材料科学基础考研大纲解析

大纲解析及重点知识（自编）【考试大纲解析】绪论部分材料科学与工程：1.材料的主要类型及其基本特性。

工程材料主要可以划分为：金属、陶瓷、聚合物、复合材料、半导体。

通常所说的三大固体材料是：金属材料（金属中大量的自由电子能在金属两端电势差的作用下定向流动，形成电流，显示金属良好的导电性。

温度升高，金属正离子振动振幅增大，电子运动受阻，电阻升高，因此金属具有正的电阻温度系数。

金属热量的传递，不仅依靠金属正离子的振动，更由于自由电子的运动，极大地增强了热量传递，所以金属具有良好的导热性。

自由电子容易吸收可见光的能量，随后又将吸收的可见光的能量辐射出来，从而使金属不透明具有光泽。

金属的两部分作相对位移时，金属正离子仍沉浸在电子云中，保持着金属键结合，因此金属能变形而不断裂，表现出延展性。

）、陶瓷材料（也叫无机非金属材料，特性：）、高分子材料（特性：质量轻、比强度高、比模量高、耐腐蚀性能好、绝缘性好。

）第1部分材料的原子结构与键合1. 原子结构与原子的电子结构；原子结构、原子排列对材料性能的影响。

决定材料性能的最根本的因素是组成材料的各元素的原子结构，原子间的相互作用、相互结合，原子或分子在空间的排列分布和运动规律，以及原子集合体的形貌特征等。

原子是由质子和中子组成的原子核，以及核外的电子所构成的。

原子的电子结构：电子在原子核外空间作高速旋转运动，就好像带负电荷的云雾笼罩在原子核周围，故称为电子云。

电子既具有粒子性又具有波动性，即波粒二象性。

2.材料中的结合键的类型、本质，各结合键对材料性能的影响，键-能曲线及其应用。

【解析】结合键可分为化学键和物理键两大类。

化学键包括金属键、离子键和共价键；物理键即范德瓦尔斯力。

此外还有一种氢键，性质介于化学键和范德瓦尔斯力之间。

金属中的自由电子与金属正离子相互作用所构成的键合称为金属键。

金属键无饱和性和方向性。

离子键——正负离子依靠他们之间的静电引力结合在一起。

离子键无方向性和饱和性。

因此，决定离子晶体结构的因素就是正负离子的电荷及几何因素。

离子晶体中的离子一般都有较高的配位数。

键-能曲线及其应用（老外P24——P32，理解之后再总结）3. 原子的堆垛和配位数的基本概念及对材料性能的影响。

堆垛层错（stacking fault）是广义的层状结构晶格中常见的一种面缺陷。

它是晶体结构层正常的周期性重复堆垛顺序在某二层间出现了错误，从而导致的沿该层间平面（称为层错面）两侧附近原子的错误排布。

例如在立方紧密堆积（CCP）结构中，其固有的正常堆垛顺序为三层重复的……ABC ABC ABC……，如果局部出现诸如……ABC A＼C ABC……或者……ABC AB＼A＼C ABC……，则在划线处便是堆垛层错的所在。

