1、 材料概论1.简述材料在国民经济和人民生活中的地位和作用答：人类社会发展的历史证明，材料是人类生存和发展、征服自然和改造自然的物质基础，也是人类社会现代文明的重要支柱。纵观人类利用材料的历史，可以清楚的看到，每一种重要材料的发现和应用，都是人类支配自然的能力提高到一个新水平。材料科学技术的每一次重大突破，都会引起生产技术的革命，大大加速社会发展的进程，并给社会生产和人民生活带来巨大变化。材料对社会、经济及科学技术活动的影响面大、带动力强，既是支撑国民经济发展的基础产业，也是当代科技创新的前沿，更是人类社会进步的里程碑，是社会文明程度的重要标志。当今社会公认，材料、能源和信息技术是现代文明的三大
2、支柱。从现代科学技术的发展史中可以看到，每一项重大的新技术文明，往往都有赖于新材料的发展。所以材料是人类文明大厦的基石，在国民经济和人民生活中有着重要的地位和作用。2 简述材料的分类及其性能特点答：（1）材料分为：金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料。（2）性能特点：金属材料：工艺性能有铸造性、锻造性、深冲性、弯曲性、切削性、焊接性、淬透性等。使用性能有力学性能、抗腐蚀性能、电磁性能、耐热性能等。无机非金属材料：力学性能有刚度、硬度、强度、塑性韧性等。物理、化学性能有热性能、电性能、磁性能、光学性能、化学稳定性等。高分子材料：力学性能为低强度和高比强度、高弹性和低弹性模量、高耐磨性、
3、塑性和韧性、蠕变。物理化学性能有高绝缘性、高化学稳定性、高热膨胀性、低耐热性、低导热性、燃烧性。复合材料：比强度和比模量高、良好的抗疲劳性、破损安全性好、减摩、耐磨和自润滑性好、工艺性和可设计性好。此外还有高温性能和减震性能，化学稳定性好，具有隔热、耐烧蚀、光、磁等特殊性能。3 简述合成与加工、组成与结构、性质、使用性能四要素之间的关系。答：合成与加工、组成与结构、性质和使用性能四要素之间是相互影响相互制约紧密联系的。材料的化学组成对其性能有着重要影响如铁碳合金，其性能与含碳量密切相关。同样结构也是导致材料性能差异的重要因素，如金刚石和石墨都由碳元素构成，然而两者内部结构不同，造成性能上的巨大
4、差异。由于组成结构的不同而导致材料化学性能的差异，从而使用性能也不或相同。所以四要素之间是环环相扣紧密联系的。再考虑使用何种材料时要从这四方面综合考虑，缺一不可。4 材料的键合结构有哪些？哪些键有方向性，哪些键无方向性？金属材料、无机非金属材料、高分子材料分别以什么键结合？答：（1）材料的键合结构有：共价键、离子键、金属键和分子键。（2）共价键具有方向性，离子键和金属键无方向性。（3）金属材料的结合键主要是金属键。无机非金属材料的结合键主要是离子键和共价键。高分子材料的链状分子间的结合是分子键，而链内是共价键。5 简述金属材料的分类、键合结构及其性能特点。答：1 分 类 ： (1) 按 组 成
5、 成 分 分 为 ： 纯 金 属 （ 简 单 金 属 ） ： 指 由 一种 金 属 元 素 组 成 的 物 质 。 目 前 已 知 纯 金 属 约 有 八 十 多 种 ， 但 工 业 上 采 用的 甚 少 。 合 金 （ 复 杂 金 属 ） ： 指 由 一 种 金 属 元 素 （ 为 主 的 ） 与 另 外 一种 （ 或 几 种 ） 金 属 元 素 （ 或 非 金 属 元 素 ） 组 成 的 物 质 。 它 的 种 类 甚 多 ，如 工 业 上 常 用 的 生 铁 和 钢 就 是 铁 碳 合 金 ， 黄 铜 就 是 钢 锌 合 金 。 由 于 合 金的 各 项 性 能 一 般 较 优 于 纯
