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1、【最新】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
2、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
3、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
4、。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。10、简述结合键类型
5、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。答：熔点：熔点高低代表材料的稳定性程度。加热时，当热振动能足以破坏相邻原子间的稳定结合时，材料发生熔化。结合键类型和结合(键)能大小决定材料 熔点的高低。密度：金属键没有方向性，金属原子总是趋于密集排列，故金属密度高；陶瓷材料为共价键和离子键的结合，其密度较低；聚合物多为二次键结合，其组成原子质量较小，聚合物密度最低。导电和导热性：金属键由金属正离子和自由电子，靠库仑引力结合，价电子能在晶体内自由运动，使金属具有良好导电性；不仅正离子振动传递热能，电子运动也能传递热能，使金属具有良好导热性；而非金属键结合的陶瓷和聚合物在固态下不导
6、电，导热性小。模量：结合键能越大材料的拉伸或压缩模量越大。塑性：金属键无饱和性又无方向性，金属受力变形，可改变原子之间的相互位置，金属键不被破坏，使金属有良好延展性；共价键键能高，有方向性和有饱和性，结构稳定，改变原子间的相对位置很困难，共价键结合的材料塑性变形能力差，硬而脆。11、空间点阵。答：空间点阵：一系列在三维空间按周期性排列的几何点称为一个空间 点阵；晶面指数：晶面在三个晶轴上的截距倒数之比；致密度：晶胞中的原子所占的体积与该晶胞所占体积之比。12、液晶及其液晶的分类：答：液晶：某些结晶物质受热熔融或被溶剂溶解之后，失去 固态物质的刚性，变成具有流动性的液态物质，但结构上保存一维或二
7、维有序排列，物 理性质上呈现各向异性，兼有部分晶体和液体性质的过渡中间态物质。分类：按晶相的形成分为热致液晶和溶致液晶；按分子排列的有序性分为：丝状相，螺旋状相和层状相。13、 影响形成间隙型固溶体的因素：答：1）、晶格结构(溶质原子半径小,溶剂原子晶格间隙大)；2）、间隙离子进入后，需形成空位或反电荷离子以置换方式，生成置换型固溶体，保持电中性。3）、组分偏离化学式的化合物（含变价离子）。实质：由金属的高氧化态和低氧化态形成的固溶体。 14、有序合金的原子排列有何特点?这种排列和结合键有什么关系?答：特点：原子 分别占据晶胞中不同结构位置。15、为什么只有置换固溶体的两个组元之间才能无限互溶
8、，而间隙固溶体则不能?答： 这是因为形成固熔体时，熔质原子的熔入会使熔剂结构产生点阵畸变，从而使体系能量升高。熔质与熔剂原子尺寸相差越大，点阵畸变的程度也越大，则畸变能越高，结 构的稳定性越低，熔解度越小。一般来说，间隙固熔体中熔质原子引起的点阵畸变较大，故不能无限互溶，只能有限熔解故不能无限互溶，只能有限熔解。 16、弗仑克尔缺陷：答：等量的间隙正离子和正离子空位。17、点缺陷对晶体性质的影响：答：点缺陷存在和空位运动，造成小区域的晶格畸变。 五点：使材料电阻增加，定向流动的电子在点缺陷处受到非平衡力，使电子在传导中的散射增加；2）加快原子的扩散迁移，空位的迁移伴随原子的反向运动3）使材料体
9、积 增加，密度下降4）比热容增大，附加空位生成焓5）改变材料力学性能，间隙原子和异类原子的存在，增加位错运动阻力,使强度提高，塑性下降。 18、位错的运动及其特点：答：1）位错的滑移：位错处原子能量高，不稳定，切应力 下其原子的位移量更大。将位错推进一个原子距离。移动方向平行滑移面，和位错线垂直；切应力继续作用，位错逐渐移到晶体表面，产生一个原子距离的台阶。位错滑移使 晶体产生塑性变形,比完整单晶两个相邻原子面整体相对移动更容易；晶体实际强度(实际晶体)比理论强度(无位错晶体)低得多。位错滑移与外力有关；2）位错的爬（攀）移：与空位和间隙原子有关，位错在垂直滑移面方向的运动。原子从半原子面下端
