材料科学研究的部分名词解释.docx

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材料科学研究的部分名词解释

一、名词解释

【材料科学与工程学科定义】材料科学与工程学科以数学、力学及物理、化学等自然科学为基础，以工程学科为服务和支撑对象，是一个理工结合、多学科交叉的新兴学科，其研究领域涉及自然科学、应用科学和工程科学。

【材料】材料是具有一定性能，可以用来制作器件、构件、工具、装置等物品的物质；材料是人类用以做成有用东西的物质

【移植法】将某学科的原理、方法或技术用于研究分支科学或其它学科技术领域的理论、技术或方法问题。

它是通过横向、纵向联想和类比等方法进行的。

所以和类比、联想法有密切联系或相似。

【原型启发法】对自然现象进行观察、探索受到启发来进行科学研究和创造发明的。

启发是从其他失误、现象中得到启示后，找出解决某一问题的途径。

起启发作用的事物称为原型

【散耗结构】指从环境输入能量或（和）物质，使系统转变为新型的有序状态，即这种形态依靠不断地耗散能量或（和）物质来维持。

一个远离平衡的开放系统，在不断与外界交换物质和能量的过程中，自动从无序状态转化而形成的有序结构－非平衡有序结构。

【蠕变】指金属在恒定应力作用下，随着时间的延长发生的缓慢而持续的形变（非弹性变形inelasticdeformation）。

某一温度和应力下蠕变性能合格的指标：

100h和低于0.1%。

【超塑性】材料在特定的组织状态（如超细晶或复合材料），在一定温度和形变速率下表现出极高塑性的现象。

衡量超塑性高低的指标：

塑性高（100%或以上），温度越低或形变速率越高。

【仿生学】从材料的观点研究生物材料的结构和功能特点，并用以设计和制造先进复合材料，是当前国际上一大热点

【材料设计】材料设计是依据积累的实验规律和总结的科学原理制备预先确定目标性能材料的科学。

【多尺度材料模型】一般是由连续介质和介观层次、微观层次及原子层次材料模型组成。

即连续介质和介观层次（模型直径大于10-4m）微观层次（大约10-6m～10-4m）及原子层次（约10-10m～10-6m）材料模型。

【材料设计专家系统】具有相当数量的各种背景知识，并能运用这些知识解决材料设计中有关问题的计算机程序系统

【有限元法】将结构物质看成是由有限个划分的单元组成的整体，以单元结点的位移或结点力作为基本未知量求解。

【物理模型】对具有相同物理本质特征事物的抽象。

在工程技术中，就是利用物理模型模拟实际系统的行为和过程的方法。

【数值模拟】数值模拟是以实际系统和模型之间数学方程式的相似性为基础的。

【分子动力学方法】一种确定性方法，跟踪每个粒子的运动。

求解所有粒子的运动方程，模拟原子的路径相关的基本过程。

二、简答

1.按化学成分（或基本组成）分类：

金属材料（MetallicMaterials）:

钢铁、铝、铜、钛合金陶瓷材料（Ceramics）：

AlO、SiC、SiN、SiO、TiN或无机非金属材料（InorganicMaterials）高分子材料（HighPolymers）：

纤维、蛋白质、聚乙烯、聚乙烯Matel-Matrix复合材料（Composites）：

CompositesPolymer

书P4

2.两个阶段古代：

古代世界材料的发展中心在中国近现代：

工业革命即19世纪中古代：

旧石器时代（大约250万年前）：

使用天然材料——木棒、石块

新石器时代（1万年前）：

主要标志是大量磨光石器及陶器的出现。

陶是人类第一个人工合成材料。

青铜器时代（公元前5000～1200年）：

青铜——铜锡合金，是人类历史上出现的第一个合金。

铁器时代（公元前1200年）那时的铁器是用天然陨铁敲打而成，后来发明了炼铁技术，公元前1200年左右，铁器逐渐取代了铜器。

逐步取代铜器）

近代：

P8第一次技术革命…第二次…第三次…第四次…

多样化时代微芯片时代材料设计时代

3.书P8第一次技术革命…第二次…第三次…第四次…

4.书P24书P31

5.P19中间复合化，整体化，集成化，一体化，智能化、敏捷化，仿生化，多元化、个性化，优选化、创新化，环境意识化、生态化，多学科渗透综合化、大学科化。

下面论述题1中有提到，可以参考。

6.

