材料化学导论 复习提纲

材料化学导论复习提纲

第一章绪论

一、材料的分类（按成分分类、按功能分类）

1、按组成、结构特点分

金属材料：由金属及合金构成的材料。

黑色金属：如钢Fe、Mn、Cr及其合金；

有色金属：黑色金属以外的各种金属及其合金。

无机非金属材料：由非金属单质或金属与非金属组成的化合物所构成的材料。

传统无机非金属材料：水泥、玻璃、陶瓷等

新型无机非金属材料：高温结构陶瓷、光导纤维等。如水晶(SiO2)、金刚石(C)、刚玉(Al2O3)、

新型陶瓷材料或精细陶瓷。

高分子材料：以脂肪族或芳香族的C-C 共价键为基础结构的大分子组成。

天然高分子材料：木材,天然橡胶,棉花,动物皮毛等。

合成高分子材料：塑料,合成橡胶,合成纤维和粘合剂等。

复合材料：金属、无机非金属和有机高分子材料有机结合，可以在性能上起到协同作用，从而获得全新性能的一类材料。如碳纤维等。

2、按使用性能分

结构材料：主要利用材料的力学性能的材料。

功能材料：主要利用材料的物理和化学性能的材料。

二、原料与材料的区别、（化学过程与材料过程？）。

材料：人类能用来制作有用物件的物质。是为获得产品，无化学变化。

原料：人们在自然界经过开采而获得的劳动对象。是生产材料，往往伴随化学变化。

注意：材料和原料合成为原材料。

三、.材料的发展过程（了解）。

第一代：天然材料

在原始社会，生产技术水平低下，人类使用的材料只能是自然界的动物、植物和矿物，主要的工具是棍棒，用石料加工的磨制石器。

第二代：烧炼材料

烧炼材料是烧结材料和冶炼材料的总称。天然的矿、土烧结的砖瓦、陶瓷、玻璃、水泥，都属于烧结材料；从天然矿石中提炼的铜、铁等，属于冶炼材料。

第三代材料：合成材料

如合成塑料、合成橡胶、合成纤维。

第四代：可设计的材料

近代出现的根据实际需要去设计特殊性能的材料。

第五代：智能材料

随时间、环境的变化改变自己的性能或形状的材料。如形状记忆合金。

第二章

一、晶体的对称性：点对称操作的独立操作元素、点对称操作与平移对称操作的组合（空间群）。

晶体的对称性：指对晶体施加某种几何操作后，晶体可以完全复原的性质。这种几何操作为对称操作。

点对称操作：在晶体对称操作过程中，若至少有一个点保持不变，则这种对称操作称为点对称操作。晶体的这种对称性称为点对称性或宏观对称性。

能使点阵结构复原的对称元素：平移群、对称中心（又称倒反）、镜面、旋转轴、旋转反轴。

空间点阵结构中只能容纳有限的几种旋转轴，即二重轴、三重轴、四重轴和六重轴，所以其最基本的对称元素只有七种。

1、旋转对称性：指以一个假想直线为轴，绕此直线旋转一定的角度可使图形相同部分重合。

（该直线称为对称轴，以L 表示，分为n 重旋转轴，其中n ＝360/α, α为旋转角度。受点阵结构的限制，晶体中只存在1，2，3，4，6几种旋转轴，用L1， L2 ，L3，L4，L6 表示。）

n= 1: 平庸对称性，单位对称操作，所有晶体均具有的对称性。

n= 2： n= 3: n= 4: n= 6:

旋转轴—— 1.2.3.4.6重轴。 镜面m 、倒反操作i 。

2、 共有化电子

只有一个价电子：电子在离子实电场中运动时，单

个原子的势能曲线表示为：

两个原子很近时：每个价电子将同时受到两个离

子实电场的作用，这时的势能

曲线表示为：

3、导体、绝缘体和半导体的能带结构、用能带理论解释其性质及温度对其导电性的影响。

（1）导体的能带结构（三种形式）。

形式1：价带中只填充了部分电子，在外加电场作用下，这些电子很容易在该能带中从低能级跃迁到较高能级，从

而形成电流。是电子导电型，如Li 。

形式2：价带被电子填满，成为满带，且与空带发生交叠，形成更宽的能带，从而使可添充的电子数目大于2N ，使

能带不完全被电子充满，以致出现电子和空穴同时参与导电。包括：空穴导电型导体、电子导电型导体。

如二价Bi 、As 、Mg 、Zn 。

形式3：金属的价带本来就没有被电子填满，同时价带又同邻近的空带重叠，形成一个更宽的导带，实际参与导电的是那些未被填满的价带中的电子。是电子导电型导体，如Na 、K 、Cu 、Al 、Ag 。

价带 空带 导带 空带

（2）绝缘体能带结构。

绝缘体具有充满电子的满带和很宽的禁带，禁带宽△Eg 约 3～6 eV ；一般温度下，满带中的电子在外电场作用下很难激发，越过禁带到空带参与导电。如大多数离子晶体。

