材料概论练习题答案-1

绪论 1 什么是材料 答 材料是由一定配比的若干相互作用的元素组成 具有一定结构层次和确定性能 并能 用于制造物品 器件 构件 机器或其他产品的物质 2 人类文明历史与材料发展的关系 答 材料是人类文明的里程碑 材料是人类赖以生存和发展的重要物质基础 人类的历史曾 以使用的主要材料来加以划分 3 材料按组成 结构特点可分为哪几类 无机非金属材料 水泥 陶瓷 玻璃 耐火材料 金属材料 黑色 有色 特殊金属材料 高分子材料 塑料 橡胶 纤维 涂料 粘合剂 复合材料 金属基 陶瓷基 树脂基 碳 碳材料 4 材料科学与工程的概念 答 材料科学与工程是关于材料成分 结构 工艺和它们性能与应用之间有关知识开发和 应用的科学 它是一个多学科的交叉领域 是从科学到工程的一个专业连续领域 同时材 料科学与工程学科以数学 力学及物理 化学自然科学为基础 以工程学科为服务和支撑 对象 是一个理工结合 多学科交叉的新兴学科 其研究领域涉及自然科学 应用科学和 工程学 5 日本专家岛村昭治将材料的发展历史划分为哪五代 答 旧石器时代 新石器时代 青铜器时代 铁器时代 高分子材料与硅材料时代 第二章 MSE 的四个基本要素 1 材料科学与工程的四个要素是什么 答 组成 结构 合成与加工 性质 使用性能 2 什么是材料的化学组成 相的概念 材料相的组成 答 材料的化学组成 组成材料最基本 独立的物质 可为纯元素或稳定的化合物 以及 其种类和数量 相 材料中具有同一化学成分并且结构相同的均匀部分称为相 组成材料 的相的种类 和数量称为相组成 3 什么是材料的结构 答 材料的结构是指材料的组元及其排列和运动方式 包含形貌 化学成分 相组成 晶 体结构和缺陷等内涵 材料的结构决定材料的性能 4 材料的合成的概念 材料加工的概念 答 合成 常常是指原子和分子组合在一起制造新材料所采用的物理和化学方法 合成是 在固体中发现新的化学现象和物理现象的主要源泉 加工 这里所指的是成型加工 除了上述为生产出有用材料对原子和分子控制外 还包括 在较大尺度上的改变 有时也包括材料制造等工程方面的问题 合成与加工是指建立原子 分子和分子聚集体的新排列 在从原子尺度到宏观尺度的所有 尺度上对结构进行控制以及高效而有竞争力地制造材料和零件的演变过程 5 材料的性能 材料的功能以及材料使用性能的含义 答 材料的性能 合成与加工是指建立原子 分子和分子聚集体的新排列 在从原子尺度 到宏观尺度的所有尺度上对结构进行控制以及高效而有竞争力地制造材料和零件的演变过 程 材料的功能 指物质 材料 对应于某种输入信号时 所产生的质或量的变化 或其 中某些变化会产生一定的输出 即能产生另一种效应 如压电效应 热电效应等 材料使 用性能 是材料在使用条件下应用性能的度量 通常指材料在最终使用状态时的行为 是 材料固有性质与产品设计 工程能力和人类需要相融合在一起的一个要素 必须以使用性 能为基础进行设计才能得到最佳的方案 6 材料科学与工程四个要素之间的关系 答 材料的性质取决于其内部结构 只有改变了材料的内部结构才能达到改变和控制材料 性能的目的 而材料的合成和加工工艺常常对材料的结构起决定性作用 逻辑上的因果关系 合成与加工产生结构与成分 结构与成分具备材料性质 材料性质提 供使用性能 本章补充 合成是新技术开发和现有技术改进的关键性要素现代材料合成技术是人造材料 的唯一实现途径 无论是为制造某种产品选择合适材料 选择最佳的加工工艺 正确地使 用材料 还是改善现有材料或者研制新材料 都需要我们具有材料内部结构与性能的知识 都需要材料科学的理论指导 特别是新型材料 其主要特点是以科学为基础 与新技术 新工艺的发展有相互依存 相互促进的关系 论述题 论述题 2 2 题共题共 3030 分 每题分 每题 1515 分 分 1 加工与合成的定义和主要内容是什么 以及它们的关系是什么 发展方向是什么 答 合成 与 加工 是指建立原子 分子和分子团的新排列 在所有尺度上 从原子 尺寸到宏观尺度 对结构的控制 以及高效而有竞争力地制造材料与元件的演化过程 合成是指把各种原子或分子结合起来制成材料所采用的各种化学方法和物理方向 2 加工可以同样的方式使用 还可以指较大尺度上的改变 包括材料制造 提高材料合 成与加工的技术水平是我们的最重要的课题 材料科学与工程的四要素是什么 它们 之间的关系如何 a 使用性能 b 材料的性质 c 结构与成分 d 合成与加工 第三章 金属材料 1 区分几个重要概念 金属材料 合金 固溶体 金属间化合物 强度 韧性 塑性 答 金属材料 Metallic Materials 纯金属和以纯金属为基体的合金材料的总称 合金 Alloy 由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素构成 固溶体 Solid solution 合金组元间以不同比例相互混合形成的具有与某一组元相同晶体结构的合金 置换固溶体和间隙固溶体 金属间化合物 Intermetallics 合金组元相互作用形成的 具有自己独特的晶体结构和性质的新相 强度 Strength 材料在载荷作用 下抵抗塑性变形或破坏的最大能力 屈服强度和抗拉强度 韧性 Ductility 材料从塑 性变形到断裂全过程中吸收能量的能力 塑性 Plasticity 