（1）各类材料逐步趋向统一

（2）材料的发展和应用是系统工程

7.书P37.举例：

归纳法：

钟声在空气中响能听到，在真空中听不到→声音是在空气中传播的。

8.移植法：

①技术移植创新法。

②原理移植创新法；③方法移植创新法；④综合移植创新法。

9.可分与穷尽，转变与守恒，树木与森林，表象与真实和量变与质变。

10.书P59

11.根据服役条件确定性能要求、依据知识选择材料、设计相应工艺确定工艺参数、检测组织测试性能、达到设计要求进行实际试验、根据失效分析改进技术方案、研究与创新、新材料研究在本质上就是新的宏观与微观结构的研究与开发

12.自己总结！

！

！

我们每个人都有使用铅笔的经历，但几乎没有人意识到当我们用铅笔在纸上留下字迹的同时也不知不觉地制造出了很有可能在不久的将来改变人类生活的新材料。

有科学家在20世纪40年代就对类似石墨烯的结构进行过理论研究，但制取单层石墨烯的努力一直没有成功。

但海姆和诺沃肖洛夫没有放弃，他们不断地试验，研究分析，最后用普通胶带完成了他们“魔术”般的发现。

他们用胶带从石墨上沾下薄片，这样的薄片仍然包含许多层石墨烯。

但反复沾上十到二十次，薄片就变得越来越薄，最终产生一些单层石墨烯。

这个看上去非常简单、一点儿也不高科技的方法，并不是他们的首创。

在此之前就有人试过，但没能辨识出单层石墨烯。

海姆和诺沃肖洛夫把剥离下来的薄片放在氧化硅基板上，光的干涉效应使薄片在显微镜下呈现彩色条纹，就像油膜在水面上产生的效果。

利用这种效应，他们观察到了单层石墨烯。

就这样，第一种二维晶体材料正式出现了。

这两位物理学家的成功，源于他们在这一领域付出的巨大努力，这无可置疑。

但从前面所述的研究过程，我们可以发现，早在上世纪40年代就有科学家对类似石墨烯的结构进行过研究，用胶带从石墨上沾下薄片的方法之前也有人试过，但他们都没有坚持下去。

没有完成最后的发现。

只有海姆和诺沃肖洛夫一直没有放弃努力，不断探索研究，最终取得成功。

他们只不过比别人多走了一步，多坚持了一下，就走到了成功的彼岸。

这就像我们挖井一样，浅尝辄止，挖多少洞也见不到水，向深处再掘进一步，就有可能看到新鲜的井水。

让我们在工作学习中，发扬他们的科学精神，在各自的岗位上付出艰辛的努力，坚持下去，不轻言放弃，发现属于自己的“石墨烯”。

13.书P81

14．书P118下

15.书P121——124，举例;从数量冶金学角度进行设计:

新型铝合金用于F-16改进型战斗机

16.书P125

17.特别适用于内应力、热应力及残余应力等分析。

研究梯度功能材料（FGM）中的热应力。

在材料加工过程中得到了广泛应用。

当网格高度畸变时，有限元方法有着一定的局限性。

18.书P154

19.特点：

（1）在特殊情况下，物理模拟意义大。

（2）利用物理特性相似模拟。

重大工程→首先建造出物理模型进行物理模拟，（3）可建立整体系统的物理模型；复杂系统可分别对子系统进行模拟试验。

（4）要进行物理模拟试验与分析。

应用：

P156-158三条

20.书P166

21.数值模拟与物理模拟具有不同的特点和应用，两者具有互补性，物理模拟是数值模拟的基础，数值模拟是物理模拟的归宿，两者结合，才能有效地解决工程复杂问题。

22.在材料科学：

界面、位错、裂纹、界面偏析、亚晶等问题的研究。

纳米材料研究应用：

模拟晶格畸变、晶体生长、弹性模量、应力-应变关系、高温形变行为、扩散、烧结等，都取得了比较满意的结果。

材料包括：

纳米纯金属（如Cu、Ni等）及其合金、Si等非金属和陶瓷等材料

三．论述

1.现代科学发展的规律是从细分化走向综合。

现代科学技术的发展史

现代科学技术以其发展的高速性、应用的综合性、对社会各方面的渗透性、以及对社会影响的深刻性迅猛发展，以巨大的力量推动着人类社会的文明进程。

（1）现代科学技术发展的高速性

在科学技术如此飞速发展的时代，一个发展中国家拉大同发达国家之间的差距比缩小差距，容易得多。

如果说在18世纪、19世纪，一个国家还可以在短时间内赶上或超过别的国家的话，那么现在几乎是不可能了，而且稍不留意，差距就会越拉越大。

（2）现代科学技术应用的综合性

现代科学技术一方面在研究上学科和专业越分越细，另一方面在应用上又越来越综合，出现综合应用、集成发展的趋势。

　　当前，与人类有密切关系的五大科学前沿和六大高技术领域都在不断的深化和迅速发展。

同18世纪、19世纪不同的是，不是单项发展，而是相互渗透，综合发展。

不仅科学和技术的关系越来越密切，科学的各学科之间、技术的各领域之间的联系也越来越紧密，相互渗透，相互交叉，综合发展。

这就要求一个国家，特别是我们这样的大国不但要具有某些单项的技术优势，更要具有综合技术或技术集成化的能力。

对于科技工作者而言，也是如此。

较宽广的知识面和综合应用能力已成为创新的关键。

（3）当代科学技术对社会各个层面的渗透性　

在现代，一项新的科学发现，或者一项新的技术发明，一旦产生便很快渗透到人类社会的各个方面，广泛影响着人类的经济、政治、文化、教育等各个领域。

在政治民主化、经济市场化、文化多元化的今天，社会对科学和技术有着强有力的吸纳能力和转化能力。

而科学技术，对于人类社会更有巨大的渗透力和影响力。

彼此相互作用加快了科学和技术发展的速度，同时也促进了社会发展的进程。

（4）当代科学技术对社会影响的深刻性

现代科学技术不仅决定着人类经济和社会发展的速度，而且深刻地影响了人类社会发展的方向，使得人类经济增长方式发生了质的变化；使得人类经济更加繁荣，政治更加民主，社会更加理性；使得人类文化的内容和形式都发生了深刻的变化，等等。

　　总之，当今世界，技术，正在出现新的突破（数字化信息革命）；经济，正在发生新的革命（从工业经济转向知识经济）；社会，正在发生新的转型（从工业社会转向知识社会）。

在世纪之交，我们国家面临经济上“人世”（即世界贸易组织），技术上“入网”（进人世界互联网络）的两大机遇和挑战。

　　人世，要求我们经济进一步市场化；入网，则要求我们加快民主政治建设的进程。

因此，只有加速改革，扩大开放，我们才能更好地迎接21世纪--我们中华民族的未来，实现“中华民族的伟大复兴”。

20世纪科学技术的几项重大成就

1、一种技术：

计算机技术

2、两个理论：

相对论与量子论

3、三项突破：

核能利用，空间科学，基因序列

4、四个模型：

夸克模型，宇宙大爆炸模型，地球板块模型，DNA双螺旋结构模型

现代科学技术的发展趋势

1、一个升起：

纳米技术

物质或物体在纳米级的情况下，其物理性质会发生很大的变化。

1996年诺贝尔化学奖被一组研究纳米管的科学家获得，他们研究出的纳米管的强度远远大于较非纳米管的强度，由此可见，对纳米技术进行研究具有十分重要的理论意义与应用价值。

纳米技术的研究与发展将有可能产生一次新的工业革命。

2、两大问题：

资源问题，环境问题

3、三个可开发的领域：

陆地，海洋和宇宙空间

陆地是人类获得最早开发的领域，除陆地外，可开发的领域还有海洋和宇宙空间，目前海洋和宇宙空间还没有获得很好的开发，进军海洋和宇宙空间是21世纪的重要任务。

4、四大支柱产业：

信息产业，制造产业，新材料产业，生物工程产业

信息产业：

信息技术是用于信息的获取、处理、传输、储存等有关技术，其中包括多媒体技术、网络技术、光导纤维技术、集成电路技术和传感器技术等，至0世纪末信息产业的产值已占各种产业的总和的20%，信息产业任将是21世纪全球经济中规模最宏大，最具活力的产业，21世纪也将是信息革命的时代，信息科技将是最活跃，发展最迅速，影响组广泛和深刻的科技领域。

