材料科學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)
工程師在選用材料的時(shí)候，必須對(duì)所用材料的基本性能(強(qiáng)度、密度、韌性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性等)、加工性能(可成型性、機(jī)械加千性)、使用性能(耐久性、疲勞破壞)、成本、來源等方面加以全面考慮?，F(xiàn)有材料的品種數(shù)以萬計(jì)，并且不斷涌現(xiàn)出新的材料，如何準(zhǔn)確掌握材料的性能?材料科學(xué)提出的一個(gè)基本原則是：材料的性能來源于該材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括原子、原子在晶體中或分子中與鄰近原子的結(jié)合方式以及顯微結(jié)構(gòu)。所以，針對(duì)特定的使用性能要求，所選擇的材料必須具有合適的原子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部排列，而材料在加丁或使用期間，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一旦發(fā)生了變化，其性能也將發(fā)生相應(yīng)的變化。
【2】對(duì)于建筑材料的基本性能而言，下列不屬于該性能的是( )。
A. 強(qiáng)度
B. 密度
C. 導(dǎo)熱性
D. 耐久性
答案:D
1．結(jié)合力
讀者是否想過：當(dāng)你敲碎一塊玻璃時(shí)，克服的是什么力?如果你將碎玻璃重新拼接在一起，那個(gè)力怎么又不存在了?物理學(xué)告訴我們，當(dāng)原子相互距離為無限遠(yuǎn)時(shí)，彼此之間不存在相互作用；當(dāng)原子相互靠近時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相互作用：既有吸引，也有排斥(吸引來自于異性電荷的庫侖作用力；排斥來自于同性電荷的庫侖作用力，以及由泡利不相容原理決定的電子間作用力)，在穩(wěn)定的凝聚態(tài)時(shí)，原子間距離使吸引與排斥合力為零。
在材料科學(xué)的研究中，物質(zhì)的最基本組成單位是原子。原子由原子核及在原子核周圍的特定軌道上運(yùn)動(dòng)的電子組成，最頂端的軌道容納價(jià)電子，施加一個(gè)相當(dāng)小的能量(電離能)，就能使價(jià)電子移出原子，則原子成為帶正電子的陽離子。分子可定義為一個(gè)牢固地結(jié)合在一起的原子團(tuán)，但它與別的同樣的原子團(tuán)之間的結(jié)合是相當(dāng)弱的(例如F2，破壞連接兩個(gè)原子的共價(jià)鍵需要160kJ/mol的能量，而使分子分離而沸騰氣化只需3kJ/mol的能量)。
原子間的結(jié)合力較強(qiáng)，稱為主價(jià)鍵，包括：(1)離子鍵：由正負(fù)電荷的相互吸引而造成(鎂和氧結(jié)合形成MgO，放出能量570kJ/mol)；(2)共價(jià)鍵：在特定的原子間由于共有電子而形成的吸引力(兩個(gè)碳原子間的共價(jià)鍵鍵能為370kJ/mol)；(3)金屬鍵：由非局域電子(金屬原子的最外層電子或價(jià)電子)而形成的吸引力。
分子間的結(jié)合(范德華力)較弱，稱為次價(jià)鍵，包括：感應(yīng)偶極子，極性分子，氫鍵。C-H、O-H、N-H正電荷吸引相鄰分子的價(jià)電子，形成氫鍵(氫鍵的能量約30kJ/mol)，氫鍵是次價(jià)鍵力中的，而且較普遍。
【3】下列不屬于主價(jià)鍵的是（ ）。
A. 離子鍵
B. 共價(jià)鍵
C. 金屬鍵
D. 氫鍵
答案:D
【4】下列不屬于次價(jià)鍵的是（ ）。
A. 感應(yīng)偶極子
B. 極性分子
C. 共價(jià)鍵
D. 氫鍵
答案:C
