材料科学前沿

1、（1）航空器发展对材料的要求有哪些？答：对航空材料的主要要求是耐高温、高比强、抗疲劳、耐腐蚀、长寿命和低成本。（2）什么是金属间化合物，金属间化合物的特点是什么？答：指两种金属或金属与类金属组成的具有整数化学计量比的化合物。类金属：H、B、N、S、P、C、Si。性质：或多或 少与普通化合物有区别。特点：密度低、屈服强度随温度升高而提高、比刚度高；熔点高、高温强度好以及抗氧化性能优良等。 金属间化合物分为哪几类，各自的特点是什么？答：分类及特点：正常价化合物：化学电负性较大的金属元素与类金属元素组成；符合一般化合物原子价规律。键特 点：电子转移和共用电子对。符合Hume-Rothery法则（价电

2、子浓度决定晶体结构），a.金属倾向与IVB,VB,VIB族元素形成 化合物,b.金属正电性越强，B族负电性越强，越易形成，越稳定。电子化合物：a.不符合原子价规则，成分不确定,b.结构由电子浓度决定，具有超点阵结构,c.原子间结合键主要是金 属键。间隙化合物：由原子半径较大的过渡族金属元素和原子半径较小的C、N、B等元素组成；高熔点；高硬度。复杂化合物：更复杂结构的间隙化合物渗碳体及碳化物（Fef，代月。（4）金属间化合物结构材料脆性原因？其韧化方法有哪些？答：脆性原因：结构特性：电负性、键取向、结构复杂性滑移特征：独立滑移系，交滑移，滑移均匀性，加工硬化 率（穿晶解理断裂）晶界特征：杂质偏聚

3、环境影响：氢脆应力状态：缺口敏感性。韧化方法：偏离化学计量比；合金化：微合金化法、宏合金化；改变晶粒形态：细化晶粒、择优取向；微结构 控制：组织优化。合金化:微合金化法:通常加入小于1%Wt以下元素如B、C、Hf、Ce、Mn等，不使晶格类型、变形模式变化，改变晶界 结构，不析出有害相，抑制杂质影响，提高结合强度。宏合金化：通常添加1%以上的合金元素:改变晶体结构；改变滑移特 征；形成韧性第二相；强化晶界。制备多相合金：通过向脆性金属间化合物基体中引人塑性第二相来达到韧化基体的目的，即形成韧/脆多相结构。改进制备工艺（更加重要）：定向凝固、机械合金化、热压或热等静压、微晶涂层；（5）Ti3Al（

4、a 2）基合金是唯一进入成熟应用研究阶段的金属间化合物，二元Ti3Al合金的缺点有哪些，其发展思路是什么？答：缺点：室温断裂韧性较低；室温冲击韧性只有普通Ti合金的十分之一左右（这是设计应用部门担心的问题之一）； O相合金的抗氧化问题。高Nb合金抗氧化性差。发展思路：在Ti-Al-Nb的基础上，通过添加8相稳定元素（如Nb和Mo），增加塑性的第二相，使Ti3Al基合金的室温 塑性和加工性能得到改善。丁1（6）Ti3Al（a 2）基合金中加入P相稳定元素的目的是什么？不同0相稳定元素含量分别对应什么相组成？答：通过添加8相稳定元素（如Nb和Mo），增加塑性的第二相，使Ti3Al基合金的室温塑性和

5、加工性能得到改善。第一代8稳定元素含量在10%14%，显微组织为a 2（DO/+8 ； 38稳定元素含量在14%17%之间，该合金具有更高的拉伸强度和蠕变抗力，显微组织取决于热处理，主要为a 2、8和O相（第一代O相合金）O相（基于Ti2AlNb，正交结构，可看作a 2的畸变结构；28稳定元素含量在23%以上，如GE公司研制的Ti-24.5Al-23.5Nb和Ti-22Al-27Nb合金，显微组织为O+8，这类 以O相为基的合金比a 2合金和超a 2合金有更高的高温屈服强度、蠕变抗力和断裂韧性，已经成为近期研究的重点（第二代 O相合金）。（7）什么是高温合金？高温合金的服役条件是什么？高温合金

