功能材料思考题.doc

第一章 功能材料概述1986年，我国制定了高技术发展计划纲要，被评选列入的七个技术群 七个技术群是生物技术、信息技术、激光技术、航天技术、自动化技术、新能源技术和新材料技术 新材料技术。一般认为，新材料 新材料有晶须材料、非晶材料、超塑性合金、形状记忆材料、功能陶瓷、功能有机材料、超导材料、碳纤维、能量转换材料等。新材料发展的重点已经从结构材料转向功能材料 日本和欧美各国对新型功能材料的研究十分注意，这是因为功能材料是能源、计算机、通讯、电子、激光等现代科学的基础，功能材料在未来的社会发展中具有重大战略意义。近10年来，功能材料成为材料科学和工程领域中最为活跃的部分。每年以5以上的速度增长，相当于每年有1.25万种新材料问世。一、功能材料的概念功能材料是指通过光、电、磁、热 、化学 、生化等作用后具有特定功能的材料。在国外，常将这类材料称为功能材料 功能材料(Functional Materials)、特种材料 特种材料(SpecialityMaterials)或精细材料 精细材料(Fine Materials)。功能材料涉及面较广，具体包括光、电功能，磁功能，分离功能，形状记忆功能等。功能材料既遵循材料的一般特性和变化规律又具有其自身的特点 材料分为以下四类 (1)力学功能主要是指强化功能材料和弹性功能材料，如弹性材料、高塑性材料、超高强材料等。(2)化学功能分离 分离功能材料：如分离膜，离子交换树脂、高分子络合物；反应 反应功能材料；如高分子试剂、高分子催化剂；生物 生物功能材料：如固定化菌，生物反应器等。（3）物理功能电学 电学功能材料：如超导体，导电高分子等；光学 光学功能材料：如光导纤维、感光性高分子等；磁性材料：如铁氧体、磁致伸缩材料等；能量转换 能量转换材料：如压电材料、光电材料。 (4)生物化学功能 医用功能材料，人工脏器用材料如人工肾、人工心肺，降解的医用缝合线、骨钉、板等；功能性药物 功能性药物：如缓释性高分子，药物活性高分子，高分子农药等；生物降解 生物降解材料功能材料按其功能的显示过程又可分为一次功能材料和二次功能材料当向材料输入的能量和从材料输出的能量属于同一种形式，材料起到能量传输部件的作用，材料的这种功能称为一次功能。以一次功能为使用目的的材料又称为载体材料 。当向材料输入的能量和从材料输出的能量属于不同形式，材料起能量的转换部件作用，材料的这种功能称为二次功能或高次功能。有人认为这种材料才是真正的功能材料。光 光能与其他形式能量的转换；电 电能与其他形式能量的转换；磁 磁能与其他形式能量的转换；机械 机械能与其他形式能量的转换。所谓功能设计，就是赋予材料以一次功能或二次功能特性的科学方法。有人认为21世纪将逐渐实现按需设计材料。材料科学与工程一般都认为由四要素，即结构/成分、合成/流程、性能与效能，但考虑到结构与成分并非同义词，所以材料科学与工程 材料科学与工程应为五要素，即成分、合成/流程、结构、性能与效能 。 复合就是把两种以上组分材料组成一种新材料的方法； 杂化的基本思想就是将原子、分子集团在几埃到几干埃的数量级上进行复合。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，是现代高技术新材料发展的重要方向之一。第二章 功能金属材料2.1对应变电阻材料有那些要求？试说明电阻应变计的原理？(a)具有高的、稳定的电阻率在工作温度范围内具有低的、稳定的电阻温度系数，以及大的应变灵敏度系数K（KL/L)，并在较大范围内不随温度变化；(b)在拉伸或压缩时，K值相向或相差很小，不氧化，线膨胀系数等于或略高于被测件的线膨胀系数；(c)有良好的机械性能，强度高蠕变小，容易加工和焊接等。经受外力作用（拉伸或压缩）的金属材料将会发生变形而使其电阻也发生相应的变化，其电阻值变化量与所受外力引起的变形量是成比例的，这种现象称为应变电阻效应2.2非晶态合金有哪些结构特点，影响其形成的主要因素是什么？（1）内部原子排列短程有序而长程无序(2)均匀性显著特点一层含义：结构均匀、各向同性，它是单相无定结构，没有象晶体那样的结构缺陷，如晶界、孪晶晶格缺陷、位错、层错等。二层含义：成分均匀性。在非晶态金属形成过程中，无晶体那样的异相、析出物、偏析以及其他成起伏（3）热力学不稳定性体系自由能较高，有转变为晶态的倾向影响其形成的主要因素是：（1）合金中类金属的含量随类金属含量的增加，非晶态合金的形成倾向和稳定性提高（2）原子尺寸差别原子尺度增加则非晶态合金形成倾向和稳定性增加2.3薄膜的形成过程有哪些特点?金属薄膜有哪些结构特点？