物理性质 描述如颜色

物理性质 描述如颜色、弹性、电器, 热导率, 磁性和光学行为一般被作用于材料的力量不显著影响的特征。

多晶材料 此材料由许多晶体组成（而不是只有一个水晶的单晶材料) 。

聚合 通过此过程有机分子加入到巨大的分子或聚合物。

聚合物 此组材料通常通过把有机分子加入到巨大的分子链或网络而得到。聚合物是借助低优势, 低熔点的温度, 导电性差来说明的。

塑料制品 它们是由其他添加剂组成的高分子材料。

处理 把不同材料塑造成有用的组件或改变它们的属性。

半导体 一组在金属和典型陶瓷之间有导电性的材料(如。、硅、砷化镓) 。

单晶体 这种晶体材料由只有一个水晶组成(没有粒子边界) 。

智能材料 这种材料可以感知和响外部刺激如温度的变化, 压力的应用应力或湿度或化学环境的变化。

强度重量比 材料的强度除以它的密度, 具有高强度重量比的材料强劲但轻量级。

结构 材料的的原子或离子的安排的描述。材料的结构对许多材料的性质有一个深远的影响, 即使整个构图不改变!

合成 材料通过此过程自然生成或通过其他化学物质而生成。

热塑性塑料 一群特殊的聚合物分子链缠绕在一起而不是相互联系。他们可以很容易地融化, 形成有用的形状。通常情况下, 这些聚合物都有一个链状的结构(如，聚乙烯) 。

热固性材料 一组分解而不是加热后融化的特殊的聚合物。由于相对严格, 三维网络结构，他们通常很脆弱(如，聚氨酯) 。

问题

1-1 材料科学与工程是什么?

1-1 定义材料科学与工程（MSE) 。

1-2 定义以下术语：（a) 组成，（b) 结构，（c ）合成，（d ）处理，和（e) 微观结构。

1-3 解释材料科学和材料工程这两个术语之间的区别。

1-4 命名一个革命性的发现。一个进化的发现。

1-2 材料的分类

1-3 功能材料的分类

1-4 基于结构的材料的分类

第一章 材料科学和工程的介绍

环境和其他影响

如果作外用的话，钢通常涂有一层薄薄的锌。你认为锌为这种涂层, 或镀锌钢提供了什么特点? 生产这种产品应当考虑什么措施？将如何影响产品的再循环能力？

我们想为一架飞机提供一个透明的树冠。如果我们使用陶瓷(即传统的窗玻璃) 树冠, 岩石或鸟类可能导致粉碎。设计一个会减少损失或至少可以防止树冠摔成碎片的材料。

螺旋弹簧应该非常强大和僵硬。氮是一个强大的、僵硬的材料。你会为弹簧选择这种材料吗? 解释。

温度指标有时会从一个卷钢带产生，当温度增加时此卷钢带解开一个特定数量。这是如何工作的; 这个指标是通过什么样的材料得到的; 这个指标中的材料必须处理的重要特性是什么? 材料设计和选择

你想设计一架可以乘坐人力不间断30公里的距离的飞机。你推荐什么类型的材料特性? 哪些材料可能是适当的?

你要将一个直径为三英尺的微卫星送入轨道。这颗卫星将包含精致的电子设备, 从地球上发送和接收无线电信号。设计包含电子设备的外壳。需要什么属性，可能考虑什么样的材料？ 一个木工锤拥有什么样的属性？你将如何制造一个锤头？

1-12 航天飞机的船体由保税的铝皮瓷砖组成。讨论导致使用这种材料的结合的船体航天飞机的设计要求。设计师和制造商们在生产船体方面可能面临的问题是什么？

1-13 你想为一个经常并有力的电器开关设备的电器接触选择一个材料。这种接触材料有什么特性？你将推荐什么类型的材料？氧化铝是一个好的选择吗？解释一下。

1-14 铝的密度为2.7克/立方厘米。假设你想生产一种基于铝的密度为1.5克/立方厘米的复合材料。设计一个拥有这个密度的材料。将密度为0.95克/立方厘米的珠子聚乙烯引入铝是可能的吗? 解释一下。

1-15 你想能够不通过化学分析或冗长的测试程序来识别不同的材料。描述你可能用到的基于材料物理性质的一些可能的测试和分选的技术。

1-16 你希望能够在物理层面上分离一个废品回收工厂的不同的材料。描述一些可能用于分离如聚合物，铝合金和钢的材料的方法。

1-17 一些汽车活塞引擎从一个铝合金矩阵中包含小, 硬碳化硅粒子的复合材料中产生。解释这种复合材料中的每一种材料可以给整个部分带来什么好处。再生产方面，这两种材料的不同性质会产生什么问题？

第二章 原子结构

你有没有想过？

纳米技术是什么？

为什么碳, 以钻石的形式, 是已知最坚硬的材料之一, 但是作为石墨却很柔软, 可以作为固体润滑剂吗?