6、金 属 ， 因 此 在 工 业 上 合 金 的 应 用 比 纯 金 属 广 泛 。（ 2） 按 实 用 性 分 为 ： 黑 色 金 属 ： 指 和 铁 的 合 金 ， 加 生 铁 、 铁 合 金 、铸 铁 和 钢 。 有 色 金 属 ： 又 称 非 铁 金 属 ， 指 除 黑 色 金 属 外 的 金 属 和 合 金 ，如 铜 、 铝 、 锌 、 锡 、 镍 、 铅 、 钛 、 镁 以 及 铜 合 金 、 铝 合 金 、 镍 合 金 、钛 合 金 、 镁 合 金 和 轴 承 合 金 等 。另 外 ， 在 工 业 上 还 采 用 铬 、 锰 、 钼 、 钨 、 钒 、 钴 等 ， 作 为 改 善
7、金属 性 能 用 的 合 金 元 素 ， 其 中 钨 、 钴 多 用 于 生 产 刀 具 用 的 硬 质 合 金 。 所有 上 述 有 色 金 属 ， 都 称 为 工 业 用 金 属 ， 以 区 别 于 贵 金 属 （ 铂 、 金 、 银等 ） 与 稀 有 金 属 （ 包 括 放 射 性 的 铀 、 镭 等 ） 。 又 密 度 小 于 4.5g/cm3的 有 色 金 属 称 为 重 金 属 ,如 铜 、 镍 、 铅 、 锌 、 锡 等 金 属 及 其 合 金 。2 键 合 结 构 ： 主 要 是 金 属 键 。3 性能特点：工艺性能有铸造性、锻造性、深冲性、弯曲性、切削性、焊接性、淬透性等。使
8、用性能有力学性能、抗腐蚀性能、电磁性能、耐热性能等。6 什么是晶体？什么是非晶体？金属材料典型的晶体结构有那几种？答：1 固 有 规 则 的 几 何 外 形 的 固 体 叫 晶 体 。2 非 晶 体 是 指 组 成 物 质 的 分 子 （ 或 原 子 、 离 子 ） 不 呈 空 间 有 规 则 周 期 性排 列 的 固 体 。 它 没 有 一 定 规 则 的 外 形 ， 如 玻 璃 、 松 香 、 石 蜡 等 。 它 的 物 理 性质 在 各 个 方 向 上 是 相 同 的 ， 叫 “各 向 同 性 ”。 它 没 有 固 定 的 熔 点 。3 金 属 典 型 的 晶 体 结 构 有 三 种 ：
9、面心立方结构 A1 或 fcc、体心立方结构A2 或 bcc 和密排六方结构 A3 或 hcp。7.新型无机非金属材料主要指那的那些材料？有什么特殊性能？答：新型无机非金属材料：1 高频绝缘材料：氧化铝、氧化铍、滑石、镁橄榄石质陶瓷、石英玻璃和微晶玻璃等。2 铁电和压电材料 ：钛酸钡系、锆钛酸铅系材料等 。3 磁性材料：锰 -锌、镍-锌、锰-镁、锂 -锰等铁氧体、磁记录和磁泡材料等 。4 导体陶瓷 ：钠、锂、氧离子的快离子导体和碳化硅等 。5 半导体陶瓷 ：钛酸钡、氧化锌、氧化锡、氧化钒、氧化锆等过渡金属元素氧化物系材料等 。6 光学材料：钇铝石榴石激光材料，氧化铝、氧化钇透明材料和石英系或多
