功能材料概论复习资料.doc
功能材料概论5(储氢材料)
线。
横轴表示固相中的氢 原子H和金属原子M 的比(H/M)，纵轴是 氢压。
p3
温度 T3 > T2 > T1 T3 T2 D
p3
p2
pH2 p2
p1
T1 C p1 B n2 n1 A 对应一个M原子的氢原子数/n 金属--氢系理想的p- c- T图
温度T1的等温曲线中p和c 的变化如下：
T1保持不动，pH2缓慢升 p3 p3 高时，氢溶解到金属中， pH2 T2 H/M应沿曲线AB增大。 p2 p2 D 固溶了氢的金属相叫做 相。 T1 C p1 p1 B n2 达到B点时， 相和氢气 n1 A 对应一个M原子的氢原子数/n 发生反应生成氢化物相， 即 相。
藻类和蓝细菌光解水；光合细菌光分解有机物；有机物发 酵制氢；光合微生物和发酵性微生物的联合运用；生物质 热解或气化制氢。
4.2.2 储氢方法
氢在常温常压下为气态，密度仅为空气的1/14。在氢能技术中，氢 的储存是最关键环节。氢气储存方法主要有五种：高压储氢、液化 储氢、有机溶剂储氢、金属氢化物储氢和吸附储氢。
储存介质 标准态H2 高压 H2 液态 H2 MgH2 LaNi5H6 TiFeH1.95 Mg2NiH4 VH2 存在状态 气态(1 atm) 气态(150 atm) 液态 固态 固态 固态 固态 固态 氢相对密度 1 150 778 1222 1148 1056 1037 1944 储氢量(wt.%) 100 100 (0.80 *a) 100 (~5.0 *b) 7.60 1.37 1.85 3.60 3.81 储氢量(g/mL) 0.00008 0.012 0.062 0.098 0.092 0.084 0.083 0.156
NaAlH4－ 7.47 wt.%
功能材料概论
功能材料1.如何辨别常用的塑料用具“买饮料时送了一个杯子，可杯子底部没有标号，这种杯子能不能用？”“早上买包子和馒头，用的也是没标号的白色塑料袋包装，热腾腾的东西装进塑料袋，会不会有害？”类似的问题是大家比较关心的问题【辨别】清水中浮起来就是2、4、5号打一盆清水，将塑料样品浸没在水中，浮起来的基本可以判断是2（高密度聚乙烯）、4（低密度聚乙烯）、5号（聚丙烯）塑料中的一种了。
（相对安全）对于这些浮起来的样品，接下来用指甲就可以简单地做进一步辨别。
如果不易出现划痕，则是2号塑料；如果样品上很容易出现划痕，是4号塑料；无法划出痕迹的，那就是5号塑料了。
需要注意的是，塑料薄膜因为有张力，所以清水的方法对它不管用——不过，用指甲划来辨别，仍然是可以的。
用火烧一烧辨别1、3、6、7号清水测试之后，沉入水底的就是1（的确良的原料）、3（聚氯乙烯）、6（聚苯乙烯）、7号（聚碳酸酯）塑料，接下来，用火烧一烧，就能做进一步辨别。
倘若试样燃烧没有滴落物、离开火源后不自熄、燃烧时没有醋的气味、火焰呈黄色且有烟产生的为1号塑料；3号塑料有软制品和硬制品两类，燃烧情形也不相同——燃烧后产生滴落物，并且离开火源后会自熄，燃烧的同时产生了辛辣气味，火焰呈绿色，有烟，即可判断其为3号塑料的软制品；3号塑料的硬制品（常不透明）燃烧时有烟、但不产生滴落物，且离开火源后会自熄，有辛辣气味。
燃烧时产生滴落物，但离开火源后并不自熄，而且产生大量黑烟的（苯环不易充分燃烧），是6号塑料；7号塑料燃烧时有烟、不产生滴落物且离开火源后会自熄，伴随有消毒水味。
【提醒】洗洁用品容器别用来装食品7类塑料制品中除了3号（PVC）是明确有毒以外，其余几类的塑料制品，只要使用时不超过生产厂家规定初始用途的使用范围，还是比较安全的。
比如那些专门生产用来盛放食物的2号容器或塑料袋，都是无害的。
因此，使用塑料制品时不要超过原本的使用范围，比如原本用来装洗洁用品的容器就不适合用来装食品，适合常温使用的一些塑料制品不宜用来装热水，更不能放进微波炉等加热。
纳米功能材料试题大学期末复习资料
《纳米功能材料》—思考题第一章、概论1.纳米材料定义及分类。
定义：利用物质在小到原子或分子尺度以后，由于尺寸效应、表面效应或量子效应所出现的奇异现象而发展出来的新材料。
分类：纳米粒子（零维纳米结构）；纳米线、纳米棒（一维纳米结构）；薄膜（二维纳米结构）；纳米复合材料和纳米晶材料（三维纳米结构）。
2.功能材料定义及分类。
定义：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。
分类：常见的分类方法：（1）按材料的化学键分类：金属材料、无机非金属材料、有机材料、复合材料；（2）按材料物理性质分类：磁性材料、电学材料、光学材料、声学材料、力学材料；其他分类方法：（3）按结晶状态分类：单晶材料、多晶材料、非晶态材料；（4）按服役的领域分类：信息材料、航空航天材料、能源材料、生物医用材料等。
3.按照产物类型，纳米材料如何划分类别。
按照产物类型进行划分：（1）纳米粒子（零维）：通过胶质处理、火焰燃烧和相分离技术合成；（2）纳米棒或纳米线（一维）：通过模板辅助电沉积，溶液-液相-固相生长技术，和自发各向异性生长的方式合成；（3）薄膜（二维）：通过分子束外延和原子层沉积技术合成；（4）纳米结构块体材料（三维）：例如自组织纳米颗粒形成光带隙晶体4.纳米结构和材料的生长介质类型？（1）气相生长，包括激光反应分解合成纳米粒子、原子层沉积形成薄膜等；（2）液相生长，包括胶质处理形成纳米粒子、自组织形成单分散层等；（3）固相生成，包括相分离形成玻璃基体中的金属颗粒、双光子诱导聚合化形成三维光子晶体等；（4）混合生长，包括纳米线的气-液-固生长等。
5.按照生长介质划分：（1）气相生长，包括激光反应分解合成纳米粒子、原子层沉积形成薄膜等；（2）液相生长，包括胶质处理形成纳米粒子、自组织形成单分散层等；（3）固相生成，包括相分离形成玻璃基体中的金属颗粒、双光子诱导聚合化形成三维光子晶体等；（4）混合生长，包括纳米线的气-液-固生长等6.纳米技术的定义？定义：由于纳米尺寸，导致的材料及其体系的结构与组成表现出奇特而明显改变的物理、化学和生物性能、以及由此产生的新现象和新工艺。
1.功能材料概论
