华南农业大学材料与能源学院
现代材料科学与工程基础实验讲义供材料科学专业本科生使用
胡航
2016-02-30
实验一 金属纳米颗粒的化学法制备
一、实验内容与目的
1. 了解并掌握金属纳米颗粒的化学法制备过程并制备Au 或Ag 纳米颗粒。
2. 了解金属纳米颗粒的光学特征。
二、实验原理概述
化学制备法是制备金属纳米微粒的一种重要方法，在基础研究和实际应用中被广泛采用。贵金属纳米颗粒的化学法制备主要有溶胶凝胶法、电镀法、氧化还原法等。其中氧化还原法又包括热分解和辐照分解等。贵金属纳米颗粒具有广泛的应用，如生物医学领域的杀菌，物理化学领域的催化等。本实验以金胶为例介绍交替法制备贵金属纳米颗粒，并以硝酸银在烷基胺中的热分解为例介绍表面活性剂中氧化还原法制备贵金属纳米颗粒。
1. 胶体金属（Au 、Ag ）的成核与生长
总的来说，化学法制备金属纳米粒子都是让还原剂提供电子给溶液中带正电荷的金属离子形成金属原子。如，对于制备胶体金，如果采用柠檬酸三钠作为还原剂，其反应过程如下：
2H O -42223222222Δ
HAuCl + HOC(CH )(CO )Au +Cl +CO +HCO H+CO(CH )(CO )+......??→粒子 2. 硝酸银热分解法制备银纳米粒子
热分解法制备金属纳米颗粒原理简单，实验过程易操作。对制备数纳米到数十纳米尺寸范围的纳米颗粒有较大优势。硝酸银在烷基胺中加热搅拌可形成澄清透明溶液。温度上升到150~200 °C 时，溶液颜色由浅色到深色快速变化，生成的银纳米颗粒被烷基胺包裹，稳定在溶液中。通过对样品洗涤、离心沉淀，可获得烷基胺包裹的银纳米粒子。
三、实验方法与步骤
（一）实验仪器与材料
硝酸银，柠檬酸三钠，油胺或十八胺，十八烯（ODE ），无水乙醇，配有温度调控和磁力搅拌的油浴加热器，三颈瓶，抽气头，滤膜，温度计套管，10 mL 量筒，分析天平，玻璃滴管，离心管，离心机，电热干燥箱
（二）实验方法与操作步骤
1. 贵金属胶体的制备
（1）对所有所需用的容器用硫酸清洗，用去离子水冲洗3遍，放入干燥箱烘干。
（2）配置0.01%的氯金酸（硝酸银）溶液和1%的柠檬酸三钠溶液。
（3）把50 mL的氯金酸（硝酸银）溶液加热至沸腾后加入1 mL的柠檬酸三钠溶液，再加热5~10 min。
（4）停止加热后把制得的胶体金用过滤薄膜过滤。
（5）重复（3）、（4）步骤制备氯金酸（硝酸银）溶液和柠檬酸三钠溶液体积比为（50:2）~（50:10）的胶体金属。
（6）将制得的胶体金用紫外-可见分光光度计测其吸收光谱。
（7）清洗使用过的仪器，药品放回原处。
2. 硝酸银热分解制备Ag纳米颗粒
（1）对所有所需用的容器用硫酸清洗，用去离子水冲洗3遍，然后用无水乙醇冲洗，放入干燥箱烘干。
（2）称取0.5 g硝酸银，放入三颈瓶。
（3）分表量取ODE5 mL，油胺5mL（或者称取4g十八胺）加入三颈瓶。
（4）三颈瓶连接抽气头通入Ar放入油浴。
（5）在磁力搅拌下，油浴升温到180 °C并保持10 min。
（6）用玻璃滴管取0.5 mL样品放入离心管，加入5mL无水乙醇并振荡使混合均匀以清洗烷基胺。
（7）离心沉淀并重复加入5 mL无水乙醇反复清洗3遍。
（8）把所获得的Ag纳米颗粒分散于甲苯中并测量吸收光谱。
（9）对所用的容器进行清洗，再用去离子水冲洗3遍，放入干燥箱烘干后放回原处。
四、思考与讨论
1. 在制备Ag纳米颗粒的过程中，所用容器为什么用去离子水清洗？
2. 制备过程中，Ag纳米颗粒的生长受什么因素影响？如何获得不同尺寸的Ag纳米颗粒？
3. 在分解硝酸银制备纳米颗粒的实验中为什么要用烷基胺？
实验二水热法合成TiO2纳米材料
一、实验内容与目的
1. 了解水热法制备无机氧化物纳米材料的原理和特点。
2. 掌握水热法制备TiO2纳米材料的方法和步骤。
3. 熟悉纳米材料的表征方法如X射线粉末衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等。
二、实验原理概述
纳米材料具有不同寻常的物理和化学性能，是目前材料科学研究领域的热点。由于纳米材料强烈的尺寸和形貌依赖性，因此控制纳米材料尺寸和形貌称为当前纳米材料研究的重要方向。现阶段用于纳米粒子合成的方法主要有物理方法和化学方法，其中化学方法合成得到的纳米粒子纯度更高，粒度分布更均匀，而且形貌可控，从而应用更广。在众多方法中，水热法作为无机合成化学中的一个重要分支，成为纳米粒子的尺寸形貌控制合成的常用方法。
水热法最初是模拟然界中某些矿石的形成过程而发展起来的，通常是指在密闭的反应体系中，以水作为反应介质，将反应器加热到一定的温度（100~1000 °C），是反应器中具有一定填充度的水溶剂膨胀充满整个容器而产生很高压力的条件下，进行无机合成和材料制备的一种有效方法。在水热条件下，水主要起到两个作用：液态或气态的水是传递压力的媒介；同时水作为溶剂，由于在高压下绝大多数反应物都能溶于水，可促使反应在气相或液相中进行。
水热法合成氧化物纳米材料中，一般都是以金属盐、氧化物或氢氧化物作为反应物，以水作为溶剂，在加热过程中，这些金属盐、氧化物或氢氧化物的溶解度随文帝、压力的升高二增加，形成所需的氧化物的过饱和溶液，并逐渐成核生长，最终获得所需的氧化物纳米材料。整个反应过程的驱动力就是可溶的前驱体或中间产物与最后稳定的氧化物之间的溶解度差。因此可以说，水热法的实质是使纳米粒子在高温高压下从过饱和溶液中生长出来。这种发发在分子设计上具有其特有的有事，可以通过对前驱体材料结构中的次级结构单元拆开、修饰并重新组装；也可以通过选择反应条件加入适当的“模板剂”或“矿化剂”控制产物的结构。
二氧化钛（TiO2）是一种非常重要的化工原理，被广泛用于颜料、造纸、涂料、油漆、橡胶、陶瓷等各种行业中。随着粒子尺寸的降低，纳米二氧化钛显示出许多特殊效果，如表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应，因而在光学、热学、电学、磁学、力学以及化学等方面与普通二氧化钛有着显著的不同。如，纳米二氧化钛具有独特的抗紫外线、抗菌、光催化等特性，已广泛应用于光触材料、抗菌陶瓷、抗紫外化妆品、抗菌涂料、汽车漆等。本实验将直接以普通的TiO2粉末为原料，采用水热法，在碱性条件小利用水热条件产生的高温、高压环境来重结晶合成TiO2纳米粉体，并通调节反应条件如反应温度和反应时间来调节所得TiO2纳米粉体的尺寸和形貌。
三、实验方法和步骤
（一）主要实验试剂及仪器
实验试剂：二氧化钛、氢氧化钠、蒸馏水、无水乙醇等。
实验仪器：烧杯、量筒等玻璃仪器若干、电子天平、水热反应釜、磁力搅拌器、程序控温恒温箱、离心机等。
表征仪器：X射线粉末衍射仪、扫描电子显微镜、透射电子显微镜等。
（二）实验步骤
（1）称取0.2 g二氧化钛粉末，加入到10 mL2 mol/L的NaOH水溶液中，搅拌，
（2）搅拌10 min后，将上述溶液转移入带聚四氟乙烯内衬的高压釜中，旋紧密闭后将高压釜放入烘箱中。
（3）调节烘箱温度为180 °C，使之加热到180 °C并保持6 h后将反应釜取出。
（4）待反应釜冷却至室温，打开分反应釜，取出溶液得白色细小微粒沉淀为所得产物，产物经李鑫分离并相继用蒸馏水和无水乙醇多次洗涤后，在空气中干燥。
（5）所得产物用X射线粉末衍射来确定其物相，用扫描电子显微镜和透射电子显微镜来观察其尺寸和形貌。
（6）改变实验条件，如反应温度和反应时间，在120~220 °C下分表保持4~72 h，研究不同反应条件对TiO2纳米粉体尺寸和形貌的影响。
四、思考与讨论
1. 水热法合成纳米材料具有哪些特点？
2. 利用水热法，如何控制所得氧化物纳米粉体的尺寸和形貌？
3. 查阅资料简要说明水热法取向生长一维纳米材料的原因。
实验三金属有机物热分解法制备LaNiO3导电氧化物薄膜
一、实验内容与目的
1. 掌握金属有机物热分解法的基本原理，了解其在材料合成、制备领域的应用。
2. 了解导电氧化物的导电特性及其应用。
3. 掌握浸渍法（dip-coating）制备薄膜的方法。
二、实验原理
（一）金属有机物分解法的原理
金属有机物分解法（metalorganic decomposition, MOD）是湿化学法沉积薄膜的一种重要方法，近年来得到了很大发展，已成功地用于一系列薄膜的制备，包括铁电薄膜、超导薄膜和导电氧化物薄膜。其中最成功的应用就是SrBi2Ta2O9（SBT）铁电薄膜的制备，其前体溶液已经商业化。