例： NaCl 晶体，它的能带是由 Na+ 和 Cl-离子的能级构成的，Na+

的最外壳层 2p 和Cl- 的最外壳层3p ，都已被电子填满，且这

最高满带与空带之间存在着很宽的禁带，所以NaCl 是绝缘体。

绝缘体：电子刚好填满最低的一系列能带（最上边的满带叫价带），再高

的各能带全部都是空的（即为空带），由于没有未满带，禁带宽度

比较大，不能导电。 （3）半导体能带结构。 在温度 T=0K 时，能带结构与绝缘体相似，只是禁带宽度△Eg

很窄，约0.1～1.5 eV ；在温度 T ＞0K 时，电子热激发，能从满带

跃迁到空带，使空带成为导带，同时在满带中产生空穴；外加电场

后，电子和空穴从低能级跃迁到高能级，而形成电流，因此半导体 具有导电性。

半导体：硅、硒、锗、硼等元素，硒、碲、硫的化合物，各种金属氧化物等物质都是半导体。

（a ）导体（b ）绝缘体（c ）半导体（d ）半金属

4、晶体缺陷的分类（按H.Pick 法分类和几何分类法）。

（1）几何形态：点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷等。

点缺陷：发生在晶格中一个原子尺寸范围内的一类缺陷，亦称零维缺陷，例如空位、间隙原子等。

线缺陷：缺陷只在一个方向上延伸，或称一维缺陷，主要是各种形式的“位错”，例如晶格中缺少一列原子。 面缺陷：晶体内一个晶面不按规定的方式来堆积，部分偏离周期性点阵结构的二维缺陷。

体缺陷：指在三维方向上相对尺寸较大的缺陷，例如完整的晶格中可能存在着空洞或夹杂有包裹物等，使得晶体内

部的空间点阵结构整体中出现了异性形式的缺陷

（2）形成原因：热缺陷、杂质缺陷、非化学计量缺陷、电荷缺陷、辐照缺陷。

热 缺陷：亦称本征缺陷，指由热起伏的原因所产生的空位或间隙质点。类型:弗仑克尔缺陷和肖特基缺陷 杂 质 缺陷：亦称为组成缺陷，是由外加杂质的引入所产生的缺陷。

非整比缺陷：指组成上偏离化学中的定比定律所形成的缺陷。它是由基质晶体与介质中的某些组分发生交换而产生。电 荷缺陷：质点排列的周期性未受到破坏，但因电子或空穴的产生，使周期性势场发生畸变而产生的缺陷。

辐 照缺陷：材料在辐照下所产生的结构不完整性。

5、固溶体的分类方法。

带隙

空带 非导体 空带（导带） 半导体 满带（价带） 不同固体的能带填充情况 (a) 导体；(b) 绝缘体；(c) 半导体；(d) 半金属

(1)按溶质原子(或离子)在固溶体中的位置划分：

置换型固溶体：溶质的质点进入主晶体中正常结点位置。

间隙型固溶体：溶质的质点进入溶剂晶格的间隙位置。如：碳在铁中形成间隙型固溶体。

(2)按溶质在主晶体中的溶解度(固溶度)划分：

连续固溶体：溶质和主晶体可以按任意比例无限制地相互溶解。

有限固溶体：溶质原子在主晶体中的溶解度是有限的。

6.固溶体的相图（连续固溶体的相图种类，各区域、各线的意义，组分的确定方法；有限固溶体的二元系统相图，主要是低共熔点共晶相图各区域、各线的意义，组分的确定方法）。

