述条件，要求： 1)绘出Bi-Sb相图，并标出各线和各相区的名称； 2）从相图上确定w Sb=40%合金的开始结晶终了温度，并求出它在400℃时的平衡相成分及其含量。 解：1 ）相图如图所示； 2）从相图读出结晶开始温度和结晶终了温度分别为495℃（左右），350℃（左右） 固、液相成分w Sb(L) =20%, w Sb(S)=64% 固、液相含量： %5.54%10020-6440-64=?=L ω %5.45%100)1(=?-=L S ωω 3-7.根据下列实验数据绘出概略的二元共晶相图：組元A 的熔点为1000℃，組元B 的熔点为700℃；w B =25%的合金在500℃结晶完毕，并由73-1/3%的先共晶α相与26-2/3%的(α+β)共晶体所组成；w B =50%的合金在500℃结晶完毕后，则由40%的先共晶α相与60%的(α+β)共晶体组成，而此合金中的α相总量为50%。 解：由题意由（α+β）共晶含量得 01.03226--25.0?=+）（）（）（αβααωωωB B B 6.0--5.0=+）（）（）（αβααωωωB B B 《材料科学与工程基础》 课程讲授要点 3-5 复合材料组成与结构（45分钟，1学时） 3-5-1 复合材料的定义及分类 定义：组成、结构、制备、性能四方面特征 分类：重点介绍现代复合材料体系 3-5-2 复合材料的组成及特性 组成：基体、增强体（或功能体）、界面相 PMC、MMC、CMC、C/C及无机胶凝复合材料的基本组成 特性：一般特性和性能特点 3-5-3 复合材料的结构 常见结构、典型结构、“连通性”概念 3-5-4 复合材料的界面 界面的形成过程：三个阶段、界面的相互置换 界面结构及性能特点：相当体积分数的界面相、“梯度”性能、界面缺陷、残余应力界面相的功用：力的传递、力的分配、破坏过程中应力的再分配组合力学性能和复合 效应产生的根源所在。 界面破坏机制：5种基本破坏形式、组合破坏机制 界面理论：5种基本界面理论、界面设计与控制的概念 界面处理：玻纤、碳纤、有机纤维的一般表面处理方法、偶联剂处理的作用机理 4-1 复合材料的性能（90分钟、2学时） 4-7-1 复合材料性质的复合效应 1. 复合材料各组元（相）不同功用：基体、增强体、功能体、界面相 2. 复合效应 混合效应（组分效应）：适合于材料固有性质，对材料界面、缺陷、结构局部挠动 等不敏感，表现为各种形式的混合律。 混合律公式：材料性能取决于材料组成（体积分数或重量 分数） 协同效应：包括界面效应、尺寸效应、量子尺寸效应、乘积效应、系统效应、混杂效应、诱导效应等。适合于材料的传递性质（力、声、光、电、磁）不 仅取决于材料的组成，更取决于材料的结构、界面性质、缺陷局部挠动、 工艺因素等，复合材料的本质特征 16.简述金属固态扩散的条件。 答：⑴扩散要有驱动力——热力学条件，化学势梯度、温度、应力、电场等。 ⑵扩散原子与基体有固溶性——前提条件；⑶足够高温度——动力学条件；⑷足够长的时间——宏观迁移的动力学条件 17. 何为成分过冷？它对固溶体合金凝固时的生长形貌有何影响？ 答：成分过冷：在合金的凝固过程中，虽然实际温度分布一定，但由于液相中溶质分布发生了变化，改变了液相的凝固点，此时过冷由成分变化与实际温度分布这两个因素共同决定，这种过冷称为成分过冷。成分过冷区的形成在液固界面前沿产生了类似负温度梯度的区域，使液固界面变得不稳定。当成分过冷区较窄时，液固界面的不稳定程度较小，界面上偶然突出部分只能稍微超前生长，使固溶体的生长形态为不规则胞状、伸长胞状或规则胞状；当成分过冷区较宽时，液固界面的不稳定程度较大，界面上偶然突出部分较快超前生长，使固溶体的生长形态为胞状树枝或树枝状。所以成分过冷是造成固溶体合金在非平衡凝固时按胞状或树枝状生长的主要原因。 18. 为什么间隙固溶体只能是有限固溶体，而置换固溶体可能是无限固溶体？ 答：这是因为当溶质原子溶入溶剂后，会使溶剂产生点阵畸变，引起点阵畸变能增加，体系能量升高。间隙固溶体中，溶质原子位于点阵的间隙中，产生的点阵畸变大，体系能量升高得多；随着溶质溶入量的增加，体系能量升高到一定程度后，溶剂点阵就会变得不稳定，于是溶质原子便不能再继续溶解，所以间隙固溶体只能是有限固溶体。而置换固溶体中，溶质原子位于溶剂点阵的阵点上，产生的点阵畸变较小；溶质和溶剂原子尺寸差别越小，点阵畸变越小，固溶度就越大；如果溶质与溶剂原子尺寸接近，同时晶体结构相同，电子浓度和电负性都有利的情况下，就有可能形成无限固溶体。 19. 