薄膜的形成过程大致都可分为4个阶段，在最初阶段，外来原子在基底表面相遇结合在一起成为原子团，只有当原子团达到一定数量形成“核”后，才能不断吸收新加入的原子而稳定地长大形成“岛”；随着外来原子的增加，岛不断长大，进一步发生岛的接合；很多岛接合起来形成通道网络结构；后续的原子将填补网络通道间的空洞，成为连续薄膜。金属薄膜的结构特点薄膜制备过程决定的特点：（1）非平衡态相结构（2）膜经常是非化学计量比成分（3）薄膜内存在大量的缺陷（4）沉积冷却过程中常会产生较大的内应力薄膜制备方法能够实现的特点（1）薄膜材料在制备过程中可以在很大范围内将几种材料掺杂在一起得到均匀膜，而无需考虑是否会形成均匀相，这样就能较自由地改变薄膜的性能。（2）可以根据需要得到单晶、多晶及至非晶的各种结构薄膜。（3）可以容易地将不同材料结合在一起制成多层结构的薄膜（4）通过沉积速率的控制可以容易得到成分不均匀分布的薄膜2.4金属多孔材料有哪些特点及应用？特点：1)优良的透过性能，适于制作催化剂、流体的分布与渗透装置等；2)金属微孔孔径与孔隙易于控制，用于过滤时的过滤精度高；3)比表面积大，可以为化学反应提供理想的大面积接触材料；4)可有效地吸收、传播能量；5)保持一定的金属与合金本身的特性；6)烧结金属多孔材料耐高温、抗热震、耐低温，适宜在较高或超低的工作温度和耐热冲击环境下长期工作；7)金属微孔孔径、空隙度、渗透性能可通过反吹、高温热处理、化学溶剂、燃烧和超声波振动等多种途径的清洗再生方式，洗涤性能好，从而延长了使用寿命；8)烧结金属多孔材料具有较好的机械加工性，可进行较复杂的机械成型加工及焊接。应用：在过滤与分离方面，利用通孔金属多孔材料的孔隙对流体介质中固体粒子的阻留和捕集作用，将气体或液体进行过滤与分离，从而达到介质的净化或分离作用。在热交换方面，由于金属本身具有良好的导热性，所以，具有很大表面积的通孔金属多孔材料适于制造换热器、加热器和散热器。在化学工业方面，金属多孔材料作为载体可使催化剂的有效接触面积增加，提高催化效率。起到吸声的作用。在吸声降噪、消音方面，金属多孔材料由于具有开口孔隙和半开口孔隙。在流体流量控制方面，如用于气体或液体的流量计、自动化系统中的信号控制延时器、风道的直流器和阀门的布流器等。第三章 磁性材料1、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，磁导率高，矫顽力低，铁芯损耗低，容易磁化，也容易去磁。用途：发电机、电动机、变压器、电磁铁、各类继电器与电感、电抗器的铁心；磁头与磁记录介质；计算机磁心等。要求：高的饱和磁感应强度、高的最大磁导率、高的居里温度和低的损耗。分类：高磁饱和材料，中磁饱和中导磁材料，高导磁材料，高硬度、高电阻、高导磁材料，矩磁材料，恒磁导率材料，磁温度补偿材料，磁致伸缩材料。硬磁材料，又称永磁材料。磁性硬是指磁性材料经过外加磁场磁化以后能长期保留其强磁性（简称磁性），其特征是矫顽力（矫顽磁场）高，一般Hc104A/m，剩余磁感应值大于1T以上。这里的硬和软主要指磁学性能上的硬和软，但一般情况下和力学性能上的硬和软有一定关系。用途：硬磁材料主要用来储藏和供给磁能，作为磁场源。硬磁材料在电子工业中广泛用于各种电声器件、在微波技术的磁控管中亦有应用。二、评价永磁材料的几个重要指标：（1）剩余磁感应强度Br：高的剩余磁感应强度（或磁通密度，符号为Br）和高的剩余磁化强度（符号为Mr）.（2）矫顽力Hc：高的矫顽力，矫顾力（符号为Hc）是永磁材料抵抗磁的和非磁的干扰而保持其永磁性的量度；（3）最大磁能积（BH)max：高的最大磁能积，最大磁能积符号为(BH) max 是永磁材料单位体积存储和可利用的最大磁能量密度的量度，简单地说就是永久磁铁磁极之间的空隙中所能提供磁能的量度，它在数值上等于退磁曲线上各点所对应的磁感应强度和磁场强度乘积中的最大值，当永久磁铁的工作点位于退磁曲线上具有(BH)max的那一点时，为提供相同的磁能所需的永磁材料体积最小。（4）高的稳定性即指其有关磁性能在长时间使用过程中或者在受到外加干扰磁场和温度、震动和冲击等外界环境因素影响时保持不变的能力，材料稳定性的好坏直接关系到永久磁铁工作的可靠性。2、试述主要软磁材料和它们的应用（1）金属软磁材料有电工用纯铁，电工用硅钢片；合金非晶态合金，软磁铁氧体，铁镍合金，铁钴合金，铁铝合金等。在强磁场下工作的磁性部件，如电力工业中大量使用的电动机、发电机、大功率变压器、电磁铁等，要求所用的磁性材料应具有高的饱和磁感强度，价格便宜，生产工艺简单，便于大批生产。在通讯技术中常用的变压器、换能器的铁心、磁屏蔽材料以及开关等磁性元件，绝大部分在弱磁场下工作，它要求材料应具有高的磁导率。