外力作用下 材料发生不可 逆的永久性变形而不破坏的能力 2 金属材料的主要特点和类型 答 常温下是固体 熔点较高 密度较大 有光泽 延展性 韧性 可加工性好 导热性 导电性好 易氧化 类型 黑色金属 有色金属 特殊金属 3 炼铁 炼钢的主要原料 工艺及其作用 答 炼铁 铁矿石 石灰石 焦炭 锰铁矿 炼钢 生铁 焦炭 工艺及作用 书上 P167 4 钢中合金元素的存在形式及其作用 答 1 溶入固溶体 铁素体 奥氏体 固溶强化 2 溶入奥氏体 提高淬透性 形成更 多马氏体 提高强度 3 形成稳定碳化物 加热时阻碍晶粒长大 细化晶粒 4 形成稳 定碳化物 具有高硬度 提高耐磨性 5 形成稳定碳化物 弥散分布 弥散强化 6 扩 散慢 推迟回火转变 提高回火稳定性 在某些高合金钢中产生二次硬化 1 合金元素与铁的作用 溶于铁形成固溶体 影响铁的同素异晶转变 固溶强化 使钢的室温强度提高 2 合金元素与碳的作用 非碳化物形成元素 Ni Co Cu Si Al N B 碳化物形成元素 Mn Cr Mo W V Nb Zr Ti 合金渗碳体 合金碳化物 第四章 无机非金属材料 1 1 无机非金属材料主要包括哪些材料 它们有哪些主要特征 答 陶瓷 玻璃 水泥 耐火材料 特征 熔点高 硬度高 强度高 耐高温 耐腐蚀 耐磨损 耐氧化 绝缘性好 脆性大 弹性模量大 化学稳定性好 一般为脆性材料 2 陶瓷由哪些相组成 各相对陶瓷材料性能有何影响 答 晶体相 陶瓷材料最主要的组成相其结构 形态 数量及分布决定了陶瓷材料的特性 玻璃相 玻璃相是陶瓷材料中原子不规则排列的组成部分 其结构类似于玻璃 积极作用 填充晶体之间的空隙 提高材料的致密度 降低烧成温度 阻止晶型转变 抑止晶粒长大 不利影响 陶瓷强度 介电常数 耐热性能 气相 坯体各成分在加热过程中发生物理 化学作用所生成的空隙 不利影响 降低材料的强度 是造成裂纹的根源 陶瓷定义 以粘土 长石 石英为主要原料 经过粉碎 混炼 成型 锻烧等制作的产 品 广义陶瓷 用陶瓷生产方法制造的无机非金属固体材料和产品的通称 3 简述特种陶瓷的定义 特种陶瓷与普通陶瓷有何区别 答 定义 采用高度精选的原料 具有能精确控制的化学组成 按照便于进行结构设计及 控制制造的方法进行制造 加工的 具有特殊性能的陶瓷 与普通陶瓷的区别 原料上 纯度较高的氧化物 氮化物 碳化物 硼化物 硅化物等 材料组成精确调配 制备上 突破了炉窑的界限 广泛采用真空烧结 保护气氛烧结 热 压 热等静压等手段 性质上 特殊力学 物理和化学性能 第四章 无机非金属材料 2 8 硅酸盐水泥熟料的主要矿物组成 答 硅酸三钙 3CaO SiO2 C3S 硅酸二钙 2CaO SiO2 C2S 铝酸三钙 3CaO Al2O3 C3A 铁铝酸四钙 4CaO Al2O3 Fe2O3 C4AF 9 简述玻璃的定义及其具有哪些特性 答 熔融体过冷制得的具有固体性质和一定结构特征的非晶态物质 特性 各向同性 介 稳性 固态和熔融态间转化的渐变性和可逆性 性质随成分变化的连续性和渐变性 10 按组成分类 玻璃是如何命名的 按应用分类 玻璃的主要种类及用途有哪些 答 应用分 普通玻璃和特种玻璃 用途 日用玻璃 建筑玻璃 光学玻璃 玻璃纤维 普通玻璃 辐射玻璃 激光玻璃 光纤玻璃 非线性光学玻璃 特种玻璃 11 简要介绍玻璃的生成工艺流程 答 原料配制 熔制 成型 压制成型 吹制成型 拉制成型 延展成型 浇注成型 离 心成型 烧结成型 喷吹成型 浮法成型 退火 12 玻璃生产过程中退火起什么作用 答 将玻璃加热至一定温度进行热处理并采取适宜的冷却工艺制度 从而消除或减少玻璃 在生产过程中因激烈 不均匀的温度变化而产生的热应力 第五章 高分子材料 1 区分几个重要概念 高分子 单体 玻璃钢 合成纤维 无机高分子 加聚反应 缩聚 反应 答 高分子 有结构单元通过共价键的形式通过聚合反应重复连接而成的链状化合物 高 分子也称聚合物或是高聚物 英文都是 polymer 单体 通过聚合反应能制备高分子化合 物的物质称做单体 玻璃钢 以玻璃纤维或其制品作增强材料的增强塑料 称谓为玻璃纤 维增强塑料 或称谓玻璃钢 合成纤维 以简单化合物为原料 通过聚合或缩聚反应制成成 纤高分子物 再通过纺丝和后处理加工制成纤维 加聚反应 由不饱和低分子化合物相互 加成或由环状化合物开环连接成大分子的反应 缩聚反应 由具有两个以上官能团的低分 子化合物聚合成高分子化合物 同时析出某些小分子物质 如水 氨 醇 氯化氢等 的反 应 2 高分子及高分子材料的主要特点 答 分子量多分散性 只有一定的范围 是分子量不等的同系物的混合物 分子量很大 104 107 甚至更大 没有固定熔点 只有一段宽的温度范围 没有沸点和固定的熔点 分子间力很大 加热到 200oC 300oC 以上 材料破坏 降解或交 联 链式结构 柔性分子链大部分高分子的主链具有一定的内旋转自由度 由于这一突出特点 聚合物显示出了特有的性能 表现为 三高一低一消失 既是 高分子量 高弹性 高黏度 结晶度低 无气态 因此这些特点也赋予了高分子材料 如复合材料 橡胶等 高强度 高韧性 高弹性等 特点 3 丁苯橡胶制备中进行硫化与增强的主要目的 方法及其作用 答 目的 制品强度很低 弹性小 遇冷变硬 遇热变软 遇溶剂溶解等 无使用价值 通过硫化才能获得必需的使用性能 