功能材料作业及答案.doc

绪论1、简要叙述功能材料的定义、分类和主要应用领域；答:1)定义：功能材料是以物理性能为主的工程材料的统称，即指在电、磁、声、光、热等方面具有特殊性质，或在其作用下表现出特殊功能的材料；2)分类:a.依用途：分为电子、航天、航空、兵工、建筑、医药、包装等；b.依化学化学成分：分金属、无机非金属、有机、高分子和复合功能材料；c.依聚集态：分为气态液态、固态、液晶和混合态功能材料，其中固态又分为晶态，准晶态和非晶态三种；d.依功能：分为物理、化学、生物和核功能材料；e.依形态：分为体积、纤维、膜及颗粒等；f.依维度：分为三维、二维、一维和零维；3)应用领域：a.功能材料在航空工业中的作用；例如：MCrAlYZrO2隔热涂层涂敷于涡轮和导向叶片表面可提高其使用温度150或更高；b.功能材料在环保上的应用；例如：活性碳纤维(ACF) 属粒子甚至微生物，还可将贵金属粒子还原为低价粒子或金属单质。离子交换纤维可对SO2、HF、HCl、NH3等有害气体有效吸附，且由于它表面含有有机胺等非溶性活性基团，当它与人体皮肤接触时可改善皮肤微循环，达到抑杀细菌的目的c.功能材料在防伪上的应用；2能量转换的主要形式和内容主要包括内涵？请各自举例说明；答：形式：a.电能转化热能；b.热能转化电能；c.机械能转化电能；d.光能转化电能；e.化学能转化电能；f.电能转化机械能；g.化学能转化热能；h.热能转化机械能；i.机械能转化热能；j.光能转化热能;k.光能转化机械能；l.光能转化化学能。3简要说明一次能源和二次能源以及常规能源和新能源技术的含义。答：按照能源是否天然存在分为一次能源，二次能源 1) 一次能源:自然界中天然存在的能源。没有经过人工转换；如煤、石油、木材、水力、风力、太阳光等。2) 二次能源:依靠一次能源产生而制取的能源；如电能、汽油、煤油、酒精（由石油中制取的）。第一讲 电性材料和半导体材料及应用1. 分析和说明影响金属或合金电导率的重要因素；答：因素主要有三个方面：温度、参杂程度、各向异性；具体如下：1) 温度：电导率与温度具有很大相关性。金属的电导率随着温度的升高而减小。半导体的电导率随着温度的升高而增加； 2) 参杂程度；金属或合金的掺杂程度会造成电导率很大的变化。增加掺杂程度会造成电导率增高。3) 各向异性：有些金属或合金会有异向性的电导率。2. 试说明下列名词和概念的基本含义：答：1) 本征半导体:不含杂质且没有晶格缺陷的纯净半导体称为本征半导体。但实际半导体不能绝对的纯净，此类半导体称为杂质半导体。2) 掺杂半导体: 本征半导体中载流子数目极少，导电能力仍然很低。但如果在其中掺入微量的杂质，所形成的杂质半导体的导电性能将大大增强。由于掺入的杂质不同，杂质半导体可以分为N型和P型两大类。3) 直接带隙半导体: 直接带隙半导体材料就是导带最小值（导带底）和价带最大值在k空间中同一位置。电子要跃迁到导带上产生导电的电子和空穴（形成半满能带）只需要吸收能量。4) 间接带隙半导体: 间接带隙半导体材料导带最小值（导带底）和满带最大值在k空间中不同位置。形成半满能带不只需要吸收能量，还要改变动量。3. 计算半导体锗（Ge）在20oC下：(a) 载流子电荷的数目；(b)价带中电子受激进入导带的分数；（c）试分析单位体积中金属铜的价电子数与半导体锗（Ge）在20oC下的载流子电荷数目，说明其导电性能的差异。 