材料科学与工程基础第二版考试必备宝典

第一章简介1.材料科学与工程的四个基本要素解决方案：准备和加工、成分和结构、特性和应用、材料设计和应用金属、无机非金属材料、高分子材料的基本特性解决方法：金属材料的基本特性：a .金属结合；b .常温下固体，熔点高；c .金属不透明，有光泽。d .纯金属凹凸性、延展性、延展性；e .强度高。f .导热系数好，导电性能好；g .大多数金属在空气中容易氧化。无机非金属材料的基本特性：a .离子键、共价键和共混键；b .坚硬易碎；c .高熔点、高温、抗氧化；d .导热系数和导电率差异；e .我的化学性；f .耐磨性；g .成型方法：粉末坯，烧结成型。高分子材料的基本特性：a .共价键，部分范德华键；b .分子量大，没有明显的熔点，玻璃化温度(Tg)和粘性流动温度(TF)；c .机械状态有三种状态：玻璃状态、高弹性状态和粘性流动模式。d .质量轻，比重小。e .绝缘性好。f .良好的化学稳定性；g .成型方法更多。第二章物质结构基础1.在多电子的原子中，核外电子的排列应遵循什么原则？解决方案：泡利不相容原理、能量最小原理、红特规则影响电离能和电离能的因素解决方法：电离能量：去除隔离原子中束缚最弱电子所需的额外能量。影响因素：周期相同，原子电荷增加，原子半径减少，电离能量增加；同一家族，原子半径增加，电离能量减少；电子构型的影响，惰性气体；非金属；过渡金属；碱金属；3.混合连接示例解决方案：石墨：同一层的碳原子以共价键结合，层与层之间结合范德华力；聚合物：在同一链原子之间共享耦合，在链和链之间以范德瓦尔斯力相结合。4.离子键、共价键、金属键按有无方向性进行分类，简要说明了原因定向：合并共享无方向：离子连接，金属连接金属键：正离子以排列的晶格排列，每个原子与尽可能多的原子结合形成低能致密结构，正离子的相对位置变化不破坏电子和正离子的结合力，没有饱和，没有方向性。共享耦合：共享电子云的最大叠加、方向离子结合：阳离子和阳离子形成三维晶体结构、全方位和饱和离子键、共价键、金属键的差异简述6.为什么共享连接材质密度通常小于离子键或金属连接材质金属密度高的两个原因：首先，金属的相对原子质量很高。第二，金属键没有方向性，原子倾向于紧密排列。影响原子(离子)间距的因素：(1)温度越高，原子间距越大，热膨胀性越高。(2)离子价格负离子的半径是原子半径阳离子的半径(3)提高键能量，减少原子距离，减少键长度(C-C单，双，三相结合)；(4)相邻原子的数目(分布数)配座增加，相邻原子的电子斥力增大，原子间距扩大。相邻原子的数量越多，原子间距(耦合原子或离子的有效半径)就越大。8.原子的电子排列根据能量级别写入n、o、Si、Fe、Cu、Br原子的电子阵列。解决方案：n :1s 22s 22p 3 o :1s 22s 22p 4 si :1s 22s 22p 63s 23 p 2 Fe 33601s 22s 22p 63s 23 p 63d 64s 2 Cu 33601s 22s 22p 63s 23 p 63d 104s 1 br 33601s 229.比较了金属材料、陶瓷材料、高分子材料、复合材料粘结的差异。解决方案：金属材料：简单金属(参见周期表中的主族元素)的连接键完全是金属连接，过渡族金属的连接键是金属键和共享连接的混合键，但是金属键占主导地位。陶瓷材料：陶瓷材料是与同一金属相同非金属(一般是氧)结合的一种或多种化合物，主要有离子结合和特定成分的共享结合。高分子材料：高分子材料中大分子内原子的结合方法是共价键，大分子和大分子之间的结合是分子键和氢键。复合材料：复合材料是两种以上材料的组合材料，结合接合很复杂，所以一律不可能。10.比较了键能量大小，简述了各种键的主要特征，并简述了键类型和键能量大小对材料熔点、密度、导电、导热、弹性系数和塑性的影响。