功能材料工程基础复习资料

功能材料工程基础复习资料杨宾老师习题1功能材料概念、分类以及作用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。

是用于非结构目的的高技术材料。

这类材料相对于通常的结构材料而言，一般除了具有机械特性外，还具有其他的功能特性。

按材料分类金属、无机非金属、有机、复合功能材料；按功能分类电性、磁性、光学、声学、化学、力学功能材料；按应用分类电子、信息、军工、能源、医学、核技术…按化学分类金属、无机非金属、有机、复合功能材料按学科分类物理、化学、光学、声学、晶体、非晶体、金属学、纳米技术、生物技术、信息技术、神经网络学、微致动器技术、仿生学…按聚集态分类气态、液态、固态、液晶态、混合态功能材料；其中固态又分为晶态、准晶态、非晶态；按功能分类电性、磁性、光学、声学、化学、力学功能材料；按应用分类电子、航空、航天、信息、核技术、军工、能源、建筑、医学、环境…按材料形态分类体积、膜、纤维、颗粒等；按维度分类三维、二维、一维、零维；二维、一维和零维材料至少在一维为纳米级，称为低维材料，具有量子化效应。

2功能设计的概念所谓功能设计，就是赋予材料以一次功能或二次功能特性的科学方法。

即根据材料要求的效能，设计材料的成分、合成/制备、结构和性能等。

3功能材料工程的概念功能材料科学与工程应为五要素，即成分、合成/制备、结构、性质与效能。

4催化剂概念能够改变某化学反应的速率而不改变该反应的标准自由能的物质，称为催化剂，催化剂的这种作用称为催化作用。

5 超导材料的基本物理性质零电阻效应：在临界温度Tc电阻消失，对处于超导态的超导体施加一个磁场，当磁场强度高于Hc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Hc(T) 。

在不加磁场的情况下，超导体中通过足够强的电流也会破坏超导电性，导致破坏超导电性所需要的电流称作临界电流Ic(T)。

完全抗磁性：在小磁场中把金属冷却进入超导态时，超导体内的磁通线似乎一下子被排斥出去，保持体内磁感应强度B等于零，超导体的这一性质被称为迈斯纳效应。

6高温超导材料特征晶体结构具有很强的低维特点，三个晶格常数往往相差3-4倍；输运系数（电导率、热导率等）具有明显的各向异性；磁场穿透深度远大于相干长度，是第II类超导体；载流子浓度底，且多为空穴型导电；同位素效应不显著；迈斯纳效应不完全；隧道实验表明能隙存在，且为库柏型配对。

7储氢合金的金属——氢系相图以及储氢原理金属-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。

用温度、压力、成分组成二元直角坐标可以完整地表示出金属--氢系相图。

储氢原理：金属吸留氢形成金属氢化物，然后对该金属氢化物加热，并把它放置在比其平衡压低的氢压力环境中使其放出吸留的氢。

8金属氢化物的特征金属氢化物是白色或接近白色的粉末，是稳定的化合物。

这些化合物称为盐状氢化物或离子键型氢化物，氢以H-离子状态存在。

9形状记忆合金效应概念合金的形状记忆效应实质上是在温度和应力的作用下，合金内部热弹性马氏体形成、变化、消失的相变过程的宏观表现10固体表面及其优劣损特点、相界特点及存在条件、表面不均一性的表现形式浸润性的状态及判断固体表面特点：表面质点所处环境不同于内部质点，存在悬键或受力不均而处于较高能态。