10、组分玻璃的光导纤维等。 7 高温结构陶瓷 、高温氧化物、碳化物、氮化物及硼化物等难熔化合物 。8 超硬材料 ：碳化钛、人造金刚石和立方氮化硼等 9 人工晶体 ：铌酸锂、钽酸锂、砷化镓、氟金云母等 。10 生物陶瓷 ：长石质齿材、氧化铝、磷酸盐骨材和酶的载体等 。无机复合材料 ：陶瓷基、金属基、碳素基的复合材料。11 氧化铝陶瓷。12 光导纤维新型无机非金属材料的特殊性能：具有耐高温，强度高的特性，具有电学特性，光学特性以及生物功能。可制汽轮机叶片、轴承、永久性磨具、绝缘体、半导体、导体、超导体等，用于医疗、信息处理、通讯、制人造牙齿、人造骨骼等8 与金属材料和无机非金属材料比较，高分子材料的组
11、成和结构有什么特征？答：（1）组成上：高分子材料是以高分子化合物为主要组成部分的材料。高分子化合物是相对分子量很大的有机化合物。所以与金属材料和无机非金属材料相比高分子材料的相对分子质量大得多。（2）结构上：高分子材料按其分子在空间的排列，可分为晶态和非晶态两类且往往是晶态和非晶态共存。而金属材料的典 型 的 晶 体 结 构 有 三 种 ：面心立方结构、体心立方结构和密排六方结构。无机非金属材料的基本相结构是晶体相、玻璃相并存在一些气相。三者差异较大。9 举出生活中材料使用的几个例子，解释为什么。答：在我们的日常生活中材料无处不在，简单举几个我们身边的例子。我们切割玻璃用的玻璃刀的刀头上是一小
12、块人造金刚石，切割玻璃就是用这一小块人造金刚石。这是因为金刚石是自然界中最硬的一种物质，切割玻璃当然非常容易，一小块就可以顺利切割这样既不浪费资源又降低成本经济实用。再有石墨是最软的矿物质一，颜色深灰所以被制成铅笔芯，是电的良导体所以被制成电极、电刷。它还有良好的润滑作用所以常在各种材料和机械中作固体润滑剂。硅是第一代半导体材料与金属作用能生产多种具有良好导电性、耐高温、抗电迁移的硅化物，可以用于制备大规模和超大规模的集成电路内部的引线和电阻等。综上几个例子我们日常生活中材料的使用都是根据材料自身的特性而利用其特性为人们服务，提高人们的生活水平。10谈谈你对纳米技术和纳米材料的认识答：纳 米
13、科 学 与 技 术 ， 有 时 简 称 为 纳 米 技 术 ， 是 研 究 结 构 尺 寸 在 0.1 至 100 纳 米 范围 内 材 料 的 性 质 和 应 用 。1981 年 扫 描 隧 道 显 微 镜 发 明 后 ， 诞 生 了 一 门 以 0.1 到 100 纳 米 长 度 为 研 究 分 子世 界 ， 它 的 最 终 目 标 是 直 接 以 原 子 或 分 子 来 构 造 具 有 特 定 功 能 的 产 品 。 因 此 ， 纳 米 技 术其 实 就 是 一 种 用 单 个 原 子 、 分 子 射 程 物 质 的 技 术 。纳 米 技 术 是 一 门 交 叉 性 很 强 的 综 合
14、学 科 ， 研 究 的 内 容 涉 及 现 代 科 技 的 广 阔 领 域 。 纳米 科 学 与 技 术 主 要 包 括 ： 纳 米 体 系 物 理 学 、 纳 米 化 学 、 纳 米 材 料 学 、 纳 米 生 物 学 、 纳 米电 子 学 、 纳 米 加 工 学 、 纳 米 力 学 等 。 这 七 个 相 对 独 立 又 相 互 渗 透 的 学 科 和 纳 米 材 料 、纳 米 器 件 、 纳 米 尺 度 的 检 测 与 表 征 这 三 个 研 究 领 域 。 纳 米 材 料 的 制 备 和 研 究 是 整 个 纳 米科 技 的 基 础 。 其 中 ， 纳 米 物 理 学 和 纳 米 化
