材料概论作业。概要

-1-作业1绪论1.人类使用材料的历史经历了哪些时代？答：人类使用材料的历史经历了石器时代、青铜器时代、铁器时代、水泥时代、钢时代、硅时代、新材料时代。2.材料的化学(键)分类和使用性能分类？答：材料的化学(键)分类：金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料。材料的使用性能分类：结构材料、功能材料。3.什么是材料科学、材料工程、材料科学与工程？答：材料科学：一门以固体材料为研究对象，以固体物理、固体化学、热力学、动力学、量子力学、冶金、化工为理论基础的边缘交叉基础应用学科，是运用电子显微镜、X射线衍射、热谱、电子离子探针等各种精密仪器和技术，探讨材料的组成、结构、制备工艺和加工使用过程与其机械、物理、化学性能之间的规律的一门基础应用学科。材料工程：运用材料科学的理论知识和经验知识，为满足各种特定需要而发展、制备和改进各种材料的工艺技术。材料科学与工程：研究材料的组成与结构、合成与制备(工艺)、性能、使用效能(用途)四者之间相互关系和规律的一门科学。4.简述无机非金属材料及其特点？答：无机非金属材料是一种或多种非金属元素(如O、C、N等，通常为O)的化合物，主要为金属氧化物和金属非氧化物，不含C-H-O链。无机非金属材料的特点：①组成：一种或多种非金属元素(如O、C、N等，通常为O)的化合物。②结构：结合键主要为离子键、共价键或离子－共价混合键。③性能：高熔点、高强度、耐磨损、高硬度、耐腐蚀和抗氧化的基本属性，宽广的导电性、导热性和透光性以及良好的铁电性、铁磁性和压电性，很差的延展性及耐冲击性。④合成与制备(艺)：(暂忽略)。⑤使用效能(应用)：(暂忽略)。-2-作业2材料的组成与结构1.从CaO-SiO2二元相图分析矿物组成与化学组成、工艺条件的关系？答：①CaO-SiO2二元相图。②矿物组成与化学组成的关系：在870-1125℃之间，随着SiO2质量分数的降低，CaO质量分数的提高，所形成的矿物组成依次为α磷石英，α磷石英+β-CS，β-CS，β-CS+C2S，C2S，C2S+C3S，C3S，C3S+CaO，CaO。③矿物组成与工艺条件的关系：在SiO2-CS区间，随着温度的升高，依次生成α石英+β-CS，α磷石英+β-CS，α磷石英+α-CS，α方石英+L，L。2.计算[BO3]三角体和[SiO4]四面体中正负离子彼此相互接触的正负离子半径的比值。答：①[BO3]三角体中正负离子彼此相互接触的正负离子半径的比值：2222)()(rrrrr0)(6)(322rrrrrr155.0155.0/rr②[SiO4]四面体正负离子彼此相互接触的正负离子半径的比值：-3-ra22)(23rrarrrarr225.12622323225.0/rr3.为什么岛状、链状、架状硅酸盐晶体结构结构的桥氧数、硅氧比不同？答：由于[SiO4]四面体聚合形状不同，所以岛状、链状、架状硅酸盐晶体结构的桥氧数、硅氧比不同。①岛状硅酸盐晶体结构：桥氧数：0，硅氧比1:4。②链状硅酸盐晶体结构：单链：桥氧数：1，硅氧比1:3；双链：桥氧数：2.5，硅氧比4:11。③架状硅酸盐晶体结构：桥氧数：4，硅氧比1:2。-4-4.什么叫晶体缺陷？有哪些类型？答：①晶体缺陷：实际晶体中原子规则排列遭到破坏而偏离理想结构的区域。②晶体缺陷类型：点缺陷、线缺陷和面缺陷。③点缺陷：晶格位置缺陷(弗兰克尔缺陷、肖特基缺陷)、组成缺陷(间隙型杂质原子、置换型杂杂质原子)和电荷缺陷。④线缺陷：刃型位错、螺型位错。⑤面缺陷：与晶体结构无关的面缺陷：晶晶界和相界，与晶体结构有关的面缺陷：共轭相界、孪晶界、堆垛层错。5.试说明图像分析法与非图像分析法的异同。答：①相同点：图像分析法与非图像分析法均基于物理方法，其工作原理是以电磁波轰击样品激发产生透射、反射和吸收等特征物理信息，将这些信息加以分析从而确定物相组成和结构特征。