材料科学基础
材料科学基础知识
材料科学基础知识一、概述材料科学是一门涉及材料的结构、性能、制备和应用的学科。
在现代科学技术发展中，材料科学起着重要的作用。
材料科学的发展涉及多个学科领域，如物理学、化学、工程学等。
本文将介绍材料科学的基础知识，包括材料分类、结构与性能关系、制备方法等。
二、材料分类根据材料的组成和性质，可以将材料分为金属材料、陶瓷材料、聚合物材料和复合材料四大类。
1. 金属材料：金属材料具有良好的导电性和导热性，常见的金属材料有铁、铝、铜等。
金属材料的特点是强度高、可塑性好。
2. 陶瓷材料：陶瓷材料具有较高的熔点和硬度，常见的陶瓷材料有瓷器、玻璃等。
陶瓷材料的特点是脆性大、电绝缘性好。
3. 聚合物材料：聚合物材料是由高分子化合物组成的，常见的聚合物材料有塑料、橡胶等。
聚合物材料的特点是具有良好的可塑性和耐腐蚀性。
4. 复合材料：复合材料是由两种或多种不同种类材料组合而成的材料，常见的复合材料有纤维增强复合材料、金属基复合材料等。
复合材料的特点是综合性能优良。
三、结构与性能关系材料的结构对其性能有着重要的影响。
以下是常见的结构与性能关系。
1. 晶体结构：晶体是由离子、原子或分子按照一定规律排列而成的有序结构。
晶体的结构确定了材料的硬度、导电性等性能。
2. 硬度与强度：材料的硬度和强度与其原子、分子的排列有关。
晶体结构和材料的晶粒大小会影响材料的硬度和强度。
3. 导电性与绝缘性：材料的导电性与其电子的运动有关。
金属材料具有良好的导电性，而陶瓷材料则具有较好的绝缘性。
4. 磁性与非磁性：材料的磁性与其原子或分子的磁矩有关。
铁、镍等金属具有磁性，而大部分非金属材料则是非磁性的。
四、材料制备方法材料的制备方法经过了长期的发展和探索，现在已经有许多成熟的制备方法。
以下是常见的材料制备方法。
1. 熔融法：熔融法是通过加热材料使其熔化，然后再进行浇铸、凝固等操作来制备材料。
熔融法广泛应用于金属和玻璃等材料的制备过程。
2. 沉积法：沉积法利用化学反应、物理吸附等方法，将原料分子沉积到基材上，形成所需的材料。
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THANKS
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稳定性
材料在化学环境中保持其组成和结构的能力。
腐蚀性
材料与化学物质反应的能力，一些材料容易受到腐蚀。
活性
材料参与化学反应的能力和程度。
耐候性
材料在各种气候条件下的稳定性，如耐紫外线、耐风雨等。
材料的力学性质
弹性模量
描述材料抵抗弹性变形的能力。
硬度
材料表面抵抗被压入或划痕的能力。
韧性
材料吸收能量并抵抗断裂的能力。
材料科学的发展历程
总结词
概述材料科学的发展历程，包括重要的里程碑和代表 性人物。
详细描述
材料科学的发展历程可以追溯到古代，如中国的陶瓷和 青铜器制作，古埃及的石材加工等。然而，材料科学作 为一门独立的学科是在20世纪中期才开始形成的。在 这个时期，一些重要的里程碑包括开发出高温超导材料 、纳米材料和光电子材料等新型材料，这些材料的出现 极大地推动了科技的发展。同时，一些杰出的科学家如 诺贝尔奖得主也在这个领域做出了卓越的贡献。随着科 技的不断进步，材料科学的发展前景将更加广阔。
。
绿色材料与可持续发展
绿色材料
采用环保的生产方式，开发具有环保性能的新型材料，如可降解 塑料、绿色建材等。
节能减排
通过采用新型材料和技术，降低能源消耗和减少污染物排放，实现 节能减排的目标。
可持续发展
推动材料科学的发展，实现经济、社会和环境的协调发展，促进可 持续发展。
非晶体结构与性质
非晶体的结构特征
非晶体中的原子或分子的排列是无序的，不遵循长程有序的晶体 结构。
非晶体的物理和化学性质
非晶体的物理和化学性质与晶体不同，如玻璃态物质具有较好的化 学稳定性和机械强度。
材料科学基础
1.材料是国民经济的基础；广义的材料包括人们的思想意识之外的所有物质；材料、信息、能源是现代技术的三大支柱。
2.材料科学是研究各种材料的结构、制备加工工艺与性能之间关系的学科。
3.材料分类：金属材料、陶瓷材料或无机非金属材料、高分子材料、复合材料。
4.材料科学基础是进行材料科学研究的基础理论，它将各种材料（包括金属、陶瓷、高分子材料）的微观结构和宏观结构规律建立在共同的理论基础上，用于指导材料的研究、生产、应用和发展。
