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功能材料及其应用复习题 1、 根据磁化率的大小及其变化规律，物质的磁性分为 铁磁性 、 亚铁磁性、顺磁性 、逆磁性 和 反铁磁性 。 2、 根据随温度改变材料形状变化不同，形状记忆效应分为 单程记 忆效应、双程记忆效应和全程记忆效应。 3、智能材料由基体材料、 传感材料 、 驱动材料 和信息处理器四部 分构成。 4、热弹性马氏体相变是马氏体随着 温度变化 可以 可逆地 长大或缩 小。 5、形状记忆材料是通过 马氏体相变 及其 逆变 而具有 形状记忆 效 应的由两种以上元素所构成的材料。 6、磁致伸缩磁性材料磁化过程中发生 沿磁化方向 伸长(或缩短) 的现 象。 7、纳米材料的基本特性包括 小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应 和 宏观量子隧道效应。 8、按照空间维数将纳米材料分为 零维 、 一维 、 二 维 和 三维 四种类型。 9、对非晶态合金，Tg表示 玻璃转变温度 、Tx表示 晶化温度 。 10、根据磁化率的大小及其变化规律，物质的磁性分为 铁磁性 、 亚铁磁性、顺磁性 、逆磁性 和 反铁磁性 。 11、NiTi形状记忆合金的两个特性是 形状记忆效应 和 超弹性 。 12、约束超导现象的三大条件是 临界温度 、 临界磁场 和 临界 电流 。 13、马氏体相变是 非扩散型 相变，相变过程是以切变方式进行，由 于切变方向不同，产生结构相同，位向不同的马氏体，即马氏体变 体。 14、导电材料按导电机理可分为电子导电材料和离子导电材料两大 类。 15、所谓软磁材料就是矫顽力很低( 0.8KA/m) 的磁性材料。 16、硬磁材料是具有强的抗退磁能力和高的剩余磁感应强度的强磁性 材料 , 又称永磁材料。 17、一切光纤的工作基础都是光的全内反射现象。 18、材料的表征就其任务来说主要有三个：成分分析、结构测定、形貌 观察。 1. 材料是人类用来制造产品的物质，但在人类产生前业已存在。（） 2. 材料的性能与材料的成分密切相关，而与其结构无关。（） 3. 功能材料是以力学性能为其主要指标的材料。（） 4. 超导材料的唯一特性是零电阻现象。（） 5. 纳米材料即为含有颗粒尺寸在0.1100nm范围内的材料。（） 6. CVD为化学气相沉积技术的简称。（） 7. 功能梯度材料是一种成分呈梯度改变的合金材料。（） 8. 复合材料是合金材料的一种。（） 9. 隐身材料就是一种肉眼不见其身影的材料。（） 10. C60是由60个C原子组成的32面体结构，其中20个六边形、12个五边 形，它是C的一种同素异构体。（） 11、碳纳米管不是碳的四种同素异构体之一。（） 12、金属的电阻率一般随温度升高而升高。（ ） 13、金属氢化物的吸氢与释氢是在同一温度、同一压力下进行的。（ ） 14、导体、半导体、绝缘体的导电性能不同,是因为它们的能带结构不 同。（ ） 15、材料的性能与材料的成分密切相关，而与其结构无关。（） 16. 功能材料是以力学性能为其主要指标的材料。（） 17. 纳米材料即为含有颗粒尺寸在0.1100nm范围内的材料。（） 18. CVD为化学气相沉积技术的简称。（） 1. 下列指标中不是结构材料力学性能指标的是：（ C ） （A）强度 （B）硬度 （C）切削性能 （D）疲劳强度 2. 晶体中大量原子集合在一起，原来相同的能级分裂为大量的与原来能 级很接近的新能级，这些新能级所分布的能量范围称为：（ A ） （A）能带 （B）允带 （C）满带 （D）禁带 3.第二类超导材料具有两个临界磁场，上临界磁场HC1和下临界磁场 HC2，当外磁场H满足：HC1 时： （ C ） （A）R=0、B=0 （B）R0、B=0 （C）R=0、B0 （D）R0、B0 4.磁性材料：（ B ） （A）在任何条件下都具有磁性 （B）仅在居里温度以下才具有磁性 （C）仅在居里温度以上具有磁性 （D）在居里温度和熔点之间具有磁 性。 5.制备石英光纤有多种方法，其中等离子体化学气相沉积法的缩写是： （ A ） （A）PCVD （B）CVD （C）MCVD （D）AVD 6.