方法 加入惰性填料 增强填料等 作用 使线型橡 胶分子交联形成立体网状结构 4 玻璃钢的基体与增强体 玻璃钢的特点及其作用 答 基体 树脂 增强体 玻璃纤维 特点及其作用 1 轻质高强 在航空 火箭 宇宙飞行器 高压容器以及在其他需要减轻自重的制品应用中 都具 有卓越成效 2 耐腐蚀性能好 FRP 是良好的耐腐材料 对大气 水和一般浓度的酸 碱 盐以及多种油类和溶剂都 有较好的抵抗能力 已应用到化工防腐的各个方面 正在取代碳钢 不锈钢 木材 有色 金属等 3 电性能好 是优良的绝缘材料 用来制造绝缘体 高频下仍能保护良好介电性 微波透过性良好 已广泛用于雷达天线罩 4 热性能良好 FRP 热导率低 室温下为 1 25 1 67kJ m h K 只有金属的 1 100 1 1000 是优 良的绝热材料 在瞬时超高温情况下 是理想的热防护和耐烧蚀材料 能保护宇宙飞行器 在 2000 以上承受高速气流的冲刷 5 可设计性好 可以根据需要 灵活地设计出各种结构产品 来满足使用要求 可以使产品有很好的整 体性 可以充分选择材料来满足产品的性能 如 可以设计出耐腐的 耐瞬时高温的 产品某 方向上有特别高强度的 介电性好的 等等 6 工艺性优良 可以根据产品的形状 技术要求 用途及数量来灵活地选择成型工艺 工艺简单 可以一次成型 经济效果突出 尤其对形状复杂 不易成型的数量少的产品 更突出它的工艺优越性 5 成纤高分子应该具备的条件 合成纤维的主要制备方法及合成纤维的优缺点 答 条件 具备一定的分子量 分子结构 线形或支化度很低 超分子结构具有取向并部 分结晶 具有一定的耐热性 机械物理性能 化学稳定性以及一定的染色性 制备方法 湿法纺丝 干法纺丝 熔融法纺丝 优缺点 优点 强度高 弹性好 耐穿耐用 光泽 好 化学稳定性强 耐霉腐 耐虫蛀 缺点 吸湿性差 耐热性差 导电性差 防污性差 易起毛起球 不易染色 腊状手感 6 合成高分子的制备方法与主要合成工艺 答 由小分子化合物单体制备聚合物的反应主要分为三类 它们 是缩合反应 加成反应和开环聚合 另一类是由一种聚合物经过适当的高分子反应也可转 化为另一种高分子化合物 合成工艺 石油 天然气 煤炭等裂解成单体 单体聚合 成高分子聚合物 高分子聚合物加工成高分子材料 本章补充 了解高分子发展史 高分子材料的分类 塑料 橡胶 纤维 称为三大合成材 料 了解橡胶 丁苯橡胶 塑料 纤维等 了解聚乙烯 PE 合成纤维 高分子 物理 性能 热行为 力学状态 结晶 几种典型的高分子材料 聚乙烯 聚氯乙稀 聚苯乙烯 氟塑料 合成纤维 第六章 复合材料 1 什么是复合材料 为什么主要成分为碳酸钙的贝壳强度要比同样组成为碳酸钙的粉笔要 高很多 答 定义 由两种或两种以上物理和化学性能不同的物质组合而成的一种多相固体材料 ISO 定义 因为贝壳是由碳酸钙与基质胶原复合而成的 使贝壳的强度提升了 2 复合材料的基体和增强体在材料中分别起什么作用 答 1 增强纤维因直径较小 产生裂纹的几率降低 2 纤维的表面受到基体的保护 不易在承载中 产生裂 纹 增大承载力 3 基体能阻止纤维的裂纹扩展 4 基体对纤维的粘结作用 基体与纤维之间的摩擦力 使得材料的强度大大提高 5 简述复合材料的界面结合类型 答 1 机械结合 借助增强纤维表面凹凸不平的形态而产生的机械铰合和基体与纤维之间 的摩擦阻力形成 2 溶解与浸润结合 液态或是粘流态基体对增强纤维的侵润 而产生的作用力 作用范围 只有若干原子间距大小 3 反应结合 基体与纤维之间形成界面反应层 4 混合结合 上述三种形式的混合结合方式 第二章第二章 材料科学与工程的四个基本要素材料科学与工程的四个基本要素 第一部分第一部分 填空题 填空题 1010 个空共个空共 1010 分 每空一分 分 每空一分 1 材料科学与工程有四个基本要素 它们分别是 使用性能 材料的性质 结构与成份 和合成与加工 2 材料的结构包括键合结构 晶体结构和组织结构 3 材料的强韧化手段主要有固溶强化 加工强化 弥散强化 第二相强化和相变增韧 4 材料的物理性质表述为电学性质 磁学性质 光学性质和热学性质 5 材料的化学性质主要表现为催化性质和防化性质 6 冶金过程 熔炼与凝固 粉末烧结和高分子聚合是四种主要的材料制备方法 7 典型热处理工艺有淬火 退火 回火和正火 8 固体中的结合键可以分为 4 种 它们是 金属键 离子键 分子键 共价键 9 共晶反应式为 L 共晶反应的特点为 一个液相生成两个固相 10 材料力学性能的硬度表征 布氏硬度 洛氏硬度 维氏硬度等 11 马氏体的显微组织形态主要有 板条马氏体 片状马氏体 两种 其中 板 条马氏体 的韧性较好 12 液态金属结晶时 结晶过程的推动力是 液相和固相之间存在过冷度 第二部分第二部分 判断题 判断题 1010 题共题共 1010 分 每题分 每题 1 1 分 分 1 热处理是指通过一定的加热 保温 冷却工艺过程 来改变材料的组织组成的情况 达到改变材料性能的方法 错 2 淬火通过快速冷却 获得远离平衡态的不稳定组织 达到强化材料的目的 3 正火是在奥氏体状态下 空气或保护气体冷却获得珠光体均匀组织 提高强度 降低 韧性 错 第三部第三部 选择题选择题 5 5 题共题共 1010 分 每题分 每题 2 2 分 分 1 决定晶体结构和性能最本质的因素是 