材料与社会发展.docx

1.什么是材料？简述材料分类以及各类材料的基本特性。答：材料的定义及其分类（1）定义：材料是指能为人类经济性地，用于制造有用器件的物质。(2)材料的分类：按组成、结构特点进行分类：分为金属材料，无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料。从其发展过程上，可分为传统材料和新型材料，它们是互相依存，互相促进，互相转化，互相替代的关系。传统材料的特征为：需求量大，生产规模大，但环境污染严重；而新型材料是建立在新思路、新概念、新工艺、新检测技术的基础上，以材料的优异性能、高品质、高稳定性参与竞争，属高薪技术的一部分；投资强度较高，更新换代快，风险性大，知识和技术密集程度高，一旦成功，回报率也较高，且不以规模取胜。从其使用性能分类：分为结构材料和功能材料。结构材料则主要利用材料力学性能；而功能材料主要利用材料物理和化学性能。按用途进行分类：分为航空航天材料、信息材料、电子材料、能源材料、生物材料、建筑材料、包装材料、电工电器材料、机械材料、农用材料、日用品及办公用品材料。(3)各自特点：高分子材料：是通过若干高分子链聚集以及高分子链与其他添加组分的相互作用而构成。分子量大，质轻；优良的加工性能，导热系数小，化学稳定性好，电绝缘性好；功能的可塑性好，出色的装饰性，但易老化；可以延压成膜、纺制成丝，可制成各种形状的构件，可产生巨大的粘接力及巨大弹性等。金属材料：有金属元素或以金属元素为主形成的，并具有一般金属特性的材料称为金属材料。一般具有金属光泽，具有良好的导电性，导热性，延展性及塑性；具有良好的强度和韧性，熔点较高。无机非金属材料：传统上主要有陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等四大类，其主要化学组成均为硅酸盐类物质。具有高熔点，高强度，高硬度；耐腐蚀，耐磨损，抗氧化等，以及宽广的导电性，隔热性，透光性；良好的铁电性，铁磁性，压电性。复合材料：是由有机高分子、无机非金属或金属与几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型多相固体材料，它既能保留原组分材料的主要特色，又通过复合效应获得原组分所不具有的性能。比重小，比模量和比强度大；具有优良的化学稳定性，自润滑；耐热，耐疲劳，耐蠕变，电绝缘性好等特点。”2. 请举例说明材料工程与材料科学之间的差别和联系？请给出材料科学研究的五要素图。答：材料科学是研究材料的组织结构、性质、生产流程和使用效能以及它们之间的相互关系，集物理学、化学、冶金学等于一体的科学。材料科学是一门与工程技术密不可分的应用科学。中国的材料科学研究水平位居世界前列，有些领域甚至居于世界领先水平。材料工程是研究、开发、生产和应用金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料的工程领域。其工程硕士学位授权单位培养从事新型材料的研究和开发、材料的制备、材料特性分析和改性、材料的有效利用等方面的高级工程技术人才。要素：化学成分、制备加工、组织结构和性质性能。其中，组织结构是核心要素。同时，前面三者共同支撑“性质性能”。这四者的关系组成一个正四面体。3.材料在历史中发挥重要作用对你印象深刻之处，请举例说明！答：材料的发展与人类进步和发展息息相关。一万年前，人类使用石头作为日常生活工具，人类进入旧时器时代，人类战争也进入了冷兵器时代。7000年前人类在烧制陶器的同时创造了炼铜技术，青铜制品泛地得到应用，同时又促进了人类社会发展，人类进入了青铜器时代。同时火药的发明又使人类战争进入了杀伤力更强的热兵器时代。