材料科学基础 绪论和第一章

武汉理工大学材料科学基础(第2版)课后习题和答案第一章绪论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？2、为什么金属具有良好的导电性和导热性？3、为什么陶瓷、聚合物通常是绝缘体？4、铝原子的质量是多少？若铝的密度为2.7g/cm3，计算1mm3中有多少原子？5、为了防止碰撞造成纽折，汽车的挡板可有装甲制造，但实际应用中为何不如此设计？说出至少三种理由。

6、描述不同材料常用的加工方法。

7、叙述金属材料的类型及其分类依据。

8、试将下列材料按金属、陶瓷、聚合物或复合材料进行分类：黄铜钢筋混凝土橡胶氯化钠铅-锡焊料沥青环氧树脂镁合金碳化硅混凝土石墨玻璃钢9、Al2O3陶瓷既牢固又坚硬且耐磨，为什么不用Al2O3制造铁锤？第二章晶体结构1、解释下列概念晶系、晶胞、晶胞参数、空间点阵、米勒指数（晶面指数）、离子晶体的晶格能、原子半径与离子半径、配位数、离子极化、同质多晶与类质同晶、正尖晶石与反正尖晶石、反萤石结构、铁电效应、压电效应.2、（1）一晶面在x、y、z轴上的截距分别为2a、3b、6c，求出该晶面的米勒指数；（2）一晶面在x、y、z 轴上的截距分别为a/3、b/2、c，求出该晶面的米勒指数。

3、在立方晶系的晶胞中画出下列米勒指数的晶面和晶向：（001）与[210]，（111）与[112]，（110）与[111]，（322）与[236]，（257）与[111]，（123）与[121]，（102），（112），（213），[110]，[111]，[120]，[321]4、写出面心立方格子的单位平行六面体上所有结点的坐标。

5、已知Mg2+半径为0.072nm，O2-半径为0.140nm，计算MgO晶体结构的堆积系数与密度。

6、计算体心立方、面心立方、密排六方晶胞中的原子数、配位数、堆积系数。

7、从理论计算公式计算NaC1与MgO的晶格能。

MgO的熔点为2800℃，NaC1为80l℃, 请说明这种差别的原因。

第一章晶体学基础材料中的原子（离子、分子）在三维空间呈规则，周期性排列。

原子无规则堆积。

非晶体：蜂蜡、玻璃金刚石、NaCl、冰等。

YX§1-1 空间点阵一、空间点阵的概念为了便于分析研究晶体的结构，进行如下处理：组成晶体的原子（或分子、原子集团）抽象几何点(点阵的结点自然形成三维阵列（空间点阵平行线连接空间格子（原子（离子）的刚球模型原子中心位置X Y Z a bcX Zab c §1-2晶面指数、晶向指数——Miller 指数晶面——穿过晶体中原子的平面。

晶向——晶体中任意原子列的直线方向。

§1-3常见晶体结构常见的晶体结构主要有：体心立方一、体心立方(BCC)体心立方结构可以缩写为BCC 钢球模型质点模型(face-centered cubic)a从晶体结构的钢球模型可以看出，原子与原子之间存在许多间隙。

分析这些间隙的数量、位置、形状和大小，对于了解晶体的性能、合金的相结构以及相变、扩散等问题都是十分重要的。

一、FCC 晶体FCC 中的间隙有2种：八面体间隙，四面体间隙1、正八面体间隙边长为：2a §1-4常见晶体结构的间隙八面体间隙四面体间隙§1-5 晶体的堆垛方式任何晶体都可以看作是由任意晶面的。

一般是以最密排晶面的堆垛方式作为晶体的堆垛方式。

一、BCC晶体视频最密排晶面：(110)堆垛次序：ABAB……§1-6 晶带所有相交于某一直线的或平行于此直线的晶面构成一个此直线称为晶带轴。

晶带轴[uvw]与该晶带的晶面存在如下关系——晶带方程hu+kv+lw例如：在正交（立方、正方、四方）点阵中，(101(100)、(010)、(110)、向平行，构成以[001]为晶带轴的晶带。

第一章：绪论一、本课程的性质和任务《材料科学基础》是材料科学与工程专业的主要理论基础课程。

该课程从微观领域出发，揭示材料组织结构与性能之间的内在联系以及在各种条件下的变化规律，为有效地使用材料和研制具有特定性能的材料提供理论依据和线索。

本课程的任务如下：1．使学生系统掌握材料科学的基本理论与基本知识，初步学会用所学的理论来分析问题，从而为学生学习其他专业课程以及今后从事材料研究工作打好基础，为今后在工作中分析和解决实际问题培养能力；2．培养学生阅读材料基础理论方面的一般文献及进一步自修能力；3．使学生初步掌握材料科学的实验方法；二、材料科学的发展“材料科学”是20世纪60年代初提出的。

