材料科学基础
材料科学基础知识
材料科学基础知识一、概述材料科学是一门涉及材料的结构、性能、制备和应用的学科。
在现代科学技术发展中，材料科学起着重要的作用。
材料科学的发展涉及多个学科领域，如物理学、化学、工程学等。
本文将介绍材料科学的基础知识，包括材料分类、结构与性能关系、制备方法等。
二、材料分类根据材料的组成和性质，可以将材料分为金属材料、陶瓷材料、聚合物材料和复合材料四大类。
1. 金属材料：金属材料具有良好的导电性和导热性，常见的金属材料有铁、铝、铜等。
金属材料的特点是强度高、可塑性好。
2. 陶瓷材料：陶瓷材料具有较高的熔点和硬度，常见的陶瓷材料有瓷器、玻璃等。
陶瓷材料的特点是脆性大、电绝缘性好。
3. 聚合物材料：聚合物材料是由高分子化合物组成的，常见的聚合物材料有塑料、橡胶等。
聚合物材料的特点是具有良好的可塑性和耐腐蚀性。
4. 复合材料：复合材料是由两种或多种不同种类材料组合而成的材料，常见的复合材料有纤维增强复合材料、金属基复合材料等。
复合材料的特点是综合性能优良。
三、结构与性能关系材料的结构对其性能有着重要的影响。
以下是常见的结构与性能关系。
1. 晶体结构：晶体是由离子、原子或分子按照一定规律排列而成的有序结构。
晶体的结构确定了材料的硬度、导电性等性能。
2. 硬度与强度：材料的硬度和强度与其原子、分子的排列有关。
晶体结构和材料的晶粒大小会影响材料的硬度和强度。
3. 导电性与绝缘性：材料的导电性与其电子的运动有关。
金属材料具有良好的导电性，而陶瓷材料则具有较好的绝缘性。
4. 磁性与非磁性：材料的磁性与其原子或分子的磁矩有关。
铁、镍等金属具有磁性，而大部分非金属材料则是非磁性的。
四、材料制备方法材料的制备方法经过了长期的发展和探索，现在已经有许多成熟的制备方法。
以下是常见的材料制备方法。
1. 熔融法：熔融法是通过加热材料使其熔化，然后再进行浇铸、凝固等操作来制备材料。
熔融法广泛应用于金属和玻璃等材料的制备过程。
2. 沉积法：沉积法利用化学反应、物理吸附等方法，将原料分子沉积到基材上，形成所需的材料。
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稳定性
材料在化学环境中保持其组成和结构的能力。
腐蚀性
材料与化学物质反应的能力，一些材料容易受到腐蚀。
活性
材料参与化学反应的能力和程度。
耐候性
材料在各种气候条件下的稳定性，如耐紫外线、耐风雨等。
材料的力学性质
弹性模量
描述材料抵抗弹性变形的能力。
硬度
材料表面抵抗被压入或划痕的能力。
韧性
材料吸收能量并抵抗断裂的能力。
材料科学的发展历程
总结词
概述材料科学的发展历程，包括重要的里程碑和代表 性人物。
详细描述
材料科学的发展历程可以追溯到古代，如中国的陶瓷和 青铜器制作，古埃及的石材加工等。然而，材料科学作 为一门独立的学科是在20世纪中期才开始形成的。在 这个时期，一些重要的里程碑包括开发出高温超导材料 、纳米材料和光电子材料等新型材料，这些材料的出现 极大地推动了科技的发展。同时，一些杰出的科学家如 诺贝尔奖得主也在这个领域做出了卓越的贡献。随着科 技的不断进步，材料科学的发展前景将更加广阔。
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绿色材料与可持续发展
绿色材料
采用环保的生产方式，开发具有环保性能的新型材料，如可降解 塑料、绿色建材等。
节能减排
通过采用新型材料和技术，降低能源消耗和减少污染物排放，实现 节能减排的目标。
可持续发展
推动材料科学的发展，实现经济、社会和环境的协调发展，促进可 持续发展。
非晶体结构与性质
非晶体的结构特征
非晶体中的原子或分子的排列是无序的，不遵循长程有序的晶体 结构。
非晶体的物理和化学性质
非晶体的物理和化学性质与晶体不同，如玻璃态物质具有较好的化 学稳定性和机械强度。
材料科学基础-第1章
晶面指数及晶面间距
现在广泛使用的用来表示晶面指数的密勒指数是由 英国晶体学家ler于1939年提出的。
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确定晶面指数的具体步骤如下： 1.以各晶轴点阵常数为度量单位,求 出晶面与三晶轴的截距m,n,p； 2.取上述截距的倒数1/m,1/n,1/p； 3. 将以上三数值简为比值相同的三 个最小简单整数,即 1 1 1 h k l (553) : : : : h:k :l x m n p e e e 其中e为m,n,p三数的最小公倍数,h,k,l为简单整数； 4.将所得指数括以圆括号, (hkl)即为密勒指数。