在液固相界面前沿液体处于正温度梯度条件下，纯金属凝固时界面形貌如何？同样条件下，单相 固溶体合金凝固的形貌又如何？分析原因 答：正的温度梯度指的是随着离开液—固界面的距离Z 的增大，液相温度T 随之升高的情况，即0>dZ dT 。在这种条件下，纯金属晶体的生长以接近平面状向前推移，这是由于温度梯度是正的，当界面上偶尔有凸起部分而伸入温度较高的液体中时，它的生长速度就会减慢甚至停止，周围部分的过冷度较凸起部分大，从而赶上来，使凸起部分消失，这种过程使液—固界面保持稳定的平面形状。固溶体合金凝固时会产生成分过冷，在液体处于正的温度梯度下，相界面前沿的成分过冷区呈现月牙形，其大小与很多因素有关。此时，成分过冷区的特性与纯金属在负的温度梯度下的热过冷非常相似。可以按液固相界面前沿过冷区的大小分三种情况讨论：⑴当无成分过冷区或成分过冷区较小时，界面不可能出现较大的凸起，此时平界面是稳定的，合金以平面状生长，形成平面晶。⑵当成分过冷区稍大时，这时界面上凸起的尖部将获得一定的过冷度，从而促进了凸起进一步向液体深处生长，考虑到界面的力学平衡关系，平界面变得不稳定，合金以胞状生长，形成胞状晶或胞状组织。⑶当成分过冷区较大时，平界面变得更加不稳定，界面上的凸起将以较快速度向液体深处生长，形成一次轴，同时在一次轴的侧向形成二次轴，以此类推，因此合金以树枝状生长，最终形成树枝晶。 20. 纯金属晶体中主要的点缺陷类型是什么？试述它们可能产生的途径？ 答：纯金属晶体中，点缺陷的主要类型是空位、间隙原子、空位对及空位与间隙原子对等。产生的途径：⑴依靠热振动使原子脱离正常点阵位置而产生。空位、间隙原子或空位与间隙原子对都可由热激活而形成。这种缺陷受热的控制，它的浓度依赖于温度，随温度升高，其平衡态的浓度亦增高。⑵冷加工时由于位错间有交互作用。在适当条件下，位错交互作用的结果能产生点缺陷，如带割阶的位错运动会放出空位。⑶辐照。高能粒子（中子、α粒子、高速电子）轰击金属晶体时，点阵中的原子由于粒子轰击而离开原来位置，产生空位或间隙原子。 21. 简述一次再结晶与二次再结晶的驱动力，并如何区分冷热加工？动态再结晶与静态再结晶后的组 织结构的主要区别是什么？ 答：一次再结晶的驱动力是基体的弹性畸变能，而二次再结晶的驱动力是来自界面能的降低。再结晶温 “材料科学与工程基础”第二章习题 1. 铁的单位晶胞为立方体，晶格常数a=0.287nm ，请由铁的密度算出每个单位晶胞所含的原子数。 ρ铁＝7.8g/cm31mol 铁＝6.022×1023个=55.85g 所以，7.8g/1(cm)3=(55.85/6.022×1023)X/(0.287×10-7)3cm3 X ＝1.99≈2（个） 2.在立方晶系单胞中，请画出： （a ）[100]方向和[211]方向，并求出他们的交角； （b ）（011）晶面和（111）晶面，并求出他们得夹角。 （c ）一平面与晶体两轴的截距a=0.5,b=0.75,并且与z 轴平行,求此晶面的密勒指数。 （a ）[211]和[100]之夹角θ＝arctg 2=35.26。 或 cos θ==35.26θ=o （b ） cos θ==35.26θ=o （c ）a=0.5b=0.75z=∞ 倒数24/30取互质整数（320） 3、请算出能进入fcc 银的填隙位置而不拥挤的最大原子半径。 室温下的原子半径R ＝1.444A 。（见教材177页） 点阵常数a=4.086A 最大间隙半径R’=（a-2R ）/2=0.598A 4、碳在r-Fe （fcc ）中的最大固溶度为2.11﹪(重量百分数),已知碳占据r-Fe 中的八面体间隙,试计算出八面体间隙被C 原子占据的百分数。 在fcc 晶格的铁中，铁原子和八面体间隙比为1：1，铁的原子量为55.85，碳的原子量为12.01 所以（2.11×12.01）/(97.89×55.85)＝0.1002 即碳占据八面体的10％。 5、由纤维和树脂组成的纤维增强复合材料，设纤维直径的尺寸是相同的。请由计算最密堆棒的堆垛因子来确定能放入复合材料的纤维的最大体积分数。 见下图，纤维的最密堆积的圆棒，取一最小的单元，得，单元内包含一个圆（纤维）的面积。 2 0.9064==。 即纤维的最大体积分数为90.64％。 6、假设你发现一种材料，它们密排面以ABAC 重复堆垛。这种发现有意义吗？你能否计算这种新材料的原子堆垛因子? fcc 和hcp 密排面的堆积顺序分别是ABCABC……和ABAB…,如果发现存在ABACABAC……堆积的晶体，那应该是一种新的结构，而堆积因子和fcc 和hcp 一样，为0.74。 