離子鍵沒有方向性，離子鍵的結(jié)合力很強(qiáng)，所以由離子鍵結(jié)合而成的離子晶體有很高的強(qiáng)度、硬度、熔點(diǎn)，離子鍵材料的導(dǎo)電性很差(由于離子的運(yùn)動(dòng)不像電子那么容易)。共價(jià)鍵具有飽和性、方向性，共價(jià)鍵的結(jié)合力很強(qiáng)，所以共價(jià)鍵材料的強(qiáng)度、硬度、熔點(diǎn)很高，脆性大(由于共價(jià)鍵的方向性)，絕緣性(由于其外層電子都用于成鍵)。金屬鍵沒有方向性，金屬鍵的結(jié)合力比共價(jià)鍵弱，所以金屬鍵材料的硬度、熔點(diǎn)都低于共價(jià)鍵材料，可產(chǎn)生較大變形(由于金屬鍵沒有方向性)，導(dǎo)電性好(公有電子能自由運(yùn)動(dòng))。分子鍵(范德華鍵)很弱，所以分子鍵材料的硬度、熔點(diǎn)都很低。氫鍵具有飽和性、方向性。實(shí)際的凝聚態(tài)材料的鍵合情況往往不是單一的，如碳元素可以結(jié)合成金剛石(共價(jià)鍵)，也可以結(jié)合成石墨(層內(nèi)形成環(huán)狀共價(jià)鍵，層間形成金屬鍵和分子鍵)。兩個(gè)成鍵原子的電負(fù)性相差很大時(shí)，形成的化合物主要是離子鍵；電負(fù)性相差較小時(shí)，主要形成共價(jià)鍵，也有一定的離子鍵；同種原子之間，可以是共價(jià)鍵，或金屬鍵。材料的鍵合方式?jīng)Q定其性能，尤其在熔點(diǎn)、硬度上反映明顯。金屬材料的結(jié)合鍵主要是金屬鍵；無機(jī)非金屬材料的結(jié)合鍵主要是共價(jià)鍵或離子鍵；高分子材料的結(jié)合鍵主要是共價(jià)鍵、分子鍵、氫鍵。
【5】無機(jī)非金屬材料的結(jié)合鍵主要是（ ）。
A. 金屬鍵
B. 分子鍵
C. 共價(jià)鍵
D. 氫鍵
答案:C
2．材料的組成
化學(xué)組成指構(gòu)成材料的基本元素和化合物。一般地，金屬材料的化學(xué)組成以主要元素的含量來表示，無機(jī)非金屬材料的化學(xué)組成以氧化物的含量來表示。if (window.Event)document.captureEvents(Event.MOUSEUP); function nocontextmenu(){event.cancelBubble = true; event.returnValue = false;return false;}function norightclick(e) {if (window.Event) {if (e.which == 2 || e.which == 3)return false;}else if (event.button == 2 || event.button == 3){event.cancelBubble = true;event.returnValue = false;return false;}}document.oncontextmenu = nocontextmenu;document.onmousedown = norightclick;
工程師在選用材料的時(shí)候，必須對(duì)所用材料的基本性能(強(qiáng)度、密度、韌性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性等)、加工性能(可成型性、機(jī)械加千性)、使用性能(耐久性、疲勞破壞)、成本、來源等方面加以全面考慮?，F(xiàn)有材料的品種數(shù)以萬計(jì)，并且不斷涌現(xiàn)出新的材料，如何準(zhǔn)確掌握材料的性能?材料科學(xué)提出的一個(gè)基本原則是：材料的性能來源于該材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括原子、原子在晶體中或分子中與鄰近原子的結(jié)合方式以及顯微結(jié)構(gòu)。所以，針對(duì)特定的使用性能要求，所選擇的材料必須具有合適的原子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部排列，而材料在加丁或使用期間，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一旦發(fā)生了變化，其性能也將發(fā)生相應(yīng)的變化。
【2】對(duì)于建筑材料的基本性能而言，下列不屬于該性能的是( )。
A. 強(qiáng)度
B. 密度
C. 導(dǎo)熱性
D. 耐久性
答案:D
1．結(jié)合力
讀者是否想過：當(dāng)你敲碎一塊玻璃時(shí)，克服的是什么力?如果你將碎玻璃重新拼接在一起，那個(gè)力怎么又不存在了?物理學(xué)告訴我們，當(dāng)原子相互距離為無限遠(yuǎn)時(shí)，彼此之間不存在相互作用；當(dāng)原子相互靠近時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相互作用：既有吸引，也有排斥(吸引來自于異性電荷的庫侖作用力；排斥來自于同性電荷的庫侖作用力，以及由泡利不相容原理決定的電子間作用力)，在穩(wěn)定的凝聚態(tài)時(shí)，原子間距離使吸引與排斥合力為零。