其基本过程是将不同的金属有机源（主要为金属羧酸盐，如异辛酸盐等）溶入适当有机溶剂，将其混合成所需的阳离子浓度的前体溶液，再以适当技术（如甩胶法、浸渍法、喷涂法）沉积到衬底，制成湿膜，烘干后，去掉不必要的溶剂，并分解掉金属有机物，得到无机薄膜。达到所需厚度后，经过进一步热处理，来控制薄膜结构。通常要求金属有机源易合成、纯化，无毒或低毒，稳定性好，具有合适的分解温度，高的金属含量及在常用的溶剂中具有良好的溶解性能。
（二）导电氧化物的背景介绍
导电聚合物种类丰富，最著名的当属透明导电氧化物ITO（In2O3:Sn），已经大规模地应用于平板显示器领域。导电氧化物最主要是作为电极材料来使用，包括电池、燃料电池、磁流体发电的电极等。LaNiO3是一种局域钙钛矿结构的导电金属氧化物，其赝立方晶胞参数为0.384 nm，与PbTiO3、PZT、BaTiO3等铁电薄膜的晶格参数相匹配。使用LaNiO3作为电极，有利于铁电薄膜的择优取向和外延生长，有利于改善铁电薄膜的疲劳问题。
（三）浸渍法简介
浸渍法镀膜就是把需镀膜的样品，放入配置好的前体溶液中，然后拿出烘干，热处理。这种镀膜方法，工艺简单，是室温下操作，无需昂贵的设备，可以再复
杂的样品形状表面镀膜。多次重复上述过程，就获得所需厚度的膜。
三、实验方法与步骤
（一）实验仪器与材料
电子天平，磁力搅拌器，红外快速烘箱（或鼓风干燥箱），管式炉，热台，玻璃仪器，X射线衍射仪。
异辛酸（化学纯），乙酸镍（分析纯），乙酸镧（分析纯），乙酸丁酯（分析纯），氨水（分析纯），双氧水（分析纯），盐酸（分析纯），（100）硅片（ρ>5 Ω·cm），石英烧杯，石英清洗架，石英舟。
（二）实验方法与操作步骤
1. 基片清洗
（1）按照半导体工艺的RCA配方，在通风橱里配置碱性、酸性清洗剂。碱性清洗剂：NH3·H2O：H2O2：H2O=1:2:5；酸性清洗剂：HCl：H2O2：H2O=1:2:6。
（2）将硅片放在石英清洗架上，放入石英烧杯中，加碱性清洗剂至浸过基片约1 cm处，盖上培养皿，放在通风橱内的电炉上加热至沸腾。滚沸5 min后，关闭电源。将残余溶液导入废液缸，用去离子水淋洗石英烧杯和石英清洗架上的基片3遍。
（3）将酸性清洗剂倒入石英烧杯中，重复上面的步骤，进行酸洗。
（4）将去离子水导入石英烧杯中，重复煮沸的步骤2遍，每次3min。
（5）最后将清洗干净的基片放入红外快速烘箱中烘干，待甩膜用。
2. 前体溶液配制
（1）异辛酸镧的合成：将乙酸镧荣誉去离子水，然后缓缓加入异辛酸的氨水溶液，并不断搅拌，即有白色泡沫状固体不断析出，过滤后用去离子水多次淋洗，得到异辛酸镧固体，干燥待用。
（2）异辛酸镍的合成：将乙酸镍溶于去离子水，然后缓缓加入异辛酸的氨水溶液，并不断搅拌，即有黏稠的绿色异辛酸镍生成，用乙酸丁酯将异辛酸镍萃取出来，旋转蒸发去除溶剂，即得到异辛酸镍。
（3）前体溶液配制：将异辛酸镧和异辛酸镍按照1:1化学计量比溶解于乙酸丁酯中，配制成浓度为0.1 mol/L的溶液。
3. 薄膜沉积与热处理
（1）接通热台电源，温度升到150 °C稳定。
（2）用镊子夹着清洗好的基片一角浸渍在前体溶液中，待充分浸润后，去除，用滤纸吸去衬底背面的溶液，放在热台上烘烤5 min，然后放入石英舟中。
（3）高温热处理：将管式炉升温到600 °C，将放置了薄膜样品的石英舟，用带钩子的石英玻璃杆推入管式炉，在流动的氧气分为中，恒温半小时，取出石英舟，（测量方块电阻）。然后重复浸渍、干燥和高温热处理过程3~5次，获得所需样品。
4*. 测量方块电阻
使用方块电阻测试仪测量不同层数薄膜表面的方块电阻，记下电阻值的波动范围。
四、思考与讨论
1. 金属有机物分解法和溶胶凝胶法制备薄膜有何异同？
2. 甩膜前，基片为什么必须进行清洗？酸、碱清洗液各起什么作用？
3. 浸渍法和甩胶法有何异同？
4*. 随着LaNiO3沉积层数的增加，薄膜的方块电阻会怎样变化？为什么？
实验四醇盐水解法制备纳米二氧化硅微粒及表征
一、实验内容与目的
1. 掌握溶胶-凝胶法制备纳米二氧化硅的基本原理和方法。
2. 通过纳米二氧化硅实验制备过程，了解溶胶-凝胶法制备过程中的溶剂、催化剂及温度对所得产物的影响。
3. 掌握激光光散射测定纳米微粒粒径的方法。
二、实验原理概述
正硅酸乙酯（TEOS）的水解是利用湿化学方法制备新型玻璃、陶瓷及其他无机功能材料的崭新方法，也被称为溶胶-凝胶方法。所谓溶胶-凝胶法是指金属有机或无机化合物经水解形成溶胶，然后溶胶中溶质再进一步聚合凝胶化得到湿凝胶，再将凝胶干燥、焙烧去除有机成分，最后得到无机材料。纳米SiO2是一种无毒、无味、无污染的无机非金属材料，是目前工业化产量最大和应用最为广泛的无机纳米材料，其分子状态呈三维链状结构，初级粒子粒径一般在10~60 nm，相对密度2.319~2.653，熔点1750 °C。由于其具有小尺寸效应、表面界面效应、量子尺寸效应和宏观两字隧道效应，纳米二氧化硅显示出卓越的性能和功能，可广泛应用于各个领域。
在本实验中，通过TEOS的水解与缩合来制备纳米SiO2，氨水的加入起催化作用。当TEOS在极稀浓度中水解时，其水解反应是一级反应，水解速率取决于TEOS的浓度。但当TEOS浓度增大时，此反应变成了复杂的二级房源。碱催化水解的反应历程，可用亲核取代反应机理解释：TEOS分子中的硅原子周围有4个烷氧基-OR(-OC2H5)与之结合，在碱性催化剂（NH4OH）参与下，OH-对硅原子核发动亲核进攻，使硅原子带负电，并导致电子眼向另一侧的OR-基团偏移，使该基团的Si-O键被削弱而断裂，发生水解，水解单体在Si-OH基之间，以及Si-OH基与Si-OR基发生脱水或脱醇聚合反应，形成Si-O-Si链，Si-O-Si链之间不断交联，最终形成颗粒状聚集体。
在TEOS的反应过程中，第一步水解反应和第二步缩合反应是同时进行的，所以称这两步生成的混合物为溶解，第三步聚合反应生成的三位网络结构成为凝胶。在TEOS水解过程中，溶剂的存在起了重要作用。由于TEOS在常温下与水
不共溶，而其水解反应必须有水参与，所以，为例使反应在均相体系中进行，必须选择一个共溶的溶剂，醇类是最常用的共溶溶剂，研究表明，使用甲醇或乙醇作溶剂，对TEOS水解反应的性质影响不明显，但对最后凝胶的结构、孔径的大小有影响。除了甲醇、乙醇外，还可以使用其他溶剂如二氧六环、乙二醇、丙三醇、DMF、丙酮、四氢呋喃等。
三、实验方法与步骤
1. 样品的制备实验
（1）在一个250 mL的三口瓶上，装上磁力搅拌器、球形冷凝管、温度计和恒压滴液漏斗，开冷凝水。
（2）量取30 mL乙醇、30 mL蒸馏水加入到圆底烧瓶中，再向起哄加入5.4 mL25%的氨水。
（3）量取7 mL正硅酸乙酯，加入到恒压滴液漏斗中，油浴加热到40 °C，搅拌条件下滴加到圆底烧瓶中，约15 min滴加完毕，再反应1 h后，停止加热。
（4）将所得产物静置，沉降，得到纳米二氧化硅胶体，洗涤，分离，干燥后得到产物。
2. 实验样品的表征测试
（1）取1 mL上述胶体溶液，在离心机上8000 r/min离心分离5 min，弃去上层清液，沉淀用谁洗涤，再离心分离，重复3次，用蒸馏水、超声分散后，激光粒度仪测定粒径的大小和分布。
（2）取2 mL纳米二氧化硅混合溶液，加入到光散射比色皿中，测定粒径。纳米微粒的粒径和粒径分布在Brookhaven的90 Plus Particle Size Analyzer动态光散射仪上测定。激光的波长为633 nm，入射角是90°，每个样品平均测定3次，每次扫描60 s，温度为25°C。所得的粒径是三次测量的平均值。
四、思考与讨论
1. 试说明制得的纳米二氧化硅离心分离和洗涤的目的是什么？
2. 试查阅文献，简述常用的制备纳米二氧化硅的方法及其优缺点。
3. 简述采用动态光散射测定纳米微粒粒径的影响因素。
实验五 粉末X 射线衍射及物相定性分析
一、实验内容与目的
1. 掌握X 射线衍射的基本原理。
2. 通过X 射线衍射仪的构造及操作步骤。
3. 掌握粉末X 射线衍射测定及物相定性分析方法。
二、实验原理概述
（一）X 射线衍射基本原理
1. 布拉格方程
2sin hkl d θλ=
