超轻多孔材料和结构创新构型的多功能化基础研究
项目名称： 超轻多孔材料和结构创新构型的多功能
化基础研究
首席科学家： 卢天健 西安交通大学
起止年限： 2006.1至2010.12
依托部门： 教育部
一、研究内容
本项目目标是与重大应用背景相结合（主要包括超轻多孔金属在高能耗运载装备、航天、机械、建筑、微电子散热部件中等的应用），从材料学、力学、计算数学、热学、电磁学、声学等学科交叉融合的角度，采用由微细观逐渐进入宏观领域的研究思路，建立超轻多孔金属材料和结构制备机理及性能表征的理论和技术体系；针对有代表性和重大应用背景的多孔金属结构，通过对多孔材料微结构和组织的优化设计，达到特定结构性能要求，实现从材料性能到结构性能一体化设计。本项目拟解决的关键科学问题和主要研究内容包括：
1高孔隙率多孔金属材料的制备机理研究及流变制备过程精确仿真和实现超轻多孔金属尤其是无序多孔金属制备中的关键科学问题包括材料多孔化的机理，金属熔体在多孔介质中的渗流过程，不同材质、不同性能的金属纤维与致密金属界面的形成机理，纳米模板技术制备介孔材料的合成机理，有序多孔金属结构自由成型方法及其制造过程的仿真，材料传输与成型条件可控制性及仿真，以及小尺寸下的塑性成形、质量迁移等复杂流固耦合、流变制备过程等。而流变过程除涉及材料非线性外，还涉及到几何流形和边界接触双重非线性大变形等基础科学问题。
主要研究内容：
（1）以汽车为应用对象的高比强度新型多组元泡沫铝合金的基础制备理论,以载人航天为应用对象的一致性控制孔隙率结构泡沫纯铝的基础制备理论及工艺优化方法，主要包括：熔体泡沫化制备过程中球形孔、多边形孔、泡沫形成规律及演变规律，TiH2热分解动力学与熔体泡沫化过程关系，凝固过程中与两相组分有关导热率的变化规律等；（2）泡沫铝合金异型件的制备理论，主要包括：泡沫生长规律、泡沫长大后的排液规律以及泡沫稳定性机理等；（3）通孔多样化泡沫金属制备理论的发展和创新，主要包括：金属熔体在多孔介质中的渗流过程、石膏型的强度与可溶性的协调、海绵骨架的加粗，梯度泡沫金属的制备手段等；（4）有序微结构多孔金属的可控性制造理论，主要包括：金属成形制造过程的热循环和材料组织转变过程规律，成形过程参数与显微组织相变、变形等关系，材料微观组织动态演化的精确仿真等；（5）创新构型金属纤维超薄层合结构制备的基础理论，主要包括：异材连接的界面物理化学过程及其界面微观结构、从微观到宏观的结构和形态的控制等；（6）多功能介孔材料制备的基础理论，主要包括：模板剂的种类及其用量、原料中杂质离子的浓度，原料的种类及用量，后处理等制备条件对材料介孔结构的影响等。
2 超轻多孔材料的力学、热学、声学、电磁学等性能表征理论体系
根据不同应用需求，超轻多孔材料的孔径有纳米、微米、毫米量级三大类，与其作为结构部件的最小几何特征尺寸常常相差不远。在此应用范围内，已有研究表明它们的材料性能具有显著的尺度效应，而基于连续介质假设下的力学、热学、声学、电磁学等传统理论并不能解释这种效应，具有明显的局限性。建立一种能准确表征超轻多孔材料与尺度相关的力学、热学、声学、电磁学等宏观性能的新理论体系以及如何在该理论框架下定量、可靠、系统地分析材料宏观性能与微结构之间的依赖关系是当前力学、材料学、物理学等学科的前沿科学问题。
主要研究内容：
超轻多孔材料从纳米到毫米孔径跨尺度本构行为的宏观唯象理论、微细观理论和计算模型；在机械和温度等多场载荷作用下的疲劳、断裂以及对缺陷的敏感性等破坏特性；应力波、冲击波和轻质物理波（声波、电磁波）在多孔材料中的传播机理以及对微细观结构的依赖性；金属泡沫等超轻多孔材料中的导热、对流、辐射特性,宏观传热与其微观结构的关系,微细多孔跨尺度下单相与两相传热机理, 综合传热效果的试验测定，数学模型、数值方法以及传热特征量的表征体系;超轻多孔机电材料的建模、静定结构分析、材料选择、材料特性及本构关系等。
3 超轻多孔材料的微细观组织与结构的优化设计新理论
微结构的优化设计主要涉及到两大难题：一是在给定微结构几何构型下如何快速计算其宏观性能，二是优化用于描述微结构几何构型所需的大量变量的有效算法（待优化变量数庞大，往往成千上万甚至更多；多目标函数、多工况下的优化）。这些科学问题的正确解决，离不开在力学性能、热性能、物理波传播性能三大方面的特殊要求下，超轻多孔材料和结构设计多目标、多约束、多场耦合的大规模优化问题的提法和求解方法，以及材料与结构并发设计和多功能协同设计。
主要研究内容：
以超轻质多孔金属基多功能材料为背景，研究材料微结构和结构几何设计并发的设计理论；研究材料和结构在力场、热场、声场、电磁场等多场耦合条件下的力学性能（刚度、强度、韧性、稳定性等）、热性能(导热/对流/辐射)、波导性能（声波、电磁波、弹性波等物理波的传输、隔断以及响应等）等多功能协同的优化设计理论和方法。探讨轻质结构材料、轻质热性能材料、轻质物理波传播性能材料、以及多场耦合条件下轻质多功能结构/部件的宏观几何设计和材料微观构型设计并发的设计优化等问题的提法和求解方法，为轻质高强韧结构设计、防热/隔热材料设计、特定性能（特定力学、传热、波导性能等）材料设计提供有效的设计优化理论和方法。
4 纤维增强泡沫金属夹芯复合材料结构的多功能一体化构建理论
由于纤维增强泡沫金属多功能复合材料结构涉及不同材料及结构层次，因此对其进行制备以及力学和物理性能的研究具有较大的难度。拟解决的关键科学问题包括：纤维增强泡沫金属夹芯复合材料结构的成型工艺；复杂载荷作用下，纤维增强泡沫金属夹芯梁、板和壳的力学行为、损伤机理、强度准则以及冲击载荷作用下的失效过程、剩余寿命预报、可靠性评价等。
主要研究内容：
（1）针对汽车、高速列车、船舶、航天航空等领域典型的环境载荷，对纤维增强泡沫金属夹芯复合材料结构进行优化设计及分析，以确定最优的结构形式。（2）采用不同的结构成型工艺，以使制备出来的纤维增强泡沫金属夹芯复合材料结构件满足不同性能指标的要求。（3）纤维增强泡沫金属夹芯复合材料结构的失效机理和破坏模式研究，包括强度准则的确定；宏观性能预报；热机械载荷作用下的大挠度弯曲行为、屈曲和后屈曲行为以及塑性屈曲行为；冲击载荷作用下的剩余刚度及强度预报；复杂载荷作用下的失效破坏研究。（4）纤维增强泡沫金属夹芯复合材料结构的物理性能研究。（5）可靠性评价。
本项目目标是与重大应用背景相结合（主要包括超轻多孔金属在高能耗运载装备、航天、机械、建筑、微电子散热部件中等的应用），从材料学、力学、计算数学、热学、电磁学、声学等学科交叉融合的角度，采用由微细观逐渐进入宏观领域的研究思路，建立超轻多孔金属材料和结构制备机理及性能表征的理论和技术体系；针对有代表性和重大应用背景的多孔金属结构，通过对多孔材料微结构和组织的优化设计，达到特定结构性能要求，实现从材料性能到结构性能一体化设计。本项目拟解决的关键科学问题和主要研究内容包括：
1高孔隙率多孔金属材料的制备机理研究及流变制备过程精确仿真和实现超轻多孔金属尤其是无序多孔金属制备中的关键科学问题包括材料多孔化的机理，金属熔体在多孔介质中的渗流过程，不同材质、不同性能的金属纤维与致密金属界面的形成机理，纳米模板技术制备介孔材料的合成机理，有序多孔金属结构自由成型方法及其制造过程的仿真，材料传输与成型条件可控制性及仿真，以及小尺寸下的塑性成形、质量迁移等复杂流固耦合、流变制备过程等。而流变过程除涉及材料非线性外，还涉及到几何流形和边界接触双重非线性大变形等基础科学问题。
主要研究内容：
（1）以汽车为应用对象的高比强度新型多组元泡沫铝合金的基础制备理论,以载人航天为应用对象的一致性控制孔隙率结构泡沫纯铝的基础制备理论及工艺优化方法，主要包括：熔体泡沫化制备过程中球形孔、多边形孔、泡沫形成规律及演变规律，TiH2热分解动力学与熔体泡沫化过程关系，凝固过程中与两相组分有关导热率的变化规律等；（2）泡沫铝合金异型件的制备理论，主要包括：泡沫生长规律、泡沫长大后的排液规律以及泡沫稳定性机理等；（3）通孔多样化泡沫金属制备理论的发展和创新，主要包括：金属熔体在多孔介质中的渗流过程、石膏型的强度与可溶性的协调、海绵骨架的加粗，梯度泡沫金属的制备手段等；（4）有序微结构多孔金属的可控性制造理论，主要包括：金属成形制造过程的热循环和材料组织转变过程规律，成形过程参数与显微组织相变、变形等关系，材料微观组织动态演化的精确仿真等；（5）创新构型金属纤维超薄层合结构制备的基础理论，主要包括：异材连接的界面物理化学过程及其界面微观结构、从微观到宏观的结构和形态的控制等；（6）多功能介孔材料制备的基础理论，主要包括：模板剂的种类及其用量、原料中杂质离子的浓度，原料的种类及用量，后处理等制备条件对材料介孔结构的影响等。
2 超轻多孔材料的力学、热学、声学、电磁学等性能表征理论体系
根据不同应用需求，超轻多孔材料的孔径有纳米、微米、毫米量级三大类，与其作为结构部件的最小几何特征尺寸常常相差不远。在此应用范围内，已有研究表明它们的材料性能具有显著的尺度效应，而基于连续介质假设下的力学、热学、声学、电磁学等传统理论并不能解释这种效应，具有明显的局限性。建立一种能准确表征超轻多孔材料与尺度相关的力学、热学、声学、电磁学等宏观性能的新理论体系以及如何在该理论框架下定量、可靠、系统地分析材料宏观性能与微结构之间的依赖关系是当前力学、材料学、物理学等学科的前沿科学问题。
主要研究内容：
超轻多孔材料从纳米到毫米孔径跨尺度本构行为的宏观唯象理论、微细观理论和计算模型；在机械和温度等多场载荷作用下的疲劳、断裂以及对缺陷的敏感
性等破坏特性；应力波、冲击波和轻质物理波（声波、电磁波）在多孔材料中的传播机理以及对微细观结构的依赖性；金属泡沫等超轻多孔材料中的导热、对流、辐射特性,宏观传热与其微观结构的关系,微细多孔跨尺度下单相与两相传热机理, 综合传热效果的试验测定，数学模型、数值方法以及传热特征量的表征体系;超轻多孔机电材料的建模、静定结构分析、材料选择、材料特性及本构关系等。
3 超轻多孔材料的微细观组织与结构的优化设计新理论
微结构的优化设计主要涉及到两大难题：一是在给定微结构几何构型下如何快速计算其宏观性能，二是优化用于描述微结构几何构型所需的大量变量的有效算法（待优化变量数庞大，往往成千上万甚至更多；多目标函数、多工况下的优化）。这些科学问题的正确解决，离不开在力学性能、热性能、物理波传播性能三大方面的特殊要求下，超轻多孔材料和结构设计多目标、多约束、多场耦合的大规模优化问题的提法和求解方法，以及材料与结构并发设计和多功能协同设计。
主要研究内容：
以超轻质多孔金属基多功能材料为背景，研究材料微结构和结构几何设计并发的设计理论；研究材料和结构在力场、热场、声场、电磁场等多场耦合条件下的力学性能（刚度、强度、韧性、稳定性等）、热性能(导热/对流/辐射)、波导性能（声波、电磁波、弹性波等物理波的传输、隔断以及响应等）等多功能协同的优化设计理论和方法。探讨轻质结构材料、轻质热性能材料、轻质物理波传播性能材料、以及多场耦合条件下轻质多功能结构/部件的宏观几何设计和材料微观构型设计并发的设计优化等问题的提法和求解方法，为轻质高强韧结构设计、防热/隔热材料设计、特定性能（特定力学、传热、波导性能等）材料设计提供有效的设计优化理论和方法。
4 纤维增强泡沫金属夹芯复合材料结构的多功能一体化构建理论
由于纤维增强泡沫金属多功能复合材料结构涉及不同材料及结构层次，因此对其进行制备以及力学和物理性能的研究具有较大的难度。拟解决的关键科学问题包括：纤维增强泡沫金属夹芯复合材料结构的成型工艺；复杂载荷作用下，纤维增强泡沫金属夹芯梁、板和壳的力学行为、损伤机理、强度准则以及冲击载荷作用下的失效过程、剩余寿命预报、可靠性评价等。
主要研究内容：
（1）针对汽车、高速列车、船舶、航天航空等领域典型的环境载荷，对纤维增强泡沫金属夹芯复合材料结构进行优化设计及分析，以确定最优的结构形式。（2）采用不同的结构成型工艺，以使制备出来的纤维增强泡沫金属夹芯复合材料结构件满足不同性能指标的要求。（3）纤维增强泡沫金属夹芯复合材料结构的失效机理和破坏模式研究，包括强度准则的确定；宏观性能预报；热机械载荷作用下的大挠度弯曲行为、屈曲和后屈曲行为以及塑性屈曲行为；冲击载荷作用下的剩余刚度及强度预报；复杂载荷作用下的失效破坏研究。（4）纤维增强泡沫金属夹芯复合材料结构的物理性能研究。（5）可靠性评价。
二、预期目标
1 总体目标