13 体心立方点阵
a=b=c，α=β=γ =90°
14 面心立方点阵
a=b=c，α=β=γ =90°
§ 1.5 晶体结构的对称性
一、对称：对称是指物体相同部分作有规律的 重复。对称操作所依据的几何元素，亦即在对 称操作中保持不动的点、线、面等几何元素称 为对称元素。 二、对称性
1．晶体的宏观对称性 2. 晶体的32种点群 3. 晶体的微观对称性 4．230种空间群
晶体结构＝空间点阵+基元
注意：上式并不是一个数学关系式，而只是用来表示这三者之间的 关系。
二、晶体的点阵理论
1 、点阵(Lattice):
将晶体中重复出现的最小单元作为结构基元，用一个数 学上的点来代表 , 称为点阵点，整个晶体就被抽象成一组 点,称为点阵。 1 点阵点必须无穷多； 点阵必须具备的三个条件 2 每个点阵点必须处于相同的环境； 3 点阵在平移方向的周期必须相同。
c
b
a
空间点阵及晶胞的不同取法
选取晶胞的原则： 1.要能充分反映整个空间点阵的周期性和对称性； 2.在满足1的基础上，单胞要具有尽可能多的直角； 3.在满足上条件，晶胞应具有最小的体积。
材料科学基础试题及答案
材料科学基础试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1. 材料科学中，材料的基本组成单元是（）。
A. 分子B. 原子C. 离子D. 电子答案：B2. 金属的塑性变形主要是通过（）来实现的。
A. 弹性变形B. 位错运动C. 相变D. 断裂答案：B3. 在材料科学中，硬度的定义是（）。
A. 材料抵抗变形的能力B. 材料抵抗磨损的能力C. 材料抵抗压缩的能力D. 材料抵抗拉伸的能力答案：B4. 材料的热处理过程中，淬火的主要目的是（）。
A. 提高硬度B. 增加韧性C. 减少变形D. 提高导电性答案：A5. 以下哪种材料不属于复合材料？A. 碳纤维增强塑料B. 钢筋混凝土C. 不锈钢D. 玻璃钢答案：C二、填空题（每空1分，共20分）1. 材料的强度是指材料在受到______作用时，抵抗______的能力。
答案：外力；破坏2. 材料的断裂韧性是指材料在______条件下，抵抗______的能力。
答案：裂纹存在；断裂3. 材料的疲劳是指材料在______作用下，经过______循环后发生断裂的现象。
答案：交变应力；多次4. 材料的导热性是指材料在______条件下，抵抗______的能力。
答案：温度梯度；热量传递5. 材料的电导率是指材料在单位电场强度下，单位时间内通过单位面积的______。
答案：电荷量三、简答题（每题10分，共30分）1. 简述材料的弹性模量和屈服强度的区别。
答案：弹性模量是指材料在弹性范围内，应力与应变的比值，反映了材料抵抗形变的能力。
屈服强度是指材料在受到外力作用下，从弹性变形过渡到塑性变形时的应力值，反映了材料抵抗塑性变形的能力。
2. 描述材料的疲劳破坏过程。
答案：材料的疲劳破坏过程通常包括三个阶段：裂纹的萌生、裂纹的扩展和最终断裂。
在交变应力作用下，材料内部的微裂纹逐渐扩展，当裂纹扩展到一定程度，材料无法承受继续增加的应力时，就会发生断裂。
3. 什么是材料的热处理？请列举几种常见的热处理方法。
材料科学基础
1.材料是国民经济的基础；广义的材料包括人们的思想意识之外的所有物质；材料、信息、能源是现代技术的三大支柱。
2.材料科学是研究各种材料的结构、制备加工工艺与性能之间关系的学科。
3.材料分类：金属材料、陶瓷材料或无机非金属材料、高分子材料、复合材料。
4.材料科学基础是进行材料科学研究的基础理论，它将各种材料（包括金属、陶瓷、高分子材料）的微观结构和宏观结构规律建立在共同的理论基础上，用于指导材料的研究、生产、应用和发展。
它涵盖了材料科学和材料工程的基础理论。
5.金属键：金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属键。
特点：电子共有化，既无饱和性又无方向性，形成低能量密堆结构性质：良好导电、导热性能，延展性好。
6.离子键：正负离子之间由于静电引力相互吸引，是原子结合在一起形成离子键。