它涵盖了材料科学和材料工程的基础理论。
5.金属键：金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属键。
特点：电子共有化，既无饱和性又无方向性，形成低能量密堆结构性质：良好导电、导热性能，延展性好。
6.离子键：正负离子之间由于静电引力相互吸引，是原子结合在一起形成离子键。
特点：以离子而不是以原子为结合单元，要求正负离子相间排列，且无方向性，无饱和性性质：熔点和硬度均较高，良好电绝缘体。
7.共价键：两个或多个电负性相差不大的原子通过共用电子对而形成的化学键。
特点：饱和性配位数较小，方向性（s电子除外）性质：熔点高、质硬脆、导电能力差二；晶体学基础晶体：是指其内部原子（分子或离子）在三维空间做有规则的周期性重复排列的物体。
晶体原子（分子或离子）在空间的具体排列方式称为晶体结构。
晶体结构的基本特征：原子（或分子、离子）在三维空间呈周期性重复排列即即存在长程有性能上两大特点：固定的熔点，各向异性空间点阵：将晶体中原子或原子团抽象为纯几何点，即可得到一个由无数几何点在三维空间排列成规则的阵列—空间点阵特征：每个阵点在空间分布必须具有完全相同的周围环境晶胞：代表性的基本单元（最小平行六面体）选取晶胞的原则1.选取的平行六面体应反映出点阵的最高对称性2.平行六面体的棱和角相等的数目应最多3.当平行六面体的棱边夹角存在直角，直角数目应最多4.在满足上述条件下晶胞应具有最小体积晶格：为了表达空间原子排列的几何规律，把粒子(原子或分子)在空间的平衡位置作为结点，人为地将结点用一系列相互平行的直线连接起来形成的空间格架称为晶格。
材料科学基础完整ppt课件
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
离子% 结 ）= [-1 e 合 -1 4(X A 键 X B )（ 2 1% 00
另一种混合键表现为两种类型的键独立 纯在例如一些气体分子以共价键结合，而 分子凝聚则依靠范德瓦力。聚合物和许多 有机材料的长链分子内部是共价键结合， 链与链之间则是范德瓦力或氢键结合。石 墨碳的上层为共价键结合，而片层间则为 范德瓦力二次键结合。
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八.材料科学研究的内容：材料结构的基础知识、
晶体结构、晶体缺陷、材料的相结构及相图、材
料的凝固、材料中的原子扩散、热处理、工程材
料概论等主要内容。 .
子，因此，它们都是良好的电绝缘体。但当
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处在
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高温熔融状态时，正负离子在外电场作用 下可以自由运动，即呈现离子导电性。
2.共价键
（1）通过共用电子对形成稳定结构
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三.结论
1.原子核周围的电子按照四个量子数的规定 从低能到高能依次排列在不同的量子状态 下，同一原子中电子的四个量子数不可能 完全相同。
材料科学基础
材料科学基础
材料科学基础是材料理论、实验、应用的交叉学科。
它集成了多学科的实验手段和理论计
算技术，利用理论计算、数理物理和实验技术，研究材料的性能和制备、表征，分析和优
化材料结构和功能性能，以满足材料领域的需求。
基础的材料科学主要包括材料多尺度结构的研究、材料微观机制的研究、材料表面与界面
性质的研究以及材料抗损性表征及改进等。
材料多尺度结构研究是通过研究材料的原子、
分子、晶体等多种尺度结构，探索材料性能及其关联机制。
材料微观机制研究是通过对材
料微细结构、代表性性质进行研究，从原子、分子、晶体分解的角度探究材料行为及影响
其行为的机制；材料表面与界面性质的研究是指利用实验与分子模拟方法，研究材料的表
面和界面结构、化学组分特性及其性能等；材料抗损性表征与改进研究是针对特定工况作
用环境下材料应力损伤、耐磨性能等进行研究，目的是区分材料质变以及失效机制，提出
与改善结构、材料条件等有关的优化技术。