（1）连续固溶体的二元系统相图

连续固溶体：两种组分，在液态下可无限互溶，在固态下形成的固溶体的溶解度可无限大。

连续固溶体形成的相图称为匀晶相图，有三种类型：

①没有最低及最高熔点型。

▽加入一种组分使熔点上升，而加入另一种组分使熔点降低。

▽相图由两条曲线将其分为三个区。

▽左右两端点分别为组元的熔点。

▽上面的一条曲线称为液相线，液相线之上为液相的单相区，常用L表示；

▽下面的一条曲线称为固相线，固相线之下为固溶体的单相区，常用α表示；

▽两条曲线之间是双相区，标记L+α表示。L1、a1点分别为平衡的液体和固体的成分。

②具有最低熔点型。

▽加入一组分后都使熔点下降，出现一个最低点。

③具有最高熔点型。

▽加入一组分后都使熔点上升，出现一个最高点

(a)具有最低熔点(b)具有最高熔点

（2）有限固溶体的二元系统相图。

有限固溶体：组分A、B间在液态下无限互溶，固态下可以形成固溶体但溶解度有限，不能以任意比例互溶。有两种类型：

①低共熔点型-共晶相图。

▽A，B分别表示两个组元，T A和T B为两个组元的熔点。

▽左、右端区域分别为B溶于A中的固溶体(以α表示)以及A溶于B

中的固溶体(以β表示)。

▽T A E、T B E分别α、β为固溶体的凝固曲线，两条液相线相交于E点。

▽E点所对应的温度称为共晶温度。在该温度下，液相凝固同时结晶出两

个固相，这种两相的混合物称为共晶组织或共晶体。

▽T A C和T B D为两固相线；CF和DG为固溶体α、β的溶解度随温度变化线；

▽CED水平线是：组成为Q点的α相，组成为I的β相and熔融液的三相

平衡共存线。称为共晶线。

▽相图分成三个单相区L、α、β；三个双相区L＋α、L＋β、α＋β。

▽成分位于共晶点E以左，C点以右的合金称为亚共晶合金。

▽成分位于共晶点E点以右、D点以左的合金称为过共晶合金。

②转熔点类型-包晶相图。

▽T A C和T B C为两液相线，T A D和T B P为两固相线；

▽DF和PG为固溶体α、β的溶解度随温度变化线；

▽相图有3个单相区：液相L、固相α和β。

▽单相区之间是L+α、L+β和α+β的3个双相区。

▽DPC称为包晶线，L、α、β三相共存区。

包晶线系：组成为D的固溶体α，组成为P的固溶体β和组成为C的熔液的

三相平衡共存线，其平衡关系式可示为：

当成分处于DP范围的合金冷却时，首先析出的是α固溶体。当温度降至tP时，成分为C的剩余液体与固溶体α相相互作用形成β固溶体。β相的生长在液体和α相的交界面处，形成的β相包围在α相外围，将α相与液体分隔开，所以把这种转变称为包晶转变。

这类由一种固溶体转变为另一种固溶体的温度(tp)就称为两固溶体的“转变温度”“转熔点”。

第三章材料结构的表征

一、材料结构分析的意义、材料研究的组成部分。

材料研究的三个组成部分：材料的设计、制备和表征。

材料结构分析的意义：材料设计的重要依据，来源于材料的结构分析。材料制备的实际效果，必须通过材料结构分析的检验。因此可以说，材料科学的进展极大地依赖于对材料结构分析的表征水平。材料结构表征的主要手段：热分析技术、显微技术、X射线衍射技术、波谱技术。

材料结构表征的任务：主要有三个：成分分析、结构测定、形貌观察。

二、热分析方法、热重法的含义、分类、热重曲线的分析。

热分析含义：在程序控制温度条件下，测量材料物理性质与温度之间关系的一种技术。从宏观性能的测试来判断材料结构的方法。

热分析分类：热重法(TG)、差热分析法（DTA）和差示扫描量热法（DSC）。

热重法含义：在程序控制温度条件下，测量物质的质量与温度关系的一种热分析方法。

热重法分类：等温热重法：在恒温下测量物质质量变化与时间的关系

非等温热重法：在程序升温下测量物质质量变化与温度的关系

热重曲线分析：

由热重法记录的质量变化对温度的关系曲线称为热重曲线(TG曲线)。

TG曲线以质量为纵坐标，从上到下表示减少，以温度或时间作横坐标，从左自右增加。如图。

▽热重曲线显示了试样的绝对质量(W)随温度的恒定升高

而发生的一系列变化。

▽如图中质量从W0到W1，从W1到W2，从W2到0是

三个明显的失重阶段，它们表征了试样在不同的温度范围内发

生的挥发性组分的挥发and分解产物的挥发，从而可以得到试

样的组成、热稳定性、热分解温度、热分解产物and热分解动力

学等有关数据。

▽由TG曲线还可获得试样的质量变化率与温度关系曲线，即

微分热重曲线(DTG曲线)，它是TG曲线对温度的一阶导数。

▽以物质的质量变化率dm/dt对温度T作图，所得的曲线为微

分热重曲线(DTG曲线)。DTG曲线的峰顶即失重速率的最大值，

它与TG曲线的拐点相对应。即样品失重在TG曲线形成的每一个

拐点，在DTG曲线上都有对应的峰。并且DTG曲线上的峰数目

和TG曲线的台阶数目相等。

▽由于DTG曲线上的峰面积与样品的失重成正比，因此可以从

DTG的峰面积计算出样品的失重量。

1—热重曲线2—微分热重曲线三、X射线衍射技术的含义、分类、应用。

1含义：X射线衍射分析(X-ray diffraction，简称XRD)，是利用X射线在晶体中所产生的衍射现象来分析材料的晶体结构、晶格参数、晶体缺陷、不同结构相的含量及内应力的方法。

2分类：粉末法X射线衍射分析单晶法X射线衍射分析

3应用：晶体X射线衍射方法是目前研究晶体结构最有力的方法。根据研究对象的不同可以分为粉末法和单晶法。

粉末法：可以用来确定立方晶的晶体结构的点阵形式、晶胞参数等。

单晶法：可以精确给出晶胞参数、晶体中成键原子的键长、键角等重要的结构化学数据。

粉末衍射的应用：（1）物相分析，即固体由哪几种物质构成

（2）衍射图的指标化

（3）点阵常数的精确测定

（4）晶粒尺寸和点阵畸变的测定

四、波谱技术的含义、分类及优点。

1含义：以光学理论为基础，以物质与光相互作用为条件，建立物质分子结构与电磁辐射之间的相互作用，从而进行物质分子几何异构、立体异构、构象异构和分子结构的分析和鉴定的方法。（即一定波长的电磁波（光波），作用于被研究物质的分子，引起分子内某种物理量的改变（能级跃迁），便产生波吸收谱。）