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一般认为，新材料有晶须材料、非晶材料、 一般认为，新材料有晶须材料、非晶材料、超 材料 材料 塑性合金、形状记忆材料、功能陶瓷、功能有机材 塑性合金、形状记忆材料、功能陶瓷、功能有机材 材料 陶瓷 材料、 材料等。 超导材料 碳纤维、能量转换材料等 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 新材料发展的重点已经从结构材料转向功能材料。 已经从结构材料转向功能材料。
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2、电学功能材料 例：防静电材料 磁带、 3、磁学功能材料 例：磁带、磁盘 音响设备、 4、声学功能材料 例：音响设备、仪器 高结晶材料、 5、力学功能材料 例：高结晶材料、超高强材料 显示、 6、热学功能材料 例：显示、测量 7、化学功能材料 分离功能材料 分离膜、 ①分离功能材料 例：分离膜、离子交换树脂 反应功能材料 高分子试剂、 ②反应功能材料 例：高分子试剂、高分子催化剂 生物功能材料 固定化酶、 ③生物功能材料 例：固定化酶、生物反应器 人工肾、 8、生物医学功能材料 例：人工肾、人工心肺 9、核功能材料
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1.1.3 功能材料的分类
目前主要是根据材料的物质性、或功能性、 目前主要是根据材料的物质性、或功能性、应用性 材料的物质性 进行分类。 进行分类。 （一）根据材料的物质性进行分类 1、金属功能材料 、 2、无机非金属功能材料 、 3、有机功能材料 、 4、复合功能材料 、
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（二）根据材料的功能性进行分类 按照材料的物理化学功能进行分类： 按照材料的物理化学功能进行分类： 1.光学功能材料 按在具体应用中所发挥的效能和作用） 光学功能材料（ 1.光学功能材料（按在具体应用中所发挥的效能和作用） 磷酸二氢钾、硫化锌、 ①非线性光学材料 例：磷酸二氢钾、硫化锌、碘酸钾 ②发光材料 例：高效稀土发光材料 尖晶石、 ③红外光学材料 例：尖晶石、蓝宝石 卤化银、 ④感光材料 例：卤化银、CdS等 等 红宝石、 ⑤激光材料 例：红宝石、氟化物晶体 半导体、磁性体、 ⑥光电功能材料 例：半导体、磁性体、电介质材料 ⑦声光功能材料 例：PbMoO4、TeO2、用于制造调制器等 、 、 ⑧磁光材料 例：尖晶石铁氧体 碲合金、 ⑨光记录材料 例：碲、碲合金、稀土类合金
特种功能材料 功能材料概论
结合键与性能
1、力学性能 弹性模量：键能越大则弹性模量越高。共价键、 离子键的弹性模量较高，金属键的弹性模量次 之，而以二次键结合材料的弹性模量较低。
并非所有含氢的分 子都存在氢键
本质上为范德瓦尔斯 键，但键能要大得多。
混合键
实际材料中往往具有多种键的混合，并不是单一 的键，而是各种键的混合共存。化合物中离子键 的比例取决于组成元素的电负性，电负性相差越 大则离子键比例越高。
鲍林公式
离子键所占比例（%）= [1－exp(-1/4(XA-XB)2)]×100%
塑性：以金属键结合的材料具有良好的塑性，而 以共价键、离子键结合的材料则塑性较差。
▪ 8．纳米晶复合永磁材料 永磁材料基础 纳米晶永磁材料的微磁学 纳米晶永磁材料的实验研究和研究进展
料
——概论
材料发展历史及其地位
1、 材料及其重要地位
● 用来制造各种制品的物质。 ● 人类社会存在的基础。
●发展水平标志着人类社会文明和进步的程度。
一般在非金属元素之间形 成，如金刚石、SiC等。
共价键具有方向性 和饱和性。
3、金属键
金属很容易失去最外层的价电子而形 成正离子和自由电子，当许多金属结 合时，失去价电子的金属正离子常在 空间整齐排列，而自由电子则在正离 子之间自由运动，依靠这种方式结合 起来的键称金属键。
一般在金属元素之间形成，使金属具 有特殊结构和性能。
▪ 2．特种力学性功能材料 形状记忆合金，超塑性合金的工作原理，制备技术及性能特
功能材料概论
17.4.2 单晶态磁性薄膜
• 磁性单晶膜可利用外延法来制备。在离子型晶体或金属 单晶体的结晶面上可通过真空度法进行外延，要求基体的 温度必须在外延温度以上。 • 在NaCL单晶解理面（100）上制备NI单晶膜，其各向异 性常数K1的值具有各向异性。在MgO(100)解理面上，NI 的K1值随基体温度增加而增加。K1越大表明完全单晶化 程度越高。 γ-Fe膜是特殊单晶膜，通常的Fe是体心 立方体晶体结构，面心立方的γ-Fe 仅存在于块状的合 金。但是如果在Cu单晶体上，使外延单晶Fe膜尽可能薄， 也可获得γ-Fe膜，当膜厚为2nm以下时，是γ-Fe（100） /Cu（100），利用磁矩仪测出的K1值，表明膜层为铁磁 性的。实验表明，在不同衬底面上，所得磁性薄膜性能不 同。在Cu(100)面上生成反铁磁性膜，在Cu（100）与 （111）面上，室温时为铁磁性的。
•
气相外延法是以稀土何铁的卤化物做原料。首先在高温 下将其变为气体，然后通过氧化沉积到基片上长出 Y3Fe12O19，Gd3Fe5O12，Y1.5Gd1.5Fe5O12等石榴 石单晶薄膜的方法。目前用这种方法已生长出等石榴石单 晶薄膜。该方法工艺简单。沉积速度快，是生长磁泡薄膜 的好方法。
Hale Waihona Puke 17.4.5 磁性薄膜的应用
•
