1、第1章绪论1材料科学与工程的四个基本要素解：制备与加工、组成与结构、性能与应用、材料的设计与应用 2金属无机非金属材料 高分子材料的基本特性 解：金属材料的基本特性：a.金属键；b.常温下固体，熔点较高；c.金属不透明，具有光泽；d.纯金属范性大、展性、延性大；e.强度较高；f.导热性、导电性好；g.多数金属在空气中易氧化。 无机非金属材料的基本性能：a.离子键、共价键及其混合键；b.硬而脆；c.熔点高、耐高温，抗氧化；d.导热性和导电性差；e.耐化学腐蚀性好；f.耐磨损；g.成型方式：粉末制坯、烧结成型。 高分子材料的基本特性：a.共价键，部分范德华键；b.分子量大，无明显熔点，有玻璃化转变
2、温度（Tg）和粘流温度（Tf）；c.力学状态有三态：玻璃态、高弹态和粘流态；d.质量轻，比重小；e.绝缘性好；f.优越的化学稳定性；g.成型方法较多。第2 章物质结构基础 1 在多电子的原子中，核外电子的排布应遵循哪些原则？解：泡利不相容原理、能量最低原理、洪特规则2电离能及其影响电离能的因素 解：电离能：从孤立原子中，去除束缚最弱的电子所需外加的能量。 影响因素：同一周期，核电荷增大，原子半径减小,电离能增大；同一族，原子半径增大，电离能减小；电子构型的影响，惰性气体；非金属；过渡金属；碱金属；3混合键合实例 解：石墨：同一层碳原子之间以共价键结合，层与层之间以范德华力结合； 高分子：同一条
3、链原子之间以共价键结合，链与链之间以范德华力结合。4.将离子键，共价键，金属键按有无方向性进行分类，简单说明理由有方向性：共价键无方向性：离子键，金属键 金属键： 正离子排列成有序晶格，每个原子尽可能同更多的原子相结 合， 形成低能量的密堆结构，正离子之间相对位置的改变不破坏电子与正离子间的结合力，无饱和性又无方向性。共价键：共用电子云最大重叠，有方向性离子键：正负离子相间排列，构成三维晶体结构，无方向性和饱和性5.简述离子键，共价键，金属键的区别6.为什么共价键材料密度通常要小于离子键或金属键材料金属密度高的两个原因：第一，金属有较高的相对原子质量。第二，金属键没有方向性，原子趋于密集排列。
4、7. 影响原子(离子) 间距的因素：（1 ）温度升高, 原子间距越大 , 热膨胀性；（2 ）离子价负离子的半径 其原子半径 正离子的半径（3 ）键能增强，原子距离缩短，键长减少（ C-C 单, 双, 叁键 ）；（4 ）相邻原子的数目 ( 配位数)配位数增加，相邻原子的电子斥力越大, 原子间距增大。相邻原子的数目越多，原子间距（结合原子或离子有效半径）越大。8.原子的电子排布式按照能级写出N、O、Si、Fe、Cu、Br原子的电子排布。解：N:1s22s22p3 O:1s22s22p4 Si:1s22s22p63s23p 2 Fe:1s22s22p63s23p63d64s2 Cu:1s22s22p
5、63s23p63d104s1 Br:1s22s22p63s23p63d104s24p59 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。 解：金属材料：简单金属（指元素周期表上主族元素）的结合键完全为金属键，过渡族金属的结合键为金属键和共价键的混合，但以金属键为主。 陶瓷材料：陶瓷材料是一种或多种金属同一种非金属（通常为氧）相结合的化合物，其主要结合方式为离子键，也有一定成分的共价键。 高分子材料：高分子材料中，大分子内的原子之间结合方式为共价键，而大分子与大分子之间的结合方式为分子键和氢键。 复合材料：复合材料是由二种或者二种以上的材料组合而成的物质，因而其结合键非常复杂，不