本项目将针对以节能、净化、超轻质、多孔、多功能为特征的新材料体系，以现实的国家重大需求为牵引，以发展和建立超轻多孔材料的完整科学和技术体系为目标，交叉融合材料科学与工程、力学、计算数学、热学、声学、机械学、微电子学等学科，重点进行制备机理与手段、流变制备过程精确仿真和实现、宏微观性能表征及其尺度效应、材料与结构创新构型优化设计的基础理论研究；针对材料在典型力/热/声/电磁外场及其耦合状态下的复合性能，形成系统规范的表征方法、测试与评价技术，最终实现对材料的微观构型与宏观结构/部件进行一体化多学科协同设计。通过该项目的实施，发表一批高质量的学术论文；出版理论体系明确、特色鲜明的学术专著3~5部；培养造就一支团结合作、富有朝气和创新精神的多孔金属的基础与高技术研究队伍。
2 五年预期目标
科学理论层面：
1) 揭示熔体中泡沫化制备过程中球形孔/多边形孔/泡沫的形成规律及演变规律、TiH2热分解动力学与熔体泡沫化过程的关系以及凝固过程中与两相组分有关导热率的变化规律；建立泡沫铝合金异型件制备过程中泡沫生长规律、泡沫长大后的排液规律以及泡沫稳定性机理；实现对超轻栅格材料和超轻纤维复合多孔金属从微观到宏观的结构和形态的定量控制；揭示异材连接的界面物理化学过程及其界面微观结构；揭示模板剂制备介孔材料的合成机理；揭示多尺度有序多孔结构的制备过程中材料传输与成型条件控制机理，以及金属成形制造过程的热循环和材料组织转变过程规律；建立材料非线性、几何流形及边界接触的非线性大变形流变过程的有效数值模拟方法；实现对材料微观组织动态演化的精确仿真。
2) 建立超轻多孔材料从纳米到毫米孔径跨尺度本构行为的宏观唯象理论、微细观理论和计算模型；揭示在撞击、爆炸冲击波作用下应力波在多孔材料中的传播机理和衰减规律及对细观结构的依赖性，建立强动载荷下超轻多孔材料和结构的动态损伤理论；揭示多孔金属材料的流动传热特性，建立宏观传热微观结构的定量关系，研究在微细多孔跨尺度下单相与两相传热机理，揭示沸腾传热机理、冷凝传热机理及多孔介质燃油机理，建立有效的数学模型及传热特征量的表征体系；建立毫米波和厘米波在多孔金属材料中的传播理论，奠定多孔金属材料在声/电磁屏蔽和声/电磁吸收领域的应用基础，指导具有特殊吸波或屏蔽功能的多孔金属材料的微孔结构优化设计，发展相应的表征方法和技术，并探寻是否存在能够透波的新型复合结构多孔金属材料。
3）基于现有轻质多功能结构优质构型的组合、协调和仿生设计的新构型设计技术，建立既能提供结构拓扑、形状和尺寸几何属性参数，又能提供结构内部材料属性参数（微结构描述参数及其随空间位置变化）的材料设计和结构设计一体化的设计优化理论和方法，以及协同考虑多种功能、集多种功能于一体的设计理论和方法。
4) 发展纤维增强泡沫金属夹芯复合材料结构的细观力学理论，给出该类结构的宏观有效性能的预报公式；发展纤维增强泡沫金属夹芯结构的稳定性理论，确定该类结构的临界屈曲载荷；基于破坏性实验及无损检测技术，表征纤维增强
泡沫金属夹芯结构的损伤机理和破坏模式，并建立材料破坏的相应强度准则；建立复合材料结构失效破坏过程的细观力学模型，对其失效过程进行数值模拟，揭示这类结构失效破坏的内在本质。
关键技术层次：
1）研制高性能闭孔和通孔泡沫金属及其三明治结构、泡沫铝合金异型件、栅格金属、金属纤维复合多孔材料、多功能纳米介孔材料，建立多套针对不同国家需求的示范系统，形成多孔金属制备和装备等方面的专有技术与发明专利10项以上。
2）在建立多孔材料微结构尺度与结构/系统跨尺度分析的理论基础上，发展多场耦合下材料宏观和微细观性能的数值表征方法，掌握跨尺度材料行为数值模拟技术，包括：周期单元胞和三维超级单元胞有限元方法；汽车碰撞等的计算机仿真；充分考虑泡沫支架导热及沸腾/凝结中的相互影响及耦合以及动量方程中的非线性项在两相流动中的作用的数值方法; 非规则开放式孔隙多孔金属材料中厘米波和毫米波的传播规律以及三维多界面的反射、透射对传播规律的影响等，为多孔材料性能的正确表征提供数值模拟基础。
3）结合基础理论研究，针对典型的多孔材料及其复合结构，发展力学、热学、波导等性能基本参量的实验表征方法，包括：高速摄像机和应变片拍摄和记录多孔金属在不同冲击速度下的受力分布、形变和能量传递过程；采用光学测试系统测量多孔材料的相变传热及以红外线热成像系统测量表面连续温度场；结合体视荧光显微镜，高速摄影快速变化过程中的流型变化等。借助高分辨电子显微镜、纳米压入原子力显微镜、静态/疲劳拉伸台、冲击平台、超声C扫描仪、X-射线探测仪、高速数字摄像机、超高温测试设备、微流体光学平台、噪声测量用消声室、激振和测振系统等先进仪器和设备，建立比较完备的关于材料从纳米到毫米的介观性能和结构特征的表征方法、检测平台和测试规范，形成10项以上专有技术和发明专利。
4）在多孔材料创新设计方面，提供：新型微观构型的线性、非线性等效性质的分析计算方法；含缺陷以及参数具有不确定性条件下的材料等效性质的离散特征分析技术；基于新体系轻质材料，考虑弹塑性性质、阻尼特性、热传输性能、电磁性能、波导性能等的结构优化设计理论和方法；桁架类空心材料结构、微层板结构、夹芯结构等典型组合结构的优化设计；材料性能和结构功能指标因子研究以及基于多指标因子的材料和结构并发设计方法；跨尺度优化问题的提法以及有效的求解方法研究，跨尺度参数间敏度分析方法；多物理场耦合作用下材料与结构多尺度分析方法等。
5) 发展新的复合材料结构制备工艺，研制出满足不同功能需求的纤维增强泡沫金属夹芯超轻多功能复合材料结构，形成该类复合材料结构制备的专有技术与发明专利4项。发展纤维增强泡沫金属夹芯结构失效破坏的实验表征方法，以用于结构失效破坏的细观力学模型建立。针对纤维增强泡沫金属夹芯复合材料结构，发展相应的细观力学理论，建立复合材料结构内部的细观结构与其宏观有效性能的定量关系，以便于该类结构的优化及有效性能预报。针对航天航空、船舶、汽车、高速列车等领域，研制超轻多功能复合材料构件，如航天器上的超轻-隔热结构,汽车上的超轻-吸能-减振结构,飞机、舰艇及高速列车上的超轻-减振-降噪结构等，以满足工程实际的不同需求。
阶段性目标：
研究将分两个阶段进行，第一阶段（2006~2007），主要对多孔材料的制备理论和相关技术进行初步研究，揭示材料宏观性能和微细观结构的基本关系与表征理论，发展跨尺度数值模拟技术、基本性能参数的实验表征方法和一体化优化设计方法，为进一步的深入研究锁定目标和方向，并搭建好具体主攻内容的软硬件工作平台；第二阶段（2008~2010）为系统深入的高级研发阶段，主要针对共性关键科学问题展开攻关，全面实现项目的五年预期目标。
第一阶段目标：（2006~2007）
针对汽车、高速列车、飞行器等装备典型结构件所处的特殊环境，进行详细调研，确定明确的技术指标；建立具有国际先进水平的超轻多孔金属材料与结构制备和装备的组合实验平台，完成4~6种针对不同应用需求的多孔金属材料的设计、选材和制备方案；提出材料多孔化的机理；探索异材连接的界面设计、形成、演变及破坏机理；研究多孔有序结构自由成形成形过程中多参数耦合作用关系。
建立单一外场下（净载、动载、强迫对流、高声强等）多孔材料性能及其尺度效应的表征新方法和相应的基础理论框架，以及材料性能基本参量（如刚度、强度、异材连接界面强度、断裂韧性、吸能、散热、吸波或屏蔽等）的评价方法和技术规范，包括物理模型与表征参量、耦合场模拟装置与信号检测、数值分析与计算机模拟；借助高分辨电子显微镜、纳米压入原子力显微镜、高速数字摄像机、红外相机、微流体光学平台等研究材料性能变化的物理机制，探索材料性能存在尺度效应的物理机制。
建立基于拓扑优化的轻质材料新体系微观构型的创新设计的基础理论框架，针对某些具有特定性能的材料微观构型，确定微结构参数描述、微结构采参数与宏观性能间的依赖关系，建立实现特定性能材料的设计方法，发展具有特异性质的材料的发现和设计的创新方法。
根据航空、航天、船舶、高速列车领域典型结构件所处的特殊环境，对泡沫金属材料和复合材料进行选材。根据环境载荷及技术指标的要求，对纤维增强泡沫金属夹芯结构进行优化设计和分析，以使结构的比强度、比刚度、稳定性、吸声特性、减振特性、传热特性、吸能特性达到技术指标的要求。根据优化设计方案，发展不同的成型工艺，采用泡沫金属芯子、纤维柱和复合材料面板一体固化的方式，制备纤维增强泡沫金属夹芯超轻多功能复合材料结构。
第二阶段目标：（2008~2010）
针对汽车、高速列车、航天等不同的背景需求，进一步深入研究超轻多功能多孔金属材料的不同制备工艺，建立完整的多孔金属材料制备理论体系，改造和完善材料制备及检测实验平台；根据优化设计结果，制备满足不同需求的创新构型多功能多孔材料；制备工程实际中需要的部分典型结构件。
建立描述多孔材料静力学特性、动力学特性、稳定性、阻尼特性、吸波或屏蔽特性和冲击特性的数学模型或物理模型，侧重于材料微细观形貌对其宏观性能的影响及尺度效应；提供不同微结构的缓冲特性参数的阈值估计，以及强冲击条件下不同多孔材料的耗能指数的估计；围绕多孔材料的损伤机理和破坏模式，确立检测技术和评价方法，研制出相应的仪器装置；确立多孔金属微结构的动力学优化准则；揭示不同结构形式的多孔材料对轻质物理波传播的影响规律；发展多
孔材料导热、强制对流、辐射换热、复合传热、相变传热的理论，建立相应的数值模型和实验系统，提出一批对流换热的实验关联式。
针对周期性和确定性细观构造模型，建立多物理场耦合作用下的、稳态与瞬态物理和力学问题的双尺度数学模型，相应的多尺度计算方法，及相关的数学理论研究；针对随机性构造的材料模型，按其构造特征建立相应的材料性能预测的多尺度计算方法和相关的数学理论研究；针对其结构的稳态与瞬态行为，提出相应的多尺度算法，并开发高性能数值模拟的软件技术；针对高温、撞击出现的高应变率以及力场与物理场耦合作用的极端环境，发展多孔材料夹心复合层板一体化的物理和力学行为的、线性与局部非线性的多尺度算法，编写相应的计算程序，并与实验数据比较，以检验算法的可用性。为材料与结构的综合性能评价及一体化优化设计提供可靠、实用的理论模型和高性能的计算方法。
开展纤维增强泡沫金属夹芯超轻多功能复合材料结构的冲击试验，表征结构受冲击后的损伤机理和破坏模式，建立其细观力学分析模型，以预报其剩余寿命；针对这类结构形式，开展细观力学研究，建立材料内部细观结构与其宏观有效性能的定量关系；研究结构在外压及轴压作用下的变形及稳定性问题；发展细观损伤力学、断裂力学和数值模拟方法，为这类结构在复杂载荷作用下的可靠性评价奠定基础；在其它子课题对泡沫金属材料的吸声特性、阻尼特性、传热特性所开展的研究工作基础上，开展纤维增强泡沫金属夹芯结构的降噪、减振、隔热或散热性能的研究。根据工程实际需求，制备典型的纤维增强泡沫金属夹芯构件，并与目前使用的结构系统和功能系统进行比较研究。
基于上述基础理论和评测方法研究，提供一套多场耦合下多孔金属材料及结构服役寿命预测与可靠性的设计指标及相应的技术规范，并在汽车、高速列车、航天等方面取得示范性应用，包括抗碰撞/冲击的高能量吸收闭孔泡沫铝合金组件，具有优良散热、降噪、吸波能力的通孔泡沫金属部件等；同时在项目承担单位建立多孔金属性能表征的基础科学研究基地，开展具有系统性、前瞻性的科学研究和规范化的技术方法探索。
三、研究方案
为实现项目的总体目标，本项目拟订的总体学术思路是以材料与结构创新构型理论为基础，以节约能源、减少环境污染等国家重大需求为牵引，从材料制备着手，以研究多样化性能及设计方法为手段，从材料、力学、数学、传热学、声学、电磁学等学科交叉融合的角度，以多孔金属材料的力学和其它物理参数存在尺度效应这一认识为出发点，采用由微细观逐渐进入宏观领域的研究思路，针对超轻多孔金属材料的性能表征及其尺度效应这一学科前沿课题开展规范化、系统化的深入研究。通过本项目的实施，实现多孔材料“需求－设计－制备”的一体化，从而实现从“选择材料”到“创造材料”。
1技术路线与具体措施
本项目将集中优势力量，重点突破超轻多孔金属材料与结构制备及应用中所涉及的共性理论和关键技术。