式中，dhkl 为在简化布拉格方程中称衍射面间距或面网间距；θ为布拉格角或掠射角；λ为入射X 射线波长。
2. 粉晶X 射线衍射原理
用特征X 射线射到多晶粉末（或块状）上获得衍射图谱或数据的方法称为粉晶法或粉末法。当单色X 射线以一定的入射角射向粉晶时，无规排列的粉晶中，总有许多小晶粒的某些面网处于满足布拉格方程的位置，因而产生衍射。所以，粉晶衍射图谱是由无数小晶粒各衍射面产生衍射叠加的结果。
当单色X 射线照射到粉晶样品上，若其中一个晶粒的一组面网（hkl ）取向和入射光X 射线夹角为θ，满足衍射条件，则在衍射角2θ（衍射线与入射X 射线的延长线的夹角）处产生衍射。由于晶粒的取向机遇，因而与入射线夹角为2θ的衍射线不止一条，而是顶角为2θ*2的衍射圆锥面，如图5.1所示。
图5.1 衍射圆锥面
晶体中有许多面网组，其衍射线相应地形成许多以样品为中心、入射线为轴、张角不同的衍射圆锥面，即粉晶X射线衍射形成中心角不同的系列圆锥面。通常称这种同心圆为德拜环。
如果使粉晶衍射仪的探测器以一定的角度绕样品旋转，则可接收到粉晶中不同面网、不同取向的全部衍射线，获得相应的衍射谱图。
（二）X射线衍射仪构造与原理
X射线衍射仪主要有X射线发生器、测角仪、X射线辐射探测器、射线数据采集系统和各种电气系统、保护系统组成，其过程为X射线管发出单色X射线照射到样品上，所产生的衍射线光子用辐射探测器接收，经检测电路放大处理后在显示或记录装置上给出衍射数据和谱线，如图5.2所示。
图5.2 X射线衍射仪结构示意图
（三）X射线物相分析原理和方法
（1）谱图直接对比法
（2）数据对比法
（3）计算机自动检索鉴定法
三、实验方法与步骤
（一）样品制备方法
1. 粉晶样品的制备
（1）将被测试试样在玛瑙研钵中研成尺寸≤15μm的细粉。
（2）取适量的粉末填入样品框中，用载玻片把粉末压紧、压实、压平，把多余凸出的粉末削去，固定与衍射仪样品室的样品台上。
2. 特殊样品的制备
对于金属、陶瓷、玻璃等一些不易研成粉末的样品，可先将其锯成窗孔大小，磨平一面，再用橡皮泥或石蜡将其固定在窗口内。对于片状、纤维状或薄膜样品也可取窗孔大小直接嵌固在窗孔内，但固定在窗孔内的样品其平整表面必须与样品板平齐，并对着入射X射线。
（二）实验内容与步骤
1. 仪器设备：国产X射线粉末衍射仪。
2. 操作步骤：
（1）开电源：打开水冷机电源开关，打开衍射仪电源开关、开关CP1、CP2，打开电脑电源。
（2）设定管亚、管流：点击桌面衍射仪控制软件，逐级将X射线光管工作电压设为40 kV，工作电流为40 mA。
（3）设定测试参数：设定文件存盘路径、文件名以及测试参数（起始角、终止角、步长、扫描速率、狭缝大小）。
（4）测试：放置样品，点击图标进行测试（注意：在放置样品前后，开关门一定要轻）。
3. 分析数据，做出衍射图。
四、思考与讨论
1. 简述X射线衍射的基本原理。
2. 写出布拉格方程的两种表达式，并说明布拉格方程的物理意义。
3. 简述粉晶物相定性分析原理及分析方法。
实验六固体材料红外透射光谱测量与分析
一、实验内容与目的
1. 了解红外光谱的基础知识。
2. 了解傅里叶变换红外光谱仪的基本结构及基本原理。
3. 掌握应用傅里叶变换红外光谱仪测量固体材料的红外透射光谱，并能对谱图进行定性分析。
二、实验原理概述
（一）红外光谱
光是一种电磁波，具有一定的辐射能量。在电磁波谱中，比可见光洪外端波长更长至1000 μm的范围属于红外辐射波段。任何温度高于0K的物体都要向周围发射红外辐射，知识辐射特性会随温度的不同而发生变化。当分子受到频率连续变化的红外光照射时，分子吸收默写频率的辐射，引起振动和转动能级的跃迁，使相应于这些吸收区域的透射光强度减弱，将分子吸收红外辐射的情况记录下来，便得到红外光谱。
红外光谱由分子振动能级的跃迁而产生，但并不是所有的振动能级跃迁都能在红外光谱中产生吸收峰，物质吸收红外光发生振动和转动能级跃迁必须满足两个基本条件：一是红外辐射光量子具有的能力等于分子振动能级的能量差；二是分子振动时，偶极矩的大小或方向必须有一定的变化，即具有偶极矩变化的分子振动时红外活性振动，否则是非红外活性振动。
红外光谱的波长为0.75~1000 μm，通常红外光谱划分为三个区域：远红外：25~100 μm（400~10 cm-1），一般对应分子的纯转动以及晶格振动的能级跃迁；中红外：2.5~25μm（4000~400 cm-1），一般对应分子振动能级，绝大多数有机化合物和许多无机化合物的基频都出现在这个区域；近红外：0.78~2.5μm （12821~4000 cm-1），一般对应化合物吸收基频的倍频与合频振动。红外光谱多以波长λ或波数σ为横坐标，表示吸收峰的位置，波长与波数的关系为σ(cm-1)= 10000/λ(μm)；以透过率T为纵坐标，表示吸收强度。
红外光谱主要应用于研究分子的结构，根据谱线的形状、吸收峰的位置以及特征吸收峰的强度等进行化学、物理的定性或定量分析，从而确定某种化学组分
的存在及含量、分子的空间构型等问题。
（二）傅里叶变换红外光谱仪的基本结构及其基本原理
傅里叶变换光谱技术是让双光束干涉仪产生的干涉辐射透过样品，得到带有样品物质结构信息的干涉谱图，进一步通过傅里叶变换数值计算将干涉谱图转换成谱图的红外谱图。根据此原理制造的仪器称为傅里叶变换红外光谱仪，其原理图如图6.1所示。傅里叶变换红外光谱仪产生的干涉图通常是根据迈克尔孙干涉仪（Michelson interferometer）原理产生的，由光源、固定反射镜、移动反射镜、分束器、检测器等组成，如图6.2所示。
图6.1 傅里叶变换红外光谱仪原理图
三、实验方法与步骤
（一）实验仪器与样品制备
本实验采用美国Perkins Elmer公司的Spectrum GX型红外光谱仪。主要采用压片法进行固态样品制样。压片法是将1~2 mg样品与100~200 mg 纯溴化钾置于研钵中，红外灯下干燥，研磨至颗粒小于2 μm，再置于压片模具中，压成透明薄片即可测定。
（二）实验方法与操作步骤
（1）开机，接通电源，打开红外光谱仪和其相连的计算机电源。
（2）双击Spectrum图标打开控制软件，系统将对仪器进行初始化。在初始化前，将样品室的样品和所有附件取出。
（3）初始化后，进入菜单Setup，点击Align，将对光路进行准直，使Align≈1，在相应的栏目里进行参数设定，如红外波段的选择、分辨率以及扫描次数的设定等。
（4）进行样品测试，首先测背景图（scan background），即光源的红外光谱。再将样品放入样品室内，进行红外光谱测试（scan sample）。
（5）获取光谱图。
（三）红外光谱分析
红外光谱将提供三个特征量：吸收峰的位置、形状、强度，根据三个特征量可以分析样品的结构信息。吸收峰位置（谱带的特征振动频率）是对官能团进行定性分析的基础，依照特征峰的位置可以确定聚合物的类型。谱带的形状包括谱带是否有分裂，可用以研究分子内是否存在缔合以及分子的对称性、旋转异构、互变异构等。谱带的强度与分子振荡时偶极矩的变化率有关，同时与分子的含量成正比，因此可作为定量分析的基础。依据某些特征峰强度随时间（或温度、压力）的变化规律可研究动力学过程。
四、思考与讨论
1. 红外吸收光谱图特点及其所能提供的信息是什么？
2. 红外吸收光谱谱带强度由哪些因素决定？定量分析的依据是什么？
