二工大材料科学基础答案.docx

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二工大材料科学基础答案

材料科学基础思考题

1.解释下列名词的含义：

晶体:

固态下原子或分子在空间呈有序排列，则称之为晶体

非晶体:

固态下原子或分子在空间呈无序排列，则称之为非晶体

晶格:

用于描述原子在晶体当中排列形式的空间格架（点阵）

晶胞:

反映该晶体结构（点阵）的特点的最小组成单元称为晶胞

晶格常数:

晶胞的几何特征可以用晶胞的三条棱边长a、b、c和三条棱边之间的夹角α、β、γ等六个参数来描述。

称为点阵常数（晶格常数）

致密度:

晶胞中包含的原子所占有的体积与该晶胞体积之比称为致密度（也称密排系数）。

晶面指数:

实际表示一组原子排列相同的平行晶面。

晶向指数:

实际表示一组原子排列相同的平行晶向。

晶体的各向异性:

在晶体中,不同晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同,它们之间的结合力的大小也不相同,因而金属晶体不同方向上的性能不同。

这种性质叫做晶体的各向异性。

点缺陷:

是指在三维尺度上都很小的,不超过几个原子直径的缺陷。

线缺陷:

指两维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷。

面缺陷:

是指二维尺度很大而第三维尺度很小的缺陷

亚晶粒:

在多晶体的每一个小晶粒内，晶格位向也并非完全一致，而是存在着许多尺寸很小，位向差很小的小晶块，它们相互镶嵌形成晶粒，称为亚晶粒

亚晶界:

亚晶粒之间的边界叫亚晶界。

亚晶界是位错规则排列的结构,可以把它看成是一种位错线的堆积或称位错壁;亚晶界是晶粒内的一种面缺陷

位错:

由晶体中原子平面的错动引起的缺陷。

单晶体：

一块晶体中，其内部的晶格位向完全一致时称这块晶体为多晶体（由多晶粒组成的晶体结构）；

固溶体:

合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、且结构与组元之一相同的固相称为固溶体

金属间化合物:

在化合物中，有些具有相当程度的金属键及一定程度的金属性质，是一种金属化合物，称为金属间化合物；

固溶强化:

通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化

结合键:

是指由原子结合成分子,是指由原子结合成分子或固体的方式和结合力的大小

密排面:

在体心立方晶格中，原子密度最大的晶面为{110},称为密排面;       

2.金属键、离子键、共价键及分子键结合的材料其性能有何特点。

答：

离子键的结合力很大，因此离子晶体的硬度高，强度大，热膨胀系数小，但脆性大;共价键的结合力很大，所以共价晶体强度高，硬度高，脆性大，熔点高，沸点高和挥发性低。

不导电、导热性有好有差;金属键无所谓饱和性和方向性;分子键在它们的结合过程中没有电子的得失、共有或公有化，价电子的分布几乎不变,很弱，因此由分子键结合的固体材料熔点低、硬度也很低，因无自由电子，因此材料有良好的绝缘性。

3.常见的金属晶体结构有哪几种?

它们的原子排列和晶格常数有什么特点?

答：

体心立方晶格：

八个原子处于立方体的角上,一个原子处于立方体的中心,角上八个原子与中心原子紧靠，晶格常数：

a=b=c,α=β=γ=90；面心立方晶格：

金属原子分布在立方体的八个角上和六个面的中心。

面中心的原子与该面四个角上的原子紧靠。

晶格常数：

a=b=c,α=β=γ=90；密排六方晶格：

十二个金属原子分布在六方体的十二个角上,在上下底面的中心各分布一个原子,上下底面之间均匀分布三个原子，晶格常数：

用底面正六边形的边长a和两底面之间的距离c来表达,两相邻侧面之间的夹角为120°,侧面与底面之间的夹角为90°。

4.标出图中影线所示晶面的晶面指数及a、b、c三晶向的晶向指数。

（19p）

在立方晶格中，如果晶面指数和晶向指数的数值相同时，那么该晶面和晶向间存在着什么关系?