6、的强化方法有哪些？答：高温合金又称热强合金、耐热合金或超合金（Superalloys），是指以Fe、Ni、Co为基，能在600C以上温度，一定 应力条件下适应不同环境短时或长时使用的金属材料。服役条件（航空发动机热端部件）：6001100C氧化和燃气腐蚀环境复杂应力（蠕变，高、低周疲劳，热疲劳等） 长期可靠工作。强化方法：组织：Y / Y 共格组织，基体：Y，强化相：Y 固溶强化：Y第二相强化：Y 晶界强化： 微量元素晶界偏聚工艺强化：定向或单晶。（8）Nb基合金的强化、韧化和改善抗氧化性方式有哪些？答：（1）强化:固溶强化 Mo, W, Hf, Cr, Al, Si等能与Nb形成置换固溶体，

7、W、Mo最强金属间化合物 NbSS/Nb3Al （Nb-Al二元合金）和Nb /NbSi （Nb-Si二元合金），Nb提供韧性，Nb Al和Nb Si提供高温强度韧/脆两相结构特殊热加SS 53SS353工一一定向凝固，热等静压，热挤出。（2）韧化：合金化-Hf、Ti元素对NbSS韧化减少Si含量-Si减少，Nb5Si3减少，塑韧性上升改变组织形态-Mo,W等元素倾向形成片状组织，改善Nbss和Nb5Si3形态。改善抗氧化：基体抗氧化+涂层，Cr-NbCr2有利于抗氧化，Si-SiO2有利于抗氧化，Ti有利于抗氧化。什么是难熔金属与合金？其一般特性是什么？答：通常将熔点高于 2400C 的金属

8、称作难熔金属，主要有 W(3422C)、Mo(2623C)、Ta(3020C)、Nb(2469C)、Ir(2443C) 等。以上述金属为基体，添加各种合金元素或化合物制成的合金称作难熔合金。一般特性：难熔金属一般具有良好的高温强度和耐蚀性能，较低的蒸汽压Cr除外)。主要缺点是抗高温氧化性能差， 有些元素如W、Mo脆性大不易塑性加工。难熔金属与合金在一定条件下能吸收氢气形成金属氢化物而变脆，通常要在真空 条件下加热至一定温度进行脱氢处理。难熔金属与合金具有较好的耐蚀性能，此外难熔金属对液态的Li、Na、K、Hg、Mg、 Bi等溶液也有较好的耐腐蚀能力。提高Ni3Al的塑性有那些方法？答：原因：富

9、Al晶界能高，晶界结合能低，晶界强度低，沿晶脆断，富Ni相反，富Ni晶界具有高强度，具有抵抗沿 晶断裂的能力。B对Ni3Al的强韧化作用，作用机理：B偏聚在晶界上，使晶界进一步富Ni，强化晶界，改善位错滑移性，阻止H沿 晶界扩散产生的环境脆性，改善室温塑性和综合性能。Zr对Ni3Al的强韧化作用，大于600C时，B对塑性无作用，Zr对室温至850C之间的塑性均有改善。Zr偏聚在晶界 上，使晶界贫化Al，富化Ni，强化晶界，阻止裂纹扩展，诱发相邻晶内位错开动，改善高温塑性和综合性能。稀土和Mg对Ni3Al的强韧化作用，0.05%0.2%Y和Ce对高温塑性具有有利，不损害强度。什么是智能材料？答：

10、智能材料是近年来提出的一类新型材料。它可以具有类似于生物体反应的机能，既有感知又有驱动的功能，有的本 身就可以构成一个智能系统，有的需要加入反馈，才能构成一个完整的智能系统。什么是生物相容性？引起生物变化的因素有哪些？答：生物相容性：生物医用材料与人体间相互作用产生各种复杂的生物、物理和化学反应的一种概念。引起生物变化的因素：生理活动中骨骼、关节、肌肉的力学性动态运动；细胞生物电、磁场、电解和氧化作用； 新陈代谢过程中的生物化学和酶催化反应；细胞黏附和吞噬作用。体液中的各种酶、细胞因子、蛋白质、氨基酸、多肽、 自由基对材料的生物降解作用。超导体与理想导体的区别？答：理想导体：当温度下降到绝对零