15、学 是 纳 米 技 术 的 理 论 基 础 ， 而 纳 米 电 子 学 是 纳米 技 术 最 重 要 的 内 容 。 从 迄 今 为 止 的 研 究 来 看 ， 关 于 纳 米 技 术 分 为 三 种 概 念 ：第 一 种 ， 是 1986 年 美 国 科 学 家 德 雷 克 斯 勒 博 士 在 创 造 的 机 器 一 书 中 提 出 的分 子 纳 米 技 术 。 根 据 这 一 概 念 ， 可 以 使 组 合 分 子 的 机 器 实 用 化 ， 从 而 可 以 任 意 组 合 所 有种 类 的 分 子 ， 可 以 制 造 出 任 何 种 类 的 分 子 结 构 。 这 种 概 念 的 纳 米
16、 技 术 还 未 取 得 重 大 进 展 。第 二 种 概 念 把 纳 米 技 术 定 位 为 微 加 工 技 术 的 极 限 。 也 就 是 通 过 纳 米 精 度 的 “加 工 “来 人 工 形 成 纳 米 大 小 的 结 构 的 技 术 。 这 种 纳 米 级 的 加 工 技 术 ， 也 使 半 导 体 微 型 化 即 将 达到 极 限 。 现 有 技 术 即 使 发 展 下 去 ， 从 理 论 上 讲 终 将 会 达 到 限 度 ， 这 是 因 为 ， 如 果 把 电 路的 线 幅 逐 渐 变 小 ， 将 使 构 成 电 路 的 绝 缘 膜 变 得 极 薄 ， 这 样 将 破 坏 绝
17、缘 效 果 。 此 外 ， 还有 发 热 和 晃 动 等 问 题 。 为 了 解 决 这 些 问 题 ， 研 究 人 员 正 在 研 究 新 型 的 纳 米 技 术 。第 三 种 概 念 是 从 生 物 的 角 度 出 发 而 提 出 的 。 本 来 ， 生 物 在 细 胞 和 生 物 膜 内 就 存在 纳 米 级 的 结 构 。 纳 米 材 料 ： 当 物 质 到 纳 米 尺 度 以 后 ， 大 约 是 在 0.1100 纳 米 这 个 范 围 空 间 ， 物质 的 性 能 就 会 发 生 突 变 ， 出 现 特 殊 性 能 。这 种 既 具 不 同 于 原 来 组 成 的 原 子 、 分
18、子 ， 也 不 同 于 宏 观 的 物 质 的 特 殊 性 能 构 成 的 材料 ， 即 为 纳 米 材 料 。 如 果 仅 仅 是 尺 度 达 到 纳 米 ， 而 没 有 特 殊 性 能 的 材 料 ， 也 不 能 叫 纳 米材 料 。过 去 ， 人 们 只 注 意 原 子 、 分 子 或 者 宇 宙 空 间 ， 常 常 忽 略 这 个 中 间 领 域 ， 而 这 个 领 域实 际 上 大 量 存 在 于 自 然 界 ， 只 是 以 前 没 有 认 识 到 这 个 尺 度 范 围 的 性 能 。 第 一 个 真 正 认 识到 它 的 性 能 并 引 用 纳 米 概 念 的 是 日 本 科 学
19、 家 ， 他 们 在 20 世 纪 70 年 代 用 蒸 发 法 制 备超 微 离 子 ， 并 通 过 研 究 它 的 性 能 发 现 ： 一 个 导 电 、 导 热 的 铜 、 银 导 体 做 成 纳 米 尺 度 以 后 ，它 就 失 去 原 来 的 性 质 ， 表 现 出 既 不 导 电 、 也 不 导 热 。 磁 性 材 料 也 是 如 此 ， 象 铁 钴 合 金 ，把 它 做 成 大 约 2030 纳 米 大 小 ， 磁 畴 就 变 成 单 磁 畴 ， 它 的 磁 性 要 比 原 来 高 1000 倍 。80 年 代 中 期 ， 人 们 就 正 式 把 这 类 材 料 命 名 为 纳 米 材 料 。