2分类：紫外光谱（UV）红外光谱（IR）核磁共振谱（NMR）质谱（MS）

3优点：

（1）样品用量少，一般2～3 mg (可<1mg)；

（2）除红外和质谱外，无样品消耗，可回收；

（3）省时，简便；

（4）配合元素分析(或高分辨率质谱)，可准确确定化合物的分子式and结构。

五、红外光谱的特点、应用。

1特点：

（1）具有高度的特征性。

就像人的“指纹”一样，依据红外光谱的吸收谱线的形状和相对强度来确定化合物。（物质的红外光谱是其分子结构的反映，谱图中的吸收峰和分子中各集团的振动形式相对应。）

（2）灵敏度高，测定时间短，近于无损的检测。

（3）样品不受状态限制。固体采用压片法或制成溶液，液体取1～2滴滴在圆形盐片之间测定，气体需转入专用的吸收瓶（或池）内。

2应用（鉴定化合物、测定分子结构）

（1）定性鉴定

①已知物的鉴定

将试样的谱图与标准谱图进行对照，或者与文献上的谱图进行对照。如果两张谱图各吸收峰的位置和形状完全

相同，峰的相对强度一样，就可以认为样品是该种标准物。如果两张谱图不一样，或峰位不一致，则说明两者不为同一种化合物，或样品有杂质。

②未知物结构的测定

测定未知物的结构，是红外光谱法定性分析的重要用途。如果未知物不是新化合物，可以通过两种方式，利用标准谱图进行查对：

㈠ 查阅标准谱图的谱带索引，寻找与试样光谱吸收带相同的标准谱图；

㈡ 进行光谱解析，判断试样的可能结构，然后再由化学分类索引查找标准谱图对照核实。

（2）定量鉴定

红外光谱的定量分析是根据组分的吸收峰的强度来进行。

六、原子吸收光谱分析法的含义、优点。

1含义：

原子吸收光谱分析法：是基于 自由原子吸收光辐射的一种 元素定量分析方法，即被测元素的基态原子对 光源发出的该原子的 特征性窄频辐射 产生共振吸收，其吸光度在一定浓度范围内 与蒸汽相中 被测元素的基态原子 浓度成正比。

注：即原子吸收法与紫外可见光光度法的基本原理相同，都遵循Beer 定律。

2优点：

（1）灵敏度高（检出限低）

（2）精密度好

（3）选择性高

（4）精确度高、分析速度快

（5）应用广泛

七、光谱图的三要素。 （1）波峰位置：反映波谱的特征振动频率，是鉴定官能团的基础，依据峰位可确定聚合物的类型；

（2）峰形状：从峰的形状可知分子的对称性，旋转异构等特征；

（3）峰强度：反映分子振动时偶极矩的变化率，又与分子的含量成正比，可定量分析样品。

第四章 材料制备化学

一.材料制备的目的？

二.陶瓷法制备晶体材料的反应过程（以尖晶石的制备为例说明）、陶瓷法制备材料的缺陷。

1陶瓷法制备晶体材料的反应过程。

MgO(s) + Al2O3(s) → MgAl2O4(s) 从热力学上看：反应的自由能允许反应正向自发进行。

从动力学上看：在室温时反应速率极慢，仅当温度超过1200℃时，才开始有明显的反应，要使反应进行完全，

必须将粉末混合物在1500℃下加热数天。原因：MgAl2O4晶核的生长困难以及扩散困难。 第一阶段：反应-成核

当MgO 和Al2O3两种晶体加热后，在接触面上局部生成一层 MgAl2O4。 （解释：反应的第一步是先生成MgAl2O4晶核，晶核的生成是比较困难的，这是因为，在 这个过程中化学键必须断裂和重新组合，原子也需要作相当大距离（原子尺度的)的迁移等。

MgO 中的Mg2+和Al2O3中的Al3+本来被束缚在它们固有的格点位置上，仅在极高温度时，

这些离子具有足够的热能使之从正常的格位上跳出，并通过晶体扩散。）

MgO Al 2O 3MgO Al 2O 3Mg 2+Al 3+MgAl 2O 4产物层新反应物-产物界面3x/4

x/4起始界面（a ）(b)(c )x 2106(cm 2)

2010

5

151500℃

1400℃

1300℃

(a) MgO 和Al2O3反应时相互紧密接触状态 (b) MgO 和Al2O3相互扩散反应

第二阶段：反应-扩散

为使反应进一步进行并使产物MgAl 2O 4的厚度增加，Mg 2+和Al3+离子必须通过已存在的MgAl2O4产物层，相互扩散达到新的反应界面。（解释：在此阶段有两个反应界面：MgO 和MgAl2O4 之间以及MgAl2O4和Al2O3之间的