答：

在立方晶系中,一个晶面指数与一个晶向指数数值和符号相同时,则该晶面与该晶向互相垂直

5.画出立方晶格中（110）晶面与（111）晶面。

并画出在晶格中和（111）晶面上原子排列情况完全相同而空间位向不同的几个晶面。

6.为什么单晶体具有各向异性?

而多晶体在一般情况下不显示各向异性?

金属晶体具有各向异性

在晶体中,不同晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同,它们之间的结合力的大小也不相同,因而金属晶体不同方向上的性能不同。

这种性质叫做晶体的各向异性。

非晶体在各个方向上性能完全相同,这种性质叫非晶体的各向同性。

但是对于实际使用的金属,由于其内部有许许多多个晶粒组成,每个晶粒在空间分布的位向不同,因而在宏观上沿各个方向上的性能趋于相同,晶体的各向异性就显示不出来了。

7、指出体心立方、面心立方、密排六方三种晶体结构的晶格常数、晶胞原子数、原子半径与晶格常数a之间的关系、致密度、空隙类型、配位数。

答：

体心立方晶格：

晶格常数：

a=b=c,α=β=γ=90；8×1/8+1=2（个）；晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半,或晶胞中原子密度最大的方向上相邻两原子之间距离的一半称为原子半径（r原子）；

；

四面体空隙和八面体空隙；体心立方晶格的配位数为8。

面心立方晶胞：

晶格常数：

a=b=c,α=β=γ=90；8*1/8+1/2*6=4；原子半径：

；致密度：

0.74（74%）；四面体空隙和八面体空隙；⑥配位数：

12=3*4。

密排六方晶胞：

晶格常数：

用底面正六边形的边长a和两底面之间的距离c来表达,两相邻侧面之间的夹角为120°,侧面与底面之间的夹角为90°。

  晶胞原子数 1/6*12+1/2*2+3=6;原子半径r=1/2a;致密度：

0.74（74%）;四面体空隙和八面体空隙;配位数：

12

8、分别指出体心立方晶格、面心立方晶格的密排面和密排方向。

在体心立方晶格中，原子密度最大的晶面为{110},原子密度最大的晶向为<111>,称为密排方向.在面心立方晶格中,密排面为{111},密排方向为<110>。

10.实际金属晶体中存在那些晶体缺陷，对性能有什么影响。

答：

点缺陷：

空位、间隙原子、异类原子，作用：

点缺陷周围引起弹性畸变，产生应力场；使金属的电阻率、屈服强度增加,密度发生变化;对固体中的扩散及与扩散有关的过程（如回复与再结晶、相变及化学热处理等）起重要作用；

线缺陷:

产生刃型位错、螺型位错、混合位错三种错位，位错能够在金属的结晶、塑性变形和相变等过程中形成。

位错的存在极大地影响金属的机械性能，增加或降低位错密度，都能有效地提高金属强度，理想晶体的强度很高，位错的存在可降低强度，当位错大量产生后，强度又提高

面缺陷：

晶界和亚晶界均可提高金属的强度。

晶界越多,晶粒越细,金属的塑性变形能力越大,塑性越好

11.简述固溶体和金属间化合物在晶体结构方面的区别。

答：

固溶体晶体结构与组成它的溶剂相同，而金属间化合物的晶体结构与组成它的组元都不同，通常较复杂

12.固溶体可分为几种类型?

形成固溶对合金有何影响?

答：

按溶质原子在溶剂晶格中的位置,固溶体可分为置换固溶体与间隙固溶体两种；按溶质原子在溶剂中的溶解度，固溶体可分为有限固溶体和无限固溶体两种；按溶质原子在固溶体中分布是否有规律，固溶体分无序固溶体和有序固溶体两种。

影响：

在合金中，当溶质含量超过固溶体的溶解度时，将出现新相；若新相的晶格结构与合金中另一组成元素相同，则新相是以另一组成元素为溶剂的固溶体；若新相的晶格结构不同于任一组成元素，则新相将是组成元素相互作用而生成的一种新物质，属于化合物或中间相。

13.金属间化合物有几种类型?