生物材料植入人体后，与机体组织直接接触，在生理环境作用下逐渐 被腐蚀，将这种反应称为：（ C ） （A）宿主反应（B）过敏反应（C）生理腐蚀反应（D）失效反应 7.环境材料同时具有满意的使用性能和环境协调性能，环境的协调性指 的是：（ B ） （A）对资源和能源的消耗少，对环境无污染 （B）对资源和能源的消耗少，对环境污染少 （C）对资源和能源的消耗多，对环境污染少 （D）对资源和能源的消耗少，对环境污染多 8.形状记忆材料不属于下列材料中的哪一种：（ B ） （A）合金材料（B）复合材料（C）功能材料（D）智能材料 9.梯度功能材料属于以下哪一种材料：（ A ） （A）复合材料（B）合金材料（C）结构材料（D）形状记忆材料 10.纳米尺度的物质，其熔点显著减小，这种效应被称为：（ B ） （A）表面效应（B）小尺寸效应（C）量子尺寸效应（D）宏观隧道效 应 1、功能材料：以特殊的电、磁、声、光、热、力、化学及生物学等性 能作为主要性能指标的一类材料。是用于非结构目的高技术材料。 2、储氢材料：在一定温度和压力下能可逆地大量吸收和放出氢气的特 种材料。 3、迈斯纳效应： 超导态下，外磁场的磁化使超导体表面产生感应电 流，感应电流在超导体内产生的磁场正好和外磁场相抵消，导致超导体 内部磁场为零，即具有完全抗磁性，这种现象就是迈斯纳效应。 4、复合材料：由两种以上不同的原材料组成，使原材料的性能得到充 分发挥，并通过复合化而得到单一材料所不具备的性能的材料。 5、非晶合金：如果金属或合金的凝固速度非常快，原子来不及整齐排 列便被冻结，最终的原子排列方式类似于液体，混乱排列，是非晶合 金。 6、结构材料：指具有抵抗外场作用而保持自己的形状、结构不变的优 良力学性能，用于结构目的的材料。 7、智能材料：是指具有感知环境（包括内环境和外环境）刺激，对之 进行分析、处理、判断，并采取一定的措施进行适度响应的智能特征的 材料。 8、信息材料：是为实现信息探测、传输、存储、显示和处理等功能使 用的材料。 9、磁功能材料：指利用材料的磁性能和磁效应实现对能量及信息转 换、存储或改变能量状态等功能作用的材料。 10、形状记忆合金的超弹性：在Af温度以上对记忆合金施以应力，使合 金产生应力诱发马氏体相变。这时产生的马氏体是不稳定的，一旦应力 消除，应变因应力诱发马氏体逆变为母相而回复，称为超弹性。 11、形状记忆效应：是指将材料在一定条件下进行一定限度以内的变形 后，再对材料施加适当的外界条件，材料的变形随之消失而回复到变形 前的形状的现象。 12、红外材料：指与红外线的辐射、吸收、透射和探测等相关的一些材 料。 13、纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础按一定规律构筑或营造一 种新的体系，包括一维、二维、三维体系。这些物质单元包括纳米微 粒、稳定的团簇、纳米管、纳米棒、纳米丝以及纳米尺寸的孔洞。 14、超导体的同位素效应是指超导体的临界温度依赖于依赖于同位素质 量的现象。 1、描述超导材料的三个临界参数； 由正常态转变到超导态,即电阻变为零的温度为临界温度； 将可以破坏超导态所需的最小磁场强度称为称为临界磁场; 产生临界磁场的电流，即超导态允许流动的最大电流称为临界电流。 2、简述形状记忆材料应该具备的条件； 马氏体相变是热弹性的； 母相与马氏体相呈现有序点阵结构； 马氏体内部是孪晶变形的； 相变时在晶体学上具有完全可逆性 3、纳米材料的基本单元按维数分为哪几类？ (1)零维:在空间三维尺度在纳米尺度(纳米粉体、纳米团簇)； (2)一维:在空间有两维在纳米尺度(纳米丝(棒、管)等； (3)二维:在三维空间中有一维在纳米尺度(超薄膜、纤维材料) (4)三维:尺寸为1-100nm的粒子为主体形成的纳米块体 4、简述非晶态合金的结构特点。 (1)结构长程无序 (2)结构短程有序 (3)组成和性质均匀性 (4) 结构处于热力学上的非平衡态, 总有进一步转变为稳定晶态的倾 向。 5. 光在光纤中的传播原理是什么？传播模式又有几种？各自的特点又是 什么？ 答：原理：光的全反射模式：单模：光纤直径细，只有310微米， 同波长相近，只能传播与光纤轴平行的一种模式，其余模式的光均被淘 汰；不存在模式色散，传输频带宽，信息量大。 