在制备方面，创新的关键在于发展具有自主知识产权的自制设备而不是进口。拟对原有泡沫化制备设备进行以计算机优化过程控制参数为目标的大幅度改进，再加上精确描述粘度及泡沫化界面推移的实时检测设备，使其成为具有国际先进水平的过程检测、控制及优化设备；将进一部完善TiH2发泡剂动力学TPD装置（程序升温热分解装置）这一国际领先的特有装置及其原理和方法；对金属或复合材料面板表面进行特殊处理，以保证多孔金属与面板的结合强度；改进以化学法合成制备介孔材料的模板剂技术，采用新原料、探索模板剂新制备方法以获得孔结构稳定、孔隙率和孔比表面积较高的性能优越的介孔材料；改进并完善基于微弧焊的直接金属成形技术的硬件系统及各子系统，软件系统的开发平台、系统结构和实现的方法；采用基于CCD的被动式视觉传感熔池控制方法以提高成形件表面质量；进一部完善基于原型的快速精铸制备工艺，确定最佳浆料浓度配比和型壳的焙烧工艺。
在多孔材料物理性能基本参量的测试与表征方面，拟利用纳米压入、微压痕等手段测量胞壁材料的基本力学性能；采用MTS、Instron等材料实验系统测定典型多孔金属试件的准静力材料性能和力学参数；采用高速摄像机和应变片拍摄和记录多孔金属（包括多孔梯度金属）在冲击载荷下的动态行为；通过落锤、Hopkinson压杆层裂、Taylor冲击以及平板冲击的激波加载等实验，建立超轻多孔材料和结构的动态本构理论；利用显微观测技术来表征多孔金属材料和结构的损伤机理和破坏模式；建立单相与两相换热的基本试验台，研究金属泡沫在几种典型单相与两相情况下的流动传热性能与其微观结构的关系；采用红外线热成像系统及光学测试系统对金属泡沫中的两相流型进行可视化研究,得出流型转换的基本规律；通过建立稳恒热源（电加热）的实验平台，对多孔散热和隔热材料进行热性能测试；采用现有磁场发生装置，设计多孔介质通道，采用导电流体进行磁场作用下的流动与传热实验；利用现有的电磁兼容试验设备和微波测试设备对各种不同结构的多孔金属材料的电磁波传输特性进行测量。
在多孔材料性能表征及尺度效应方面，拟采用宏观唯象理论、微细观理论和计算模型三种不同研究方法，其中微细观理论和计算针对有序和无序两种多孔材料分别采用周期单元胞和三维超级单元胞两种不同方法，通过微细观模型研究多孔材料和结构宏观性能与微观结构间的关系，同时通过计算模拟在实验上难以实现的加载情况，作为对试验的补充；以通用有限元程序作为基本工具，利用计算机对真实系统进行模拟，将实验测试和理论推导得出的反映材料和结构动态性能的本构关系、计算模型等通过编制相应的计算机子程序实现，采用有限元仿真模拟手段研究汽车等的碰撞安全性等；在基本连续介质力学控制方程的基础上，采用有限元等数值方法，配合实验研究，建立爆炸冲击波在超轻多孔材料和结构中的传播衰减理论；在实验、观察基础上，考察动量方程中非线性项与材料微观结构的关系,并提出相应的动量及能量改进模型，研究多孔材料的微观结构对流动及传热机理的影响机理；建立典型流动与传热过程的数学模型并发展与之相适应的有效数值方法，对金属泡沫中单相与两相流动与传热过程进行仿真研究；以电子器件冷却以及空气冷却器为对象，研究将多孔金属应用于工程实际的可能性；通过动态模拟，研究多孔金属制备中的质量迁移、热量传递等复杂流固耦合流变过程；建立用于仿真计算的开孔、闭孔、混合开闭孔的不同结构的物理和数学的一维和三维建模,结合有限元等数值方法进行不同结构下的不同波长轻质物理波的传播规律研究，在仿真计算和试验研究的基础上，从经典波导方程出发进行多孔金属材料的声波、电磁波传输理论分析。
在创新构型优化设计方面，拟通过仿生和优化两个途经探索超轻质结构的设计；在按这两个途经探索时，实现超轻质结构的重点，一是将结构构型的优化和材料的微结构优化同时考虑，二是所研究的材料和结构除了能承力，还要具备其他功能，如防热、隔振或特殊的电磁性能，并在结构不同部位优化使用具有不同复合功能、不同微结构的材料。上述技术路线可进一步展开为： a）复杂环境下考虑多约束的结构宏观几何构型的创新设计方法。研究在多物理场耦合环境下，考虑材料和几何的非线性，受到含应力、位移、动力特性等多种约束的结构拓扑优化技术。通过设计结构的拓扑形式，以使结构具有良好的力学性能的同时，具有良好的隔热或散热性能。由于具有特定微结构的一种超轻材料不可能具有所有的优点，利用结构拓扑优化等先进技术，研究多种超轻材料的组合、协调与配合使用技术，以达到在轻质、高强韧、多功能等要求下的轻质材料和结构并发设计。
b）基于拓扑优化的轻质材料新体系微观构型的创新设计理论。1) 我们研究的材料从微观来看(这儿的微观是纳米、微米或毫米量级)，是一个结构。当由这种材料组成的结构用来承担外力时，为了分析其极限承载能力，必须考虑结构宏观失稳和微观失稳；2) 由于制造、生产过程和材料本身的不确定性，具有微观构型的材料的宏观性质也具有不确定性，进一步影响到结构宏观性能的不确定性。因此，需要研究这些不确定性参数对宏观材料性质的影响，研究等效性质的离散特征和统计特征的分析技术；3) 根据工程结构的功能对材料性质的特殊要求，利用拓扑优化理论，研究特定性能材料的设计理论和方法；4) 针对桁架类夹芯结构，利用拓扑优化技术，进行芯体材料微结构拓扑形式的创新设计，以使夹芯结构整体具有轻质高强韧和高散热等特性；5)综合考虑材料的传热性能、强度、刚度和重量要求，设计材料的微结构拓扑形式和骨架材料的形状、尺寸，建立多目标、多学科拓扑优化设计模型，研究该问题的优化方法。
在纤维增强泡沫金属夹芯复合材料方面，根据结构件的特殊环境要求以及结构优化设计的结果，研制能够满足工艺要求的模具，探索这种空间仿生夹芯结构与面板同时成型的成型工艺，使得在夹芯板成型固化后芯材与面板没有界面。利用课题1、2、3、4、5关于泡沫金属材料的研究成果，开展纤维增强泡沫金属夹芯复合材料结构的力学及物理性能的研究，主要包括结构的失效机理及破坏过程、稳定性、动态响应、阻尼特性、降噪特性、吸能特性、可靠性评价等。在以上研究成果的基础上，针对航空航天、船舶、汽车、高速列车等运载工具所提出的特殊要求，制备具有吸能、减振、隔热或散热、降噪功能的纤维增强泡沫金属夹芯超轻多功能复合材料结构的典型件，以验证本项目的研究成果。
2 创新点与特色
本项目的特色和创新点主要体现在：
1）采用“需求－设计－制备”一体化的方法研制多功能超轻多孔材料，从而实现从“选择材料”到“创造材料”的飞跃（方法创新）；
2）以国家需求为牵引，将超轻多孔材料的结构功能和其减震、传热、降噪、吸能等特性相耦合，达到节约能源、净化环境等多重目的（功能创新）。
3）准确表征超轻多孔材料与尺度相关的力学、热学、声学、电磁学等宏观性能的新理论体系，并据此在多物理场耦合环境下定量、可靠、系统地分析材料
宏观性能与微结构之间的依赖关系（理论创新）；
4）利用超轻多孔材料若干性能表征的新理论及拓扑优化等先进技术，对材料的宏观几何构型和微观构型的一体化创新设计进行深层次的研究，同时考虑制造工艺和其它非结构功能的影响（体系创新）。
3 研究方案的可行性分析
本项目的学术思想和研究方案是建立在对相关国内外研究现状与发展趋势的深入分析和各主要建议单位已有坚实的相关前期工作基础之上。
在国家前期相关项目的支持下，在与本项目有关的研究的不同侧面，各建议单位已取得了不同程度的良好进展，积累了较丰富的研究经验、研究基础和技术储备，某些关键性的理论和技术已处于突破的边缘，部分结果已获国际承认，特别是超轻多孔金属的制备和面向国家需求的重大应用，材料与结构一体化优化设计，以及多孔金属宏微观性能的力学、传热学、声学等研究领域的基础理论研究方面已取得了一系列重要成果，其中部分成果居于国际领先或国际先进水平。
东南大学超轻型金属结构实验室自1988年以来一直从事多种形式超轻型金属结构的制备、结构、性能及高技术应用研究，制备及应用保持在国际前沿水平，拥有专业研究队伍：教授、博士后、博士等20人。在10项国家自然科学基金委项目(包括重点项目)及国家载人航天、国家实验、兵器、军用船舶项目连续资助下，迄今已在“中国科学”、“科学通报”发表文章5篇，“材料研究学报”14篇，共计65篇文章；获得及申报发明专利12项，在载人航天、国家试验等四个不同高技术领域都取得了国际水平的创新成果，并在世界上率先研制出高比强度泡沫铝合金。为适应多种形式高技术前沿需求，实验室自行设计和建造了多种设备，其中包括多套熔体泡沫化制备闭孔泡沫金属的设备及辅助设备，熔体在多孔介质中渗流制备通孔泡沫金属的设备及辅助设备，自制了多台（套）控制分析设备和专用压力机。东南大学分析中心及力学实验室拥有所需的各种仪器及实验设备，而协作单位南京大学微结构国家实验室拥有阻尼研究的全套设备，为实施本项目多种高技术及汽车需求提供了良好的前期工作基础及实验条件。
在材料力学行为跨尺度数值模拟与力学建模、固体本构理论和材料的宏微观破坏力学等研究方向，西安交大和清华大学、哈工大等在国家自然科学基金重大/重点项目、国家杰出青年科学基金、基金委优秀创新群体基金等项目资助下做出了高水平的研究工作，在国际固体力学影响因子最高的《固体的力学与物理杂志》上发表的论文数，近六年来在全球高校中约居第五名；发表在JCR统计的22种固体力学领域期刊中的SCI论文数也居前十位，所发表论文在国际上被他引超过二千余篇次。
在超轻多孔材料的热性能研究方面, 西安交大在过去五年对金属泡沫、栅格材料等多种超轻多孔金属的单相对流换热及高温下的导热和热辐射进行了系列研究, 在此领域积累了较为丰富的经验。在微尺度相变传热不稳定性等研究领域，中科院广州能源研究所近年来开展了较为系统的研究，揭示了微时间尺度变化的流型转换与其微通道内复杂的传热传质机理。
在材料和结构优化设计领域，近十年来，微结构概念和均匀化理论被成功地应用于连续体结构拓扑优化设计，将拓扑优化问题转化为在给定区域内的最优材料分布问题。采用均匀化方法、变密度方法（SIMP）及进化方法等拓扑优化技术可以获得具有优良力学性能的结构的宏观构型。由于结构拓扑优化问题
的数学提法同材料设计问题的提法有类似性，已经可以采用已有的拓扑优化方法，在微观尺度上设计微结构的拓扑形式，以使材料具有所要求的热传导和刚度性质。发展这一类方法用于设计轻质多功能，包括隔热或散热特性以及屏蔽或吸波特性的材料是很有希望的。
大连理工大学和西北工业大学长期从事结构优化方面的研究工作，取得了一批丰硕的研究成果。在实心板优化、连续体结构优化、桁架结构拓扑优化的奇异最优解等方面的工作，受到国际同行的广泛重视，实心板优化和奇异最优解方面的工作被誉为“里程碑”性的工作。在复合材料性能预测研究、材料设计（梯度功能材料、零膨胀材料等特定性能材料）、多尺度计算、超轻质高强韧结构设计理论等方面开展了一系列工作，获得了有重要意义的成果，提出了材料设计和结构设计并发的超轻质结构设计新理念。已完成和正在执行的国家自然科学基金课题6项（包括国家自然科学基金重点项目“超轻质结构设计新理论）、“十五”重大研究计划“空天飞行器若干重大基础问题研究”的项目“轻质防热材料与结构设计新理论”、国家自然科学基金委创新群体科学基金项目“计算力学与工程科学计算”，教育部新世纪优秀人才计划项目、教育部优秀青年教师资助计划项目等一批重要科研项目。
西北有色金属研究院（NIN）是我国最早研制金属多孔材料的单位之一；是我国军用金属多孔材料的重点生产、研发单位，被确定为原子能和宇航工业用多孔金属材料的定点生产单位；长期承担该领域内的国家、行业和地方重大科技任务，在多孔金属材料方面具有很强的研究与开发能力。三十多年来，在粉末制取、模压成形、等静压成形、粉末轧制、粉浆挤压技术和烧结技术、焊接技术等方面做了许多开创性的工作。建成了我国最早的粉末烧结多孔材料生产线及不锈钢纤维毡生产线；拥有先进的生产设备及与世界接轨的检测设备；制订了我国全部烧结金属多孔材料及元件的标准和与世界接轨的专用检测标准；编写了国内唯一一部《粉末冶金多孔材料》专著。1995年建成国家计委“金属纤维及纤维毡生产线”工业示范项目，2000年该项目获国家科技进步二等奖。
在利用生物结构制备超轻多孔材料领域以及电磁波、声波在生物态多孔材料的干涉、传输和吸收等方面，上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室近年来进行了较为系统的研究。借鉴大自然千百万年来优胜劣汰自然进化的生物结构，实现了多尺度、多层次、多组分和多种类生物态多孔陶瓷和生物态多孔金属等多孔材料的有效调控和构筑，所提出的利用生物结构遗态实现材料的组分－多孔拓扑结构－物理波吸收或者隔断的多结构－多功能有效统一的学术思想受到了日本、德国、香港等国内外同行的承认和关注，建立了稳定的国际合作研究，并具备了良好的前期研究基础和技术积累。