6、能一概而论。10 比较键能大小，简述各种结合键的主要特点，简述结合键类型及键能大小对材料的熔点 密度导电性 导热性弹性模量和塑性有何影响。 解：键能大小：化学键能 物理键能 共价键 离子键 金属键 氢键 范德华力 共价键中： 叁键键能 双键键能 单键键能 结合键的主要特点： 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，无饱和性，无方向性； 离子键以离子为结合单元，无饱和性，无方向性； 共价键共用电子对，有饱和性和方向性； 范德华力，原子或分子间偶极作用，无方向性，无饱和性； 氢键，分子间作用力，氢桥，有方向性和饱和性。 结合键类型及键能大小对材料的熔点密度弹性模量和塑性的影响
7、： 结合键的键能大小决定材料的熔点高低，其中纯共价键的金刚石有最高的熔点，金属的熔点相对较低，这是陶瓷材料比金属具有更高热稳定性的根本原因。金属中过渡金属具有较高的熔点，这可能是由于这些金属的内壳层电子没有充满，是结合键中有一定比例的共价键。具有二次键结合的材料如聚合物等，熔点偏低。密度与结合键类型有关，金属密度最高，陶瓷材料次之，高分子材料密度最低。金属的高密度有两个原因：一个是由于金属原子有较高的相对原子质量，另一个原因是因为金属键的结合方式没有方向性，所以金属原子中趋向于密集排列，金属经常得到简单的原子密排结构。离子键和共价键结合时的情况，原子排列不可能非常致密，所以陶瓷材料的密度比较低
8、。高分子中由于是通过二次键结合，分子之间堆垛不紧密，加上组成的原子质量比较小，所以其密度最低。弹性模量是表征材料在发生弹性变形时所需要施加力的大小。结合键的键能是影响弹性模量的主要因素，键能越大，则弹性模量越大。陶瓷250600GPa，金属70350GPa，高分子0.73.5GPa。塑性是一种在某种给定载荷下，材料产生永久变形的材料特性。材料的塑性也与结合键类型有关，金属键结合的材料具有良好的塑性，而离子键、共价键的材料的塑性变形困难，所以陶瓷材料的塑性很差，高分子材料具有一定的塑性。11.晶体的共同性质1） 确定的熔点 温度升高到某一值，排列方式解体，原子 成无规则堆积，呈现液体；2）自发形
9、成规则多面体外形的能力；3) 稳定性 （能量最低状态）；4) 各向异性 （ 不同方向, 物理性能不同）；5) 均匀性 ( 一块晶体各部分的宏观性质相同)12.名词解释：致密度：晶胞中原子体积的总和与晶胞体积之比。13同素异构转变，并举例说明。解：同素异构转变：改变温度或压力等条件下，固体从一种晶体结构转变成另一种晶体结构。 例：铁在不同温度下晶体结构不同， D晶界D沿位错D晶内 4.间隙型固溶体比置换型固溶体容易扩散。因为间隙扩散机制的扩散激活能小于置换型扩散。间隙型固溶体中间隙原子已位于间隙，而置换型固溶体中溶质原子通过空位机制扩散时，需要首先形成空位，因而激活能高。 5.(Fe )属于体心
10、结构，( Fe )属于面心结构，面心结构点阵比体心结构点阵紧密，铁在面心立方点阵中的自扩散系数D-Fe与在体心立方点阵的D-(Fe)相比， 在912时，D-(Fe)280D-Fe32.书上例题33.无规网络模型的结构特点34 2-6635结构弛豫，非晶态的晶化和熔体结晶有何异同？ 解： 结构驰豫刚制备的不稳定态非晶材料，常温或加热保温退火，许多性质将随时间发生变 化，达到另一种亚稳态。 非晶态的晶化与熔体冷凝结晶的异同点： 都是由亚稳态向晶态的相变，受成核和晶体生长控制。 非晶态晶化: T Tg，相变驱动力大，成核功小，利于成核和 晶体生长； 粘度大，固相内扩散，扩散慢，不利于成核和 晶体生长
11、，更有利于保持非晶状态。 熔体冷凝结晶：TgTTm，液体内的扩散 36分别求W(Sn)=61.9%和W(Sn)=50%时，在183转变时，各相的相对含量? 解： W(Sn)=50% w =（ 61.950）/（61.9 19） 100%=27.74%，w =1w =72.26%37.固体表面结构的主要特点? 解：固体表面结构的主要特点是存在着不饱和键和范德华力。 晶体不同晶面的表面能数值不同，密排面的表面能最低，故晶体力图以密排面作为晶体的外表面；38.分析讨论影响材料表面能的因素? 解：表面能是增加单位面积的表面，需要做的功.扩张表面时。要克服原有原子、分子或离子之间的相互作用。作用力弱，做
