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1、材料科学基础知识点总结绪论：材料概述及分类材料国民经济的三大支柱能源 美国公布的五大关键科技领域：新材料，新能源，信息，信息生物，环境。材料：世间万物，凡于我有用者，皆谓之材料。材料的两个属性：凝聚态，被使用。（eg:冰可应用 来造房子，所以冰也是一种材料）材料科学是一门以固体材料为研究对象，以固体物理、热力学、动力学、量子力学、冶金、化工等 为理论基础的多学科交叉基础应用学科。材料的分类：-单晶（一个晶体材料仅由一个大的晶体组成，称其单晶材料）”晶体材料（长程有序） 按结构分*I多晶（由很多空间位向不同的小的晶体组成，这些小的晶体“非晶材料（又叫无定型材料）就是晶粒）结构材料（以力学性能为主
2、要使用性能） 按应用的角度分岂功能材料（利用材料的生、声、光、电、磁、热等性能）广金属材料无机非金属材料（陶瓷材料） 按化学组成分高分子材料（又叫聚合物） （或按属性分；复合材料按结合键分）半导体（主要的半导体材料是共价键结合的元素硅和锗以及一系列共价键化合物,从某些方面看，半导体是陶瓷的一小类，这是因为他们的键合特征和力学性能和陶瓷类似）纯金属置换固溶体金属材料分为 厂固溶体、合金I间隙固溶体正常价化合物L金属间化合物（又称中间相）电子化合物 间隙相和间隙化合物I与原子尺寸相关的化合物彳拓扑密堆相广传统的无机非金属材料：陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料等无机非金属材料V先进的（新型的）无机非金属材
3、料：氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硅化物等，多用于航天航空领域。，陶器：胚体结构疏松，致密度低，eg:水缸，瓦片等r普通陶瓷：主要以黏土为原材料*I 瓷器：碗，浴池，便座等陶瓷r结构陶瓷（耐磨、耐高温、高强度）.特殊陶瓷功能陶瓷（电磁、光学、生物等功能）f热塑性聚合物聚合物I热固性聚合物合金：有两种或者两种以上的金属或者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。固溶体：以合金中某一组元作为溶剂，在其晶体点阵中融入其它组元原子，所形成的与溶剂有相同 晶体结构、晶格常数稍有变化的固态溶体。置换固溶体：当溶质原子溶入溶剂中形成固溶体时，溶质原子占据溶剂点阵的阵点，或者说溶质
4、原 子置换了溶剂点阵的部分溶剂原子，这种固溶体称为置换固溶体。间隙固溶体：溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体称为间隙固溶体。金属间化合物：金属和金属之间，类金属和金属原子之间以共价键形式结合生成的化合物总称为金属间化合物，由于金属间化合物在合金相图中处于相图的中间位置，故也称为中间相。影响置换固溶体固溶度的因素： 晶体结构：对于置换固溶体，晶体结构相同是组元间形成无限固溶体的必要条件；如果两组元的 晶体结构不同，组元间的溶解度只能是有限的。 原子尺寸因素：一般来说，溶质和溶剂的原子尺寸差别越小，越容易形成置换固溶体，并且形成 固溶体的溶解度越大。 电负性因素：（元素的电负性指的是从其他原
5、子夺取电子变成负离子的能力）溶剂、溶质的电负性 差越小溶解度越大，负电性差越大，倾向于生成化合物，而不利于形成固溶体。 电子浓度因素：溶质元素的原子原子价越高，同样数量的溶质原子溶解时，其电子浓度增加越快, 因此固溶度就越小。 温度：在大多数情况下，温度升高，固溶度升高；而对少数含有中间相的复杂合金，情况则相反。 其他因素如压力、凝固时的冷却速度等对固溶度也有很大影响。形成无限固溶体的条件是（即休姆-罗瑟里规则）: 溶质和溶剂的尺寸差别必须不大于15%，即ri-r2/ri5%。 两类原子的电负性必须相近。 两类原子的价必须相似。 两个组分必须具有完全相同的晶体结构类型。热塑性聚合物：例如,PE