（1）电工用纯铁主要用途：电磁铁的铁芯和磁极，继电器的磁路和各种零件，感应式和电磁式测量仪表的各种零件，扬声器的磁路，电话中的振动膜，磁屏蔽等。（2）电工用硅钢片主要用途：各种形式的电机、发电机和变压器中；在扼流线圈、继电器和测量仪表中也大量使用。（3）铁镍合金含镍量为3090%的铁镍合金主要成分为铁、镍、铬、钼、铜等。用途电讯工业、仪表、电子计算机，控制系统等领域。根据镍的含量不同，用途也不完全相同。铁钴合金用作直流电磁铁铁心和极头材料、航空发电机定子材料以及电话受话器的振动膜片等。铁铝合金是指以铁和铝为主要元素组成的软磁合金系列，研究表明当含铝量在16以下时，便可以热轧成板材或者带材。它可以部分取代铁镍系坡莫合金在电子变压器、磁头以及磁致伸缩换能器等处使用。（4）非晶态软磁材料大致上可分为三大类：（1）过渡金属类金属非晶合金，主要包括铁基非晶合金、铁镍基非晶合金和钴基非晶合金；（2）稀土过渡族非晶合金，如TbFeCo、GaTbFe等；（3）过渡金属过渡金属非晶态合金，如FeZr、CoZr等。钴基非晶态软磁合金适合于做传递小功率能量及传递电压信号的磁性 适合于做传递小功率能量及传递电压信号的磁性元件。铁镍基非晶态软磁合金可用于传递中等功率及中等强度电压信 即可用于传递中等功率及中等强度电压信号的变压器中。（5）纳米晶软磁合金纳米晶软磁合金兼备了各类传统软磁材料的优点，如高饱和磁感应强度、高磁导率和低损耗点等，它适应了各类电子设备向高效节能，小型轻等，量化方向发展的需求，主要用于制作各类高品质圈绕铁心，可广泛应用于计算机、网络、通讯和，自动化控制等电子信息领域。第四章 超导材料4.1什么叫库柏电子对？利用BCS理论解释超导的微观机制。当电子间有净的吸引作用时，费密面附近的两个电子将形成束缚的电子对的状态，它的能量比两个独立的电子的总能量低，这种电子对状态称为库柏对。考虑到电子的自旋，最佳的配对方式是动量相反同时自旋相反的两个电子组成库柏对。库柏对之间通过交换声子耦合在一起，拆散一个库柏对，产生两个正常态电子需要外界提供能量。库柏对吸收能量变成两个独立的正常电子的过程称为准粒子激发。由于受热激发，有一些库柏对被拆开成为正常电子，这样就使得超导体内有两种载流子：超导电子和被激发到能隙之上单粒子态中的正常电子。这正赋予了二流体模型新的意义。在常温下，金属原子失去外层电子成为正离子规则排列在晶格的结点上作微小振动。自由电子无序地充满在正离子周围。在电压作用下，自由电子的定向运动就成为电流。自由电子在运动中受到的阻碍称为电阻。处在超导态的电子，不是单独一个个存在的，而是配成库珀对存在的，配对的电子，其自旋方向相反，动量的大小相等而方向相反，总动量为零。库珀对作为整体与晶格作用，因此一个电子若从晶体得到动量，则另一个电子必失去动量，作为整体，不与晶格交换动量，也不交换能量，能自由地通过晶格，因此没有电阻。温度愈低，结成的电子对愈多，电子对的结合愈牢固，不同电子对之间相互的作用力愈弱。在电压的作用下，这种有秩序的电子对按一定方向畅通无阻地流动起来。当温度升高后，电子对因受热运动的影响而遭到破坏，就失去了超导性。当磁场强度达到临界强度时，磁能密度等于库珀对的结合能密度，所有库珀对都获得能量而被撤散，超导态转为正常态。第五章 功能陶瓷1、常见的绝缘陶瓷有哪几种？有什么特点？常见的陶瓷都是不导电的绝缘体，但是目前已经研制成功了能够导电的陶瓷。绝缘陶瓷可分为氧化物绝缘陶瓷和非氧化物绝缘陶瓷两大系列；无论是哪种系列的绝缘陶瓷，要成为一种优异的绝缘陶瓷，它必须具备如下性能：体积电阻率= 1012cm；相对介电常数r=30；损耗因子tg=5.0kV/mm。除上述性能外，绝缘陶瓷还应具有良好的导热性、与导体材料尽可能一致的热膨胀性、耐热性、高强性及化学稳定性等。氧化物系绝缘陶瓷已得到广泛应用，如氧化铝、氧化锆、氧化钛、氧化硅等。而非氧化物系绝缘陶瓷是70年代才发展起来的，目前应用的主要有氮化物陶瓷，如Si3N4、BN、AlN等。除多晶陶瓷外，近年来又发展了单晶绝缘陶瓷，如人工合成云母、人造蓝宝石、尖晶石、氧化铍及石英等。2、多孔陶瓷的形成机制有哪几种？有什么应用？多孔陶瓷的形成机制主要有四种：(1) 利用骨料颗粒的堆积，粘接形成多孔陶瓷；(2) 利用可燃尽的多孔载体吸附陶瓷料浆，而后在高温下燃尽载体材料而形成孔隙结构；(3)利用某些外加剂在高温下燃尽或挥发而在陶瓷体中留下孔隙；()利用材料的热分解、相变、离析而形成小孔隙。