它们在钢中起什么作用?

答：

正常价化合物 起着强化相的作用；电子化合物 它们的熔点和硬度较高，塑性较差，与其它金属化合物一样，电子化合物不适于作合金的基体，但确是合金（特别是有色金属）中重要的强化相，与固溶体适当配合，可使合金获得良好的机械性能；间隙化合物中间隙相具有金属特性，有极高的熔点和硬度,非常稳定。

它们的合理存在，可有效地提高钢的强度它们的合理存在，可有效地提高钢的强度、热强性、红硬性和耐磨性，是高合金钢和硬质合金中的重要组成相。

陶瓷材料部分

1.何谓陶瓷?

陶瓷的组织由哪些相组成?

它们对陶瓷性能各有何影响?

答：

陶瓷材料是指除金属和高聚物以外的无机非金属材料通称。

它是用天然硅酸盐（粘土、长石、石英等）或人工合成化合物（氮化物、氧化物、碳化物、硅化物、硼化物、氟化物）为原料，经粉碎、配置、成型和高温烧结而成的无机非金属材料。

陶瓷材料的组织由1、晶体相2、、玻璃相和3、气相组成

晶体相是陶瓷材料中主要的组成相，由其结构、数量、形态、和分布决定陶瓷材料的主要性能和应用。

玻璃相玻璃转变温度Tg，低于此温度时，物质表现出明显的脆性。

气相是陶瓷内部残留的孔洞；成因复杂，影响因素多。

气孔对陶瓷的性能不利

2.陶瓷材料的主要结合键是什么?

从结合键角度分析陶瓷材料的性能特点？

答：

主要由金属元素和非金属通过离子键或兼有离子键和共价键的方式结合起来。

由于离子键及共价键很强，故陶瓷的抗压强度很高，硬度极高。

因为原子以离子键和共价键结合时，外层电子处于稳定的结构状态，不能自由运动，故陶瓷材料的熔点很高，抗氧化性好，耐高温，化学稳定性高。

3．陶瓷材料的晶体相有哪几种常见主要结构？

举例说明？

答：

AX型陶瓷晶体

（1）CsCl型

（2）NaCl型（3）ZnS闪锌矿型结构（4）纤维锌矿型结构

AmXp型陶瓷晶体

（1）萤石（CaF2）型结构与逆萤石型结构

（2）刚玉（Al2O3）结构

尖晶石型结构（AB2O4）正常尖晶石型结构、反尖晶石型结构

钙钛矿型结构

4．硅酸盐化合物有那几种基本类型？

答：

按照连接方式划分，硅酸盐化合物可以分为以下几种类型：

①孤立状硅酸盐②复合状硅酸盐　③环状或链状硅酸盐④层状硅酸盐⑤立体网络状硅酸盐

5、陶瓷材料的主要成分？

陶瓷材料的主要成分是氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等。

6、陶瓷材料的分类？

答：

1、按化学成分分类可将陶瓷材料分为氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷及其它化合物陶瓷。

