第二章 材料科学与工程 四个基本要素
材料科学与工程复习思考题
第1章绪论思考题1．材料科学与工程的四个基本要素解：制备与加工、组成与结构、性能与应用、材料的设计与应用2．材料科学与工程定义解：关于材料组成、结构、制备工艺与其性能及使用过程间相互关系的知识开发及应用的科学。
3．按材料特性，材料分为哪几类？金属通常分哪两大类？无机非金属材料分哪四大类？高分子材料按使用性质哪几类？解：按材料特性，材料分为：金属材料、无机非金属材料、和有机高分子材料三类。
金属材料分为：黑色金属材料和有色金属材料。
无机非金属材料分为：混泥土（水泥）、玻璃、砖及耐火材料、陶瓷四大类。
高分子材料按使用性能分为：塑料、橡胶、纤维、粘合剂、涂料等类。
4．金属﹑无机非金属材料﹑高分子材料的基本特性解：①金属材料的基本特性：a.金属键；b.常温下固体，熔点较高；c.金属不透明，具有光泽；d.纯金属范性大、展性、延性大；e.强度较高；f.导热性、导电性好；g.多数金属在空气中易氧化。
②无机非金属材料的基本性能：a.离子键、共价键及其混合键；b.硬而脆；c.熔点高、耐高温，抗氧化；d.导热性和导电性差；e.耐化学腐蚀性好；f.耐磨损；g.成型方式：粉末制坯、烧结成型。
③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，无明显熔点，有玻璃化转变温度（Tg）和粘流温度（Tf ）；c.力学状态有三态：玻璃态、高弹态和粘流态；d.质量轻，比重小；e.绝缘性好；f.优越的化学稳定性；g.成型方法较多。
第2章物质结构基础Structure of Matter思考题1. 原子中一个电子的空间位置和能量可用哪四个量子数来决定？解：主量子数n、角量子数l、磁量子数m l、自旋量子数m s2．在多电子的原子中，核外电子的排布应遵循哪些原则？解：泡利不相容原理、能量最低原理、洪特规则3．配位数及其影响配位数的因素解：配位数：一个原子周围具有的第一邻近原子（离子）数。
影响因素：①共价键数；②原子的有效堆积（离子和金属键合）。
第二章 材料科学与工程的四个基本要素
第二章 材料科学与工程得四个基本要素 MS Ｅ四要素；– 使用性能，材料得性质,结构与成分，合成与加工两个重要内容；– 仪器与设备，分析与建模§2、1 性质与使用性能 1、 基础概念2、 性质与性能得区别与关系3、 材料得失效分析4、 材料（产品)使用性能得设计5、 材料性能数据库6、 其它问题 2、1、1基础内容 材料性质：就是功能特性与效用得描述符,就是材料对电、磁、光、热、机械载荷得应。
材料性质描述• 力学性质；强度，硬度，刚度,塑性，韧性物理性质;电学性质，磁学性质,光学性质,热学性质 化学性质;催化性质，防化性质 结构材料性质得表征———－材料力学性质 强度：材料抵抗外应力得能力.塑性:外力作用下,材料发生不可逆得永久性变形而不破坏得能 力。
硬度:材料在表面上得小体积内抵抗变形或破裂得能力。
刚度：外应力作用下材料抵抗弹性变形能力.疲劳强度：材料抵抗交变应力作用下断裂破坏得能力.抗蠕变性:材料在恒定应力(或恒定载荷)作用下抵抗变形得能 力. 韧性：材料从塑性变形到断裂全过程中吸收能量得能力.6强度范畴刚度范畴塑性范畴韧性范畴应力应 变2.1.1基础内容7材料的物理性质磁学性质光学性质电学性质· 导电性 · 绝缘性 · 介电性· 抗磁性 · 顺磁性 · 铁磁性· 光反射 · 光折射 · 光学损耗 · 光透性热学性质· 导热性 · 热膨胀 · 热容 · 熔化注：上面只列出了材料的主要物理性质2.1.1基础内容物理性质得交互性－--—材料应用得关键点现代功能材料不仅仅表现出单一得物理性质，更重要得就是具备了特 殊得物理交互性。
例如: 电学-－—－机械ﻩ 电致伸缩 机械--—-电学 ﻩ压电特性 磁学-——-机械ﻩﻩ磁致伸缩 电学-—-－磁学ﻩ 巨磁阻效应 电学---－光学 电致发光 性能定义在某种环境或条件作用下，为描述材料得行为或结果，按照特定得 规范所获得得表征参量。
材料科学与工程四要素
材料科学与工程四要素材料科学与工程是一门研究材料的性能、结构和制备工艺的学科，它是现代工程技术的重要基础。
在材料科学与工程中，有四个重要的要素，它们分别是材料的结构、性能、加工工艺和应用。
这四个要素相互联系、相互影响，构成了材料科学与工程的核心内容。
首先，材料的结构是材料科学与工程的基础。