创新构型纤维增强泡沫金属夹芯复合材料结构的研究方案是在广泛查阅文献和深入讨论、结合哈尔滨工业大学多年的研究基础上提出的。作为一种新型的超轻多功能复合材料结构，有关其制备、力学性能和物理性能的研究还未见报道，但在纤维增强泡沫塑料夹芯复合材料结构的制备及力学性能表征方面，哈工大已开展了一些前期的工作，积累了较丰富的研究经验，为本课题的开展奠定了较好的基础。另外，哈工大具有较为完备的实验条件和分析软件，加上课题组在复合材料细观力学、复合材料及其结构的设计/分析/评价、复合材料结构的数值模拟、功能梯度材料断裂力学等方面的积累，可以保证本课题的顺利完成。
可以看出，在超轻多孔材料的制备、性能表征和优化设计这一学科前沿领域内，经过多年的合作与学术交流过程，来自国内高等院校与中科院的科技工作者已形成了一支老、中、青相结合，以年轻人为主的，具有相当实力、团结协作、开拓创新、思想活跃、勇于进取的研究群体队伍。该研究群体队伍的组成充分体现了跨学科（材料学、机械学、力学、数学、传热学、物理学等）、跨部门、强强联合、知识结构互补等特点，并且与国外相关知名研究单位已建立了很好的交流合作渠道和关系。我们的前期研究工作与发达国家相比差距并不大，甚至在某些方面居领先地位，为本项目的实施奠定了良好的基础。
现代科学技术的发展，无论是在基础理论还是在测试技术方面的新进展都使本项目研究的突破成为可能，并提供了测试、标定、模拟、仿真、微区分析等相关手段上的保障。项目主持和课题承担单位主要为国家或部门重点实验室，能够满足本项目实施所涉及的材料制备理论与方法、实验表征、理论建模与数值模拟、典型结构部件应用等各个环节的要求，在研究所需的各种基础条件方面可以得到完全保证。因此，本项目的研究实施具有很强的可行性，可望不仅在基础理论方面取得重点突破，在国际相关领域占有一席之地，而且会带来明显的经济和社会效益。
4 课题设置
为了实现项目总目标及解决项目中的共性关键科学问题，本项目共设置以下六个相互有机联系的课题：
课题1重点研究针对不同国家需求拟采用的几种典型超轻多孔材料制备过程中的相关基础科学问题，并为课题2、3、4提供实验试样；课题2、3、4重点研究超轻多孔材料的力学、传热、波导性能及其表征相关的基础科学问题；课题5则将基于2、3、4的研究结果，并与课题1相互配合，致力于研究超轻多孔材料与结构的创新构型设计及其优化的基础理论体系；而课题6的主要任务则是综合上述课题的研究结果，针对汽车、高速列车、航天等领域的典型使用环境，研究构建具有多重功能的纤维增强泡沫金属夹芯复合材料结构的基础科学问题。
通过以上研究，建立超轻多孔材料的理论体系与技术实现手段，培育一批创新意识强的高水平研究开发人才，形成一系列具有前瞻性及自主知识产权的高新技术成果。所设立的六个课题，互相之间有机关联，各有其研究的重点和侧重，特别是针对所共有的共性关键科学问题，形成了一个整体。每个课题的具体研究内容、目标、承担单位和主要人员及经费比例如下所示。
课题1创新构型超轻多孔材料的制备理论
研究目标：
瞄准节约能源、减少环境污染、轻量化等现实的国家重大目标和前瞻性重大需求，针对不同创新构型超轻多孔材料，发展关键设备和装备，充分积累试验规律，采用物理归纳、数学演绎和物理模拟等手段，从实验规律入手深入揭示并凝练多孔材料制备过程中的学科前沿科学问题及其物理本质。
研究内容：
1)研究熔体中泡沫化制备过程中的科学问题，揭示铝及铝合金熔体泡沫化过程中球形孔、多边形孔形成规律及演变规律，以及熔体中泡沫生长演变稳定规律；揭示球形孔、多边形孔生长与熔体孔隙率的关系；揭示TiH2热分解动力学与熔体泡沫化过程关系；研究泡沫化熔体凝固过程中特有的收缩，并揭示其物理本质；采用更精确方法测量熔体泡沫化界面生长推移过程并与熔体泡沫孔形状、熔体孔隙率之间建立联系。（2）研究泡沫铝合金异型件制备过程中发泡剂的分解动力学规律及熔体中泡沫生长规律；熔体及熔体泡沫的流变特性；泡沫合金再加热过程中的传热特性；泡沫长大后的排液规律以及泡沫稳定性机理。（3）研究通孔多样化及梯度金属泡沫制备过程中金属熔体在多孔介质中的渗流过程；石膏型的强度与可溶性的协调；采用化学方法加粗海绵骨架中的科学问题。（4）超轻栅格材料和金属纤维复合超薄三明治结构：从微观到宏观的结构和形态的控制，对材料在不同状态和层次上的结构进行定性、甚至定量地理解、描述和控制；界面的设计、形成、演变及破坏机理。（5）从合成路线的设计、制备工艺参数最优化等方面探索介孔多功能材料的制备方法；结合表征手段，对材料的功能性与其孔结构和表面性质之间的联系进行全面的系统化研究。（6）有序结构的可控性制造：基于增材制造原理多孔有序结构自由成形的工艺方法；金属成形制造过程的热循环和材料组织转变过程规律，环境因素对成形规律的仿真分析；直接金属成形过程建模，成形过程参数与显微组织相变、变形等关系。
承担单位：东南大学，西北有色金属研究院等
课题负责人：何德坪
主要承担人员：汤慧萍，何思渊，尚建库，赵万华，乔冠军
经费比例：25%
课题2多孔材料的力学行为和材料性能表征理论体系
研究目标：
系统地发展高孔隙率多孔材料微结构尺度与结构/系统跨尺度分析的理论及方法，揭示其宏观性能与微细观组织结构间定量关系，实现对多孔材料的准静态和动态力学行为的准确描述和表征，建立和完善测试方法和技术规范；针对不同国家目标需求，研究超轻多孔结构多功能化机理。
研究内容：
研究超轻多孔材料从纳米到毫米孔径的跨尺度本构行为，包括宏观唯象理 1)
论、微细观理论和计算模型三个方面。宏观唯象理论侧重于非比例复杂加载情况和大变形引起的各向异性行为，建立多孔材料宏观唯象弹塑性本构模型以描述非比例加载下的复杂应力－应变关系和大变形造成的各向异性行为以及材料本征尺度效应及梯度效应。微细观理论和计算针对有序和无序两种多孔材料采用周期单元胞和三维超级单元胞两种不同方法，通过微细观模型研究多孔材料和结构宏观性能与微观结构间的关系，以及它们对外加激励的响应机理，同时通过计算模
拟在实验上难以实现的加载情况，作为对试验的补充。通过试验和计算，研究有序多孔金属的界面结合强度及其破坏机理。2）研究超轻多孔结构的动态特性和动力学稳定性。通过高速摄像机和应变片拍摄和记录多孔金属（包括多孔梯度金属）在不同冲击速度（20 -1200m/s范围）下的受力分布、形变和能力传递过程，揭示不同多孔金属结构对动能量和波能量的吸收和反射、应力平台等的影响规律，建立动态力学性能与孔隙率关系以及考虑应变率相关效应的应力-应变-时间本构模型，分析在撞击、爆炸冲击波作用下应力波在多孔金属中的传播机理和衰减规律及对细观结构的依赖性，解决冲击波固体界面反射与透射规律、激波相互作用、气体冲击波绕流、气体的跨音速层流直至湍流等关键问题，研究强动载荷下超轻多孔材料和结构的动态损伤理论，包括动态裂纹扩展、累积损伤效应等，利用先进的计算机仿真手段研究汽车等的碰撞安全性，为超轻多功能金属材料结构的耐撞性评价提供理论依据和技术参数。3）研究超轻多孔结构的多功能化机理。研究多功能集合有序多孔结构承载材料，充分利用其高比表面积特点，以实现传感、促动、能源配置等多种附加功能，实现系统多功能化。
承担单位：西安交通大学，清华大学
课题负责人：卢天健
主要承担人员：赵桂平，杨志懋，马利锋，刘彬，邱信明
经费比例： 28.2%
课题3高孔隙率通孔材料和结构的传热学理论
研究目标：
揭示金属泡沫、栅格材料等超轻多孔结构材料中的传热特性,建立宏观传热与其微观结构的关系, 并着重研究在微细多孔跨尺度下单相与两相传热机理,试验测定其综合传热效果；开发先进光学可视化方法去确定两相流型分布随热流密度等参数的变化关系;建立有效的数学模型及数值方法以及传热特征量的表征体系，并得出几种典型材料的基本散热规律;精确描述及模拟在材料制备中的流变及热量质量传递过程,提供最优化的温度监测及控制方法以提高其产品质量。
研究内容：
1）针对单相对流换热，内部流动与外部流动情形，揭示对流换热的基本规律，建立与完善金属泡沫对流换热的表征方式；研究两相（沸腾/蒸发）换热机理，量化微观结构参数对两相传热的影响。2）借助高速摄像仪、红外相机、X 或γ射线仪等对微细结构两相流动及传热中的流型分布及温度场进行可视化研究,确定其流型分布随热流密度及质量流量的变化规律；采用红外线热成像系统测量多孔材料孔壁的表面连续温度场，开发先进的测试多孔材料内部两相流流型的光学测试系统或采用体视荧光显微镜加高速摄影测试方法、体视荧光显微镜对材料内部微细结构的视场放大，进而以高速摄影捕捉快速变化过程中的流型变化。3）研究两相对流传热的可靠理论模型及相应的数值方法，充分考虑泡沫支架导热及沸腾/凝结中的相互影响及耦合，以及动量方程中的非线性项在两相流动中的作用。4）研究金属泡沫制备中的流固耦合及两相流动传热的动态模拟。研究材料多孔化的化学机理；建立涉及材料非线性、几何流形及边界接触的非线性大变形流变及相变传热过程的有效数值模拟方法，实现对材料微观组织动态演化的精确模拟和仿真。5）以理论及试验所得研究结果为指导，开展金属泡沫在燃料电池及汽车空调用高效紧凑式换热器等方面的应用研究。6）针对多种有序结构点阵
材料，深入研究其传热及流动的周期性规律, 并对特定微观结构进行最优设计,使其传热流动综合性能达到最佳。
承担单位：西安交通大学，中科院广州能源研究所等
课题负责人：赵长颖
主要承担人员：陶文铨，何雅玲，徐进良，李本文，王力军，T. Kim
经费比例：11.8%
课题4轻质物理波（声、电磁等）在多孔材料中的传播和吸收理论
研究目标：
从实验和建模入手，建立、发展和完善声波、电磁波等轻质物理波在多孔材料中传播行为的表征方法和技术，建立比较完备的性能测试平台和测量规范，揭示声波、电磁波等在多孔材料中的传播和吸收机制，建立毫米波和厘米波在多孔金属材料中的传播理论，建立材料介质组分－物理波传输和吸收特性－孔型结构紧密结合的微观及宏观理论和计算模型，进而针对不同应用背景对多孔材料的介质组分-微观组织结构－孔型结构实现优化筛选和有效制备构筑，指导特殊吸波或屏蔽功能的多孔金属材料的微孔结构优化设计，为探索多孔金属材料在物理波屏蔽和吸收领域的应用奠定基础,并探寻是否存在能够透波的新型复合结构多孔金属材料。
研究内容：
1）研究多孔材料跨尺度波传播行为的宏观唯象理论、微细观理论和有线元计算模型。宏观唯象理论侧重于揭示基于实验测量结果的半经验定量关系式；微细观理论和数值计算针对有序和无序两种多孔材料采用周期单元胞和三维超级单元胞两种不同方法，通过微细观模型研究多孔材料和结构宏观波导性能与微观结构间的关系，以及附加外场（如航空发动机内的高温度场及平均气流场）对其的影响；根据不同应用背景和波传播介质（如空气、水等）优化设计孔径大小、孔隙率和孔分布的均匀度。2）研究含不同孔型结构的多孔材料(包括新型生物态多孔材料)在高声强并有平均流动的环境下的吸声机制及其表征手段，进而研究对多孔材料组分-微观组织结构－孔型结构的优化和控制。3）实现不同种类、具备大自然生物结构精细特征的多孔材料，并借助同步辐射光源以及分形理论等手段研究新型生物态多孔材料的多孔拓扑结构以及电磁波、声波等物理波在生物态多孔材料中的干涉、传输和吸收规律和机理，建立生物态多孔材料介质组分－孔型拓扑结构－物理波吸收、干涉、屏蔽特性之间的有效关联；利用多组元条件下的介质组元－拓扑孔结构的交换耦合效应以及介质组元功能组装、复合等方法实现多孔材料的多维、多层次、多功能、多结构和多尺度的集成化，并据此研究开发新型高效电磁波、声波吸收材料，实现轻质高效“宽频”或者“准频”等不同目的的“波屏蔽”或者“波吸收”材料的有效设计、制备构筑理论平台，并提供制备构筑技术原型。
承担单位：中科院声学所，上海交通大学等
课题负责人：刘克
主要承担人员：田静，王晓林，范同祥，胡更开，陈花玲，陈天宁
经费比例：10%
课题5 超轻多孔材料与结构创新构型设计优化新理论
研究目标：
研究结构与材料并发设计、特定性能（如零热膨胀，负泊松比，特异力、电、磁、热耦合性能等）材料细观结构创新设计、高比耗能超轻质高强韧结构设计、以及与其相关的多尺度参数并存的优化问题的提法和求解方法等关键科学问题，研究建立超轻多孔材料结构创新构型设计的新理论。根据汽车、高速列车等高耗能运输工具对结构和材料的性能和功能的特殊要求，提供一系列新的工具和理论，帮助设计人员发现、认定和提出超轻质高强韧结构的新构型。通过设计结构的宏观构型，使结构充分发挥材料的特性，在具有所要求的性能和功能的同时达到减重的目的；设计材料的微观构型，以使材料具有轻质和特殊性能；特别是，要通过材料的微观构型和结构的宏观构型的并发设计，达到材料和结构几何的合理配合，提高结构性能、减轻重量。