第一组 材料的刚性越大，材料就越脆。F 按受力方式，材料的弹性模量分为三种类型，以下哪一种是错误的：D A. 正弹性模量（E） B. 切弹性模量（G） C. 体积弹性模量（G） D. 弯曲弹性模量（W） 滞弹性是无机固体和金属的与时间有关的弹性，它与下列哪个因素无关B A 温度； B 形状和大小； C 载荷频率 高弹性有机聚合物的弹性模量随温度的升高而A A. 上升； B. 降低； C. 不变。 金属材料的弹性模量随温度的升高而B A. 上升； B. 降低； C. 不变。 弹性模量和泊松比之间有一定的换算关系，以下换算关系中正确的是D A. K=E /[3(1+2)]； B. E=2G (1-)； C. K=E /[3(1-)]； D. E=3K (1-2)； E. E=2G (1-2)。 7.Viscoelasticity”的意义是B A 弹性；B粘弹性； C 粘性 8.均弹性摸量的表达式是A A、E=σ/ε B、G=τ/r C、K=σ。/（△V/V） 9.金属、无机非金属和高分子材料的弹性摸量一般在以下数量级范围内C GPa A.10-102、＜10，10-102 B.＜10、10-102、10-102 C.10-102、10-102、＜10 10.体心立方晶胞的金属材料比面心立方晶胞的同类金属材料具有更高的摸量。T 11.虎克弹性体的力学特点是B A、小形变、不可回复 B、小形变、可回复 C、大形变、不可回复 D、大形变、可回复 13、金属晶体、离子晶体、共价晶体等材料的变形通常表现为，高分子材料则通常表现为和。A A 普弹行、高弹性、粘弹性 B 纯弹行、高弹性、粘弹性 C 普弹行、高弹性、滞弹性 14、泊松比为拉伸应力作用下，材料横向收缩应变与纵向伸长应变的比值υ=ey/ex F 第二组 1.对各向同性材料，以下哪一种应变不属于应变的三种基本类型C A. 简单拉伸； B. 简单剪切； C. 扭转； D. 均匀压缩 2.对各向同性材料，以下哪三种应变属于应变的基本类型ABD A. 简单拉伸； B. 简单剪切； C. 弯曲； D. 均匀压缩 3.“Tension”的意义是A A 拉伸； B 剪切； C 压缩 4.“Compress”的意义是C A 拉伸；B剪切； C 压缩 5.陶瓷、多数玻璃和结晶态聚合物的应力-应变曲线一般表现为纯弹性行为T 6.Stress”and “strain”的意义分别是A A 应力和应变；B应变和应力；C应力和变形
第三章 1. 试述结晶相变的热力学条件、动力学条件、能量及结构条件。 2. 如果纯镍凝固时的最大过冷度与其熔点（tm＝1453℃）的比值为0.18，试求其凝固驱动力。（ΔH＝-18075J/mol） 3. 已知Cu的熔点tm＝1083℃，熔化潜热Lm＝1.88×103J/cm3，比表面能σ＝1.44×105 J/cm3。（1）试计算Cu在853℃均匀形核时的临界晶核半径。（2）已知Cu的相对原子质量为63.5，密度为8.9g/cm3,求临界晶核中的原子数。 4. 试推导杰克逊（K.A.Jackson）方程 5. 铸件组织有何特点？ 6. 液体金属凝固时都需要过冷，那么固态金属熔化时是否会出现过热，为什么？ 7. 已知完全结晶的聚乙烯（PE）其密度为1.01g/cm3,低密度乙烯（LDPE）为0.92 g/cm3，而高密度乙烯（HDPE）为0.96 g/cm3，试计算在LDPE及HDPE中“资自由空间”的大小。8欲获得金属玻璃，为什么一般选用液相线很陡从而有较低共晶温度的二元系？9. 比较说明过冷度、临界过冷度、动态过冷度等概念的区别。 10. 分析纯金属生长形态与温度梯度的关系。 11. 什么叫临界晶核？它的物理意义及与过冷度的定量关系如何？ 12. 简述纯金属晶体长大的机制。13. 试分析单晶体形成的基本条件。 14. 指出下列概念的错误之处，并改正。(1) 所谓过冷度，是指结晶时，在冷却曲线上出现平台的温度与熔点之差；而动态过冷度是指结晶过程中，实际液相的温度与熔点之差。(2) 金属结晶时，原子从液相无序排列到固相有序排列，使体系熵值减少，因此是一个自发过程。(3) 在任何温度下，液体金属中出现的最大结构起伏都是晶胚。
选择题第一组 1.材料的刚性越大，材料就越脆。（）B A. 正确； B. 错误 2.按受力方式，材料的弹性模量分为三种类型，以下哪一种是错误的：（）D A. 正弹性模量（E）； B. 切弹性模量（G）； C. 体积弹性模量（G）； D. 弯曲弹性模量（W）。 3.滞弹性是无机固体和金属的与时间有关的弹性，它与下列哪个因素无关（） B A 温度； B 形状和大小； C 载荷频率 4.高弹性有机聚合物的弹性模量随温度的升高而（）。A A. 上升； B. 降低； C. 不变。 5.金属材料的弹性模量随温度的升高而（）。B A. 上升； B. 降低； C. 不变。 6.弹性模量和泊松比ν之间有一定的换算关系，以下换算关系中正确的是（） D A. K=E /[3(1+2ν)]； B. E=2G (1-ν)； C. K=E /[3(1-ν)]； D. E=3K (1-2ν)； E. E=2G (1-2ν)。 7.“Viscoelasticity”的意义是（）B
A 弹性； B粘弹性； C 粘性 8、均弹性摸量的表达式是（）A A、E=σ/ε B、G=τ/r C、K=σ。/（△V/V） 9、金属、无机非金属和高分子材料的弹性摸量一般在以下数量级范围内（GPa）C A、10-102、＜10，10-102 B、＜10、10-102、10-102 C、10-102、10-102、＜10 10、体心立方晶胞的金属材料比面心立方晶胞的同类金属材料具有更高的摸量。 11、虎克弹性体的力学特点是（）B A、小形变、不可回复 B、小形变、可回复 C、大形变、不可回复 D、大形变、可回复 13、金属晶体、离子晶体、共价晶体等材料的变形通常表现为，高分子材料则通常表现为和。A A 普弹行、高弹性、粘弹性 B 纯弹行、高弹性、粘弹性 C 普弹行、高弹性、滞弹性 14、泊松比为拉伸应力作用下，材料横向收缩应变与纵向伸长应变的比值υ=ey/ex （）B A. 正确； B. 错误
习题：第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章第十一章答案：第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章第十一章 3-2 略。 3-2试述位错的基本类型及其特点。 解：位错主要有两种：刃型位错和螺型位错。刃型位错特点：滑移方向与位错线垂直，符号⊥，有多余半片原子面。螺型位错特点：滑移方向与位错线平行，与位错线垂直的面不是平面，呈螺施状，称螺型位错。 3-3非化学计量化合物有何特点？为什么非化学计量化合物都是n型或p型半导体材料？ 解：非化学计量化合物的特点：非化学计量化合物产生及缺陷浓度与气氛性质、压力有关；可以看作是高价化合物与低价化合物的固溶体；缺陷浓度与温度有关，这点可以从平衡常数看出；非化学计量化合物都是半导体。由于负离子缺位和间隙正离子使金属离子过剩产生金属离子过剩（n型）半导体，正离子缺位和间隙负离子使负离子过剩产生负离子过剩（p型）半导体。 3-4影响置换型固溶体和间隙型固溶体形成的因素有哪些？ 解：影响形成置换型固溶体影响因素：（1）离子尺寸：15%规律：1.（R1-R2）/R1>15%不连续。 2.<15%连续。 3.>40%不能形成固熔体。（2）离子价：电价相同，形成连续固熔体。（ 3）晶体结构因素：基质，杂质结构相同，形成连续固熔体。（4）场强因素。（5）电负性：差值小，形成固熔体。差值大形成化合物。 影响形成间隙型固溶体影响因素：（1）杂质质点大小：即添加的原子愈小，易形成固溶体，反之亦然。（2）晶体（基质）结构：离子尺寸是与晶体结构的关系密切相关的，在一定程度上来说，结构中间隙的大小起了决定性的作用。一般晶体中空隙愈大，结构愈疏松，易形成固溶体。（3）电价因素：外来杂质原子进人间隙时，必然引起晶体结构中电价的不平衡，这时可以通过生成空位，产生部分取代或离子的价态变化来保持电价平衡。 3-5试分析形成固溶体后对晶体性质的影响。 解：影响有：（1）稳定晶格，阻止某些晶型转变的发生；（2）活化晶格，形成固溶体后，晶格结构有一定畸变，处于高能量的活化状态，有利于进行化学反应；（3）固溶强化，溶质原子的溶入，使固溶体的强度、硬度升高；（4）形成固溶体后对材料物理性质的影响：固溶体的电学、热学、磁学等物理性质也随成分而连续变化，但一般都不是线性关系。固溶体的强度与硬度往往高于各组元，而塑性则较低， 3-6说明下列符号的含义：V Na，V Na'，V Cl˙，（V Na'V Cl˙），Ca K˙，Ca Ca，Ca i˙˙解：钠原子空位；钠离子空位，带一个单位负电荷；氯离子空位，带一个单位正电荷；最邻近的Na+空位、Cl-空位形成的缔合中心；Ca2+占据K.位置，带一个单位正电荷；Ca原子位于Ca原子位置上；Ca2+处于晶格间隙位置。 3-7写出下列缺陷反应式：（l）NaCl溶入CaCl2中形成空位型固溶体；（2）CaCl2溶入NaCl中形成空位型固溶体；（3）NaCl形成肖特基缺陷；（4）Agl形成弗伦克尔缺陷（Ag+进入间隙）。