a 原子间的结合能 b 原子间的距 离 c 原子的大小 a 2 固溶体的晶体结构 a a 与溶剂相同 b 与溶质相同 c 为其它晶型 珠光体是一种 a 单相固溶体 b 两相混合物 c Fe 和 C 的化合物 b 3 下列仪器中分辨率最高的是 A 体式显微镜 B 光学显微镜 C 隧道扫描显微镜 D 电子扫描显微镜 4 晶体中的位错属于 a 体缺陷 b 面缺陷 c 线缺陷 c 5 奥氏体是 a 碳在 Fe 中的间隙固溶体 b 碳在 Fe 中的间隙固溶 体 c 碳在 Fe 中的间隙固溶体 a 6 在发生 L 共晶反应时 三相的成分 a 确定 b 相同 c 不定 b 第三章第三章 结构材料结构材料 一 填空题 一 填空题 1 碳的质量分数 大于 2 11 的铁碳合金称之为铸铁 通常还含有较多的 Si Mn S P 等元素 2 碳钢常规热处理有 退火 正火 淬火 回火 四种 3 碳在铁碳合金中的存在形式有 与铁间隙固溶 化合态的渗碳体 游离态的石墨 4 高分子材料分子量很大 是由 许多相同的结构单元 组成 并以 共价键 的形式重复 连接而成 5 塑料 橡胶 纤维 被称为三大合成高分子材料 6 高分子按结构单元的化学组成可分为 碳链高分子 杂链高分子 元素有机高分子 无机高分子 7 聚合物分子运动具有 多重性 和 明显的松弛特性 8 聚乙烯可分为 低密度聚乙烯 高密度聚乙烯 线性低密度聚乙烯 超高分子质 量聚乙烯 改性聚乙烯 9 陶瓷材料的晶体缺陷有 点缺陷 线缺陷 面缺陷 其中导电性与 点缺陷 有直 接关系 10 陶瓷材料的 塑性 和 韧性 较低 这是陶瓷材料的最大弱点 11 陶瓷材料热膨胀系数小 这是由 晶体结构 和 化学键 决定的 12 由两种或两种以上 物理 化学 力学性能 不同的物质 经人工组合而成的 多 相固体材料 叫做复合材料 13 复合材料可分为 结构复合材料 和 功能复合材料 两大类 14 颗粒增韧的增韧机理主要包括 相变增韧 裂纹转向增韧 和 分叉增韧 15 界面是复合材料中 基体与 增强材料 之间发生 相互作用 和 相互扩散 而形成的结 合面 16 复合材料界面结合的类型有 机械结合 溶解与侵润结合 反应结合 混合结 合 二 判断题 二 判断题 1 不锈钢中含碳量越低 则耐腐蚀性就越好 2 纯铝中含有 Fe Si 等元素时会使其性能下降 3 正火是在保温一段时间后随炉冷却至室温 4 受热后软化 冷却后又变硬 可重复循环的塑料称为热塑性塑料 5 聚乙烯从是目前产量最大 应用最广泛的品种 6 陶瓷材料在低温下热容小 在高温下热容大 7 陶瓷材料中位错密度很高 8 陶瓷材料一般具有优于金属材料的高温强度 高温抗蠕变能力强 9 纤维增强金属基复合材料的目标是 提高基体在室温和高温下的强度和弹性模量 10 复合材料有高的强度和弹性模量 良好的减震性 11 界面的特性对复合材料起着举足轻重的作用 三 简答题 三 简答题 1 1 碳钢按照不同的分发可以分为哪几类 碳钢按照不同的分发可以分为哪几类 答 1 按碳的质量百分数分 低碳钢 C 0 25 中碳钢 C 0 25 C 0 6 高碳钢 C 0 6 2 按钢的质量分 主要是杂质硫 磷的含量 普通碳素钢 S 0 055 P 0 045 优质碳素钢 S 0 040 P 0 040 高级优质碳素钢 S 0 030 P 0 035 3 按用途分 碳素结构钢 碳素工具钢 2 2 什么叫做退火 退火的作用是什么 什么叫做退火 退火的作用是什么 答 退火 将钢加热到适当温度 保温一定时间 然后缓慢冷却 随炉冷却 以获得接近 于平衡状态组织的热处理工艺 退火的目的主要是为了消除内应力 3 3 石墨的存在对铸铁有着什么样的作用 简述其原因 石墨的存在对铸铁有着什么样的作用 简述其原因 答 1 铸铁的切削加工性能优异 2 铸铁的铸造性能良好 3 铸铁具有耐磨性 4 铸铁具有良好的减振性 5 铸铁对缺口不敏感 对铸铁的作用 原因 主要是石墨的存在具有润滑作用 4 4 简述镁合金的主要优缺点 简述镁合金的主要优缺点 答 优点 低比重 工业用材料中最轻量材料 铝的 2 3 重 高比强度 优于钢和铝 震动吸收性好 可将震动能吸收并转化成热放出 易机械加工 耐冲击性好 电磁屏蔽性好 可再生利用 有利于环境优化 缺点 抗腐蚀性能差 塑性变形能力差 5 5 与小分子相比高分子有什么特点 与小分子相比高分子有什么特点 答 与小分子相比 高分子 分子量不确定 只有一定的范围 是分子量不等的同系物的混合物 没有固定熔点 只有一段宽的温度范围 分子间力很大 没有沸点 加热到 2000C 3000C 以上 材料破坏 降解或交联 6 6 高分子有哪三种力学状态 各有什么特点 高分子有哪三种力学状态 各有什么特点 答 高分子有玻璃态 高弹态 粘流态三种力学状态 玻璃态玻璃态 链段运动处于 冻结 状态 模量高形变小 具有虎克弹性行为 质硬而脆 高弹态高弹态 链段运动已充分发展 在较小应力下 即可迅速发生很大的形变 除去外力后 形变可迅速恢复 粘流态粘流态 由于链段的剧烈运动 整个大分子链重心发生相对位移 产生不可逆位移即粘 性流动 交联聚合物无粘流态存在 7 7 什么是玻璃化转变温度 有何特点 什么是玻璃化转变温度 有何特点 答 聚合物的玻璃化转变是指从玻璃态到高弹态之间的转变 从分子运动的角度看 玻璃 化温度 Tg 是大分子链段开始运动的温度 