新材料产业：

先进材料是发展高技术产业的物质基础，21世纪的材料科技发展重点是研究具有功能化、复合化、智能化、微型化的材料，最活跃的材料将是信息功能材料、纳米材料、生物材料、节能材料以及高比强度、比刚度、耐高温、耐磨、耐蚀和其他在极端恶劣条件下的具有良好性能的结构材料。

轻质材料、高强度材料、新型复合材料、新的晶体材料等，将在21世纪得到进一步的开发和广泛的应用。

、随着纳米技术的出现，给新材料产业开辟了一个新的广宽的空间，并有可能产生一次新的产业革命。

材料发展史书上P6～

1．使用纯天然材料的初级阶段

2．人类单纯利用火制造材料的阶段

3．利用物理与化学原理合成材料的阶段

4．材料的复合化阶段

5．材料的智能化阶段

在20世纪中，材料经历了五个发展阶段中的三个阶段，这种发展速度是前所未有的。

总的说来，本世纪材料科学的发展有以下几个特点:

超纯化（从天然材料到合成材料）、量子化（从宏观控制到微观和介质控制）、复合化（从单一到复合）及可设计化（从经验到理论）。

当前，高技术新材料的发展日新月异，材料科学的内涵也日益丰富，21世纪会出现什么样的高技术材料，材料科学又将发展到何种程度，我们很难预料。

2.仿生学：

涵盖生物电子学、生物传感器、生物仿真材料、生物物理学、生物电机和生物大分子的自装配等的一门交叉学科。

主要是研究和建立一类人工系统，使之具有生命系统的某些特性。

举例：

蜘蛛丝拉力转移的特性，替代某些纤维织物。

蜘蛛毒素分析，利用仿生学原理，制造出高效、多功能新型杀虫剂。

3．纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围（1-100nm）或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10~100个原子紧密排列在一起的尺度。

纳米材料大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体等四类。

其中纳米粉末开发时间最长、技术最为成熟，是生产其他三类产品的基础。

纳米材料用途：

医药、家电、电子计算机和电子工业、环境保护、纺织工业、机械工业

应用前景：

纳米技术的应用研究正在半导体芯片、癌症诊断、光学新材料和生物分子追踪4大领域高速发展。

可以预测：

不久的将来纳米金属氧化物半导体场效应管、平面显示用发光纳米粒子与纳米复合物、纳米光子晶体将应运而生；用于集成电路的单电子晶体管、记忆及逻辑元件、分子化学组装计算机将投入应用；分子、原子簇的控制和自组装、量子逻辑器件、分子电子器件、纳米机器人、集成生物化学传感器等将被研究制造出来。

　　纳米技术目前从整体上看虽然仍然处于实验研究和小规模生产阶段，但从历史的角度看：

上世纪70年代重视微米科技的国家如今都已成为发达国家。

当今重视发展纳米技术的国家很可能在21世纪成为先进国家。

纳米技术对我们既是严峻的挑战，又是难得的机遇。

必须加倍重视纳米技术和纳米基础理论的研究，为我国在21世纪实现经济腾飞奠定坚实的基础。

整个人类社会将因纳米技术的发展和商业化而产生根本性的变革。

4.

（1）材料的结构决定了材料的加工过程、工艺设计；

（2）同时过程的合理性又影响了材料的能量；（3）而自发过程总是沿着能量降低的方向进行的，材料总是有趋向最低能量的趋势，因而能量影响材料的结构稳定性；（4）这三者共同作用决定了材料的性能好坏。

5．书P24-35

共同效应：

1、分割效应分割大小等对基体性能有影响；

2、不连续效应在界面处各种性质不连续；

3功能效应界面处材料的透光性、隔音性等不同；

4、感应效应对外界条件反应不同,如热膨胀性等.