10、离开，半原子面缩短，正爬（攀）移，位错线上移；原子扩散至位错附近，加到半原子面上，半原子面伸长，负爬（攀）移。位错爬（攀）移是通过原子的扩散实现；19、体积（晶格）扩散的微观机制类型：答：间隙扩散与空位扩散。20、 比较下列各因素对扩散系数的影响，并简要说明原因。1）金属键晶体的扩散系数与共价键晶体或离子键晶体的扩散系数：键能越强，原子间的结合键力越强，熔点也高， 激活能越大，扩散系数越小。共价键晶体和离子键晶体的扩散系数置换型固溶体的扩散系数。置换型固溶体的扩散，首先要形成空位，激活能较大。3）铁的自扩散系数a(Fe)与r(Fe)：912铁的自扩散系数Da(Fe)/Dr(Fe)=280。21
11、、固体表面结构的主要特点?答：排列状态：趋向于表面能降低1)原子密堆（表面 能的本质是表面原子的不饱和键）。2）离子极化或位移；3)杂质原子的迁移，自由表面，使表面能降低；4）吸附层；5）受外界影响，表面质点排列较不规整，缺陷较内部多；第二是离子极化或位移：1）理想表面；键不饱和，不均匀力场；正离子被拉向内部；2)负离子受正离子的作用，诱导出偶极子；3）离子重排，形成偶极矩。22、固体表面对外来原子发生哪两种吸附?并比较其主要特征?答：发生化学吸附和物 理吸附；化学吸附：单分子层吸附，放热80400kJ/mol有选择性。化学吸附源于 不饱和键。物理吸附：单或多分子层吸附（吸附层厚），无选择性，
12、放热23、三种湿润的共同点是：液体将气体从固体表面排开，使原有的固/气(或液/气)界面 消失，被固液界面取代。数学表达式：沾湿：粘附功Wa=A+Lg；Wa=Sg+Lg SL。浸湿：Wi=A=SgSL。铺展：S=ALg。规律：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。24、润湿的本质是异相接触后表面体系能下降。润湿方程：Sg-SL=Lg_cos。25、高分子材料组成和结构的基本特征.答：1.平均分子量大和存在分子量分布，分
13、子 量不等的同系物的混合物；具有“多分散性”；没有固定熔点，只有一段宽的温度范 围；分子量分布影响聚合物的加工和物理性能，低分子部分使材料强度降低，分子量过高部分使熔融塑化成型困难。2.高分子链具有多种形态3.分子链间以范氏力为主，部分化学键；分子内为共价键。分子间力很大，没有沸点，一般加热到200_300以上，材料破坏（降解或交联）。4.组成与结构的多层次性。26、.比较高分子链的构型和构象。答：构型：分子中由化学键所固定的原子在空间的 几何排列。要改变构型必须经过化学键的断裂和重组。构象是由分子内热运动引起的物 理现象，是不断改变的，具有统计性质。因此高分子链取某种构象是指的是它取这种构象
14、的几率最大。区别：构象是由于单键的内旋转而产生的分子中原子在空间位置上的变化，而构型则是分子中由化学键所固定的原子在空间的排列；构象的改变不需打破化学键，而构型的改变必须断裂化学键。27、比较分子链的近程结构对高分子链柔顺性的影响。答：1.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
15、。2.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。3.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，增加分子链的刚性。28、内聚能密度对高聚物结构和性能的影响。答：CED400兆焦/米3（J/cm3），强极性基团，氢键，分子间作用力大，较高结晶性和强度，纤维。29、高分子共混物（合金）的制备方法。答：化学共混：通过化学方法，把不同性能的 聚合物链段连在一起，接枝共聚、嵌段共聚及互穿共聚等；物理共混：通过物理方法， 把不同性能的聚合物混合在一起。机械共混、熔融共混及溶液浇铸共混等。工艺简单，共混时存在相容性问题。30、与
16、低分子晶体比较，聚合物晶体的特点。答：1）晶胞由链段组成，高聚物晶胞是 由一个或若干个高分子链段构成。2)折叠链，高分子链在大多数情况下以折叠链片晶形态构成高分子晶体。3)高分子晶体的品胞结构重复单元，构成高分子晶体的晶胞结构重复单元有时与其化学重复单元不相同。4）结晶不完善5)聚合物晶体具有结构的复杂性及多重性。31、聚合物共混物（聚合物合金）的概念及其与共聚物的差别。答：共混物是指：两种 或两种以上的聚合物，通过物理或化学方法共混，形成宏观上均匀、连续的高分子材料。 通过混合组分的调配和共混的工艺条件的控制，获得所需性能的材料。共聚物是指：由两种或两种以上不同单体经聚合反应而得的聚合物。 32、热固性聚合物和热塑性聚合物。答：热固性聚合