特点 玻璃化转变是一个松弛过程 在时间尺度不变时 凡是加速链段运动速度的因素 如大分子链柔性的增大 分子间作用力减小等结构因素 都使 Tg 下降 9 9 举例说明陶瓷材料的结合键主要有哪两种 各有什么特点 举例说明陶瓷材料的结合键主要有哪两种 各有什么特点 答 陶瓷材料的组成相的结合键为离子键 MgO Al2O3 共价键 金刚石 Si3N4 特点特点 以离子键结合的晶体称为离子晶体 离子晶体在陶瓷材料中占有很重要的地位 它具有强度高 硬度高 熔点高 等特点 但这样的晶体脆性大 无延展性 热膨胀 系数小 固态时绝缘 但熔融态可导电等特点 金属氧化物晶体主要以离子键结合 一般为透明体 以共价键结合的晶体称为共价晶体 共价晶体具有方向性和饱和性 因而共价键晶体 的原子堆积密度较低 共价键晶体具有强度高 硬度高 熔点高 结构稳定等特点 但它脆性大 无延展性 热膨胀系数小 固态 熔融态时都绝缘 最硬的金刚石 SiC Si3N4 BN 等材料都属于共价晶体 1010 陶瓷材料主要有哪些相组成 各有什么作用 陶瓷材料主要有哪些相组成 各有什么作用 答 有晶体相 玻璃相和气孔组成 晶体相是陶瓷材料最主要的组成相 主要是某些固溶体或化合物 其结构 形态 数 量及分布决定了陶瓷材料的特性和应用 玻璃相是陶瓷材料中原子不规则排列的组成部分 其结构类似于玻璃 其作用是 将 分散的晶体相粘结起来 填充晶体之间的空隙 提高材料的致密度 降低烧成温度 加快 烧结过程 阻止晶体转变 抑止晶粒长大 陶瓷中气孔主要是坯体各成分在加热过程中单独或互相发生物理 化学作用所生成的 空隙 这些空隙可由玻璃相来填充 还有少部分残留下来形成气孔 气孔对陶瓷的性能是 不利的 它降低材料的强度 是造成裂纹的根源 1111 简述陶瓷材料的力学性能特点 简述陶瓷材料的力学性能特点 答 硬度硬度 陶瓷的硬度很高 多为 1000Hv 1500Hv 陶瓷硬度高的原因是离子晶体中离子堆 积密度大 以及共价晶体中电子云的重叠程度高引起的 刚度刚度 陶瓷的刚度很高 刚度是由弹性模量衡量的 而弹性模量又反映其化学键的键能 离子键和共价键的键能都要高于金属键 因此陶瓷材料的弹性模量要高于金属材料 强度强度 陶瓷材料的强度取决于键的结合力 理论强度很高 但陶瓷中由于组织的不均匀 性 内部杂质和各种缺陷的存在 使得陶瓷材料的实际强度要比理论强度低 100 多倍 陶瓷材料的强度也受晶粒大小的影响 晶粒越细 强度越高 塑性 韧性塑性 韧性 陶瓷材料的塑性和韧性较低 这是陶瓷最大的弱点 陶瓷材料受到载荷时 在不发生塑性变形的情况下 就发生断裂 陶瓷内部和表面所产生的微裂纹 由于裂 纹尖端的应力集中 内部裂纹在受到外应力时扩展很快 这是导致陶瓷材料断裂的根 本原因 1515 简述纤维增强机理 并说明增强纤维起到强化基体作用需要具备哪些条件 简述纤维增强机理 并说明增强纤维起到强化基体作用需要具备哪些条件 答 机理 机理 微细的增强纤维因直径较小 产生裂纹的几率降低 纤维在基体中 彼此隔离 纤维表面受到基体的保 护 不易受到损伤 不易在承载中产生裂纹 增大承载力 纤维在基体中 即使有些裂纹会断裂 但基体能阻止裂纹扩展 由于基体对纤维的粘 结作用以及基体与纤维之间的摩擦力 使得材料的强度大大提高 条件 条件 增强纤维的强度和弹性模量应比基体材料的高 基体与纤维之间要有一定的粘 结力 并具有一定的强度 纤维应有一定的含量 尺寸和分布 纤维与基体之间的线 膨胀系数相匹配 纤维与基体之间有良好的相容性 1616 什么是颗粒增强复合材料 简述其增强机理 什么是颗粒增强复合材料 简述其增强机理 答 颗粒增强复合材料 是指由高强度 高弹性模量的脆性颗粒作增强体与韧性基体或脆性 基体经一定工艺复合而成的多相材料 增强机理增强机理 弥散分布在金属或合金中基体中的硬颗粒可以有效地阻止位错运动 产生显 著的强化作用 这种复合强化机制类似与合金的析出强化机理 基体乃是承受载荷的 主体 不同的是 这些细小弥散的硬颗粒并非借助于相变产生的硬颗粒 他们在温度 升高时仍保持其原有尺寸 因而 增强效果可在高温下持续较长时间 使复合材料的 抗蠕变性能明显优于金属或合金基体 1717 简述短纤维增韧机理 简述短纤维增韧机理 答 短纤维增韧复合材料的制备工艺比长纤维的简便 通常是将长纤维剪断 再与基体粉 体材料混合 热压制得 在热压时 短纤维沿压力方向择优取向 产生性能上的各向 异性 当短纤维的质量分数适当时 复合材料的断裂功显著提高 从而使断裂韧性得 到提高 第四章第四章 功能材料功能材料 一 填空题 一 填空题 1 这种由于形变而产生的电效应 称为压电效应 材料的压电效应取决于晶体结构的 不对称性 晶体必须有 极轴 才有压电效应 二 判断题 二 判断题 1 压电陶瓷材料不管在什么温度下均有压电效应 2 压敏电阻陶瓷材料 电压提高 电阻率下降 三 简答题 三 简答题 1 1 什么是功能陶瓷 功能陶瓷的分类主要有哪些 什么是功能陶瓷 功能陶瓷的分类主要有哪些 答 功能陶瓷是指具有电 光 磁以及部分化学功能的多晶无机固体材料 其功能的实现 主要来自于它所具有的特定的电绝缘性 半导体性 导电性 压电性 铁电性 磁性 生物适应性等 主要有 电子陶瓷 超导陶瓷 磁性陶瓷 敏感陶瓷 生物陶瓷 光学陶瓷等 2 2 什么是超导材料 超导材料的两个基本特征 