此外，材料科学的基础还涉及其他学科，如物理化学、机械工程、计算机科学、化学工程、材料物理学、有机合成和金属学等，以便从新的视角，综合研究材料的结构、性质、加工
技术、性能表征等。
总之，材料科学基础是一门宽泛而全面的学科，能够涵盖实验、理论计算技术、物理化学
等诸多分支，来研究材料的性能及功能。
未来，随着材料应用的不断发展，材料科学基础
也将在科学研究中发挥重要作用，为材料发展提供重要保障。
(完整版)材料科学基础基础知识点总结
第一章材料中的原子排列第一节原子的结合方式2 原子结合键（1）离子键与离子晶体原子结合：电子转移，结合力大，无方向性和饱和性；离子晶体；硬度高，脆性大，熔点高、导电性差。
如氧化物陶瓷。
（2）共价键与原子晶体原子结合：电子共用，结合力大，有方向性和饱和性；原子晶体：强度高、硬度高（金刚石）、熔点高、脆性大、导电性差。
如高分子材料。
（3）金属键与金属晶体原子结合：电子逸出共有，结合力较大，无方向性和饱和性；金属晶体：导电性、导热性、延展性好，熔点较高。
如金属。
金属键：依靠正离子与构成电子气的自由电子之间的静电引力而使诸原子结合到一起的方式。
（3）分子键与分子晶体原子结合：电子云偏移，结合力很小，无方向性和饱和性。
分子晶体：熔点低，硬度低。
如高分子材料。
氢键：（离子结合）X-H---Y（氢键结合），有方向性，如O-H—O（4）混合键。
如复合材料。
3 结合键分类（1）一次键（化学键）：金属键、共价键、离子键。
（2）二次键（物理键）：分子键和氢键。
4 原子的排列方式（1）晶体：原子在三维空间内的周期性规则排列。
长程有序，各向异性。
（2）非晶体：――――――――――不规则排列。
长程无序，各向同性。
第二节原子的规则排列一晶体学基础1 空间点阵与晶体结构（1）空间点阵：由几何点做周期性的规则排列所形成的三维阵列。
图1-5特征：a 原子的理想排列；b 有14种。
其中：空间点阵中的点－阵点。
它是纯粹的几何点，各点周围环境相同。
描述晶体中原子排列规律的空间格架称之为晶格。
空间点阵中最小的几何单元称之为晶胞。
（2）晶体结构：原子、离子或原子团按照空间点阵的实际排列。
特征：a 可能存在局部缺陷；b 可有无限多种。
2 晶胞图1－6（1）――－：构成空间点阵的最基本单元。
（2）选取原则：a 能够充分反映空间点阵的对称性；b 相等的棱和角的数目最多；c 具有尽可能多的直角；d 体积最小。
（3）形状和大小有三个棱边的长度a,b,c及其夹角α,β,γ表示。
材料科学基础课程教学大纲
材料科学基础课程教学大纲
一、课程背景与目标
材料科学基础课程是材料科学与工程专业的一门基础性课程，旨在培养学生对材料科学基本理论和基本知识的理解和掌握，为其后续的专业学习和科研工作打下坚实的基础。
本课程通过系统地讲授材料结构、性能与应用等方面的基础知识，旨在培养学生的科学思维、分析问题和解决问题的能力。
二、教学内容
1. 材料科学基础
1.1 材料科学的发展历程
1.2 材料科学的研究方法与手段
1.3 材料科学的基本概念和专业术语
2. 材料结构与性能
2.1 材料的晶体结构与非晶体结构
2.2 材料的晶体缺陷与非晶缺陷
2.3 材料的晶体结构与性能关系
2.4 材料的物理性质与化学性质
2.5 材料的机械性能与材料强度
3. 材料制备与加工
3.1 金属材料的制备与加工
3.2 陶瓷材料的制备与加工
3.3 高分子材料的制备与加工
3.4 复合材料的制备与加工
3.5 材料制备与加工中的工艺控制与监测
4. 材料性能测试与分析
4.1 材料性能测试的基本原理与方法4.2 材料力学性能测试与分析
4.3 材料热学性能测试与分析
4.4 材料电学性能测试与分析。
材料科学基础课程教学大纲
材料科学基础课程教学大纲课程名称：材料科学基础课程代码：MSE101学分：3学分开课对象：本科一年级材料科学与工程专业学生课程教师：XXX一、课程目标材料科学基础是一门介绍材料科学与工程领域基本概念、基本原理以及基本技能的课程。
通过本课程的学习，学生将掌握材料科学与工程的基本知识，包括材料分类、材料结构与性能的关系、材料制备和加工技术等方面的知识。
同时，本课程将培养学生的问题分析与解决能力，提高其实践操作能力和科学研究能力。