由查表可知，锗的导电参数如下： = 0.02-1cm-1, Eg = 0.67eV, e =3800 cm2/Vs, h = 1820cm2/Vs, 2kT = 0.05eV答：已知 = 0.02-1cm-1, Eg = 0.67eV,e =3800 cm2/Vs, h = 1820cm2/Vs(a) n=q(e+h)=0.021.6 x 10-19(3800+1820)=2.2 x 1013室温下锗中参与导电的电子和空穴数分别为2.2 x 1013(b)具有金刚石正方晶型的锗的点阵参数为5.6775 x 10-18cm，价带中的电子总数为：电子总数=8原子晶胞(4电子原子)(5.6575 x 10-8cm)3=1.17 x 1023 受激电子数=2.210131.771023=1.2410-10 (c)n=nexp(-Eg2kT)=2.21013exp(-0.670.05)=3.33107载流子/cm34. 通过文献查询和阅读，简要综述目前有哪些有效方法可获得高电导率和力学强度较高的铜合金？其各自特点是什么？答：答：目前获得高强、高导铜合金的途径有两种:一是引入合金元素强化铜基体形成合金;二是引入第二强化相形成复合材料。（1）合金化法是在铜中添加合金元素,溶质原子溶入晶格后会引起晶格点阵畸变,造成应力场,从而使强度提高。传统的合金化法主要通过固溶强化和析出强化等手段来强化铜基体。（2）固溶强化的主要机理是使溶质原子溶入铜基体形成固溶体,从而引起晶格畸变,而晶格畸变所产生的应力场与位错周围的弹性应力场产生交互作用,溶质原子在位错周围积聚,阻碍位错运动,从而使材料得到强化。合金元素进入铜基体中,虽能提高铜的强度,但同时也很大程度上降低铜基体的电导率。铜合金中常用的固溶合金元素有Sn、Cd、Ag等。5. 简要说明发光半导体二极管的发光原理；与常规半导体材料比较，发光二极管半导体材料有哪些特点？答：原理：实际上发光二极管就是一个pn结。当加上正向偏压时，在外电场作用下，P区的空穴和n区电子就向对方移动，构成少数载流子的注入，从而在pn结附近引起导带电子和价带空穴的复合。复合时多余的能量会以热能、光能或部分热能和光能的形式辐射出来。对于直接带隙的半导体材料如GaAs、GaP、GaAs1-xPx等，其电子与空穴的复合主要以光能形式释放。特点：半导体发光二极管是由族化合物，如GaAs(砷化镓)、GaP(磷化镓)、Q暖sP(磷砷化镓)等半导体制成的，其核心是PN结。因此，它具有一般PN结的特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。其具有结构牢固，耐冲击，抗震动，性能稳定可靠，重量轻，体积小，成本低等特点。6. 简要说明半导体pn结的光伏效应和光伏电池工作原理； 答：光伏效应：当两个费米能级不同的半导体材料相互接触时，半导体界面之间会发生电荷转移，导致界面附近产生内建电场或势垒。若用波长小于半导体价带宽度对应波长的光照射界面，并利用导线把两边联起来，可以发现回路中有电流流过，这种由于光照引起的电流称为光生电流，在开路时，半导体界面两侧有电压差存在此电压称光生电压。这种由于内建电场引起的光电转换现象称光生伏特效应。 光伏电池工作原理：当施加零偏压时，在空间电荷区存在自建电场；当一束 hEg 的入射光照射，入射光能够使空间电荷区产生电子-空穴对；这些电子-空穴对被自建电场分离后，形成沿反偏方向的光生电流L；光电流在负载R上产生电压降，这个电压可以p-n使结正偏，正偏电压产生正偏电流。7. 表征光伏电池性能的主要参数有哪些？说明光伏电池转换效率的意义和表达式。 答：表征光伏电池性能的主要参数：短路电流ISC；开路电压VOC；最大输出功率Pm;填充因子FF；光-电转换效率 光伏电池转换效率表示了光伏材料的光电转换能力。其表达式：8. 简述光伏电池的内量子效率和外量子效率的意义； 答：内量子效率：被电池吸收的波长为一个入射光子的能量对外电路提供一个电子的几率。内量子效率反映的是对短路电流有贡献的光生载流子数与被电池吸收的光子数之比。外量子效率：被电池吸收的波长为一个入射光子的能量对外电路提供一个电子的几率。