什么是超导材料 超导材料的两个基本特征 答 超导材料 在一定温度以下 材料电阻为零 物体内部失去磁通成为完全抗磁性的物 质 超导材料的两个基本特征 零电阻效应 迈斯纳效应 3 3 什么是纳米材料 简述纳米材料的主要制备方法和工艺 什么是纳米材料 简述纳米材料的主要制备方法和工艺 答 纳米材料 通常定义为材料的显微结构中 包括颗粒直径 晶粒大小 晶界 厚度等 特征尺寸都处于纳米尺寸水平的材料 指材料块体中的颗粒 粉体粒度在 10 100nm 之间 使其某些性质发生突变的材料 主要制备方法和工艺 气相冷凝法 球磨法 非晶晶化法 溶胶 凝胶法 4 4 什么是正温度系数热电材料 负温度系数热电材料 什么是正温度系数热电材料 负温度系数热电材料 答 正温度系数热电材料 温度升高 材料的电导率增加 这类材料多半时具有半导性的 金属氧化物和过渡金属的复合氧化物 负温度系数热电材料 温度升高 材料的电导率下降 这类材料主要是掺杂半导体陶 瓷如镧掺杂钛酸钡 钛酸锶陶瓷等 5 5 什么是生物陶瓷材料 它应具有哪些要求 什么是生物陶瓷材料 它应具有哪些要求 答 生物陶瓷材料 用于人体器官替换 修补以及外科矫形的陶瓷材料 要求 具有良好的力学性能 在体内难于溶解 不易氧化 不易腐蚀变质 热稳定性 好 耐磨且有一定的润滑性 和人体组织的亲和性好 组成范围宽 易于成形等 填空题 6 材料主要的工艺性能有 铸造性能 锻造性能 焊接性能 和 切屑性能 7 热敏电阻陶瓷可分为正温度系数 PTC 热敏陶瓷 负温度系数 NTC 热敏陶瓷和临界 温度系数 CTR 热敏陶瓷 17 判断材料是否具有超导性 有两个基本特征 一是 超导电性 二是 完全抗磁性 18 陶瓷材料的性能 具有 高熔点 高硬度 高化学稳定性 耐高温 耐磨 耐氧化 耐腐蚀 弹性模量大 等特点 但 塑性 韧性 可加工性 抗热震性 使用可靠性 不如金属材料 19 普通陶瓷的主要原料是 黏土 石英 长石 20 陶瓷生产工艺过程比较复杂 但基本的工艺可分为 原料配制 坯料成型 制品 烧结 等三大步骤 21 黏土是一种含水的铝硅酸盐矿物 其主要成分为 SiO2 Al2O3 H2O Fe2O3 TiO3 22 陶瓷的质量取决于原料的 纯度 细度 坯料的均匀性 成形密度 烧结温度 和窑内气氛 冷却速度等 23 硅酸盐的晶体结构很复杂 但构成它的基本单元都是 SiO4 四面体 四个氧离 子 紧密排列成四面体 硅离子 位于四面体心的间隙中 24 根据 Al2O3 陶瓷瓷坯中主晶相的不同 可将 Al2O3 陶瓷分为 刚玉瓷 刚玉 莫来 石瓷 莫来石瓷 等 25 SiC 陶瓷具有 高硬度 和 高温强度 莫氏硬度 13 在 1400 高温下仍能保持相 当高的抗弯强度 所以它主要用作高温结构材料 另外它有很高的 热传导能力 可作高 温下的热交换器 核燃料包装材料等 26 功能陶瓷性能的调节优化方法有非化学式计量 离子置换 掺杂 等 另外还可通 过改变工艺条件而改变陶瓷的 结构 从而改变陶瓷的性能 27 生产硅酸盐水泥的主要原料是石灰质原料和粘土原料 石灰质原料提供 CaO 粘土原 料提供 Al2O3 SiO2 Fe2O3 28 立构可分为手性碳原子产生的光学异构体和分子中双键或环上的取代基空间排布不同 的几何异构体 29 手性碳原子构型包括全同立构 间同立构和无规立构三种 双键几何构型包括顺式和 反式两种 30 高分子具有分子量大 分子量不均一 分子间作用力远远大于共价键键能 所以高分 子无气态 31 链锁聚合分为自由基聚合 阴离子聚合 阳离子聚合和配位聚合 不同单体具有不同 的聚合类型 其决定因素是碳碳双键上的取代基 即取代基的电子效应和位阻效应 34 高分子材料力学性能的最大特点是高弹性和粘弹性 其最大的缺点是低耐热和易老化 35 复合材料的基本组分可划分为 基体相 和 增强相 36 界面 对复合材料特别是力学性能起着极为重要的作用 37 对于单向排列的纤维增强复合材料 当材料产生裂纹的平面垂直于纤维时 裂纹扩展 受阻 要使裂纹继续扩展必须提高 外加应力 克服纤维 拔出功 和纤维 断裂功 38 树脂基和金属基复合材料设计的主要目标是提高基体室温和高温 强度 及 弹性模 量 陶瓷基复合材料设计的主要目标是 增韧 39 复合材料的性能取决于组分材料的性能 数量 分布方式 和 界面结构 40 树脂基复合材料界面的形成可分成两个阶段 第一阶段是基体与增强纤维的 接触与 浸润 过程 第二阶段是树脂的 固化 过程 41 复合材料界面结合力包括 宏观结合力 和 微观结合力 前者指材料的几何因素 如 表面凹凸不平 表面裂纹和孔隙等产生的机械绞合力 后者主要包括化学键和次价键 通 过化学反应产生 42 纤维增强金属基复合材料界面类型有 纤维与基体互不反应也不溶解 纤维与基体 不反应但相互溶解 纤维与基体相互反应形成界面反应层 三种 44 生物材料与机体组织发生直接接触与相互作用时 会发生损伤机体的 宿主反应 和 损坏材料性能的 材料反应 45 材料具有超导性的两个基本特征 一是 超导电性 二是 完全抗磁性 46 纳米材料的特异效应可归纳为 表面效应 小尺寸效应 量子尺寸效应 和宏观 量子隧道效应 47 材料产生超导的三个临界条件分别是 临界温度 临界磁场强度 临界电流密度 50 纳米材料可分为 纳米粉末 纳米纤维 纳米膜 纳米块体 纳米复合材料等 