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材料科学与工程专业(第四版)英语翻译(1,2,3,5,6,7单元)

2017-05-05 07:02:23 来源网站: 百味书屋

篇一:材料科学与工程专业英语第二版课文翻译(1,2,3,10)

United 1 材料科学与工程

材料在我们的文化中比我们认识到的还要根深蒂固。如交通、房子、衣物,通讯、娱乐和食 物的生产,实际上,我们日常生活中的每一部分都或多或少地受到材料的影响。历史上社会 的发展、先进与那些能满足社会需要的材料的生产及操作能力密切相关。实际上,早期的文 明就以材料的发展程度来命名,如石器时代,铜器时代。 早期人们能得到的只有一些很有限的天然材料,如石头、木材、粘土等。渐渐地,他们通过 技术来生产优于自然材料的新材料,这些新材料包括陶器和金属。进一步地,人们发现材料 的性质可以通过加热或加入其他物质来改变。在这点上,材料的应用完全是一个选择的过程。 也就是说,在一系列非常有限的材料中,根据材料的优点选择一种最适合某种应用的材料。 直到最近,科学家才终于了解材料的结构要素与其特性之间的关系。这个大约是过去的 60 年中获得的认识使得材料的性质研究成为时髦。因此,成千上万的材料通过其特殊的性质得 以发展来满足我们现代及复杂的社会需要。 很多使我们生活舒适的技术的发展与适宜材料的获得密切相关。一种材料的先进程度通常是 一种技术进步的先兆。比如,没有便宜的钢制品或其他替代品就没有汽车。在现代,复杂的 电子器件取决于所谓的半导体零件.

材料科学与工程 有时把材料科学与工程细分成材料科学和材料工程学科是有用的。严格地说,材料科学涉及 材料到研究材料的结构和性质的关系。相反,材料工程是根据材料的结构和性质的关系来设 计或操纵材料的结构以求制造出一系列可预定的性质。从功能方面来说,材料科学家的作用 是发展或合成新的材料,而材料工程师是利用已有的材料创造新的产品或体系,和/或发展 材料加工新技术。多数材料专业的本科毕业生被同时训练成材料科学家和材料工程师。 “structure”一词是个模糊的术语值得解释。简单地说,材料的结构通常与其内在成分的排 列有关。原子内的结构包括介于单个原子间的电子和原子核的相互作用。在原子水平上,结 构包括原子或分子与其他相关的原子或分子的组织。在更大的结构领域上,其包括大的原子 团,这些原子团通常聚集在一起,称为“微观”结构,意思是可以使用某种显微镜直接观察 得到的结构。最后,结构单元可以通过肉眼看到的称为宏观结构。

“Property” 一词的概念值得详细阐述。在使用中,所有材料对外部的刺激都表现出某种反 应。比如,材料受到力作用会引起形变,或者抛光金属表面会反射光。材料的特征取决于其 对外部刺激的反应程度。通常,材料的性质与其形状及大小无关。 实际上,所有固体材料的重要性质可以概括分为六类:机械、电学、热学、磁学、光学和腐 蚀性。对于每一种性质,其都有一种对特定刺激引起反应的能

力。如机械性能与施加压力引 起的形变有关,包括弹性和强度。对于电性能,如电导性和介电系数,特定的刺激物是电场。 固体的热学行为则可用热容和热导率来表示。磁学性质表示一种材料对施加的电场的感应能 力。对于光学性质,刺激物是电磁或光照。用折射和反射来表示光学性质。最后,腐蚀性质 表示材料的化学反应能力。 除了结构和性质,材料科学和工程还有其他两个重要的组成部分,即加工和性能。如果考虑 这四个要素的关系,材料的结构取决于其如何加工。另外,材料的性能是其性质的功能。因 此,材料的加工、结构、性质和功能的关系可以用以下线性关系来表示: 加工——结构——性质——性能。为什么研究材料科学与工程? 为什么研究材料科学与工程?许多应用科学家或工程师,不管他们是机械的、民事的、化学 的或电子的领域的,都将在某个时候面临材料的设计问题。如用具的运输、建筑的超级结构、 油的精炼成分、或集成电路芯片。当然,材料科学家和工程师是从事材料研究和设计的专家。

很多时候,材料的问题就是从上千个材料中选择出一个合适的材料。对材料的最终选择有几 个原则。首先,现场工作条件必须进行表征。只有在少数情况下材料在具有最优或理想的综 合性质。因此,有必要对材料的性质进行平衡。典型的例子是当考虑材料的强度和延展性时,

而通常材料具有高强度但却具有低的延展性。这时对这两种性质进行折中考虑很有必要。 其次,选择的原则是要考虑材料的性质在使用中的磨损问题。如材料的机械性能在高温或腐 蚀环境中会下降。 最后,也许是最重要的原则是经济问题。最终产品的成本是多少?一种材料的可以有多种理 想的优越性质,但不能太昂贵。这里对材料的价格进行折中选择也是可以的。产品的成本还 包括组装中的费用。 工程师与科学家越熟悉材料的各种性质、结构、功能之间的关系以及材料的加工技术,根据 以上的几个原则,他或她对材料的明智选择将越来越熟练和精确。

Unit 2 Classification of Materials

译文:固体材料被便利的分为三个基本的类型:金属,陶瓷和聚合物。这个分类是首先基于化学组成和原子结构来分的,大多数材料落在明显的一个类别里面,尽管有许多中间品。除此之外, 有三类其他重要的工程材料-复合材料,半导体材料和生物材料。

译文:复合材料由两种或者两种以上不同的材料组成,然而半导体由于它们非同寻常的电学性质而得到使用;生物材料被移植进入人类的身体中。关于材料类型和他们特殊的特征的一个简单的解释将在后面给出。

被约束于。be attribute to 归属于。。归因于。。

译文:金属材料通常由金属元素组成。它们有大量无规则运动的电子。也就是说,这些电子不是被约束于某个特定的原子。金属的许多性质直接归属这些不规则运动的电子。

科技英语在讲述科学真理的时候通常用主动语态。如: Metals are extremely good conductors of electricity Deformable ?