内量子效率反映的是对短路电流有贡献的光生载流子数与被电池吸收的光子数之比。9. 太阳能电池的种类和典型材料特性；答：单晶硅太阳能电池。其材料特性为转化率高、可靠性高，但是其成本较高，光电转换效率有待提高。多晶硅太阳能电池。晶硅太阳电池的制作工艺与单晶硅太阳电池差不多，其光电转换效率约12左右，稍低于单晶硅太阳电池，但是材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，因此得到大量发展。 非晶硅太阳电池。非晶硅太阳电池硅材料消耗很少，电耗更低，它的主要优点是在弱光条件也能发电。但非晶硅太阳电池存在的主要问题是光电转换效率偏低，目前国际先进水平为10左右，且不够稳定，随着时间的延长，其转换效率衰减。多元化合物太阳电池 多元化合物太阳电池指不是用单一元素半导体材料制成的太阳电池。现在各国研究的品种繁多，大多数尚未工业化生产，主要有以下几种：（1）硫化镉太阳电池（2）砷化镓太阳电池（3）铜铟硒太阳电池。10.试从半导体材料性质和电池结构方面，分析和叙述影响光伏电池转换效率的主要因素（或电池效率损失）。答：带隙宽度对转换效率有重要影响。带隙宽度太窄或太宽都会引起效率的下降，故必须优化材料的Eg值。有非平衡载流子输运决定的光伏器件，其少子寿命对器件有重要影响。长的少子寿命可制备出高性能的太阳能电池。表面复合的影响。背表面复合主要影响电池的长波响应，而前表面复合主要影响电池的短波响应。寄生电阻效应。串联电阻降低输出电压；并联电阻使电池整流特性变差；温度对电池I-V 特性的影响。第三章 热电转换技术和材料1. 泽贝克（Seebeck）效应和佩尔捷（Peltier）效应；答：泽贝克（Seebeck）效应：1821年，德国人Seebeck首先发现当两种不同导体构成闭合回路时，如果两个接点的温度不同，则两接点间有电动势产生，且在回路中有电流通过，即温差电现象或Seebeck效应。佩尔捷（Peltier）效应：1833年，法国钟表匠Pletier发现了Seebeck效应的逆效应，即电流通过两个不同导体形成的接点时，接点处会发生放热或吸热现象，称为Peltier效应。2. 热电材料温差发电的基本原理；答：与外电路构成闭合回路后，由于塞贝克效应扩散到n型半导体冷端的电子将通过导线和负载流向p型半导体的冷端，与同样由于塞贝克效应扩散聚集到p型半导体冷端的空穴复合消失。同样在热端，闭合回路中的电子（通过导电金属片）从p型半导体热端到n型半导体热端的流动，使得由于塞贝克效应产生的电子和空穴运动得以维持。由于型半导体材料的泽贝克系数为正值，n型材料的泽贝克系数为负值，将型和型材料如图所示组合在一起成为一个对器件时，利用塞贝克效应产生的电势或二者可以叠加起来，相对于单个热电材料组成的器件，其能量转换效率大大提高。3. 衡量热电材料转换效率（）和性能优值（ZT）参数的表达式和意义；答：热电材料转换效率（）表达式：=-TThot 1-1+ZTavgTcoldThot+1+ZTavg性能优值（ZT）表达式:ZT=s2TK意义：由表达式我们可知效率高，则ZT和T大，T大意味着热导率小，热点性能优异的热电材料应该具有大的Seebeck系数，大的电导率，小的热导率。4. 简述影响材料热电性能优值（ZT）的主要因素；一个优良的半导体热电材料至少应具备的条件？答：影响材料热电性能优值（ZT）的主要因素有材料的泽贝克系数，材料的电导率，绝对温度，材料的载流子热导率，材料的晶格热导率。一个优良的半导体热电材料应具备以下四个条件：接近费米能级的电子能带具有高的晶体对称性，有尽可能多的能谷，有较大的载流子有效质量，从而获得较高的值；由电负性相近的元素组成化合物，减少载流子输运中的极性散射，从而得到合理大小的迁移率，以保证有效质量和载流子迁移率之积尽可能大；禁带宽度在10 kBT左右，其中接近使用温度，保证材料的 ZT在使用温度附近具有最佳值； 具有较低的晶格热导率，一般重元素组成的材料的热导率都较低。