《材料科学基础》实验指导书 （试用） 院系： 班级： 姓名： 学号： 大连理工大学 年月日
实验目录 实验一金相显微镜的使用及金相试样制备方法（2学时）实验二金属材料的硬度（2学时）实验三 Sn-Pb二元平衡相图测试（2学时）实验四金相定量分析方法（2学时）实验五 Fe-C合金平衡组织观察（2学时）实验六材料弹性及塑性变形测定（2学时）实验七碳钢试样的制备及测试综合性实验（4学时）实验八金属塑性变形及回复再结晶设计性实验（6学时）实验九金属凝固组织及缺陷的观察（2学时）
实验一金相显微镜的使用及金相试样制备方法 一、实验目的 1）了解光学显微镜的原理及构造，熟悉其零件的作用。 2）学会正确操作和使用金相显微镜。 3）掌握金相试样的制备过程和基本方法。 二、实验设备与材料 实验设备：x-1型台式光学显微镜，磨样机、抛光机、砂轮机 实验材料：碳钢标准样品 三、实验内容 1.通过本次实验使学生了解光学显微镜并熟悉光学显微镜的构造和使用方法； 2.要求每个学生会实际操作光学显微镜，观察金相样品并测定其放大倍数。 3.演示并初步认识金相试样的制备过程及方法 四、实验报告撰写 撰写实验报告格式要求： 一、实验名称 二、实验目的 三、实验内容 包括：1. 光学显微镜的构造及其零部件的作用 2. 使用光学显微镜观察标准样品的收获 3. 概述金相试样制备过程及方法 四、个人体会与建议
实验二金属材料的硬度 一．实验目的 1.了解布氏、洛氏、维氏硬度的测试原理。 2.初步掌握各种硬度计的操作方法和使用注意事项。 二．实验设备和样品 1．布氏、洛氏、维氏硬度计 2．铁碳合金试样 三．实验内容和步骤 1.通过老师讲解，熟悉布氏和洛氏硬度计的原理、构造及正确的操作方法。 2.演示测定维氏硬度值，演示测定布氏和洛氏硬度值， 注：每个样品测量压痕数，由指导老师根据学生人数确定，保证每位学生可以操作硬度计1-2次。因为实验条件限制，所以不需要严格按照多次测量取平均值的要求进行实验。 四．实验报告内容 1．简述实验目的和步骤。 2．简要叙述布氏、洛氏、维氏硬度计的测量原理和特点。 3．写出测量步骤，附上实验结果。 4．总结各种硬度计的使用注意事项和使用体会。
《材料科学与工程基础》习题和思考题及答案 第二章 2-1.按照能级写出N、O、Si、Fe、Cu、Br原子的电子排布（用方框图表示）。 2-2.的镁原子有13个中子，11.17%的镁原子有14个中子，试计算镁原子的原子量。 2-3.试计算N壳层内的最大电子数。若K、L、M、N壳层中所有能级都被电子填满时，该原子的原子序数是多少？ 2-4.计算O壳层内的最大电子数。并定出K、L、M、N、O壳层中所有能级都被电子填满时该原子的原子序数。 2-5.将离子键、共价键和金属键按有方向性和无方向性分类，简单说明理由。 2-6.按照杂化轨道理论，说明下列的键合形式： （1）CO2的分子键合（2）甲烷CH4的分子键合 （3）乙烯C2H4的分子键合（4）水H2O的分子键合 （5）苯环的分子键合（6）羰基中C、O间的原子键合 2-7.影响离子化合物和共价化合物配位数的因素有那些？ 2-8.试解释表2-3-1中，原子键型与物性的关系？ 2-9.0℃时，水和冰的密度分别是1.0005 g/cm3和0.95g/cm3，如何解释这一现象？ 2-10.当CN=6时，K+离子的半径为0.133nm(a)当CN=4时，半径是多少？(b)CN=8时，半径是多少？ 2-11.(a)利用附录的资料算出一个金原子的质量？(b)每mm3的金有多少个原子？(c)根据金的密度，某颗含有1021个原子的金粒，体积是多少？(d)假设金原子是球形(r Au=0.1441nm),并忽略金原子之间的空隙，则1021个原子占多少体积？(e)这些金原子体积占总体积的多少百分比？ 2-12.一个CaO的立方体晶胞含有4个Ca2+离子和4个O2-离子，每边的边长是0.478nm，则CaO的密度是多少？ 2-13.硬球模式广泛的适用于金属原子和离子，但是为何不适用于分子？ 2-14.计算（a）面心立方金属的原子致密度；（b）面心立方化合物NaCl的离子致密度（离子半径r Na+=0.097，r Cl-=0.181）；（C）由计算结果，可以引出什么结论？
实验六金属的塑性变形与再结晶 （Plastic Deformation and Recrystallization of Metals）实验学时：2 实验类型：综合 前修课程名称：《材料科学导论》 适用专业：材料科学与工程 一、实验目的 1．观察显微镜下变形孪晶与退火孪晶的特征； 2．了解金属经冷加工变形后显微组织及机械性能的变化； 3．讨论冷加工变形度对再结晶后晶粒大小的影响。 二、概述 1．显微镜下的滑移线与变形孪晶 金属受力超过弹性极限后，在金属中将产生塑性变形。金属单晶体变形机理指出，塑性变形的基本方式为：滑移和孪晶两种。 所谓滑移，是晶体在切应力作用下借助于金属薄层沿滑移面相对移动（实质为位错沿滑移面运动）的结果。滑移后在滑移面两侧的晶体位向保持不变。 把抛光的纯铝试样拉伸，试样表面会有变形台阶出现，一组细小的台阶在显微镜下只能观察到一条黑线，即称为滑移带。变形后的显微组织是由许多滑移带（平行的黑线）所组成。
在显微镜下能清楚地看到多晶体变形的特点：① 各晶粒内滑移带的方向不同（因晶粒方位各不相同）；② 各晶粒之间形变程度不均匀，有的晶粒内滑移带多（即变形量大），有的晶粒内滑移带少（即变形量小）；③ 在同一晶粒内，晶粒中心与晶粒边界变形量也不相同，晶粒中心滑移带密，而边界滑移带稀，并可发现在一些变形量大的晶粒内，滑移沿几个系统进行，经常看见双滑移现象（在面心立方晶格情况下很易发现），即两组平行的黑线在晶粒内部交错起来，将晶粒分成许多小块。（注：此类样品制备困难，需要先将样品进行抛光，再进行拉伸，拉伸后立即直接在显微镜下观察；若此时再进行样品的磨光、抛光，滑移带将消失，观察不到。原因是：滑移带是位错滑移现象在金属表面造成的不平整台阶，不是材料内部晶体结构的变化，样品制备过程会造成滑移带的消失。） 另一种变形的方式为孪晶。不易产生滑移的金属，如六方晶系的镉、镁、铍、锌等，或某些金属当其滑移发生困难的时候，在切应力的作用下将发生的另一形式的变形，即晶体的一部分以一定的晶面（孪晶面或双晶面）为对称面，与晶体的另一部分发生对称移动，这种变形方式称为孪晶或双晶。 孪晶的结果是：孪晶面两侧晶体的位向发生变化，呈镜面对称。所以孪晶变形后，由于对光的反射能力不同，在显微镜下能看到较宽的变形痕迹——孪晶带或双晶带。在密排六方结构的锌中，由于其滑移系少，则易以孪晶方式变形，在显微镜下看到变形孪晶呈发亮的竹叶状特征。（注：孪晶是材料内部晶体结构上的变化，样品制备过程不会造成孪晶的消失。） 对体心立方结构的Fe -α，在常温时变形以滑移方式进行；而在0℃以下受冲击载荷时，则以孪晶方式变形；而面心立方结构大多是以滑移方式变形的。 2．变形程度对金属组织和性能的影响
3-3.有两个形状、尺寸均相同的Cu-Ni合金铸件，其中一个铸件的w Ni=90%，另一个铸件的w Ni=50%，铸后自然冷却。问凝固后哪一个铸件的偏析严重？为什么？找出消除偏析的措施。 答： 合金在凝固过程中的偏析与溶质原子的再分配系数有关，再分配系数为k0=Cα/C L。对一给定的合金系，溶质原子再分配系数与合金的成分和原子扩散能力有关。根据Cu-Ni合金相图，在一定成分下凝固，合金溶质原子再分配系数与相图固、液相线之间的水平距成正比。当w Ni=50% 时，液相线与固相线之间的水平距离更大，固相与液相成分差异越大；同时其凝固结晶温度比w Ni=90%的结晶温度低，原子扩散能力降低，所以比偏析越严重。 一般采用在低于固相线100~200℃的温度下，长时间保温的均匀化退火来消除偏析。 3-6.铋（熔点为271.5℃）和锑（熔点为630.7℃）在液态和固态时均能彼此无限互溶，w Bi=50%的合金在520℃时开始凝固出成分为w Sb=87%的固相。w Bi=80%的合金在400℃时开始凝固出成分为w Sb=64%的固相。根据上述条件，要求： 1)绘出Bi-Sb相图，并标出各线和各相区的名称； 2）从相图上确定w Sb=40%合金的开始结晶终了温度，并求出它在400℃时的平衡相成分及其含量。