特点：以离子而不是以原子为结合单元，要求正负离子相间排列，且无方向性，无饱和性性质：熔点和硬度均较高，良好电绝缘体。
7.共价键：两个或多个电负性相差不大的原子通过共用电子对而形成的化学键。
特点：饱和性配位数较小，方向性（s电子除外）性质：熔点高、质硬脆、导电能力差二；晶体学基础晶体：是指其内部原子（分子或离子）在三维空间做有规则的周期性重复排列的物体。
晶体原子（分子或离子）在空间的具体排列方式称为晶体结构。
晶体结构的基本特征：原子（或分子、离子）在三维空间呈周期性重复排列即即存在长程有性能上两大特点：固定的熔点，各向异性空间点阵：将晶体中原子或原子团抽象为纯几何点，即可得到一个由无数几何点在三维空间排列成规则的阵列—空间点阵特征：每个阵点在空间分布必须具有完全相同的周围环境晶胞：代表性的基本单元（最小平行六面体）选取晶胞的原则1.选取的平行六面体应反映出点阵的最高对称性2.平行六面体的棱和角相等的数目应最多3.当平行六面体的棱边夹角存在直角，直角数目应最多4.在满足上述条件下晶胞应具有最小体积晶格：为了表达空间原子排列的几何规律，把粒子(原子或分子)在空间的平衡位置作为结点，人为地将结点用一系列相互平行的直线连接起来形成的空间格架称为晶格。
材料科学基础完整ppt课件
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
离子% 结 ）= [-1 e 合 -1 4(X A 键 X B )（ 2 1% 00
另一种混合键表现为两种类型的键独立 纯在例如一些气体分子以共价键结合，而 分子凝聚则依靠范德瓦力。聚合物和许多 有机材料的长链分子内部是共价键结合， 链与链之间则是范德瓦力或氢键结合。石 墨碳的上层为共价键结合，而片层间则为 范德瓦力二次键结合。
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经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
八.材料科学研究的内容：材料结构的基础知识、
晶体结构、晶体缺陷、材料的相结构及相图、材
料的凝固、材料中的原子扩散、热处理、工程材
料概论等主要内容。 .
子，因此，它们都是良好的电绝缘体。但当
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处在
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
高温熔融状态时，正负离子在外电场作用 下可以自由运动，即呈现离子导电性。
2.共价键
（1）通过共用电子对形成稳定结构
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经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
三.结论
1.原子核周围的电子按照四个量子数的规定 从低能到高能依次排列在不同的量子状态 下，同一原子中电子的四个量子数不可能 完全相同。
材料科学基础
材料科学基础
材料科学基础是材料理论、实验、应用的交叉学科。
它集成了多学科的实验手段和理论计
算技术，利用理论计算、数理物理和实验技术，研究材料的性能和制备、表征，分析和优
化材料结构和功能性能，以满足材料领域的需求。
基础的材料科学主要包括材料多尺度结构的研究、材料微观机制的研究、材料表面与界面
性质的研究以及材料抗损性表征及改进等。
材料多尺度结构研究是通过研究材料的原子、
分子、晶体等多种尺度结构，探索材料性能及其关联机制。
材料微观机制研究是通过对材
料微细结构、代表性性质进行研究，从原子、分子、晶体分解的角度探究材料行为及影响
其行为的机制；材料表面与界面性质的研究是指利用实验与分子模拟方法，研究材料的表
面和界面结构、化学组分特性及其性能等；材料抗损性表征与改进研究是针对特定工况作
用环境下材料应力损伤、耐磨性能等进行研究，目的是区分材料质变以及失效机制，提出
与改善结构、材料条件等有关的优化技术。
此外，材料科学的基础还涉及其他学科，如物理化学、机械工程、计算机科学、化学工程、材料物理学、有机合成和金属学等，以便从新的视角，综合研究材料的结构、性质、加工
技术、性能表征等。
总之，材料科学基础是一门宽泛而全面的学科，能够涵盖实验、理论计算技术、物理化学
等诸多分支，来研究材料的性能及功能。