5. 一般采用哪些方法来降低热电材料的热导率？答：热点材料的热导率分别是电子热导率和晶格热导率，其中晶格热导率约占总热导率的90，因此设法降低晶格热导率是提高材料热电性能的关键。降低晶格热导率主要有以下几个方面，材料的熔点越低，晶格热导率越小; 原子平均质量越重，晶格热导率越小; 密度越小，也就是原子间距离越大，晶格热导率越小。6. 试列举一些典型热电材料并简述其性能特点；答：半导体金属合金型热电材料。金属材料的热电效应非常小,除在测温方面的应用外,其他没有实际的应用价值。方钴矿热电材料。此类化合物具有较高的载流子迁移率和中等大小的反Seebeek系数，但热导率比传统的热电材料要高.此类化合物的显著特点是，外来小原子可以插入晶体结构的孔隙，在平衡位置附近振动，从而可以有效地散射热声子，大大降低晶格热导率。 金属硅化物型热电材料。金属硅化物是指元素周期表中过渡元素与硅形成的化合物,如 FeSi2,MnSi2,CrSi2等。由于这类材料的熔点很高,因此很适合于温差发电应用。对于上述几类硅化物,人们研究较多的是具有半导体特征的-FeSi3,它具有高抗氧化性、无毒、价格低廉等优点。氧化物型热电材料。氧化物型热电材料的特点是可以在氧化气氛里高温下长期工作,大多数无毒性、无环境污染,且制备简单,制样时在空气中可直接烧结,无需抽真空,成本费用低,因而备受人们的关注。 准晶材料。准晶材料由于具有非常低的热导率，类似于玻璃，因此在热电材料领域具有相当大的吸引力。同时由于它的Seebeck系数较低，热电优值也相对较低，如果能找到合适的方法来明显增大Seebeek系数也可望获得较高的热电优值。第四讲 先进电池的储能及其电极材料1. 根据电化学反应原理，和电池能量密度概念，写出电池或电极材料的理论能量密度表达式，简要分析和叙述开发高能量密度电池时其正极和负极材料应必须具备哪些基本条件？请列举一些典型的高能电池类型。答：电池或电极材料的理论能量密度表达式： 其中，ED是能量密度(energy density )，其单位可以用Wh/kg或Wh/L表示，分别代表质量能量密度和体积能量密度。 反应物具有较低吉布斯生成能而生成物具有较高吉布斯生成能时，电化学体系将具有较高的能量密度。为了提高二次电池的能量密度，其正极和负极活性材料必须具备以下条件：（1）较大的电位差(电动势)以产生一个高的工作电位（ ES ）；（2）电极材料具有较轻的分子或原子质量( M )；（3）活性材料的电极反应中涉及多电子转移( n )。 高能电池的类型：锂离子电池，基于多电子反应机理的二次电池，金属-空气电池，金属锂-空气电池，全钒液流电池，锂-硫电池。2. 简要评述目前锂离子电池正负极材料的发展现状；答：目前，锂离子电池使用的负极主要有：石墨（理论容量为372mAh/g）；Li4Ti5O12 (理论容量为170mAh/g）；大容量负极活性物质Sn (理论容量为994mAh/g）；Si（理论容量为4200mAh/g）；金属锂。如果金属锂的枝晶问题得到较好的控制，具有巨大容量的金属锂也有望用于负极， 所以负极容量有可能在将来得到较大的提高。锂离子电池使用的正极材料主要有：LiMn2O4（理论容量为148mAh/g）（尖晶石型）；LiFePO4（理论容量为170mAh/g）（橄榄石型）； LiNixCoyMn1-x-yO2 （理论容量为280mAh/g）；三元材料的层状镍钴锰酸锂即是当前公认的最有商用价值的正极材料之一。