研究内容：
1) 研究复杂环境下结构宏观几何构型设计的拓扑优化方法。以超轻质多孔金属为背景，研究在多物理场耦合环境下，考虑材料和几何非线性，受到含应力、位移、动力特性等力学性能约束，以及防热（隔热/散热/传热）要求、物理波（声波、弹性波、电磁波等）传输、隔断、响应等性能要求的多种约束结构拓扑优化技术，建立复杂环境下多约束非线性结构宏观构型的创新设计方法。2）研究具有特定性能的材料微结构微观构型的设计理论，研究微结构参数描述、微结构采参数与宏观性能间的依赖关系，研究优化设计问题的描述、求解等方面的关键科学问题，建立实现特定性能材料的设计方法；探讨具有特异性质的材料的发现和设计的创新方法。3）研究材料设计和结构的几何设计一体化并发设计优化理论和方法，包括材料性能和结构功能指标因子研究以及基于多指标因子的材料和结构并发设计方法；跨尺度优化问题的提法以及有效的求解方法研究，跨尺度参数间敏度分析方法；材料分布与结构拓扑/形状并发设计理论研究；基于微结构数据库的轻质结构设计理论和方法；多孔材料夹心复合层板结构综合性能优化设计。4）研究轻质高强韧结构（材料）优质构型的仿生模拟与设计。围绕轻质材料和结构的设计，通过理论分析、数值计算和试验，开展仿生研究；建立分析轻质生物材料和结构的力学及热量传输等有关功能的数学模型；提出这类材料和结构所服从的优化模型，理解其优化特征；借鉴这些生物材料和结构，设计满足特殊功能要求的新的超轻质材料和结构。5）研究基于特征的结构与材料新构型设计理论。在优化模型中考虑材料和结构的可制造性；根据现有的或可预见能够实现的工艺条件，抽取材料和结构描述的特征参数；建立以特征参数为设计变量的材料和结构设计理论。6）研究多物理场耦合作用下材料与结构多尺度分析方法。针对金属基多孔材料结构的轻质、高强韧、防热、抗冲击的要求，以及多物理场和力场强耦合作用的服役环境，基于对多孔材料夹心复合层板进行细观和宏细观耦合的表征与建模，开展材料性能计算预测及其结构的静、动、热、电、磁等物理、力学行为的多尺度数学物理模型、计算方法与相关的理论研究。7)借助于课题4所给出的电磁波等物理波分析技术，设计材料的拓扑多孔结构，以使材料具有特定的物理波创波特性或隔断特性；设计具有特定频率段位置和最大频段宽度的波隔断材料（Band Gap）；异向介质材料设计；研究具有负介电常数、负折射系数、负磁导率的异性介质材料的微结构设计问题的提法，研究电磁波在异向介质中的特异的传播规律。
承担单位：大连理工大学，西北工业大学
课题负责人：刘书田
主要承担人员：张卫红，郭旭，陈浩然，吴承伟，王跃方
经费比例：12.5%
课题6 纤维增强泡沫金属夹芯复合材料结构的多功能一体化构建理论研究目标：
从仿生学的角度出发，选择甲虫(独角仙成虫)前翅的夹芯结构作为仿生对象，开展纤维增强泡沫金属夹芯复合材料结构的选材/设计/分析/制造/评价一体化研究。
研究内容：
综合课题1、2、3、4、5所得结果，构建兼具承载与减振、防热、散热、降噪等多重功能的超轻复合结构的理论体系与技术实现手段，主要研究：1）针对航天、航空、船舶、汽车、高速列车等领域的典型使用环境，选取性能优异的纤维增强树脂复合材料面板及纤维柱，选取高阻尼、隔热（或散热）、吸声的性能优异泡沫金属夹芯；针对不同的使用环境，采用不同的结构成型工艺以满足不同性能指标的要求。2）力学性能：研究面板及纤维柱的失效机理和破坏模式研究，包括强度准则的确定；热机械载荷作用下，研究纤维增强泡沫金属夹芯复合材料结构的静态和动态稳定性；机械力、温度载荷、热-机联合加载下，研究多孔超轻梁、板和壳的小挠度和大挠度弯曲行为、屈曲和后屈曲行为以及塑性屈曲行为；研究冲击载荷作用下结构的剩余刚度及强度预报，以及复杂载荷作用下结构的失效破坏机制和判别准则。3）阻尼特性：针对多孔材料的微结构形状，研究其阻尼耗能机理，并建立相应的阻尼机理数学描述方法及物理模型，揭示不同形状的结构参数与阻尼耗散系数的关系。4）动态特性：研究多孔材料和多孔复合材料结构的固有频率表征规律和减振特性，建立其固有频率与微结构参数的关系；研究多孔材料和结构的动力学系统建模理论，着重解决针对超轻多孔材料特性的非线性参数识别的有效分析和实验方法；研究纤维增强泡沫金属夹芯结构这类具有非线性和时滞特征非线性动力系统的多稳态运动及稳定性的分析和数值方法；开展针对此类系统的自适应和鲁棒控制理论和实验研究；5）隔热特性：研究纤维增强泡沫夹芯复合材料结构的传热行为和隔热机理，从理论、计算模拟和实验三方面结合，分析多层隔热结构的热导率、自然对流换热、辐射换热等传热过程问题，建立该结构的隔热性能的表征方法，同时形成其隔热效率的设计准则。6）多孔复合结构的无损检伤及可靠性评价；与已有超轻结构力学性能及物理性能的比较，侧重于比强度、比刚度、吸能、减振、吸声、传热、阻尼等特性。7）研究多孔复合结构的技术成本分析模型。
承担单位：哈尔滨工业大学，西安交通大学等
课题负责人：吴林志
主要承担人员：王铁军，周振功，江俊，陈振茂，梁军，孙雨果
经费比例：12.5%
材料科学基础试卷(带答案)
材料科学基础试卷(一) 一、概念辨析题（说明下列各组概念的异同。任选六题，每小题3分，共18分） 1 晶体结构与空间点阵 2 热加工与冷加工 3 上坡扩散与下坡扩散 4 间隙固溶体与间隙化合物 5 相与组织 6 交滑移与多滑移 7 金属键与共价键 8 全位错与不全位错 9 共晶转变与共析转变 二、画图题（任选两题。每题6分，共12分） 1 在一个简单立方晶胞内画出［010］、［120］、［210］晶向和（110）、（112）晶面。 2 画出成分过冷形成原理示意图（至少画出三个图）。 3 综合画出冷变形金属在加热时的组织变化示意图和晶粒大小、内应力、强度和塑性变化趋势图。 4 以“固溶体中溶质原子的作用”为主线，用框图法建立与其相关的各章内容之间的联系。 三、简答题（任选6题，回答要点。每题5分，共30 分） 1 在点阵中选取晶胞的原则有哪些？ 2 简述柏氏矢量的物理意义与应用。 3 二元相图中有哪些几何规律？ 4 如何根据三元相图中的垂直截面图和液相单变量线判断四相反应类型？ 5 材料结晶的必要条件有哪些？ 6 细化材料铸态晶粒的措施有哪些？ 7 简述共晶系合金的不平衡冷却组织及其形成条件。 8 晶体中的滑移系与其塑性有何关系？ 9 马氏体高强度高硬度的主要原因是什么？ 10 哪一种晶体缺陷是热力学平衡的缺陷，为什么？ 四、分析题（任选1题。10分） 1 计算含碳量w=0.04的铁碳合金按亚稳态冷却到室温后，组织中的珠光体、二次渗碳体和莱氏体的相对含量。 2 由扩散第二定律推导出第一定律，并说明它们各自的适用条件。 3 试分析液固转变、固态相变、扩散、回复、再结晶、晶粒长大的驱动力及可能对应的工艺条件。 五、某面心立方晶体的可动滑移系为(111) [110].（15分） (1) 指出引起滑移的单位位错的柏氏矢量. (2) 如果滑移由纯刃型位错引起,试指出位错线的方向. (3) 如果滑移由纯螺型位错引起,试指出位错线的方向. (4) 在(2),(3)两种情况下,位错线的滑移方向如何? (5) 如果在该滑移系上作用一大小为0.7MPa的切应力，试确定单位刃型位错和螺型位错 线受力的大小和方向。（点阵常数a=0.2nm)。 六、论述题（任选1题，15分） 1 试论材料强化的主要方法、原理及工艺实现途径。 2 试论固态相变的主要特点。 3 试论塑性变形对材料组织和性能的影响。
《材料结构与性能》习题
《材料结构与性能》习题 第一章 1、一25cm长的圆杆，直径2.5mm，承受的轴向拉力4500N。如直径拉细成2.4mm，问： 1)设拉伸变形后，圆杆的体积维持不变，求拉伸后的长度； 2)在此拉力下的真应力和真应变； 3)在此拉力下的名义应力和名义应变。 比较以上计算结果并讨论之。 2、举一晶系，存在S14。 3、求图1.27所示一均一材料试样上的A点处的应力场和应变场。 4、一瓷含体积百分比为95%的Al2O3（E=380GPa）和5%的玻璃相（E=84GPa），计算上限及下限弹性模量。如该瓷含有5%的气孔，估算其上限及下限弹性模量。 5、画两个曲线图，分别表示出应力弛豫与时间的关系和应变弛豫和时间的关系。并注出：t=0,t=∞以及t=τε（或τσ）时的纵坐标。
6、一Al2O3晶体圆柱（图1.28），直径3mm，受轴向拉力F ，如临界抗剪强度τc=130MPa，求沿图中所示之一固定滑移系统时，所需之必要的拉力值。同时计算在滑移面上的法向应力。 第二章 1、求融熔石英的结合强度，设估计的表面能为1.75J/m2；Si-O的平衡原子间距为1.6×10-8cm；弹性模量值从60到75GPa。 2、融熔石英玻璃的性能参数为：E=73GPa；γ=1.56J/m2；理论强度。如材料中存在最大长度为的裂，且此裂垂直于作用力的方向，计算由此而导致的强度折减系数。 3、证明材料断裂韧性的单边切口、三点弯曲梁法的计算公式：
与 是一回事。 4、一瓷三点弯曲试件，在受拉面上于跨度中间有一竖向切口如图2.41所示。如果E=380GPa，μ=0.24，求KⅠc值，设极限载荷达50㎏。计算此材料的断裂表面能。 5、一钢板受有长向拉应力350 MPa，如在材料中有一垂直于拉应力方向的中心穿透缺陷，长8mm（=2c）。此钢材的屈服强度为1400MPa，计算塑性区尺寸r0及其与裂缝半长c的比值。讨论用此试件来求KⅠc值的可能性。 6、一瓷零件上有以垂直于拉应力的边裂，如边裂长度为：①2mm；② 0.049mm；③2μm，分别求上述三种情况下的临界应力。设此材料的断裂韧性为 1.62 MPa·m2。讨论诸结果。
最新材料科学基础-综合复习题
材料科学基础复习题 一、选择题 1. 原子结合键包括物理键和化学键, 下述结合键中属于化学键的是. (A) 金属键(B) 离子键(C) 分子键(D) 共价键 2. 原子结合键包括物理键和化学键, 下述结合键中属于物理键的是. (A) 氢键(B) 离子键(C) 分子键(D) 共价键 3. 工业用硅酸盐属于. (A) 金属材料(B) 陶瓷材料(C) 复合材料(D) 高分子材料 4. 布拉菲点阵共有中. (A) 8 (B) 10 (C) 12 (D) 14 5. BCC、FCC和HCP等三种典型晶体结构中, 单位晶胞的原子数分别为. (A) 2, 4, 6 (B) 4, 2, 6 (C) 3, 4, 5 (D) 6, 2, 4 6. 晶面间距表示相邻两个平行晶面之间的垂直距离, 其大小反映了晶面上原子排列的紧密程度, 一般规律是. (A) 在简单立方点阵中, 低指数的晶面间距较大 (B) 在简单立方点阵中, 高指数的晶面间距较大 (C) 晶面间距越大, 该晶面上原子排列越紧密 (D) 晶面间距越大, 该晶面上原子排列越稀疏 7. BCC、FCC和HCP等三种典型晶体结构中, 原子配位数依次为. (A) 8, 12, 8 (B) 8, 12, 10 (C) 12, 8, 6 (D) 8, 12, 12 8. 密堆积结构的致密度为. (A) 0.68 (B) 0.74 (C) 0.82 (D) 1.0 9. MgO陶瓷晶体具有NaCl型结构, 单位晶胞的离子数为. (A) 4 (B) 6 (C) 8 (D) 10 10. SiC陶瓷晶体具有金刚石型结构, 该结构一般特征是. (A) 原子结合键为共价键 (B) 原子配位数为4 (C) 单位晶胞包含8个原子 (D) 属于面心立方点阵, 为密堆积结构 11. 下述晶体缺陷中属于点缺陷的是. (A) 空位(B) 位错(C) 相界面(D) 间隙原子 12. 下述晶体缺陷中属于线缺陷的是. (A) 空位(B) 位错(C) 晶界(D) 间隙原子 13. 下述晶体缺陷中属于面缺陷的是. (A) 表面(B) 位错(C) 相界面(D) 空位 14. 下述界面中界面能最小的是. (A) 完全共格界面(B) 共格界面(C) 非共格界面(D) 半共格界面 15. 下述界面中界面能最大的是. (A) 完全共格界面(B) 共格界面(C) 非共格界面(D) 半共格界面 16. 理想密排六方金属的c/a为. (A) 1.6 (B)(C) (D) 1
