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1、第1章绪论思考题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材料科学与工程定义 解：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？金属通常分哪两大类？无机非金属材料分哪四大类？ 高分子材料按使用性质哪几类？解：按材料特性，材料分为：金属材料、无机非金属材料、和有机高分子材料三类。 金属材料分为：黑色金属材料和有色金属材料。无机非金属材料分为：混泥土（水泥）、玻璃、砖及耐火材料、陶瓷四大类。 高分子材料按使用性能分为：塑料、橡胶、纤维、粘合剂、涂料等类。4. 金属、无机非金属材料、高
2、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
3、；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Structure of Matter思考题 1.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？ 解：主量子数n、角量子数丨、磁量子数m、自旋量子数mls2 .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3. 配位数及其影响配位数的因素 解：配位数：一个原子周围具有的第一邻近原子（离子）数。影响因素： 共价键数； 原子的有效堆积（离子和金属键合）。4. 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
4、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；5. 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：同一条链原子之间以共价键结合，链与链之间以范德华力结合。作业题2-1 按照能级写出N、0、Si、Fe、Cu、Br原子的电子排布。解：N:1s22s22p3O:1s22s22p4Si:1s22s22p63s23p2Fe:1s22s22p63s23p63d64s2Cu:1s22s22p63s23p63d104s1 Br:1s22s22p63s23p63d104s24p52-2 88.83
5、%的镁原子有13个中子，11.17%的镁原子有14个中子，试计算镁原子的相对原 子质量。解：镁原子的质子为12镁原子的相对原子质量 M=88.83%(12+13)+11.17%(12+14)=25.113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？解：在同一周期中，各元素的原子核外电子层数相同，且等于其周期序数。在同一主族中， 各元素的最外层电子数相等，且等于其主族序数。 在同一周期中，从左到右，核电荷数依次增多，原子半径逐渐减小，电离能增大，失 电子能力减弱，得电子能力增强，因此，金属性减弱，非金属性增强；而同一主族元素
6、中， 从上到下电子层数增多，原子半径增大，电离能趋于减小，失电子能力增强，得电子能力减 弱，所以，元素的金属性增强，非金属性减弱。4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
7、的材料组合而成的物质，因而其结合键非常复 杂，不能一概而论。5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
8、能大小对材料的熔点、密度、弹性模量和塑性的影响：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
9、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。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。思考题1空间点阵，配位数 解：空间点阵：
10、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。配位数：一原子最邻近的、等距离的原子数。2晶面指数，致密度 解：晶面指数：指面在3个晶轴上的截距系数的倒数比，当化为最简单的整数比后，所得到 的3个整数。致密度：晶胞中原子体积的总和与晶胞体积之比。3液晶及其液晶的分类（从分子排列的有序性类，按液晶的形成条件分类） 解：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。 从分子排列的有序性分类：a.丝状相（向列相）；b.螺旋状相（胆甾相）;c层状相（近
11、晶相） 按液晶的形成条件分类：a.热致液晶；b.溶致液晶4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， 906C体心立方结构，a- Fe9061401C面心立方结构，丫一 Fe1401C熔点（1540 C ） 体心立方结构，5 - Fe高压下（150kPa）密排六方结构，e- Fe5按键合类型，晶体分哪几类？各自的键合类型和主要特点如何？ 解：按键合类型，晶体分为：金属晶体、离子晶体、共价晶体和分子晶体。 金属晶体：金属键结合；失去外层电子的金属离子与自由电子的吸引；无方向性和饱和 性；低能量密
12、堆结构。（大多数金属晶体具有面心立方，体心立方和密排六方结构，金 属晶体的原子排列比较紧密，其中面心立方和密排六方结构的配位数和致密度最高。） 离子晶体：离子键结合，无方向性和饱和性；正离子周围配位多个负离子，离子的堆积 受邻近质点异号电荷及化学量比限制；堆积形式决定于正负离子的电荷数和正负相对大 小。（硬度高、强度大、熔点和沸点高、热膨胀系数小、脆性大、绝缘高等特点。） 共价晶体：共价键结合，具有方向性和饱和性；配位数和方向受限制，晶体的配位数为（8-N）N表示原子最外层的电子数。（强度高、硬度高、脆性大、熔点高、沸点高、挥发性低、导电能力较差和结构稳定等特点。配位数比金属晶体和离子晶体低）
13、 分子晶体：范德华键合氢键结合；组元为分子，仅有范德华键时，无方向性和饱和性， 趋于密堆，分子对称性较低以及极性分子永久偶极相互作用，限制了堆砌方式；有氢键 时，有方向性和饱和性。作业题1归纳总结3种典型金属结构的晶体学特点 解：结构特征结构类型体心立方（bcc）面心立方fee）密排六方（hcp）点阵类型体心立方面心立方简单六方点阵常数aaa， c， c/a-1.633最近的原子间距 （原子直径）V3 d =于口V2 d =V 口2 口2 m d 七 + T = 口晶胞中原子数1 + 1X 8 = 2811-x8+x6=4826配位数81212致密度2 x (3n)( a)34c z c4x(
14、3n)F)0740.74=U.683=U. /432.已知916C时，Y-Fe（面心立方）的点阵常数为0.365 nm，分别求（100）, （111）,112）的晶面间距。解：属于立方晶系d= 口 ，面心立方j、k、l不全为奇数或不全为偶数时d =V 口2+口2+口22 口2+口2+口2.(100)面，口= 口 = 0.1825nm2111)面，d =2 口2+口2+口2d = n : = 口 = 0.2107nm V 口2+口2+口2长口d =壬=0.4470口2 口2+口2+口2 2V62-14计算（a）面心立方金属的原子致密度；（b）面心立方化合物NaCI的离子致密度（离 子半径r（Na
15、+）=0.097,r（C卜）二0.181）; （c）由计算结果，可以引出什么结论？112)面，解: (a) 4“4口)(口)3 = 0.743 .面心立方金属的原子致密度为0.74。(b) N(Na+)=3*4*1/4+1=4N(C卜)二6*1/2+2*4*1/8二4a=2r(Na+)+2 r(CI-)=0.5564 x 彳口 (0.0973 + 0.1813)0.5563致密度=0.67（c）结论：原子大小相同时，致密度与原子的大小无关；当有不同种类的原子出现时，其 原子的相对大小必然影响致密度。2-15铁的单位晶胞为立方体，晶格常数为a=0.287nm,请由铁的密度算出每个单位晶胞所含 的原子个数。解：pe口由资料可知，p= 0.876 X 103kg/D3.口= 口口口口3口 = 7.867 x 106 x (0.287 x 10-9)3 x 6.02 x 103 = 2
