陶瓷材料科学与工程

第1节 材料科学与工程概述

1.1.1材料科学的内涵

材料科学就是从事对材料本质的发现、分析认识、设计及控制等方面研究的一门科学。其目的在于揭示材料的行为，给予材料结构的统一描绘或建立模型，以及解释结构与性能之间的内在关系。材料科学的内涵可以认为是由五大要素组成，他们之间的关联可以用一个多面体来描述（图1-1）。其中使用效能是材料性能在工作状态（受力、气氛、温度）下的表现，材料性能可以视为材料的固有性能，而使用效能则随工作环境不同而异，但它与材料的固有性能密切相关。理论及材料与工艺设计位于多面体的中心，它直接和其它5个要素相连，表明它在材料科学中的特殊地位。

材料科学的核心内容是结构与性能。为了深入理解和有效控制性能和结构，人们常常需要了解各种过程的现象，如屈服过程、断裂过程、导电过程、磁化过程、相变过程等。材料中各种结构的形成都涉及能量的变化，因此外界条件的改变也将会引起结构的改变，从而导致性能的改变。因此可以说，过程是理解性能和结构的重要环节，结构是深入理解性能的核心，外界条件控制着结构的形成和过程的进行。

材料的性能是由材料的内部结构决定的，材料的结构反映了材料的组成基元及其排列和运动的方式。材料的组成基元一般为原子、离子和分子等，材料的排列方式在很大程度上受组元间结合类型的影响，如金属键、离子键、共价键、分子键等。组元在结构中不是静止不动的，是在不断的运动中，如电子的运动、原子的热运动等。描述材料的结构可以有不同层次，包括原子结构、原子的排列、相结构、显微结构、结构缺陷等，每个层次的结构特征都以不同的方式决定着材料的性能。

物质结构是理解和控制性能的中心环节。组成材料的原子结构，电子围绕着原子核的运动情况对材料的物理性能有重要影响，尤其是电子结构会影响原子的键合，使材料表现出金属、无机非金属或高分子的固有属性。金属、无机非金属和某些高分子材料在空间均具有规则的原子排列，或者说具有晶体的格子构造。晶体结构会影响到材料的诸多物理性能，如强度、塑性、韧性等。石墨和金刚石都是由碳原子组成，但二者原子排列方式不同，导致强度、硬度及其它物理性能差别明显。当材料处于非晶态时，与晶体材料相比，性能差别也很大，如玻璃态的聚乙烯是透明的，而晶态的聚乙烯是半透明的。又如某些非晶态金属比晶态金属具有更高的强度和耐蚀性能。此外，在晶体材料中存在的某些排列的不完整性，即存在结构缺陷，也对材料性能产生重要影响。