作为形成沙滩的主要化学成分的硅是如何用于一种超纯光纤吗？

本章的目的是描述与物质的结构有关的底层物理概念。您将了解原子的结构会影响持有材料债券的类型。这些不同类型的债券直接影响材料是否适合实际工程应用。

一种材料的组成和结构对它的性质和行为有深远的影响。学习和研究材料的工程师和科学家们必须了解它们的原子结构。材料的性质是可控的，可以通过控制它们的结构和组成并根据给定的应用程序的需要量身定做。

我们可以在五个级别检查和描述材料的结构：

1. 宏观结构；

2. 微观结构；

3. 纳米结构；

4. 短期和长期的原子安排；

5. 原子结构。 关心先进材料的发展和实际应用的工程师和科学家们需要了解不同材料的微观和宏观结构以及控制它们的方法。微观结构是长度在10-1000纳米的材料的结构。材料属性是一个特征长度或尺寸的变化，而在它上面我们描述材料的属性和发生在材料中的现象。微结构特征通常包括诸如平均粒度, 粒度分布, 晶粒取向和其他与材料缺陷有关的特性。（粒子是材料的一部分，而在此材料中原子的安排几乎是一样的。）而宏观结构是长度大于10万纳米的材料的结构。构成宏观结构的特性包括孔隙度、表面涂层、汽缸室以及内外部微裂隙等特性。 了解原子结构和原子键如何导致不同的原子或粒子在材料中的组成也是重要的。原子结构包括所有的原子以及它们的组成，它们组成物质的积木。所有的纳米，微观和宏观结构经由这些积木而出现。通过了解原子结构和成键原子和分子的构型获得的见解对工程材料的选择和开发新的先进材料是必不可少的。对于原子排列的近距离的检查使我们能够区分非晶态(那些缺乏远程命令的原子或离子) 材料或水晶(那些表现出周期安排的原子或离子) 材料。非晶态材料只有短程原子安排而晶体材料有短期和长期的安排。在短程原子安排中，原子或离子只在相对较短的距离显示一个特定的顺序。对于晶体材料来说, 远程原子秩序是以原子或离子的形式排列在一个三维模式上的, 而此三维模式重复到更大的距离(> 100纳米至几厘米) 。 材料的结构：技术关联性

在当今世界, 信息技术(IT)、生物技术、能源技术、环境技术、和许多其他领域需要更小、更轻、更快、更高效, 可靠, 耐用, 便于携带, 并且廉价的设备。我们想要更小的，更轻的以及寿命长的电池。我们需要相对便宜, 轻便、安全、高燃油效率的汽车, 并且车上“加载”了很多高级特性, 从全球定位系统(GPS)到复杂的安全气囊传感器部署。

其中一些需要在纳米技术和微机电系统(MEMS)产生相当大的兴趣。微电机系统的一个真实例子是图2-1，此图显示了通过硅的微加工而得到的小型的加速度计传感器（Si ）。该传感器用于测量汽车的加速度。该信息由中央计算机处理, 然后用于控制安全气囊部署。这些“微”水平的材料的属性和行为于在它们的“宏观”和批量状态的材料的属性和行为有很大的差异。

因此, 了解在纳米级的结构或纳米结构(即, 纳米材料的结构和性能或长度尺度为1 - 100 nm的材料的结构和性能) 和微观结构是得到了相当大的关注的领域。“纳米技术”这一术语用于描述一组技术, 此组技术是发生在纳米级的基于物理、化学和生物现象。

表2 - 1所示的应用程序和相应的数据(图2 - 2到2 - 7)说明不同的层次结构对材料的行为的重要性。此列举的应用程序被他们的水平的结构和长度尺度所分开(近似特征长度对于一个给定的应用程序来说是非常重要的) 。这样的应用程序如何在行业中应用的例子以及说明都有所提供。现在我们将注意力转向关于原子的结构和原子之间的键的细节问题, 以及它们是如何组成材料属性的基础的。原子结构影响原子如何结合在一起。对原子结构的理解有助于分类金属，半导体，陶瓷或聚合物等材料。对原子结构的理解还允许我们得出一些关于这四类材料的机械性能和物理行为的一般性结论。

原子的结构

原子是由原子核周围的电子组成的。原子核包含中子和带正电的质子和净正电荷。带负电的电子的核被静电吸引到中子上。每一个电子和质子所携带的电荷为1.60x10—19库仑