译文:金属是十分好的电和热的导体,它们对可见光不透明;一个抛光的金属表面有光辉的外表。除此之外,金属是十分硬的,也是可变

形的,这个性质解释了它们广泛使用在结构方面的应用。

that引导的定语从句

译文:陶瓷是介于金属和非金属元素之间的化合物;它们通常是氧化物,氮化物和碳化物。落在这个分类种类中的宽的材料范围包括陶瓷,它们由粘土矿物,水泥和玻璃组成。 译文:这些材料是典型的电和热的绝缘体,并且它们比金属和聚合物更加耐高温和耐苛刻的环境。至于机械性能,陶瓷是硬的但是却很脆。

译文:聚合物包括常见的塑料和橡胶材料。它们中的大多数是有机化合物,这些化合物是以化学的方法把碳、氢和其他非金属元素组合而成。因此,它们有非常大的分子结构。这些材料通常有低的密度并且可能十分柔软。

译文:许多复合材料被作用工程使用,它们由至少一种类型的材料组成。玻璃丝是一个熟悉的例子,玻璃纤维被埋入聚合物材料中。

译文:为了联合显示每一种组分材料最好的特性,一种复合材料被设计出来。玻璃丝从玻璃中获得强度并且从聚合物中获得柔软性。最近发展中的绝大多数材料包含了复合材料。 be sensitive to 对?敏感的

译文:半导体有电的性质,它们是介于电导体和绝缘体之间的中间物。除此之外,这些材料的电学性质对微量杂质原子的存在十分敏感,杂质原子浓度可能只是在一个十分小的区域内

可以控制。

译文:这些半导体使得集成电路的出现变得可能,在过去20多年间,这些集成电路革新了电子装置和计算机工业(更不用说我们的生活)。

译文:生物材料被应用于移植进入人类身体以取代病变的或者损坏的身体部件。这些材料不能产生有毒物质而且必须同人身体器官要相容(比如,不能导致相反的生物反应)。

译文:所有以上材料-金属,陶瓷,聚合物,复合材料和半导体材料可能用作生物材料。比如,如CF/C和CF/PS(聚砜)这些生物材料被用作人工肾的取代物。

译文:用在高科技中的材料有时被称作先进材料。借助于高科技,我们预定一个装置或者产品,这些产品用相对复杂和熟练的原理运转或者起作用;这些例子包括电子设备( VCRs, CD 播放器),计算机,光纤系统,宇宙飞船,航天飞机和军事火箭。

译文:这些高级材料或是典型的传统材料,它们的性质被提高,最近开发出来的,高性能材料。除此之外,它们可能是所有材料类型(比如,金属、陶瓷和聚合物),通常相对较贵。 译文: 在下面的章节将讨论众多先进材料的性质和应用-比如被用作激光,集成电路,磁信息存储,液晶显示器,光纤和空间舱轨道的热保护系统的材料。

译文:在过去几年内,不论材料科学与工程的规律取得了巨大的进步,仍然有一些技术挑战,包括开发更加熟练的专业化的材料,并且考虑材料生产对环境导致的影响。针对这个问题,一些评论是十分相关的。

译文:核能还保持着一些承诺,但是解决许多仍然存在的问题,将有必要把材料包括在里,从燃料到保护结构以便方便处置这些放射性废料。

译文:相当数量的能源用在交通上。减少交通工具(汽车,飞机,火车等)的重量,和提高引擎操作温度,将提高燃料的使用效率。新的

高强,低密度结构材料仍在发展,用作引擎部位能耐高温材料也在发展中。

译文:除此之外,寻找新的、经济的能源资源,并且更加有效的使用目前现存的资源是公认为必须的。材料将毫无疑问的在这些发展过程中扮演重要的角色。

译文:除此之外,寻找新的、经济的能源资源,并且更加有效的使用目前现存的资源是公认为必须的。材料将毫无疑问的在这些发展过程中扮演重要的角色。

译文:除此之外,环境质量取决于我们控制大气和水污染的能力。污染控制技术使用了各种材料。再者,材料加工和精制的方法需要改善以便它们产生很少的环境退化,也就是说,在生材料加工过程中,带来更少的污染和更少的对自然环境的破坏。

译文:也,在一些材料生产过程中,有毒物质产生了,并且它们的处置对生态产生的影响必须加以考虑。我们使用的许多材料来源于不可再生的资源,不可再生也就是说不能再次生成的。这些材料包括聚合物,最初的原生材料是油和一些金属。这些不可再生的资源逐渐变得枯竭

译文:下面是必须的:1)发现另外的储藏,2)开发拥有较少负环境影响的新材料,3)增加循环的努力并且开发新的循环技术。

译文:结果,不仅是生产,而且环境影响和生态因子,和材料整个生产过程紧密相关的材料“一生”的生命周期的考虑变得越来越重要。

Unit3 Atomic Structure of Materials

1. 众所周知 所有的物质都是由原子组成的。在下面周期表中我们可以知道仅仅大约有

100成千上万的物种均是由一百多种原子组成的。金属与陶瓷有不同表现行为,陶瓷又与聚合物有所差异。物质的性能取决于组成他们的原子类型以及原子的结合方式。材料的结构可以根据我们所认为的各种特性的的数量级来分类,三种最常见的主要结构上的分类通常按尺寸的增大列出它们是,原子的结构是指不可见的结构例如原子间的结合方式以及原子的排布。微观结构是指不能同肉眼观察到而能用显微镜观察到的结构。宏观结构是指可以用肉眼直接观察到的结构。