界面。因为Mg2+和Al3+扩散速率很慢，所以反应即使在高温下进行也很慢，而且其速率随尖晶石产物层厚度增加而降低。反应-扩散过程更为困难。）

尖晶石产物厚度x 与温度和时间的关系如图所示：在三种不同温度下,x 2对时间的图是

直线，随着温度的增高，反应速率增加得很快。

为使电荷平衡，每有3个Mg2+扩散到右边界面，就有2个Al3+离子扩散到左边界面，

在理想情况下，在两个界面进行的反应可以写成如下的形式：

界面MgO/MgAl2O4 2Al 3－3Mg 2＋4MgO →MgAl 2O 4

界面MgAl2O4/Al2O3 3Mg 2－2Al 3＋4Al 2O 3→3MgAl 2O 4

2陶瓷法制备材料的缺陷。 （1）反应只能在界面进行，随后的扩散过程也十分困难；

（2）反应最终得到的是反应物和产物的混合体系，极难分离和提纯； (3）即使反应进行得很完全，也很难得到一个纯相的体系； （4）高温反应条件苛刻，还存在容器污染的问题。 3消除缺陷方法（需朝两个方向发展） 一个是向极端条件发展，如采用超高温(〉1600℃)、高压和超高压、电离辐射、射频、激光、冲击波等； 另一个方向是向缓和的条件发展，称为软化学法。 三.无定形材料的制备（了解）。 定 义：无定形材料也叫非晶态材料或玻璃态材料，这是一大类刚性固体，具有和晶态物质可相比较的高硬度和高粘滞系数。其组成的原子、分子的空间排列不呈现周期性和平移对称性，晶态的长程序受到破坏。只是由于原子间的相互关联作用，使其在几个原子（或分子）直径的小区域内具有短程序。

制备方法：1液相骤冷法（是先将金属或合金加热熔融成液态，然后通过不同途径使它们以105～108K/s 高速冷却）。 2.气相沉积法（先用各种不同的工艺将固体的原子或离子以气态形式离解出来，然后使它们无规则地沉积在冷却底板上，从而形成非晶态。根据离解和沉积方式的不同，分为：溅射法、真空蒸发沉积法、电解和化学沉积法、辉光放电分解法）。 3离子轰击。 4强激光辐射。 5高温爆聚

第五章 材料的结构与物理性能

一.晶体的基本特征。

1均 匀 性：晶体不同部位的宏观性质相同，即晶体的平移特性。

2各向异性：晶体的不同方向上具有不同的物理性质，即具有旋转特性

3自限性（或自范性）： 晶体具有自发地形成规则的几何外形的特性

4对称性：经过某种操作后，晶体能够与自身重合的特性

5解离性：晶体常具有在某些确定范围的沿晶面劈裂的性质，劈裂面称解理面。

6稳定性（最小内能）：同一种物质的几种不同形态（气、液、非晶态、晶态），以晶体的内能最小。 7确定的和明显的熔点。

8衍射效应：由于晶体结构的特殊性，晶体相当于三位光栅，能使波长相当于X 射线、电子流或中子流产生衍射效 应。并可以此来测定晶体的结构。

二非晶体材料的特征。

1均匀性：非晶材料的粒子杂乱无章地分布，但从无序分布的统计性规律上来说也是均匀的。

2长程无序：质点排列不具有格子构造特征，因而不能再使用对称性、晶系、晶胞等概念描述非晶固体。

3介稳性：也称亚稳性，非晶固体的内能并非最低，属于热力学不稳体系，由于动力学的原因，常温常压下，非晶 固体向结晶固体转化的速度非常缓慢，而呈现介稳状态。

MgO Al 2O 3

MgO Al 2O 3Mg 2+Al 3+MgAl 2O 4产物层新反应物-产物界面3x/4x/4

起始界面（a ）(b)(c )200时间/小时

100

x 2106(cm 2)20010

515

1500℃1400℃

1300℃

4短程有序：固体非晶结构呈现长程无序特征，但与气体间质点的分布不同，由于质点间存在较强的化学键力，因而遵循一定的排列规律，在短程范围内呈现一定的次序，即短程有序。