12、功小，表面能低。 1）键性：表面能反映质点间的引力作用，强键力的金属和无机材料表面能较高。 低表面能物质：水0.059，石蜡 0.03， PE 0.035，PTFE 0.023，PA66 0.0472）温度：温度升高，表面能一般减小。热运动削弱了质点间的吸引力。 3）杂质：含少量表面能较小的组分，可富集于表面，显著降低表面能；含少量表面能较大的组分，倾向于体内富集，对表面能影响小39.三种润湿的数学表达式?解：沾湿：WA = G = Sg+ Lg SL 润湿：Wi= G = sg - sL 铺展：S = G = sg - Lg - sL 三种润湿的共同点: 液体将气体从固体表面排开，使原有的固
13、/气(或液/ 气) 界面消失，被固/液界面取代 三种润湿的规律： 沾湿粘附功Wa = A+ LgWa =Sg+ Lg SL浸湿Wi = A =sg - sL铺展 S = A Lg Sg越大， SL越小，粘附张力A越大，越有利于各种润湿；沾湿： Lg大，有利沾湿； 浸湿： Lg，无影响; 铺展： Lg小，有利铺展。 改变润湿性主要取决于 Sg， Lg， SL的相对大小，改变Sg较难，实际上更多的是考虑改变 Lg和 SL。40.润湿的本质是 解：润湿的本质是异相接触后体系的表面能下降。2-2341.硅烷偶联剂？硅烷偶联剂是一类在分子中同时含有两种不同化学性质基团的有机硅化合物，其经典产物可用通式Y
14、SiX 3表示。式中，Y为非水解基团，包括链烯基（主要为乙烯基），以及末端带有Cl、NH 2、SH、环氧、N 3、（甲基）丙烯酰氧基、异氰酸酯基等官能团的烃基，即碳官能基；X为可水解基团，包括 Cl,OMe, OEt, OC2H4OCH3, OSiMe3, 及OAc等。由于这一特殊结构，在其分子中同时具有能和无机质材料（如玻璃、硅砂、金属等）化学结合的反应基团及与有机质材料（合成树脂等）化学结合的反应基团，可以用于表面处理第三章思考题1 高分子材料组成和结构的基本特征 解：平均分子量大和存在分子量分布；高分子链具有多种形态；分子链间以范氏力为主，部分化学键；分子内为共价键；组成与结构的多层次性
15、2 比较分子链的近程结构对高分子链柔顺性的影响 解：主链结构。极性小的碳链高分子，分子内相互作用不大，内旋转位垒小，柔性较大。 主链中含非共轭双键，相邻单键的非键合原子（带* 原子）间距增大,使最邻接双键的单键的内旋转较容易，柔顺性好。主链中含共轭双键，因电子云重叠，没有轴对称性，电子云在最大程度交叠时能量最低，而内旋转会使 键的电子云变形和破裂，不能内旋转，刚性链分子。主链含不能内旋转的芳环、芳杂环时，可提高分子链的刚性。 取代基。侧基极性越大，极性基团数目越多，相互作用越强，单键内旋转越困难，分子链柔顺性越差。 氢键和交联结构的影响。高分子的分子内或分子间形成氢键，氢键影响比极性更显著，增
16、加分子链的刚性。3.相容剂及其增容作用添加相容剂是改善高分子分散相与基体之间相容性，稳定熔融分散混合效果的有效方法。相容剂通常为两相高分子的共聚物。相容剂共聚物的链段会与共混体系中相应的均聚物部分相互作用，从而降低表面张力，增强分散相与基体的粘附。这一过程称为“增容作用” 4.内聚能密度对高聚物结构和性能的影响内聚能密度: 单位体积的内聚能（CED）CED 400（J/cm 3） ，多含强极性基团和氢键，分子间作用力大，有较高结晶性和强度，用作纤维。5.聚合物制备方法，主要结构类型加成聚合和缩聚主要结构：无规 ABBAABAB Random n 1.0, 沿珠光体边界形成网状Fe 3C ，降低