5000年前人类开始使用铁，随着炼铁技术的发展，人类又发明了炼钢技术。十九世纪中期转炉、平炉炼钢的发展使得世界钢产量迅猛增加，大大促进了机械、铁路交通的发展。随着二十世纪中期合金钢的大量使用，人类又进入钢铁时代，钢铁在人类活动中起着举足轻重的作用。核材料的发现，又将人类引入了可以毁灭自己的核军备竞赛，同时核材料的和平利用，又给人类带来了光明。二十世纪中后期以来，高分子、陶瓷材料崛起以及复合材料的发展，又给人类带来了新的材料和技术革命，楼房可以越盖越高、飞机越飞越快，同时人类进入太空的梦想成为了现实。 .比如电子组件的演进，从体积非常大的真空管、晶体管进步到集成电路（ic化），不仅为现代的科技另造高峰，同时也使得电器用品趋于小型化、轻巧化、功能强、易于携带等种种好处。所以说人类的生活确实是与材料科学有关。1982年日本首次研制出了陶瓷发动机小汽车，引起了世界性轰。因为它的出现将使发动机重量减轻，提高燃烧度和节约燃料的愿望成为现实。1988年前苏联一架以液氢为燃料的中型运输机首次试飞成功，象征人类在航空领域中启用了无污染的新能源-液氢。液氢的沸点为253，携储液氢需要高效率的绝热材料。液氢发动机的使用，则意味着低温极限技术已达到实用化程度。1989年3月，日本的一艘6500号潜水调查船下潜到6500米的深海区，打破了美国、前苏联和德国的下潜纪录。这艘潜水艇耐水舱用的正是一种高强度钛合金，观察窗使用的是一种新型的有机玻璃。有了深海探测技术，人们才可实现对人类资源开发有不可估量的意义深海资源的开发。美国在1989年12月入侵巴拿马，1991年1月人侵海湾以及此刻正在空袭南联盟的战争中，使用的f-ll7隐身战斗机世人皆知。这种武器之所以能隐身，就是使用了一种吸波材料和吸波涂层。4.简述铸造模拟所涉及的主要内容。试举一例计算机模拟在材料科学研究或生产实践中的应用情况。答：a.材料科学中的计算机模拟, 按其模拟尺度, 可分为三类模拟方法: 1. 原子尺度的模拟计算, 包括分子动力学和蒙特卡洛法等1 。分子动力学和蒙特卡洛法可根据粒子间的作用势, 计算多粒子系结构、多种物系结构和多种性质。2. 显微尺度模拟计算: 这类计算以连续介质概念为基础。在基础梯度材料过程中利用计算机模拟方法计算材料的热应力分布, 为寻找合理材料结构提供依据。此外, 用热力学方法预测材料相变及相变产物的显微结构, 也属此方法的研究范畴。3.宏观尺寸的模拟计算: 一般与材料或材料部件的工业生产有关。例如: 非晶态合金经急冷而成。采用计算机模拟计算液体合金快冷时的传热传质过程, 有助于设计合理的设备和工艺, 以保证产品质量。清华大学航天航空学院刘小明等用分子动力学模拟研究金刚石压头在ni 晶体薄膜上的摩擦过程和薄膜塑性变形行为的纳观机制.b.铸造模拟 铸造模拟与可视化铸造概念不同。铸造可视化是采用x射线对实际铸件的凝固过程进行实际观察。而铸造模拟是在铸件实际铸造之前进行铸造的充型、热传导和凝固过程的模拟分析。根据凝固模拟结果制定铸造工艺可大幅度降低铸件废品的发生。多相流的模拟是模拟铸造的充型过程的确基础，多相流的模拟包括卷气、氧化夹杂、砂型冲蚀、压铸过程的排气等的计算分析。模拟铸造考虑了紊流、表面张力、自由表面、相变、热交换等众多影响因素的复杂流动，其模拟结果更接近真实的铸造过程。 模拟铸造应用于各种铸造方法，应用范围在不断扩大。如果将其与可视化铸造结合起来进行铸造工艺研究，其效果就会更好。5.与我们生活密切相关的交通或日常用品，哪些是以钢为主要承力材料的？答：建造北京奥运会主体育场“鸟巢”，就是用了大量的钢材。建材：卷门、轻型钢、防火门。运输：汽车内、外车身板件、排气管。