三.液晶材料的分类及各种类型的特点。

液晶的相态结构（晶相）：是指液晶分子在形成液晶相时的空间取向和晶体结构。液晶的晶相主要有以下三类：

（a）向列型晶相用符号N来表示。

在向列型液晶中，液晶分子刚性部分之间相互平行排列，但是其重心排列无序，只保持着一维有序性。

液晶分子在沿其长轴方向可以相对运动，而不影响晶相结构。因此在外力作用下可以非常容易流动，是在三种晶相中流动性最好的液晶。

（b）近晶型晶相通常用符号S来表示，在所有液晶中最接近固体结晶结构。

在这类液晶中分子刚性部分互相平行排列，并构成垂直于分子长轴方向的层状结构。在层内分子可以沿着层面相对运动，保持其流动性；这类液晶具有二维有序性。

由于层与层之间允许有滑动发生，因此这种液晶在其粘度性质上仍存在着各向异性。

（c）胆甾醇型晶相由于这类液晶，许多是胆甾醇的衍生物，所以称之为胆甾醇型液晶。

构成液晶的分子基本是扁平型的，依靠端基的相互作用，彼此平行排列成层状结构。

与近晶型液晶不同，它们的长轴与层面平行，而不是垂直。

在两相邻层之间，由于伸出平面外的光学活性基团的作用，分子的长轴取向依次规则地旋转一定角度，层层旋转，构成一个螺旋面结构；分子的长轴取向在旋转360度以后复原。

两个取向度相同的最近层间距离称为胆甾醇型液晶的螺距。

这类液晶具有彩虹般的颜色和很高的旋光本领等独特的光学性质。

第六章新型结构材料

一耐热合金的含义及分类。

1含义：又称高温合金，指在650℃以上温度下具有一定力学性能和抗氧化、耐腐蚀性能的合金，目前是铁基、镍基和钴基合金的统称。

2分类：

（1）.按组织结构分：珠光体、马氏体和奥氏体耐热钢、耐热合金等；

（2）按成分分类：铁基、镍基和钴基合金等。

①铁基合金：以铁为主，含有大量镍、铬和适量的锰及钨、钼、钒、钛。基体主要是奥氏体耐热钢或奥氏体耐热合金，因为面心立方的奥氏体原子间结合力较强，再结晶温度较高，故比珠光体和马氏体耐热钢具有更高的耐热性。

奥氏体：γ—铁内固溶有碳和（或）其它元素的、晶体结构为面心立方的固溶体。

马氏体：α—铁的固溶体，黑色金属材料的一种组织名称。碳溶于α—铁的过饱和的固溶体，是奥氏体通过无扩散型相变转变成的亚稳定态。

珠光体：是奥氏体发生共析转变形成的铁素体和渗碳体的共析体。

铁素体：α—铁和以它为基体的固溶体

渗碳体：正交点阵，化学式近似于Fe3C的一种间隙式化合物或铁碳合金按亚稳定平衡系统凝固和冷却转变时析出的Fe3C碳化物

共析转变：一个固相同时转变为两个成分和结构均不相同的固相的转变。

②镍基合金：以镍为主要成分,一般含有10-20%Cr以便形成稳定的奥氏体组织，为提高抗氧化性和热强性还加人少量W、Mo、Ti、Al等元素。

③钴基合金：这类合金具有良好的热强性、热稳定性和抗冷热疲劳的性能。但在反应堆上禁用钴合金。

二高温结构陶瓷的含义及分类。

1含义：高温结构陶瓷，是指用于某种装置、或设备、或结构物中，能在高温条件下承受静态或动态的机械负荷的陶瓷。

2性能：高熔点、高温强度、较小的高温蠕变性能、较好的耐热震性、抗腐蚀、抗氧化和结构稳定性。

3分类：高温氧化物和高温非氧化物结构陶瓷

高温氧化物结构陶瓷

（1）包括：熔点高于1728℃的氧化物（如氧化硅晶体）或某些复合氧化物（如氧化铝、氧化锆、氧化镁等）。（2）优缺点：高温下的化学稳定性好，尤其是抗氧化性能好。但弱点是脆性较大，耐机械冲击性差。

（3）应用：高温氧化物陶瓷可用作高温炉衬，熔炼稀有金属和纯金属的坩埚，以及磁流体发电装置的高温电极材料和热机材料。

高温非氧化物结构陶瓷

（1）包括：氮化物、碳化物、硅化物、硼化物等。

（2）性能与应用：①与氧化物比较，难熔化合物的热导率较高，热膨胀系数较低，因此具有良好的抗热震性。

②氮化硅与碳化硅还具有较高强度，硬度仅次于金刚石，耐磨性好，是很好的热机材料。

③采用氮化硅或碳化硅作为燃气轮机和陶瓷发动机的高温部件,与金属部件比较,可承受较高的工作温度，省去水冷却系统，减轻自重，因而节能效果显著。

④由于氮化硼具有优良的热稳定性，而且对金属熔体有很好的耐蚀性，用它作为水平连续铸钢的分离环，可较氮化硅有更长的使用寿命。

⑤由于SiC陶瓷高温强度大，高温蠕变小，硬度高、耐磨、耐腐蚀、耐氧化以及热稳定性好，所以它是1400℃以上良好的高温结构陶瓷材料，在许多领域都有广泛的应用。在航天航空上主要用于发动机燃料燃烧构件方面。

⑥氮化硅（Si3N4）具有硬度大、熔点高、结构稳定、绝缘性能好、耐磨损、弹性模量大、高强度、热膨胀系数小、导热系数大、耐热冲击性好、密度低、耐腐蚀、抗氧化等优点。