材料的结构包括原子、晶体、晶粒、晶界、晶粒内部的位错等。
不同的材料结构决定了材料的性能，如金属材料的晶粒大小和形状决定了其力学性能，陶瓷材料的晶粒尺寸和分布决定了其导热性能等。
因此，理解和控制材料的结构对于材料的性能和加工具有重要意义。
其次，材料的性能是材料科学与工程的核心内容之一。
材料的性能包括力学性能、物理性能、化学性能、热学性能等。
不同的材料具有不同的性能，如金属材料具有良好的导电性和导热性，陶瓷材料具有良好的耐高温性和耐腐蚀性等。
因此，理解和控制材料的性能对于材料的应用具有重要意义。
再次，材料的加工工艺是材料科学与工程的重要组成部分。
材料的加工工艺包括原料的提取、材料的制备、材料的成型、材料的热处理等。
不同的加工工艺会对材料的结构和性能产生重要影响，如金属材料的热处理会改变其晶粒的尺寸和分布，陶瓷材料的成型工艺会影响其力学性能等。
因此，理解和控制材料的加工工艺对于材料的性能和应用具有重要意义。
最后，材料的应用是材料科学与工程的最终目的。
材料的应用包括材料在工程、制造、生活等方面的应用。
不同的材料具有不同的应用领域，如金属材料广泛应用于汽车、航空、建筑等领域，陶瓷材料广泛应用于电子、化工、医药等领域。
因此，理解和控制材料的应用对于推动工程技术的发展具有重要意义。
综上所述，材料科学与工程的四要素，即材料的结构、性能、加工工艺和应用，相互联系、相互影响，共同构成了材料科学与工程的核心内容。
只有深入理解和掌握这四个要素，才能推动材料科学与工程的发展，促进工程技术的进步。
材料四要素及其相互关系
资料范本本资料为word版本，可以直接编辑和打印，感谢您的下载材料四要素及其相互关系地点：__________________时间：__________________说明：本资料适用于约定双方经过谈判，协商而共同承认，共同遵守的责任与义务，仅供参考，文档可直接下载或修改，不需要的部分可直接删除，使用时请详细阅读内容材料科学四要素的内涵和关系众所周知，材料科学与工程是研究材料组成、结构、生产过程、材料性能与使用性能以及他们之间关系的学科。
因而把组成与结构、合成与生产过程、性质以及使用效能称之为材料科学与工程的四个基本要素。
把四个要素联结在一起便构成了一个四面体，如图1。
1性质图1 材料科学与工程的四要素性质是材料功能特性和效用的定量度量和描述。
性质作为材料科学与工程四个基本要素之一，是理所当然的，既然材料是人们用于制造有用物品、器件和各种构件和产品的物质，它必然具有其特定的性能。
例如，金属材料具有刚性和硬度，可以用做各种结构件；它具有延展性，可以加工成受力或导电的线材；一些特种合金，如不锈钢、形状记忆合金、超导合金等，可以用作耐腐蚀材料、智能材料和超导材料等。
陶瓷具有很高的熔点、高的强度和化学惰性，可用作高温发动机和金属切削刀具等；而具有压电、介电、电导、半导体、磁学、机械特性的特种陶瓷，在相应领域发挥应用；但陶瓷的脆性则限制了他的应用。
利用金刚石的耀度和透明性，可制成光灿夺目的宝石和高性能光学涂层；而利用其硬度和导热性，可作切削和传导材料。
高分子材料以其各种独特的性能使其在各种不同的领域广泛应用，各类汽车材料、建筑材料、航空材料、电子电器材料等；反之，高分子材料组分的迁移特征，加速了其性能的退化，也对环境造成伤害；而其耐热性、耐候性较差，有限制了其在需要耐热和耐候领域的应用。
材料的性质也表示了其对外界刺激的整体响应，材料的导电性、导热性、光学性能、磁化率、超导转变温度、力学性能等都是材料在相应外场作用下的响应，正是这种响应创造了许多性能特殊的材料。
材料科学与工程的四要素
材料科学与工程的四要素材料科学与工程，听起来是不是有点高大上？其实，里面的门道可不少，今天咱们就来轻松聊聊这四个基本要素，让你对这门学科有个更直观的了解。
话说回来，谁说科学就得死板呢？咱们也能把它说得活灵活现！1. 材料的种类首先，得说说材料的种类。
生活中我们见到的材料，可以说是五花八门，简直是琳琅满目。
你看，金属、陶瓷、聚合物、复合材料，每种材料都有它独特的性格，就像人一样，铁汉子就得是金属，温柔的小仙女就得是聚合物。
金属的强度和导电性让它在建筑和电子产品中呼风唤雨，而陶瓷呢，坚硬耐磨，还能抵抗高温，简直是厨房里的得力助手。
而聚合物的轻便和灵活性则让它成为了生活中的“百变女王”，从塑料袋到手机壳，全都少不了它的身影。