二、教学内容与教学安排1.材料科学与工程概述-介绍材料科学与工程的基本定义和发展历程-大纲各个章节的介绍2.结构与性能-原子结构与晶体结构的基本概念和分类-晶体缺陷和固溶体的形成-材料的力学性能、热性能、电性能等基本性能3.材料的制备与加工-金属材料的提取、精炼和制备-陶瓷材料的制备与加工-高分子材料的合成与制备-纳米材料的制备技术4.材料性能测试与分析-材料性能测试的基本原理和方法-金属材料、陶瓷材料和高分子材料的常用测试方法-材料性能测试数据的处理和分析5.材料应用与发展-不同材料在不同工程领域中的应用-材料科学与工程在可持续发展中的作用三、教学方法与学时安排本课程采用理论与实践相结合的教学方法。
理论部分通过讲课、课堂讨论和案例分析来讲解相关知识点。
实践部分设有课堂实验和实验报告，以及期末考核。
教学安排如下：-第1-4周：材料科学与工程概述-第5-8周：结构与性能-第9-12周：材料的制备与加工-第13-16周：材料性能测试与分析-第17-18周：材料应用与发展-第19周：期末考试四、考核方式与成绩评定1.平时表现（20%）-考勤情况（10%）-课堂讨论和参与度（10%）2.实验报告（30%）-实验报告的撰写质量和实验操作技能3.期末考试（50%）-考查学生对课程内容的理解和掌握程度五、参考教材1.材料科学与工程基础，陆谦、蔡生民，高等教育出版社2. 材料科学与工程导论，William D. Callister Jr.、David G. Rethwisch，机械工业出版社1. Materials Science and Engineering: An Introduction, William D. Callister Jr., David G. Rethwisch2. Introduction to Materials Science and Engineering, JamesF. Shackelford3. Fundamentals of Materials Science and Engineering, William D. Callister Jr., David G. Rethwisch以上即为《材料科学基础》课程的教学大纲。
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题
第一章 相 平ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ衡
1. 简述 SiO2 的多晶转变现象，为什么在硅酸盐产品中 SiO2 经常以介稳状态存 在？ 2. 图 1-1 示意表示出生成一个不一致熔融化合物 AmBn 和形成固溶体 SB(A)的二 元系统，试完成此相图的草图。 3. 对于图 1-2 所示的相图，试进行： （1）标出初晶区； （2）画出温度下降方向； （3）确定相界线性质； （4）确定无变量点性质； （5）分析 1，2，3 点的结 晶过程。
第四章 熔融态与玻璃通性
1. 试用 lg=E+F/(T-T0)方程式，绘出下列两种熔体在 13500C ~5000C 间的粘度温度曲线(lg~1/T)： E F T0 No.1 1.631 4229 219 No.2 1.769 4690 216 2. 一种熔体在 13000C 的粘度是 3100 泊， 在 8000C 是 108 泊， 在 10500C 时其粘 度是多少？在此粘度下急冷，是否形成玻璃？ 3. 决定玻璃熔体中复合阴离子团大小和结构的主要因素是什么？试从熔体结 构概念比较以下玻璃成分的粘度大小顺序：
1 2 3
SiO2 75 75 75
玻 璃 Al2O3 0.5 2.0 2.0
成
分 CaO 8.5 8.0 9.0
Na2O 16.0 15.0 14.0
4. 实验获得 Na2O-Al2O3-SiO2 和 Na2O-B2O3-SiO2 系统玻璃的分子体积随组成中 R2O3 含量变化如下图，试解释其原因。
AC 1
BC 2 3
A
AB 图 1-3
B
6. 氧化物 AO 和 SiO2 以一定配比混合成均匀的粉状配合物，加热至熔融状态， 并按不同方式冷却，所得的试样经过观察得到以下结果
冷却方式 （1）迅速冷却 （2）熔融态保留 1 小时， 在液相线以下 800C 保温 2 小时，然后淬冷 （3）熔融态保留 3 小时， 在液相线以下 800C 保温 2 小时，然后淬冷 （4）熔融态保留 2 小时，迅速冷却到液相 线以下 2000C 保温 1 小时，在迅速冷 却至室温
观察结果 单相，无析晶迹象 表面有析晶，初晶相是 SiO2，还有玻璃相 表面有析晶，初晶相是 AOSiO2，同时有玻 璃相 没有析晶，但所得玻璃体呈雾状