材料结构与性能试题及详细答案
一、名词解释（分） 原子半径，电负性，相变增韧、气团 原子半径：按照量子力学地观点，电子在核外运动没有固定地轨道，只是概率分布不同，因此对原子来说不存在固定地半径.根据原子间作用力地不同，原子半径一般可分为三种：共价半径、金属半径和范德瓦尔斯半径.通常把统和双原子分子中相邻两原子地核间距地一半，即共价键键长地一半，称作该原子地共价半径（）；金属单质晶体中相邻原子核间距地一半称为金属半径（）；范德瓦尔斯半径（）是晶体中靠范德瓦尔斯力吸引地两相邻原子核间距地一半，如稀有气体.资料个人收集整理，勿做商业用途 电负性：等人精确理论定义电负性为化学势地负值，是体系外势场不变地条件下电子地总能量对总电子数地变化率.资料个人收集整理，勿做商业用途 相变增韧：相变增韧是由含地陶瓷通过应力诱发四方相（相）向单斜相（相）转变而引起地韧性增加.当裂纹受到外力作用而扩展时，裂纹尖端形成地较大应力场将会诱发其周围亚稳向稳定转变，这种转变为马氏体转变，将产生近地体积膨胀和地剪切应变，对裂纹周围地基体产生压应力，阻碍裂纹扩展.而且相变过程中也消耗能量，抑制裂纹扩展，提高材料断裂韧性.资料个人收集整理，勿做商业用途 气团：晶体中地扩展位错为保持热平衡，其层错区与溶质原子间将产生相互作用，该作用被成为化学交互作用，作用地结果使溶质原子富集于层错区内，造成层错区内地溶质原子浓度与在基体中地浓度存在差别.这种不均匀分布地溶质原子具有阻碍位错运动地作用，也成为气团.资料个人收集整理，勿做商业用途 二、简述位错与溶质原子间有哪些交互作用.（分） 答：从交互做作用地性质来说，可分为弹性交互作用、静电交互作用和化学交互作用三类.弹性交互作用：位错与溶质原子地交互作用主要来源于溶质原子与基体原子间由于体积不同引起地弹性畸变与位错间地弹性交互作用.形成气团，甚至气团对晶体起到强化作用.弹性交互作用地另一种情况是溶质原子核基体地弹性模量不同而产生地交互作用.资料个人收集整理，勿做商业用途 化学交互作用：基体晶体中地扩展位错为保持热平衡，其层错区与溶质原子间将产生相互作用，该作用被成为化学交互作用，作用地结果使溶质原子富集于层错区内，造成层错区内地溶质原子浓度与在基体中地浓度存在差别，具有阻碍位错运动地作用.资料个人收集整理，勿做商业用途 静电交互作用：晶体中地位错使其周围原子偏离平衡位置，晶格体积发生弹性畸变，晶格畸变将导致自由电子地费米能改变，对于刃型位错来讲，滑移面上下部分晶格畸变量相反，导致滑移面两侧部分地费米能不相等，导致位错周围电子需重新分布，以抵消这种不平衡，从而形成电偶极，位错线如同一条电偶极线，在它周围存在附加电场，可与溶质原子发生静电交互作用.资料个人收集整理，勿做商业用途 三、简述点缺陷地特点和种类，与合金地性能有什么关系（分） 答：点缺陷对晶体结构地干扰作用仅波及几个原子间距范围地缺陷.它地尺寸在所有方向上均很小.其中最基本地点缺陷是点阵空位和间隙原子.此外，还有杂质原子、离子晶体中地非化学计量缺陷和半导体材料中地电子缺陷等.资料个人收集整理，勿做商业用途 在较低温度下，点缺陷密度越大，对合金电阻率影响越大.另外，点缺陷与合金力学性能之间地关系主要表现为间隙原子地固溶强化作用.资料个人收集整理，勿做商业用途 四、简述板条马氏体组织地组织形态、组织构成与强度与韧性地关系.（分） 答：板条马氏体地组织形态主要出现在低碳钢中，由许多成条排列地马氏体板条组成，大致平行地马氏体条组成地领域为板条束.每个晶粒内一般有个板条束，束地尺寸约为μ.一个马氏体板条束又由若干个板条组成，这些板条具有相同地惯习面，位向差很小，而板条束之间
材料科学基础选择题汇总
1、极化会对晶体结构产生显著影响，可使键性由（ B ）过渡，最终使晶体结构类型发生变化。 A: 共价键向离子键B: 离子键向共价键 C: 金属键向共价键D: 键金属向离子键 2、离子晶体中，由于离子的极化作用，通常使正负离子间的距离（ B ），离子配位数（）。 A: 增大，降低B: 减小，降低 C: 减小，增大D: 增大，增大 3、氯化钠具有面心立方结构，其晶胞分子数是（C ）。 A: 5 B: 6 C: 4 D: 3 4、NaCl单位晶胞中的“分子数”为4，Na+填充在Cl-所构成的（ B ）空隙中。 A: 全部四面体B: 全部八面体 C: 1/2四面体D: 1/2八面体 5、CsCl单位晶胞中的“分子数”为1，Cs+填充在Cl-所构成的（ C ）空隙中。 A: 全部四面体B: 全部八面体 C: 全部立方体D: 1/2八面体 6、MgO晶体属NaCl型结构，由一套Mg的面心立方格子和一套O的面心立方格子组成，其一个单位晶胞中有（ B ）个MgO分子。 A: 2 B: 4 C: 6 D: 8 7、萤石晶体可以看作是Ca2+作面心立方堆积，F-填充了（ D ）。 A: 八面体空隙的半数B: 四面体空隙的半数 C: 全部八面体空隙D: 全部四面体空隙 8、萤石晶体中Ca2+的配位数为8，F-配位数为（ B ）。 A: 2 B: 4 C: 6 D: 8 9、CsCl晶体中Cs+的配位数为8，Cl-的配位数为（ D ）。 A: 2 B: 4 C: 6 D: 8 10、硅酸盐晶体的分类原则是（B ）。 A: 正负离子的个数B: 结构中的硅氧比 C:化学组成D:离子半径 11、锆英石Zr[SiO4]是（ A ）。 A: 岛状结构B: 层状结构 C: 链状结构D: 架状结构 12、硅酸盐晶体中常有少量Si4+被Al3+取代，这种现象称为（ C ）。 A: 同质多晶B: 有序—无序转变 C: 同晶置换D: 马氏体转变 13. 镁橄榄石Mg2[SiO4]是（ A ）。 A: 岛状结构B: 层状结构 C: 链状结构D: 架状结构 14、对沸石、萤石、MgO三类晶体具有的空隙体积相比较，其由大到小的顺序
材料性能期中答案
1、What is the definition for Materials Properties （MP ）?How do we classify materials properties?And please list some classification for MP.(材料特性（MP ）的定义是什么？我们如何分类材料特性，请列出一些MP 的分类。) 答：MP ：Materials ’Response to External Stimulus. 材料性能：材料在给定的外界条件下的行为。 怎样分类：根据材料对外界刺激做出的响应的类型进行分类。 分类：复杂性能（使用性能，工艺性能，复合性能） 化学性能（抗渗入性，耐腐蚀性等） 力学性能（刚度强度韧性等） 物理性能（热学光学磁学电学性能） 2. What is the core relationship between materials science and engineering? In order to obtain desired materials properties, what should we consider first to do with the materials? （材料科学与工程的核心是什么关系？为了获得所需的材料性能，我们应该首先考虑的材料的什么？） 答：材料科学与工程学的核心关系是性能（课件上面那个三角形的图） 为了提高对于材料性能的期望，我们首先要研究材料的结构与性能的关系，即研究材料学。 3. What is the most determinant for Materials mechanical properties? Why?（材料力学性能的决定因素是什么？为什么呢？） 答：材料的力学性能主要指材料在力的作用下抵抗变形和开裂的性能，影响材料力学性能的最重要的因素是材料的结构。这些结构包括：subatomic-atomic-molecular-nano-micro-macro.由于材料的结构决定了材料的屈服强度，塑性韧性，刚度等性质，所以材料的结构对材料的力学性能影响最大。 4. what is strength of materials? Please try to identify the difference yield strength ,tensile strength ,fatigue strength and theoretical fracture strength? （材料的强度是什么？请尝试找出屈服强度，拉伸强度，疲劳强度和理论断裂强度的差异？）(中文ppt) 材料在载荷作用下抵抗变形和破坏的能力就是材料的强度。 屈服强度代表材料开始产生明显塑性变形的抗力 疲劳强度是材料在承受大小和方向同时间做周期性变化的交变应力时，往往在远小于强度极限甚至小于屈服极限的应力作用下就发生断裂。 理论断裂强度是无缺陷材料的理论预测值， 其中E 为杨氏模量，为解理面的表面能，a 为材料内部原子间的距离 5.Please describe yielding phenomena for materials, and its practical/engineering meaning. As long as there are no yielding phenomena for some materials, how do we determine the yield strength? （请描述为材料的屈服现象(书上p16)，其实际/工程意义。有一些材料没有屈服现象，我们如何确定的屈服强度？） 屈服现象是材料开始产生明显塑性变形的标志，对应图中bd 段， 2 1)(a E c s γσ≈
材料科学基础试题及答案
第一章 原子排列与晶体结构 1. fcc 结构的密排方向是 ，密排面是 ，密排面的堆垛顺序是 ，致密度为 ，配位数是 ,晶胞中原子数为 ，把原子视为刚性球时，原子的半径r 与点阵常数a 的关系是 ；bcc 结构的密排方向是 ，密排面是 ,致密度为 ,配位数是 ,晶胞中原子数为 ，原子的半径r 与点阵常数a 的关系是 ；hcp 结构的密排方向是 ，密排面 是 ，密排面的堆垛顺序是 ，致密度为 ，配位数是 ,， 晶胞中原子数为 ，原子的半径r 与点阵常数a 的关系是 。 2. Al 的点阵常数为0.4049nm ，其结构原子体积是 ，每个晶胞中八面体间隙数为 ，四面体间隙数为 。 3. 纯铁冷却时在912ε 发生同素异晶转变是从 结构转变为 结构，配位数 ，致密度降低 ，晶体体积 ，原子半径发生 。 4. 在面心立方晶胞中画出）（211晶面和]211[晶向，指出﹤110﹥中位于（111）平 面上的方向。在hcp 晶胞的（0001）面上标出）（0121晶面和]0121[晶向。 5. 求]111[和]120[两晶向所决定的晶面。 6 在铅的（100）平面上，1mm 2有多少原子？已知铅为fcc 面心立方结构，其原子半径R=0.175×10-6mm 。 第二章 合金相结构 一、 填空 1） 随着溶质浓度的增大，单相固溶体合金的强度 ，塑性 ，导电性 ，形成间隙固溶体时，固溶体的点阵常数 。 2） 影响置换固溶体溶解度大小的主要因素是（1） ； （2） ；（3） ；（4） 和环境因素。 3） 置换式固溶体的不均匀性主要表现为 和 。 4） 按照溶质原子进入溶剂点阵的位置区分，固溶体可分为 和 。 5） 无序固溶体转变为有序固溶体时，合金性能变化的一般规律是强度和硬度 ，塑性 ，导电性 。 6）间隙固溶体是 ，间隙化合物是 。 二、 问答 1、 分析氢，氮，碳，硼在?-Fe 和?-Fe 中形成固溶体的类型，进入点阵中的位置和固溶度大小。已知元素的原子半径如下：氢：0.046nm ，氮：0.071nm ，碳：0.077nm ，硼：0.091nm ，?-Fe ：0.124nm ，?-Fe ：0.126nm 。 2、简述形成有序固溶体的必要条件。 第三章 纯金属的凝固 1. 填空 1. 在液态纯金属中进行均质形核时，需要 起伏和 起伏。 2 液态金属均质形核时，体系自由能的变化包括两部分，其中 自由能
工程材料的分类及性能