家电：冰箱、洗衣机外壳、干衣机外壳。一般：标识牌、展示柜，冷冻商品陈列橱用于桥梁建筑的钢材6.钢铁在历史中作用显著，如何在未来发挥重要作用7.如何评定材料的硬和软？控制钢的硬或软的主要因素是什么？答：硬度是衡量材料软硬程度的一个性能指标。硬度试验的方法较多，原理也不相同，测得的硬度值和含义也不完全一样。最常用的是静负荷压入法硬度试验，即布氏硬度(hb)、洛氏硬度(hra，hrb，hrc)、维氏硬度(hv)，其值表示材料表面抵抗坚硬物体压入的能力。而里氏硬度（hl）、肖氏硬(hs)则属于回跳法硬度试验，其值代表金属弹性变形功的大小。因此，硬度不是一个单纯的物理量，而是反映材料的弹性、塑性、强度和韧性等的一种综合性能指标。8.我国民间“打铁”过程一般有几步？答：加热，锻打，淬火9.什么是催化剂？催化剂的基本特性是什么？在多相催化反应过程中，从反应物到产物一般经历哪些步骤？答：a.在化学反应里能改变其他物质的化学反应速率，而本身的质量和化学性质在反应前后都没有发生变化的物质叫做催化剂，又叫触媒。b.催化剂的基本特征：催化剂只能实现热力学可行的反应，不能实现热力学不可能的反应；催化剂只能改变化学反应的速度，不能改变化学平衡的位置；催化剂能降低反应的活化能，改变反应的历程；催化剂对反应具有选择性。窗体顶端1. 反应物分子从反应器内流体体相向固体催化剂外表面扩散，称为外扩散2. 反应物分子从催化剂外表面沿着微孔方向朝催化剂内表面扩散，称为内扩散3. 反应物分子在催化剂表面发生化学吸附4. 表面反应5. 吸附态产物从催化剂表面脱附6. 吸附态产物从催化剂内表面扩散到外表面7. 吸附态产物从催化剂外表面扩散到反应流体体相中.10.高分子材料是近代科学技术发展形成的新专业，在中国仅仅只有30年左右的历史，它是材料这个传统的大学科中一片新领域，它主要包括七个方面，请列举。答：塑料，橡胶，合成纤维，涂料，胶黏剂，高分子树脂复合材料，功能高分子材料11.请列举一件高分子材料在军工上应用实例。答：树脂基复合材料具有优异的综合性能，制备工艺容易实现，原料丰富。在航空工业中，树脂基复合材料用于制造飞机机翼、机身、鸭翼、平尾和发动机外涵道；在航天领域，树脂基复合材料不仅是方向舵、雷达、进气道的重要材料，而且可以制造固体火箭发动机燃烧室的绝热壳体，也可用作发动机喷管的烧蚀防热材料。近年来研制的新型氰酸树脂复合材料具有耐湿性强，微波介电性能佳，尺寸稳定性好等优点，广泛用于制作宇航结构件、飞机的主次承力结构件和雷达天线罩。环氧树脂属上海树脂所的ag80了，应用很广。648，氰酸酯等也比较多聚酰亚胺纤维的主要应用领域为环保行业的工业高温除尘过滤材料、航空航天行业的轻质电缆护套及耐高温特种编织电缆、其他领域的过滤、隔火毡、防火阻燃服装及先进复合材料的增强剂等。12.智能材料的三要素是什么？人工合成自愈合材料的作用机制可以是哪些？答：a.智能材料必须具备感知、驱动和控制这三个基本要素b.智能材料（intelligent material），是一种能感知外部刺激，能够判断并适当处理且本身可执行的新型功能材料。智能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料. c. 智能材料有七大功能，即传感功能、反馈功能、信息识别与积累功能、响应功能、自诊断能力、自修复能力和自适应能力。d.自愈合聚合物材料本身就具有恢复材料的载荷传递能力，这种恢复可以是自主地发生，也可以是被一个具体的 刺 激 物 所 激 发 的，1.分子互扩散导致的自愈合2. 由光引发的自愈合3.通过形成可逆键的自愈合4.活性聚合导致的自愈合5纳米粒子自愈合.6. 金属基自愈复合材料7. 