多孔材料主要应用有：（1）用于金属熔体的过滤净化（2）用于精过滤技术领域除去除对装置有害的微粒（3）作催化剂的载体（4）作敏感元件（5）在电化学工艺中作为隔膜材料（6）利用多孔陶瓷的孔道阻尼作用降低噪声（7）用于布气，孔径为10 600um的多孔陶瓷用于化工、冶炼等过程，可增大气液反应接触面而加速反应。第六章 敏感陶瓷1.敏感陶瓷的晶体结构和物理特性有什么关系？陶瓷是由晶粒，晶界，气孔组成的多相系统，通过人为的参杂，可以造成晶粒表面的组分偏离，在晶粒表面产生固溶，偏析及晶格缺陷等。另外，在晶界处也会产生异质相的析出、杂质的聚集、晶格缺陷及晶格各向异性等。这些晶粒边界层的组成、结构变化，显著改变了晶界的电性能，从而导致整个陶瓷电学性能的显著变化。2.常见的敏感陶瓷有哪几类，各有什么代表？（1），物理敏感陶瓷分为a, 光敏陶瓷，如CdS,CdSeb, 热敏陶瓷，如PTC陶瓷、NTC和CTR热敏陶瓷等；c, 磁敏陶瓷，如InSb、InAs、GaAs等；d, 声敏陶瓷，如罗息盐、水晶、BaTiO3、PZTe，压敏陶瓷，如ZnO、SiC等；f，力敏陶瓷，如PbTiO3、PZT等。（2），化学敏感陶瓷a, 氧敏陶瓷，如SnO2、ZnO、ZrO2等；b, 湿敏陶瓷，TiO2MgCr2O4、ZnOLi2OV2O5等。c, 生物敏感陶瓷也在积极开发之中。第七章 光功能材料1. 常见的光学晶体有哪几种，各有什么特点？(1) 金属卤化物晶体A：氟化物单晶:LiF、NaF、RbF、MgF2、CaF2、SrF 、MnF2、LaF、LiYF4等这类晶体不论在紫外还是红外光谱区均有较高的透过率，可用作各个波段的光学窗口材料生长工艺成熟，可生长出大尺寸、光学质量好的单晶。氟化物晶体的缺点是线膨胀系数大、热导率小，抗热冲击性能差B：碱金属卤化物光学晶体：KCl、NaCl、KI、KBr、RbI、RbCl、CsBr、CsI等溶点较低，容易生长出光学均匀性良好的大尺寸单晶，具有很宽的红外波段，可用于制造红外仪器的窗口和棱镜。缺点是易潮解，硬度低，力学性能较差。(2) 氧化物和含氧酸盐晶体A：蓝宝石（Al2O3）：光谱透过范围0.156.5m，透过率高于80，熔点高（2050），硬度仅次于金刚石，高热导率和低线膨胀系数，适合作为特殊环境下的窗口材料。 B：光学水晶（SiO2）：在0.12 4.5m光谱范围内透过性能良好，广泛用于棱镜、透镜、补偿镜。C：金红石（TiO2）：在波长1m范围内折射率较高，常用于光学器件的前置透镜来减小反射损耗。类似的高折射和色散晶体还有SrTiO3等。D：冰洲石（CaCO3）：透过波段为0.2 5.5m，具有较高的双折射率。主要用于制作偏光器件。E：MgO晶体：禁带宽度大，是一种良好的耐高温近红外光学晶体。(3) 族与族化合物晶体许多半导体材料是重要的红外光学材料，与单晶材料相比，多晶半导体材料强度提高，成本降低，但是散射较严重。A：Ge、Si晶体：化学稳定性好，红外透过范围宽（2 50m ）晶体折射率高（n3.5），光的折射损耗率大（45），使用时必须镀增透膜。B：金刚石晶体的光谱透过波段从紫外（225nm）延伸到远红外，可用于各种光学元件以及激光、XX射线、同步加速器的窗口材料。C：族半导体单晶及多晶主要有ZnS 、ZnSe、CdTe 以及CdSe等。其光谱透过区很宽，从可见光区延伸到17m的红外波段。具有较高的硬度，较低的折射率和较低的红外损耗率。是各种激光器窗口的主要材料。(4) 人造宝石晶体2. 什么是晶体的非线性光学效应，主要的非线性光学晶体有哪些？当光波通过介质时，极化率非线性响应对于光波的反作用，产生了在相频、差频等处的谐波。这种与强光有关的，不同于线性光学现象的效应被称为非线性光学效应。A：KDP（磷酸二氢钾）晶体：具有较大的非线性光学系数和较高的抗激光损伤阈值，从近红外到紫外波段都有很高的透过率。B：KTP（磷酸钛氧钾）晶体：具有非常大的非线性光学系数（约为KDP的520倍）；在室温下能实现相位匹配，对温度和角度变化不敏感；在0.354.5m波段内透光性能良好；机械性能优良，化学性质稳定，不潮解，耐高温，主要用于YAG激光器的腔内、腔外倍频，以便获得高功率的绿色激光光源。C：BBO（偏硼酸钡 ）晶体：主要用于YAG激光器的二倍频、三倍频及四倍频泵浦的参量振荡器和光参量放大器等。D：LN（铌酸锂）晶体：一种重要的多功能晶体，具有较大的非线性光学系数；能实现非临界相位匹配；但由于其激光损伤阈值较低而降低了其激光二次谐波发生作用，主要用于制作激光倍频器件、光参量振荡器和集成光学元件等。E：AgGaS2晶体：一种半导体型非线性光学晶体，主要用于制作红外波段的激光倍频、混频等器件。F：LAP（精氨酸磷酸盐）晶体：一种由天然碱性氨基酸（即L精氨酸分子）和无机酸（即磷酸分子）组成的有机盐晶体，性能优良，是当前较好的紫外频率变换材料，可制成多频率转换器，还是用于激光核聚变的最佳材料之一。