材料概论作业.docx

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材料概论作业

作业1绪论

1.人类使用材料的历史经历了哪些时代？

答：

人类使用材料的历史经历了石器时代、青铜器时代、铁器时代、水泥时代、钢时代、硅时代、新材料时代。

2.材料的化学（键）分类和使用性能分类？

答：

材料的化学（键）分类：

金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料。

材料的使用性能分类：

结构材料、功能材料。

3.什么是材料科学、材料工程、材料科学与工程？

答：

材料科学：

一门以固体材料为研究对象，以固体物理、固体化学、热力学、动力学、量子力学、冶金、化工为理论基础的边缘交叉基础应用学科，是运用电子显微镜、X射线衍射、热谱、电子离子探针等各种精密仪器和技术，探讨材料的组成、结构、制备工艺和加工使用过程与其机械、物理、化学性能之间的规律的一门基础应用学科。

材料工程：

运用材料科学的理论知识和经验知识，为满足各种特定需要而发展、制备和改进各种材料的工艺技术。

材料科学与工程：

研究材料的组成与结构、合成与制备（工艺）、性能、使用效能（用途）四者之间相互关系和规律的一门科学。

4.简述无机非金属材料及其特点？

答：

无机非金属材料是一种或多种非金属元素（如O、C、N等，通常为O）的化合物，主要为金属氧化物和金属非氧化物，不含C-H-O链。

无机非金属材料的特点：

①组成：

一种或多种非金属元素（如O、C、N等，通常为O）的化合物。

②结构：

结合键主要为离子键、共价键或离子－共价混合键。

③性能：

高熔点、高强度、耐磨损、高硬度、耐腐蚀和抗氧化的基本属性，宽广的导电性、导热性和透光性以及良好的铁电性、铁磁性和压电性，很差的延展性及耐冲击性。

④合成与制备（艺）：

（暂忽略）。

⑤使用效能（应用）：

（暂忽略）。

作业2材料的组成与结构

1.从CaO-SiO2二元相图分析矿物组成与化学组成、工艺条件的关系？

答：

①CaO-SiO2二元相图。

②矿物组成与化学组成的关系：

在870-1125℃之间，随着SiO2质量分数的降低，CaO质量分数的提高，所形成的矿物组成依次为α磷石英，α磷石英+β-CS，β-CS，β-CS+C2S，C2S，C2S+C3S，C3S，C3S+CaO，CaO。

③矿物组成与工艺条件的关系：

在SiO2-CS区间，随着温度的升高，依次生成α石英+β-CS，α磷石英+β-CS，α磷石英+α-CS，α方石英+L，L。

2.计算[BO3]三角体和[SiO4]四面体中正负离子彼此相互接触的正负离子半径的比值。

答：

①[BO3]三角体中正负离子彼此相互接触的正负离子半径的比值：

②[SiO4]四面体正负离子彼此相互接触的正负离子半径的比值：

3.为什么岛状、链状、架状硅酸盐晶体结构结构的桥氧数、硅氧比不同？

答：

由于[SiO4]四面体聚合形状不同，所以岛状、链状、架状硅酸盐晶体结构的桥氧数、硅氧比不同。

①岛状硅酸盐晶体结构：

桥氧数：

0，硅氧比1:

4。

②链状硅酸盐晶体结构：

单链：

桥氧数：

1，硅氧比1:

3；双链：

桥氧数：

2.5，硅氧比4:

11。

③架状硅酸盐晶体结构：

桥氧数：

4，硅氧比1:

2。

4.什么叫晶体缺陷？

有哪些类型？

答：

①晶体缺陷：

实际晶体中原子规则排列遭到破坏而偏离理想结构的区域。

②晶体缺陷类型：

点缺陷、线缺陷和面缺陷。

③点缺陷：

晶格位置缺陷（弗兰克尔缺陷、肖特基缺陷）、组成缺陷（间隙型杂质原子、置换型杂杂质原子）和电荷缺陷。

④线缺陷：

刃型位错、螺型位错。

⑤面缺陷：

与晶体结构无关的面缺陷：

晶晶界和相界，与晶体结构有关的面缺陷：

共轭相界、孪晶界、堆垛层错。

5.试说明图像分析法与非图像分析法的异同。

答：

①相同点：

图像分析法与非图像分析法均基于物理方法，其工作原理是以电磁波轰击样品激发产生透射、反射和吸收等特征物理信息，将这些信息加以分析从而确定物相组成和结构特征。

②不同点：

图像分析法是以显微术为主，既可根据图像的特点及有关的性质来分析和研究固体材料的相组成，也可形象地研究其结构特征和形貌特征，测定其各项结构参数，是材料的主要研究手段，其中最有代表性的是光学显微镜分析和电子显微镜分析。