6、，具有线性和支化高分子链结构，在共价键聚合链间具有二次键，加热后 会变软，可反复加热和再成形。热固性聚合物：例如橡胶，具有三维共价键网结构，不溶于任何溶剂，也不能熔融，加热时维持原 有形状并降解烧焦或燃烧，一旦定型后不能再改变形状，无法再生。相关真题：2008年名词解释（5分）2中间相。2008年论述题（12分）3什么是固溶体？固溶体的类型有哪些？影响固溶度的原因有哪些？固溶体 与其纯溶剂组元相比，其结构、力学性能和物理性能发生了哪些变化？答：略；略；略；结构：与组成固溶体的纯组元相比，固溶体的晶格类型不发生变化，但点阵常数都会发生变化。力学性能变化：硬度、强度提高，塑性、韧性下降，但综合力学
7、性能优于纯金属。物理性能变化：与纯金属相比，固溶体的电阻加大，导电率下降，耐蚀性也下降。2009年名词解释（5分）5固溶体2009简答题（10分）7简述热塑性聚会物和热固性聚会物的结构及性能特点。2009年论述题5.试从结合键的角度分析工程材料的分类及特点。（15分）答：金属材料：简单金属（指元素周期表上的主族元素）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；特点：大多数金属强度和硬度较高，塑性较好。 陶瓷材料：是由一种或者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，特点：硬、脆，不易变形，熔点高。高分子
8、材料：大分子内的原子之间的结合方式为共价键，而大分子与大分之间的结合键为范德瓦尔 键和氢键。特点：有很高的分子量，质轻，密度小，有优良的力学性能、绝缘性能和隔热性能。复合材料：是由两种或者两种以上的材料组合而成的物质，结合键种类繁多，非常复杂，性能差异 也很大。2010年简答题（10分）3结合具体实例简要说明热塑性塑料和热固性塑料的结构与性能差异。2010年简答题（10分）&影响置换固溶体的固溶度的因素有哪些？固溶原子的存在对金属的结构和 力学性能有何影响？2010年论述题（15分）6谈谈你对材料成分、组织、工艺和性能之间关系的理解。2011年简答题（10分）9简要说明热塑性聚合物和热固性聚合
9、物的结构和性能特点。2011年简答题（10分）10.为什么固溶体强度比纯金属的高？答：因为合金两类原子尺寸不同，引起点阵畸变，阻碍位错运动，造成固溶强化。2011年论述题（15分）2.什么是置换固溶体？影响置换固溶体固溶度的因素有哪些？形成无限固溶 体的条件是什么？2012年名词解释（5分）2.间隙固溶体：2012年简答题（10分）5按照形成固溶体的条件来讨论MgO-CaO能形成何种固溶体。已知Ca2+和 Mg2+离子的半径分别为0.1nm和0.071nm, Ca和Mg的电负性分别为1.0和1.2。答：尺寸：（0.1-0.072）/0.1=28%15%,不符合休姆-罗瑟里规则；电负性：Ca的电
10、负性分别为1.0 和Mg的电负性分别1.2，同一周期上下，接近。晶体结构：MgO和CaO，都为FCCNaCl结构。电子 浓度：价电子数相同。综上所述，根据形成无限固溶体的条件知，MgO-CaO不能形成无限固溶体，可以形成有限固溶体。补充试题：1.比较固溶体和金属间化合物在成分、结构和性能方面的差异。类别成分结构特点力学性能特点固溶体溶质浓度可在固溶度范围内变化保持溶剂的点阵类型强度、硬度比溶剂高，但总体看强度硬度依然很低，而塑性、韧性较好金属间化合物成分固定或在一定范围内波动，可用化学分子式表示其点阵类型不同于组成它的任一组兀熔点较咼、硬度咼，而塑性、韧性差第一章原子结构与键合金属键一次键Q离