“材料科学”的形成实际是科学技术发展的结果。

首先，固体物理、无机化学、有机化学、物理化学等学科的发展，对物质结构和物性的深入研究，推动了对材料本质的了解；同时，冶金学，金属学、陶瓷学、高分子科学等的发屉也使对材料本身的研究大大加强，从而对材料的制备、结构与性能，以及它们之间的相互关系的研究也愈来愈深入。

为材料科学的形成打下了比较坚实的基础。

其次，在材料科学这个名词出现以前，金属材料、高分子材料与陶瓷材料都已自成体系，目前复合材科也获得广泛应用，其研究也逐步深入。

但它们之间存在着颇多相似之处，对不同类型材料的研究可以相互借鉴，从而促进学科的发展。

虽然不同类型的材料各有其专用测试设备与生产装置，但各类材料的研究检测设备与生产手段有颇多共同之处。

在材料生产中，许多加工装置的原理也有颇多相通之处．可以相互借鉴，从而加速材料的发展。

第三，许多不同类型的材料可以相互替代和补充，能更充分发挥各种材料的优越性，达到物尽其用的目的。

但长期以来，金属、高分子及无机非金属材料自成体系，缺乏沟通。

由于互不了解，不利于发展创新，对复合材料的发展也极不利。

材料科学有三个重要属性：一是多学科交叉，它是物理学、化学、冶金学、金属学、陶瓷、高分子化学及计算科学相互融合与交叉的结果，如生物医用材料要涉及医学、生物学及现代分子生物学等学科；二是一种与实际使用结合非常密切的科学，发展材料科学的目的在于开发新材料，提高材料的性能和质量，合理使用材料，同时降低材料成本和减少污染等；三是材料科学是一个正在发展巾的科学，不像物理学、化学已经有一个很成熟的体系，材料科学将随各有关学科的发展而得到充实和完善。

材料的分类
分类依据
1.按材料的凝聚状态分类
2.按材料的维度分类
3.按材料的尺寸分类
4.按材料的结晶状态分类
5.按材料的使用领域分类
6.按材料的性能分类
7.按材料的化学组成（或基本组成）分类
1.按材料的凝聚状态分类
气态液态固态
2.按材料的维度分类
一维材料（纤维及晶须）零维材料
（量子点或纳米团簇）二维材料
（薄膜）三维材料（块体）
3.按材料的尺寸分类
宏观(Macro-):＞10-5m,肉眼可见上至无限介观(Meso-):10-10～10-6m,
出现量子相干现象,包括团
簇、纳米和亚微米体系。

纳米(Nano-)：
10-9～10-7m
（1～100nm）
微观(Micro-):
＜10-10m,原子分
子下至无限
4.按材料的结晶状态分类
单晶材料多晶材料准晶材料非晶态材料
液晶态材料
5.按材料的使用领域分类
建筑电子机械生物能源包装医学
航空航天。

材料科学基础第一章绪论第二章怎么做：从原料到产品第三章怎么样：从结构到功能第四章是什么：从宏观到微观第五章纳米材料第1章绪论1、什么是材料2、材料的地位3、材料的分类4、常见材料的用途5、材料研究的内涵-----四要素6、材料研究的外延------相关学科7、材料的学科定位材料性能提高材料的使用范围扩大材料性能提高材料的使用范围扩大材料是用来制造器件的物质。

人类文明的发展依赖于材料的进步。

旧石器时代：约170万年前~约公元前8000年新石器时代：约公元前8000年~约公元前3000年青铜器时代：约公元前3000年~约公元前1000年铁器时代：约公元前1000以后钢铁时代： 1850年以后材料性能提高材料的使用范围扩大钢铁时代 1854和1864年发明了转炉和平炉炼钢。

新材料时代半导体材料的发展制作越来越小的硅芯片新材料时代，这一时代的特征是:不像以前的各个材料时代，它是一个由多种材料决定社会和经济发展的时代;新材料以人造为特征，而不是在自然界中有现成的。

尼龙的商业发展是高分子材料发展的关键时期高温合金的发展，掺镍合金促进了喷气发动机的发展高温超导体，高温超导的革命时代。

人类文明社会的先导--新材料1、材料的发展史，就是人类社会的发展史2、材料的发展史，就是科学技术的发展史材料的分类从化学组成和原子结构角度分类金属材料 (Metals) 无机非金属材料 (Ceramics)高分子材料 (Polymers)复合材料 (Composites) 从特性和性质角度分类结构材料 (力学性能)功能材料 (化学性能和物理性能)从应用角度分类航空材料建筑材料电子材料半导体材料生物材料智能材料纳米材料…主要材料的特性和用途金属材料化学组成和原子结构金属材料是由一种或几种金属元素以及少量的非金属元素的无机物。