（C ）。因为原子中的电子和质子的数量是相等的, 整个原子是电中性的。

元素的原子数等于每一个原子的电子或质子的数量。因此, 一个铁原子, 其中包含26个电子和质子26日, 包含26个原子数。

大多数原子的质量包含在原子核。每个质子和中子的质量是167 x 10-24,但每个电子的质量只有9.11 x10-28g。原子质量M 等于质子和电子的平均数量。

原子结构 钻石：钻石是基于碳的共价键。焊接这种类型的材料预计将相对困难。钻石薄膜用于提供一个刀具耐磨优势。

原子安排:远程命令 压电陶瓷:当离子在材料中是这样安排时, 他们表现出离子正方和/或菱形的晶体结构、压电材料(即, 当它受到压力时，它开发一个电压) 。压电陶瓷被广泛用于许多应用程序包括气体用水、超声波代和振动控制。

原子安排：短程命令 离子在硅(二氧化硅) 玻璃表现出只有一个短程顺序，硅离子和氧离子以一个的方式排列着(每个硅离子在四面体协调中绑定四个氧离子) 。此订单, 不过, 不是保持长距离, 从而使石英玻璃处于非晶态状态。非晶眼镜基于二氧化硅和某些其他氧化物，它们是整个光纤通信行业的基础。

图 2-1 硅微机械传感器用于汽车控制安全气囊部署

原子结构：钻石是由碳碳单键构成的，这种材质的粘合被认为是相当荐股的。钻石的薄膜通常被用来为切削工具提供一种高耐磨的封边。

原子排列（长程规则性）：锆钛酸铅：当物质中的离子被排列成四角形状或者排列成斜方六面晶体结构，那么这个物质是压电式的。（比如说，当面对压力或张力时，就会释放出电流）。锆钛酸铅陶瓷在许多方面被大量应用，比如说煤气点火器、超声波技术以及震动控制。

原子排列（短程规则性）：二氧化硅玻璃排列仅仅是短程规则性排列。硅和氧中的离子都以一种特殊的方式排列着，每一个硅离子和四个氧离子表现出四面体配位。这种排列顺序，然而，在长距离的情况下难以维持，因此产生了非晶态石英玻璃。非晶态玻璃基于石英以及其他特定的氧化物，共同构成了这整个光学纤维通信产业。

图2-2 金刚石镀层工具

图2-3 压电式锆钛酸铅煤气点火器，当压电的物质被施加了压力，将会产生电流，同时在电极当中会产生火花。

图2-4 石英形式的光学纤维是非晶体的。

纳米结构：氧化铁当中纳米尺寸的微粒（5-10纳米）被用于铁磁流体或液态磁流体。这些氧化铁当中的纳米尺寸的微粒在液体中分散而且被商业的用于铁磁流体。这些液态磁流体则被用作扩音器的冷却介质（热传递）。

微观结构：很多金属和合金的机械强度绝大部分取决于晶粒大小。在这张钢铁的显微照片中，晶粒以及晶界是这个晶体物质的一个重要的微观结构特征。总体上来说，在室温下，一个细的晶粒尺寸有着较强的强度。物质的很多重要性能对于微观结构来说都非常敏感。

宏观结构：相对于较厚的覆盖层：比如说汽车上或其他应用上的画，不仅仅起着美观的作用，同时也具有着反腐蚀的功能。

图2-5 电磁流体。 （1-100纳米）

图2-6 不锈钢的显微图，显示了晶粒以及晶界。 （10-1000纳米）

图2-7 一些有机和无机覆盖层，使得汽车的钢铁不被腐蚀也使得外观赏心悦目。 （大于1000,000纳米）

图2-8 所选元素的电负性以及周期表中元素的位置。

电负性描述了一个原子获得电子的趋势。充满外层能级的原子，比如氯，带有强烈负电荷而且随时准备吸收电子。然而，没有外层级别的原子，比如钠，随时准备失去电子并且带有很弱的负电荷。高原子数的元素，电荷性也很低。因为外层电子离正核很远，因此它们对原子来说并没有很强的吸引力。一些元素的电负极在图2-8中展示出来。

2-4 周期表

关于具体元素的周期表包涵了极其重要的信息，并且有助于通过原子的大小，熔点，化学反应性和其他一些性能来帮助辨别这个趋势。

这个类似的周期表（图2-9），是根据元素的电子结构而构成的，不是说周期表中所有的元素都能以自然的形式出现。周期表中的行与量子壳或主量子数相对应。周期表中的列主要是指在最外层s 和p 能级电子的数量，并且与最一般的原子价相对应。

在工程学中，我们比较关心的是:

a. 高分子聚合物（塑料）（主要构成物是碳，在4B 组中有表现）。

b. 制陶业（主要是由许多元素的结合，在5B 的小组1中有表现，这些元素有氧气，二氧化碳，氮气）。

c. 金属制品（主要表现在小组1.2上以及金属元素的转换）。

许多在科技方面十分重要的半导体在4B 组中出现，比如硅，金刚石，锗。