张联盟材料科学基础(第2版)知识点总结笔记课后答案

第1章材料引言

1.1复习笔记

一、材料类型

材料按其化学作用（或基本组成）分为金属材料、无机非金属材料、高分子材料（聚合物）和复合材料四大类。

1.金属材料

（1）金属材料的定义

金属材料是指由元素周期表中的金属元素组成的材料。

（2）金属材料的分类

① 单质

单质是指由一种金属元素构成的纯金属。

② 合金

合金是指由两种或两种以上的金属元素，或金属元素与非金属元素形成的具有金属特性的新物质。

a.一次固溶体

一次固溶体，又称端际固溶体，是指当合金的晶体结构保持溶剂组元，同时将外来组元引入晶体结构，占据主晶相质点位置一部分或间隙位置一部分后仍保持一个晶相的合金。

b.金属间化合物

金属间化合物是指金属元素与其他金属元素或非金属元素之间形成的合金。

2.无机非金属材料

（1）无机非金属材料的定义

无机非金属材料是指由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐等原料和（或）氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物、卤化物等原料经一定的工艺制备而成的材料，是除金属材料、高分子材料以外所有材料的总称。

（2）无机非金属材料的分类

① 传统无机非金属材料

传统无机非金属材料是指由SiO2及硅酸盐化合物为主要成分制成的材料，包括陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等。

② 新型无机非金属材料

新型无机非金属材料是指用氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物以及各种无机非金属化合物经特殊的先进工艺制成的材料，主要包括先进陶瓷、非晶态材料、人工晶体、无机涂层、无机纤维等。