7.在FCC 、HCP 和BCC 中最高密度面是哪些面？在这些面上哪些方向是最高密度方向？ 密排面密排方向 FCC{111)}<110> HCP(0001)(1120) BCC{110)}<111> 8.在铁中加入碳形成钢。BCC 结构的铁称铁素体，在912℃以下是稳定的，在这温度以上变成FCC 结构，称之为奥氏体。你预期哪一种结构能溶解更多碳?对你的答案作出解释。 奥氏体比铁素体的溶碳量更大，原因是1、奥氏体为FCC 结构，碳处于八面体间隙中，间隙尺寸大（0.414R ）。而铁素体为BCC 结构，间隙尺寸小，四面体间隙0.291R ，八面体间隙0.225R ；2、FCC 的间隙是对称的，BCC 的间隙是非对称的，非对称的2 材料科学工程基础总结 材料科学工程基础总结 1、材料科学与工程的四个基本要素：答：1）、使用性能是材料在使用状态下表现出的行为， 是材料研究的出发点和目标，主要决定于材料的力学、物理和化学等性质；2）、材料的 性质是材料对热、光、机械载荷等的反应，主要决定于材料的组成与结构；3）、化学成分和4）组织结构是影响其性质的直接因素；通过合成制备过程，可改变材料的组织结构而影响其性质； 2、材料科学与工程定义：答：关于材料组成、结构、制备工艺与其性能及使用过程间相互 关系的知识开发及应用的科学。3、按材料特性？材料分为哪几类？答：金属材料、无机非金属材料、高分子材料、半导 体材料。4、金属通常分哪两大类？答：黑色金属材料和有色金属材料。 5、比较金属材料、陶瓷材料、高分子材料、复合材料在结合键上的差别。答：简单金属完 全为金属键，过渡族金属为金属键和共价键的混合，但以金属键为主；陶瓷材料是由一种或多种金属同非金属(通常为氧)相结合的化合物，其主要为离子键，也有一定成分的共价键；高分子材料，大分子内的原子之间结合为共价键，而大分子与大分子之间的结合为物理键。复合材料是由二种或二种以上的材料组合而成的物质，因而其结合链非常复杂，不能一概而论。 6、在元素周期表中，同一周期或同一主族元素原子结构有什么共同特点？从左到右或从上 到下元素结构有什么区别？性质如何递变？答：同一周期元素具有相同原子核外电子层数，从左到右，核电荷增多，原子半径逐渐减小，电离能增加，失电子能力降低，得电 子能力增加，金属性减弱，非金属性增强；同一主族元素核外电子数相同，从上向下，电子层数增多，原子半径增大，电离能降低，失电子能力增加，得电子能力降低，金属性增强，非金属性降低。 7、原子中一个电子的空间位置和能量可用哪四个量子数来决定？答：主量子数n、轨道角 动量量子数li、磁量子数mi和自旋角动量量子数Si。 8、影响配位数的因素。答：共价键数,与结合键类型有关，影响材料的密度。原子的有效 堆积（离子和金属键合）异种离子接近放出能量，不引起离子间的强相互推斥力下，近邻异号离子尽可能多，离子晶体结构更稳定。离子化合物配位数较高，常为6。正、负离子的配位数主要取决于正、负离子的半径比，只有当正、负离子相互接触时，离子晶体的结构才稳定。配位数一定时，正、负离子的半径比有个下限值。 9、比较键能大小和各种结合键的主要特点。答：化学键能>物理键能，共价键能≥离子 键能>金属键能>氢键能>范氏键能；共价键中：叁键键能>双键键能>单键键能。特点：金属键，由金属正离子和自由电子，靠库仑引力结合，电子的共有化，无 《材料科学基础》试题库 一、选择 1、在柯肯达尔效应中，标记漂移主要原因是扩散偶中 __C___。 A、两组元的原子尺寸不同 B、仅一组元的扩散 C、两组元的扩散速率不同 2、在二元系合金相图中，计算两相相对量的杠杆法则只能用于 __B___。 A、单相区中 B、两相区中 C、三相平平线上 3、铸铁与碳钢的区别在于有无 _A____。 A、莱氏体 B、珠光体 C、铁素体 4、原子扩散的驱动力是 _B____。 A、组元的浓度梯度 B、组元的化学势梯度 C、温度梯度 5、在置换型固溶体中，原子扩散的方式一般为 __C___。 A、原子互换机制 B、间隙机制 C、空位机制 6、在晶体中形成空位的同时又产生间隙原子，这样的缺陷称为 _B____。 A、肖脱基缺陷 B、弗兰克尔缺陷 C、线缺陷 7、理想密排六方结构金属的c/a为 __A___。 A、1.6 B、2×√(2/3) C、√(2/3) 8、在三元系相图中，三相区的等温截面都是一个连接的三角形，其顶点触及 __A___。 A、单相区 B、两相区 C、三相区 9、有效分配系数Ke表示液相的混合程度，其值围是 _____。