17、了晶界的断裂强度，使合金脆性大大增加。碳钢，一般要求 w(C) 1.04 . 钢和铸铁在成分组织性能上的主要区别是什么 钢: 碳含量 2.11%（重量）的铁-碳合金。碳钢 和合金钢1 碳钢1） 按碳含量（质量百分数）分类：低碳钢 C0.25中碳钢 0.25 C 0.6 45号钢的概念高碳钢 C 0.6含碳量越高，碳钢硬度和强度越大，但塑(韧) 性降低。2） 按钢中杂质的质量含量分类（杂质硫、磷含量）：普通碳素钢 S 0.055，P 0.045优质碳素钢 S 0.040， P 0.040高级优质碳素钢 S 0.030，P 0.0353）按用途分类：碳素结构钢：桥梁、船舶、建筑构件、机器零件等。碳
18、素工具钢：刀具、模具、量具等。合金钢: 碳钢中加入一种或多种合金元素，形成的钢。1）按含合金元素的总含量分类：低合金钢（合金元素总质量分数 5）中合金钢（合金元素总质量分数 = 510）高合金钢（合金元素总质量分数 10）。2）按主要合金元素种类分：铬钢 不锈钢 铬镍钢 锰钢 硅锰钢等。 铸铁含碳量 2.11的铁- 碳合金。铸铁成分范围：C:2.54.0%, Si:1.0 3.0%，Mn:0.5 1.4%, S:0.02 0.20%，P:0.01 0.50%。为改善性能，也加入 Cr、Mo、V 、Cu、Al等；与钢相比，铸铁含碳和硅量较大，含杂质元素较多。铸铁的生产设备和工艺简单，价格便宜。广
19、泛用在机械制造、冶金、矿上、石油化工、 交通等领域。按质量分数计算，铸铁件在农业机械中占 40 60；汽车拖拉机中占 50 70；机床制造中占 60 90。灰口铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁和可锻铸铁等。铸铁中，碳可以石墨G形式存在，与铁构成Fe G平衡状态5。Fe-Fe 3C相图6.分析w(C) 0.77 、w(C)1.2 、w(C) 4.3 、w(C) 4.5的铁碳合金从液态平衡冷却到室温的转变过程，用组织示意图说明各阶段的组织变化。7. 计算 w(C) = 0.77%和w(C) = 0.40%的铁碳合金从液态平衡冷却到室温下的组织成物和相组织物含量. 8铁碳合金中碳的存在形式。灰铸铁,白口铸铁
20、，麻口铸铁的碳的存在形式有何不同。 解：铁碳合金中，碳的存在形式：与铁间隙固溶；溶入铁的晶格，形成间隙固溶体。化合态的渗碳体；亚稳态，在一定条件下分解为铁和石墨;游离态的石墨G :稳定态，可从铸铁熔液中析出，也可从奥氏体中析出。 白口铸铁（碳以渗碳体形式存在，断口为白亮色） 灰口铸铁（碳以游离石墨形式存在，断口为暗灰色） 麻口铸铁（同时含有石墨和渗碳体，断口灰白相间） 9灰铸铁的组织特点，影响灰铸铁性能的因素。解：灰口铸铁：基体组织和石墨两部分组成 基体（铁素体、铁素体-珠光体、珠光体）石墨 影响因素：石墨对铸铁机械性能的影响 石墨：松软而脆弱的固态物质，抗拉强度20MPa，延伸率趋近于零；
21、石墨存在基体中，尤如一种裂纹或孔洞，分割削弱基体，破坏基体组织连续性；还会引起应力在该处集中，构成裂纹源。因而，铸铁的抗拉强度、塑性和韧性都比钢铁低得多。 基体相同的情况下，石墨形状由片状 (普通灰铸铁)变为细片状 (孕育灰铸铁) 和球状 (球墨铸铁) 时，其对基体的削弱作用以及应力集中的程度将依次减弱，表现出抗拉强度依次升高。 基体对铸铁机械性能的影响 基体中铁素体的数量增多，塑性、韧性提高；珠光体数量增加，塑性、韧性降低，但强度、硬度有所增高。10.灰口铸铁的组织按其基体的不同，可分为哪三种。灰口铸铁的组织可看成是； 解：铁素体灰口铸铁、铁素体-珠光体灰口铸铁、珠光体灰口铸铁。 灰口铸铁的