2. 2. 原子结构主要影响物质的化学性质、物理性质、耐热性、电性、磁性、光学性质。微观结构和宏观结构也能影响这些性质但它们通常在力学性质和化学反应速率方面的影响更大。材料的性能为材料的结构提供了一定的线索。金属的具有的强度就说明构成他的原子是通过很强的成健能力结合在一起的.然而由于金属经常成型,这些结合力必须允许原子运动。为了了解材料的结构,我们必须知道原子所呈现的类型,原子是如何排布的、如何结合的。

3. 3. 从基础化学我们知道任何元素的原子结构都是有被电子围绕的带正电的原子核组成。一个元素的原子数目显示了原子核中带正电的质子数。为了确定在一个原子里有多少中子,只需要把原子的数目从原子的重量中减去。

4. 4. 原子具有平衡的电荷。因此,通常有和质子数目相同的带负电荷的电子围绕在原子核周围。我们都知道电子以不同的能量存在,那些围绕在原子核周围的电子可以方便的认为是一个能源层。例如。镁原子序数是12 8个电子,最外层有两个电子。 所有的化学键都包含电子。如果原子共用一个或多个电子时他们会保持很紧密。当原子没有部分填充的电子层时,它们会处于最稳定的状态。

如果一个原子在电子层上仅有几个电子那现了。

Unit10 Introduction to Ceramic Materials

The word "ceramic" is derived from the Greek keramos, which means "potter's clay" or "pottery." Its origin is a Sanskrit term meaning "to burn." So the early Greeks used "keramous" when describing products obtained by heating clay-containing materials. The term has long included all products made from fired clay, for example, bricks, fireclay refractories, sanitaryware, and tableware.

“陶瓷”这个词是来自希腊keramos,这意味着“陶土”或“陶”。它的起源是梵文术语,意思是“燃烧”。因此,早期的希腊人用“keramous”描述加热含粘土的物料获得的产品。这个词早已包括所有陶土制成的产品,例如,砖,粘土质耐火材料,卫生洁具,餐具。In 1822, refractory silica were first made. Although they contained no clay, the traditional ceramic process of shaping, drying, and firing was used to make them. So the term" ceramic," while retaining its original sense of a product made from clay, began to include other products made by the same manufacturing process. The field of ceramics (broader than the materials themselves) can be defined as the art and science of making and using solid articles that contain as their essential component a ceramic. This definition covers the purification of raw materials, the study and production of the chemical compounds concerned, their formation into components, and the study of structure, composition, and properties.

1822年,耐火材料二氧化硅被首次提出。虽然他们中没有粘土,传统陶瓷的塑造过程,干燥和烧成使用,使它们。所以说,“陶瓷”,同时保留其原来意义上的粘土制成的产品,开始

向包括由同一制造工艺制成的其他产品。陶瓷比材料本身更广泛的领域可以被定义为制作和使用含有固体的文章作为自己的重要组成部分陶瓷艺术和科学。这个定义涵盖了原料的净化,研究和生产有关的化学成分,他们到组件的形成,结构,组成和性质的研究。

Ceramics are usually associated with "mixed" bonding-a combination of covalent, ionic, and sometimes metallic. They consist of arrays of

interconnected atoms; there are no discrete molecules. This characteristic distinguishes ceramics from molecular solids such as iodine crystals

(composed of discrete I2 molecules) and paraffin wax (composed of long-chain alkane molecules). It also excludes ice, which is composed of discrete H20 molecules and often behaves just like many ceramics. The majority of ceramics are compounds of metals or metalloids and nonmetals. Most frequently they are oxides, nitrides, and carbides.

陶瓷通常与“混合”接合的共价键,离子,有时金属结合。他们组成的相互联系的原子阵列;没有离散的分子。这一特点区分,如碘晶体(离散碘分子组成)和石蜡(长链烷烃分子组成)分子固体的陶瓷。它也排除了冰,这是由离散的水分子,往往表现就像许多陶瓷。大多数陶瓷,金属或非金属化合物和非金属。他们最常见的氧化物,氮化物和碳化物。

However, diamond and graphite are also classified as ceramics. These forms of carbon are inorganic in the most basic meaning of the term: they were not prepared from the living organism. 然而,金刚石和石墨也被归类为陶瓷。这些形式的碳是无机一词的最基本的含义:他们不准备从活的有机体。

General Properties一般属性

Ceramics generally have specific properties associated with them. We will look at some properties and see how closely they match our expectations of what constitutes a ceramic.

陶瓷一般都与他们相关的特定属性。我们将看看一些属性,看看他们如何紧密匹配何谓陶瓷我们的期望。

Brittleness脆性This probably comes from personal experiences such as dropping a glass beaker or a dinner_ plate. The reason that the majority of ceramics are brittle is the mixed ionic-covalent bonding that holds the

constituent atoms together. At high temperatures (above the glass transition temperature), glass no longer behaves in a brittle manner; it behaves as a viscous liquid. That is why it is easy to form glass into intricate shapes. Sowhat we can say is that most ceramics are brittle at room temperature but not necessarily at elevated temperatures.