1.1. 金属的魅力说到金属，那可真是不可小觑！从古代的青铜器到现代的飞机制造，金属材料的应用无处不在。
想象一下，金属的强度能支撑起高楼大厦，而它的导电性又让电流畅通无阻，真是现代生活的脊梁。
1.2. 陶瓷的坚韧而陶瓷呢，更是个沉稳的“老司机”。
它的耐热性让你在烤箱里随意折腾，绝对不会怕！从日常的茶具到高级的工艺品，陶瓷都能带给你一种优雅的感觉。
2. 材料的性能接下来，我们聊聊材料的性能。
这可是材料科学的“绝对主角”，性能好坏直接关系到它能否胜任某个角色。
就像演员一样，不是每个人都能演好英雄，材料也有自己的“拿手绝活”。
2.1. 力学性能材料的力学性能，包括强度、韧性和硬度，这些就像是材料的身体素质。
强度高的材料，简直就像是个“拳击手”，能抵挡住各种冲击；而韧性好的材料，则是个“铁人”，即使被折腾也不会轻易断裂。
2.2. 热学性能然后就是热学性能了。
某些材料在高温下依然能保持稳定，而某些材料则可能在热浪中“崩溃”，这可不是开玩笑。
像一些耐火材料，就像是一位“消防员”，时刻准备着应对高温的挑战。
3. 材料的加工再说到材料的加工，这个环节就像是把原材料变成美食的厨师。
无论是铸造、焊接，还是切割，每种加工方法都有自己的诀窍和窍门，能让材料变得更加适合实际应用。
材料科学与工程的四个基本要素资料
重要性
随着科技的不断发展，新材料的需求和应用越来越广泛，如航空航天、能源、医 疗等领域。
材料科学与工程的发展对于推动科技进步和满足人类需求具有重要意义，是现代 工业和科技发展的重要支柱之一。
02
材料科学与工程的四个基 本要素
结构
1 2
结构决定性质
材料的内部原子或分子的排列方式决定了其物理 和化学性质。例如，金属的晶格结构决定了其导 电性和延展性。
03
材料科学与工程的发展趋 势
高性能材料
高性能材料是指具有优异性能的材料，通常具 有高强度、高硬度、高耐热性等特点，广泛应 用于航空航天、汽车、能源等领域。
高性能材料的研发和应用对于提高产品性能、 降低能耗、减少环境污染等方面具有重要意义。
当前，高性能材料的研发正朝着复合化、多功 能化的方向发展，如碳纤维复合材料、钛合金 等。
相与晶体结构
材料可以由一种或多种相组成，相与相之间的界 面结构和性质对材料的整体性能有重要影响。
3
非晶体与晶体
非晶体材料如玻璃和陶瓷，其原子或分子无序排 列，而晶体材料则有序排列，两者在性质上有显 著差异。
性质
物理性质
如密度、电导率、热导率、磁导率等，这些性质 决定了材料在特定应用中的性能。
化学性质
对未来的展望
可持续发展
01
随着环保意识的提高，未来材料科学与工程将更加注重可持续
发展和绿色制造。
新材料与新技术的研发
02
未来将不断涌现出新型材料和制造技术，为各领域的发展提供
更多可能性。
智能化与复合化
03
材料科学与工程将与信息技术、生物技术等交叉融合，实现材
料的智能化和复合化。
THANKS
第二章材料四要素
• 材料的结构是指材料的组元及其排列和运动方式。
包含形貌、化学成分、相组成、晶体结构和缺陷等
内涵。
• 材料的结构决定材料的性能。
• 材料结构的描述：
1. 宏观组织结构: >1000,000 nm
2. 微观显微结构: 10 ～1000 nm
3. 纳米结构: <100nm
4. 键合结构: 原子/离子间的化学键
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材料概论 Materials Conspectus
共价键－两个或多个原子相互吸引、共用若 干电子所形成的键力。
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共价键特征
材料概论 Materials Conspectus
• 1. 邻近两个原子共享一对电子 • 2. 有方向性和饱和性、配位数低、堆积密
度低 • 3. 强度高(略低于离子键，125-300
• 含氧盐类矿物：占已知矿物的2/3。硅酸盐、硫酸盐、
磷酸盐、钒酸盐、碳酸盐等。材料与化学化工学院
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材料的化学组成
材料概论 Materials Conspectus
金属 单质、合金。如Fe、Al、Cu、Ti、Zn、Mg、Ni