2、按使用的原材料分类可将陶瓷材料分为普通陶瓷和特种陶瓷

3、按性能和用途分类可将陶瓷材料分为结构陶瓷和功能陶瓷两类。

4、通常按组织形态，陶瓷材料可分为三大类：

无机玻璃、微晶玻璃、陶瓷

7、简述工程陶瓷的生产过程？

答：

工程陶瓷的制造工艺：

原料制备、坯料成形和制品烧成或烧结。

①原料制备 将矿物原料经拣选、粉粹后配料、混合、磨细等得到坯料。

原料经过坯料制备后，依成型工艺的要求，可以是粉料、浆料或可塑泥团。

②坯料成型 将坯料加工成一定形状和尺寸并有必要机械强度和致密度的半成品。

成型方法主要有可塑法（如传统陶瓷），注浆法（如形状复杂、精度要求高的普通陶瓷）和压制法（如特种陶瓷和金属陶瓷）

一系列

③烧结干燥后的坯料加热到高温，进行一系列的物理、化学变化而成瓷的过程。

8.简述常用工程结构陶瓷的种类、性能特点及应用？

答：

（一）普通陶瓷

性能特点：

这类陶瓷质地坚硬，不会氧化生锈、不导电，能耐寒1200OC高温，加工成型性好，成本低廉，产量大。

缺点是因含有较多的玻璃相，固强度较低，且在高温下玻璃相易软化，所以其耐高温性及绝缘性不如特种陶瓷。

应用：

除日用陶瓷、瓷器外，大量用于电器、化工、建筑、纺织等工业部门。

用来制作低于200OC的耐蚀器皿和容器、反应塔管道、供电系统的绝缘子、纺织机械中的导沙零件等

（二）新型结构陶瓷

1、氧化铝陶瓷

性能特点：

耐高温性能好，可使用到1950℃,。

具有良好的电绝缘性能及耐磨性。

微晶刚玉的硬度极高（仅次于金刚石）.

应用：

氧化铝陶瓷被广泛用作耐火材料，如耐火砖、坩埚、热偶套管，淬火钢的切削刀具、金属拔丝模，内燃机的火花塞，火箭、导弹的导流罩及轴承等。

⑵氮化硅（Si3N4）陶瓷（以Si3N4为主要成分的陶瓷）

性能特点：

氮化硅的强度高；硬度仅次于金刚石、碳化硼等；摩擦系数仅为0.1~0.2；有自润滑作用、热膨胀系数小；抗热震性大大高于其他陶瓷材料；化学稳定性高。

应用：

热压烧结氮化硅用于形状简单、精度要求不高的零件，如切削刀具、高温轴承等。

反应烧结氮化硅用于形状复杂、尺寸精度要求高的零件，如机械密封环等

⑶碳化硅（SiC）陶瓷

性能特点：

碳化硅的最大特点是高温强度高，有很好的耐磨损、耐腐蚀、抗蠕变性能，其热传导能力很强，仅次于氧化铍陶瓷。

应用：

碳化硅陶瓷用于制造火箭喷嘴、浇注金属的喉管、热电偶套管、炉管、燃气轮机叶片及轴承，泵的密封圈、拉丝成型模具等。

⑷氧化锆陶瓷

性能特点：

完全稳定氧化锆（FSZ），其力学性能低，抗热冲击性差。

部分稳定氧化锆的导热率低，绝热性好；热膨胀系数大，接近于发动机中使用的金属，抗弯强度与断裂韧性高，除在常温下使用外，已成为绝热柴油机的主要侯选材料，

应用：

发动机汽缸内衬、推杆、活塞帽、阀座、凸轮、轴承等。

柱塞、油泵、球阀、拉线轮。

高分子材料部分

1、区分下列概念：

单体:

合成高聚物所用的小分子原材料

自由基:

如果化合物的共价键发生均裂，即一对电子中的两个电子分属于两个基团，形成两个带有独电子的基团。

重复结构单元（p57）:

加聚反应物中方括弧中的化学式表示高分子链中的重复结构单元

加聚反应（p57）：

单体通过双键的加成反应而聚合起来的反应

缩聚反应（p60）：

单体通过它们官能团之间的一系列缩合反应而聚合起来的反应

偶合：

通过两个自由基端部的独电子相互结合成共价键，形成稳定的大分子

歧化：

是指一个链自由基夺取另一个自由基上的氢原子而相互终止

链转移（p59）：

失去原子的分子变为自由基后又继续进行链增长反应的过程

高分子的分类（P62）：

1）碳链高分子2）杂链高分子3）元素有机高分子4）芳杂环高分子

构型：

分子中由化学键所固定的原子在空间的几何排列

如何才能改变聚合物分子的构型（p71）：

必须经过化学键的断裂与重组

线形、支化和交联网状高分子（p69）（p70）：

许多天然合成高分子都是结构单元在一维方向上连接起来的线形长链高分子，这种长链常常因其具有柔性而在空间呈卷曲状态，这种高聚物是线性高分子。

支化高分子有无规支化与有规支化之分。

无规支化有长支链与短支链之分，有规支化有星形与梳形之分。

交联高分子的三维网状结构可以在聚合过程中直接形成，也可以先合成线形高分子，然后通过适当的途径再使它们彼此以化学键联系起来而形成。

热塑性高聚物：

可以反复多次通过加热与冷却进行加工成型的线形高聚物和支化高聚物

热固性高聚物（p71）：

加热时不能熔融流动，温度过高则发生分解的交联高聚物

全同立构：

高分子链全部由同一种旋光异构单元健接而成

间同立构：

高分子链由两种旋光异构单元交替健接而成

无规立构（p72）:

高分子链由两种旋光异构单元无规地健接而成

2、SBS热塑弹体为什么可以象热塑性塑料那样反复加工成型？

（p74）

SBS热塑弹体是一种两相体系，

3、指出二元共聚物的四种典型连结构？

（p73）

4、高分子因构型不同而形成的异构体有哪两种？

（p71）

5、从分子链结构和聚集态结构说明高密度聚乙烯与低密度聚乙烯密度不同的原因？

（p70）

6．聚合物的分子量有什么特点？

如何表示聚合物分子量的大小？

（p75）

7、高聚物的内聚能密度为什么只能用间接的办法来估算？

（p68）

8、指出合成高聚物的三大基本材料？

及它们的内聚能密度的大致范围？

（p68）

9、高分子的远程结构的内容包括（旋光异构体）、（几何异构体）。

（p75）

10如何描述高分子的相对分子质量的分布？

（p75）

11从结构上看，是什么原因使得高分子有柔顺性？

（P76）

12指出高分子链的柔性与结构之间的关系：

（P78）

13高聚物的聚集态包括（晶态）（液态）（液晶态）（玻璃态）。

（p80）

14高分子的聚集态结构指的是什么？

（PPT99）

答:

高分子的聚集态结构指的是高聚物材料本体内部高分子链之间的几何排列。

15指出高聚物的结晶能力与结构的关系？

（PPT104）

答：

高分子能否结晶的前提条件是其结构要满足结晶要求，然后在适当的外界条件下，才能够得到高分子晶体。

结晶高聚物中晶区与非晶区是共存的，不同结构的高分子结晶能力有很大区别。

造成这种区别的根本原因：

高分子自身的化学结构；高分子的链结构是否能使之顺利地排入晶体并作规整的堆砌。

16结晶高聚物中晶区与（非晶区）是共存的

17在合成高聚物的晶体中，高分子链通常采用（比较伸展）的构象。

18没有取代基或取代基较小的高分子链都采取（平面锯齿）形构象。

具有较大的取代基的高分子，都采用（螺旋）构象。

不管是取那种构象，高分子链在结晶中作规整密堆积时，都只能采取使其主链的中心轴（互相平行）的方式排列。

19由于结晶条件不同，结晶性高聚物可以形成形态不同的宏观或亚微观晶体，它们是（单晶、球晶、枝晶、伸直链晶体、纤维状晶体、串晶和柱晶）。

20高聚物单晶体是从（极稀）的高聚物溶液中（缓慢）结晶（常压）获得。

单晶是（有规则几何外形的薄片状）状晶体。

21当溶液浓度在0.01～0.1％的范围内时，可得到（枝）状晶体，该实际上是许多单晶片聚集起来的（枝状多晶体）。

在常压下从高聚物浓溶液或熔体中冷却结晶时，倾向生成（球）晶，这是聚合物结晶中最常见的形式，它是有许多径向发射的（长条扭曲晶片）组成的多晶体。

高聚物在高温高压下结晶，有可能获得由（完全伸直）的高分子链平行规整排列的（伸直链）晶片。

22结晶高聚物在一般应力下获得的是既有（伸直链）晶片又有（折叠链）晶片的（串）晶。

是高聚物溶液在边搅拌边结晶时形成的。

23柱晶结构是高聚物熔体在应力作用下冷却结晶时形成的。

柱晶实际上是（扁平状球晶）的堆砌，中心贯穿着（纤维状）晶体。

注射成型塑料制品的表面层中，常可以观察到这种结构。

24一个具有结晶能力的聚合物的结晶敏感温度区域一般处于其（玻璃化转变温度）和（熔点）之间。

25玻璃化转变温度是指（非晶态高聚物或部分结晶高聚物中的非晶区实现玻璃态到高弹态转变的温度）；高分子的结晶过程包括（晶核形成）（晶体生长）。

影响结晶过程因素有（温度）、（应力）、（杂质）。

26简述晶核形成速率、晶体生长速率和结晶总速率与温度的关系？

P86

27简述应力对高聚物结晶形态和结晶速度影响？

P87

28简述杂质对高聚物结晶过程影响？

P87

29在外场作用下，（高分子链）沿外场方向作某种方式或某种程度的（择优排列）称为取向。

非晶高聚物有两种取向单元，它们是（链段）、（高分子链）。

30非晶态高聚物的取向是热力

学不稳定的，外力除去后，分子热运动使分子趋向于无序化，即有序排列遭到破坏，称为（解取向）过程；部分结晶高聚物在外场作用下取向时除了有非晶相的链段或分子链取向外，还有（晶片）的取向。

部分结晶高聚物在外场作用下取向时，（晶相）的取向在热力学上是稳定的。

取向结果是（在晶体破坏之前不可能解取向）。

取向方式有（单轴取向）、（双轴取向）。

31指出液晶的主要特征？

液晶是介于晶态和液态之间的一种热力学稳定的相态，它既具有晶态的各向异性，又具有液态的流动性。

32能够形成液晶的物质通常在分子结构中具有刚性部分，该刚性部分称为（致晶单元）。

33在致晶单元的端部通常还有一个（柔软）、（易弯曲）的基团R，对形成的液晶具有一定（稳定）作用，因此也是构成液晶分子不可缺少的结构因素。

34根据分子排列的形式和有序性的不同，液晶有（近晶型）、（向列型）、（胆甾型）三种结构类型，至今为止大部分高分子液晶属于（向列型）液晶。

35高分子液晶的结构比较复杂，因此分类方法很多，常见的可归纳如下：

按液晶的形成条件，可分为（溶致）液晶、（热致）液晶、（压致型）液晶、（流致型）液晶等等。

按致晶单元与高分子的连接方式，可分为（主链）型液晶和（侧链）型液晶。

按形成高分子液晶的单体结构，可分为（两亲）型和（非两亲）型两类。

36薄层样品在线偏振光显微镜下观察到的形貌叫做（光学织构）。

向列型高分子液晶薄层样品的光学织构多呈（纹影织构）。

37光学织构实际上揭示了液晶中分子取向排列的缺陷。

这种缺陷称为（向错）。

向错密度越大，纹影织构中的黑刷子（越小）。

38为什么溶致液晶高分子溶液在C1*--C2*浓度范围内，粘度“反常地”随浓度增加而下降？

P93

39在热塑性工程塑料中，向列型热致高分子液晶因具有优良的力学性能和出色的耐热性阻燃性及优良的流动性被誉为（超级工程塑料），仅就其出色的流动性而言，已成为改善许多工程塑料加工流动性的优良（加工助剂）。

40指出高聚物混合体系的类型？

1）高分子-增塑剂体系

2）高分子-填充剂体系

3）高分子-高分子体系

41在非均相体系中，一般有（连续）相和（分散）相之分，相与相之间有界面。

分散相的大小、形状及两相之间的交织状态就是所谓的（织态）结构。

42共混高聚物按其连续相和分散相的软硬程度可分为哪几类？

1）分散相软连续相硬，例如橡胶增韧塑料

2）分散相硬连续相软，例如热塑弹体

3）分散相和连续相均软，例如天然橡胶与合成橡胶的共混物

4）分散相和连续相均硬，例如聚乙烯与聚碳酸酯的共混物