这可能来自于个人的经验,如删除一个玻璃烧杯或餐盘。大多数陶瓷是易碎的原因是共同持有的组成原子的混合离子共价键。在高温(玻璃化转变温度以上),玻璃不再表现脆性的方式,它作为一种粘性液体的行为。这就是为什么它很容易形成复杂形状的玻璃。因此,我们可以说是大多数陶瓷在室温下很脆,但在高温下不一定。

Poor electrical and thermal conduction恶劣的电气和热传导The valence electrons are tied up in bonds, and are not free as they are in metals. In metals it is the free electrons-the electron gas-that determines many of their electrical and thermal properties. Diamond, which is classified as a ceramic, has the highest thermal conductivity of any known material. The conduction mechanism is due to Phonons, not electrons. Ceramics can also have high electrical conductivity,(1)the oxide ceramic, ReO3, has an electrical conductivity at room temperature similar to that of Cu; (2) the mixed oxide YBa2Cu3O7 is an HTSC; it has zero resistivity below 92K. 价电子被捆绑起来的债券,是不是免费的,因为他们在金属。在金属,它是自由电子的电子气,决定其电气和热性能。钻石,这是作为陶瓷的分类,有任何已知的材料的

篇二:材料科学与工程基础英文版第五版课后习题

Homework 1

1.1 What are materials? List eight commonly encountered engineering materials.

Answer1.1: Materials are substances of which something is composed or made. Steels, aluminum alloys, concrete, wood, glass, plastics, ceramics and electronic materials.

1.2 What are the main classes of engineering materials?

Answer1.2: Metallic, polymeric, ceramic, composite, and electronic materials are the five main classes.

1.3 What are some of the important properties of each of the five main classes of engineering materials? Answer1.3: Metallic Materials

? many are relatively strong and ductile at room temperature ? some have good strength at high temperature

? most have relatively high electrical and thermal conductivities

Polymeric Materials

? generally are poor electrical and thermal conductors ? most have low to medium strengths ? most have low densities

? most are relatively easy to process into final shape ? some are transparent Ceramic Materials

? generally have high hardness and are mechanically brittle ? some have useful high temperature strength

? most have poor electrical and thermal conductivities

Composite Materials

? have a wide range of strength from low to very high

? some have very high strength-to-weight ratios (e.g. carbon-fiber epoxy materials) ? some have medium strength and are able to be cast or formed into a variety of sha (e.g. fiberglass-polyester materials)

? some have useable strengths at very low cost (e.g. wood and concrete)

Electronic Materials

? able to detect, amplify and transmit electrical signals in a complex manner ? are light weight, compact and energy efficient

1.8 What are nanomaterials? What are some proposed advantages of using nanomaterials over their conventional counterparts?

Answer1.8: Are defined as materials with a characteristic length scale smaller than 100 nm. The length scale could be particle diameter, grain size in a material, layer thickness in a sensor, etc. These materials have properties different than that at bulk scale or at the

molecular scale. These materials have often enhanced properties and characteristics because of their nano-features in comparison to their micro-featured counterparts. The structural, chemical, electronic, and thermal properties (among other characteristics) are often enhanced at the nano-scale.

Homework 2

Chapter 3, Problem 4

What are the three most common metal crystal structures? List five metals that have each of these crystal structures. Chapter 3, Solution 4

The three most common crystal structures found in metals are: body-centered cubic (BCC), face-centered cubic (FCC), and hexagonal close-packed (HCP). Examples of metals having these structures include the following. BCC:

??iron,vanadium, tungsten, niobium, and chromium.

FCC: copper, aluminum, lead, nickel, and silver. HCP: magnesium,

Chapter 3, Problem 5

For a BCC unit cell, (a) how many atoms are there inside the unit cell, (b) what is the coordination number for the atoms, (c) what is the relationship between the length of the side a of the BCC unit cell and the radius of its atoms, and (d) APF = 0.68 or 68%

Chapter 3, Solution 5

(a) A BCC crystal structure has two atoms in each unit cell. (b) A BCC crystal structure has a coordination number of eight. (c) In a BCC unit cell, one complete atom and two atom eighths touch each other along the cube diagonal.

This geometry translates into the relationship

Chapter 3, Problem 6

For an FCC unit cell, (a) how many atoms are there inside the unit cell, (b) What is the coordination number for the atoms, (c)

??titanium,zinc, beryllium, and cadmium.

?4R.

a?

4R2

, and (d) what is the atomic packing factor?

Chapter 3, Solution 6

(a) Each unit cell of the FCC crystal structure contains four atoms. (b) The FCC crystal structure has a

coordination number of twelve. (d) By definition, the atomic packing factor is given as:

Atomic packing factor?

volume of atoms in FCC unit cell

volume of the FCC unit cell

These volumes, associated with the four-atom FCC unit cell, are

?4?16

Vatoms?4??R3???R3

?3?3

and Vunit cell

?a3

, where a represents the lattice constant.

Substituting

a?

Vunit cell

3

?a?

3

The atomic packing factor then becomes,

?16?R3?APF (FCC unit cell)???=0.74 ??3??32R?

Chapter 3, Problem 7

For an HCP unit cell (consider the primitive cell), (a) how many atoms are there inside the unit cell, (b) What is the coordination number for the atoms, (c) what is the atomic packing factor, (d) what is the ideal c/a ratio for HCP metals, and (e) repeat a through c considering the “larger” cell.

Chapter 3, Solution 7

The primitive cell has (a) two atoms/unit cell; (b) The coordination number associated with the HCP crystal structure is twelve. (c)the APF is 0.74 or 74%; (d) The ideal c/a ratio for HCP metals is 1.633; (e) all answers remain the same except for (a) where the new answer is 6.

Homework 3 Chapter 3, Problem 25

Lithium at 20?C is BCC and has a lattice constant of 0.35092 nm. Calculate a value for the atomic radius of a lithium atom in nanometers.

Chapter 3, Solution 25

For the lithium BCC structure, which has a lattice constant of a = 0.35092 nm, the atomic radius is,

R?

??0.152 nm

Palladium is FCC and has an atomic radius of 0.137 nm. Calculate a value for its lattice constant a in nanometers.

Chapter 3, Solution 27

Letting a represent the FCC unit cell edge length and R the palladium atomic radius,

?4Rora?