在材料科學(xué)的研究中，物質(zhì)的最基本組成單位是原子。原子由原子核及在原子核周圍的特定軌道上運(yùn)動(dòng)的電子組成，最頂端的軌道容納價(jià)電子，施加一個(gè)相當(dāng)小的能量(電離能)，就能使價(jià)電子移出原子，則原子成為帶正電子的陽離子。分子可定義為一個(gè)牢固地結(jié)合在一起的原子團(tuán)，但它與別的同樣的原子團(tuán)之間的結(jié)合是相當(dāng)弱的(例如F2，破壞連接兩個(gè)原子的共價(jià)鍵需要160kJ/mol的能量，而使分子分離而沸騰氣化只需3kJ/mol的能量)。
原子間的結(jié)合力較強(qiáng)，稱為主價(jià)鍵，包括：(1)離子鍵：由正負(fù)電荷的相互吸引而造成(鎂和氧結(jié)合形成MgO，放出能量570kJ/mol)；(2)共價(jià)鍵：在特定的原子間由于共有電子而形成的吸引力(兩個(gè)碳原子間的共價(jià)鍵鍵能為370kJ/mol)；(3)金屬鍵：由非局域電子(金屬原子的最外層電子或價(jià)電子)而形成的吸引力。
分子間的結(jié)合(范德華力)較弱，稱為次價(jià)鍵，包括：感應(yīng)偶極子，極性分子，氫鍵。C-H、O-H、N-H正電荷吸引相鄰分子的價(jià)電子，形成氫鍵(氫鍵的能量約30kJ/mol)，氫鍵是次價(jià)鍵力中的，而且較普遍。
【3】下列不屬于主價(jià)鍵的是（ ）。
A. 離子鍵
B. 共價(jià)鍵
C. 金屬鍵
D. 氫鍵
答案:D
【4】下列不屬于次價(jià)鍵的是（ ）。
A. 感應(yīng)偶極子
B. 極性分子
C. 共價(jià)鍵
D. 氫鍵
答案:C
離子鍵沒有方向性，離子鍵的結(jié)合力很強(qiáng)，所以由離子鍵結(jié)合而成的離子晶體有很高的強(qiáng)度、硬度、熔點(diǎn)，離子鍵材料的導(dǎo)電性很差(由于離子的運(yùn)動(dòng)不像電子那么容易)。共價(jià)鍵具有飽和性、方向性，共價(jià)鍵的結(jié)合力很強(qiáng)，所以共價(jià)鍵材料的強(qiáng)度、硬度、熔點(diǎn)很高，脆性大(由于共價(jià)鍵的方向性)，絕緣性(由于其外層電子都用于成鍵)。金屬鍵沒有方向性，金屬鍵的結(jié)合力比共價(jià)鍵弱，所以金屬鍵材料的硬度、熔點(diǎn)都低于共價(jià)鍵材料，可產(chǎn)生較大變形(由于金屬鍵沒有方向性)，導(dǎo)電性好(公有電子能自由運(yùn)動(dòng))。分子鍵(范德華鍵)很弱，所以分子鍵材料的硬度、熔點(diǎn)都很低。氫鍵具有飽和性、方向性。實(shí)際的凝聚態(tài)材料的鍵合情況往往不是單一的，如碳元素可以結(jié)合成金剛石(共價(jià)鍵)，也可以結(jié)合成石墨(層內(nèi)形成環(huán)狀共價(jià)鍵，層間形成金屬鍵和分子鍵)。兩個(gè)成鍵原子的電負(fù)性相差很大時(shí)，形成的化合物主要是離子鍵；電負(fù)性相差較小時(shí)，主要形成共價(jià)鍵，也有一定的離子鍵；同種原子之間，可以是共價(jià)鍵，或金屬鍵。材料的鍵合方式?jīng)Q定其性能，尤其在熔點(diǎn)、硬度上反映明顯。金屬材料的結(jié)合鍵主要是金屬鍵；無機(jī)非金屬材料的結(jié)合鍵主要是共價(jià)鍵或離子鍵；高分子材料的結(jié)合鍵主要是共價(jià)鍵、分子鍵、氫鍵。
【5】無機(jī)非金屬材料的結(jié)合鍵主要是（ ）。
A. 金屬鍵
B. 分子鍵
C. 共價(jià)鍵
D. 氫鍵
答案:C
2．材料的組成
化學(xué)組成指構(gòu)成材料的基本元素和化合物。一般地，金屬材料的化學(xué)組成以主要元素的含量來表示，無機(jī)非金屬材料的化學(xué)組成以氧化物的含量來表示。if (window.Event)document.captureEvents(Event.MOUSEUP); function nocontextmenu(){event.cancelBubble = true; event.returnValue = false;return false;}function norightclick(e) {if (window.Event) {if (e.which == 2 || e.which == 3)return false;}else if (event.button == 2 || event.button == 3){event.cancelBubble = true;event.returnValue = false;return false;}}document.oncontextmenu = nocontextmenu;document.onmousedown = norightclick;