引起熔点、沸点、蒸汽压、溶解度、吸附、润湿、化学活性、化学反应过程及速度等方面的变化。

继而导致材料强度、韧性、导热、导电、介电、传感、腐蚀、氧化、催化、能量交换、摩擦磨损、光的吸收与反射等功能改变。

界面特点：界面是一个薄层，绝大多数情况下，可视为二维界面（或近似视为材料中的二维缺陷。

两相间某一界面稳定存在条件—界面的形成自由能＞0。

若形成自由能≤0，则突发能量涨落会促使界面区域继续扩大，直至某一相完全覆盖另一相，形成外相连续闭合状态。

界面上密度及组分改变→影响界面性质改变，界面上产生过剩自由能或应力。

表面不均一性表现在：绝大多数晶体是各向异性，因而同一晶体可以有许多性能不同的表面，即晶体的各向异性在表面上也体现。

同一物质的不同制备加工条件会有不同的表面性质。

表面结构缺陷（晶格缺陷、空位或位错）造成表面不均匀。

在空气中暴露，表面被外来物质污染，吸附外来原子占据不同的表面位置，形成有序或无序排列，引起表面不均匀。

固体表面从原子尺寸衡量，实际上是凹凸不平的。

固体表面与液体表面相似处是表面受力不对称；不同处是固体表面原子（离子）不能自由流动，使定量描述更困难。

11纳米结构概念纳米微粒的五个物理效应纳米结构概念：纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。

纳米微粒的物理效应：电子能级的不连续性、量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应、宏观亮子隧道效应12载能束的作用类型技术工艺及其表面改性特点载能束与和物质的三种作用类型：热作用、力作用、光作用技术工艺：1激光表面处理工艺2电子束表面改性3离子束表面改性表面改性特点：载能束热源作用在材料表面上的功率密度高、作用时间极其短暂，即加热速度快、冷却速度亦快，处理效率高。

载能束表面改性是靠束流作用在材料表面，对材料进行加热，属非接触式加热，没有机械应力作用。

载能束表面改性具有许多独特的优点：如离子注入，不像热扩散那样，将受到化学结合力、扩散系数和相平衡规律的限制。

由于载能束作用面积小，金属本身的热容量足以使被处理的表面骤冷，保证完成马氏体的转变；而且急冷可抑制碳化物的析出，从而减少脆性相的影响，并能获得隐晶马氏体组织。

13 光电效应概念分类及应用光电效应概念：物质在受到光照后，往往会引发其某些电性质的变化。

光电效应分类：光电效应主要有光电导效应、光生伏特效应和光电子发射效应三种。

应用：利用光生伏特效应原理不仅可以制作探测光信号的光电转换元件，还可以制造光电池-太阳能电池。

利用光电子发射原理，可以把光电子发射材料做成光电子阴极，这种光电子发射阴极通过电场并配以荧光屏成像就可以制成光电转换器微光管，光电倍增管，高灵敏度电视摄像管，图像倍增管等。

光电导材料应用：光探测用光敏感器件的材料。

如作可见光、红外光的半导体光电导型光敏元件的材料、半导体光电二极管材料、光电导摄像管以及固体图像传感器。

利用光电动势材料制作太阳能电池14 非晶合金结构特点只存在小区间范围内的短程有序，在近程或次近邻的原子间的键合（如配位数、原子间距、键角、键长等）具有某种规律性；非晶态材料的X-射线衍射花样是有较宽的晕和弥散的环组成，没有表征结晶态特征的任何斑点和条纹，用电子显微镜也看不到晶粒间界、晶格缺陷等形成的衍衬反差；当温度升高时，在某个很窄的温度区间，会发生明显的结构相变，因而它是一种亚稳相。

15 磁性材料分类的依据根据滞回曲线和磁化曲线的不同，分成软磁材料、硬磁材料、矩磁材料按材料的化学组成：金属磁性材料，非金属(陶瓷铁氧体)磁性材料。

按使用形态分：块体磁性材料，粉末磁性材料，薄膜型磁性材料。

按功能分：软磁性材料，硬磁性材料，半硬磁性材料矩磁材料，旋磁材料，压磁材料，磁记录材料泡磁材料，磁光材料….16 复合材料界面的作用阻止裂纹扩展界面物理化学性能不连续散射和吸收作用界面结晶效应界面化学效应感应效应17 pvd与cvd的技术原理、工艺特点CVD技术原理：气相沉积过程中沉积粒子来源于化合物的气相分解反应18 功能复合材料种类、相关效应、特点、应用及发展种类：压电复合材料导电复合材料磁性复合材料摩擦复合材料阻尼复合材料智能复合材料等压电材料是指材料在外力作用下产生电流，或反过来在电流作用下产生力或形变的一种功能材料。