②不同点：图像分析法是以显微术为主，既可根据图像的特点及有关的性质来分析和研究固体材料的相组成，也可形象地研究其结构特征和形貌特征，测定其各项结构参数，是材料的主要研究手段，其中最有代表性的是光学显微镜分析和电子显微镜分析。非图像分析法分为衍射法和成分谱分析。衍射法包括X射线衍射、电子衍射和中子衍射等三种分析方法，主要用来研究材料的结晶相及其晶格常数，其中最有代表性的是粉末X射线衍射分析和单晶X射线衍射分析。成分谱分析的信息来源于整个样品，是统计性信息，主要测定材料的化学成分。成分谱种类很多，有光谱，色谱，热谱，质谱，能谱，波谱，核磁共振谱、穆斯堡尔谱等等，其中最有代表性的是差热分析，红外光谱分析，能谱分析，核磁共振分析。作业3材料的合成与制备1.名词解释：熔融法、高温烧结法。答：(1)熔融法：将合成所需材料的原料加热，使其在加热过程和熔融状态下产生各种化学反应，从而达到一定的化学成分和结构。根据加热温度的高低，分为高温熔融法和低温熔融法。玻璃熔融、高炉炼铁、转炉炼钢等为高温熔融法。高分子化合物的本体聚合和熔融聚合为低温熔融法。(2)高温烧结法：陶瓷、耐火材料、粉末冶金以及水泥熟料等通常都是要把成型后的坯体(粗制品)或固体粉料在高温条件下进行烧结后，才能得到相应的产品。2.以石料生产为例说明破碎-筛分流程及所需设备。-5-答：(1)石料生产线如下图所示：(2)破碎-筛分流程：对原料有粒度要求的原料制备工艺，筛分作业必须与破粉碎作业配合使用，组成破碎－筛分流程，即破碎→筛分→粉碎(磨碎)→筛分→超细粉碎→筛分→符合粒度要求的原料。(3)所需设备：①破碎设备：颚式破碎机等各种破碎机；②粉碎(磨碎)设备：球磨机等各种磨机；③超细粉碎设备：气流粉碎磨等各种磨；④筛分设备：振动筛等各种筛。3.什么是配料的原则和方法？答：(1)配料：根据不同种类材料的理化性能、尺寸及外形，并考虑有关工艺因素，制定相应的配方，确定材料的原料组成。(2)配料的原则：配合料的组成包括按规定比例配合的各种原料的种类、数量(重量或体积)、粒级，因此，配料的原则是：①原料、制品化学组成可能有波动，试样分析可能有误差，配合料的化学成分必须在满足产品性能要求的同时，比产品要求的指标要稍高些；②工艺过程对粉料结合性或分散性的要求；③原料中的水分和灼减成分。(3)配料的方法：即体积法和重量法。4.简述泥料混练的目的、方法和设备。答：(1)泥料混练：使两种以上不均匀物料的成分和颗粒度均匀化，促进颗粒接触和塑化的操作过程。(2)泥料混练的目的：使坯料中的成分和性质均匀，即在单位重量或体积内具有同样的成分和颗粒组成。(3)泥料混炼的方法：原料的制备与混合一体化、困料、塑化处理。(4)泥料混炼的设备：高速混炼机、真空挤泥机、普通捏合机等。5.根据材料的成型特性，材料的成型方法分为哪几类？答：(1)材料的成型特性：可流动性和可塑性变形性。①可流动性：材料在加热作用下或添加溶剂时表现出来的流动性。②可塑性变形性：材料在加热作用下或添加溶剂、增塑剂等助剂时，同时受外力作-6-用下，表现出来的塑性变形行为。(2)材料成型方法的成型特性分类：自由流动成型、受力流动成型、受力塑性成型和其他成型。①自由流动成型：成型时无外力作用下，将呈流动状态的物料倒入模型型腔，或使其附在模型表面，经改变温度、反应或溶剂挥发等作用，使之固化或凝固，从而形成具有模型形状的产品，最终产品可以是成品，也可以是半成品。②受力流动成型：成型时在受力作用下，将呈流动状态的物料注入模型型腔，或使物料通过一定形状的口模，或附在模型表面，经温度变化、反应或溶剂挥发等作用，使物料冷凝、固化，最终形成产品，产品一般无需后续加工即可直接使用。③受力塑性成型：在受力条件下，在高温或常温，或塑化条件下，使固态物料产生塑性变形而获得所需尺寸、形状及力学性能的成型方法。6.简述干燥及干燥过程？答：(1)干燥：使含水物料(如湿坯、原料、泥浆等)中的液体水汽化而排除水分的过程。(2)干燥过程：可大致分为四个阶段。