未来，随着材料应用的不断发展，材料科学基础
也将在科学研究中发挥重要作用，为材料发展提供重要保障。
材料科学基础知识
材料科学基础知识材料科学是一门研究材料结构、性能和制备的学科，涉及广泛的领域，包括金属、陶瓷、塑料、纤维、半导体等材料的研究与应用。
本文将介绍一些材料科学的基础知识，包括材料分类、晶体结构和材料性能等内容。
一、材料分类根据组成和结构特征，材料可以分为金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料三大类。
金属材料主要由金属元素构成，具有优秀的导电、导热和强度等性能；无机非金属材料包括陶瓷、玻璃、水泥等，其特点是高硬度、高耐热性和电绝缘性；有机高分子材料由含有大量碳元素的高分子化合物构成，如塑料、橡胶和纤维等，具有良好的可塑性和可拉伸性。
二、晶体结构晶体是材料学中一种有序排列的结构形态，具有规则的周期性。
晶体结构由原子、离子或分子按照一定的几何规则排列而成。
根据晶格的不同，晶体可分为立方晶系、四方晶系、单斜晶系、正交晶系、斜方晶系、菱方晶系和三斜晶系等。
其中，立方晶系是晶体结构中最简单的一种，其晶格具有等边、等角的特点。
三、材料性能材料的性能决定了其在实际应用中的表现。
常见的材料性能包括力学性能、热学性能、电学性能和磁学性能等。
力学性能体现了材料的强度、韧性和硬度等特点，如抗拉强度、屈服强度和冲击韧性；热学性能包括导热性、热膨胀系数和导电性等，这些性能对材料的热稳定性和导热导电能力有重要影响；电学性能和磁学性能则与材料的导电性和导磁性相关。
四、材料制备材料的制备过程对于最终材料的性能和结构有重要影响。
常见的材料制备方法包括熔融法、沉积法、固相反应法和溶液法等。
熔融法是指将材料加热至熔点后进行冷却的过程，常用于金属材料的制备；沉积法则是通过气相或溶液中的化学反应沉积材料薄膜；固相反应法是指两个或多个固体物质在一定条件下发生化学反应生成新的化合物；溶液法是将材料溶解于溶剂中，通过溶液的蒸发或化学反应生成新材料。
总结材料科学是一门涉及广泛的学科，研究的内容包括材料分类、晶体结构、材料性能和材料制备等方面。
了解这些基础知识对于深入学习和应用材料科学具有重要意义。
材料科学基础课程教学大纲
材料科学基础课程教学大纲
一、课程背景与目标
材料科学基础课程是材料科学与工程专业的一门基础性课程，旨在培养学生对材料科学基本理论和基本知识的理解和掌握，为其后续的专业学习和科研工作打下坚实的基础。
本课程通过系统地讲授材料结构、性能与应用等方面的基础知识，旨在培养学生的科学思维、分析问题和解决问题的能力。
二、教学内容
1. 材料科学基础
1.1 材料科学的发展历程
1.2 材料科学的研究方法与手段
1.3 材料科学的基本概念和专业术语
2. 材料结构与性能
2.1 材料的晶体结构与非晶体结构
2.2 材料的晶体缺陷与非晶缺陷
2.3 材料的晶体结构与性能关系
2.4 材料的物理性质与化学性质
2.5 材料的机械性能与材料强度
3. 材料制备与加工
3.1 金属材料的制备与加工
3.2 陶瓷材料的制备与加工
3.3 高分子材料的制备与加工
3.4 复合材料的制备与加工
3.5 材料制备与加工中的工艺控制与监测
4. 材料性能测试与分析
4.1 材料性能测试的基本原理与方法4.2 材料力学性能测试与分析
4.3 材料热学性能测试与分析
4.4 材料电学性能测试与分析。
材料科学基础知识点
材料科学基础知识点
1. 结晶学：研究晶体的形成、结构和性质。
包括晶体生长、晶体结构分析、晶体缺陷等。
2. 材料力学：研究材料的力学性质，包括材料的强度、韧性、塑性、蠕变等。
3. 材料热学：研究材料的热传导、热膨胀、热稳定性等热学性质。
4. 材料电学：研究材料的电导率、介电性质、磁性等电学性质。
5. 材料化学：研究材料的化学成分、结构和化学反应。
包括材料的合成方法、表面改性、材料的腐蚀与防护等。
6. 材料物理学：研究材料的物理性质，包括光学性质、磁性、声学性质等。
7. 材料加工：研究材料的加工方法、工艺和性能改善。
包括材料的铸造、焊接、锻造、热处理等。
8. 材料性能测试：研究材料的各种性能指标的检测和测试方法。
9. 材料选择：根据工程要求和材料性能，选择最合适的材料。
10. 材料应用：研究材料在各种实际应用中的性能和适用范围，包括材料的耐久性、可靠性等。
材料科学基础