无机非金属 金属元素和非金属元素组成的化合物，通常 为氧化物、氮化物、碳化物等。
kcal/mol) • 4. 在两个电负性大的离子之间形成
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材料概论 Materials Conspectus
范德华键－分子之间的作用力
由于极化所产生的分子之间的静电作用力，较弱，作用能 在几十kJ/mol以下。
材料科学与工程四要素
材料科学与工程四要素
材料科学与工程是一门研究材料的科学、技术和工程的多学科交叉学科，也是一门关乎工业发展的重要学科。
它涉及的内容包括四要素：材料结构、力学性能、化学性能和工艺性能。
首先，材料结构是材料科学与工程中最基础的要素。
它既涉及材料的组成元素，也涉及各种材料的结构构造，尤其是各种复杂结构的材料，例如金属材料、金属氧化物、多层结构等。
其次，力学性能是材料科学与工程中非常重要的要素。
它涉及材料的强度、刚度、塑性、疲劳性能以及其他力学性能等。
在这一要素中，我们可以研究普通的材料，也可以研究复杂的金属材料、纳米材料或高分子材料等。
第三，化学性能是材料科学与工程中重要的要素。
它涉及材料的耐腐蚀性、物理-化学反应性、表面活性等等。
化学性能要求材料具有良好的耐热性、耐腐蚀性以及其他特殊性能。
最后，工艺性能是材料科学与工程中重要的要素，它涉及材料的成型性能、加工性能、焊接性能等等。
这些工艺性能要求材料可以在各种工艺条件下满足实用要求，也要求材料可以承受成型过程中的温度、压力、冲击等。
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材料概论 Materials Conspectus
• 金的(111)晶面结构（原子力显微镜）
材料的显微结构对材料的性能具有相当大的影响。 14
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原子结构
材料概论 Materials Conspectus
• 金刚石 • C-C共价键结合的金刚石硬度大、熔点高，其在 切割刀具上的薄膜涂层使其具有较好的抗磨损性 能。 • ～10-10 m （1Å）
• 原子的结构影响到原子之间的键合，并进一步影响到材 料的力学性能和物理性质。 • Atoms=nucleus (protons and neutrons) + electrons • 电荷: 电子和质子具有相同大小的负电荷和正电荷， 1.6 ×10-19 库仑。 • 中子是电中性的。 • 质量: 质子和中子具有相同的质量, 1.67 × 10-27 kg. • 电子的质量较小, 在计算原子的质量时往往可忽略9.11 × 10-31kg • 原子质量(A) = 质子质量+ 中子质量 21 • 质子= atomic number (Z) 材料与化学化工学院
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电负性与元素周期表
材料概论 Materials Conspectus
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电负性与键性的关系
材料概论 Materials Conspectus
• 电负性小的原子结合形成金属键；
• 电负性大的原子结合形成共价键；
• 电负性相差大的原子结合形成离子键；
• 电负性相差小的原子结合形成共价键和离
材料概论 Materials Conspectus
第二章 材料科学与工程的四个基本要素
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材料概论 Materials Conspectus
• 总论
材料的使用依赖于材料的性能，而其性能都是由 其化学组成和结构决定的。 只有从微观上了解材料的组成、结构与性能的关 系，才能有效地选择制备和使用材料。
材料概论 Materials Conspectus
波尔原子模型
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电负性
材料概论 Materials Conspectus