解：1 ）相图如图所示； 2）从相图读出结晶开始温度和结晶终了温度分别为495℃（左右），350℃（左右） 固、液相成分w Sb(L) =20%, w Sb(S)=64% 固、液相含量： %5.54%10020-6440-64=?=L ω %5.45%100)1(=?-=L S ωω 3-7.根据下列实验数据绘出概略的二元共晶相图：組元A 的熔点为1000℃，組元B 的熔点为700℃；w B =25%的合金在500℃结晶完毕，并由73-1/3%的先共晶α相与26-2/3%的(α+β)共晶体所组成；w B =50%的合金在500℃结晶完毕后，则由40%的先共晶α相与60%的(α+β)共晶体组成，而此合金中的α相总量为50%。 解：由题意由（α+β）共晶含量得 01.03226--25.0?=+）（）（）（αβααωωωB B B 6.0--5.0=+）（）（）（αβααωωωB B B
“材料科学与工程基础”第二章习题 1. 铁的单位晶胞为立方体，晶格常数a=0.287nm ，请由铁的密度算出每个单位晶胞所含的原子数。 ρ铁＝7.8g/cm31mol 铁＝6.022×1023个=55.85g 所以，7.8g/1(cm)3=(55.85/6.022×1023)X/(0.287×10-7)3cm3 X ＝1.99≈2（个） 2.在立方晶系单胞中，请画出： （a ）[100]方向和[211]方向，并求出他们的交角； （b ）（011）晶面和（111）晶面，并求出他们得夹角。 （c ）一平面与晶体两轴的截距a=0.5,b=0.75,并且与z 轴平行,求此晶面的密勒指数。 （a ）[211]和[100]之夹角θ＝arctg 2=35.26。 或 cos θ==35.26θ=o （b ） cos θ==35.26θ=o （c ）a=0.5b=0.75z=∞ 倒数24/30取互质整数（320） 3、请算出能进入fcc 银的填隙位置而不拥挤的最大原子半径。 室温下的原子半径R ＝1.444A 。（见教材177页） 点阵常数a=4.086A 最大间隙半径R’=（a-2R ）/2=0.598A 4、碳在r-Fe （fcc ）中的最大固溶度为2.11﹪(重量百分数),已知碳占据r-Fe 中的八面体间隙,试计算出八面体间隙被C 原子占据的百分数。 在fcc 晶格的铁中，铁原子和八面体间隙比为1：1，铁的原子量为55.85，碳的原子量为12.01 所以（2.11×12.01）/(97.89×55.85)＝0.1002 即碳占据八面体的10％。
5、由纤维和树脂组成的纤维增强复合材料，设纤维直径的尺寸是相同的。请由计算最密堆棒的堆垛因子来确定能放入复合材料的纤维的最大体积分数。 见下图，纤维的最密堆积的圆棒，取一最小的单元，得，单元内包含一个圆（纤维）的面积。 2 0.9064==。 即纤维的最大体积分数为90.64％。 6、假设你发现一种材料，它们密排面以ABAC 重复堆垛。这种发现有意义吗？你能否计算这种新材料的原子堆垛因子? fcc 和hcp 密排面的堆积顺序分别是ABCABC……和ABAB…,如果发现存在ABACABAC……堆积的晶体，那应该是一种新的结构，而堆积因子和fcc 和hcp 一样，为0.74。 7.在FCC 、HCP 和BCC 中最高密度面是哪些面？在这些面上哪些方向是最高密度方向？ 密排面密排方向 FCC{111)}<110> HCP(0001)(1120) BCC{110)}<111> 8.在铁中加入碳形成钢。BCC 结构的铁称铁素体，在912℃以下是稳定的，在这温度以上变成FCC 结构，称之为奥氏体。你预期哪一种结构能溶解更多碳?对你的答案作出解释。 奥氏体比铁素体的溶碳量更大，原因是1、奥氏体为FCC 结构，碳处于八面体间隙中，间隙尺寸大（0.414R ）。而铁素体为BCC 结构，间隙尺寸小，四面体间隙0.291R ，八面体间隙0.225R ；2、FCC 的间隙是对称的，BCC 的间隙是非对称的，非对称的2
实验报告 实验课程：材料科学基础 学生姓名： 学号： 专业班级： 年月日
实验一浇注和凝固条件对铸锭组织的影响 一、实验目的 1. 研究金属注定的正常组织。 2. 讨论浇注和凝固条件对铸锭组织的影响。 3. 初步掌握宏观分析方法。 二、实验内容说明 金属铸锭（件）的组织一般分为三个区域：最外层的细等轴晶区，中间的柱状晶区和心部的粗等轴晶区。最外层的细等轴晶区由于厚度太薄，对铸锭（件）的性能影响不大；铸锭中间柱状晶区和心部的粗等轴晶区在生产上有较重要的意义，因此认为地控制和改变这两个区域的相对厚度，使之有利于实际产品，有很大意义。 铸锭的组织（晶区的数目、相对厚度、晶粒形状的大小等）除与金属材料的性质有关外，还受浇注和凝固条件的影响。因此当给定某种金属材料时，可借变更铸锭的浇注凝固条件来改变三晶区的大小和晶粒的粗细，从而获得不同的性能。 本实验是通过对不同的锭模材料、模壁厚度、模壁温度、浇注温度及用变质处理和振动等方法浇注成的铝锭的宏观组织的观察，对铸锭的组织形成和影响因素进行初步的探讨，并对金属研究中经常要采用的宏观分析方法进行一次初步的实践。 本实验用以观察的铸锭样品浇注和凝固条件如后表： 三、实验步骤 1. 教师介绍金属宏观分析方法，讲解各样品浇注和凝固条件。 2. 学员轮流观察各种样品，结合已知的浇注和凝固条件分析各样品宏观组织的形成过程。 3. 描述所观察到的各样品的宏观组织。 四、实验报告要求 1. 叙述浇注正常组织的形成过程。 2. 逐一描绘各试样的宏观组织图，分析浇注和凝固条件对铸锭（件）组织的影响。 五、思考题 1. 简述宏观组织的特点及分析方法。
材料科学与工程基础”考试试题–英文原版教材班 （注：第1、2、3题为必做题；第4、5、6、7题为选择题，必须二选一。共100分） 1. Glossary (2 points for each) 1) crystal structure: The arrangement of the atoms in a material into a repeatable lattice. 2) basis (or motif): A group of atoms associated with a lattice. 3) packing fractor: The fraction of space in a unit cell occupied by atoms. 4) slip system: The combination of the slip plane and the slip direction. 5) critical size: The minimum size that must be formed by atoms clustering together in the liquid before the solid particle is stable and begins to grow. 6) homogeneous nucleation: Formation of a critically sized solid from the liquid by the clustering together of a large number of atoms at a high undercooling (without an external interface). 7) coherent precipitate:A precipitate whose crystal structure and atomic arrangement have a continuous relationship with matrix from which precipitate is formed. 8) precipitation hardening: A strengthening mechanism that relies on a sequence of solid state phase transformations in a dispersion of ultrafine precipitates of a 2nd phase. This is same as age hardening. It is a form of dispersion strengthening. 9) diffusion coefficient: A temperature-dependent coefficient related to the rate at which atom, ion, or other species diffusion. The DC depends on temperature, the composition and microstructure of the host material and also concentration of the diffusion species. 10) uphill diffusion: A diffusion process in which species move from regions of lower concentration to that of higher concentration. 2. Determine the indices for the planes in the cubic unit cell shown in Figure 1. (5 points)