三纤维材料的含义及分类。

1含义：聚合物经一定的机械加工（牵引、拉伸、定型等）后形成的细而柔软的材料。

2特点：纤维具有弹性模量大，塑性形变小，强度高等特点，有很高的结晶能力，分子量小，一般为几万。

3分类：

（1）天然纤维：自然界存在的纤维，又分为：植物纤维、动物纤维、矿物纤维。

（2）化学纤维：是经过化学处理加工而制成的纤维。分为人造纤维（或再生纤维）和合成纤维。

人造纤维：用天然高分子化合物或其衍生物做材料，经溶解后制成纺织溶液，然后纺制成的纤维。

分为人造丝、人造毛和人造棉。

合成纤维：用合成高分子化合物做原料而制成的化学纤维的总称。

四硬质合金的含义、组成及结构。

1含义：由难熔金属的硬质化合物和粘结金属通过粉末冶金工艺制成的一种合金材料。

2性能：硬质合金具有硬度高、耐磨、强度和韧性较好、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能。

3组成：硬化相是元素周期表中过渡金属的碳化物，硬化相的存在决定了合金具有极高硬度和耐磨性。

粘结金属一般是铁族金属，常用的是钴和镍。

4结构：ⅣB、ⅤB、ⅥB族金属与碳形成的金属型碳化物，由于碳原子半径小，能填充于金属晶格的空隙中并保金属原有的晶格形式，形成间充固溶体。在适当条件下，这类固溶体还能继续溶解它的组成元素，直到达到饱和为止。因此，它们的组成可以在一定范围内变动，化学式不符合化合价规则。

间充化合物：当溶解的碳含量超过某个极限时，晶格型式将发生变化，使原金属晶格转变成另一种形式的金属晶格，这时的间充固溶体叫做间充化合物。

5合成方法：硬质合金是以高硬度难熔金属的碳化物（WC、TiC)微米级粉末为主要成分，以钴（Co）或镍（Ni）、钼（Mo）为粘结剂，在真空炉或氢气还原炉中烧结而成的粉末冶金制品。

6性能：硬度高、热硬性好、耐磨性好。脆性大，不能进行切削加工，难以制成形状复杂的整体刀具。

五.超塑性合金的分类及特征。

1组织超塑性（或恒温超塑性、微晶超塑性）特征：

（1）绝大多数合金的超塑性温度都很高，多数都在几百度到几千度。

（2）对变形速度的依赖性大。此种材料发生超塑性的速度范围很低，必须通过采用与之相适应的低速度加工来减少工序。

（3）能实现在低压下的固相结合。可用于制造含有超塑性合金的复合材料，也促进了使超塑性合金用于复合材料的开发利用。

（4）减震能力强。由于这种材料在超塑性温度附近有滞弹性行为， 故减震能力很强,可用于减震和消音材料。

（5）其他：由于晶粒细小，加工变形时表面光洁度较高，易于实现精细雕刻面的转印；

由于变形抗力极小，可用于难加工材料加工时的润滑剂；

由于具有耐腐蚀性、低导热性、耐辐射性、高弹性恢复能力、软磁性能等，可用于功能材料或功能—

结构材料。

2相变超塑性（或变态超塑性、动超塑性）

这类超塑性，并不要求材料有超细晶粒，而是在一定的温度和负荷条件下，经过多次的循环相变或同素异形转变获得大延伸。

变形的特点：初期时每一次循环的变形量比较小，而在一定次数之后，例如几十次之后，每一次循环可以得到逐步加大的变形，到断裂时，可以累积为大延伸。

六非晶态金属材料基本特征及应用。

1基本特征：

（1）非晶态形成能力对合金组分的依赖性：不同的合金组分形成非晶态时所需要的条件不同。纯金属比合金的条件更苛刻。

（2）结构的长程无序性和短程有序性：原子在三维空间呈拓扑无序状排列，不存在长程周期性，但在几个原子间距的范围内，原子的排列仍然有着一定的规律，因此可以认为非晶态合金的原子结构为“长程无序，短程有序”。

（3）热力学的亚稳性：非晶态金属处于热力学不稳定状态，有自发地向晶态转化的趋势。

（4）优异的性能：高强度、极软的磁特性、耐腐蚀性。

2应用：

（1）非晶态软磁材料方面：磁芯材料、磁致伸缩材料、磁头材料、磁泡材料、磁屏蔽材料。

（2）弹性方面：可用作雷达、计算机及信息处理器中的导声材料，为各类仪表良好精密弹簧、敏感元件材料。

（3）力学性能方面：作为传送带、高压管及轮胎的强化纤维丝，各种切割材料、刮胡须刀片材料、精密仪表结构材料及医用材料。

（4）耐腐蚀性方面：可部分代替一些不锈钢丝。可用于海底电缆、海军航空控制电缆、化学过滤器、反应器及其他化学工程构件。

第七章 新型功能材料

一形状记忆合金与普通金属、超弹性的区别与联系；图示表示并能叙述说明。

形状记忆合金含义：简称SMA ，是一种在加热升温后能完全消除其在较低的温度下发生的变形，恢复其变形前原始形状的合金材料。

形状记忆合金的特性：①合金在某一温度下变形后，仍保持其变形的形状，但当温度升高到某一温度时，其形状恢复到变形前的原形状，即对以前的形状保持记忆特性，称为形状记忆效应。

