功能材料作业

论述功能材料定义、特点以及分类，并阐述功能材料在社会经济发展中的地位和作用。

功能材料定义：具有特殊的电、磁、光、热、声、力、化学性能和生物性能及其互相转化的功能，不是被用于结构目的，而是用以实现对信息和能量的感受、计测、显示、控制和转换为主要目的的高新材料。

功能材料的特点：1）多功能化2）材料与元件一体化3）制造和应用的高技术性、性能和质量的高精密性和高稳定性4）材料形态多样化。

功能材料是一大类具有特殊电、磁、光、声、热、力、化学以及生物功能的新型材料，是信息技术、生物技术、能源技术等高技术领域和国防建设的重要基础材料，同时也对改造某些传统产业，如农业、化工、建材等起着重要作用。

功能材料种类繁多，用途广泛，正在形成一个规模宏大的高技术产业群，有着十分广阔的市场前景和极为重要的战略意义。

功能材料是新材料领域的核心，对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用，在全球新材料研究领域中，功能材料约占 85 % 。

随着信息社会的到来，特种功能材料对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用，是二十一世纪信息、生物、能源、环保、空间等高技术领域的关键材料，成为世界各国新材料领域研究发展的重点，也是世界各国高技术发展中战略竞争的热点。

鉴于功能材料的重要地位，世界各国均十分重视功能材料技术的研究，各国都非常强调功能材料对发展本国国民经济、保卫国家安全、增进人民健康和提高人民生活质量等方面的突出作用。

在全球经济中，特种功能材料无论是需求的规模，还是需求的增长速度，都是相当惊人的。

中国作为一个人口的大国，正在实施宏伟的第三步发展战略，这一根本国情加之特种功能材料在经济社会发展中的重要作用和地位，决定了我国对功能材料的需求将是巨大的。

功能材料不仅是发展我国信息技术、生物技术、能源技术等高技术领域和国防建设的重要基础材料，而且是改造与提升我国基础工业和传统产业的基础 , 直接关系到我国资源、环境及社会的可持续发展。

总之，我国经济、社会及国家安全对功能材料有着巨大的需求，功能材料是关系到我国能否顺利实现第三步战略目标的关键新材料。

3. 什么是超导材料？超导材料具有哪些主要特性？论述高温超导应用前景。

超导材料定义：具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料。

超导材料具有哪些主要特性：1）零电阻率：超导体中回路内的电流将长久地维持下去，几乎没有能量的损耗。

导体内任意两点间没有电势差，整个超导体是一个等势体。

2）临界磁场：逐渐增大磁场到达一定值后，超导体会从超导态变为正常态，把破坏超导电性所需的最小磁场称为临界磁场。

3）临界电流：当超导电流达到或超过临界电流强度Ic时，超导体从超导态转变为正常态。

4）迈斯纳效应：超导体的完全抗磁性。

高温超导应用前景：电力能源方面：输电电缆、发电机、电动机、变压器超导化、超导储能系统、大型电机设备形状与性能的革命，等能源工业：超导贮能调节电网负荷、超导磁体约束的等离子体和可能产生的核聚变，等电子学方面：超导计算机研究方面，计算速度高，体积小，功耗低，使用方便、信息储存量大医学和生物方面：核磁共振计算机断层诊断装置(NMR-CT) 超导量子干涉仪(SQUID)，等。

1. 论述功能材料对社会经济发展的影响和意义；通过本课程的学习你认为如何对功能材料进行设计。

功能材料是一大类具有特殊电、磁、光、声、热、力、化学以及生物功能的新型材料，是信息技术、生物技术、能源技术等高技术领域和国防建设的重要基础材料，同时也对改造某些传统产业，如农业、化工、建材等起着重要作用。

功能材料种类繁多，用途广泛，正在形成一个规模宏大的高技术产业群，有着十分广阔的市场前景和极为重要的战略意义。

功能材料是新材料领域的核心，对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用，在全球新材料研究领域中，功能材料约占 85 % 。

随着信息社会的到来，特种功能材料对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用，是二十一世纪信息、生物、能源、环保、空间等高技术领域的关键材料，成为世界各国新材料领域研究发展的重点，也是世界各国高技术发展中战略竞争的热点。

鉴于功能材料的重要地位，世界各国均十分重视功能材料技术的研究，各国都非常强调功能材料对发展本国国民经济、保卫国家安全、增进人民健康和提高人民生活质量等方面的突出作用。

在全球经济中，特种功能材料无论是需求的规模，还是需求的增长速度，都是相当惊人的。

中国作为一个人口的大国，正在实施宏伟的第三步发展战略，这一根本国情加之特种功能材料在经济社会发展中的重要作用和地位，决定了我国对功能材料的需求将是巨大的。

功能材料不仅是发展我国信息技术、生物技术、能源技术等高技术领域和国防建设的重要基础材料，而且是改造与提升我国基础工业和传统产业的基础 , 直接关系到我国资源、环境及社会的可持续发展。

总之，我国经济、社会及国家安全对功能材料有着巨大的需求，功能材料是关系到我国能否顺利实现第三步战略目标的关键新材料。

材料科学与工程一般都认为由四要素组成，即结构/成分、合成/流程、性能与效能。

根据材料所要求的性能不同，材料设计可以从性能出发．也可从结构出发（从微观、显微到宏观）。

为实现材料设计，必须开展深入的基础研究，以了解物质结构与性能的关系。

材料设计的实现是一个长期过程，其最终应达到提出一个需求目标就可设计出成分、制造流程并做出合乎要求的工程材料以至零件、器件或构件。

（1）金属功能材料的功能设计主要有以下两个方面：(a)寻找具有特定功能的金属材料有些金属材料本身具有特定的功能，经过我们的开发研究，可以对这些特定的功能加以利用。