10、晶体固液界面分为光滑界面和粗糙界面，按照长大速度由慢到快其长大方式依次为（二维晶核长大）（晶体缺陷长大）和（垂直长大）
11、马氏体是碳在（a-Fe）中的过饱和固溶体，淬火钢中马氏体的金相形态有两种，它们是（板条马氏体）和（针状马氏体）。
27、（13），主要是发生（多边形化）。
28、（15）动态回复与动态再结晶是指在变形过程中（软化与形变硬化）同时进行
三判断
1、 层错是由于晶体点阵中局部存在多余的半原子面的结果。
2、 位错属于晶体缺陷，又属于线缺陷。√
3、 通常晶体中原子的扩散激活能愈高，其扩散系数愈大，扩散速度愉快。
18、根据相律，三元系最大平衡相数为（4），此时自由度（0），在相图上表现为（水平面）。
19、扩散第一定律只适合于（稳态）条件，第一定律所表达的基本含义是：在（ ）的条件下，制药浓度梯度存在就会有扩散发生，而且扩散通量与浓度梯度成（正比）变化。扩散流动方向是由（高）浓度向（低）浓度。
20、固溶体合金结晶过程中遵循形核和核长大规律，但它不同于纯金属的是形核时还额外需要（成分）起伏，它也是在（变温）过程中进行的，同时在结晶过程中海始终伴随着（异质原子/溶质原子）的扩散。
4、 简述固溶体合金与纯金属在结晶过程中的区别。
解答：纯金属在结晶时其界面是粗糙的，在正温度梯度下进行长大。由于晶体长大时通过固相模壁散热，固液界面是等温的，若取得动态过冷度界面就向前移动。如果界面局部有小的凸起伸向过热的液相中，小凸起将被熔化，界面一直保持平直，晶体以平面状长大。
固溶体结晶时会出现成分过冷，在固液界面前出现成分过冷区，此时界面如有任一小的凸起将它伸入成分过冷区而获得过冷就能继续生长下去。界面不能保持平直稳定，会出现树枝晶。
材料科学基础
14种布拉菲点阵与七个晶系
三. 晶向指数和晶面指数
1. 晶向指数及其确定方法 1) 晶向指数 — 晶体点阵中阵点列的方 向指数。 2) 确定已知晶向的指数 (Miller指数)。
(1) 建坐标．一般为右手坐标，坐标原点 位于待定晶向上某一阵点，坐标轴为晶 胞棱边。
正、负离子间相互吸引，时原子结合在一起，这就是离子键。
氯 化 钠 离 子 键
2. 共价键
相邻原子间可以共同组成一个新的电子轨道，由两个原子中各有一个电子共用，利用 共享电子对来达到稳定的电子结构。共价结合时由于电子对之间的强烈排斥力，使共价键
具有明显的方向性，这是其它键所不具备的。由于方向性，不允许改变原子的相 对位置，所以材料不具塑性且比较坚硬，像金刚石就是世界上最坚硬的物质之一。
• 第六章 扩散与固态相变
– 第一节 扩散定律及其应用 – 第二节 扩散机制 – 第三节 影响扩散的因素与扩散驱动力 – 第四节 几个特殊的有关扩散的实际问题 – 第五节 固态相变中的形核 – 第六节 固态相变的晶体生长
• 第七章 陶瓷材料
导论
一·各种材料的概况
工程材料按属性可分为三类：金属材料、陶瓷材料和高分子材料。也可由此三个 相互组合而成的复合材料。按使用性能分类，则可分为主要利用其力学性能的结构材料和 主要利用其物理性能的功能材料。
一、一次键
1.离子键 金属元素特别是IA、IIA族金属在满壳层外面有少数价电子，它们很容易逸出；另方面 VIIA、VIA族的非金属原子的外壳层只缺少1~2个电子便成为稳定的电子结构。当两类电子 结合时，金属原子的外层电子很可能转移至非金属原子外壳层上，使两者都得到稳定的电 子结构，从而降低了体系的能量，此时金属原子和非金属原子分别形成正离子和负离子，
材料科学基础
固溶体：合金的晶体结构保持溶剂组元的晶体结构。
正常价化合物：由周期表中相距较远，电化学性质相差较大的两种元素形成。
电子化合物：具有一定的电子浓度值，且结构相同或密切相关的相。
传统无机材料：以SiO2及其硅酸盐化合物为主要成分制成的材料，因此亦称硅酸盐材料，主要有陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料。
玻璃：由熔体过冷所制得的非晶态材料。
水泥：加入适量水后可成塑性浆体，既能在空气中硬化又能在水中硬化，并能够将砂、石等材料牢固地胶结在一起的细粉状水硬性材料。
耐火材料：耐火度不低于1580℃的专门为高温技术服务的无机非金属材料。
晶体：离子原子或分子按一定的空间结构排列所组成的固体，其质点在空间的分布具有周期性和对称性，因而晶体具有规则的外形。
晶胞：从晶体结构中取出来的反映晶体周期性和对称性的重复单元。