• 电负性：表示不同元素的原子在分子中吸引电子的能 力。电负性与原子的亲合能和第一电离能之和成正 比,X=0.18(I+Y) • I-第一电离能，原子失去一个电子而成为１价正离子 所需能量。 • Y-亲合能，一个中性原子获得一个电子成为负离子所 放出的能量。 • Cl原子核外带有7个价电子，具有强烈的获得电子的 倾向；而带有1 个价电子的Na则容易失去其价电子。
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材料概论 Materials Conspectus
• 氢键─范德华键的一种 • 氢原子在分子中与一个原子A结合时，还与 另一个原子B结合的附加键。如H2O，键角 109.5 ，接近于六边形结构。
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范德华键特征
材料概论 Materials Conspectus
• 1. 由于极化，分子之间产生微量静电荷
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宏观结构
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• 涂层：汽车车身上的油漆等，不仅仅为了美 观，还提高了抗腐蚀性能。 • ～>10-6 m (1000,000 nm).
无机、有机涂层保护了汽车车身免受腐蚀，并且使其更加 20 材料与化学化工学院 美观。
2.2.1 原子结构
材料概论 Materials Conspectus
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不同层次的结构
材料概论 Materials Conspectus
• 原子结构、电子结构是研究材料特性的两个最基本的 物质层次; • 键合结构: 描述原子/离子间的化学键性质 • 纳米结构: 纳米尺度上的结构 • 显微组织（显微结构, Microstructure）指多晶材料的 微观形貌、晶体学结构和取向、晶界、相界、界面相、 亚晶界、位错、层错、孪晶、固溶和析出、偏析和夹 杂、有序化等。 • 宏观组织（Macrostructure）如材料的孔隙、岩石的 层 理、木材的纹理（纤维状）等。
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离子键－正负离子之间的引力所形成的键力
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离子键特征
材料概论 Materials Conspectus
• 1. 电子在原子间转移，生成离子
• 2. 无方向性，有饱和性、配位数高、紧密
堆积
• 3. 强度高(150-370 kcal/mol)
子键的混合键。
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2.2.2 材料中的化学键
材料概论 Materials Conspectus
• 金属键－金属离子与自由电子相互吸引所 形成的结合力
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金属键特征
材料概论 Materials Conspectus
• 1. 电子属于所有原子，可在晶格之间自由活动 • 2. 无方向性和饱和性 • 3. 强度高(稍低于共价键或离子键，25-200 • kcal/mol) • 4. 在低电负性的原子之间形成
• 2. 无方向性，但受分子大小的影响
• 3. 弱键(是强键的1/100; <10 kcal/mol)
• 4. 氢键是范德华键的一种
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混合键
材料概论 Materials Conspectus
• 大部分材料中，原子之间的化学键并不是单一的一种化 学键，而是两种或两种以上化学键的混合键，其键性取 决于元素的电负性。 • 由金属元素和非金属元素组成的陶瓷材料和半导体材 料往往是离子键和共价键的混合键，其电负性差值越大， 离子键成分越强。 • SiO2, XSi= 1.8, X0=3.5,共价键成分=48.6%；Al2O3,共 价键成分=37%，CuO，共价键成分=53% 。 • 共价键成分越多，化学键的方向性越强，离子的堆积密 度越低。