11、子键I共价键原子键（结合键）*范德瓦尔键I二次键J氢键所有的一次键都涉及到或者电子从一个原子向另一个原子的转移，或者电子在原子间的共用。金属键的本质：金属正离子与自由电子之间的相互吸引。离子键的本质：正电性原子和负电性原子之间的相互吸引。共价键的本质：共价电子对的结合。二次键与一次键的根本区别就是二次键既不涉及电子的转移，也不涉及电子的共用，二次键是来源 于某些原子或分子中形成的电偶极子。一次键通常比二次键强一至两个数量级。金属健：金属正离子与自由电子之间的相互作用构成的金属原子间的结合力称为金属键。离子键:电子由正电性原子向负电性原子的转移形成离子键，离子键无方向性和饱和性。（影响因素： 原
12、子间的高电负性差值有利于离子键的形成）共价键：相邻原子由于共享电子对所形成的价键，具有饱和性和方向性。键-能曲线:将一对原子或离子有关的能量描述为两原子或离子之间距离的函数的关系曲线称为键能 曲线，它是键-力曲线的积分。利用键-能曲线，可以估算键能、平均键长、弹性模量和线膨胀系数 等。其他外力或能源（如：施加外载荷、电磁场或温度变化）作用于系统，键长和有效键能就有可 能改变，从而改变键能曲线图。在X处U（x）的大小，即能量势阱的深度，就是键的固有强度，即键能的度量；另，平衡间距：（原0 0子之间中心到中心的平均距离）对应于键长。键能曲线在X处的曲率正比例弹性模量，曲率半径越 0小，弹性模量越大
13、，刚度越大。物理解释：能量势阱的两壁越陡，将原子从平衡位置移动所需的能 量越大。线膨胀系数a th随键能曲线的不对称的增大而增大。2009年简答题（10分）1.一次键的种类及其本质是什么？2009年论述题（15 分）1.什么是键能曲线？利用键能曲线可以得到材料的哪些特性参量。采用哪些方 法可以改变键能曲线的形状？解：略；略；其他外力或能源（如：施加外载荷、电磁场或温度变化）作用于系统，键长和有效键 能就有可能改变，从而改变键能曲线图。2010年简答题（10分）1 说明离子晶体、共价晶体和金属晶体中原子间的键合特征。影响原子间成键 类型的重要因素有哪些？离子晶体一定含有离子键，可能含有共价键；共
14、价晶体只含有共价键；金属晶体：简单金属晶体只 含有金属键，过渡族金属晶体含有金属键和共价键，以金属键为主。键合特征 离子键：以离子而不是以原子为结构单元，无方向性和饱和性。 共价键：共用电子对，有饱和性和方向性。 金属键：电子共有化，无饱和性和方向性。影响原子间成键类型的重要因素：电负性价电子数。电负性相差大、价电子数相差很小容易形 成离子键，电负性相差小、价电子数相差很大容易形成共价键，电负性相差不大不小、价电子数相 差很小容易形成金属键。2010年简答题（10分）2.如何根据材料的键能曲线来判断材料的弹性模量、膨胀系数的大小？*&)图材料的键能曲线示意图弹性模量：曲率半径越小，弹性模量越大
15、，刚度越大。物理解释：能量势阱的两壁越陡，将原子从 平衡位置移动所需的能量越大。线膨胀系数a th:随键能曲线的不对称的增大而增大。2011年名词解释（5分）1键能曲线2011年论述题（15分）1定性比较陶瓷材料、金属材料和高分子材料的弹性模量高低，并从材料中 结合键的角度分析存在差异的原因。答：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。在给定应力下，弹性模量大的材 料只发生很小的弹性应变，而弹性模量小的材料则发生比较大的弹性应变。结合键能是影响弹性模 量的主要因素，结合键之间的结合键能越大，则弹性模量越大。由于陶瓷材料主要含有离子键和共 价键，金属材料主要含有金属键，而高分子材料分子之间主要是二次键起作用，而结合键能的大小 顺序是离子键最高，共价键次之，金属键第三，二次键最弱，所以这三种材料的弹性模量由高到低 依次是：陶瓷材料、金属材料、高分子材料。实际上，常见的陶瓷的弹性模量为250600GPa，常 见的金属材料的弹性模量为70350GPa，而高分子材料的弹性模量为0.7