②在高温（奥氏体状态）下发生的“伪弹性”（又称“超弹性“）行为，表现为这种合金能承载比一般金属大几倍甚至几十倍的可恢复应变。

形状记忆合金与普通材料的变形及恢复特性差别如图所示：

a ）普通金属；

b ） 超弹性；

c ）

形状记忆

普通金属和合金，在弹性范围变形时，载荷去除后可恢复到原来形状，无永久变形，但当变形超过弹性范围时再去除载荷，材料不能恢复到原来形状而保留永久变形，加热并不能使此永久变形消除，如图a所示。

而形状记忆合金在变形超过弹性范围时，去载后虽也有残留变形，但当加热到某一温度时，残留变形消失而恢复到原来形状，如图c。

另外，形状记忆合金变形超过弹性范围后，在某一程度内，当去除载荷后，也能徐徐返回原形，如图b所示，这一特性称为超弹性。

二图示温度的单程记忆合金及双程记忆合金的区别并叙述说明。

1将高温母相冷却到开始在母相中发生马氏体转变的温度称为马氏体开始相变温度Ms。

2继续冷却到马氏体相变停止的温度称为Mf。

3将处于低温的马氏体相加热，到开始发生马氏体到母相的逆相变的温度称为As。

4继续加温到某一温度，马氏体相全部转变到原母相的状态，此温度为Af。

5通常加热和冷却的相变曲线形成一热滞回线，As-Ms存在温度差。

▽当一定形状的母相材料由Af以上冷却至Mf以下T1温度形成马氏体后，

在Mf以下变形，经加热至Af以上（T2），伴随逆相变，材料会自动回复其在母

相时的形状，称为单程形状记忆效应，如图a所示。

▽有的材料经适当“训练”后，不但对母相形状具有记忆，并且在再度冷却

时能回复马氏体变形后的形状，称为双程记忆效应，如图b所示。

三.膜分离的含义及优点。

1分离膜的含义:

指能以特定形式限制和传递流体物质的分隔两相或两部分的界面。

膜的形式可以是固态的，也可以是液态的。被膜分割的流体物质可以是液态的，也可以是气态的.

2膜分离的优点：

（1）可在常温下进行。有效成分损失极小，特别适用于热敏性物质，如抗生素等、医药、果汁、酶、蛋白的分离与浓缩等。（2）无相态变化。保持原有的风味。

（3）无化学变化。典型的物理分离过程，不用化学试剂和添加剂，产品不受污染。

（4）选择性好。可在分子级内进行物质分离，具有普通滤材无法取代的卓越性能。

（5）适应性强。处理规模可大可小，可以连续也可以间隙进行，工艺简单，操作方便，易于自动化。

第八章功能转换材料

一了解热电材料的Seebeck效应、Peltier效应及Thomson效应。

1热电效应（Seebeck效应）：当两种不同金属接触时，它们之间会产生接触电位差。如果两种不同金属形成一个回路时，两个接头的温度不同，则由于该两接头的接触电位不同，电路中会存在一个电动势，因而有电流通过。电流与热流之间有交互作用存在，其温度梯度不但可以产生热流，还可以产生电流，这是一种热电效应，称为Seebeck 效应，其所形成的电动势，称为Seebeck电动势。

Seebeck电动势的大小既与材料有关,也是温度差的函数。在温度差ΔT较小时,Seebeck电动势EAB与温度差呈线性关系,即EAB=SABΔT,式中SAB为材料A和B的相对Seebeck系数。

2.Peltier效应：是Peltier发现Seebeck效应的逆效应，即当两种金属通过两个接点组成一回路并通以电流时，会使得一个接头发热而使另一个接头制冷，这就是Peltier效应。

由此效应而产生的热称为Peltier热，其数值大小既取决于两种材料的性质,也与通过的电流成正比,即QAB=ΠAB×I，式中ΠAB为材料A和B间的相对Peltier系数。

3.Thomson效应：Thomson发现，只考虑两个接头处发生的效应是不完全的，还必须同时考虑沿单根金属线由于其两端温度差而产生的电动势。

二了解压电材料及压电效应原理。

含义：压电材料，受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。

压电效应：压电材料是实现机械能与电能相互转变的工作物质。

①当压电材料受到机械应力时，会引起电极化,其极化值与机械应力成正比，这种现象称为正压电效应；

②反过来，材料在电场作用下，产生一个在数量上与电场强度成正比的应变，这种现象称为逆压电效应。

压电效应原理：如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差（称之为正压电效应），反之施加电压,则产生机械应力（称为逆压电效应）。

如果压力是一种高频震动，则产生的就是高频电流。而高频电信号加在压电陶瓷上时，则产生高频声信号（机械震动），这就是我们平常所说的超声波信号。也就是说，压电陶瓷具有机械能与电能之间的转换和逆转换的功能。

三了解光电效应的机理

光电效应：物质由于受到光照而引发其某些电性质变化的这一现象称为光电效应。