3. 激光发生的原理是什么？常见的激光晶体有哪几类？激光发生的原理：三个步骤：电子数反转，激发跃迁，谐振。 激光靠的就是一些特殊材料在特殊条件下，微观结构中电子可以较长时间的存在于能量较高的高能级，和正常物态下的电子分布相反，属于电子数反转；而后被经过的光子激发，发生跃迁，放出光，这个光的波长频率和激发它的光是一样的；通过特制的谐振腔，光子在里面不断来回振动，每个光子每次都激发出一个新的光子，数量不断翻倍，最后光子越来越多，但是频率一样，波长一样，再从谐振腔的窗口出释放出来，就是激光了。激光晶体全是人工晶体，而且都是无机晶体。它可以分为搀杂型激光晶体、自激活型激光晶体、色心激光晶体和激光二极管四类。A：搀杂型激光晶体：绝大多数激光晶体都是搀杂型激光晶体，它是由激活离子和基质晶体两部分组成。各种激活离子提供一个合适的晶格场，使之产生所需的受激辐射。B：高浓度自激活晶体：当激活离子成为基质的一种组分时，形成自激活晶体。C：色心激光晶体是由束缚在基质晶格点缺陷周围的电子或者其他元素离子与晶格相互作用形成发光中心，由于束缚在缺位的电子与周围晶格发生强烈的耦合使得电子能级显著加宽，使吸收和荧光光谱呈连续的特征。D：半导体激光器是以半导体晶体为工作物质的一类激光器，主要有要有族半导体和 族半导体和族半导体。4. 荧光灯和夜光材料的主要成分是什么？激活剂和敏化剂。光致发光材料一般需要一种基质晶格晶体结构，例如ZnS、CaWO4和Zn2SiO4等，在掺入少量的诸如Mn2+、Sn2+、Pb2+、Eu2+那样的阳离子、这些阳离子往往是发光活性中心，称作激活剂。有时还需要掺入第二类型的杂质阳离子，称作敏化剂。第八章功能玻璃没有思考题第九章 功能高分子材料1.功能高分子材料都有哪些功能和应用？ (1)化学功能:包括传质、离子交换、催化、吸着等等。 应用：化工、制药、海水淡化、冶金、能源等。 (2)物理功能：电磁功能：导电、导磁、光电效应、力电效应、磁性转换等。 应用：防静电材料、屏蔽材料、电子技术和电子器件、光电池、磁带、显示记录等等。光功能：光色效应、光电效应、偏光效应、光化学等应用：显示、连接器、情报处理、荧光染料、高密度记录和储存等。(3)复合功能：高分子吸附、高分子染料、稳定剂、相容剂等(4)生物和医药功能：修补、药理、化学降解、仿人体功能与替代 应用：人体脏器、治疗动脉硬化、抗血栓、非永久性外科材料等。2导电高分子的导电机制是什么？有哪些掺杂方式？导电机制：导电高分子是由含电子的共轭高聚物通过化学或电化学掺杂使其由绝缘体转变为导体。离子型导电高分子通常又叫高分子固体电解质，其导电时的载流子主要是离子。电子型导电高分子指的是以共轭高分子为主体的导电高分子材料,导电时的载流子是电子(或空穴)。掺杂方式：导电高分子的掺杂则是通过氧化还原反应实现的。掺杂的方式主要有两种：化学掺杂法，即通过加入第二种不同氧化态的物质，使之与聚合物接触并反应；电化学掺杂法，即聚合物作为电极，掺杂剂作为电解质，在通电条件下使聚合物链发生氧化还原反应而直接改变其荷电状态。前者简单易行，有利于了解掺杂前后聚合物结构与性能的变化；后者时间短，效率高，易于得到导电聚合物薄膜。3液晶态的形成需要什么条件？按照相态结构液晶可以分为哪几类？都有什么特点？.形成液晶态的分子要满足以下三个条件。分子具有不对称的几何形状。如细长棒状、平板状或盘状。分子要有一定的刚性。如含有多重键、苯环等刚性基团。分子之间要有适当大小的作用力以维持分子的有序排列。为此要求液晶分子含有极性或易于极化的基团。按照相态结构液晶可以分为近晶型、向列型和胆甾型。近晶型液晶中，液晶基元相互平行排列成层状结构，其轴向与层片平面垂直。层内棒状结构的排列保持着大量的二维固体有序性。棒状结构在层内可以移动，但不能来往于层间。因此，不能发生垂直于层片方向的流动，而片层之间可以相互滑移。 向列型液晶中，液晶基元仅仅是彼此平行排列，不形成层状，它们的重心排列是无序的，只保留固体的一维有序性，液晶基元可以沿其轴向移动。胆甾型液晶中，基元彼此平行排列成层状络构，但同近晶型结构不同，其轴向在层面上，层内各基元之间的排列同向列型相类似，重心是无序排布的，相邻的层与层之间，基元的轴向取向规则地依次扭曲一定的角度，层层累加而形成螺旋面结构，因而有极高的旋光性。 4高分子分离膜按照功能分类主要有哪几 种，各有什么特点？ （1）反渗透膜反渗透膜主要是不对称膜、复合膜和中空纤维膜。不对称膜的表面活性层上的微孔很小（约2nm），大孔支撑层为海绵状结构；复合膜由超薄膜和多孔支撑层等组成。