在形成磁泡以后，如果保持Hb不变，则磁泡是很稳 定的，即已经形成的磁泡不会自发的消失。没有磁泡的区 域部会自发的形成新的磁泡。在磁性薄膜的某一位置上 “有磁泡”和“没有磁泡”是两个稳定的物理状态，可以 用来存贮二进制的数字信息，用磁泡来存贮信息的技术称 为磁泡技术。 • 磁泡材料种类很多。但不是任何一种磁性材料都能形成 磁泡。磁泡只能在自发磁化垂直于膜面的材料中形成。而 且要使缺陷尽量少，透明度尽量高，磁泡的迁移速度要快， 材料的化学稳定性、机械性能要好。满足这些要求的材料 有六万铁氧体（MeFe12O9）、氟化铁（FeF3）、硼酸 铁（FeBO3）和尖晶石（MeFe2O4）、稀土正铁酸盐和 稀土石榴石，其中Me为Ba，Ca，Sr和Pb。 磁泡材料只要通过外延法生长出单晶薄膜。液相外延法是 使溶解有析晶物质的饱和和溶液于保持稍低温度的晶种基 片相接触来生长单晶薄膜的方法。用液相外延法已生长出 Eu2.0Er1.0Ga0.7Fe4.3O12和 Eu1.0Er2.0Ga0.7Fe4.3O12等稀土石榴石薄膜单晶，质量 较好，磁性缺陷密度仅为2个缺陷/厘米² 。
功能材料概论
例如，通过高分子结构设计和官能团设计，在高分子结 构中引入感光功能基团，从而合成出感光高分子材料。合成 可供选择的措施有：共聚合、接技聚合、嵌段聚合、界面缩 聚、交联反应、官能团引入、模板聚合、管道聚合、交替共 聚以及用高聚物作支持体的聚合等。
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(2)通过特殊加工赋予材料以功能特性
这种方法又称为物理方法。例如： 高分子材料通过薄膜化制作偏振光膜、滤光片、电磁传感 器、薄膜半导体、薄膜电池、接点保护材料、防蚀材料等，尤 其是在超细过滤、反渗透、精密过滤、透析、离子交换等方面 取得了广泛的应用。 高分子材料纤维化可用于二次电子倍增管或作离子交换纤维。 对于高分子材料来说，最引人注目的是塑料光纤的开发应用。
功能材料学概论-----马如璋 蒋民华 （冶金工业出版社,1999） 功能金属材料------ 王正品 （化学工业出版社，2004年）
1
第一章 电性材料
目录
第二章 磁性材料
第三章 超导材料
第四章 膨胀材料和弹性材料
第五章 储氢合金
第六章 非晶态合金
第七章 形状记忆材料
第八章 其他功能材料
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功能材料授课内容
第一章：电性材料
金属的导电理论。金属的热电性。电学性能与微观结构之间的关系。电性材料
第二章磁性材料
磁学理论基础。金属软磁材料。金属永磁材料。磁致伸缩材料。铁氧体磁性材料
第三章超导材料
超导体的基本性质。超导材料的发展。超导材料的应用
第四章膨胀材料和弹性材料
膨胀合金。弹性合金
第五章储氢合金
储氢材料原理。储氢合金分类及开发现状。储氢材料的应用
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(1)力学功能
主要是指强化功能材料和弹性功能材料，如高 结晶材料、超高强材料等。
功能材料概论总复习
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（e） 物理吸附储氢 利用吸附储氢材料对氢分子的吸附作用而储氢。吸 附储氢材料主要有分子筛、活性炭、高比表面积活性炭、新型吸附剂 （碳纳米管、碳纳米纤维和纳米石墨等碳纳米材料 ）等。
Ⅰ 碳纳米管
1997.3 单壁碳纳米管中的储氢 ——《nature》 1999.7 碱掺杂的碳纳米管在常压常温下的高吸氢量——《science》 1999.11 室温下在单壁碳纳米管上的储氢——《science》 5wt%~20wt% 2010.2 回顾碳纳米管储氢——《carbon》 1998~2010，CNTS储氢量逐年下降
库柏认为，只要两个电子之间有净的吸引作用，不管这种作用力多么 微弱，它们都能形成束缚态。
这种吸引作用有可能超过电子之间的库仑排斥作用，而表现为净的相 互吸引作用，这样的两个电子被称为库柏电子对。
从能量上看，组成库柏对的两个电子由于相互作用将导致势能降低。
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、
如右图所示：
电子在晶格点阵中运动，它对周围的正离子有吸引作用，从而 造成局部正离子的相对集中，导致对另外电子的吸引作用。这
物理因素：热、光、幅射、机械力
物理－化学因素：热氧、光氧
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高聚物的分类
天然高分子材料 合成高分子材料
1、按来源
改性的天然高分子材料 改性合成高分子材料 为了获得具有各种实用性能或改善其成型加工性能，除 基本组分聚合物之外，还要添加各种添加剂，因此严格 地说，高分子化合物与高分子材料的涵义是不同的。 LOGO
当 T<Tc 时，金属内的库柏对开始形成（形成后体系能量下降），这时所有 的库柏对都以大小和方向均相同的动量运动，库柏对在能量上比单个电子运 动要稳定，因此，体系中仅有库柏对的运动，库柏对电子与周围其它电子没 有能量交换，也就没有电阻，金属导体就具有了超导电性 。库柏对的数量 十分巨大 , 当它们向同一方向运动时, 就形成了超导电流 。 由于库柏对引力并不大，当温度较高时，库柏对被热运动打乱而不能成对。 同时，离子在晶格上强烈地不规则振动，使形成库柏对的作用大大减弱。 LOGO
材料概论
11.什么是材料？什么是材料的三层含义？①材料(广义)：人类社会可接受的、能经济地制造有用器件的物质。
②材料(具体)：用来生产和构成(制造)功能更多、更强大的各种产品的物质。
这样的物质有天然生成的，如砂金、石、橡胶、木等；也有人工合成的，如钢、陶瓷、塑料、胶合板等。
③材料的含义：原料、制品和中间产品。
2.简述无机非金属材料的化学成分分类、使用性能分类？根据其化学结合键的类型，材料可分为金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料四大类，即材料的化学分类。
按使用性能，材料可分为结构材料和功能材料两大类。
3.为什么说材料是人类社会进步的里程碑？材料是我们衣食住行的必备条件，是人类一切生活和生产活动的物质基础，它先于人类存在，并且与人类的出现和进化有着密切的联系。
材料是社会进步和经济发展的物质基础与先导，4.什么是金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料？①金属材料：以金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。