（其中Ko是平衡分配系数） A、1 材料科学与工程基础”考试试题–英文原版教材班 （注：第1、2、3题为必做题；第4、5、6、7题为选择题，必须二选一。共100分） 1. Glossary (2 points for each) 1) crystal structure: The arrangement of the atoms in a material into a repeatable lattice. 2) basis (or motif): A group of atoms associated with a lattice. 3) packing fractor: The fraction of space in a unit cell occupied by atoms. 4) slip system: The combination of the slip plane and the slip direction. 5) critical size: The minimum size that must be formed by atoms clustering together in the liquid before the solid particle is stable and begins to grow. 6) homogeneous nucleation: Formation of a critically sized solid from the liquid by the clustering together of a large number of atoms at a high undercooling (without an external interface). 7) coherent precipitate:A precipitate whose crystal structure and atomic arrangement have a continuous relationship with matrix from which precipitate is formed. 8) precipitation hardening: A strengthening mechanism that relies on a sequence of solid state phase transformations in a dispersion of ultrafine precipitates of a 2nd phase. This is same as age hardening. It is a form of dispersion strengthening. 9) diffusion coefficient: A temperature-dependent coefficient related to the rate at which atom, ion, or other species diffusion. The DC depends on temperature, the composition and microstructure of the host material and also concentration of the diffusion species. 10) uphill diffusion: A diffusion process in which species move from regions of lower concentration to that of higher concentration. 2. Determine the indices for the planes in the cubic unit cell shown in Figure 1. (5 points) 第七章回复再结晶，还有相图的容。 第一章 1.作图表示立方晶体的()()()421,210,123晶面及[][ ][]346,112,021晶向。 2.在六方晶体中，绘出以下常见晶向[][][][][]0121,0211,0110,0112,0001等。 3.写出立方晶体中晶面族{100}，{110}，{111}，{112}等所包括的等价晶面。 4.镁的原子堆积密度和所有hcp 金属一样，为0.74。试求镁单位晶胞的体积。已知Mg 的密度3 Mg/m 74.1=mg ρ，相对原子质量为24.31，原子半径r=0.161nm 。 5.