多模：又分为梯度和 阶跃两种，光纤直径为几十到上百微米，比光的波长大的多，可以同时 传输多种模式的光，传输频率受模式色散的限制，信息量不高。 6、简述固态储氢的优势； 体积储氢容量高；无需高压及隔热容器；安全性好，无爆炸危险； 可得到高纯氢，提高氢的附加值。 7、简述对生物医学材料的基本要求； 生物相容性 ：对人体无毒、无刺激，在体内不排斥无炎症，无凝血 溶血反应 化学稳定性 ：耐体液侵蚀，不产生有害降解产物；不产生吸水膨 润、软化变质；自身不变化 力学条件：足够的静态强度，具有适当的弹性模量和硬度，耐疲劳 摩擦 其它要求：良好的空隙度，易加工形成，热稳定性好 8、描述超导材料的两个基本特性及其关系； 零电阻效应：在临界温度时，电阻变为零的现象。 迈斯纳效应：在超导态时，不允许磁场穿过，即具有完全抗磁性。 关系：相互独立又相互联系：单纯的零电阻不能保证具有迈斯纳效 应；而迈斯纳效应存在必满足零电阻效应。 9、金属贮氢原理是什么？ 金属大都能固溶一定量的氢而形成固溶体(MHx)，当氢含量超过一 定限度后，金属与氢发生反应形成金属氢化物(MHy)。反应式如下： 金属与氢的反应，是一个可逆过程。正向反应，吸氢、放热；逆向 反应，释氢、吸热。改变温度与压力条件可使反应按正向、逆向反复进 行，实现材料的吸释氢功能。 10、氢能的特点及储氢方法 答：氢能是人类未来的理想能源。氢能具有热值高，如燃烧1kg氢可发 热12106kJ，相当于3kg汽油或4.5kg焦炭的发热量；资源丰富，地球 表面有丰富的水资源，水中含氢量达111；干净、无毒，燃烧后生 成水，不产生二次污染；应用范围广，适应性强，可作为燃料电池发 电，也可用于氢能汽车、化学热泵等。因此，氢能的开发和利用成为世 界各国特别关注的科技领域。 11、储氢方法可分为物理法和化学法。 答：所谓物理方法储氢是指储氢物质和氢分子之间只有纯粹的物理作用 或物理吸附。而化学法储氢则是储氢物质和氢分子之间发生化学反应、 生成新的化合物，具有吸收或释放氢的特性。物理储氢技术又分高压压 缩储氢、深冷液化储氢、活性炭吸附储气等；化学储氢技术包括金属氢 化物储氢、无机化合物储氢、有机液态氢化物储氢等。 12、简述非晶态合金的形成条件与制备方法。 形成条件： 原则上，冷却速度要足够快，使熔体中原子来不及作规则排列就完成凝 固过程，即可形成非晶态金属。实际上，还要考虑材料的成分与各组元 的化学性质。组元间的电负性及原子尺寸相差越大越容易形成非晶态合 金。 制备方法： 1）由气相直接凝聚成非晶态固体，如真空蒸发、溅射、化 学气相沉积等；2）由液态快速淬火获得非晶态固体，是目前应用最广 泛的非晶态合金的制各方法；3）由结晶材料通过辐照、离子注入、冲 击波等方法制得非晶态材料，可在金属表面产生非晶层。 13、什么是生物医学材料？其主要研究内容是什么？对这种材料有什么 基本要求？ 生物医学材料是用于与生命系统接触和发生相互作用的，并能对其细 胞、组织和器官进行诊断治疗、替换修复或诱导再生的一类天然或人工 合成的特殊功能材料。 研究内容： 生物体生理环境、组织内容、器官 生理功能及其 替代方法 具有特种生理功能的生物医学材料的合成、改性、 加工成型以及材 料的特种生理功能与其结构关系。 材料与生物体的细胞、组织、血液、体液、免疫、 内分泌等生理系 统的 相互作用 以及养活材料毒副作用的对策。 材料灭菌、消毒、医用 安全性评价方法 与标准以 及医用材料与制品 生产管理与国家管理法规。 材料基本要求： 生物相容性 ：对人体无毒、无刺激，在体内不排斥无炎症，无凝血 溶血反应 化学稳定性 ：耐体液侵蚀，不产生有害降解产物；不产生吸水膨 润、软化变质；自身不变化 力学条件：足够的静态强度，具有适当的弹性模量和硬度，耐疲劳摩 擦 其它要求：良好的空隙度，易加工形成，热稳定性好 论述题 （1）论述实用储氢合金应满足那些要求？ 答：理论上，能够在一定温度、压力下与氢形成氢化物并且具有可逆反 应的金属或合金都可以作为储氢材料。但是，要使储氢合金材料达到实 用的目的，必须满足下列要求。 (1)储氢最大，能量密度高。不同金属或合金的储氢量差别很大，一般认 为可逆吸氢量不少丁150m1g为好。 (2)吸氢和放氢速度快。