请解释观察到的现象。 7. 右 图 为 含 有 一 个 三 元 化 合 物 D （AmBnCq）的三元系统相图，试判断： （ 1 ）图中各界线的温度走向和性质； （2）该三元化合物是一致熔融还是不 一致熔融化合物？（3）确定各无变量 点的性质； （4）分析图中 1、2、3 点的 析晶过程。 8. 为什么在硅砖生产中 Al2O3 是很有害 的杂质，而加入少量 CaO 能促进鳞石 英的形成而又不明显降低其耐火度。
急冷试样
经退火试样
7. 试比较下列玻璃在某一温度下的粘度大小，并说 明原因。玻璃成分如下表所示 SiO2 Na2O CaO 玻璃 1 82.0 18.0 2 78.0 18.0 4.0 3 78.0 18.0 4 78.0 18.0 -
温度
MgO 4.0 -
BaO 4.0
28 分 子 体 积 cm3/mol 27 26 25 0 B2O3 8 16 24 32 Al2O3
R2O3
mol%
5. 试述石英晶体、石英熔体、Na2O2SiO2 熔体结构的区别，如何用实验方法区 分它们？ 6. 如右图所示同一组成的玻璃经退火处理(a)和急冷 (b)，两种试样测得的膨胀曲线，两者明显不同， 试说明原因。
5. 设固相反应 CaO+SiO2=2CaOSiO2 符合杨得方程，并测得不同温度下的反应 速度常数（K）如下，试求该反应的活化能。 反应温度 0C K值 800 6.1 x 10-4 1200 4.1 x 10-2 1400 3.1 x 10-1
第三章
烧 结 过 程
1. 烧结的推动力是什么？晶体生长的推动力是什么？试比较两者的大小。 2. 烧结过程中， 晶粒生长能使陶瓷致密吗？为什么？晶粒生长能影响烧结速率 吗？为什么？ 3. 在 15000CMgO 正常晶粒长大期间，观察到晶体在 1 小时内从 1m 直径长大 到 10m。已知晶界扩散能为 60Kcal/mol，试预测在 16000C 下 4 小时后晶粒 的大小。你估计杂质对 MgO 晶粒生长速率会有什么影响，为什么？ 4. 试解释下列名词： （1）熔融温度，烧结温度； （2）烧结与烧成； （3）液相烧 结与固相烧结； （4）晶粒生长与二次再结晶。 5. 晶界移动遇到夹杂物时会出现几种情况，从实现烧结致密化目的考虑，晶界 应如何移动，工艺上应采取什么措施？ 6. 有两个相同试样分别加热到 6000C 和 7000C，第一个试样加热到 6000C 经过 30 小时后其晶粒从 0.05mm 增加一倍变化到 0.10mm，第二个试样加热到 7000C 发生同样变化用了 30 分钟， 试问加热到 7500C 时晶粒尺寸发生这样的 变化需要多少时间？
C 熔点 液相 熔点 1 低共熔点 2 A 图 1-1 AmBn B A AmBn 图 1-2 C 3 B 固溶体
4. 对于图 1-3 所示的相图，试进行： （ 1） 标出初晶区； （2） 画出温度下降方向； （3） 确定相界线性质； （4）确定无变量点性 质； （5）分析 1，2，3 点的结晶过程。 5. 某种陶瓷制品以长石 K2OAl2O36SiO2 和 高 岭 土 Al2O32SiO22H2O 配 料 ， 在 12000C 烧成。 观察烧成制品的显微结构， 发现由莫来石晶体和玻璃相组成， 问： （1） 配料中，长石和高岭土各为多少？（2） 制品结构中，莫来石和玻璃相各为多 少？
A C
2 3 D 1 B
第二章 固 相 反 应
1. 镍（Ni）在 0.1 大气压的氧气中氧化，测得其重量增量（g）如下表： 时 间 温度 0C 1hr 2hr 3hr 4hr 550 9 13 15 10 600 17 23 29 36 650 29 41 50 65 700 56 75 88 106 （1） 推导出合适的反应方程； （2）计算活化能 2. 试比较杨得方程、卡特方程和金斯特林格方程的优缺点及适用条件。 3. 为观察尖晶石的形成，用过量的 MgO 粉包围 1的 Al2O3 球形颗粒。在固定 温度实验中的第一个小时有 20%的 Al2O3 反应成尖晶石。试根据（1）无球 形几何校正； （2）用杨得方程作球形校正，计算完全反应的时间。 4. 要合成镁铝尖晶石， 可供选择原料为 MgCO3、 Mg(OH)2、 MgO、 Al2O33H2O、 -Al2O3、-Al2O3。从提高反应速率角度出发，应选择什么原料？