超薄膜很薄，只有0.4m，有利于降低流动阻力，提高透水速率；中空纤维反渗透膜的直径极小，壁厚与直径之比比较大，因而不需支持就能承受较高的外压。 （2）超滤膜 超滤膜是指具有从1-20nm细孔的多孔质膜，它几乎可以完全将含于溶液中的病毒、高分子胶体等微粒子截留分离。超滤所用的膜为不对称膜，它的特点是膜断面形态的不对称性。它是由表面活性层与大孔支撑层两层组成，表面活性层很薄，厚度0.1-1.5m，膜的分离性质主要取决于这一层。支撑层的厚度为50-250m，起支撑作用，它决定膜的机械强度，呈多孔状。（3）微滤膜微滤膜是指孔径范围为0.01-10m的多孔质分离膜，它可以把细菌、胶体以及气溶胶等微小粒子从流体中比较彻底地分离除去。流体中含有粒子的浓度不同，微滤膜的使用方式也不同。当浓度较低时，常常使用一次性滤膜；当浓度较高时，需要选择可以反复使用的膜。（4）气体分离膜气体分离中常用的高分子膜，是非对称的或复合膜，其膜表层为致密高分子层，即非多孔高分子膜。这种膜材料需要具有优良的渗透性。第十章 生物医用材料1什么是生物医学材料？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 2了解常用的生物医用合金、陶瓷、高分子材 料的种类及其性能特点。 生物医用合金包括（1）不锈钢：按显微组织的特点可分为奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、 马氏不锈钢、沉淀硬化不锈钢。铁素体和马氏体不锈钢用于医疗器械，奥氏体不锈钢的主加元素是 CrCr和NiNi，具有高的塑性，易于加工变形制成各种型状，无磁性，韧性好；（2）钴基合金：钴基合金的钝化膜更稳定，耐蚀性更好，植 入体内不会产生明显的组织反应；（3）Ti基合金：Ti基合金对人体毒性小，密度小，弹性模量接近于天然骨生物陶瓷包括： 惰性生物陶瓷 。这种生物陶瓷在生物体内与组织几乎不发生 反应或反应很小，例如氧化铝陶瓷和蓝宝石、碳、氧化锆陶 瓷、氮化硅陶瓷等； 活性生物陶瓷 。在生理环境下与组织界面发生作用，形成化 学键结合，系骨性结合。如羟基磷灰石等陶瓷及生物活性玻 璃，生物活性微晶玻璃； 可被吸收的生物降解陶瓷 ，这类陶瓷在生物体内可被逐渐降 解，被骨组织吸收，是一种骨的重建材料，例如磷酸三钙等。 生物高分子材料包括天然高分子材料和人工合成高分子材料，强度与硬度较低，可作为软组织替代物；不发生生理腐蚀；制作上易于成型3组织工程相关材料与技术有哪些？见课件72页的表4常见的用于药物释放的高分子材料有那几 种？常用的有 水凝胶、生物降解聚合物、脂质体 5纳米粒子基造影剂一般有几个组成部分？三个组成部分: (1)无机纳米粒子核, 如: 金、氧化铁等, 用以实现造影增强效果; (2)水可分散的壳层, 如, 聚乙二醇等, 用以提高无机纳米粒子核的溶液稳定性; (3)赋予靶向功能的生物活性分子, 如蛋白、多肽和抗体等第十一章 智能材料1什么是智能材料大体来说，智能材料智能材料就是指具有感知感知环境环境（包括内环境和外环境）刺激刺激，对之对之进行分析进行分析、处理处理、判断判断，并采取一定的措采取一定的措施进行适度响应施进行适度响应的智能特征的材料。具体来说，智能材料智能材料需具备以下内涵内涵：(1)具有感知功能感知功能，能够检测并且可以识别外界(或者内部)的刺激强度，如电、光、热、应力、应变、化学、核辐射等；(2)具有驱动功能驱动功能，能够响应外界变化；(3)能够按照设定的方式选择和控制响选择和控制响应应；(4)反应比较灵敏灵敏、及时及时和恰当恰当；(5)当外部刺激消除后，能够迅速恢复到迅速恢复到原始状态。2.形状记忆合金的工作机制是什么？有哪些常见的形状记忆合金？形状记忆效应与其组织变化形状记忆效应与其组织变化有关，这种组织变化就是马氏体相变。形状记忆合金应具备以下三个条件： 具备以下三个条件马氏体相变是热弹性类型的；马氏体相变通过孪生(切变)完成，而不是通过滑移产生；母相和马氏体相均属有序结构。母相和马氏体均属有序点阵结构，这是左右马氏体相母相和马氏体均属有序点阵结构，这是左右马氏体相变可逆性的重要因素。变可逆性的重要因素。形状记忆合金相变时围绕母相的一个特定位向常常形成四种自适应的马氏体变体 (Variant），并以母相的惯习面呈对称排列，这四种变体合称为一个马氏体群，如不考虑母相原子区别，形状记忆合金的母相主要是体心立方结构，密排面即惯习面为110，因此，相变后的马氏体片群有六个，形成24种马氏体变体。当一片马氏体形成时，由于剪切变形，在周围母相中造成了很大的内应力，当在这片马氏体附近形成另一片马氏体变体时，便可抵消单片马氏体所产生的切应变，由四种变体组成的片群的总应变几乎为零，这就是马氏体相变的自适应现象。