51 纳米材料表明效应是指随纳米微粒粒径的减小 比表面积急剧 增加 位于表面原子 数占全部原子数的比例 增大 同时表面能也迅速 增加 的现象 二 判断题 15 材料的使用性能由材料的性质与材料服役条件 产品设计与加工决定 23 BaTiO3 陶瓷具有多种功能 即具有压电效应 热释电效应 铁电效应和对外界条件敏 感的特性 因此它可以制作振子 热 电转换器 电容器和温度传感器等 25 陶瓷的物理 化学 力学性能主要取决于主晶相 26 莫来石是特种结构陶瓷的主晶相 29 在氧化物 Al2O3 ZrO2 BeO 陶瓷中 导热系数最大的是 BeO 陶瓷 30 在氧化物 Al2O3 MgO CaO BeO 陶瓷中 抵抗碳还原作用最强的 BeO 陶瓷 35 碳化物陶瓷材料是一种耐热高温材料 且许多碳化物的熔点都在 3000 以上 而且其 硬度也很高 36 金属和陶瓷中的点缺陷均降低导电性 39 ZrO2经稳定化处理后有氧空位存在 所以可作器敏元件 40 ZrO2固体电解质在一定条件下有传递氧离子的特性 所以可制成钢液氧探头等 49 压敏电阻是指电阻值对外加电压敏感 即电压提高 电阻率随之升高 53 合成高分子材料的原料单体均是有机化合物 54 发生逐步聚合反应的单体必须带有至少 2 个官能团 只有这样才能生成大分子 55 缩聚反应和逐步开环反应均会析出水分子 57 自由基聚合能发生链终止反应 而阴离子聚合和阳离子聚合不能发生链终止反应 58 高分子链具有柔软性 在无外力作用时总是卷曲的 构象数最大 59 高聚物结晶和金属结晶一样容易 60 链段运动和整段运动均需在温度 T Tf才可实现 61 高分子特有的特征是单个高分子链也存在凝聚态 62 纤维增强复合材料承受载荷的主体是增强纤维 63 弥散颗粒增强复合材料承受载荷的主体是颗粒 基体 64 纯颗粒增强复合材料承受的载荷由基体和增强颗粒共同承担 66 树脂基复合材料界面比金属基复合材料界面复杂 67 玻璃纤维增强尼龙刚度 强度和减摩性好 可替代非铁金属制造轴承 组成轴承架和 齿轮等精密零件 68 玻璃纤维可用于增强金属基复合材料 69 与热塑性玻璃钢相比 热固性玻璃钢具有更高的强度 疲劳性 冲击韧性和抗蠕变能 力 70 石墨 镁复合材料在金属基复合材料中具有最高的比强度和比模量 71 Cf C 复合材料是目前使用温度最高的材料 72 纳米技术研究电子 原子 分子运动规律 特性的尺度空间一般在 1 100nm 范围内 73 纳米材料是指在三维空间均处于纳米尺度范围的材料 74 3nm 的金颗粒熔点高于块体金 75 随纳米材料尺寸的减少 其能级之间的距离会增大 83 制备非晶材料的关键在于提高材料的非晶形成能力和获得足够高的冷却速度 88 超导体呈现的超导现象只取决于温度的大小 三 选择题 1 低碳钢拉伸试验时 其变形过程可简单分为 A 几个阶段 A 弹性变形 塑性变形 断裂 B 弹性变形 断裂 C 塑性变形 断裂 D 弹性变形 条件变形 断裂 2 低碳钢拉伸应力一应变图中 E 曲线上对应的最大应力值称为 C A 弹性极限 B 屈服强度 C 抗拉强度 D 断裂强度 3 材料开始发生塑性变形的应力值叫做材料的 A A 弹性极限 B 屈服强度 C 抗拉强度 D 条件屈服强度 40 什么是复合材料 其应具备哪些特征 复合材料 指利用先进的材料制备技术将两种 以上 性质不同的材料优化组 合而成的新材料 特征 是根据需要设计制造的人造材料 必须由两种及两种以上不同组分与性能的材料组成 而且各组分间有明显界 限 具有结构可设计性 具有单一组分材料所不能达到的特殊 综合性能 41 复合材料性能特点有哪些 性能特点 比强度和比模量高 比强度 强度 密度 MPa g cm3 比模量 模量 密度 GPa g cm3 抗疲劳与断裂安全性好 陶瓷基复合材料的脆性得到明显改 善 良好的减震性 高温性能 树脂基复合材料的最高耐温上限为 350 C 金属基复合 材料按不同的基体性能 其使用温度在 350 1100 C 范围内变动 陶瓷基复合材料的使 用温度可达 1400 C 碳 碳复合材料的使用温度最高可达 2800 C 化学稳定性 树脂基复 合材料和陶瓷基复合材料 还有较好的耐烧蚀性 耐辐射性 耐蠕变性以及特殊的光电磁 性能 42 简述复合材料基本结构的特征 并举例说明 答 复合材料的基本结构由基体和增强相两个组分构成 基体 构成复合材料的连续相 如 非金属基 树脂 橡胶 陶瓷 金属基 如 钢 增强相 复合材料中独立的形态 分布在整个基体中的分散相 这种分散相的性能 优越 会使材料的性能显著改善和增强 增强相一般较基体硬 强度 模量较基体大 或具有其它特性 可以是纤维状 颗粒状或弥散状 增强相与基体之间存在着明显界面 实例 玻璃钢 玻璃纤维增强塑料 轮胎 纤维增强橡胶 钢筋混凝土 陶瓷基复合材料 43 常见复合材料有哪些 并说明各具有哪些性能和用途 玻璃钢 增强剂 玻璃纤维 主要是 SiO2 比强度和比模量高 耐蚀 绝缘 基体 粘结剂 热固性的酚醛 环氧树脂 热塑性的聚脂 性能 与基体相比 比 强度 疲劳性能 韧性 蠕变抗力高 用途 轴承 轴承架 齿轮 车身 碳纤维树脂复合材料 增强剂 碳纤维 石墨 强度和弹性模量高 且 2000 以上保持不变 180 不变脆 粘结剂 基体 环氧树脂 酚醛树脂 聚四氟乙烯 性能 与基体相比 密度比铝低 