它们在形式上也可看成是由一个完整的晶格沿层错面、其两侧晶格间发生非重复周期平移所导致的结果。

堆垛层错：原子在堆垛过程中，某一层的原子层与另外一层的原子层成发生了错误的堆垛。

比如面心ABCABC→ABCACABC产生单位面积层错所需的能量称为层错能。

4. 显微组织基本概念和对材料性能的影响。

显微组织：采用适当方法（如侵蚀）处理后的金属试样的磨面或其复型或用适当方法制成的薄膜置于光学显微镜或电子显微镜下观察到的组织。

第2部分材料的晶态结构1.晶体与非晶体、晶体结构、空间点阵、晶格、晶胞、晶格常数、布拉菲点阵、晶面间距等基本概念。

按照原子的排列特征可将固态物质分为晶体和非晶体。

晶体中的原子在空间呈有规则的周期性重复排列，而非晶体原子则是无规则排列的。

晶态与非晶态往往是可以相互转换的。

晶体结构的基本特征是，原子在三维空间呈周期性重复排列，即存在长程有序。

晶体与非晶体在性能上的区别：①晶体融化时具有固定的熔点，而非晶体则无固定熔点，存在一个软化温度范围。

②晶体具有各向异性，而非晶体却为各向同性。

晶体的各向异性——沿晶体不同方向测得的性能（例如导电性、导热性、弹性、强度等）并不相同。

非晶体的性能不因方向而异，称为各向同性。

实例：沿铜单晶体不同方向测定有关性能的最大值和最小值之比，对弹性模量来说可达2.86，抗拉强度则为2.70。

但是实际用到的金属材料由于一般是多晶体材料，所以表现不出各向异性。

空间点阵（简称点阵）——阵点在空间呈周期性规则排列，并具有完全相同的周围环境，这种由他们在三维空间规则排列的阵列称为空间点阵。

晶格——将阵点用一系列平行直线连接起来，构成一空间格架叫晶格。

晶胞——从点阵中取出一个能代表点阵特征的最基本单元。

晶格常数——三条棱边的边长a，b，c。

布拉非点阵（即14种空间点阵），7个晶系。

参考（上交P21）。

晶面间距——相邻的两个平行晶面之间的距离。

通常，低晶面指数的面间距交大，而高指数的面间距则较小。

此外，晶面间距越大，则该晶面上原子排列越紧密；晶面间距越小，则排列越稀疏。

2.晶体晶向指数与晶面指数的标定方法，。

（参考上交P23—P26）3.晶体结构及类型，常见晶体结构(bcc、fcc、hcp)及其几何特征、配位数、堆积因子（致密度）、间隙、密排面与密排方向。

（上交P35—P41）金属晶体、共价晶体（金刚石结构，属于面心立方点阵）、离子晶体（NaCl型结构，荧石结构，纤锌矿结构）金属晶体中存在许多间隙，其中位于6个原子所组成的八面体中间的间隙称为八面体间隙，位于4个原子所组成的四面体中间的间隙叫四面体间隙。

三种晶体结构中的原子密排面和密排方向，分别是，体心立方{110} <111>，面心立方{111} <110>，密排六方{0001} <1120>，这些原子密排面在空间一层一层平行地堆垛起来就分别构成这三种晶体结构。

通常以配位数和致密度（堆积因子）两个参数来描述晶体中原子排列的紧密程度。

配位数是指晶体结构中任一原子周围最近邻且等距离的原子数。

致密度是晶体结构中原子体积占总体积的百分数。

4.合金相结构，固溶体、中间相的基本概念和性能特点。

所谓合金，是指两种或两种以上的金属或金属与非金属经熔炼，烧结或其他方法组合而成，并具有金属特性的物质。

组成合金的基本的、独立的物质称为组元。

改变和提高金属材料的性能，合金化是最主要的途径。

所谓合金相，是指合金中具有同一聚集状态，同一晶体结构和性质并以界面相互隔开的均匀组成部分。

它是由单相合金和多相合金组成。

固态下所形成的合金相基本上可分为固溶体和中间相两大类。

固溶体 溶质原子溶于固态溶剂中，并能保持溶剂元素的晶体结构类型所形成的合金相称为固溶体。

固溶体的性能特点 ①点阵常数改变 ②产生固溶强化 ③物理和化学性能发生变化中间相 两组元A 和B 组成合金时，除了可以形成以A 为基或以B 为基的固溶体外，还可能形成晶体结构与A ，B 两组元均不相同的新相，由于它们在二元相图的位置总是位于中间，通常把这些相称为中间相。

大多数中间相中，原子间的结合方式属于金属键与其他典型键相混合的一种结合方式，因此，它们都具有金属性。

5.离子晶体和共价晶体机构，离子晶体结构规则、典型的离子晶体结构。

离子晶体结构（上交P56）：典型的离子晶体是碱金属元素和卤族元素之间形成的化合物晶体。

这种晶体是以正负离子为结合单元的。

它们的结合是依靠离子键的作用，即依靠正、负离子间的库伦作用。

为形成稳定的晶体还必须有某种近距的排斥作用与静电吸引作用相平衡。

共价晶体结构（上交P68） 共价晶体中相邻原子通过共用电子形成稳定的电子满壳层结构，因此，共价晶体的共同特点是配位数服从8—N 法则，N 为原子的价电子数，这就是说结构中每个原子都有8—N 个最邻近的原子。