包括纯金属、合金、金属间化合物和特种金属材料等。
②无机非金属材料：一种或多种非金属元素(如O、C、N等，通常为O)的化合物，主要为金属氧化物和金属非氧化物，不含C-H-O链。
包括氧化物、氮化物、卤化物、硼化物、硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等。
③高分子材料：由大量分子量特别大的大分子化合物组成的有机材料，亦称聚合物。
④复合材料：由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。
5.什么是结构材料、功能材料？①结构材料(或称工程材料)：以强度、硬度、塑性、韧性等力学性质为主要性能指标的工程材料的统称。
也就是要求强度、韧性、塑性等机械(力学)性能的材料。
②功能材料：具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学、生物医学功能，特殊的物理、化学、生物学效应，能完成功能相互转化，主要用来制造各种功能元器件而被广泛应用于各类高科技领域的新材料。
功能材料：要求以光、电、磁、热、声、核辐射等特殊性能为主要功用的材料。
功能材料综述
功能材料综述●摘要：能源、信息和材料是现代文明的三大支柱，而材料有事一切技术发展的物质基础。
功能材料是指有特定光、电、磁、声、热、湿、气、生物等特性的各类材料。
这些材料在能源、计算技术、通信、电子、激光、空间、医药等现代化技术中有着广泛的应用●关键词：纳米材料超导材料光学材料功能薄膜材料等●引言：人类社会发展的历史证明，材料是人类赖以生存的发展、政府自然和改造自然的物质基础，同时又是人类社会发展的先导，他是人类进步的里程碑。
历史上的石器时代、青铜器时代、铁器时代都是以材料作为时代主要标志。
然而先待新技术，例如：能源、计算技术、通信、电子、激光、空间、医药等领域，对材料的要求已经远远超出了结构材料的范围，既不单是利用材料的强度、硬度等力学性能来满足工程结构上的需要，而且对材料提出了许多特殊的物理性能要求。
例如，要求材料具有光、电、声、磁、热等特殊无聊性能而且可以有效利用。
●材料的分类：（1）超导材料：当材料的温度降低的某一稳定，出现电阻为零的非常状态是称为超导状态，能够产生超导状态的材料称为超导材料。
入在液氦温区出现超导现象的铌钛合金、铌锡合金，液氮温区出现超导现象的陶瓷材料。
（2）储氢材料：在一定条件下，固体的金属吸附氢二形成氢化金属并放出热，而且这一反应是可逆的，及氢化金属吸收热后可变成金属并放出氢。
能够吸收氢并形成氰化物的金属和合金，称为储氢材料。
（3）形状记忆材料：在一定温度条件下能够记住自己原来的形状的材料称为形状记忆材料。
用镍钛形状记忆合金制作管接头作密封件，月面天线等。
（4）半导体材料：电阻在导电体与绝缘体之间，既比电阻为105到107Ω·m称为半导体这种材料在某个温度范围内随温度升高而增加电荷载流子的浓度，电阻率下降。
（5）磁性材料：磁性材料具有磁有序的强磁性物质，广义还包括可应用其磁性和磁效应的弱磁性及反铁磁性物质。
磁性是物质的一种基本属性。
物质按照其内部结构及其在外磁场中的性状可分为抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性物质。
2015 AFM ch1 功能材料概论资料
⑤磁功能：硬磁性(记录介质)、软磁性（磁头等）等。
⑥光功能：透光、反折射光、吸光、偏振光、聚光性等 ⑦化学功能：吸附、催化、生化反应、酶反应等 ⑧其他功能：如放射特性、电磁波特性等。
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Ｂ、二次功能：输入能量 和输出能属于不同形式， 材料起能量转换作用, 这种功能称二次功能或高次功能 有人认为这种材料算真正功能材料。 二次功能可分为四类：
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⑥性能不同用途不同——功能材料与结构材料最大区别
⑦一般，功能单一、但功能突出
⑧生产规模小、更新快、技术保密性强
⑨高投入、高风险，成功，则高产值、高效益产业。
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2、功能材料的分类
属于材料大类的一支。
同时与材料的分类相对应，种类繁多，无统一
分类标准，出发点不同，分类方法不同：
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按材料的种类分类
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按功能显示过程分：一次功能材料和二次功能材料。 Ａ、一次功能：输入能量 和输出能量属于同种形式， 材料起到能量传输作用。 这时材料又称载体材料。
一次功能主要有八种： ①力学功能：粘、润滑、超塑、高弹、防震性等。
②声功能：隔音、吸音性等。
③热功能：传热、隔热、吸热、蓄热性等。 ④电功能：导电、超导性、绝缘、电阻等。
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4、材料学角度分类
结构材料(structural material)：主要利用其保持形状和结构 不变能力。如：制造工具、机械、车辆、房屋、桥梁、铁路、
封装材料等。注：结构材料对物理、化学性能有一定要求，
如光泽、热导率、抗辐照、抗腐蚀、抗氧化等。（例支撑件、 连接件、传动件、紧固件）
功能材料(functional material)：通过某一作用（光、电、磁、 力、热、声、化学、生物等）具有特定功能（由美国Bell Lab. J. A. Morton在1965年提出并受到普遍接受）。也叫特 种材料(Speciality mater)或精细材料(Fine mater).