非图像分析法分为衍射法和成分谱分析。

衍射法包括X射线衍射、电子衍射和中子衍射等三种分析方法，主要用来研究材料的结晶相及其晶格常数，其中最有代表性的是粉末X射线衍射分析和单晶X射线衍射分析。

成分谱分析的信息来源于整个样品，是统计性信息，主要测定材料的化学成分。

成分谱种类很多，有光谱，色谱，热谱，质谱，能谱，波谱，核磁共振谱、穆斯堡尔谱等等，其中最有代表性的是差热分析，红外光谱分析，能谱分析，核磁共振分析。

作业3材料的合成与制备

1.名词解释：

熔融法、高温烧结法。

答：

（1）熔融法：

将合成所需材料的原料加热，使其在加热过程和熔融状态下产生各种化学反应，从而达到一定的化学成分和结构。

根据加热温度的高低，分为高温熔融法和低温熔融法。

玻璃熔融、高炉炼铁、转炉炼钢等为高温熔融法。

高分子化合物的本体聚合和熔融聚合为低温熔融法。

（2）高温烧结法：

陶瓷、耐火材料、粉末冶金以及水泥熟料等通常都是要把成型后的坯体（粗制品）或固体粉料在高温条件下进行烧结后，才能得到相应的产品。

2.以石料生产为例说明破碎-筛分流程及所需设备。

答：

（1）石料生产线如下图所示：

（2）破碎-筛分流程：

对原料有粒度要求的原料制备工艺，筛分作业必须与破粉碎作业配合使用，组成破碎－筛分流程，即破碎→筛分→粉碎（磨碎）→筛分→超细粉碎→筛分→符合粒度要求的原料。

（3）所需设备：

①破碎设备：

颚式破碎机等各种破碎机；②粉碎（磨碎）设备：

球磨机等各种磨机；③超细粉碎设备：

气流粉碎磨等各种磨；④筛分设备：

振动筛等各种筛。

3.什么是配料的原则和方法？

答：

（1）配料：

根据不同种类材料的理化性能、尺寸及外形，并考虑有关工艺因素，制定相应的配方，确定材料的原料组成。

（2）配料的原则：

配合料的组成包括按规定比例配合的各种原料的种类、数量（重量或体积）、粒级，因此，配料的原则是：

①原料、制品化学组成可能有波动，试样分析可能有误差，配合料的化学成分必须在满足产品性能要求的同时，比产品要求的指标要稍高些；②工艺过程对粉料结合性或分散性的要求；③原料中的水分和灼减成分。

（3）配料的方法：

即体积法和重量法。

4.简述泥料混练的目的、方法和设备。

答：

（1）泥料混练：

使两种以上不均匀物料的成分和颗粒度均匀化，促进颗粒接触和塑化的操作过程。

（2）泥料混练的目的：

使坯料中的成分和性质均匀，即在单位重量或体积内具有同样的成分和颗粒组成。

（3）泥料混炼的方法：

原料的制备与混合一体化、困料、塑化处理。

（4）泥料混炼的设备：

高速混炼机、真空挤泥机、普通捏合机等。

5.根据材料的成型特性，材料的成型方法分为哪几类？

答：

（1）材料的成型特性：

可流动性和可塑性变形性。

①可流动性：

材料在加热作用下或添加溶剂时表现出来的流动性。

②可塑性变形性：

材料在加热作用下或添加溶剂、增塑剂等助剂时，同时受外力作用下，表现出来的塑性变形行为。

（2）材料成型方法的成型特性分类：

自由流动成型、受力流动成型、受力塑性成型和其他成型。

①自由流动成型：

成型时无外力作用下，将呈流动状态的物料倒入模型型腔，或使其附在模型表面，经改变温度、反应或溶剂挥发等作用，使之固化或凝固，从而形成具有模型形状的产品，最终产品可以是成品，也可以是半成品。

②受力流动成型：

成型时在受力作用下，将呈流动状态的物料注入模型型腔，或使物料通过一定形状的口模，或附在模型表面，经温度变化、反应或溶剂挥发等作用，使物料冷凝、固化，最终形成产品，产品一般无需后续加工即可直接使用。