吸氢过程中，氢分子在金属表面分解为氢原子， 然后氢原子向金属内部扩散，金属氢化物的相转变，这些步骤都直接影 响吸收氢的速率和金属氢化物的稳定性。 (3)氢化物生成热小。储氢合金用来吸收氢时生成热要小，一般在-29 46kJ/mol H2为宜。 (4)分解压适中。在室温附近，具有适当的分解压(0.11MPa)。若分解 压过高，则吸氢时充氢压力较高，需要使用耐高压容器。若分解压 0.1MPa，则必须加热才能释放氢，需要消耗能源。同时，其PC T 曲线应有较平坦和较宽的平衡压平台区，在这个区域内稍微改变压力， 就能吸收或释放较多的氢气。 (5)容易活化。储复合金第一次与氢反应称为活化处理，活化的难易直接 影响储复合金的实用价值。它与活化处理的温度、氢气压及其纯度等因 素有关。 (6)化学稳定性好，经反复吸、放氢，材料性能不衰减，对氢气中所含的 杂质(如O2、CO、CI2、H 2S、H2O等)敏感性小，抗中毒能力强，即使 有衰减现象，经再生处理后,也能恢复到原来的水平，因而使用寿命 长。 (7)在储存与运输中安全、无害。 (8)原料来源广、成本价廉。 目前研究并发展和投入应用的金属氢化物还没有一种完全具备上述特 征，只能择重而取。 （2）论述形状记忆效应及其三种类型（画图说明） 具有一定形状的固体材料，在某一低温状态下经过塑性变形后，通 过加热到这种材料固有的某一临界温度以上时，材料又恢复到初始形状 的现象，称为形状记忆效应。具有形状记忆效应的材料称为形状记忆材 料。 形状记忆效应可分为三种类型：单程形状记忆效应、双程形状记忆 效应和全程形状记忆效应。所谓单程形状记忆效应就是材料在高温下制 成某种形状，在低温时将其任意变形，再加热时恢复为高温相形状，而 重新冷却时却不能恢复低温相时的形状。若加热时恢复高温相时的形 状，冷却时恢复低温相形状，即通过温度升降自发可逆的反复恢复高低 温相形状的现象称为双程形状记忆效应。当加热时恢复高温相形状，冷 却时变为形状相同而取向相反的高温相形状的现象称为全程形状记忆效 应。 （3）根据你对这门课的学习，请选择一种功能材料展开论述，谈 谈你对其背景、应用及发展前景或趋势的认识。 （4）论述非晶态合金的性能特点与原因？ 答：1）力学性能：非晶态合金由于组织均匀，没有位错、晶界等 晶体缺陷，具有极高的强度和硬度；非晶态合金的延伸率一般较低，但 其韧性很好，压缩变形时，压缩率可达40。 2）软磁特性：非晶态合金由于其结构上的特点无序结构，不 存在磁晶各向异性，因而易于磁化，磁导率、饱和磁感应强度高；矫顽 力低、损耗小，是理想的软磁材料。 3）耐蚀性能：非晶态合金具有优异的耐腐蚀性能。 非晶态合金的耐蚀性主要是由于生产过程中的快冷，导致扩散来 不及进行，所以不存在第二相，组织均匀；其无序结构中不存在晶 界，位错等缺陷；非晶态合金本身活性很高能够在表面迅速形成均匀 的钝化膜，阻止内部进一步腐蚀。 （4）论述形状记忆过程。 马氏体的自适应形成 由母相中形成马氏体时，不同取向的马氏体变体的应变在母相中的 方向不同。当某一变体在母相中形成时，产生某一方向的应变场，随变 体的长大，应变能不断增加，变体的长大越来越困难。为降低应变能， 在已形成的变体周围会形成新的变体，新变体的应变方向与已形成的变 体的应变场互相抵消或部分抵消。有均匀体积变化，无明显形状改变。 马氏体的再取向 对组织为自适应马氏体的样品施加外力时，在较小的应力作用下， 马氏体变体以其应变方向与外加应力相适应而再取向。即变体的应变方 向与外加应力方向最接近的变体通过吞并其它应变方向与外加应力不相 适应的变体而长大，直至整个样品内的各个不同取向的变体最终转变成 一个变体。这时，由母相转变为马氏体所产生的相变应变不再互相抵 消，而是沿外加应力方向累积起来，样品显示出宏观形状的变化。卸去 应力后，变形保持下来。 马氏体的逆转变 将变形马氏体加热到As点以上，马氏体将发生逆转变，因为马氏体 的对称性低，转变为奥氏体时只形成几个位向，甚至只有一个位向 母相原来的位相。逆转变完成后，便完全恢复了原来母相的晶体，宏观 变形也完全恢复。 （5）试说明软磁材料、硬磁材料的主要性能指标。 答：软磁材料：容易反复磁化，且在外磁场去掉后，容易退磁的材料。 特点：软磁材料磁 滞回线细长，磁