功能材料概论2
2. 晶体结构与空间点阵 既然点阵只是表示原子或原子集团分布规律的一种几何抽 象，那么，每个结点就不一定代表一个原子。就是说，可 能在每个结点处恰好有一个原子，也可能围绕每个结点有 一群原子（原子集团）。但是，每个结点周围的环境（包 括原子的种类和分布）必须相同，亦即点阵的结点都是等 同点。 晶体结构与空间点阵的区别： 空间点阵是晶体中质点排列的几何学抽象，用以描述和分析晶 体结构的周期性和对称性，由于各阵点的周围环境相同，故它 只能有14种类型；而晶体结构中则是指晶体中实际质点（原子、 分子或离子）的具体排列情况，他们能组成各种类型的排列 （因实际质点千差万别），实际排列的晶体结构是无限的。 晶体结构＝空间点阵＋结构基元 结构基元：原子、分子或其集团
正交点阵中一些晶面的面指数
正交点阵中一些晶面的面指数
• •
晶面间的距离越大，晶面上 的原子排列越密集。 同一晶面族的原子排列方式 相同，它们的晶面间的间距 也相同。
•
不同晶面族的晶面间距也不 相同。
2.1.5 晶体结构的对称性
• 宏观对称性 • 晶体的对称性最直观地表现在其几何外形上，由于晶 体外形为有限的几何图形，故晶体外形上所体现的对 称性与分子一样为点对称性，称为宏观对称性。有四 种类型的对称操作和对称元素 • 旋转 旋转轴 • 反映 反映面(镜面) • 反演 对称中心 • 旋转反演 反轴
简单四方 体心四方 简单立方 体心立方 面心立方
正交 a≠b≠c，α=β=γ＝90º
简单正交 底心正交 体心正交 面心正交
立方 Cubic a=b=c， α=β=γ＝90º
2.1.4 晶面指数
晶面指数标定步骤： 1. 在点阵中设定参考坐标系； 2. 求得待定晶面在三个晶轴上的 截距，若该晶面与某轴平行， 则在此轴上截距为无穷大；若 该晶面与某轴负方向相截，则 在此轴上截距为一负值； 3. 取各截距的倒数； 4. 将三倒数化为互质的整数比， 并加上圆括号，即表示该晶面 的指数，记为( h k l )。
材料科学概论复习内容
材料是指人类社会可接受、能经济地制造有用期间（或物品）的固体物质。
其中包括天然生成和人工合成的材料，以及由它们组合而成的复合材料。
材料发展史上的第一次重大突破，是人类学会用黏土烧结制成容器。
所谓‘材料工程’就是着重把基础知识应用于材料的研制、生成、改性和应用，以完成特定的社会人物，解决技术上、经济上、社会上（包括环境）不断出现的问题。
它和机械工程、宇航工程、土木工程、电机工程、电子工程、化学工程等紧密联系，最近又发展到与生物工程相联系。
材料可分为三大类，即金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料金属材料包括两大类：钢铁材料和非铁（有色）金属材料材料按使用性能分类，可分为结构材料和功能材料。
材料的化学成分、组织结构是影响其各种性质的直接因素，加工过程则通过改变材料的组织结构而影响其性质。
另一方面，改变化学成分又会改变材料的组织结构，从而影响其性质。
其中组织结构是核心，性能是研究工作的落脚点。
（材料科学与工程的四要素：合成加工、性能、化学成分、组织结构）材料学就是研究材料的成分、组织结构、合成加工、性质与使用性能之间关系的科学，这3个方面构成了材料学的基础，他们是材料科学与工程的4个基本要素。
原子以周期性重复方式在三维空间有规则排列的固体称为晶体，否则称为非晶体。
把晶体中的单个原子或若干个原子抽象成一个几何点，它们在三维空间周期性重复排列，构成空间点阵，这些几何点称为阵点。
描述空间点阵中阵点排列方式的最小体积单元是对面平行的平行六面体，称为晶胞。
大部分材料是由2种或更多种元素组成的。
多元晶体材料中各组元原子可能以2种不同的方式分布，分别构成固溶体和化合物。
如果加盟组元原子晶体中所占位置的一部分或他们之间的某些空隙而保持基本组元的晶体结构，这种晶体便称为固溶体，加盟组员称为溶质，基本组员称为溶剂；如果加盟组元与基本组元以一定的比值重新组合形成新的晶体结构，这种晶体便称为化合物。
溶质原子占据阵点的固溶体称为置换型固溶体，占据基本组员原子间隙的称为间隙性固溶体。
《功能材料概论》期末考试试卷及参考答案,2018年12月
第1页（共10页）######## 2018-2019学年第一学期材料科学与工程专业####级《功能材料概论》期末考试试卷（后附参考答案及评分标准）考试时间：120分钟 考试日期：2018年12月一、填空题（本题14小题，共32空，每空1分，共32分）1. 晶体中的线缺陷即为位错，位错包括 和 两种基本类型。
2. 化学键包括共价键， 和离子键三种基本类型。
3. 按照性能和用途可以将高分子材料分为 、 和纤维三大合成材料。
4. 超导材料按其化学组成可分为元素超导体， 和 。
5. 氢能源的开发，目前遇到两个主要问题是制氢工艺和 。
6. 形状记忆效应有 、 和 三种形式。
7. 从应用方面考虑，磁性材料可分为 、 、 和一些特殊用途的磁性材料。
8. 光刻是集成电路中十分重要的一种加工工艺技术，光刻的三要素是 、和 。
9. 液晶的结构按分子排列方式的不同，可分为 、 和 三种类型。
10. 世界上第一台固体激光器的工作物质是 。
11. 按材料组分不同，光纤可分为 、多组分玻璃光纤和 等。
专业 年级 姓名 学号装订线第2页（共10页）12. 光电效应主要有 、 和 三种。
13. 一般介电陶瓷材料在电场下产生的极化可分为四种，即 、 、 和空间电荷极化。
14. 、 和 是智能材料必需具备的三个基本要素。
二、单项选择题（请将正确答案填入表中相应题号处，本题9小题，每小题2分，共18分）15. 晶体的空间点阵就其对称性，可以分为 种类型，隶属于 个晶系。