例如，稀土功能材料的制备和应用。

(b)利用各种金属材料的特性，制备符合使用要求的合金。

(2) 无机非金属功能材料进行功能设计的方法主要有以下两种：(a)根据功能的要求设计配方;(b)根据功能的要求设计合适的加工工艺。

(3) 功能高分子材料功能设计的主要途径如下：(a)通过分子设计合成新功能；(b)通过特殊加工赋予材料以功能特性；(c)通过两种或两种以上的具有不同功能或性能的材料复合获得新功能；(d)通过对材料进行各种表面处理以获得新功能。

论述材料科学与工程学科的含义、研究内容、以及在社会经济发展中的地位和作用。

材料科学与工程学科是一门主要涉及物理学、化学、计算科学、工程学和材料学的综合性交叉学科，它涵盖了金属材料工程、冶金工程、无机非金属材料工程、高分子材料工程、材料物理和材料化学等二级学科专业，它是研究材料的组成与结构、合成与制备、性质及使用性能、测试与表征等四个基本要素及其相互关系与制约规律的一门科学。

对材料科学与工程中基本要素的认识和理解应具有动态的观念，基本要素的相互关系与制约规律应在不同的结构层次、不同的设计和应用阶段进行阐述和控制。

材料的组成与结构着重于研究原子的类型及所观察尺度范围内原子的相互作用及排列组合规律；材料的合成与制备则是利用原子间相互作用的规律，创造一定的外部条件，使原子（原子团）分子按特定的排列组合形成所需性质与使用性能的材料的过程；对材料性能的测试和对其结构表征的计算，并最终实现按照预定性能设计材料和制备材料，构成了材料科学与工程的主要研究内容。

在人类社会的发展过程中，材料的发展水平始终是时代进步和社会文明的标志，材料科学与工程学科是伴随着社会发展对材料研究的需要而形成和发展的。

作为人类赖以生存和发展的物质基础，尽管材料的使用几乎和人类社会的形成一样古老，但材料科学与工程学科作为一个独立的学科，只有约50年短暂的历史。

但是，在仅仅 50 年的发展过程中，材料科学与工程学科已经充分显示了其在现代科学技术发展和人类社会进步中所处的重要地位。

2. 以储氢材料为例，说明开发新型洁净能源材料的意义；实用储氢材料应具备哪些条件？能源是现代文明柱石之一。

经济愈发达，人民生活水平愈高，对能源的需求量也愈大。

能源材料就是用于能源生产、转换和应用所需的材料，能源新材料主要指那些正在发展中的能源材料。

化石燃料存在的严重问题有：－是资源有限；二是污染严重，因其是温室效应气体CO2的主要来源，特别是煤在燃烧过程中产生的SO2、NO2可形成酸雨，影响农业和生态环境。

随着世界上能源危机和环境恶化，人们迫切需要寻找一种高效、洁净、可再生的新能源。

开发新型洁净能源，材料是关键之一。

例如氢被认为是理想能源，热值高、无污染。

氢能则是解决上述问题的最佳选择之一，而氢的储存是发展氢能技术的重点和难点。

轻质储氢材料的研发对于发展氢燃料电池汽车来说，不仅可以提供安全高效的车载供氢系统，而且可以显著降低氢气燃料的成本。

但现有实用性能良好的储氢材料的有效储氢密度较低，无法满足当前氢燃料电池汽车的应用要求。

因此，研发新型轻质储氢材料等一些洁净能源材料具有重要的意义。

实用贮氢材料应具备如下条件（1）贮氢容量高，（2）氢化物的稳定性要适当，室温下吸放氢平台在几个大气压，（3）吸放氢速度快，（4）活化容易，（5）循环稳定性好，（6）价格便宜。

2. 目前研究的储氢合金材料主要有哪几类？说明金属氢化物的储氢原理。

目前研究的储氢合金主要有（1）AB5型稀土类如LaNi5基合金，（2）Zr(Ti)基AB2型Laves 相合金，（3）Ti 基合金如TiNi, TiFe 等，（4）V 基固容体合金，（5）Mg 基合金，等等。

金属和氢的化合物统称为金属氢化物。

22H M n +H MH n n ∆+2由上面的反应式可知，贮氢材料最佳特性是在实际使用的温度、压力范围内，以实际使用的速度，可逆地完成氢的贮藏释放。

氢在金属合金中的吸收和释放又取决于金属合金和氢的相平衡关系。

影响相平衡的因素为温度、压力和组成成分，这些参数就可用于控制氢的吸收和释放过程。

金属-氢系的相平衡由温度T 、压力p 和组成成分c 三个状态参数控制。

如图，T1、T2、T3表示三个不同温度下的等温曲线。

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。

温度T1的等温曲线中p 和c 的变化如下：T1保持不动，pH2缓慢升高时，氢溶解到金属中，H/M 应沿曲线AB 增大。

固溶了氢的金属相叫做α相。

达到B 点时， α相和氢气发生反应生成氢化物相，即 β相。

当变到C 点时，所有的α相都变为 β 相，此后当再次逐渐升高压力时， β相的成分就逐渐靠近化学计量成分。

BC 之间的等压区域(平台)的存在可用Gibbs 相律解释。

此时的平衡氢压，即为金属氢化物的平衡分解压。

反应平衡氢压p 与温度之间，在一定的温度范围内近似地符合Van't--Hoff 关系式：lnP H2 = ∆H/RT – ∆S/R储氢合金在一定温度和压力的氢气中可以吸氢，开始吸氢时形成含氢的固溶体，不改变原晶体结构；随着吸氢量的增加，开始形成氢化物并同时放热，一直到最大吸氢量为止，如图所示。