??0.387 nm

Chapter 3, Problem 31 Draw the following directions in a BCC unit cell and list the position coordinates of the atoms whose centers are intersected by the direction vector: (a) [100] (b) [110] (c) [111]

Chapter 3, Solution 31

z

y

x

(1, 0, 0)

Chapter 3, Solution 32

y

x

(a) (b)

x = +1

y = -1 z = -1 x = +1 y = -1 z = 0

[111]

(c)

x = -? y = 1

[110]

(d)

x = – ? y = – ?

a?, b??, c?332. What are the Miller indices A cubic plane has the following axial intercepts:

of this plane?

Chapter 3, Solution 46

1

?3,xGiven the axial intercepts of (?, -?, ?), the reciprocal intercepts are:

Multiplying by 2 to clear the fraction, the Miller indices are (634).

Chapter 3, Problem 50

13

??,y2

1

?2.z

Determine the Miller indices of the cubic crystal plane that intersects the following position coordinates:

Chapter 3, Solution 50

First locate the three position coordinates as shown. Next, connect points a and b and extend the line to point d. Complete the plane by connecting point d to c and point c to b. Using (1, 0, 1) as the plane origin, x = -1, y = 1 and z = –1. The intercept reciprocals are thus

(2, 0, 2); (0,0,1); (1,1,1).

111

??1,?1,??1.xyz The Miller indices are(111)

.

(?, 0, ? )

a

篇三:材料科学与工程基础第5版中文翻译

材料科学与工程基础

第1章、导言

学习重点:

仔细学过这一章后,你应当掌握以下内容:

1.列出材料应用所涉及到的6种不同性质。

2.描述材料在设计、生产和应用中涉及的四要素,叙述它们之间的关系。

3.描述材料选择过程的三条重要标准。

4.(a)列出固体材料的三种主要分类,描述这三种材料各自的化学特征。

(b)记住另外三种形式的材料,以及每种的特征。

1.1 历史的回顾与展望

超乎一般人的认识,材料可能是对人类文明影响最根深蒂固的一类物质。交通运输,住房,穿衣,通讯,娱乐和食品生产,实质上、我们日常生活中的每一部分都在一定程度会受到这种或那种材料的影响。历史上,社会的进步和发展都与人类生产和掌握某种材料满足自己的需要密切相关。事实上,早先的文明曾按照人类开发某种材料的能力来划分时代(例如石器时代,青铜器时代等等)。

最早的人类所遇到的材料极为有限,通常是天然的土生土长的一些东西,如石头,木材,粘土,兽皮等等。随着时代的发展,人类发现了生产材料的技术,这些人造的材料性能上优于天然材料,这类新材料包括陶瓷和各种金属。后来人们发现通过热处理和加入其它物质可以改变这些材料的性能。从某种意义上说,材料的应用总是伴随着一种筛选过程,也就是说,从有限的材料中筛选出其特性最适用于特定场合使用的材料。直到近代,科学家们开始知道材料的结构组成与其性质之间的关系。在过去60年里,人们所获得的各种知识从很大程度上已经改变了对许多材料的认识。迄今为止,已有成千上万种具有不同特性的材料被开发出来以满足我们这个现代和复杂社会的需要,这些材料包括金属、塑料、玻璃和纤维。

技术的进步使人类的生活变得越来越舒适,而这一切又与我们所使用的材料密切相关。人类对某一类材料认识程度的进步往往是这个时代技术革命的前奏。例如,如果没有廉价的钢铁和其他相应材料,就不会有当今的汽车工业。复杂电子设备的基本单元是由半导体材料构成的。因此,我们目前的电子信息时代,它的材料基础是半导体材料。

1.2 材料科学与工程

材料科学学科涉及研究材料的结构和性质以其它们之间的关系。与之相应的是,材料工程则是根据材料的结构与性质的关系,设计、加工、生产所需要性质的材料。在整篇课文中我们将把注意力放在材料性质与结构组成的关系上。

首先,“结构”这个模糊的概念应该得到应有的解释。简单地说,材料的结构与它的内部成分以及物质的排列有关。按大小我们可以把结构分为4个层次,第一个层次为亚原子结构,包括电子和原子核及其相互作用。结构的第二个层次为原子大小水平,其结构包括原子或相应的分子相互的排列。第三个大的结构王国是由原子团簇聚在一起构成的,也叫做“微观”世界,既可以通过某些显微镜进行观测的世界。第四也是最后一个结构层次是我们可以用肉眼看到的“宏观”世界。

“性质”的解释是这样的,所有材料在使用的时候都会对周围的环境有所反应。例如工件受力会变形;抛光的金属表面会反射光。按照施加在材料上的特殊作用,性质就是材料对这种作用的不同种类,不同大小响应的一种特性。通常,材料的性质与它的形状和大小无关。

实际上,固体材料的所有重要性质都可以分成六个不同的大类:即力学、电学、热学、磁学、光学和质变学性质。对每一种性质都有不同的方法进行测定。力学性质是通过给样品施加负载或受力来测定样品的变形,材料的力学参数有弹性模量和强度等。对于电学性质,例如材料的电导率和介电常数,是通过施加电场来测定的。固体材料的热性质可以通过它的热容和热导率来反映。材料的磁性质反映了它在磁场中应用的能力。对于光学性质,环境施加的是电磁波或光辐射,折射和反射程度是材料光学性质的量度。最后,质变学性质是材料的化学反应性。在以后的章节中我们将分别讨论材料的这六种性质。

除了结构与性质以外,在材料科学与工程中还涉及到另外两个很重要的要素:即材料的“加工”和“性能”。关于材料这四个要素之间的关系,人们一致认为:材料的结构取决于它是怎样被加工出

来的,而且,材料的性能是材料性质的函数。于是材料的加工、结构、性质和性能呈现如图1.1所示那样的线性关系。本课程我们将通过材料的设计、生产和应用来说明这四个要素间的关系。