强度比钢 模量比铝合金和钢高 疲劳性 能 冲击韧性 耐蚀摩擦系数小 导热性好 是一种新型结构材料 用途 卫星和火箭外壳 机架 天线构架 齿轮 轴承 活塞 密封圈 化 工容器 硼纤维树脂复合材料 是一种尖端复合材料 增强剂 硼纤维 b 2750 3140MPa E 382 392MPa 4 倍于玻纤 基体 环氧树脂等 性能 抗压 剪切和疲劳强度高 蠕变小 硬度和弹性模量高 耐辐射 化 学稳定 水 有机溶剂 燃料 润滑剂 导热性能和导电性能好 用途 航空和宇航材料 硼纤维金属复合材料 基体 铝镁及其合金 钛及其合金 性能 如铝基复合材料的强度 弹性模量 疲劳极限高于高强铝合金 比强 度高于钢和钛合金 用途 航空 火箭 44 单向排布长纤维陶瓷基复合材料是如何达到增韧目的的 单向排布长纤维增韧陶瓷复合材料具有各向异性 沿纤维长度方向的性能大大高于 横向性能 当材料产生裂纹的平面垂直于纤维时 裂纹扩展受阻 要使裂纹继续扩展必须提高 外加应力 克服纤维拔出功和纤维断裂功 另外 裂纹在发展过程中会出现转向 增加裂 纹扩展阻力 从而进一步提高韧度 总之 在单向排布纤维陶瓷复合材料中 韧度的提高 来自于 纤维拔出 纤维断裂和裂纹扩展 45 为什么说金属基复合材料界面层成分 结构非常复杂 其界面结合方式有哪些 答 金属基复合材料界面层成分 结构非常复杂 是因为 基体与增强材料作用生成化合物 基体与增强材料相互扩散形成扩散层 增强材料表面的涂层 界面结合方式 机械结合 指借助增强纤维表面凸凹不平的形态而产生的机械铰合 以及借助基体 收缩应力裹紧纤维产生的摩擦阻力结合 溶解和浸润结合 反应结合 反应产物并不一定是单一化合物 可能存在多种产物 而且大多为脆性 当达到一定厚度后 会降低界面结合强度 混合结合 实际中复合材料的结合方式常常几种方式同时存在 46 简述纤维增强的机理 并说明增强纤维与基体复合时应注意有关强化的几个问 题 答 纤维增强的机理 增强纤维应制成细纤维 这样才有利于提高纤维强度 改善脆性 降低裂纹发生 率 纤维处在基体中 彼此隔离 并受到基体保护 不易产生裂纹 从而使承载能力 增加 带裂纹的纤维因受力断裂时 基体能阻止裂纹扩展 基体受载断裂时 断口不可能在一个平面上 要整体断裂 必须克服纤维与基体 的粘结力和摩擦力 从而抗拉强度大大增加 断裂韧度也增加 注意 纤维增强复合材料承受载荷的主体是增强纤维 有关强化的几个问题 增强纤维的强度和弹性模量应比基体高 基体与纤维之间要有一定黏结作用 且应具有适当的结合强度 便于应力的传递 纤维应有合理的含量 尺寸和分布 纤维含量越高 抗拉强度 弹性模量越大 纤维越细 缺陷越小 并且比表面积也越大 材料结合力越大 则材料强度越高 纤维的 排布方向应符合构件的受力要求 由于纤维纵向比横向的抗拉强度高几十倍 应尽量使纤 维的排列方向平行于应力作用方向 线膨胀系数匹配 有良好的相容性 高温下基体与纤维之间不发生生化学反应 基体不腐蚀和损伤 纤维 47 复合材料分类 按基体材料分类 树脂基复合材料 金属基复合材料 陶瓷基复合材料 碳碳复 合材料 水泥基复合材料 按用途分类 结构复合材料 功能复合材料 结构 功能一体化复合材料 按增强相分类 颗粒增强复合材料 晶须增强复合材料 短纤维增强复合材料 连续纤维增强复合材料 混杂纤维增强复合材料 三向编织复合材料 48 什么是复合材料界面 复合材料的界面是指基体与增强相之间化学成分有显著变化的 构成彼此结合的 能起载荷传递作用的微小区域 复合材料的界面是一个多层结构的过渡区域 约几个纳米 到几个微米 三 问答 1 根据维度数 纳米材料的基本单元可分为哪三类 举例并说明其用途 答 纳米材料的基本单元可分为以下三类 零维 指三维空间尺度均为纳米尺度 如纳米颗粒 原子团簇 粒度在 1 100nm 是 一种介于原子 分子与宏观物体之间处于中间物状的固体颗粒材料 用于高密度磁记录 吸波隐身材料等 一维 指在三维空间中有两维处于纳米尺度 如纳米丝 纳米棒 纳米管 用于微导线 微光纤材料等 二维 指在三维空间中有一维处于纳米尺度 如超薄膜 多层膜等 用于气体催化剂 过滤器材料 高密度磁记录材料等 4 什么是纳米材料 答 纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元所构 成的材料 5 什么是生物材料 答 用于与生命系统接触和发生相互作用 并能对细胞 组织和器官进行诊断治疗 替换 修复或诱导再生的特殊功能材料 又称生物医用材料 6 什么是完全抗磁性 又称迈斯纳效应 其产生的原因是什么 答 完全抗磁性 是指只要材料温度低于临界温度 Tc 进入超导态后 材料就将磁力线完 全排除在外 其体内磁感应强度为零 这种现象称为完全抗磁性 2 5 分 产生原因是 当超导体处于超导态时 在磁场的作用下其表面产生一个无损耗感应电流 该电流在超导体内产生的磁场正好与外磁场相抵消 2 5 分 一 填空 1 30 30 分 1 结构材料和功能材料的主要区别是结构材料利用了材料的 性能 2 为了减少体积 我们可以用 制成卫星用自展天线 为了减少航天飞机内外 温差造成的热应力 可以选择 材料 3 只有同时具备 和 的材料 才是超导体 4 热弹性马氏体相变是马氏体随着 变化可以 长大或缩小 5 储氢材料主要靠 和 参数控制吸氢和放氢的过程 7 超导体