晶向指数：用[uvw]表示。
球体最紧密堆积：有等径球和不等径球两种；等径球最紧密堆积有六方最紧密堆积和面心立方最紧密堆积两种。
空间利用率：晶胞中原子体积与晶胞体积的比值。
位移性转变：仅仅是结构畸变，转变前后结构差异小，转变时并不打开任何键或改变最邻近的配位数，只是原子的位置发生少许位移，使次级配位有所改变。
重建性转变：不能简单地通过原子位移来实现，转变前后结构差异大，必须破坏原子间的键，形成一个具有新键的结构。
萤石：Ca+位于立方晶胞的顶点及面心位置，形成面心立方堆积，F—填充在八个小立方体的体心。
尖晶石：如果A离子占据四面体空隙，B离子占据八面体空隙，则称为正尖晶石。
反之，如果半数的B离子占据四面体空隙，A离子和另外半数的B离子占据八面体空隙，则称为反尖晶石。
岛状结构：[SiO4]四面体以孤岛状存在，它们之间通过其他正离子的配位多面体来连接。
高分子：其分子主链上的原子都直接以共价键连接，且链上的成键原子都共享成键电子的化合物。
高分子材料：组成高分子的不同尺度的结构单元在空间的相对排列，包含高分子的链结构和聚集态结构。
材料科学基础试题及答案
材料科学基础试题及答案一、选择题1. 材料科学中，下列哪个不是材料的基本性能？A. 力学性能B. 热学性能C. 光学性能D. 化学性能答案：C2. 金属材料的塑性变形主要通过哪种机制进行？A. 位错运动B. 原子扩散C. 相变D. 晶界滑动答案：A3. 陶瓷材料通常具有哪些特性？A. 高韧性B. 高导电性C. 高熔点D. 高塑性答案：C二、填空题1. 材料科学是一门研究材料的________、________、________以及材料与环境相互作用的科学。
答案：组成、结构、性能2. 根据材料的组成和结构，材料可以分为________、________、________和复合材料。
答案：金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料三、简答题1. 简述材料科学中的“相”的概念。
答案：在材料科学中，“相”指的是材料中具有相同化学成分和结构的均匀部分。
相可以是固体、液体或气体，并且可以在宏观上观察到。
材料的相可以决定其物理和化学性质。
2. 什么是材料的微观结构？它对材料性能有何影响？答案：材料的微观结构是指材料内部的原子、分子或晶粒的排列方式和分布状态。
微观结构对材料的力学性能、热学性能、电学性能等具有决定性影响，例如晶粒大小、晶界、位错密度等都会显著影响材料的强度、韧性和导电性。
四、计算题1. 已知某金属材料的屈服强度为300 MPa，弹性模量为200 GPa，求其在屈服点的应变。
答案：首先，根据胡克定律，σ = Eε，其中σ是应力，E是弹性模量，ε是应变。
将已知数值代入公式，可得ε = σ/E = 300 MPa / 200 GPa = 0.0015。
2. 若某材料的热膨胀系数为10^-6 K^-1，当温度从20°C升高到100°C时，计算该材料长度的变化百分比。
答案：材料长度的变化量ΔL可以通过公式ΔL = L0αΔT计算，其中L0是原始长度，α是热膨胀系数，ΔT是温度变化。
假设原始长度L0为1m，温度变化ΔT = 100°C - 20°C = 80°C，代入公式得ΔL = 1m * 10^-6 K^-1 * 80 = 8 * 10^-5 m。
材料科学基础
材料科学基础材料科学作为一门交叉学科，是研究材料结构、性能及其制备技术的科学。
在现代化建设过程中，材料科学起着至关重要的作用，无论是新型材料的应用研究，还是国家重大工程项目的建设，都需要依靠材料科学的基础支撑。
1. 材料科学的定义材料科学是研究材料结构、性能及其制备技术的科学。
材料科学的研究对象是包括金属、非金属及其复合材料在内的各种材料。
主要涉及材料的化学成分、原子结构、微观结构和宏观物理性质等方面。
2. 材料科学的历史与现状材料科学起源于人类制造工具的历史。
随着科技的发展和工业化的加速，材料科学逐渐发展成为一门独立的学科。
20世纪50年代，材料科学开始进入快速发展时期，以光电子材料、高分子材料、纳米材料等为代表的新材料逐渐涌现。
21世纪以来，随着信息技术、生物技术等领域的快速发展，材料科学进入了一个新的阶段，面临着新的机遇和挑战。
3. 材料科学的基础理论材料科学的基础理论包括材料结构与性能关系、物质的基本结构、材料物理学和化学等。