材工《材料科学基础》实验指导书湖北工业大学材料科学与工程学院 2013.3
实验1 淬冷法研究相平衡 目的意义 在实际生产过程中，材料的烧成温度范围、升降温制度，材料的热处理等工艺参数的确定经常要用到专业相图。相图的制作是一项十分严谨且非常耗时的工作。淬冷法是静态条件下研究系统状态图（相图）最常用且最准确的方法之一。掌握该方法对材料工艺过程的管理及新材料的开发非常有用。 本实验的目的： 1.从热力学角度建立系统状态（物系中相的数目，相的组成及相的含量）和热力学条件（温度，压力，时间等）以及动力学条件（冷却速率等）之间的关系。 2.掌握静态法研究相平衡的实验方法之一──淬冷法研究相平衡的实验方法及其优缺点。 3.掌握浸油试片的制作方法及显微镜的使用，验证Na2O —SiO2系统相图。 基本原理 从热力学角度来看，任何物系都有其稳定存在的热力学条件，当外界条件发生变化时，物系的状态也随之发生变化。这种变化能否发生以及能否达到对应条件下的平衡结构状态，取决于物系的结构调整速率和加热或冷却速率以及保温时间的长短。 淬冷法的主要原理是将选定的不同组成的试样长时间地在一系列预定的温度下加热保温，使它们达到对应温度下的平衡结构状态，然后迅速冷却试样，由于相变来不及进行，冷却后的试样保持了高温下的平衡结构状态。用显微镜或X-射线物相分析，就可以确定物系相的数目、组成及含量随淬冷温度而改变的关系。将测试结果记入相图中相应点的位置，就可绘制出相图。 由于绝大多数硅酸盐熔融物粘度高，结晶慢，系统很难达到平衡。采用动态方法误差较大，因此，常采用淬冷法来研究高粘度系统的相平衡。 淬冷法是用同一组成的试样在不同温度下进行试验。样品的均匀性对试验结果的准确性影响较大。将试样装入铂金装料斗中，在淬火炉内保持恒定的温度，当达到平衡后把试样以尽可能快的速度投入低温液体中（水浴，油浴或汞浴），以保持高温时的平衡结构状态，再在室温下用显微镜进行观察。若淬冷样品中全为各向同性的玻璃相，则可以断定物系原来所处的温度（T1）在液相线以上。若在温度（T2）时，淬冷样品中既有玻璃相又有晶相，则液相线温度就处于T1和T2之间。若淬冷样品全为晶相，则物系原来所处的温度（T3）在固相线以下。改变温度与组成，就可以准确地作出相图。 淬冷法测定相变温度的准确度相当高，但必须经过一系列的试验，先由温度间隔范围较宽作起，然后逐渐缩小温度间隔，从而得到精确的结果。除了同一组成的物质在不同温度下的试验外，还要以不同组成的物质在不同温度下反复进行试验，因此，测试工作量相当大。实验器材 1．相平衡测试仪 实验设备包括高温炉、温度控制器、铂装料斗及其熔断装置等，如图1-1所示。 熔断装置为把铂装料斗挂在一细铜丝上，铜丝接在连着电插头的个两铁钩之间，欲淬冷时，将电插头接触电源，使发生短路的铜丝熔断，样品掉入水浴中淬冷。 2．偏光显微镜一套，如图1-2所示。
《材料科学与工程基础》 课程讲授要点 3-5 复合材料组成与结构（45分钟，1学时） 3-5-1 复合材料的定义及分类 定义：组成、结构、制备、性能四方面特征 分类：重点介绍现代复合材料体系 3-5-2 复合材料的组成及特性 组成：基体、增强体（或功能体）、界面相 PMC、MMC、CMC、C/C及无机胶凝复合材料的基本组成 特性：一般特性和性能特点 3-5-3 复合材料的结构 常见结构、典型结构、“连通性”概念 3-5-4 复合材料的界面 界面的形成过程：三个阶段、界面的相互置换 界面结构及性能特点：相当体积分数的界面相、“梯度”性能、界面缺陷、残余应力界面相的功用：力的传递、力的分配、破坏过程中应力的再分配组合力学性能和复合 效应产生的根源所在。 界面破坏机制：5种基本破坏形式、组合破坏机制 界面理论：5种基本界面理论、界面设计与控制的概念 界面处理：玻纤、碳纤、有机纤维的一般表面处理方法、偶联剂处理的作用机理 4-1 复合材料的性能（90分钟、2学时） 4-7-1 复合材料性质的复合效应 1. 复合材料各组元（相）不同功用：基体、增强体、功能体、界面相 2. 复合效应 混合效应（组分效应）：适合于材料固有性质，对材料界面、缺陷、结构局部挠动 等不敏感，表现为各种形式的混合律。 混合律公式：材料性能取决于材料组成（体积分数或重量 分数） 协同效应：包括界面效应、尺寸效应、量子尺寸效应、乘积效应、系统效应、混杂效应、诱导效应等。适合于材料的传递性质（力、声、光、电、磁）不 仅取决于材料的组成，更取决于材料的结构、界面性质、缺陷局部挠动、 工艺因素等，复合材料的本质特征
材料科学基础大作业——第3章凝固 2015年 月 日 班级： 姓名： 学号： 分数： 一、解释下列概念及术语： 1、结晶 2、过冷度 3、相起伏 4、均匀形核 5、晶粒度 6、形核率 7、形核功 8、枝晶偏析 9、成分过冷 10、临界形核半径 二、填空题 1. 过冷度的大小与金属的本性、纯度和冷却速度有关。金属不同，过冷度大小 同；金属的纯度越高，过冷度越 ；金属及其纯度确定后，过冷度大小主要取决于冷却速度，冷却速度越大，过冷度越 。 2. 金属和非金属，在结晶时均遵循相同的规律，即结晶过程是 和 的过程。 3. 根据热力学条件，金属发生结晶的驱动力为液态金属和固相金属的 之差。此差值与过冷度呈 比。 4.液态金属的晶胚能否形成晶核，主要取决于晶胚半径是否达到了临界形核半径的要求。此半径与过冷度呈 比。 5. 均匀形核时，过冷度△T 和理论结晶温度T m 之间的关系为 。形核功△G k 与过冷度△T 的平方呈 比，即过冷度越大，形核功越 。 6. 形核率可用12N N N ? =表示，其中N 1为受 影响的形核率因子，N 2为受 影响的形核率因子。 7. 工业生产中，液态金属的结晶总是以 形核方式进行，其所需过冷度一般不超过 ℃。 8. 决定晶体长大方式和长大速度的主要因素是晶核的 和其前沿液体中的 。 9. 光滑界面又称为 界面，粗糙界面又称为 界面，其杰克逊因子α值范围分别为 和 。 10.晶体长大方式主要为 长大机制、 长大机制和 长大机制。其中，大部分金属均以 长大机制进行。 11.在正的温度梯度下，光滑界面的界面形态呈 状；粗糙界面的界面形态为 界面。在负的温度梯度下，一般金属和半金属的界面都呈 状。杰克逊因子α值较高的物质保持 界面形态。 12、金属结晶后晶粒内部的成分不均匀现象叫 ；因初晶相与剩余液相比重不同而造成的偏析叫 。 三、判断题