解决方案：键能大小：化学键能物理键能共价键离子键金属键氢键氢键范德华力共价键中：3键能双键能单键键结合的主要特征：金属键，金属阳离子和自由电子，库仑引力作用下的键，电子的共价，不饱和，无方向性；离子键为离子键单元，不饱和，无方向性；共价共价电子对，饱和和方向；范德华力，原子或分子之间的偶极作用，无方向性，不饱和；氢键、分子间力、氢键、定向和饱和。键类型和键能量大小对材料熔点、密度、弹性系数和塑性的影响：键的键能量大小决定材料熔点水平。这里纯共价键金刚石的熔点最高，金属的熔点相对较低，因此陶瓷材料比金属热稳定性高是根本原因。在金属中，过渡金属具有很高的熔点，这可能是因为这种金属的内部壳体电子没有填充，并且是连接键中一定比例的共价键。具有二次接合接合的材料(例如聚合物)具有较低的熔点。密度与粘结类型有关，金属密度最高，陶瓷材料接着高分子材料密度最低。金属的高密度有两个原因。一种是因为金属原子的相对原子质量高，另一种是因为金属结合没有方向性，所以倾向于金属原子在密集的排列中，金属经常得到简单的原子推力结构。当离子键和共价键结合时，原子排列不能很密集，因此陶瓷材料的密度更低。聚合物中通过二次耦合，分子间的堆叠不紧密，耦合原子的质量比较小，密度最低。弹性系数是表征发生弹性变形时材料必须施加力的大小。键的键能是影响弹性系数的主要因素，键能越大，弹性系数越大。陶瓷250600GPa，金属70350GPa，聚合物0.7 3.5 GPA。塑性是材料在给定载荷下永久变形的材料特性。材料的塑性还具有良好的塑性，金属键结合的材料具有良好的塑性，而离子键、共价键的材料难以塑性变形，因此陶瓷材料的塑性很低，聚合物材料的塑性保持不变。晶体的共同特性1)确定的熔点温度上升到一定值时，阵列分解，原子不规则堆积，液体出现；2)自发形成规则多面体形状的能力；3)稳定性(最小能量状态)；4)各向异性(不同方向，不同物理特性)；5)均匀性(晶体各部分的宏观特性相同)12.n .说明：生成密度：单位单元内原子体积之和与单位单元体积之比。13.以同素异构变异为例。解法：同素体变异：改变温度或压力等，固体从一个晶体结构变成另一个晶体结构。例如：铁在不同温度下的晶体结构不同，906 的体内立方结构，-Fe 906 1401 的面心立方结构，-Fe 1401 熔点(1540)的体内立方结构，- Fe高压(。14.接合类型，决定分为几类？每个关联类型及其主要特征是什么？解决方案：键组合类型、晶体分为金属晶体、离子晶体、共价晶体和分子晶体。金属晶体：金属结合；失去外部电子的金属离子和自由电子的魅力；全方位和饱和；低能高密度反应堆结构。大多数金属晶体有面心立方、体心立方和高密度六边形结构，金属晶体的原子排列相对紧密，面心立方和高密度六边形结构的位数和密度最高。离子晶体：离子结合、全方位和饱和；阳离子周围有多个负离子的配位，离子的积累受相邻粒子二胡电荷及化学量比的限制。累积形式取决于正负离子的电荷数和正相对大小。(“硬度”、“强度”、“熔点”和“沸点”高，“热膨胀系数”小，“脆性大”，“绝缘性高”。共价键的测定：共价键、方向和饱和；数字位数和方向受限制，且决定的数字位数为(8-N)。n表示原子最外层电子的数量。(强度，硬度，脆性，熔点高，沸点高，挥发低，导电性低，结构稳定。配位低于金属晶体或离子晶体)分子晶体：范德华键氢键；群元素是分子，范德华键，无向和饱和，稠密堆，低分子对称和极性分子永久偶极相互作用，堆方法的限制；有氢键的时候有方向性和饱和性。15.2-1516本书的每个例子17.总结和总结了三种典型金属结构的晶体学特征结构特征结构类型体心立方体bcc面心立方FCC六字hcp密行光栅类型体心立方体面心立方简约6面点阵常数aaa、c、c/a=1.633最近的原子间距d=(3/2)ad=(2/2)ad=；a2/3 C2/4=a晶体中的原子数246位数81212施加密度0.680.740.7418.已知916 时-Fe(面心立方)的点阵常数为0.365nm，分别得出(100)、(111)、(112)的晶面间距。