（ ）A. 十三， 七B. 十四， 八C. 十四， 七D. 十二， 六 16. 分子晶体的结合是依靠分子之间的（ ）。
A. 液桥力B. 范德华力C. 共价键D. 强作用力 17. 面心立方结构每个晶胞有（ ）个原子。
A. 6B. 2C. 4D. 1 18. 晶体中热缺陷的浓度随温度（ ）。
A. 线性增加B. 呈指数规律增加C. 无变化规律D. 线性减少 19. 下列不是超导材料的临界参数的是（ ）。
功能材料概论4-3(高分子基础)
3.2 高分子相关概念
3.2.1 高分子定义
高 分 子 Polymer , High Polymer, Macromolecule
也叫聚合物、高聚物或大分子等。主链由共价键结合， 具有高的分子量（大于104），其结构必须是由多个重 复单元所组成，并且这些重复单元实际上或概念上是由 相应的小分子（单体）衍生而来。概括的说，高分子是 由许多相同的重复单元通过化学键连接而成的大分子。
农用塑料：①薄膜 ②灌溉用管。 建筑工业：①给排水管PVC、HDPE ②塑料门窗 ③涂料油漆 ④ 复合地板、家具人造木材、地板 ⑤PVC天花板。 包装工业：①塑料薄膜：PE、PP、PS、PET、PA等 ②中空容器： PET、、PE、PP等 ③泡沫塑料：PE、PU等。 汽车工业：塑料件、仪表盘、保险机、油箱内饰件、坐垫等。 军工工业：飞机和火箭固体燃料（低聚物）、复合纤维等。
柱晶 当聚合物熔体在应力作用下冷却结晶时，还常常形成一种柱状 晶。由于应力作用，聚合物沿应力方向成行地形成晶核．后以这 些行成核为中心向四周生长成折叠链片晶。在熔融纺丝的纤维中、 注射成型制品的表皮以及挤出拉伸薄膜中等存在柱晶。 串晶 高分子溶液温度较低时边搅拌边结晶，可以形成一种类似于串 珠式结构的特殊结晶形态--串晶，串晶同时具有伸直链和折叠链 两种结构单元组成的多晶体。 伸直链结构--中心线， 折叠链的片晶--间隔地生长 在中心线周围，构成珠。
3.3 高分子结构
高分子两级结构
链结构（一级结构）：是指单个分子的结构和形态，分为近程 结构和远程结构。
近程结构：属于化学结构，又称一次结构，包括构造与构型。 构造是指链中原子的种类和排列，取代基和端基的种类，单体单元 的排列顺序，支链的类型和长度等；构型是指某一原子的取代基在 空间的排列。 远程结构：又称二次结构，包括分子的大小与形态，链的柔顺性及 分子在各种环境中所采取的构象。构象指分子链中由单键内旋转所 形成的原子（或基团）在空间的几何排列图像。
功能材料概论6(纳米材料)
用STM描绘样品表面三维的原子结构:
硅表面硅原子 STM图象
高序石墨原子 STM图象
1990年，纳米技术获得了重大突破。美国IBM公司阿尔马登 研究中心（Almaden Research Center）的科学家展示了一 项令世人瞠目结舌的成果，他们使用STM把35个氙原子移动 到各自的位置，在镍金属表面 组成了“IBM”三个字母，这三 个字母加起来不到3纳米长，成为世界上最小的IBM商标。
STM头部
扫描隧道显微镜具有很高的空间分辨率，横向可达0.1纳米，纵向 可优于0.01纳米，能直接观察到物质表面的原子结构，把人们带到 了微观世界。它主要用来描绘表面三维的原子结构图，在纳米尺度 上研究物质的特性，还可以实现对表面的纳米加工，如直接操纵原
子或分子，完成对表面的剥蚀、修饰以及直接书写等。
力下压制成型，或再经一定热处理工序后所生成的致密 性固体材料。纳米固体材料的主要特征是具有巨大的颗 粒间界面，如5 nm颗粒所构成的固体每立方厘米将含 1019个晶界，从而使得纳米材料具有高韧性。
扫描隧道显微镜下的纳米团簇
纳米颗粒型材料也称纳米粉末
可用于制备高密度磁记录材料、吸波隐身材料、磁流体材
料、防辐射材料、微芯片导热基与布线材料、微电子封装 材料、光电子材料、单晶硅和精密光学器件抛光材料、敏 感元件、电池电极材料、太阳能电池材料、高效催化剂、 高效助燃剂、高韧性陶瓷材料、人体修复材料和抗癌制剂 等。
碳纳米管 1991年，日本科学家饭岛澄男发 现碳纳米管。 石墨中一层或若干层碳原子卷曲而 成的笼状“纤维”，内部是空的， 外部直径只有几到几十纳米，长度 可达数微米甚至数毫米。 这样的材料很轻，但很结实。它 的密度是钢的1/6，而强度却是钢 的100倍。若用碳纳米管做绳索， 是惟一可从月球上挂到地球表面， 而不被自身重量所拉断的绳索。
功能材料概论复习资料
功能材料概论复习资料第一章晶体学基础及材料性能一．概念1. 在晶体中，原子和原子集团在三维空间中有规律分布。
如果将每一个可重复的单位用一个点来表示，就能形成一个有规则的三维点阵，称为空间点阵。
2. 便于分析各种晶体中原于排列的规律，空间点阵常用空间格子来表示，这种空间格子称为晶格。
3. 由于晶格具有用期性，可取一单位体积（平行六面体）作为重复单元，来概括整个晶格的特征。
这样选取的重复单元称为原胞。
4. 基本的对称操作为旋转与反映，对称操作所依赖的几何要素，如点、线、面，称为对称元素。
5. 同位素相对原子质量越小，Tc越高，这种现象称为同位素效应。
6.同素异构体：有些元素具有一种以上的结构形式，称其为同素异构体。
7. 密勒指数:在晶体中，为了表达与晶轴相关的晶面方向或晶向，常使用三个整数，称为密勒指数，假设一晶面与a，b，c轴交于M1，M2，M3三点，通过求出三个截距值倒数的最小整数比，即可得到该晶面的米勒指数。
8. 晶体的对称性是指晶体经过某些对称操作后仍然能回复原状的特性。
9. 在晶体中，一对为两个原子所共有的自旋相反、配对的电子结构称为共价键。
10. 分子晶体的结合是依靠分子之间的作用力，这种作用力称为范德华力。
11. 多晶体中各晶粒的取向各不相同，不同取向晶粒之间的接触面为晶界。