其中，材料结构与性能关系是材料科学的核心，它是研究材料性能与结构之间相互关系的重要内容。
同时，材料的物理和化学性质也是材料科学的重要基础，物理学主要涉及电学、热学、力学等方面，而化学则主要涉及材料的化学成分、结构等。
4. 材料科学的应用与发展材料科学的应用领域非常广泛，包括冶金、能源、信息、生命科学等诸多领域。
随着科技的发展和工业化进程的加速，材料科学对国家经济建设的支撑作用越来越明显。
当今世界上各个国家都把材料科学作为科技创新的重要方向之一，加大了对材料科学的投入和支持。
未来，材料科学还将面临更加广泛的应用和发展前景，如低碳经济、环保材料等。
5. 材料科学的前沿研究材料科学的前沿研究包括新型材料的制备和应用，纳米科技、超导材料等等。
纳米材料是目前研究的热点之一，是由于材料的微观结构对其性能具有巨大的影响。
超导材料则是研究电学、磁学等方面的特殊性质的重要材料，对于能源领域有着重要的应用价值。
材料科学基础第一章
图 金属键、金属的导电性和金属的变形
（3）金属键型晶体的特征 良好的延展性 良好的导电性 具有正的电阻温度系数 导热性好 金属不透明、具有金属光泽（自由电子可吸收可见光
的能量 ）
4.范德瓦尔键 分子的一部分往往带正电荷，而另一部分往往带负电荷， 一个分子的正电荷部位和另一分子的负电荷部位间，以微 弱静电力相吸引，使之结合在一起，称为范德瓦尔斯键也 叫分子键。 范德瓦尔斯键没有方向性和饱和性。 比化学键的键能少1～2个数量级。
1.共价键 （1）共价键的定义 有些同类原子，例如周期表IVA，VA，VIA族中大多数 元素或电负性相差不大的原子互相接近时，原子之间不产 生电子的转移，此时借共用电子对所产生的力结合。 （2）共价键的特点 共价键键合的基本特点是核外电子云达到最大的重叠， 形成“共用电子对”，有确定的方位，且配位数较小。 共价键具有方向性、饱和性。 金刚石、单质硅、SiC、H2、O2、F2、碳-氢化合物。
最强
金属键 自由电子气与正离子实 之间的库仑引力
分子键 原子间瞬时电偶极矩的 感应作用
较强
无方向性键、配位数高、 塑性较好、有光泽、好 的导热、导电性
无方向性键、结构密堆、 高熔点、绝缘
最弱
思考题
为什么金属具有良好的塑性,而共价晶体一般硬而且脆?
图 金属的变形
图 共价键的断裂
§1.1.2 工程材料的键性
密排六方晶胞示意图 （a）刚球模型；（b）质点模型；（c）晶胞中原子数示意图
第一章 材料的结构
第一节 材料的结合方式
§1.1.1 化学键
结合键的定义：所谓结合键是指由原子结合成分子或固 体的方式和结合力的大小。 结合键决定了物质的一系列物理、化学、力学等性质。 根据电子围绕原子的分布方式，可以将结合键分为化学 键和物理键。 化学键(涉及到原子外层电子的重新分布，电子在键合后 不再仅仅属于原来的原子 )。 化学键有：离子键、共价键、金属键。
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器件的小型化，复杂化和集成化起着至
关重要的作用。
3. 智能材料 模仿生命系统同时具有感知和驱动双重功能的材料，是一 种能感知外部刺激，能够判断并适当处理且本身可执行的 新型功能材料。智能材料与智能结构有着巨大的潜在的应 用前景，其发展将推动和带动许多方面的技术进步。 4. 生物医药和环境友好材料 生物医药材料对人体的组织进行矫形，修复，再造，充填 以维持其原有功能，要解决与人体组织的相容性及生物活 性。环境友好材料是减小污染，维护生态平衡所需要的材 料，如废弃材料的处置与再生利用，能源的节约与新能源 的开发等等。
制备 工艺
性能 成分
结构
（1）成分
成分是决定材料性能的基本因素
铜：熔点高，1083 °C，可塑性佳
85%铜+15%锡：熔点960 °C
延展性增加，具有光泽度
锡：熔点低，232 ° C
（2）结构
材料微观结构决定材料的宏观性能
石墨
金刚石
富勒烯
（3）制备工艺
制备工艺影响材料的性能
ZnO 15 min 60 min
1.1.3 金属键
1 形成 在金属晶体中，自由电子作穿梭运动，它不专属于某个金属 原子而为整个金属晶体所共有。这些自由电子与全部金属离子相 互作用，从而形成某种结合，这种作用称为金属键。 2 具有共价键物质的特性 良好的导电性，导热性，正的电阻温度系数，即随温度的升 高电阻增大，良好的强度及塑性，不透明，具有金属光泽。
30 min
90 min