11、度时，完整的理想晶体(无缺陷、杂质)，由于晶格振动被冻结，其电阻为零。磁 通线可以穿透没有电阻的理想导体。当外部磁通变化时，根据楞次(Lenz)定律，理想导体中产生的感生电流所引起的磁通变 化将抵消其体内磁通量的变化。超导体：给超导体施加不太强的磁场时，磁力线都无法穿透超导体，超导体内的磁感应强度始终保持为零。这种完全的 抗磁性称为迈斯纳(Meissner)效应，它是超导体的另一重要特性。说明超导体是一种热力学平衡态。组织工程学的三大要素是什么？对细胞载体材料一支架材料的具体要求是什么？答：三大要素：细胞载体材料一支架材料；细胞的分离和培养；细胞生长因子。对支架材料的具体要求有：1.多孔且需要

12、高的孔隙率；2.内部均匀分布和相互联通的孔结构；3.支架材料易于加工成 不同的厚度和形状；4.良好的相容性和一定的机械强度；5.可以通过生物降解最终消失。形状记忆合金、形状记忆陶瓷和形状记忆高分子材料产生形状记忆效应的机理。答：记忆合金：之所以具有形状记忆效应，是因为这些合金发生马氏体相变。马氏体相变可由两种方式产生：降低温 度(冷却)-热致马氏体施加应力-应力诱发马氏体。形状记忆行为也对应于两种模式：记忆效应一温度变化-形状 恢复超弹性(伪弹性)一外力一形状恢复。形状记忆陶瓷：应力诱发马氏体相变。形状记忆高分子材料：热致敏感型SMP 一般都是由防止树脂流动并记忆起始态的固定相与随温度变化能可

13、逆固化和软化 的可逆相组成。可逆相：物理交联结构一结晶态、玻璃态。固定相：物理交联结构(热塑性)或化学交联结构(热固性】热塑性SMP形状记忆过程示意图热固性SMP形状记忆过程示意图（16）形状记忆效应及形状记忆合金定义。答:形状记忆效应：它是指具有一定形状的固体材料在某种条件下经过一定的塑性变形后，加热到一定温度时，材料又完 全恢复到变形前原来形状的现象。即它能记忆母相的形状。形状记忆合金：具有形状记忆效应的金属一般是由两种或两种以上金属元素组成的合金，成为形状记忆合金。（17）简述燃料电池的工作原理。Hj+V2Hj+V201H,0答：其工作原理与普通电化学电池类似，燃料在阳极氧化氧化剂在阴极

14、还原，电子从阳极通过负载流向阴极构成电回路，产生电流。rjinciicttd EljC () and srcnctwil 31*AFC60-90 3C一*PEMFCDMFCH+LoadOH-I ti rjinciicttd EljC () and srcnctwil 31*AFC60-90 3C一*PEMFCDMFCH+LoadOH-I ti readiedOj/Xjand reaction 1441sPAFCHzH+H-=一&一MCFCCO, HtCOLSOFCHiO, COSAir, Oi XAnodeEktrolyteCathodeAnodeEktrolyteCathode举例PEMFC

15、：质子交换膜燃料电池工作原理：主要是利用氢气进入电池组，经由扩散层，与触媒层中的触媒作用后，氧化为氢离子（质子）并释放出电子，同时在阴极与氧气发生反应产生电位差发电。下列为阴极、阳极反应及总反应:阳极（电池负极）半反应:阴极（电池正极）半反应:总反应：H2下列为阴极、阳极反应及总反应:阳极（电池负极）半反应:阴极（电池正极）半反应:总反应：H2+%O2H2O（18）试述染料敏化电池的光伏作用。H22H+2e-2H+%O2+2e-H2OAE=1.229V ( l atm、25C)答：染料敏化太阳能电池（DSSC）的工作原理是由染料做为吸光材料，染料中价电层电子受光激发，要升至高能阶层， 进而传导

16、至纳米二氧化钛半导体的导电层，在经由电极引至外部。失去电子的染料则经由电池中电解质得到电子，电解质是由I/I3溶于有机溶剂中形成。DSSC工作原理：染料分子受太阳光照射后由基态跃迁至激发态；处于激发态的染料分子将电子注入到半导体的导 带中；电子扩散至导电基底，后流入外电路中；处于氧化态的染料被还原态的电解质还原再生；氧化态的电解质在 对电极接受电子后被还原，从而完成一个循环。来知岐化IjOalS 来知岐化IjOalS I hv TlUj|2Tl-lTi(3|Kt IKhtS +51 2TiOjlST l - * PtQi|S1-3Ti。十f TKXIS t IC2L一4心3，现1-5I，1-6