我们在图1.2中列举了一个例子来说明材料的加工-结构-性质-性能的原理,图上是在有印刷字体的页面上放置了三个薄圆片。很显然,这三个样品的光学性质(光透过率)是不同的;放在左边的那块是透明的(即所有反射光都能透过它),而放在中间和右边的分别是半透明和不透明的。所有这三块样品都是相同的氧化铝材料,但是左边那块是单晶,是没有缺陷的固体材料,它是透明的,中间那块是由许多相互联接的小单晶构成的材料,这些小单晶之间的晶界会反射部分光线,因此看起来是半透明的。在右边的样品内部不仅有许多相互联接的小晶体,而且还有大量小孔即空腔。这些孔会散射掉反射光线,导致这种材料不透明。

由于材料的晶界和孔洞会影响到它们的光学透过性质,因此、按照材料的晶界和孔洞指标,这三个样品的结构是不同的。而且,这三个样品是采用不同的生产工艺制成。显然,如果光学透过率在最后应用的时候是一个重要参数,那么每一种材料的性能将有所不同。

1.3为什么要学习材料科学与工程?

我们为什么要研究材料?许多应用科学家或工程师,机械、土木工程、化工或电子工程师们随时都会遇到与材料有关的设计问题。这方面的例子包括机器上的传动齿轮,建筑上的各种承重结构,石油化工上的炼油单元操作,以及电子工业应用的集成电路芯片。当然材料科学家和工程师是研究和设计这些材料方面的总专家。

多少年以来,材料问题就是从数千种可用的材料中正确选出满足需要用途的材料。有若干种影响最后决定选择什么样材料的标准。首先,要搞清楚材料在什么条件下使用,因为这将告诉我们应当选择具有什么性质的材料。一种材料很难同时具有各方面综合最优良或理想的性质。因此,有必要反复交替考查材料的一种或另一类特性。典型的例子包括强度和延展性;通常具有高强度的材料延展性都比较差。这种情况下,合理的折衷取舍两种或多种性质通常是必要的。

其次,在选择材料时必须考虑材料的使用过程中任何有害于材料性质的一些环境因素。例如,暴露于高温或腐蚀性环境下的材料的力学强度会大大降低。

最后,还有一个最重要的因素需要考虑,就是所选用的材料在经济上是否能够承受:产品的最后成本如何?一种材料可能具有非常理想的使用性质,但是如果价格太贵,也是无法应用的。这里再重申一遍,在选择材料时,某些折衷的考虑是必要的。产品的成本也包括制造生产所需形态材料的一切费用。工程师或科学家对材料的各种检测分析方法,材料的结构-性质关系以及材料的加工技术越熟悉,那么他或她,在根据这些标准作出选择材料的明智决定的时候,就越精通老练,就越自信。

1.4 材料的分类

传统上我们把固体材料分为三个基本大类:金属、陶瓷和聚合物。这种分类主要基于这些材料化学键和原子结构的不同,现实世界的大多数材料都属于这一类或者那一类材料,尽管也有介于两者之间的材料。此外还有三类重要的工程材料,那就是复合材料、半导体和生物材料。复合材料是两种或多种不同材料复合而成的材料,而半导体材料被应用则是基于它们特殊的电学性能;生物材料是植入人体的一类材料。下面简要解释材料的种类和它们的具有代表性的特性。

金属

金属材料是由金属元素构成的。它们具有大量的自由电子,这些电子不受特定的原子束缚。金属的许多性质直接与这些自由电子有关,金属有极好的导电和导热能力,不能透过可见光;抛光的金属表面具有光泽。并且,在力学性质方面,金属强度高,有塑性,因此在结构材料领域被广泛应用。 陶瓷

陶瓷是由金属和非金属元素构成的化合物,最常见的有氧化物,氮化物和碳化物。广义上这类材料还包括由粘土矿、水泥和玻璃构成的陶瓷材料。这类材料是典型的电和热的绝缘体,与金属和聚合物相比,耐高温并耐苛刻的环境侵蚀。至于力学性质方面,陶瓷硬而脆。

聚合物

聚合物包括我们熟悉的塑料和橡胶。它们中的许多为有机化合物,由碳、氢、和其它非金属元素构成,它们有很大的分子结构,这些材料具有密度低、容易加工的特性。

复合材料

复合材料由不止一种材料构成,许多已经工程化。玻璃钢是熟悉的例子,它是将玻璃纤维嵌入聚合物材料中得到的。复合材料同时具有每一种单独材料的性能,又结合了几种材料的优良性能。玻璃钢就是利用了玻璃纤维的强度和聚合物的弹性。最近材料的许多进展都与复合材料有关。 半导体

半导体的导电性介于绝缘体和导体之间。它最重要的性质是其电性质对存在于其中的微量杂质浓度极其敏感,半导体中很小区域的杂质浓度可以通过人为控制。半导体材料使得集成电路时代的来临成为可能,它给电子设备和计算机工业带来革命,对当今社会生活带来划时代的影响,如果倒退20年,简直无法想象这种影响。

生物材料

生物材料是植入人体中取代人体病变器官或部分损坏器官的一类材料。这些材料必须对人体无毒,也必须与人体组织相容(即必须没有生物排斥反应)。所有以上材料——金属、陶瓷、聚合物、复合材料、半导体都可以用作生物材料。{例如,20.8节将讨论生物材料用于人体臀部置换。}

1.5先进材料

用在高技术领域的材料有时称作先进材料。我们指的高技术是利用了相对复杂深奥的原理制造的设备或产品;如电子设备(VCRs,CD播放器),计算机,光纤系统,宇宙飞船,飞机和军事上用的火箭。这些先进材料要么是典型的、性能得到改善的传统材料,要么是最新开发的新材料和高性能材料。也就是说,它们可以是金属、陶瓷和聚合物这样的材料类型,通常比较昂贵。在以后的章节里要讨论许多先进材料的性质和应用——例如,用于激光、集成电路、磁信息储存,液晶显示、光纤和用于航天飞机热保护体系的材料。