混合磨损自愈材料13什么是生物医用材料？什么材料可作为生物医用材料？什么是组织工程技术答：a.生物医学材料指的是一类具有特殊性能、特种功能，用于人工器官、外科修复、理疗康复、诊断、治疗疾患，而对人体组织不会产生不良影响的材料。b.现在各种合成材料和天然高分子材料、金属和合金材料、陶瓷和碳素材料以及各种复合材料，其制成产品已经被广泛地应用于临床和科研。c. 定义：应用生命科学与工程学的原理与技术，在正确认识哺乳动物的正常及病理两种状态下的组织结构与功能关系的基础上，研究、开发用于修复、维护、促进人体各种组织或器官损伤后的功能和形态的生物替代物的一门新兴学科。d.组织工程研究主要包括四个方面：种子细胞、生物材料、构建组织和器官的方法和技术以以及组织工程的临床应用。目前临床上常用的组织修复途径大致有3种：即自体组织移植、异体组织移植或应用人工代用品。14. 举例论述功能晶体材料在社会发展中起什么作用。答：1.光学晶体：主要用于光学仪器的透过窗口、棱镜、透镜、滤光和偏元件及相位补偿镜等2. 非线性光学晶体：其重要应用之一是激光频率转换晶体，用于红宝石激光器、可调谐激光器、半导体激光器。3. 如用于导弹红外制导头的多元红外探测器器件材料碲镉汞、红外探测蓝宝石窗口，精确制导的激光晶体材料红宝石和铷钇铝石榴石、红外接收系统中的关键材料碲镉汞、电子吊舱中的砷化镓材料和空一空导弹整流罩材料多晶硫化锌等。15.举例论述不同功能晶体材料的功能之间的相互关系和相互转化。16举例五种以上太阳电池的名称。阐述太阳电池的工作原理。答：a.太阳能电池根据所用材料的不同，太阳能电池还可分为：硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶体太阳能电池、有机太阳能电池，其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的，在应用中居主导地位。b. 太阳能电池工作原理的基础是半导体pn结的光生伏特效应。所谓光生伏打效应就是当物体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。当太阳光或其他光照射半导体的pn结时，就会在pn结的两边出现电压，叫做光生电压。17. 什么是信息、信息技术及信息材料？信息材料有哪些类型？答：a.信息，指音讯、消息、通讯系统传输和处理的对象，泛指人类社会传播的一切内容b. 它主要是指利用电子计算机和现代通信手段实现获取信息、传递信息、存储信息、处理信息、显示信息、分配信息等的相关技术。c. 信息材料属于功能材料，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 d. 信息材料主要有以下几类。1.信息探测材料对电、磁、 光、声、热辐射、压力变化或化学物质敏感的材料属于此类，可用来制成传感器，用于各种探测系统，如电磁敏 感材料、光敏材料、压电材料等。这些材料有陶瓷、半导体和有机高分子化合物等多种。2.信息传输材料主要 是光导纤维，简称光纤。它重量轻、占空间小、抗电磁干扰、通信保密性强，可以制成光缆以取代电缆，是一种 很有发展前途的信息传输材料。3信息存储材料包括：磁存储材料，主要是金属磁粉和钡铁氧体磁粉，用于计算机存 ；光存储材料，有磁光记录材料、相变光盘材料等，用于外存；铁电介质存储材料，用于动态随机存取存储器；半 导体动态存储材料，目前以硅为主，用于内存。4.信息处理材料是制造信息处理器件如晶体管和集成电路的材料 。目前使用最多的是硅。砷化镓也是一种重要的信息处理材料。18. 结合具体事例，说明材料对信息技术、能源技术发展的推动作用。答：a.1906年佛莱斯特发