17、简述镍氢电池的工作原理。答：镣氢电池NiMH电池正极板材料为NiOOH，负极板材料为吸氢合金。电解液通常用30%的KOH水溶液，并加入少量的 NiOH。隔膜采用多孔维尼纶无纺布或尼龙无纺布等。充电时：正极：Ni(HO)2 + OH- 0 NiOOH- +H2O +e负极：M+H2O + e 0 MH + OH-总反应：M + Ni(OH)2 一 MH + NiOOH放电时正极：NiOOH + H2O + e- 一 Ni(OH)2 + OH-负极：MH + OH- 一 M + H2O + e-总反应：MH + NiOOH 一 M + Ni(OH)2以上式中M为储氢合金，MH为吸附了氢原子的储氢合

18、金。最常用储氢合金为LaNi5。炸斜吁 Electrode 甲蜜匕electrodeJelectiodeDicIi aige Chaise图1镣氢电池的工作原理图高温结构陶瓷优点有哪些？陶瓷材料存在问题是什么，应该如何改进？答：优点：在1000C以上，较高温合金具有密度低、比强度高、优异的耐高温、耐高温腐蚀性能。高温使用环境条 件下，不需要冷却系统，发动机的燃烧消耗减少17%40%。适用多种燃料，节省能源、金属资源。存在问题及改进方法：脆性大、塑韧性低：陶瓷材料几乎没有塑性，难以通过塑性变形阻止裂纹扩展。加强陶瓷韧化 的基础，通过新的韧化途径进一步大幅度提高陶瓷材料的韧性；用在十分严酷的工况条

19、件下，注意避免冲击碰撞和大的拉应 力。成本高：先进陶瓷首先对原料粉末提出了苛刻的要求。制造工艺复杂，制造成本较高。陶瓷强度设计与陶瓷材料的 合理使用：与金属材料相比，陶瓷材料强度特别是高温强度并不差，但塑韧性很低，抗拉强度大大低于抗压强度。另一方面 陶瓷加工性能很差，除精细的磨加工外，其它形式的机械加工难以进行，且成本很高。把陶瓷材料应用于很软的应力状态， 即在该应力状态下材料内部的拉应力分量很小，压应力或剪应力分量可以很大，这是陶瓷材料开展产品设计和服役要考虑的 问题。氧化物陶瓷的优点有哪些？答：原子结合以离子键为主，存在部分共价键；熔点较高，一般在2000C以上；良好的电绝缘性能；优异的化

20、 学稳定性和抗氧化性。（22）复合材料定义：由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合成一种新的固体材料。（23）先进复合材料含义：专指可用于主承力结构或次承力结构、其刚度和强度性能相当于或超过铝合金的复合材料。主要为 高性能纤维（硼纤维、碳纤维、芳纶等）增强的树脂基复合材料。从技术成熟程度与应用范围看，碳纤维复合材料，尤 其是碳纤维树脂基复合材料最为突出。（24）复合材料分类：按照用途可以分为：结构复合材料：主要用作承力、次承力结构，要求质量轻、强度和刚度高，且能耐受一定温度；功 能复合材料：除力学性能以外，还提供物理性能的复合材料，由功能体和基体组成。按照基体不同可分为：树脂基复合材料5

21、00 C（老化）金属基复合材料1250C（界面）陶瓷基复合材料1650 C（脆 性）碳/碳复合材料3000C（氧化）。（25）复合材料特点：质轻高强可设计抗疲劳、损伤耐腐蚀整体成型结构/功能一体化。（26）复合材料技术发展的关键问题：1）材料方面：材料的高性能化、多功能化与纤维/树脂匹配问题；2）制造方面：自动化、低成本问题；3）设计方面： 设计理念与验证方法；4）检测方面：精细检测与可靠性分析。（27）CNT （碳纳米管）的定义及性能特点：定义：又叫巴基管，碳的同素异形体，由单层或多层石墨片绕中心按一定角度卷曲而成的无缝、中空纳米管特点：1）杨氏模量1TPa2）拉伸强度200 GPa3）密度