22、组织可看成是钢加上片状石墨11. 灰口铸铁和球墨铸铁在组织和性能上有何区别。解：灰口铸铁的组织特点是在基体上分布着片状石墨。 球墨铸铁的组织特点是基体加球状石墨 性能：球化越完整，球状石墨尺寸越细小，可减少应力集中，力学性能越优越；疲劳强度与中碳钢相似，耐磨性好，制造重要和形状复杂机械零件，如曲轴、连杆、涡轮、齿轮、水压机缸套等。11.P184 3.1 3.5 3.7无机非金属材料1 硅酸盐结构的基本特点和类型。 解：硅酸盐晶体的结构特点： (1)结构中 Si4+间没有直接的键，而是通过O 2连结；(2) 以硅氧四面体为结构的基础；(3) 每一个 O2只能连接2个硅氧四面体；(4) 硅氧四面体
23、间只能共顶连接，不能共面连接。硅酸盐晶体的主要结构类型：岛状结构；组群状（环状）结构；链状结构；层状结构；架状结构。 2 玻璃的定义及其通性，玻璃中的氧化物分为哪三类。解：定义：将原料加热熔融（熔体），快冷却（过冷却）形成，室温下保持熔体结构的固体物质，固体非晶态(无定形)物质。 通性：各向同性；热力学介稳性；状态转化的渐变性。 玻璃中的氧化物分为：网络生成体氧化物；网络外体氧化物；中间体氧化物。3.非晶态材料的分类与特征？ 特征：高强度，高韧性，抗腐蚀性，软磁特征，超导电性，光学性质（光吸收，光电导，光致发射）光照下产生非平衡载流子，引起材料电导率变化的光学现象。4.书上各例题5高岭石Al4
24、Si4O10(OH)8(Al2O3 2SiO22H2O)的结构。 解：三斜晶系，单网层结构：硅氧四面体层+ 八面体层 下层为硅氧四面体层，硅氧四面体中的活性氧向上；上层为八面体层（由 1个Al 3+，2个O 2 , 4个OH 组成）， 每一个活性氧同时连接1 个硅氧四面体和 2个AlO 2(OH)4八面体，层与层间为氢键结合，结合力较弱，层间易解理成片状，但OH-O之间仍有一定的吸引力，所以单网层之间水分子不易进去，不因水含量增加而膨胀。6.从显微结构看，陶瓷材料主要有哪些相构成？各构成相的主要作用和对陶瓷性能的影响是什么？为什么外界温度的急剧变化可以使许多陶瓷器件开裂或破碎?解：晶相、,玻璃
25、相、气相和晶界 晶粒是陶瓷最主要的组成相，晶相的性质是影响陶瓷性能的主要因素；烧成冷却过程中，晶界处产生热应力，出现微裂纹，降低陶瓷强度。 玻璃相的作用，粘结分散的晶粒，抑止晶粒长大；填充晶粒间的空隙，填充气孔，提高致密度，降低烧结温度。气相会降低陶瓷强度，造成裂纹。保留一定的气相，陶瓷的比重小，绝热性好。 因为大多数陶瓷主要由晶相和玻璃相组成，这两种相的热膨胀系数相差较大，由高温很快冷却时，每种相的收缩不同，所造成的内应力足以使陶瓷器件开裂或破碎。7陶瓷材料中主要结合键是什么? 从结合键的角度解释陶瓷材料所具有的特殊性能?解：陶瓷材料中主要的结合键是离子键及共价键； 由于离子键及共价键键能很
26、强，故陶瓷的抗压强度很高，硬度极高；因为原子以离子键和共价键结合时，外层电子处于稳定的结构状态，不能自由运动，陶瓷材料的熔点很高，抗氧化性好，耐高温，化学稳定性高。8分析滑石Mg 3 Si4O10(OH)2的结构与性能的关系 解：复网层结构硅氧四面体层+ 八面体层+ 硅氧四面体层 上下层均为硅氧四面体层，上层活性氧全向下，下层活性氧全向上，中间夹一镁氢氧层(由 1个Mg 2+，4个O 2 , 2个OH 组成八面体）。每一个活性氧同时连接1个SiO 4四面体和 3 个MgO 4(OH)2八面体，每一层O 2 电价饱和。层与层间结合为范德华键，层间键合弱，易沿层面解理。9分析钙钛矿CaTiO3晶体的结构 解：立方晶系 Ca 2+ ，在立方体顶角配位数为12（O 2-）； O 2- ，在面心配位数为6 （4 Ca2+ +2 Ti4+）； Ti4+ ，在体心配位数为 6 （O 2-）； TiO68-八面体 通过顶角共用氧，形成三维网络；10炭黑按用途分为哪两大类 解：色素用炭黑（颜料）、橡胶用炭黑（补强等）