工程材料的分类及性能 字体: 小中大 | 打印发表于: 2006-11-09 15:38 作者: xlktiancai 来源: 中国机械资讯网 材料的分类 材料的种类繁多，用途广泛。工程方面使用的材料有机械工程材料、土建工程材料、电工材料、电子材料等。在工程材料领域中，用于机械结构和机械零件并且主要要求机械性能的工程材料，又可分为以下四大类： 金属材料具有许多优良的使用性能（如机械性能、物理性能、化学性能等）和加工工艺性能（如铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能、机械加工性能等）。特别可贵的是，金属材料可通过不同成分配制，不同工艺方法来改变其内部组织结构，从而改善性能。加之其矿藏丰富，因而在机械制造业中，金属材料仍然是应用最广泛、用量最多的材料。在机械设备中约占所用材料的百分之九十以上，其中又以钢铁材料占绝大多数。 随着科学技术的发展，非金属材料也得到迅速的发展。非金属材料除在某些机械性能上尚不如金属外，它具有金属所不具备的许多性能和特点，如耐腐蚀、绝缘、消声、质轻、加工成型容易、生产率高、成本低等。所以在工业中的应用日益广泛。作为高分子材料的主体——工程塑料（如聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、ABS塑料、环氧塑料等）已逐渐替代一些金属零件，应用于机械工业领域中。古老的陶瓷材料也突破了传统的应用范围，成为高温结构材料和功能材料的重要组成部分。 金属材料和非金属材料在性能上各有其优缺点。近年来，金属基复合材料、树脂基复合材料和陶瓷基复合材料的出现，为集中各类材料的优异性能于一体开辟了新的途径，在机械工程中的应用将日益广泛。
9-1.gif 我也来说两句查看全部回复 最新回复 xlktiancai (2006-11-09 15:39:31) 材料的性能一、力学性能材料受力后就会产生变形，材料力学性能 是指材料在受力时的行为。描述材料变形行为的指标是应力ζ和应变ε，ζ是单位面积上的作用力，ε是单位长度的变形。描述材料力学性能的 主要指标是强度、延性和韧性。其中，强度是使材料破坏的应力大小的度 量；延性是材料在破坏前永久应变的数值；而韧性却是材料在破坏时所吸 收的能量的数值。设计师们对这些力学性能制订了各种各样的规范。例 如，对一种钢管，人们要求它有较高的强度，但也希望它有较高的延性，以增加韧性，由于在强度和延性二者之间往往是矛盾的，工程师们要做出 最佳设计常常需要在二者中权衡比较。同时，还有各种各样的方法确定材 料的强度和延性。当钢棒弯曲时就算破坏，还是必须发生断裂才算破坏？ 答案当然取决于工程设计的需要。但是这种差别表明至少应有两种强度判 据：一种是开始屈服，另一种是材料所能承受的最大载荷，这说明仅仅描 述材料强度的指标至少就有两个以上。一般来说，描述材料力学性能的指 标有以下几项： 1．弹性和刚度图1-6是材料的应力—应变图（ζ—ε 图）。（a）无塑性变形的脆性材料（例如铸铁）；（b）有明显屈服 点的延性材料（例如低碳钢）；（c）没有明显屈服点的延性材料（例如纯铝）。在图中的ζ—ε曲线上，OA段为弹性阶段，在此阶段，如卸去 载荷，试样伸长量消失，试样恢复原状。材料的这种不产生永久残余变形 的能力称为弹性。A点对应的应力值称为弹性极限，记为ζe。材料在弹 性范围内，应力与应变成正比，其比值E=ζ/ε（MN/m2）称为弹性模量。
第二章晶体结构与晶体中的缺陷
第二章晶体结构与晶体中的缺陷 内容提要：通过讨论有代表性的氧化物、化合物和硅酸盐晶体结构， 用以掌握与本专业有关的各种晶体结构类型。介绍了实际晶体中点缺陷分 类；缺陷符号和反应平衡。固熔体分类和各类固熔体、非化学计量化学化 合物的形成条件。简述了刃位错和螺位错。 硅酸盐晶体结构是按晶体中硅氧四面体在空间的排列方式为孤岛状、组群状、链状、层装和架状五类。这五类的[SiO4]四面体中，桥氧的数目也依次由0增加到4， 非桥氧数由4减至0。硅离子是高点价低配位的阳离子。因此在硅酸盐晶体中，[SiO4] 只能以共顶方式相连，而不能以共棱或共面方式相连。表2-1列出硅酸盐晶体结构类型及实例。 表2-1 Array硅酸 盐晶 体的 结构 类型
真实晶体在高于0K的任何温度下，都或多或少地存在着对理想晶体结构的偏离，即存在着结构缺陷。晶体中的结构缺陷有点缺陷、线缺陷、面缺陷和复合缺陷之分，在无机材料中最基本和最重要的是点缺陷。 点缺陷根据产生缺陷的原因分类，可分为下列三类： （1）热缺陷（又称本征缺陷） 热缺陷有弗仑克儿缺陷和肖特基缺陷两种基本形式。 弗仑克儿缺陷是指当晶格热震动时，一些能量足够大的原子离开平衡位置而挤到晶格点的间隙中，形成间隙原子，而原来位置上形成空位，这种缺陷称为弗仑克儿缺陷。 肖特基缺陷是指如果正常格点上原子，热起伏后获得能量离开平衡位置，跃迁到晶体的表面，而在原正常格点上留下空位，这种缺陷称为肖特基缺陷。 （2）杂质缺陷（非本征缺陷） （3）非化学计量化学化合物 为了便于讨论缺陷反应，目前广泛采用克罗格-明克（Kroger-Vink）的点缺陷符号（见表2-2）。 表2-2 Kroger-Vink缺陷符号（以M2+X2-为例）
材料科学基础考题1
材料科学基础考题 Ⅰ卷 一、名词解释（任选5题，每题4分，共20分） 单位位错；交滑移；滑移系；伪共晶；离异共晶；奥氏体；成分过冷 二、选择题（每题2分，共20分） 1．在体心立方结构中，柏氏矢量为a[110]的位错( )分解为a/2[111]+a/2]111[. (A) 不能(B) 能(C) 可能 2．原子扩散的驱动力是：( ) (A) 组元的浓度梯度(B) 组元的化学势梯度(C) 温度梯度 3．凝固的热力学条件为：（） （A）形核率(B)系统自由能增加 （C）能量守衡（D）过冷度 4．在TiO2中，当一部分Ti4+还原成Ti3+，为了平衡电荷就出现（） (A) 氧离子空位(B) 钛离子空位(C)阳离子空位 5．在三元系浓度三角形中，凡成分位于（）上的合金，它们含有另两个顶角所代表的两组元含量相等。 （A）通过三角形顶角的中垂线 （B）通过三角形顶角的任一直线 （C）通过三角形顶角与对边成45°的直线 6．有效分配系数k e 表示液相的混合程度，其值范围是（） （A）1 《材料结构与性能》试题 一、名词解释（20分） 原子半径，电负性，相变增韧、Suzuki气团 原子半径：按照量子力学的观点，电子在核外运动没有固定的轨道，只是概率分布不同，因此对原子来说不存在固定的半径。根据原子间作用力的不同，原子半径一般可分为三种：共价半径、金属半径和范德瓦尔斯半径。通常把统和双原子分子中相邻两原子的核间距的一半，即共价键键长的一半，称作该原子的共价半径（r c）；金属单质晶体中相邻原子核间距的一半称为金属半径（r M）；范德瓦尔斯半径（r V）是晶体中靠范德瓦尔斯力吸引的两相邻原子核间距的一半，如稀有气体。 电负性：Parr等人精确理论定义电负性为化学势的负值，是体系外势场不变的条件下电子的总能量对总电子数的变化率。 相变增韧：相变增韧是由含ZrO2的陶瓷通过应力诱发四方相（t相）向单斜相（m相）转变而引起的韧性增加。当裂纹受到外力作用而扩展时，裂纹尖端形成的较大应力场将会诱发其周围亚稳t-ZrO2向稳定m-ZrO2转变，这种转变为马氏体转变，将产生近4%的体积膨胀和1%-7%的剪切应变，对裂纹周围的基体产生压应力，阻碍裂纹扩展。而且相变过程中也消耗能量，抑制裂纹扩展，提高材料断裂韧性。 Suzuki气团：晶体中的扩展位错为保持热平衡，其层错区与溶质原子间将产生相互作用，该作用被成为化学交互作用，作用的结果使溶质原子富集于层错区内，造成层错区内的溶质原子浓度与在基体中的浓度存在差别。这种不均匀分布的溶质原子具有阻碍位错运动的作用，也成为Suzuki气团。 二、简述位错与溶质原子间有哪些交互作用。（15分） 答：从交互做作用的性质来说，可分为弹性交互作用、静电交互作用和化学交互作用三类。 弹性交互作用：位错与溶质原子的交互作用主要来源于溶质原子与基体原子间由于体积不同引起的弹性畸变与位错间的弹性交互作用。形成Cottrell气团，甚至Snoek气团对晶体起到强化作用。弹性交互作用的另一种情况是溶质原子核基体的弹性模量不同而产生的交互作用。 化学交互作用：基体晶体中的扩展位错为保持热平衡，其层错区与溶质原子间将产生相互作用，该作用被成为化学交互作用，作用的结果使溶质原子富集于层错区内，造成层错区内的溶质原子浓度与在基体中的浓度存在差别，具有阻碍位错运动的作用。 静电交互作用：晶体中的位错使其周围原子偏离平衡位置，晶格体积发生弹性畸变，晶格畸变将导致自由电子的费米能改变，对于刃型位错来讲，滑移面上下部分晶格畸变量相反，导致滑移面两侧部分的费米能不相等，导致位错周围电子需重新分布，以抵消这种不平衡，从而形成电偶极，位错线如同一条电偶极线，在它周围存在附加电场，可与溶质原子发生静电交互作用。 三、简述点缺陷的特点和种类，与合金的性能有什么关系（15分） 答：点缺陷对晶体结构的干扰作用仅波及几个原子间距范围的缺陷。它的尺寸在所有方向上均很小。其中最基本的点缺陷是点阵空位和间隙原子。此外，还有杂质原子、离子晶体中的非化学计量缺陷和半导体材料中的电子缺陷等。 在较低温度下，点缺陷密度越大，对合金电阻率影响越大。另外，点缺陷与合金力学性能之间的关系主要表现为间隙原子的固溶强化作用。 材料结构与性能（珍藏版） 一、何为金属键？金属的性能与金属键有何关系？ 二、试说明金属结晶时，为什么会产生过冷？ 三、结合相关工艺或技术说明快速凝固的组织结构特点。 四、画出铁碳合金相图，并指出有几个基本的相和组织？说明它们的结构和 性能特点。 五、说明珠光体和马氏体的形成条件、组织形态特征和性能特点。 六、试分析材料导热机理。金属、陶瓷和玻璃导热机制有何区别？将铬、 银、Ni-Cr合金、石英、铁等物质按热导率大小排序，并说明理由。 七、从结构上解释，为什么含碱土金属的玻璃适用于介电绝缘？ 八、列举一些典型的非线性光学材料，并说明其优缺点。 九、什么是超疏水、超亲水？超疏水薄膜对结构与表面能有什么要求？ 十、导致铁磁性和亚铁磁性物质的离子结构有什么特征？ 答案自测 特别重要的名词解释 原子半径：按照量子力学的观点，电子在核外运动没有固定的轨道，只是概率分布不同，因此对原子来说不存在固定的半径。根据原子间作用力的不同，原子半径一般可分为三种：共价半径、金属半径和范德瓦尔斯半径。通常把统和双原子分子中相邻两原子的核间距的一半，即共价键键长的一半，称作该原子的共价半径（r c）；金属单质晶体中相邻原子核间距的一半称为金属半径 （r M）；范德瓦尔斯半径（r V）是晶体中靠范德瓦尔斯力吸引的两相邻原子核间距的一半，如稀有气体。 电负性：Parr等人精确理论定义电负性为化学势的负值，是体系外势场不变的条件下电子的总能量对总电子数的变化率。 相变增韧：相变增韧是由含ZrO2的陶瓷通过应力诱发四方相（t相）向单斜相（m相）转变而引起的韧性增加。当裂纹受到外力作用而扩展时，裂纹尖端形成的较大应力场将会诱发其周围亚稳t-ZrO2向稳定m-ZrO2转变，这种转变为马氏体转变，将产生近4%的体积膨胀和1%-7%的剪切应变，对裂纹周围的基体产生压应力，阻碍裂纹扩展。而且相变过程中也消耗能量，抑制裂纹扩展，提高材料断裂韧性。 Suzuki气团：晶体中的扩展位错为保持热平衡，其层错区与溶质原子间将产生相互作用，该作用被成为化学交互作用，作用的结果使溶质原子富集于层错区内，造成层错区内的溶质原子浓度与在基体中的浓度存在差别。这种不均匀分布的溶质原子具有阻碍位错运动的作用，也成为Suzuki气团。 材料科学基础选择题版集团文件发布号：（9816-UATWW-MWUB-WUNN-INNUL-DQQTY- 1、极化会对晶体结构产生显着影响，可使键性由（B）过渡，最终使晶体结构类型发生变化。 （A）共价键向离子键（B）离子键向共价键 （C）金属键向共价键（D）键金属向离子键 2、离子晶体中，由于离子的极化作用，通常使正负离子间的距离（B），离子配位数（）。 （A）增大，降低（B）减小，降低（C）减小，增大（D）增大，增大 3、氯化钠具有面心立方结构，其晶胞分子数是（C）。 （A）5 （B）6 （C）4 （D）3 4、NaCl单位晶胞中的“分子数”为4，Na+填充在Cl-所构成的（B）空隙中。 （A）全部四面体（B）全部八面体（C）1/2四面体（D）1/2八面体 5、CsCl单位晶胞中的“分子数”为1，Cs+填充在Cl-所构成的（C）空隙中。 （A）全部四面体（B）全部八面体（C）全部立方体（D）1/2八面体 6、MgO晶体属NaCl型结构，由一套Mg的面心立方格子和一套O的面心立方格子组成，其一个单位晶胞中有（B）个MgO分子。 （A）2 （B）4 （C）6 （D）8 7、萤石晶体可以看作是Ca2+作面心立方堆积，F-填充了（D）。 （A）八面体空隙的半数（B）四面体空隙的半数 （C）全部八面体空隙（D）全部四面体空隙 8、萤石晶体中Ca2+的配位数为8，F-配位数为（B）。 （A）2 （B）4 （C）6 （D）8 9、CsCl晶体中Cs+的配位数为8，Cl-的配位数为（D）。 （A）2 （B）4 （C）6 （D）8 10、硅酸盐晶体的分类原则是（B）。 （A）正负离子的个数（B）结构中的硅氧比 （C）化学组成（D）离子半径 11、锆英石Zr[SiO4]是（A）。 （A）岛状结构（B）层状结构（C）链状结构（D）架状结构 12、硅酸盐晶体中常有少量Si4+被Al3+取代，这种现象称为（C）。 《材料科学基础》课后习题答案 第一章材料结构的基本知识 4. 简述一次键和二次键区别 答：根据结合力的强弱可把结合键分成一次键和二次键两大类。其中一次键的结合力较强，包括离子键、共价键和金属键。一次键的三种结合方式都是依靠外壳层电子转移或共享以形成稳定的电子壳层，从而使原子间相互结合起来。二次键的结合力较弱，包括范德瓦耳斯键和氢键。二次键是一种在原子和分子之间，由诱导或永久电偶相互作用而产生的一种副键。 6. 为什么金属键结合的固体材料的密度比离子键或共价键固体为高？ 答：材料的密度与结合键类型有关。一般金属键结合的固体材料的高密度有两个原因：（1）金属元素有较高的相对原子质量；（2）金属键的结合方式没有方向性，因此金属原子总是趋于密集排列。相反，对于离子键或共价键结合的材料，原子排列不可能很致密。共价键结合时，相邻原子的个数要受到共价键数目的限制；离子键结合时，则要满足正、负离子间电荷平衡的要求，它们的相邻原子数都不如金属多，因此离子键或共价键结合的材料密度较低。 9. 什么是单相组织？什么是两相组织？以它们为例说明显微组织的含义以及显微组织对性能的影响。 答：单相组织，顾名思义是具有单一相的组织。即所有晶粒的化学组成相同，晶体结构也相同。两相组织是指具有两相的组织。单相组织特征的主要有晶粒尺寸及形状。晶粒尺寸对材料性能有重要的影响，细化晶粒可以明显地提高材料的强度，改善材料的塑性和韧性。单相组织中，根据各方向生长条件的不同，会生成等轴晶和柱状晶。等轴晶的材料各方向上性能接近，而柱状晶则在各个方向上表现出性能的差异。对于两相组织，如果两个相的晶粒尺度相当，两者均匀地交替分布，此时合金的力学性能取决于两个相或者两种相或两种组织组成物的相对量及各自的性能。如果两个相的晶粒尺度相差甚远，其中尺寸较细的相以球状、点状、片状或针状等形态弥散地分布于另一相晶粒的基体内。如果弥散相的硬度明显高于基体相，则将显著提高材料的强度，同时降低材料的塑韧性。 10. 说明结构转变的热力学条件与动力学条件的意义，说明稳态结构和亚稳态结构之间的关系。 答：同一种材料在不同条件下可以得到不同的结构，其中能量最低的结构称为稳态结构或平衡太结构，而能量相对较高的结构则称为亚稳态结构。所谓的热力学条件是指结构形成时必须沿着能量降低的方向进行，或者说结构转变必须存在一个推动力，过程才能自发进行。热力学条件只预言了过程的可能性，至于过程是否真正实现，还需要考虑动力学条件，即反应速度。动力学条件的实质是考虑阻力。材料最终得到什么结构取决于何者起支配作用。如果热力学推动力起支配作用，则阻力并不大，材料最终得到稳态结构。从原则上讲，亚稳态结构有可能向稳态结构转变，以达到能量的最低状态，但这一转变必须在原子有足够活动能力的前提下才能够实现，而常温下的这种转变很难进行，因此亚稳态结构仍可以保持相对稳定。 第二章材料中的晶体结构 1. 回答下列问题： （1）在立方晶系的晶胞内画出具有下列密勒指数的晶面和晶向： 32）与[236] （001）与[210]，（111）与[112]，（110）与[111]，（132）与[123]，（2 （2）在立方晶系的一个晶胞中画出（111）和（112）晶面，并写出两晶面交线的晶向指数。 解：（1） 《材料科学基础》作业六：晶体结构 一．判断是非题，对的在括号中划“∨”，错的划“×”： 1．布拉非点阵与晶体结构是同一概念，因此不管离子晶体，分子晶体，还是原子晶体，晶体结构类型共有14种。（） 2．如果某晶面（hkl）平行于某晶向[uvw] ,晶向与晶面之间存在hu+kv+lw=1的关系（）3．fcc结构中，四面体间隙数是单胞原子数的1倍。（） 4．温度相同时，碳原子在α-Fe中的溶解度小于在γ-Fe中的溶解度，这是因为α-Fe的致密度小于γ-Fe的致密度。（） 5．fcc结构的晶体中（111）晶面上含有[110]、[101]、[011]三个最密排方向。（） 二．填空题 1．<111>晶向族包括————————————————————————————————————————组晶向。2．{110}晶面族包括————————————————————————————————————————组晶面。 3．晶面（123）和（101）为共带面，其晶带轴的晶向指数为————————————————。4．fcc结构晶体的滑移面（密排晶面）是—————，滑移方向（密排晶向）是—————；bcc结构晶体的滑移面是——————，滑移方向为——————；hcp结构的滑移面是——————，滑移方向为————————。 5．某晶体的致密度为74％,该晶体的晶体结构为————————————————————。 三．问答题 1．画图并计算fcc和bcc结构晶体的八面体间隙半径大小。 a≌1.633 。 2．画图并说明hcp结构不是一种空间点阵的原因，并计算c 3．作图表示（111）、（111）、（112）晶面及[111]、[112]晶向。 4．求bcc结构（111）、（100）及（110）晶面的面间距大小，并指出面间距最大的晶面。 第二章晶体结构缺陷 1.（错）位错属于线缺陷，因为它的晶格畸变区是一条几何线。 2．（错）螺型位错的柏氏失量与其位错线垂直，刃型位错的柏氏失量与其位错线是平行。 3. （错）肖特基缺陷是由于外来原子进入晶体而产生的缺陷。 4.（错）弗伦克尔缺陷是由于外来原子进入晶体而产生的缺陷。 二选择题 O中存在 A 。 1．非化学剂量化合物Zn 1+x A. 填隙阳离子 B. 阳离子空位 C. 填隙阴离子 D. 阴离子空位 中存在 C 。 2. 非化学计量化合物UO 2+x A. 填隙阳离子 B. 阳离子空位 C. 填隙阴离子 D. 阴离子空位 中存在 D 。 3．非化学剂量化合物TiO 2－x A. 填隙阳离子 B. 阳离子空位 C. 填隙阴离子 D. 阴离子空位 4.螺型位错的位错线是 A 。 A. 曲线 B. 直线 C. 折线 D. 环形线 5．非化学剂量化合物ZnO 中存在 D 。 1－x A. 填隙阳离子 B. 阳离子空位 C. 填隙阴离子 D. 阴离子空位 6. 非化学计量化合物UO 中存在 C 。 2+x A. 填隙阳离子 B. 阳离子空位 C. 填隙阴离子 D. 阴离子空位 三、名词解释 1. 弗仑克尔缺陷 原子离开其平衡位置二进入附近的间隙位置，在原来位置上留下空位所形成的缺陷，特点是填隙原子与空位总是成对出现。 2．固溶体： 物种数：凡在固体条件下，一种组分（溶剂）内“溶解”了其它组分（溶质）而形成的单一、均匀的晶态固体称为固溶体。 四、解答题 1．完成下列缺陷方程式，并且写出相应的化学式 (1)NaCl 溶入CaCl 2中形成空位型固溶体； (2)CaCl 2溶人NaC1中形成空位型固溶体； 解：（1）NaCl Na Ca ’+ Cl Cl + V Cl · Ca 1－x Na x Cl 2－x （2）CaCl 2 Ca Na · + 2Cl Cl + V Na ’ Na 1－2x Ca X Cl 2完成下列缺陷方程式，并且写出相应的化学式(6分) (1)M gCl 2固溶在LiCl 晶体中形成填隙型 Li 1－x Mg x Cl 1＋x (2) SrO 固溶在Li 2O 晶体中形成空位型 Li 2－2x Sr x O 3．写出下列缺陷反应式 ①.NaCl 形成肖脱基缺陷。 ②.AgI 形成弗伦克尔缺陷（Ag +进入间隙）。 ③KCl 溶入CaCl 2中形成空位型固溶体。 解：1、O→VNa ′+VCl˙ 2、Ag Ag+Vi →A g i ˙+V Ag′ ③ KCl K Ca ’+ Cl Cl + V Cl · Ca 1－x K x Cl 2－x 4 对于MgO 、Al 2O 3和Cr 2O 3，其正、负离子半径比分别为0.47,0.36和0.40。Al 2O 3和Cr 2O 3形成连续固溶体。（4分） （a ）这个结果可能吗？为什么？ （b ）试预计，在MgO －Cr 2O 3系统中的固溶度是有限还是很大的？为什么？ 答（a ）可能，Al 2O 3和Cr 2O 3的正离子半径之比小于15％。晶体结构又相同。所 以可能O Li Li O Li O V Sr S SrO +'+??→??. 2)(Cl i Li LiCl Cl Cl Mg S MgCl ++?? →??')(.2 1、极化会对晶体结构产生显着影响，可使键性由（B）过渡，最终使晶体结构类型发生变化。 （A）共价键向离子键（B）离子键向共价键 （C）金属键向共价键（D）键金属向离子键 2、离子晶体中，由于离子的极化作用，通常使正负离子间的距离（B），离子配位数（）。 （A）增大，降低（B）减小，降低（C）减小，增大（D）增大，增大 3、氯化钠具有面心立方结构，其晶胞分子数是（C）。 （A）5 （B）6 （C）4 （D）3 4、NaCl单位晶胞中的“分子数”为4，Na+填充在Cl-所构成的（B）空隙中。 （A）全部四面体（B）全部八面体（C）1/2四面体（D）1/2八面体 5、CsCl单位晶胞中的“分子数”为1，Cs+填充在Cl-所构成的（C）空隙中。 （A）全部四面体（B）全部八面体（C）全部立方体（D）1/2八面体 6、MgO晶体属NaCl型结构，由一套Mg的面心立方格子和一套O的面心立方格子组成，其一个单位晶胞中有（B）个MgO分子。 （A）2 （B）4 （C）6 （D）8 7、萤石晶体可以看作是Ca2+作面心立方堆积，F-填充了（D）。 （A）八面体空隙的半数（B）四面体空隙的半数 （C）全部八面体空隙（D）全部四面体空隙 8、萤石晶体中Ca2+的配位数为8，F-配位数为（B）。 （A）2 （B）4 （C）6 （D）8 9、CsCl晶体中Cs+的配位数为8，Cl-的配位数为（D）。 （A）2 （B）4 （C）6 （D）8 10、硅酸盐晶体的分类原则是（B）。 （A）正负离子的个数（B）结构中的硅氧比 （C）化学组成（D）离子半径 11、锆英石Zr[SiO4]是（A）。 （A）岛状结构（B）层状结构（C）链状结构（D）架状结构 12、硅酸盐晶体中常有少量Si4+被Al3+取代，这种现象称为（C）。 （A）同质多晶（B）有序—无序转变（C）同晶置换（D）马氏体转变 13.镁橄榄石Mg2[SiO4]是（A）。 （A）岛状结构（B）层状结构（C）链状结构（D）架状结构 14、对沸石、萤石、MgO三类晶体具有的空隙体积相比较，其由大到小的顺序为（A）。（A）沸石>萤石>MgO （B）沸石>MgO>萤石（C）萤石>沸石>MgO （D）萤石>MgO>沸石 15、根据鲍林（Pauling）规则，离子晶体MX2中二价阳离子的配位数为8时，一价阴离子的配位数为（B）。 （A）2 （B）4 （C）6 （D）8 16、构成硅酸盐晶体的基本结构单元[SiO4]四面体，两个相邻的[SiO4]四面体之间只能（A）连接。 （A）共顶（B）共面（C）共棱（D）A+B+C 17、点缺陷与材料的电学性质、光学性质、材料的高温动力学过程等有关，以下点缺陷中属于本征缺陷的是（D）。材料结构与性能试题及详细答案
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材料科学基础作业六晶体结构.
第二章 晶体结构缺陷习题答案
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