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。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。只有将其加热到Af以上，由于热弹性马氏体在晶体学上可逆性，也就是在相变中形成的各个马氏体变体和母相的特定位向的点阵存在严格的对应关系，因此逆相变时，只能回到原有的母相状态，这样也就回复到原状。这就是形状记忆的基本原理。已开发成功的形状记忆合金有TiNiTiNi基基形状记忆合金、铜基铜基形状记忆合金、铁基铁基形状记忆合金等。3.压电陶瓷的工作机理是什么？常见的压电晶体有哪些？陶瓷陶瓷由许多排列无序的小晶粒构成，具有各向同性各向同性，不显示压电性。经电场处理后，陶瓷存在剩余极化强度，它是以束缚电荷的形式表现出来，且由各向同性变成各向异性，从而具有压电性。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片两极板上吸附了一层表面电荷，这些吸附电荷与片内束缚电荷数量相等，符号相反，起屏蔽和抵消片内极化强度对外界的作用。当在瓷片上加一个与极化方向平行的外力时，在应力的作用下瓷片发生形变，即极化方向c轴被压缩，使Ti4+位移变小，片内极化强度变小，因而释放出部分原来被吸附的表面电荷，这就是被压缩后出现的压电效应(正压电)。当压力撤去后，陶瓷片恢复原状陶瓷片恢复原状(膨胀过程)，这时c轴变长，Ti4+位移增大，陶瓷陶瓷片内极化强度也变大片内极化强度也变大，因此，电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。当在瓷片上施加与极化方向相同的电场时，此时增大了极化强度，表示Ti4+位移增大，晶胞c轴变长，瓷片发生伸长形变，此时，电能变为机械能(逆压电)。压电晶体(如石英SiO2)；压电陶瓷在组成上可以是二元、三元和四元系统；在结构上可以有ABO3型钙钛矿结构或钨青铜结构。最常用的压电陶瓷有钛酸铅PbTiO3(PT)、锆钛酸铅Pb(Ti1-xZrx)O3(PZT)、改性锆钛酸铅性锆钛酸铅及三元系压电陶瓷。所谓三元系是指在PZT二元系基础上添加第三组元化合物。一般第三组元化合物大都是A(BB“)O3型复合钙钛矿型化合物。如铌镁锆钛酸铅Pb(Mgl/3Nb2/3)xZryTizO3、铌锌锆钛酸铅Pb(Znl/3Nb2/3)xZryTizO3等。第十二章 新能源材料1.实用贮氢材料应具备哪些特征？举例说明。金属贮氢合金主要成分哪几类，它们的特点是什么? 反应可逆M+x/2H2=MHx+H 氢以原子形式储存，固态储氢，安全可靠 较高的储氢体积密度例如：为了获得合适的氢化物分解压与生成热，必是由一种或多种放热型金属（Ti、Zr、Ce、Ta、V等）和一种或多种吸热型金属（Fe、Ni、Cu、Cr、Mu等）组成的金属间化合物，如LaNi5和TiFe。适当调整金属间化合物成分，使这两类组分相互配合，可使合金的氢比物具有适当的生成热和氢分解压。目前研制成功的储氢合金材料主要有以下几种： 稀土镧镍系 钛系 镁系 锆系稀土镧镍系典型代表：LaNi5， MmNi5， CaNi5,荷兰Philips实验室首先研制v 特点： 活化容易 平衡压力适中且平坦，吸放氢平衡压差小 抗杂质气体中毒性能好 适合室温操作v 经元素部分取代后的MmNi3.55Co0.75Mn0.47Al0.3 (Mm混合稀土，主要成分La、Ce、Pr、Nd)广泛用于镍/氢电池钛系典型代表：TiFe， Ti-Ni， TiMn， Ti-Zr-Ni-V-Cr美Brookhaven国家实验室首先发明 价格低 室温下可逆储放氢 易被氧化 活化困难 抗杂质气体中毒能力差 实际使用时需对合金进行表面改性处理，用合金元素代替Fe，可改善活化性能。镁系典型代表：Mg2Ni， Mg2Ni0.95Cr0.05，美Brookhaven国家实验室首先报道 储氢容量高 资源丰富 价格低廉 放氢温度高（250300 ） 放氢动力学性能较差 改进方法：机械合金化加TiFe和CaCu5球磨，或复合锆系 具有Laves相结构的金属间化合物，如ZrMn2 原子间隙由四面体构成，间隙多，有利于氢原子的吸附，易形成稳定的氢化物，使其放氢性差。 TiMn1.5H2.5 日本松下（1.8） Ti0.90Zr0.1Mn1.4V0.2Cr0.4 活性好 用于：氢汽车储氢、电池负极 如何提高Laves相的放氢性成为该类合金能否取代LaNi5系列的关键。