合金是由两种或两种以上的金属元素和非金属元素构成的，其中至少一种是金属元素。

金属元素: iron(Fe), copper (Cu), aluminum (Al),magnesium(Mg), nickel(Ni), titanium(Ti)非金属元素: Carbon(C), nitrogen (N), oxygen (O),晶体结构是原子定向排列。

材料科学基础第一章第一章：基本概念和定义材料科学是研究材料性质、结构和制备方法的学科，它是现代科学和工程技术的基础之一、材料科学的发展与人类社会的进步息息相关，它为现代化生产和科技创新提供了重要的支撑。

材料是构成物质的基本单元，是由原子、离子或分子组成的。

材料可分为金属材料、非金属材料和新型材料三大类。

其中，金属材料具有良好的导电性和热传导性，主要用于制造工程结构和电子器件；非金属材料具有绝缘性和高温耐受性，主要用于绝缘和耐火材料；新型材料则是指在人工合成的基础上通过改变晶格结构、添加元素等手段制造出来的材料。

材料科学的研究对象主要包括材料的结构、性能、制备方法和应用等。

材料的结构是指材料的组织形态，包括晶体结构、非晶态结构和微观结构等。

晶体结构是指材料中原子、离子或分子排列成有序的方式，它对材料性能有重要影响。

非晶态结构是指材料中原子、离子或分子排列成无序的方式，具有特殊的物理和化学性质。

微观结构是指材料中原子、离子或分子的尺寸和形态分布等，它也会直接影响材料的性能。

材料的性能是指材料在特定条件下表现出来的特性，包括机械性能、电磁性能、热性能、化学性能和光学性能等。

机械性能是指材料在外力作用下的变形和破坏行为，主要包括强度、硬度和韧性等。

电磁性能是指材料在电场、磁场和光场等作用下的响应能力，主要包括导电性、磁性和光学性质等。

热性能是指材料在热力学条件下的热传导、膨胀和熔化等特性。

化学性能是指材料与其他物质之间的化学反应和变化行为，主要包括腐蚀性、氧化性和还原性等。

光学性能是指材料对光的透射、反射和吸收等特性。

材料的制备方法是指制造材料的过程和方法，主要包括物理方法、化学方法和生物方法等。

物理方法是指通过物理性质的变化来改变材料的结构和性能，如高温熔炼、沉淀和烧结等。

化学方法是指通过化学反应来合成材料，如溶胶-凝胶法、沉淀法和电化学方法等。

生物方法是指利用生物体或生物分子来制备材料，如生物矿化和生物复合材料等。

材料科学基础1绪论材料科学是研究材料的性质、结构、制备、性能和应用的学科，具有广泛的领域和深远的影响。

材料是构成物质世界的基本单元，不同材料具有不同的特性和用途。

材料科学基础就是研究材料的基本原理和基础知识，为后续的材料科学研究和应用打下坚实的基础。

材料科学基础研究的内容包括材料的组成、结构、性质以及制备和加工技术等方面。

首先，材料的组成是指材料的成分和元素的种类和比例。

不同的元素组合可以形成不同的材料，例如金属、陶瓷、塑料等。

其次，材料的结构是指材料内部的原子、分子或晶体的排列方式。

不同的结构决定了材料的性质。

再次，材料的性质是指材料特定条件下所表现出来的特征和行为。

例如，强度、硬度、导电性、热传导性等都是材料的性质。

最后，材料的制备和加工技术是指制备材料的方法和工艺，例如熔炼、凝固、烧结、激光制造等。

制备和加工技术可以改变材料的结构和性质，从而满足不同的需求和应用。

材料科学在许多领域中都起着关键的作用。

首先，在材料工程领域，材料科学的基础研究为新材料的设计和开发提供了理论支持和指导。

新材料的研发可以改善产品的性能和功能，从而推动技术进步和社会发展。

其次，在能源领域，材料科学的研究可以帮助开发高效的能源材料和设备，例如太阳能电池、锂离子电池等，促进可再生能源的利用和节能减排。

此外，在医学领域，材料科学的研究为生物材料的设计和应用提供了基础，例如人工关节、组织工程材料等，改善了医疗技术和治疗效果。

材料科学基础的研究方法包括实验研究和理论分析。

实验研究是获取材料性质和行为的主要方法，通过实验可以测试材料的力学性能、导电性能、光学性能等。

实验结果可以用于验证理论模型和假设，并指导材料的设计和制备。

理论分析是对材料的组成、结构和性质进行推断和预测的一种方法，通过数学模型和计算机模拟可以分析材料的行为和相互作用。

实验研究和理论分析相互补充，在材料科学的研究中起着重要的作用。

总之，材料科学基础是研究材料的组成、结构、性质和制备技术的学科，对于材料科学的研究和应用具有重要的意义。