由锰酸锂、磷酸铁锂为主的正极材料向锰酸锂/镍钴锰酸锂、磷酸铁锂/镍钴锰酸锂等混合型正极材料过渡, 最终随着镍钴锰酸锂前驱体制备工艺的成熟化、烧结问题及专利问题的不断解决，三元材料有望成为电动汽车电池的主流正极材料。3.说明金属锂-空气电池工作原理；通过文献查询和阅读，简要分析目前该电池研发过程中存在的主要问题和现状。 答：金属锂-空气电池工作原理：根据电解质种类，锂空气电池主要包含水体系和有机体系两大类。当前研究重点是有机体系，电池由金属锂负极、含可溶性锂盐的有机电解液以及含催化剂的空气电极(阴极或正极)构成。放电时，Li被氧化成Li进入电极液，O2被催化还原并与Li结合形成 Li2O2，充电时Li在负极析出而Li2O2氧化分解。充电时，过电压较高，需要寻找优异的电催化剂来降低过电压从而提高能量效率。锂-气电池目前存在的科学和技术难题：还原和氧析出反应动力学缓慢、过电位高，造成极化大、充放电能量效率低,而且氧气在电解液( 特别是有机体系)中的溶解度小，不利于反应物的输运和扩散，电池倍率性能受限。电池是开放结构，锂是活泼金属，容易与空气中的水反应被腐蚀，锂枝晶的形成可能造成安全隐患，常规的碳酸酯类有机电解液与H2O和CO2反应会产生系列副反应。反应产物和副产物在空气电极析出后可能堵塞气孔道，造成电池失效。针对这些问题，研究人员从阴极催化剂、电解质电解液、防护膜、电池结构等方面开展了大量工作。第五讲 磁性材料和应用1. 说明下列磁学参量的定义和概念：磁化强度、矫顽力、饱和磁化强度、磁导率、磁化率、剩余磁感应强度、磁各向异性、退磁效应、磁致伸缩。答：1) 磁化强度：描述磁介质磁化状态的物理量。磁化强度，通常用符号M表示。定义为媒质微小体元V内的全部分子磁矩矢量和与V 之比。2) 矫顽力：是指磁性材料在饱和磁化后，当外磁场退回到零时其磁感应强度B并不退到零，只有在原磁化场相反方向加上一定大小的磁场才能使磁感应强度退回到零，该磁场称为矫顽磁场，又称矫顽力。3) 饱和磁化强度：指磁性材料在外加磁场中被磁化时所能够达到的最大磁化强度叫做饱和磁化强度。饱和磁化强度是铁磁性物质的一个特性，是永磁性材料极为重要的磁参量。4) 磁化率：对置于外磁场中的磁体有：M = H ，式中称为磁体的磁化率。5) 磁导率：表征磁介质磁性的物理量。表示在空间或在磁芯空间中的线圈流过电流后、产生磁通的阻力、或者是其在磁场中导通磁力线的能力。剩余磁感应强度：剩余磁通密度。当对磁体施加完一个磁场以后,产生磁通密度。但是把磁场去掉以后,磁通密度并不会减小到0,出现剩余磁场,此为剩余磁通密度。6) 磁各向异性：对于单晶材料，其磁化曲线随晶轴方向的不同而有所差别，即磁性随晶轴方向显示各向异性。退磁效应：当磁体表面出现磁极后，除在铁磁周围空间产生磁场外，在铁7) 磁内部也产生磁场。这一磁场与铁磁体的磁化强度方向相反，它起到8) 退磁作用，故称为退磁场。9) 磁致伸缩：磁性材料由于磁化状态的改变，其长度和体积都要发生微小的变化。2. 磁畴大小和结构由哪些条件决定（从能量角度分析）？答：磁畴结构受到畴壁能，磁晶各向异性能和退磁场能的制约。退磁场能最小是形成磁畴的主要原因。实际情况中，还必须考虑其他一些因素比如交换能、磁晶各向异性能、磁致伸缩导致的磁弹性能等的影响。真实的磁畴结构由总能量的极小值来确定。3. 哪些磁性能参数是组织敏感的? 哪些是不敏感的？举例说明成分、热处理、冷变形和晶粒取向等因素对磁性的影响。答：Ms、Tc、磁晶各向异性、磁致伸缩系数等组织不敏感。饱和磁化强度、Hc、Br、X等组织敏感。成分：任何材料都是有磁性的，但是不同材料的磁性强度不同。热处理：外部磁场中热处理，可控制磁性颗粒的析出形态，沿外场方。冷变形：多晶体材料拔丝、轧扳、挤压、压缩等塑性变形可导致晶粒转动，使晶粒的晶体学方位会发生一定程度的定向排列，即择优取向、织构等，从而引发可诱导