金刚石涂层刀具材料与化学化工学院
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原子排列：长程有序
材料概论 Materials Conspectus
• 锆钛酸铅Pb(ZrxTi1-x)O3 （PZT）
• 当晶体结构中离子配位多面体以四面体和菱面体 的方式排列时，材料表现出压电性能。
• PZT 陶瓷广泛地应用于点火装置、超声波发生器 及振动控制。 • 10-10 ～ 10-9 m (1～10Å)
• 钙(Ca)：5.2%， 以碳酸盐、硫酸盐和硅酸
• 盐等形式存在。
• 此外，钠(Na)、钾(K)、镁(Mg)、钛(Ti) • 上述九种元素约占地壳总重量的99% 以上。
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地壳中主要元素的储量
材料概论 Materials Conspectus
其余90多种元素的重量加起来不到地壳总重的1％。
• 材料的相组成：材料中具有同一化学成分并且结
构相同的均匀部分称为相。组成材料的相的种类
和数量称为相组成。可分为单相材料、多相材
料。
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•自然界中的元素和物质
材料概论 Materials Conspectus
• 人类从天然材料的使用到人造材料的制备,材料的发展与地球中 所孕含的元素和物质的存在形式密切相关。
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地壳中主要元素的储量
材料概论 Materials Conspectus
• Cu、Zn、Pb的含量分别为0.0006％、0.0009％、 0.000001％，但这些元素有很强的富集能力，经富集可 达到百分之几、百分之几十。 • 已知矿物约有2000－3000种，最常见的有100多种。 • 金属、玻璃、陶瓷、高分子材料的原料大多数来自 • 矿物。 • 在103种元素中，惰性元素6 种 • 非金属元素16 种 • 金属元素81 种
• 材料所用的原料均取自于地壳。
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地壳中主要元素的储量
材料概论 Materials Conspectus
• 氧(O)：50%，存在于水、岩石和各种有机体
• 硅(Si)：25%，存在于800余种硅酸盐矿物中
90% • 铝(Al)：8.23%，存在于岩石矿物中
• 铁(Fe)：5.8%，存在于300余种矿物中
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材料概论 Materials Conspectus
• 本章主要内容
• 一． 材料的组成 • 二． 材料的结构
• 三． 材料的合成与加工
• 四． 材料的性质与使用性能
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材料概论 Materials Conspectus
• 2.1 材料的组成
• 材料由原子和分子组合而成。 • 材料的化学组成：组成材料最基本、独立的物 质，可为纯元素或稳定的化合物，以及其种类和 数量。
材料与化学化工Βιβλιοθήκη 院8地壳中的矿物组成：
材料概论 Materials Conspectus
• 单质矿物：90多种，占地壳总重的0.1％。Cu、Ag 、Au、 Pt、Bi、Sb、C、S。 • 硫化物类矿物：200多种，占地壳总重的75％。其中 FexSn和H2S 占75％。 • 氧化物类矿物：有200多种，占地壳总重的17％。Fe、 Cr、Mn、Al、Ti、Sn、Nb、Ta、U、Re等元素的重要矿 物。 • 卤化物类矿物：氢氟酸、盐酸、溴氢酸、氢碘酸所形成 的盐，阳离子主要是K+、Na+、Ca2+、Mg２+等。
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纳米结构
材料概论 Materials Conspectus
• 纳米氧化铁(～5-10 nm) 颗粒分散在液体 中，制备铁磁流体和液态磁体，用于扩音 器的传热冷却。 • 10-9 ～ 10-7 m (1～100 nm)。