物料的组成，操作温度，压 力，时间，电压，电流等
ACS Appl. Mater. Interfaces 2011, 3, 4197-4200
(IV)材料分类
1. 金属材料：铝、铜、钛合金 2. 无机非金属材料：Al2O3、SiC、Si3N4、SiO2 3. 高分子材料：纤维、蛋白质、聚乙烯 4. 复合材料：强度高、质量轻 金属材料－金属学 陶瓷材料－陶瓷学 学 高分子材料－高分子物理
1.1.4 范德瓦尔键
1 形成 分子的一部分往往带正电荷，而另一部分往往带负 电荷，一个分子的正电荷部位和另一分子的负电荷部位 间，以微弱静电力相吸引，使之结合在一起。 2 特性 结合力弱 3 具有共价键物质的特性 硬度低，沸点低，绝缘性
1.1.5 材料的键性
实际使用的材料，有的是单纯的一种键，但更多 的是几种键的结合。
材料科学基础 突出材料共性教
(V)材料科学的发展方向
1. 多相复合材料 为满足新技术对材料性能的综合要求，放弃单体材料后处理 改性的唯一途径，采取取长补短的两种或两种以上单体进行 有效复合化的复合材料。如SIC增强的莫来石，常温和高温下 的强度和断裂韧性都可以有两倍以上的提高。 2. 纳米材料 晶粒等显微结构达到纳米级尺度水平的 材料，使材料的微观特性发生改变，相 对于微米级材料，性能上表现优越，对
材料科学基础
An Introduction to Materials Science
前言
I II III IV V VI
• 材料的定义 • 材料的历史进程
• 材料科学的研究内容材料科学的研究内容
• 材料的分类 • 材料科学的发展方向材料科学的研究内容 • 本课程的任务的主要内容
材料？
泥土
钢材
鱼
水 块
树木
石
(I) 材料的定义
ห้องสมุดไป่ตู้
广义的材料包括人们的思想意识之外的所有物质。 无处不在，无处不有 材料是国民经济的物质基础
材料 能源 信息
工农业生产 国防 科学技术 人民生活
现代技术的三大支柱
品种 材料 数量 质量
国家现代化程度 标志之一
材料是具有一定性能，可以用来制作器件、构件、 工具、装置等物品的物质。
（2）青铜器时代（夏）
巨型司母戊鼎 河南安阳晚商遗址
（3）铁器时代（秦汉）
铁锄（战国）
铁刀
公元两世纪，刀师蒲元已经掌握了水质对淬火的影响。
古代科技名著
• 考工记： 金有六齐：六分其金而锡居一，谓之种鼎之齐；五分其 金而锡居一，谓之斧斤之齐；四分其金而锡居一，谓之 戈戟之齐；三分其金而锡居一，谓之大刃之齐；五分其 金而锡居二，谓之削杀矢之齐；金锡半，谓之鉴燧之齐。
1.1.1 共价键
1 形成 两个或多个原子共同使用它们的外层电子，在理想情况下达 到电子饱和的状态，由此组成比较稳定的化学结构叫做共价键。 2 特性 方向性，饱和性，结合力大。 3 具有共价键物质的特性 共价晶体强度，硬度 高，脆性大，熔点，沸点高，挥发性 低。
1.1.2 离子键
1 形成 通过两个或多个原子或化学集团失去或获得电子而成为离子 后形成的，本质是阴离子和阳离子之间的静电作用。 2 特性 无方向性，无饱和性，结合力大。 3 具有共价键物质的特性 离子晶体强度，硬度高，脆性大，热膨胀系数小。离子晶体 具有良好的绝缘性，典型的无色透明的。
(VI)本课程的任务与内容
前言
成分，结构，制备 方法，性能
WHAT
材料科学基础的任务
WHY
材料制备工艺 微观机理
材料的结构，晶体缺陷， 纯金属的凝固，二元相图， 三元相图，固体材料的变 形与断裂，回复与再结晶， 扩散，固态相变。
HOW
多学科交叉
第一章 材料的结构
1.1 材料的结合方式 1.2 材料的晶体结构
（4）近现代
化学 物理 材料力学
18世纪
物理冶金（材料科学）
金属的外在性能取决于内部的结构
光学显微镜，X射线衍射和电子显微镜
明代后：封建统治、帝国主义侵略束缚了材料的发展， 停滞状态
解放后：材料科学受到重视和发展
(III) 材料科学的研究内容 材料科学基础是研究材料的成分、组织结 构，制备工艺与性能之间关系。
(II) 材料的历史进程
漫长而又曲折的历程：
简单 → 复杂 单一性能 → 综合性能 结构材料 → 功能材料 单一材料 → 复合材料
建筑材料
力学性能 能
→
力学，光学，热学性
人类社会文明程度的标志
石器时代 陶器时代 青铜器时代 铁器时代 信息时代
（1）石器时代
陶器是人类第一次对于自然材料高热加工形成的人工材料； 陶器的出现，开创了人工材料制作新器物的历史。