当CN=6时+Na 离子半径为0.097nm ，试问： 1) 当CN=4时，其半径为多少？2) 当CN=8时，其半径为多少？ 6. 试问：在铜（fcc,a=0.361nm ）的<100>方向及铁(bcc,a=0.286nm)的<100>方向,原子的线密度为多少？ 7.镍为面心立方结构，其原子半径为nm 1246.0=Ni r 。试确定在镍的 （100），（110）及（111）平面上12mm 中各有多少个原子。 8. 石英()2SiO 的密度为2.653Mg/m 。试问： 1) 13 m 中有多少个硅原子（与氧原子）？ 2) 当硅与氧的半径分别为0.038nm 与0.114nm 时，其堆积密度为多少（假设原子是球形的）？ 9.在800℃时1010个原子中有一个原子具有足够能量可在固体移动， 而在900℃时910个原子中则只有一个原子，试求其激活能（J/原子）。 10.若将一块铁加热至850℃，然后快速冷却到20℃。试计算处理前后空位数应增加多少倍（设铁中形成一摩尔空位所需要的能量为104600J ）。 11.设图1-18所示的立方晶体的滑移面ABCD 平行于晶体的上、下底面。若该滑移面上有一正方形位错环，如果位错环的各段分别与滑移面各边平行，其柏氏矢量b ∥AB 。 1) 有人认为“此位错环运动移出晶体后，滑移面上产生的滑移台阶应为4个b ,试问这种看法是否正确？为什么？ 2)指出位错环上各段位错线的类型，并画出位错运动出晶体后，滑移方向及滑移量。 12.设图1-19所示立方晶体中的滑移面ABCD 平行于晶体的上、下底面。晶体中有一条位错线de fed ,段在滑移面上并平行AB ，ef 段与滑 材料科学基础大作业——第3章凝固 2015年 月 日 班级： 姓名： 学号： 分数： 一、解释下列概念及术语： 1、结晶 2、过冷度 3、相起伏 4、均匀形核 5、晶粒度 6、形核率 7、形核功 8、枝晶偏析 9、成分过冷 10、临界形核半径 二、填空题 1. 过冷度的大小与金属的本性、纯度和冷却速度有关。金属不同，过冷度大小 同；金属的纯度越高，过冷度越 ；金属及其纯度确定后，过冷度大小主要取决于冷却速度，冷却速度越大，过冷度越 。 2. 金属和非金属，在结晶时均遵循相同的规律，即结晶过程是 和 的过程。 3. 根据热力学条件，金属发生结晶的驱动力为液态金属和固相金属的 之差。此差值与过冷度呈 比。 4.液态金属的晶胚能否形成晶核，主要取决于晶胚半径是否达到了临界形核半径的要求。此半径与过冷度呈 比。 5. 均匀形核时，过冷度△T 和理论结晶温度T m 之间的关系为 。形核功△G k 与过冷度△T 的平方呈 比，即过冷度越大，形核功越 。 6. 形核率可用12N N N ? =表示，其中N 1为受 影响的形核率因子，N 2为受 影响的形核率因子。 7. 工业生产中，液态金属的结晶总是以 形核方式进行，其所需过冷度一般不超过 ℃。 8. 决定晶体长大方式和长大速度的主要因素是晶核的 和其前沿液体中的 。 9. 光滑界面又称为 界面，粗糙界面又称为 界面，其杰克逊因子α值范围分别为 和 。 10.晶体长大方式主要为 长大机制、 长大机制和 长大机制。其中，大部分金属均以 长大机制进行。 11.在正的温度梯度下，光滑界面的界面形态呈 状；粗糙界面的界面形态为 界面。在负的温度梯度下，一般金属和半金属的界面都呈 状。杰克逊因子α值较高的物质保持 界面形态。 12、金属结晶后晶粒内部的成分不均匀现象叫 ；因初晶相与剩余液相比重不同而造成的偏析叫 。 三、判断题 中国海洋大学本科生课程大纲 课程属性：公共基础/通识教育/学科基础/专业知识/工作技能，课程性质：必修、选修 一、课程介绍 1.课程描述（中英文）： 《材料科学与工程基础》是材料类专业学生的一门主干课程，也是高分子专业的学科基础课。通过讲课、课堂讨论和课外实践等各个教学环节，将金属学、陶瓷学和高分子化学的基础理论融合为一体，以研究材料共性规律，即研究材料的成分、组织结构、制备工艺和性能之间的相互关系，指导材料的设计和应用，并为学习后继专业课程、从事材料科学研究和工程技术工作打下坚实的理论基础。同时，讲授过程中通过穿插课程思政内容，培养学生的家国情怀和务实的科研精神。 