3.有机高分子材料（聚合物）

（1）高聚物的定义

高聚物是指由一种或几种简单低分子化合物经聚合而组成的分子量很大的化合物。

（2）高聚物的分类

① 按材料的来源分为天然高分子材料和合成高分子材料。

② 按性能和用途分为橡胶、纤维、塑料和胶粘剂等。

4.复合材料

复合材料的分类

（1）按基体材料分为金属基复合材料、陶瓷基复合材料、水泥、混凝土基复合材料、塑料基复合材料、橡胶基复合材料等。

（2）按增强剂形状分为粒子、纤维及层状复合材料。

二、材料组成、结构、性质、工艺及其与环境的关系

1．材料的结构层次

（1）原子及电子结构；

（2）原子的空间排列；

（3）组织结构或相结构。

2.工程材料常见性质与性能

材料性质（性能）包括热学、力学、光学、电学、磁学性质（性能）以及化学性质（性能）。

3.材料的加工工艺

为了满足使用要求，材料必须进行适当的加工。加工制备过程对性能的影响，是通过对结构的改变实现的，典型的工程材料加工工艺如表1-1-1所示。

表1-1-1 常见的材料加工工艺

加工方式加工工艺

铸造：砂型、压铸、永久铸型、熔模

铸造、连续铸造

将液态金属浇入或注入固体模具中得到所要求的形状成型：锻造、拉丝、深冲、弯曲一般在热状态下用高压力将尉体金属变形成为所需的形状

金属材

料连接：气焊、接触焊、钎焊、氩弧

焊、锡焊、扩散焊

采用液态金属、变形或高压、高温将几块金属连接在一起机械加工：车、钻、磨、切割用切削加工去掉多余金属，获得成品件粉末冶金

先施加压力将金属粉末压制成需要的形状，然后进行高温

加热，使微粒连接成整体

陶瓷材料

浇注：包括上釉将液体+固体的陶瓷泥浆浇注成所需的形状

将固体陶瓷粉料或液体+固体牯性陶瓷泥料压制成有用的压制：挤压、压制、等静压成形

形状

烧结将压制可成的固体进行高温加热，使之粘连成块模制：注模法，转移模塑法将热的甚至液态的聚合物压入模具中，使其具有所需形状

聚合物

成形：旋压、挤压、真空成形将受热的聚台物强迫通过模孔或包裹在模胎上，以获得某

种形状

铸造：包括渗透液体组分包围着另一种组分，以获得完整的复合材料

复合材

料

成形

连接：胶粘剂牯接、爆炸连接、扩散

连接

用强力迫使一个软质组分围绕复合材料的第二个组分发生

变形

通过胶接、变形或高温过程将两种组分连接在一起压制和烧结将粉末状组分压制成形，然后加热使粉末连接在一起

4.材料性能的环境效应

（1）温度；

（2）氧或其他气体环境；

（3）腐蚀性介质化学侵蚀；

（4）辐射；

（5）重力环境。

三、材料的选择

选用材料的时候应该遵循使用性能、工艺性能、经济性及环境协调性原则。

1.使用性能原则

使用性能原则是指使用性能是材料在使用过程中，能够安全可靠地工作所必需具备的性能，包含材料的力学性能、物理性能和化学性能。

2.工艺性能原则

工艺性能是指材料在不同的制造工艺条件下所表现出的承受加工的能力。

3.经济性选材原则

在满足器件性能要求前提下，选材时应考虑材料的价格、加工费用和国家资源等情况，以降低产品成本。

4.环境协调性原则

（1）原材料获取、材料制备与加工、材料服役以及材料废弃等材料循环周期内，必须考虑环境负荷及环境协调性。

（2）原材料开采对资源造成的破坏应该降到最低程度，废弃材料应该最大限度地回收利用并进入材料的再循环圈。

1.2 课后习题详解

1.1 仔细观察一下白炽灯泡，会发现有多少种不同的材料？每种材料需要何种热学、电学性质？

答：（1）构成白炽灯的材料有两种，分别为玻璃材料和金属材料。

（2）白炽灯中的玻璃材料需要有很好的热容性耐高温性，而且热膨胀系数要小；

白炽灯中的金属材料主要有灯丝和金属接口，灯丝需要耐高温且熔点高，接口处的金属需要有很好的导电性。

1.2为什么金属具有良好的导电性和导热性？

答：金属具有良好的导电性和导热性的原因为：金属中有大量可以自由移动的电子。自由电子对电流的阻碍作用弱，所以金属有良好的导电性；自由电子可以传递热量，所以金属有良好的导热性。

1.3为什么陶瓷、聚合物通常是绝缘体？

答：陶瓷、聚合物通常是绝缘体是因为在陶瓷和聚合物中电子或者离子都被严重地束缚，没有可以自由流动的电子和传递电子的离子，所以它们通常是绝缘体。

1.4铝原子的质量是多少？若铝的密度

2.7g/cm3，计算1mm3中有多少原子？

答：（1）铝的相对原子质量为27ｇ/mol，铝为面心立方结构，每个晶胞中有４个铝原子，则铝原子的质量为

ＭＡｌ＝27÷ＮＡ＝4.482×10-26kg

（2）1mm3中铝的质量为m，由ρ＝m/V得

m＝ρ×V＝2.7×10－3×1×10－3＝2.7×10－6kg

1mm3中铝原子的数量为

n＝2.7×10－6/4.482×10－26＝6.02×1019

1.5为了防止碰撞造成扭折，汽车的挡板可由装甲制造，但实际应用中为何不如此设计？说出至少三种理由。

答：实际应用中不用装甲制造汽车挡板的理由有：

（1）用装甲制造汽车的挡板成本太高，不符合经济型选材原则；

（2）用装甲制造汽车挡板工艺复杂，不符合工艺性能原则；

（3）用装甲制造汽车挡板耗能耗材大，不符合环境协调性原则。

1.6描述不同材料常用的加工方法。

答：不同材料常用的加工方法如下：

（１）金属材料常用的加工方法有铸造、成型、连接、机械加工和冶金粉末；

（２）陶瓷材料常用的加工方法有浇注、压制和烧结；

（３）聚合物常用的加工方法有模制和成型；