二、材料的表面效应

表面原子、分子或离子具有未饱和键和结构不对称从而具有很高的反应活性

和表面能，且具有强烈↓表面能趋势

三、材料的复合效应主要有线性效应和非线性效应

四、材料的形状记忆效应具有形状记忆效应的材料称为形状记忆材料。

可逆马氏体相变原理

五、材料的动态效应

材料的失效大都是由量变到质变的动态过程。

共同特征：

1晶体学结构规律不同结合键的材料具有不同的性能。

2材料缺陷与断裂强度陶瓷的实际晶体中也存在着各种缺陷，位错

对形变、强度、结晶等过程都有影响。

3材料的相变原理三大材料中都存在同素异构转变、脱溶分解、

马氏体相变、有序-无序等固态相变。

4材料的形变与断裂规律三大材料在外力作用下都会发生弹、塑性变形和断裂，力学性能测试技术相同，具有相似规律，但也有不同之处。

5材料的强韧化原理陶瓷和金属材料中，主要的强化机制有：

固

溶强化、细晶强化、第二相强化金属还有位错;强化，陶瓷有相变增韧。

举例说明位错对金属材料或陶瓷材料形变、强度或结晶等过程的影响规律。

位错得存在，对金属的材料的性能，扩散及相变等过程有着喜欢那个要的影响。

如果金属中不含位错，那么它将有极高的强度，目前采取一些特殊的方法已经能制造出就不含位错的结构完整的小晶体直径约为0.05到2微米长度为2到10微米的晶须，其变形抗力很高。

例如，铁晶须，其抗拉强度竟高达13400mpa，而工业应用的退火纯铁，抗拉低于300，相差40倍，不含位错的晶须，不易塑性变形因而强度很高，工业纯铁中有位错，易于塑性变形，所以强度很低

6.由于多晶体中的晶界的变形抗力较大，且每个晶粒的变形都要受到周围晶粒的牵制，故多晶体的室温强度总是随着晶粒的细化（即晶界总面积的增加）而提高。

多晶体屈服强度σs与晶粒平均直径d之间的关系可用霍尔-佩奇公式描述：

os=σ0+kd-1/2式中σ0、k——与晶体类型有关的常数。

Hall-Petch效应并不符合纳米晶体材料。

如晶粒<50nm的铜，总伸长率仅为1~4%，晶粒尺寸为110nm的铜，其总伸长率为8%。

完全突破了传统的理论。

霍尔—佩奇（Hall-Petch）公式指出了多晶体材料的强度与其晶粒尺寸之间的关系，晶粒越细小则强度越高。

但通常的材料制备方法至多只能获得细小到微米级的晶粒，霍尔—佩奇公式的验证也只是到此范围。

如果晶粒更为微小时，材料的性能将如何变化？

7．材料科学论述题第七题参考实例

聚氯乙烯（PVC）是世界五大通用树脂之一,其制品具有软硬度易调控、力学性能高、耐腐蚀、电绝缘性好、透明性高等特点。

但由于PVC结构中存在着不稳定的内在缺陷,在加工成型时容易降解,致使制品的颜色加深、物理性能下降、直至丧失使用价值。

过渡金属氮化物由于具有优良的力学、光学和磁学性能,可用作抗腐蚀材料、光学保护层材料以及光电子行业中的电极材料,但由于结构的不稳定性但通常情况下金属Pt很难与氮元素形成氮化物.

氨基树脂是一类具有广泛应用的高分子材料[1],其中由尿素和甲醛合成的脲醛树脂（Urea-forma-ldehyde,UF）水溶液,由于其价格低廉和制作简便,脲醛树脂中未反应的甲醛和微观结构的不合理性.造成了结构的不稳定性

超弹性材料是一类性能独特，不可替代且有广泛的工程应用的高分子材料，然而表面的不稳定性会引起材料和结构的破损

8．“材料科学与工程”的任务是研究材料的结构.性能.加工和使用状况四者间的关系。

四要素模型是指材料的合成/制备，结构/成分，性质与效能组成四面体，材料的成分、工艺、组织结构、性能是密切相关的。

其中，结构/成分是关键，组织结构决定了材料的使用性能，而成分、工艺两者配合又决定了组织结构。

五要素模型是指成分、合成制备、组织结构、性质和效能，环境因素对材料的使用性能影响很大，如受力状态、气氛、介质、温度等、环境因素的引入对工程材料来说十分重要。

材料理论有了一个适当的位置，处于六面体中心；根据五个要素中每一个要素，或者几个相关要素都有其理论，根据理论建立模型，通过模型进行材料设计或工艺设计，以达到提高性能和使用效能、节约资源、减少污染及降低成本的最佳状态。