《Fundamentals of materials science and Engineering》is a main course for students majoring in materials and a basic course for polymer specialty. Through lectures, classroom discussions and extracurricular practice, the basic theories of metallurogy, ceramics and polymer chemistry are integrated into one to study the common laws of materials, that is, to study the relationship between the composition, structure, preparation process and properties of materials, guide the design and application of materials, and engage in material science Research for learning subsequent professional courses and engineering technology work to - 1 - 《材料科学基础》课后习题答案 第一章材料结构的基本知识 4. 简述一次键和二次键区别 答：根据结合力的强弱可把结合键分成一次键和二次键两大类。其中一次键的结合力较强，包括离子键、共价键和金属键。一次键的三种结合方式都是依靠外壳层电子转移或共享以形成稳定的电子壳层，从而使原子间相互结合起来。二次键的结合力较弱，包括范德瓦耳斯键和氢键。二次键是一种在原子和分子之间，由诱导或永久电偶相互作用而产生的一种副键。 6. 为什么金属键结合的固体材料的密度比离子键或共价键固体为高？ 答：材料的密度与结合键类型有关。一般金属键结合的固体材料的高密度有两个原因：（1）金属元素有较高的相对原子质量；（2）金属键的结合方式没有方向性，因此金属原子总是趋于密集排列。相反，对于离子键或共价键结合的材料，原子排列不可能很致密。共价键结合时，相邻原子的个数要受到共价键数目的限制；离子键结合时，则要满足正、负离子间电荷平衡的要求，它们的相邻原子数都不如金属多，因此离子键或共价键结合的材料密度较低。 9. 什么是单相组织？什么是两相组织？以它们为例说明显微组织的含义以及显微组织对性能的影响。 答：单相组织，顾名思义是具有单一相的组织。即所有晶粒的化学组成相同，晶体结构也相同。两相组织是指具有两相的组织。单相组织特征的主要有晶粒尺寸及形状。晶粒尺寸对材料性能有重要的影响，细化晶粒可以明显地提高材料的强度，改善材料的塑性和韧性。单相组织中，根据各方向生长条件的不同，会生成等轴晶和柱状晶。等轴晶的材料各方向上性能接近，而柱状晶则在各个方向上表现出性能的差异。对于两相组织，如果两个相的晶粒尺度相当，两者均匀地交替分布，此时合金的力学性能取决于两个相或者两种相或两种组织组成物的相对量及各自的性能。如果两个相的晶粒尺度相差甚远，其中尺寸较细的相以球状、点状、片状或针状等形态弥散地分布于另一相晶粒的基体内。如果弥散相的硬度明显高于基体相，则将显著提高材料的强度，同时降低材料的塑韧性。 10. 说明结构转变的热力学条件与动力学条件的意义，说明稳态结构和亚稳态结构之间的关系。 答：同一种材料在不同条件下可以得到不同的结构，其中能量最低的结构称为稳态结构或平衡太结构，而能量相对较高的结构则称为亚稳态结构。所谓的热力学条件是指结构形成时必须沿着能量降低的方向进行，或者说结构转变必须存在一个推动力，过程才能自发进行。热力学条件只预言了过程的可能性，至于过程是否真正实现，还需要考虑动力学条件，即反应速度。动力学条件的实质是考虑阻力。材料最终得到什么结构取决于何者起支配作用。如果热力学推动力起支配作用，则阻力并不大，材料最终得到稳态结构。从原则上讲，亚稳态结构有可能向稳态结构转变，以达到能量的最低状态，但这一转变必须在原子有足够活动能力的前提下才能够实现，而常温下的这种转变很难进行，因此亚稳态结构仍可以保持相对稳定。 第二章材料中的晶体结构 1. 回答下列问题： （1）在立方晶系的晶胞内画出具有下列密勒指数的晶面和晶向： 32）与[236] （001）与[210]，（111）与[112]，（110）与[111]，（132）与[123]，（2 （2）在立方晶系的一个晶胞中画出（111）和（112）晶面，并写出两晶面交线的晶向指数。 解：（1）材料科学与工程基础300道选择题(答案)
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