第一阶段为升速干燥阶段，即随着干燥时间的增长，坯体含水量减少，干燥速度升高，坯体的表面层温度也随之升高。第二阶段为等速干燥阶段，是干燥过程中最主要的阶段。在此阶段中，水分的蒸发仅发生在坯体表面上，干燥速度等于自由水面的蒸发速度，虽然水分大量排出，但速度恒定。因此，干燥速度取决于干燥介质(空气)的温度、湿度及运动速度，而与坯体的厚度(或粒度)及最初含水量无关。第三阶段是降速干燥阶段，随着干燥时间的增长，坯体含水量减少，水分从表面蒸发的速度超过自坯体内部向表面扩散的速度。因此干燥速度受水分的扩散速度控制，受空气的温度、湿度及运动速度的影响较小。第四阶段为平衡干燥阶段，即干燥速度逐渐接近于零，最终坯体水分不再减少。当空气的温度低于100℃时，保留在坯体中的水分称为平衡水分。这部分水分被固体颗粒-7-牢固地吸附着。7.以硅酸盐制品为例，简述常压烧结过程。答：(1)烧结：使坯体显气孔率接近于零，达到完全致密程度状态的过程。(2)硅酸盐制品的常压烧结过程：①坯体排出水分阶段(10～200℃)：在该阶段中，主要是排出坯体中残存的自由水和大气吸附水。水分的排除，使坯体中留下气孔，具有透气性，有利于下一阶段反应的进行。②分解、氧化阶段(200～1000℃)：这一阶段发生的物理化学变化依原料种类而异，有排出化学结合水、硅酸盐或硫酸盐分解、有机物的氧化燃烧等。此外还可能有晶型转变发生或少量低熔液相的开始生成。此时坯体的重量减轻，气孔率进一步增大，强度亦有较大变化。③液相形成和晶相合成阶段(1000℃)：分解作用将继续进行，随温度升高，液相生成量增加，液相粘度降低，某些新矿物相开始形成，并进行溶解重结晶。由于液相的扩散、流动、溶解、沉析传质的进行，颗粒在液相表面张力作用下，进一步靠拢而促使坯体致密化，使其强度增大、体积缩小、气孔率降低、烧结急剧进行。④烧结阶段：坯体中各种反应趋于完全、充分，液相数量继续增加，结晶相进一步成长而达到致密化，即所谓“烧结”。⑤冷却阶段：从最高烧成温度至室温的冷却过程中，主要发生玻璃相的析晶、某些晶相的晶型转变、玻璃相的固化等过程。在此过程中，坯体的强度、密度、体积依品种不同都有相应的变化。作业4材料的性能与使用效能1.简述温度对无机晶体材料热容、热膨胀、热传导、热稳定性的影响？答：(1)温度对无机晶体材料热容的影响：当温度远高于德拜温度时，无机晶体材料的摩尔比热容(或Cv)遵循杜隆-珀替定律，变化很小，是一个与构成固体的物质无关的常量(3R)。当温度远低于德拜温度时，摩尔比热容(或Cv)将遵循量子规律，而与热力学温度的三次方成正比，即Cv∝T3。随着温度接近绝对零度而迅速趋近于零。(2)温度对无机晶体材料热膨胀的影响：无机晶体材料热膨胀随温度升高而增大。(3)温度对无机晶体材料热传导的影响：温度对无机晶体材料热传导的影响见下图。-8-在低温时，热导率λ与T3成比例。高温时,λ则迅速降低，在40K附近，出现极大值。当达到1600K时，由于辐射传热，λ又有所升高。(4)温度对无机晶体材料热稳定性的影响：无机晶体材料热稳定性随温度的升高而降低。2.试说明材料介电性、压电性、热释电性、铁电性的形成机理。答：(1)介电性：材料在电场作用下产生感应电荷的性质。形成机理：极化，即介质内质点(原子、分子、离子)正负电荷重心的分离，从而转变成偶极子。或在外电场作用下，正、负电荷尽管可以逆向移动，但它们并不能挣脱彼此的束缚而形成电流，只能产生微观尺度的相对位移并使其转变成偶极子的过程。(2)压电性：某些晶体材料按所施加的机械应力成比例地产生电荷的能力。形成机理：由于晶体受机械作用(应力与应变)而引起正负离子相对位移产生偶极子，引起了晶体介质的极化，导致两端表面内出现符号相反的束缚电荷。(3)热释电性：由于温度的变化而引起晶体表面荷电的现象。形成机理：由于晶体受热膨胀而引起正负离子相对位移产生偶极子，引起了晶体介质的极化，从而导致致晶体的总电矩发生改变。(4)铁电性：晶体中的