这一特点使得共价键结构具有饱和性。

另外，共价晶体中各个键之间都有确定的方位，即共价键具有方向性，这也导致共价晶体中原子的配位数比金属晶体和离子晶体的小。

离子晶体结构规则（上交P57） 鲍林在大量的实验基础上，应用离子键理论，归纳总结出离子晶体结构规则 ① 负离子配位多面体原则 在离子晶体中，正离子的周围形成一个负离子配位多面体，正负离子间的平衡取决于离子半径之和，而正离子的配位数则取决于正负离子的半径比。

② 电价原则 在一个稳定的离子晶体结构中，每个负离子的电价等于或接近等于与之邻近的各正离子静电键强度的总和。

③ 负离子多面体共用顶、棱和面的规则。

④ 不同种类正离子配位多面体间连接规则 在含有两种以上正离子的离子晶体中，一些电价较高，配位数较低的正离子配位多面体之间，有尽量互不结合的趋势。

⑤ 节约规则 在同一晶体中，同种正离子与同种负离子的结合方式应最大限度地趋于一致。

典型的离子晶体结构（上交P59） 1.AB 型化合物结构 C s C l型结构是离子晶体结构中最简单的一种，属于立方晶系简单立方点阵，+Cs 和-Cl 的配位数均为8，一个晶胞内含有+Cs和-Cl 各一个。

NaCl 型结构 自然界中有几百中化合物都属于NaCl 型结构，NaCl 属立方晶系，面心立方点阵，每个钠离子被6和氯离子包围，每个晶胞的离子数为8, 4个+Na和4个-Cl 。

立方ZnS 型结构，又称闪锌矿型，属立方晶系，面心立方点阵。

2. 2AB 型化合物结构 2CaF （萤石）型结构，属立方晶系，面心立方点阵； 2TiO （金红石）型结构 ；方晶石型结构。

3. 32B A 型化合物 典型代表是刚玉（32O Al -α），每个晶胞中含有4个+3Al 和6个-2O 。

4. 3CaTiO （钙钛矿）型结构 ；方解石（3CaCO ）型结构 5. 尖晶石（4MgAlO ）6.高分子材料的组成和结构的基本特征（上交P8），高分子材料结晶形态、高分子链在晶体中的构象、高分子材料晶态结构模型、液晶态的结构特征与分类。

结晶度：结构复杂的高分子链很难形成十分完善的晶体，即使在严格条件下培养的单晶也有许多晶体缺陷。

实际上高分子的结晶体总是由晶区和非晶区两部分组成。

结晶度是指试样中结晶部分的质量分数或体积分数。

高分子结构的基本特征：①独特的链结构 ②高分子链具有柔顺性 ③高分子结构具有多分散性 ④高分子聚集态结构具有复杂性高分子材料结晶形态：（上交P70）：高分子结晶结构特征：高分子的结晶是分子的结晶；结晶速度慢和结晶不完整性；晶内存在大量的缺陷；一个大分子可以穿过若干个晶胞，甚至可以从结晶区到非结晶区再穿入结晶区。

高分子材料结晶形态：高分子单晶、高分子球晶、高分子树枝状晶、高分子串晶、伸直链晶体。

高分子链在晶体中的构象：对于高分子链，无规线团构象是一种比较低能的状态，在熔体、熔体及非晶态固体中的聚合物分子力图作无规线团构象。

只有结晶体具有最低能量。

高分子材料晶态结构模型（上交P72）：缨状微束模型、折叠链模型、伸直链模型、串晶的结构模型、球晶的结构模型液晶态的结构特征与分类（上交P77）：由固态向液态转化过程中存在的取向有序流体，兼有晶体和液体的部分性质的中间态称为液晶。