立方d=a/H2 k2 L2，且面心立方j、k、l都是奇数或都不是偶数的话，d=a/2H2 k2 L2面，d=a/2H2 k2 l22=0.1825nm(111)面，d=a/H2 k2 L2=0.2107nm(112)面，d=a/2H2 k2 L2=0.4470nm19.2-39温度为912 ，铁从bcc过渡到FCC。在此温度下，铁的两个结构的原子半径分别为0.126nm和0.129nm，(1)变化时体积的变化V/O。室温加热到铁1000 有铁的体积变化吗？解决方案：(1) bcc N1=2 FCC N2=41=(N1/Na)MFe/a31，2=(N2/Na)MFe/a32；1/2=n1a 32/n2a 31=0.986Vo=(v1 v2)/v1=1 v2/v1VO=10.986=0.014相应更改的卷更改为0.014。(2)在912 从bcc变为FCC，体积减少。912 1000，热膨胀，体积增加20.计算面心立方、体心立方和高密度六边形晶体细胞的诱导密度21.计算面心立方金属的原子密度。(b)面心立方化合物NaCl的离子诱导密度(离子半径r(Na )=0.097，r(Cl-)=0.181)；(c)计算结果能得出什么结论？(c)结论：如果原子的大小相同，那么生成密度与原子的大小无关。不同种类的原子出现时，其相对大小必然会影响密度。有序合金的原子排列是什么？这个数组和组合键有什么关系？解决方案：属性：每个组元粒子分别根据其brafii光栅排列，这称为拆分，整个雇佣体是由元集的细分组成的复杂光栅，这称为超级结构或超级结构。23 2-57根据固溶体密度确定固溶体类型的方法cro e间隙固溶体c=e替代固溶体ce缺失固溶体请说明判断正负离子空缺的非化学计量化合物的例子成分迁移化学化合物是非化学测定化合物当FeO中的Fe2氧化成Fe3时，就会形成阳离子空位26.书的每个例句27.铝是面心立方晶体，摩尔质量为26.97原子半径为0.143nm，求出铝的密度吗？c=N*M/Na*V晶体缺陷的分类。schot tky Defect florenkel Defect:点缺陷对晶体特性的影响解决方案：肖脱基缺陷：有空位，没有间隙的原子，原子逸出到晶体的外表或内部接口(晶界)。前端缺陷：形成等量的空位和空位原子，空位和空位原子比小塔(空位)缺陷少得多。点缺陷对晶体特性的影响：点缺陷的存在和空位运动导致小区域的晶格畸变。1)材料电阻增加定向流动的电子在点缺陷中受到不平衡力，在传导中增加电子的散射。2)加速原子扩散移动空位的移动，伴随着原子的反向运动；3)增加材料的体积，降低密度4)比热容产生额外空位5)增加材料的机械性能变化间隙原子和异质原子的存在，电位运动阻力，提高强度，减少塑性。伯纳德向量的物理意义。解法：指示结晶形成电位的滑动方向和大小。体积(晶格)扩散的微观机理类型解法：体积扩散是金属原子从一个平衡位置移动到另一个平衡位置。包括3种微扩散机制：其中一个原子与相邻空位交换位置的空位机制。将间隙机制、间隙原子中的相邻原子改变为间隙位置。直接交换机制，相邻原子对相互交换位置31.比较以下因素对扩散系数的影响，并简要说明原因：1.温度对扩散系数的影响2.金属键晶体的扩散系数和共价键晶体或离子键晶体的扩散系数3.体积扩散系数(晶格或晶格)和段落扩散系数(电位、晶界、沿表面)4.间隙固溶体的扩散系数和位移固溶体的扩散系数。5.铁的磁扩散系数(Fe)和(Fe)解决方案：1。温度越高，扩散系数越大。间隙机制和空位机制都遵循热激活规律，温度越高，能量屏障概率越大，同时晶体的平衡空位浓度越高，扩散系数就越高。2.原子的移动必须挤压开通路上的原子，引起局部晶格畸变，部分破坏原子键才能通过。键能越强，原子之间的结合力越强，活化能越大，扩散系数越小。共价键晶体和离子键晶体的扩散系数金属键晶体的扩散系数。3.晶体结构反映了空间中的原子排列，原子排列越近，原子间的结合力越强，扩散活性越高，扩散系数越小。晶体表面、晶系及位置错误的原子可能总是位于比正常晶格中的原子高的位置，它们扩散