③受力塑性成型：

在受力条件下，在高温或常温，或塑化条件下，使固态物料产生塑性变形而获得所需尺寸、形状及力学性能的成型方法。

6.简述干燥及干燥过程？

答：

（1）干燥：

使含水物料（如湿坯、原料、泥浆等）中的液体水汽化而排除水分的过程。

（2）干燥过程：

可大致分为四个阶段。

第一阶段为升速干燥阶段，即随着干燥时间的增长，坯体含水量减少，干燥速度升高，坯体的表面层温度也随之升高。

第二阶段为等速干燥阶段，是干燥过程中最主要的阶段。

在此阶段中，水分的蒸发仅发生在坯体表面上，干燥速度等于自由水面的蒸发速度，虽然水分大量排出，但速度恒定。

因此，干燥速度取决于干燥介质（空气）的温度、湿度及运动速度，而与坯体的厚度（或粒度）及最初含水量无关。

第三阶段是降速干燥阶段，随着干燥时间的增长，坯体含水量减少，水分从表面蒸发的速度超过自坯体内部向表面扩散的速度。

因此干燥速度受水分的扩散速度控制，受空气的温度、湿度及运动速度的影响较小。

第四阶段为平衡干燥阶段，即干燥速度逐渐接近于零，最终坯体水分不再减少。

当空气的温度低于100℃时，保留在坯体中的水分称为平衡水分。

这部分水分被固体颗粒牢固地吸附着。

7.以硅酸盐制品为例，简述常压烧结过程。

答：

（1）烧结：

使坯体显气孔率接近于零，达到完全致密程度状态的过程。

（2）硅酸盐制品的常压烧结过程：

①坯体排出水分阶段（10～200℃）：

在该阶段中，主要是排出坯体中残存的自由水和大气吸附水。

水分的排除，使坯体中留下气孔，具有透气性，有利于下一阶段反应的进行。

②分解、氧化阶段（200～1000℃）：

这一阶段发生的物理化学变化依原料种类而异，有排出化学结合水、硅酸盐或硫酸盐分解、有机物的氧化燃烧等。

此外还可能有晶型转变发生或少量低熔液相的开始生成。

此时坯体的重量减轻，气孔率进一步增大，强度亦有较大变化。

③液相形成和晶相合成阶段（>1000℃）：

分解作用将继续进行，随温度升高，液相生成量增加，液相粘度降低，某些新矿物相开始形成，并进行溶解重结晶。

由于液相的扩散、流动、溶解、沉析传质的进行，颗粒在液相表面张力作用下，进一步靠拢而促使坯体致密化，使其强度增大、体积缩小、气孔率降低、烧结急剧进行。

④烧结阶段：

坯体中各种反应趋于完全、充分，液相数量继续增加，结晶相进一步成长而达到致密化，即所谓“烧结”。

⑤冷却阶段：

从最高烧成温度至室温的冷却过程中，主要发生玻璃相的析晶、某些晶相的晶型转变、玻璃相的固化等过程。

在此过程中，坯体的强度、密度、体积依品种不同都有相应的变化。

作业4材料的性能与使用效能

1.简述温度对无机晶体材料热容、热膨胀、热传导、热稳定性的影响？

答：

（1）温度对无机晶体材料热容的影响：

当温度远高于德拜温度时，无机晶体材料的摩尔比热容（或Cv）遵循杜隆-珀替定律，变化很小，是一个与构成固体的物质无关的常量（3R）。

当温度远低于德拜温度时，摩尔比热容（或Cv）将遵循量子规律，而与热力学温度的三次方成正比，即Cv∝T3。

随着温度接近绝对零度而迅速趋近于零。

（2）温度对无机晶体材料热膨胀的影响：

无机晶体材料热膨胀随温度升高而增大。

（3）温度对无机晶体材料热传导的影响：

温度对无机晶体材料热传导的影响见下图。

在低温时，热导率λ与T3成比例。

高温时,λ则迅速降低，在40K附近，出现极大值。

当达到1600K时，由于辐射传热，λ又有所升高。

（4）温度对无机晶体材料热稳定性的影响：

无机晶体材料热稳定性随温度的升高而降低。

2.试说明材料介电性、压电性、热释电性、铁电性的形成机理。

答：

（1）介电性：

材料在电场作用下产生感应电荷的性质。

形成机理：

极化，即介质内质点（原子、分子、离子）正负电荷重心的分离，从而转变成偶极子。

或在外电场作用下，正、负电荷尽管可以逆向移动，但它们并不能挣脱彼此的束缚而形成电流，只能产生微观尺度的相对位移并使其转变成偶极子的过程。

（2）压电性：

某些晶体材料按所施加的机械应力成比例地产生电荷的能力。

形成机理：

由于晶体受机械作用（应力与应变）而引起正负离子相对位移产生偶极子，引起了晶体介质的极化，导致两端表面内出现符号相反的束缚电荷。

（3）热释电性：