12. 导带中的电子导电和价带中的空穴导电同时存在的情况，称为本征电导。
这类半导体称为本征半导体。
13. 有些金属材料在外磁场作用下产生很强的磁化强度，外磁场除去后仍能保持相当大的永久磁性，这种特性叫铁磁性。
14. 抗磁性是一种很弱、非永久性的磁性，只有在外磁场存在时才能维持，磁矩方向与外磁场相反。
15. 在有些非铁磁性材料中，相邻原子或离子的磁矩作反方向平行排列，总磁矩为零，这种性质为反铁磁性。
16.亚铁磁性是某些陶瓷材料表现的永久磁性，其饱和磁化强度比铁磁性材料低。
17. 吸收光谱是指物质在光谱范围里的吸收系数按光频率分布的总体。
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功能材料概论复习资料第三章超导材料一•概念1.超过临界磁场便立即转变为正常态的超导体，称为第一类超导体。
2.在绝对零度下，处于能隙下边缘以下的各能态全被占据，而能隙上边缘以上的各能态全空着。
这种状态就是超导基态。
3.引进声子的概念后，可将声子看成一种准粒子，它像真实粒子一样和电子发生相互作用。
通常把电子与晶格点阵的相互作用，称为电子-声子相互作用。
4.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。
5.在处理与热振动能量相关的一类问题时，往往把晶格点阵的集体振动，等效成若干个不同频率的互相独立的简正振动的叠加。
而每一种频率的简正振动的能量都是量子化的，其能量量子花（q）就称为声子。
6.只要两个电子之间有净的吸引作用，不管这种作用多么微弱，它们都能形成束缚态，两个电子的总能量将低于2氐此时，这种吸引作用有可能超过电子之间的库仑排斥作用，而表现为净的相互吸引作用，这样的两个电子被称为库柏电子对。
7.库柏对有一定的尺寸，反映了组成库柏对的两个电子，不像两个正常电于那样，完全互不相关的独立运动，而是存在着一种关联性.库柏对的尺寸正是这种关联效应的空间尺度.称为BCS 相于长度。
8.对处于超导态的超导体施加一个磁场，当磁场强度高于He时，磁力线将穿人超导体，超导态被破坏。
一般把可以破坏超导态的最小磁场强度称为临界磁场。
二•填空1.（电子）与（晶格点阵之间）的相互作用，可能是导致超导电性产生的根源。
2.超导体的三个临界参数为：（临界温度）、（临界磁场）（临界电流）。
3.超导材料按其化学组成可分为：（元素超导体）、（合金超导体）、（化合物超导体）。
三.简答1.请简述第一类超导体与第二类超导体的区别Hco为OK时的临界磁场。
当T = Tc时，=0;随温度的降低，比增加,至0K时达到最大值11込H（:与材料性质也有关系，上述在临界磁场以下显示超导性，超过临界磁场便立即转变为正常态的超导体，称为第一类超导体。
与第一类超导体相反，第二类超导体有两个临界磁场。
一个是下临界磁场⑴G另一个是上临界磁场（乩2）。
下临界磁场值较小，上临界磁场比下临界磁场高一个数最级，而且，大部分第二类超导体的上临界磁场比第一类超导体的临界磁场要高得多。
在温度低于He条件下，外磁场小于He时，第二类超导体与第一类超导体相同，处于完全抗磁性状态。
当外磁场介于He与Hc2之间时，第二类超导体处于超导态与正常态的混合状态，磁场部分进入超导体内部2.请列举超导材料的应用。
（一）开发新能源1.超导受控热核反应堆2超导磁流体发电（二）节能方面1.超导输电2.超导发电机和电动机3.超导变压器（三）超导磁悬浮列车（四）超导贮能（五）研究领域（六）其他应用第四章贮氢合金一.概念滞后：金属氢化物在吸氢与释氢时，虽在同一温度，但压力不同，这种现象称为滞后。
二.填空1.氢化物氢贮运装置分两类：（固定式）和（移动式）。
2.氢能源开发中的难题是（制氢工艺）和（氢的贮存）。
3.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）。
4.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。
5.作为贮氢材料，滞后越（小）越好。
6.（机械合金化技术）应用于贮氢合金的制备，是改善贮氢合金性能的有效途径。
三.简答1.请简述金属的贮氢原理，并写出简单的反应式。
许多金属（或合金）可固溶氢气形成含氢的固溶体（MHJ ,固溶体的溶解度［Hh与其平衡氢压％的平方根成正比。
在一定温度和压力条件下，固溶相（MHJ与氢反应生成金属氢化物.反应式如下2 7MHx + H2*—^-MHy 十人刃y - x y -x式中Mg是金属氢化物，为生成热。
贮氢合金正是靠其与氢起化学反应生成金属氢化物来贮氢的。
2.非晶态贮氢合金的优点非晶态贮氨合金比同组份的晶态合金在相同的温度和氢压下有更大的贮氢量；具有较高的耐磨性；即使经过几百次吸、放氢循环也不致破碎；吸氢后体积膨胀小。
但非晶态贮氢合金往往由于吸氢过程中的放热而晶化。
3.机械合金化技术应用于贮氢合金的制备的优缺点机械合金化技术应用于贮氢合金的制备，是改善贮氢合金性能的有效途径。
该技术成本低、工艺简单、生产周期短；制备的贮氢合金具有贮氢量大、活化容易、吸释氢速度快、电催化活性好等优点。
美中不足的是用MA制备贮氢合金尚处于实验室研究阶段，理论模型，工艺参数，工艺条件还有待于进一步优化。
4.作为氢化物电极的贮氢合金必须满足的基本要求：（1）在碱性电解质溶液中良好的化学稳定性；（2）高的阴极贮氢容量；（3）合适的室温平台压力；（4）良好的电催化活性和抗阴极氧化能力；（5）良好的电极反应动力学特性。
5.贮氢合金在应用时存在的主要问题：贮氢能力低；对气体杂质的高度敏感性；初始活化困难；氢化物在空气中自燃；反复吸释氢时氢化物产生岐化。