1.6将来的材料

智能材料(或聪明的材料)是一类新型和艺术级的材料,目前正在被人们开发出来,对我们的现代技术有很深的影响。“smart”这个形容词意指这些材料能够感受周围环境的变化,并能够对这些变化作出反映,正如生命物质所具有的这种特性和方式。此外“smart”这个概念还可以扩展到由敏感材料和传统材料构成的复杂系统中。

智能材料(或系统)成分包括某些形式的传感器(探测输入信号),感应装置(执行响应和适应动作)。感应装置可以通过对温度、电场和/或磁场的改变响应来改变形状、位置、自然频率、或力学特性。

四种类型的材料通常被用来作传动装置,即形状记忆合金、压电陶瓷、磁致伸缩材料、电流变/磁流变流体。形状记忆合金是金属,在变形以后,当温度改变,它又可以回到它原来的形状。压电陶瓷在施加电场或电压的时候会膨胀或收缩,反之如果用外力改变它们的尺寸大小,它们也会产生电场。磁致伸缩材料的行为类似压电材料,不过这时施加的是磁场而不是电场。电流变/磁流变材料是液体,当分别施加电场或磁场时,它们的粘度会发生巨大的变化。

用作传感器的材料或设备包括光纤、压电材料(包括一些聚合物),和微电动力学设备。

例如,用在直升飞机上的一种智能系统是为了减少直升飞机浆叶产生的航空动力驾驶仓噪音。压电材料嵌入叶片中,监测叶片的应力和变形,把信号反馈到计算机控制的调控装置去执行产生反向噪音来抵消飞机产生的噪音。

纳米技术

直到最近,科学家认识材料化学和物理是开始从大的和复杂的结构着手,然后研究这些由较小和较简单的构成这种结构的基本建筑模块。有时把这种方法称作“自上而下”的科学。可是随着扫描探针显微镜的出现,它可以看到单个的原子和分子,并且可以移动原子和分子形成新的结构,因此、有可能从简单的原子级水平设计新材料(即“材料设计”)。这种精确排列原子的能力为人类提供了开发过去不能实现的力学、电学、磁学和其他性能材料的机遇。我们把这种“自下而上”的方法和这些材料性质的研究叫做“纳米技术”;“nano”这个前缀说明的是这个结构单元的大小相当于纳米级,从(10-9m)~100nm(相当于500个原子直径长度)。这种材料的一个例子是后面我们要介绍的碳纳米管。将来、无可置疑的我们将发现应用这些纳米工程材料会大大加快我们的技术进步。

1.7现代材料需求

尽管在过去几年,人类在材料科学与工程领域取得了巨大的进展,但是仍然在技术上面临极大的挑战,包括开发更为复杂和具有更加特殊性能的材料,同时还要考虑材料生产对环境造成的危害。为了人类可持续发展,有必要把这部分内容在这里做适当介绍。

核能具有许多优势,要解决它的广泛应用仍然涉及到材料问题,从核燃料的生产,到防止放射性污染的结构设计制造,到放射性废料的处理都与材料有关。相当数量的能量消耗在交通运输业中。减少运输工具(汽车、飞机、列车等)的重量,以及增加发动机的燃烧温度,都有助于提高燃烧效率。新的高强度、低密度的结构材料,以及用于发动机的耐高温材料会不断被开发出来。

而且,人们已经意识到需要开发新的、经济的能源,并且更有效的利用现有的能源。在发展和解决这一问题的过程中,材料无疑起着非常重要的作用。例如从理论和实践上已经证明将太阳能直接转换为电能是可行的。太阳能电池就是这样一种装置,人类目前制造的太阳能电池采用了一些相当复杂和昂贵的材料。只能在一些特殊领域应用。为了大规模应用实现这一技术,必须开发出光电转换效率高,费用低的新材料。

另一方面,我们居住的环境质量取决于我们控制空气和水污染的能力。现代污染控制技术采用了多种材料。并且,材料加工和精制的方法需要改进,以减少对环境有害的物质排放,即更少的污染,更少的占用开采矿石所用土地,获得人类所需要的材料。而且,在某些材料的生产过程中,必须考虑产生的毒性物质和处理它们时导致的生态问题。目前从自然界提取供人类使用的许多材料是不可再生的(即材料的重复加工使用性)。这些材料包括聚合物(它的原材料是石油)和某些金属。这些不能再生的材料将逐渐被人类消耗殆尽。这就需要:1)发现另外的资源,2)开发有相应性质又对环境冲击小的新材料。和/或3)提高材料的循环效率和开发新的再生材料技术。因此、材料的生产不仅要考虑它的成本,而且还要考虑它对环境和生态的影响。与考虑材料的生产过程相比,考虑材料生产对环境和生态的影响在材料从“摇篮-坟墓”的生命循环过程中已变得越来越重要。

第2章 原子结构和原子间的键

为什么要学习原子结构和原子间的键

了解固体材料中原子间的键的一个重要原因是如果知道材料键的类型可以解释材料的性质。例如,碳以石墨和金刚石两种晶型存在,石墨相对较软,摸起来有“油腻”的感觉,而金刚石是已知最硬的材料。这种性质上的巨大差异直接与石墨和金刚石(3.9节)中存在的原子键不同有关。

学习重点:

仔细学过这一章后,你应当掌握以下内容:

1.记住两种原子模型,注意它们之间的区别。

2.描述重要的与电子能量有关的量子力学原理。

3.(a)画出两个原子或离子间距离与吸引、排斥能和净能量的关系曲线。

(b)记住能量曲线中平衡分离能和键能。

4.(a)简要描述离子键、共价键、金属键、氢键和范德瓦耳斯键。

(b)记住什么材料呈现以上那种类型的键。

2.1引言

固体材料的某些重要性质取决于原子的几何排列,也取决于原子或分子之间的相互作用。在这一章里,为了为以后要讨论的内容作准备,要介绍一些重要的和基本的概念,即原子结构、原子中的电子构型和元素周期表,把原子结合在一起组成固体物质的各种形式的原子间的主价键和次价键。每个题目的评述简明扼要,这里假设读者对其中一些内容是熟悉的。

原子结构

2.2基本概念

每个原子是由很小的原子核和环绕原子核运动的电子构成,原子核由质子和中子构成。电子和质子均带电荷,电荷的大小为1.6×10-19C, 质子带正电,电子带负电,中子是电中性的。这些亚原子粒子的质量极小,质子和中子质量差不多,为1.67×10-27kg,远大于电子质量9.11×10-31kg。

每一个化学元素是由原子核中的质子数大小定义的,我们把它叫做原子序数(Z)。对于电中性即完整的原子,原子序数也等于核外电子数。原子序数为整数从最小的原子序数氢原子的1到自然界存在的最大的原子序数铀原子的92。

每个原子的原子质量(A)可以用原子核里质子和中子质量的和来表示。虽然对于所有给定元素的质子数是相同的,但中子数(N)可以变化。因此有些元素的原子有两种或更多的的原子质量,这样的物质我们把它们叫做同位素。原子量是自然界现存的包括同位素在内的原子质量的平均值。原子质量单位(amu)可用于计算原子量。一个原子质量单位被定义为最普通的碳同位素12(A=12.00000)原子质量的1/12。用这样一个计量单位,质子和中子的质量略大于1。

A ≌ Z + N(2.1)

元素的原子量或化合物的分子量可以用每个原子或分子的原子质量或每摩尔材料的质量来表示。一摩尔物质有6.023×1023个原子或分子(阿弗加德罗常数)。这两种原子量之间的关系为如下方程:

1amu/atom(or molecule)=1g/mol

例如铁的原子量为55.85amu/atom,或55.85g/mol。有时用1amu/atom(or molecule)比较方便。有时用g/mol(或kg/mol)则更好。本书用的是后者。

2.3 原子中的电子

原子模型

19世纪末期,人们发现在涉及到固体材料中的电子的许多试验现象的时候,无法用经典力学解释。支撑原子和亚原子这个物质世界的运动规律的就是后来人们建立的一系列的称之为量子力学的原理和法则。了解原子和晶体中电子的行为必然涉及到一些量子力学概念的讨论。可是详细地解释量子力学原理已经超出了本教材的范围。这里只做一些肤浅的,简要的介绍。

在量子力学的诞生初期,出现了简化的波尔原子模型,波尔原子模型假设电子在它们各自的固定轨道上围绕原子核运行,任何电子都或多或少的固定在各自的轨道上。该原子模型图2.1所示。

量子力学的另外一个重要原理是电子的能量是量子化的,既能量值不连续,只能为某特定的值。电子的能量可以改变,能量改变时必须发生量子跃迁,要么到更高能级(吸收能量)要么到更低的能级(放出能量)。把电子能量与能级或能态联系起来考虑是方便的。这些能态不是连续改变的,即相邻的能级被一定能量隔开。例如,波尔氢原子的允许能态为图2.2a所示。这些能量都为负数,能量为零是非电子填充时的参比状态。当然,氢原子中的一个电子只能填充一个能级状态。

因此、波尔模型代表了人们早期按照位置(电子轨道)和能量(量子化的能级)来描述原子中的电子的一种尝试。

人们发现用波尔原子模型解释涉及电子的一些物理现象仍然具有局限性。后来通过波动力学原子模型成功解决了这一问题。在波动力学模型中,电子呈现波动和粒子两像性。电子的运动不再是在固定的轨道上,位置被认为是电子在原子核外各位置上出现的概率。换句话说,位置通过概率分布和电子云描述。图2.3 比较了波尔和波动力学的氢原子模型。本教材这两种理论都在使用,选择哪一种取决于更能够简单的说明问题。

量子数

原子中的每个电子可以用波动力学中的四个参数即量子数描述。电子概率密度的大小,形状和空间取向均由该量子数中的三个量子数决定。而且波尔能级可以分裂成能级,量子数给出了每一个次能级层的数量。主量子数n为整数,从1开始,分别可以取n=1,2,3,4,5,?;有时这些能级也可以用字母K,L,M,N,O等分别表示n=1,2,3,4,5,?时的状态,如表2.1所示。注意只有这个主量子数与波尔模型有联系。主量子数的大小与电子距核远近即位置有关,n愈大,能级愈高。

第二个量子数l表示次能级,分别用小写字母s,p,d,f来表示次能级电子云的形状。此外,次能级上的次量子数要受到主量子数n大小的限制。表2.1分别列出了在几个主量子数下允许存在的次量子数。对于次能级的能态数由第三个量子数ml决定。处于s状态的电子,只有一个能级态,而对于p,d,f次能级上的电子,则分别有3,5,7种能级状态存在。

电子除绕核运动外还有自旋运动,方向有向上或向下两种。第四个量子数自旋量子数ms用来确

定电子的自旋方向,只能取1/2或-1/2,每个值表示一种方向。

因此,波尔模型被波动力学模型进一步精细化,波动力学引入了三个新量子数来描述每个能级的电子次能级态。图2.2a和2.2b是氢原子的这两种模型的比较。

图2.4是用波动力学模型描述的一个完整的各主能级和次能级的能级图。图的几个特征值得注意。首先,主量子数越小,能级越低,例如,1s能级小于2s能级,2s能级小于3s能级。其次,在


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