22、0.78-1g/cm3； 4）高导电、高导热，热稳定性和化学稳定性。（28）CNF （碳纳米纤维）：是合成纤维，成份是极普通的尼龙。不过，将普通的尼龙制成直径数十纳米的超细纤维后，产生了 几乎与棉纤维相同的吸湿性能。具有极大的比表面积，在成型的网毡上有很多微孔，因此有很强的吸附力以及良好的过 滤性、阻隔性、粘合性和保温性。由于无机NF的独特性能，它可用于制作纳米尺度电子元件，也可用作储氢材料，以 及水中吸附有机溶质的材料。（29）复合材料制造工艺的特点：1）结构成型与材料成型同时完成；2）成型工艺含两个过程：成形与固化；3）复合材料结 构可实现整体成型。成形：赋予构件形状，包括物理变化（流动浸

23、润）、化学一物理耦合变化（粘流，密实）；固化：固 定构件形状，化学变化（固化反应）（30）热电材料有哪些主要种类？有什么特点？功能？答：目前热电材料的选择可依其运作温度分为三类：（1）碲化铋及其合金：这是目前被广为使用于热电致冷器的材料，其最佳运作温度450 Co（2）碲化铅及其合金：这是目前被广为使用于热电产生器的材料，其最佳运作温度大约为1000 Co（3）硅锗合金：此类材料亦常应用于热电产生器，其最佳运作温度大约为1300 Co热电材料是一类具有热效应和电效应相互转换作用的新型功能材料，利用热点材料可将热能与电能进行直接转化。其优 点如下：（1）体积小，重量轻，坚固，且工作中无噪音；（2

24、）温度控制可在0.1C之内；（3）不必使用CFC（CFC氯氟碳类物 质，氟里昂。被认为会破坏臭气层），不会造成任何环境污染；（4）可回收热源并转变成电能（节约能源），使用寿命长，易 于控制。（31）解释磁记录单元的体积局限性。答：多个磁颗粒（约100个左右）组成一个记录单元来记录1bit的信息一一0或者1。当磁颗粒的体积太小的时候，能影 响其磁滞的因素就不仅仅是外部磁场了，些许的热量就会影响磁颗粒的磁滞，从而导致磁记录设备上的数据丢失，这种现象 就是“超顺磁效应”。微观粒子具有穿越势垒的能力，称为量子隧道效应。宏观磁学量如磁化强度，磁通量等也具有隧道 效应，这就是宏观量子隧道效应。它限定了磁存

25、储信息的时间极限和微电子器件的尺寸局限。（32）什么是陶瓷材料？什么是特种陶瓷？陶瓷材料是指以无机非金属天然矿物或化工产品为原料，经原料处理、成型、干燥、烧成等工序制成的产品。特种陶瓷：主要以高纯化工试剂为原料（33）高温结构陶瓷优点有哪些？陶瓷材料存在问题是什么，应该如何改进？答：优点：在1000C以上，较高温合金具有密度低、比强度高、优异的耐高温、耐高温腐蚀性能。高温使用环境条 件下，不需要冷却系统，发动机的燃烧消耗减少17%40%。适用多种燃料，节省能源、金属资源。存在问题及改进方法：脆性大、塑韧性低：陶瓷材料几乎没有塑性，难以通过塑性变形阻止裂纹扩展。加 强陶瓷韧化的基础，通过新的韧化途径（例如，利用纳米晶等）进一步大幅度提高陶瓷材料的韧性；用在十分严 酷的工况条件下（如1000C以上超高温，高温无润滑，高温带腐蚀，强烈腐蚀磨损），注意避免冲击碰撞和大 的拉应力。成本高：先进陶瓷首先对原料粉末提出了苛刻的要求，如要求高纯、超细（粉体粒度在1mm以 下）甚至纳米粉料。制造工艺复杂，制造成本较高。低成本高性能原料制备技术、低成本成型与烧结技术是高 温结构陶瓷产业化的关键技术。陶瓷强度设计与陶瓷材料的合理使用：与金属材料相