6.简述贮氢合金的应用1）作为贮运氢气的容器2）氢能汽车3 ）分离、回收氢4）制取高纯度氢气5）氢气静压机6）氢化物电极第五章形状记忆合金一•概念1.有些形状记忆合金在加热发生马氏体逆转变时，对母相有记忆效应；当从相再次冷却为马氏体时，还回复原马氏体的形状，这种现象称为双向形状记忆效应，又称可逆形状记忆效应。
2.具有马氏体逆转变，且此与仏相差很小的合金，将其冷却到味点以下，马氏体晶核随温度下降逐渐长大，温度回升时马氏体片又反过来同步地随温度上升而缩小，这种马氏体叫热弹性马氏体。
3.在Ms以上某一温度对合金施加外力也可引起马氏体转变，形成的马氏体叫应力诱发马氏体。
4.有些应力诱发马氏体也属弹性马氏体，应力增加时马氏体长大，反之马氏体缩小，应力消除后马氏体消失，这种马氏体叫应力弹性马氏体。
5.应力弹性马氏体形成时会使合金产生附加应变，当除去应力时，这种附加应变也随之消失，这种现象称为超弹性（伪弹性）。
二.填空1.根据马氏体相变的定义，在相变过程中，只要形成单变体马氏体并排除其他阻力，材料经过（马氏体相变）及其逆相变，就会表现出（形状记忆效应）。
2.己发现的形状记忆舍金种类很多，可以分为（傑-钛系）、（铜系）、（铁系）合金三大类。
3.每片马氏体形成时都伴有形状的变化。
这种合金在单向外力作用下，其中马氏体顺应力方向发生再取向，即造成马氏体的（择优取向）。
4.（Shockley不全位错）的可逆移动是形状恢复的关键。
5.通常的形状记忆合金根据马氏体与母相的晶体学关系，共有（六）个这样的片群，形成（24）种马氏体变体6.应力弹性马氏体形成时会使合金产生附加应变，去除应力后，马氏体消失，应变也随之回复，这种现象称为（伪弹性）或超弹性。
7.母相（Y ）奥氏体为（面心立方）结构，£马氏体为密排六方结构。
8.形状记忆合金材料的应用主要体现在（工程应用）、（医学应用）和（智能应用）三个方面三•简答1.简述形状记忆的三种形式形状记忆效应有三种形式。
第一种称为单向形状记忆效应，即将母相冷却或加应力.使之发生马氏体相变，然后使马氏体发生塑性变形，改变其形状，再重新加热到儿以上，马氏体发生逆转变，温度升至Af点，马氏体完全消失，材料完全恢复母相形状。
一般没有特殊说明，形状记忆效应都是指这种单向形状记忆效应。
有些形状记忆合金在加热发生马氏体逆转变时，对母相有记忆效应；当从相再次冷却为马氏体时，还回复原马氏体的形状，这种现象称为双向形状记忆效应，又称可逆形状记忆效应。
第三种情况是在Ti-Ni合金系中发现的，在冷热循环过程中，形状回复到与母体完全相反的形状，称为全方位形状记忆效应。
2.铁基形状记忆合金具有良好的记忆效应的前提条件是：（1 ）合金母相为单一奥氏体，并存在一定数量的层错；（2 ）尽可能低的层错能，使Schockley 不全位错容易扩展及收缩，以减少应力诱发马氏体相变时的阻力；（3）相当的母相强度，以抑制应力诱发相变时产生永久位移；（4）较低的铁磁-反铁磁转变温度（TN）以消除奥氏体稳定化对应力诱发Y-&相变时的阻碍。
3.形状记忆合金作紧固件、连接件较其他材料有许多优势（1）夹紧力大，接触密封可靠.避免了由于焊接而产生的冶金缺陷；（2）适于不易焊接的接头；（3）金属与塑料等不同材料可以通过这种连接件连成一体；（4）安装时不需要熟练的技术。
4.简述形状记忆合金的应用1）工程上的应用：作各种结构件，加紧固件、连接件、密封垫等。
另外，也可以用于一些控制元件，如一些与温度有关的传感及自动控制2 ）医学上使用：移植材料、在生物体內部作固定折断骨架的销、进行内固定接骨的接骨板、假肢的连接、矫正脊柱弯曲的矫正板、人工心脏3）智能应用：自调节和控制装置，如各种智能、仿生机械、牙齿矫正线、眼镜片固定丝、汽车的保险杠和易撞伤部位四•论述1 •形状记忆原理一些学者曾根据早期的形状记忆材料的特征，提出产生形状记忆效应的条件是：（1）马氏体相变是热弹性的；（2）马氏体点阵的不变切变为李生，即亚结构为李晶；（3）母相和马氏体均为有序结构。
但随着对形状记忆材料研究的不断深入，发现不完全具备上述三个条件的合金（如Fe-Mn-Si合金，其马氏体相变时半热弹性的，且母相无序）也可以显示形状记忆效应。
后来又发现不仅某些合金，陶瓷材料、高分子材料中也存在形状记忆效应，其机理亦与金属材料不同。
所以许多学者强调，根据马氏体相变的定义，在相变过程中，只要形成单变体马氏体并排除其他阻力，材料经过马氏体相变及其逆相变，就会表现出形状记忆效应。
我们知道，马氏体相变是一种非扩散型转变，母相向马氏体转变，可理解为原子排列面的切应变。
由于剪切形变方向不同，而产生结构相同，位向不同的马氏体一马氏体变体。
每片马氏体形成时都伴有形状的变化。
这种合金在单向外力作用下，其中马氏体顺应力方向发生再取向，即造成马氏体的择优取向。
当大部分或全部的马氏体都釆取一个取向时, 整个材料在宏观上表现为形变。
对于应力诱发马氏体，生成的马氏体沿外力方向择优取向，在相变同时，材料发生明显变形，上述的24个马氏体变体可以变成同一取向的单晶马氏体。
将变形马氏体加热到九点以上，马氏体发生逆转变，因为马氏体晶体的对称性低。
转变为母相时只形成几个位向，甚至只有一个位向一一母相原来的位向。
尤其当母相为长程有序时, 更是如此。
当自适应马氏体片群中不同变体存在强的力学偶时，形成单一位向的母相倾向更大。
逆转变完成后，便完全回复了原来母相的晶体，宏观变形也完全恢复。
第六章非晶态合金1.非晶态合金俗称“金属玻璃”。
以极高速度使熔融状态的合金冷却，凝固后的合金结构呈玻璃态。
2.拓扑无序模型认为非晶态结构的主要特征是原子排列的混乱和随机性，强调结构的无序性，而把短程有序看作是无规堆积时附带产生的结果。
3.溅射法是在真空中，通过在电场中加速的氮离子轰击阴极洽金材料制成），使被激发的物质脱离母材而沉积在用液氮冷却的基板表面上形成非晶态薄膜。