目前多数研究者采用添加微量元素形成第二相沉积在晶界或晶内，促进氢化物的分解。2.贮锂材料有哪些结构特征，常见的锂电池的正负极材料有哪些？主体材料要有一定程度的结构开放性，能允许外来的原子或离子易于扩散进或逸出晶体。常见的负极材料 碳石墨材料石墨、焦炭、炭纤维、碳纳米管、MCMB 金属氧化物氧化锡、氧化亚锡 纳米金属及金属间化合物Si, Sn Al, In, Zn, Ge常见的正极材料LiCoO2 LiNiO2 LiMn2O43.燃料电池有哪几种，其关键技术是什么？ 燃料电池依据其电解质的性质而分为不同的类型，每类燃料电池需要特殊的材料和燃料，且使用于其特殊的应用。按电解质划分，燃料电池大致上可分为五类： 1）固体氧化物燃料电池 (SOFC) 2）质子交换膜燃料电池 (PEMFC) 3）熔融碳酸盐燃料电池 (MCFC) 4）再生氢氧燃料电池（AFC） 5）磷酸型燃料電池(PAFC)1）固体氧化物燃料电池采用固体氧化物作为电解质，除了高效，环境友好的特点外，它无材料腐蚀和电解液腐蚀等问题；在高的工作温度下电池排出的高质量余热可以充分利用，使其综合效率可由50%提高到70%以上； 它的燃料适用范围广，不仅能用H2，还可直接用CO、天然气（甲烷）、煤汽化气，碳氢化合物、NH3、H2S等作燃料。这类电池最适合于分散和集中发电。 電解質為氧化鋯，含有少量的氧化鈣與氧化釔 電池之操作溫度約為1000，穩定度較高，不需要觸媒重組器。 燃料廢熱可回收再利用 使用於中規模發電機組。 可忍受較多的硫化物 不受CO影響 價格較低2）质子交换膜燃料电池以磺酸型质子交换膜为固体电解质,无电解质腐蚀问题，能量转换效率高，无污染，可室温快速启动。 高電力密度、低重量、低體積 電解質為離子交換膜，薄膜的表面塗有可以加速反應之觸媒（大部分為白金） 唯一液體是水，腐蝕問題小 操作溫度低介於80至100之間，安全上之顧慮較低 適用於交通工具、建築物與小型社區3）熔融碳酸盐燃料电池是由多孔陶瓷阴极、多孔陶瓷电解质隔膜、多孔金属阳极、金属极板构成的燃料电池。其电解质是熔融态碳酸盐。反应原理示意图如下：阴 极： O2 + 2CO2 + 4e - 2CO32-阳 极： 2H2 + 2CO32- 2CO2 + 2H2O + 4e总反应： O2 2H2 2H2O熔融碳酸盐燃料电池是一种高温电池（600700），具有效率高（高于40%）、噪音低、无污染、燃料多样化（氢气、煤气、天然气和生物燃料等）、余热利用价值高和电池构造材料价廉等诸多优点，是下一世纪的绿色电站。 電解質為碳酸鋰或碳酸鉀等鹼性碳酸鹽 電極方面使用具透氣性之多孔質的鎳。 操作溫度約為600至700 廢熱可回收再使用，發電效率高適合於中央集中型發電廠。 價格較低4）再生氢氧燃料电池将水电解技术(电能+2H2O2H2+O2)与碱性燃料电池技术(2H2+O2H20+电能)相结合 ,氢氧燃料电池的燃料 H2、氧化剂O2可通过水电解过程得以“再生”, 起到蓄能作用。可以用作空间站电源。 首先用於太空计划 使用KOH為電解質 使用非貴重金屬為電極觸媒種類多價格又便宜，例如銀、鎳等 操作時所需溫度100oC250oC 化學反應快且轉換效率好 電解質必須是液態5）該燃料電池大都運用在大型發電機組上而且已商業化生產 電解質為100濃度磷酸 操作溫度大約為150到220之間 溫度高所以廢熱可回收再利用 觸媒為白金4.光伏电动势产生机制是什么？常见的太阳能电池材料有哪些？当太阳光照射到半导体上时，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半导体吸收或透过。被吸收的光，当然有一些变成热，另一些光子则同组成半导体的原子价电子碰撞，于是产生电子空穴对。这样，光能就以产生电子空穴对的形式转变为电能、如果半导体内存在Pn结，在n区与p区之间的薄层产生所谓光生伏打电动势。若分别在P型层和n型层焊上金属引线，接通负载，则外电路便有电流通过。如此形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能产生一定的电压和电流输出功率。 以材料区分，太阳电池有晶硅电池，非晶硅 薄膜电池，铜钢硒（CIS）电池，碲化镉（CdTe）电池，砷化稼电池等，而以晶硅电池为主导。5.热电效应物理机制是什么？提高热电效率有什么途径？热电效应是电流引起的可逆热效应和温差引起的电效应的总称，包括1）Seebeck效应、2）Peltier效应和3）Thomson效应。1）Seebeck系数通常也称为温差电动势率，它的微观物理本质可以通过温度梯度作用下导体内载流子分布变化加以说明。对于两端尚未建立起温差