实验八晶体结晶过程观察及凝固条件对 铸锭组织的影响 （Observation of the crystallization process of crystalloid and the impact of solidification conditions on ingot structure） 实验学时：2 实验类型：操作 前修课程名称：《材料科学导论》 适用专业：材料科学与工程 一、实验目的 ⒈观察盐类的结晶过程： ⒉分析凝固条件对铸锭组织的影响。 二、概述 盐和金属均为晶体。由液态凝固形成晶体的过程叫结晶。不论盐的结晶，金属的结晶以及金属在固态下的重结晶都遵循生核和长大的规律。结晶的长大过程可以观察到，可是晶核的大小不能用肉眼看到，因为临界晶核的尺寸很小，而在试验中只能见到正在长大的晶粒，此刻已经不再是临界尺寸的晶核。金属和盐类晶体最常见到的是树枝状晶体。通过直接观察透明盐类（如氯化铵等）的结晶过程可以了解树枝状晶体（枝晶）的形成过程。 在玻璃片上滴上一滴接近饱和的氯化铵溶液，观察它的结晶过程。随着液体的蒸发，溶液逐渐变浓，达到饱和，由于液滴边缘最薄，因此蒸发最快，结晶过程将从边缘开始向内扩展。 结晶的第一阶段是在最外层形成一圈细小的等轴晶体，结晶的第二阶段是形成较为粗大的柱状晶体，其成长的方向是伸向液滴的中心，这是由于此时液滴的蒸发已比较慢，而且液滴的饱和顺序也是由外向里，最外层的细小等轴晶只有少数的位向有利于向中心生长，因此形成了比较粗大的、带有方向性的柱状晶。结晶的第三阶段是在液滴的中心部分形成不同位向的等轴枝晶。这是由于液滴的中心此时也变的较薄，蒸发也较快，同时溶液的补给也不足，因此可以看到明显的枝晶组织。
中国海洋大学本科生课程大纲 课程属性：公共基础/通识教育/学科基础/专业知识/工作技能，课程性质：必修、选修 一、课程介绍 1.课程描述（中英文）： 《材料科学与工程基础》是材料类专业学生的一门主干课程，也是高分子专业的学科基础课。通过讲课、课堂讨论和课外实践等各个教学环节，将金属学、陶瓷学和高分子化学的基础理论融合为一体，以研究材料共性规律，即研究材料的成分、组织结构、制备工艺和性能之间的相互关系，指导材料的设计和应用，并为学习后继专业课程、从事材料科学研究和工程技术工作打下坚实的理论基础。同时，讲授过程中通过穿插课程思政内容，培养学生的家国情怀和务实的科研精神。 《Fundamentals of materials science and Engineering》is a main course for students majoring in materials and a basic course for polymer specialty. Through lectures, classroom discussions and extracurricular practice, the basic theories of metallurogy, ceramics and polymer chemistry are integrated into one to study the common laws of materials, that is, to study the relationship between the composition, structure, preparation process and properties of materials, guide the design and application of materials, and engage in material science Research for learning subsequent professional courses and engineering technology work to - 1 -
《材料科学基础》课后习题答案 第一章材料结构的基本知识 4. 简述一次键和二次键区别 答：根据结合力的强弱可把结合键分成一次键和二次键两大类。其中一次键的结合力较强，包括离子键、共价键和金属键。一次键的三种结合方式都是依靠外壳层电子转移或共享以形成稳定的电子壳层，从而使原子间相互结合起来。二次键的结合力较弱，包括范德瓦耳斯键和氢键。二次键是一种在原子和分子之间，由诱导或永久电偶相互作用而产生的一种副键。 6. 为什么金属键结合的固体材料的密度比离子键或共价键固体为高？ 答：材料的密度与结合键类型有关。一般金属键结合的固体材料的高密度有两个原因：（1）金属元素有较高的相对原子质量；（2）金属键的结合方式没有方向性，因此金属原子总是趋于密集排列。相反，对于离子键或共价键结合的材料，原子排列不可能很致密。共价键结合时，相邻原子的个数要受到共价键数目的限制；离子键结合时，则要满足正、负离子间电荷平衡的要求，它们的相邻原子数都不如金属多，因此离子键或共价键结合的材料密度较低。 9. 什么是单相组织？什么是两相组织？以它们为例说明显微组织的含义以及显微组织对性能的影响。 答：单相组织，顾名思义是具有单一相的组织。即所有晶粒的化学组成相同，晶体结构也相同。两相组织是指具有两相的组织。单相组织特征的主要有晶粒尺寸及形状。晶粒尺寸对材料性能有重要的影响，细化晶粒可以明显地提高材料的强度，改善材料的塑性和韧性。单相组织中，根据各方向生长条件的不同，会生成等轴晶和柱状晶。等轴晶的材料各方向上性能接近，而柱状晶则在各个方向上表现出性能的差异。对于两相组织，如果两个相的晶粒尺度相当，两者均匀地交替分布，此时合金的力学性能取决于两个相或者两种相或两种组织组成物的相对量及各自的性能。如果两个相的晶粒尺度相差甚远，其中尺寸较细的相以球状、点状、片状或针状等形态弥散地分布于另一相晶粒的基体内。如果弥散相的硬度明显高于基体相，则将显著提高材料的强度，同时降低材料的塑韧性。 10. 说明结构转变的热力学条件与动力学条件的意义，说明稳态结构和亚稳态结构之间的关系。 答：同一种材料在不同条件下可以得到不同的结构，其中能量最低的结构称为稳态结构或平衡太结构，而能量相对较高的结构则称为亚稳态结构。所谓的热力学条件是指结构形成时必须沿着能量降低的方向进行，或者说结构转变必须存在一个推动力，过程才能自发进行。热力学条件只预言了过程的可能性，至于过程是否真正实现，还需要考虑动力学条件，即反应速度。动力学条件的实质是考虑阻力。材料最终得到什么结构取决于何者起支配作用。如果热力学推动力起支配作用，则阻力并不大，材料最终得到稳态结构。从原则上讲，亚稳态结构有可能向稳态结构转变，以达到能量的最低状态，但这一转变必须在原子有足够活动能力的前提下才能够实现，而常温下的这种转变很难进行，因此亚稳态结构仍可以保持相对稳定。 第二章材料中的晶体结构 1. 回答下列问题： （1）在立方晶系的晶胞内画出具有下列密勒指数的晶面和晶向： 32）与[236] （001）与[210]，（111）与[112]，（110）与[111]，（132）与[123]，（2 （2）在立方晶系的一个晶胞中画出（111）和（112）晶面，并写出两晶面交线的晶向指数。 解：（1）
实验一差热分析 一．实验目的 1．了解差热分析的基本原理及仪器装置； 2．学习使用差热分析方法鉴定未知矿物及分析被测试样的结构变化等相关信息。二．基本原理 差热分析(DTA，differential thermal analysis)的基本原理是：在程序控制温度下；将试样与参比物质在相同条件下加热或冷却，测量试样与参比物之间的温差与温度的关系，从而给出材料结构变化的相关信息。 自然界的大多数矿物在加热和冷却过程中均有热效应产生。产生热效应的原因是由于物系中某种晶体发生晶型转变、或者分解、脱水、熔化、析晶等物理化学变化，从而会产生吸热或放热效应。差热分析就是通过精确测定物质加热(或冷却)过程中伴随物理化学变化的同时产生热效应的大小以及产生热效应时所对应的温度，来达到对物质进行定性或定量分析的目的。 差热分析是把试样与参比物质(参比物质在整个实验温度范围内不应该有任何热效应，其导热系数，比热等物理参数尽可能与试样相同，亦称惰性物质或标准物质或中性物质)置于差热电偶的热端所对应的两个样品座内，在同一温度场中加热。当试样加热过程中产生吸热或放热效应时，试样的温度就会低于或高于参比物质的温度，差热电偶的冷端就会输出相应的差热电势。如果试样加热过程这中无热效应产生，则差热电势为零。通过检测差热电势的正负，就可推知是吸热或放热效应。在与参比物质对应的热电偶的冷端连接上温度指示装置，就可检测出物质发生物理化学变化时所对应的温度． 不同的物质，产生热效应的温度范围不同，差热曲线的形状亦不相同(如图1-1所示)。把试样的差热曲线与相同实验条件下的已知物质的差热曲线作比较，就可以定性地确定试洋的矿物组成。差热曲线的峰(谷)面积的大小与热效应的大小相对应，根据热效应的大小，可对试样作定量估计。 图1-1 差热分析曲线 三．差热分析仪与药品 （一）差热分析仪 1．仪器组成： 差热分析仪主要由加热炉，试样支撑-测量系统（它主要包括差热电偶、试样容器、均热