宋志国老师习题1主要的高分子材料的合成类型和方法；2高分子单体、单元结构的概念以及与高分子组成和结构性质的关系；3聚合物的反应掌握高分子链结构的长、柔和复杂的特点；4掌握高分子分子量与分子量分布的表征，理解高分子聚集态结构的多样性、复杂性与多缺陷特点，掌握相变与转变温度的物理意义以及对加工性质和力学性质的影响；5理解高聚物高弹性的特点为什么说柔顺性是高分子独有的性质？高分子链能够改变其构象的性质成为柔顺性，高分子链中有大量的可旋转的单键，链越长，可内旋的单键数目越多，实现的构象也就越多，高分子链卷曲成各种形状的可能性就越大。

分子内旋转是导致分子链柔顺性的根本原因，而高分子链的内旋转又受其分子结构的制约，因而分子链的柔顺性与其分子结构密切相关。

6高分子的分子量相对于小分子和无机物有何特点，主要的表示和描述方法有哪些？高分子分子量多分散性，只有一定的范围，是分子量不等的同系物混合物；分子量很大（~ 甚至更大）描述和表示方法：1习惯命名法2系统命名法3根据商品名称命名法7高分子的聚集体包括哪些内容，为什么聚合物不易形成100%的结晶以及宏观单晶？另外试述高分子的聚集体有哪些特点，以及成型加工条件、性能的关系？1晶态：分子链的空间规则排列部分晶态：分子链的空间部分规则排列非晶态：分子链在空间无罪则排列，也称玻璃态液晶态：介于液相（非晶态）和晶相之间的中间相2因为聚合物结晶形态都是由三种基本结构单元组成，即无规线团的非晶结构、折叠链晶片和伸直链晶体，导致结晶形态含有非晶部分。

8如何理解高分子材料拉伸的应力-应变的时温等效性和蠕变特性？蠕变特性：高分子材料蠕变指的是高分子材料在外界恒定应力作用下，由于材料内部分子的位移产生的形变（外观形变）随着时间而变大。

当应力去掉以后，由于高分子材料有弹性记忆回复能力，形变可以部分回复。

时温等效性：高分子材料组成和结构的基本特征、高分子链的组成和结构、高分子链的聚集态结构。

高分子材料的组成：主要有C H O组成基本特征：分子量多分散性，只有一定范围，是分子量不等的同系物的混合物，分子量很大，没固定熔点，只有一段宽的温度范围；没有非典和固定的熔点，分子间力很大，加热200℃~300℃以上材料破坏。

高分子链的组成和结构：组成：线性：各链节以共价键连接成线性长链分子。

直径小于1nm，长度几百、几千纳米，呈卷曲状或线团状；枝化形：主链两侧以共价键连接相当数量、长短不一的支链，有树枝形、梳形、线团形；体形（网型或交联型）：在线性分子和枝化型分子之间，沿横向通过链节以共价键连接起来，形成三维网状大分子。

结构：高分子结构包括高分子链结构和聚集态结构两方面。

链结构又分为近程结构和远程结构。

近程结构属于化学结构，又称为一级结构。

远程结构成为二级结构，是指单个高分子的大小和形态、链的柔顺性以及分子在各种环境中所采取的构象。

高分子链的近程结构1、链结构但愿的化学组成（单体通过聚合反应连接而成的链状分子，称为高分子链，高分子中的重复结构单元的数目成为聚合度。

）2、分子结构：一般高分子都是线性的，分子链长可以卷曲成团，也可以伸展成直线3共聚物的结构（由两种或两种以上的单体单元所组成的高分子称为共聚物。