材料科学与工程主修课程

材料科学与工程是一门综合性学科，涉及到物质的结构、性能及其制备、加工等方面。以下是主修课程列表以及简要介绍。

1. 材料科学导论：介绍材料科学与工程的基本概念、研究内容、研究方法和应用领域。

2. 材料物理化学：介绍材料的物理与化学性质，如红外光谱、热力学性质、表面化学性质等。

3. 材料表征与测试技术：学习各种材料性能测试方法的基本原理和操作技巧，如扫描电镜、原子力显微镜等。

4. 材料结构与性能：介绍材料的晶体结构、晶格缺陷、相变行为等基本概念，并探讨材料结构与性能之间的关系。

5. 材料制备技术：学习材料的制备方法和工艺流程，如冶金、陶瓷、高分子、纳米等材料制备技术。

6. 现代材料加工技术：介绍材料加工的基本原理、方法和技术，包括锻造、热处理、焊接、铸造等现代加工技术。

7. 资源材料研究与开发：学习资源型材料，如矿产资源、植物资源、动物资源等的开发和利用。

8. 工程材料的性能与使用：学习工程材料的力学性能、耐热性能、耐蚀性能、耐磨性能等方面的性能特点，以及工程材料的选型和应用。

通过以上主修课程的学习，能够掌握材料科学的基本理论、测试技术和制备技术。同时也能够了解不同材料的特性和应用范围，以及实际工程中的应用情况。

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材料科学：材料科学与工程模拟考试卷

考试时间：120分钟 考试总分：100分

题号 一 二 三 四 五 总分

分数

遵守考场纪律，维护知识尊严，杜绝违纪行为，确保考试结果公正。

1、填空题

写出下列力学性能指标的符号：屈服强度（ ）、抗拉强度（ ）、洛氏硬度C标尺（ ）、断后伸长率（ ）、断面收缩率（ ）。

本题答案：

2、单项选择题

对于无机化合物，当Δ=（r1-r2）/r1A.化合物

B.连续型固溶体

C.有限型固溶体

D.不生成固溶体

本题答案：

3、名词解释

二次成型

本题答案：

4、填空题

对于单向排列的纤维增强复合材料，当材料产生裂纹的平面垂直于纤维时，裂纹扩展受阻，要使裂纹继续扩展必须提高（ ），克服纤维（ ）和纤维（

）。

本题答案：

5、填空题

晶体的对称要素中点对称要素种类有（ ）、（ ）、（ ）、（ ），含有平移操作的对称要素种类有（ ）、（ ）。 姓名：________________ 班级：________________ 学号：________________

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本题答案：

6、问答题

试用实验方法鉴别晶体SiO2、SiO2玻璃、硅胶和SiO2熔体。它们的结构有什么不同？

本题答案：

7、判断题

聚合反应是放热反应，裂解反应是吸热反应.

本题答案：

8、问答题

如何改善聚合物的耐热性能？

本题答案：

未知驱动探索，专注成就专业

1

材料科学与工程基础 - 第二章 - 课后习题答案

2.1 选择题

1. D

2. B

3. C

4. A

5. D

2.2 填空题

1. 结构、性质、性能、制备、应用

2. 金属、陶瓷、聚合物

3. 晶体

4. 金属材料、陶瓷材料、聚合物材料、复合材料

5. 原子、分子 未知驱动探索，专注成就专业

2

2.3 简答题

1. 材料科学与工程的基础概念和特点有：

– 材料科学：研究材料的结构、性质、制备和性能等方面的科学。

– 材料工程：研究通过控制材料的结构和制备方法，得到具有特定性能和使用寿命的材料并应用于工程中。

材料科学与工程的特点包括：

– 综合性：材料科学与工程是一门综合性的学科，涉及物理、化学、力学、热学等各个学科。

– 实用性：材料科学与工程以实际应用为目的，研究如何通过控制材料的结构和性能，满足工程和产品的需求。

– 发展性：随着科技的进步和社会的发展，材料科学与工程也在不断发展，涌现出各种新材料和新技术。

2. 不同材料的结构特点及其对材料性能的影响 未知驱动探索，专注成就专业

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– 金属材料：金属材料具有密排列的晶体结构，其晶粒间有较好的连续性，导致金属材料具有良好的导电性、导热性和机械性能。

– 陶瓷材料：陶瓷材料以离子键或共价键为主要结合方式，具有非常硬、脆和耐高温的特点，但导电性差。

– 聚合物材料：聚合物材料由长链状分子构成，具有良好的绝缘性、柔韧性和可塑性，但强度和硬度较低。

– 复合材料：复合材料由不同的两种或更多种材料组成，通过它们的相互作用产生优异的整体性能。同时，复合材料的结构也决定其性能。

3. 材料的制备方法包括：

– 金属材料的制备方法有铸造、锻造、挤压、焊接等。

– 陶瓷材料的制备方法有干法制备和湿法制备等。

– 聚合物材料的制备方法有合成聚合法、溶液聚合法、熔融聚合法等。 未知驱动探索，专注成就专业

4

– 复合材料的制备方法有增强相法、混合相法、层压法等。