四要素模型：

合成/制备、效能、性质、成分/结构。

五要素模型：

成分、性质、效能、组织结构。

合成制备，环境因素，设计模拟

9.书P43

10.书P118

11.详细综述了梯度陶瓷金属装甲复合材料的制备工艺，冲击加载下的动态响应，材料设计，抗弹性能与数值模拟方面的研究进展；讨论了梯度陶瓷金属装甲复合材料在装甲应用方面的优势，并指出了进一步研究重点

第一章研究现状1.1梯度制备工艺1.2材料在冲击载荷下的动态响应1.3梯度装甲材料的设计和模拟研究1.4抗弹性能研究第二章梯度装甲复合材料的优势第三章未来研究方向

四、任选

1.目前军舰的主要结构材料都是高性能钢材，这些钢材必须同时具备高强度，硬度，冲击韧性，这对于钢材的选用要求非常高。

如果采用有机高分子材料与金属材料的复合材料，高分子材料往往具有高韧性与塑性，以高分子材料为基体，弥散分布高硬度的金属微粒，获得高性能的复合材料来代替钢铁材料•••

3.移植法：

举例：

激光技术是20世纪50年代的一项重大发明成果，一经诞生就因其特殊功能被应用到医疗卫生领域，用以治疗眼科疾病、实施外科手术和治疗癌症。

在机械加工方面，微小于L的加工一直都是一个难题，通过激光技术的移植，目前德国的西门子公司已经研制出可以打出40微米直径微小孔的激光加工设备；超导技术具有能提高强磁场、大电流、无热耗的独特功能，可以移植到许多领域：

移植到计算机领域可以研制成无功耗的超导计算机，移植到交通领域可研制磁悬浮列车，移植到航海领域可制成超导轮船，移植到医疗领域可制成核磁共振扫描仪等。

竹馆蜒与直升飞机。

竹熔蜒是我国古代劳动人民发明的一种玩具。

它是用竹片削成螺旋桨形状，插在一圆杆上，当手搓动圆杆快速旋转时，螺旋桨就可以飞上天。

此玩具在明代时传入欧洲，法国人称之为“中国陀螺”。

1878年，意大利人福拉尼尼造出了第一架直升飞机，飞行时间为20秒，高度为12米，其严重缺点是飞行时飞机会打转。

1939年，美籍俄国人西科斯基制造出一架“VS一900直升机”，这是世界上第一架实用型直升机，但这架直升机也就是由一大一小两个“竹晴蜒”组合而成。

4.一种纳米结构材料模板的制作方法，其主要步骤为：

1）将两亲性嵌段共聚物溶解于一种共溶剂中得到均匀分散的高分子溶液；2）在高分子溶液中缓慢加入去离子水，诱导嵌段共聚物发生自组装行为，形成各种形状和结构的纳米级胶束，纳米胶束有纳米球、纳米棒、纳米环或纳米囊泡；3）将得到的胶束溶液放入透析袋中，以去离子水做透析液将共溶剂透析出来，得到形态固定、在水中分散良好的纳米级高分子胶束，将胶束稀溶液旋涂在平面基底上，待溶剂挥发后即得到纳米结构材料的模板。

5.第六章

论述题第六题补充

Hall-Petch关系式是晶粒尺寸与强度关系的表达式。

Hall-Petch效应并不符合纳米晶体材料。

如晶粒〉50nm的铜，总伸长率仅为1～4%，晶粒尺寸为110nm的铜，其总伸长率为8%。

完全突破了传统的理论。

Hall-Petch关系式开始是由相关法建立的，随着科学的发展，后来根据位错理论用过程法推导得到了该关系式系数的表达式，使相关系数有了明确的物理意义：

式中：

式中：

m是取向因子，滑移系越多，m越小；τ0是基体对位错运动的摩擦阻力；τ*是开动位错源所需的临界切应力；r是位错源与位错塞积处的距离