功能材料作业

1.论述功能材料定义、特点以及分类，并阐述பைடு நூலகம்能材料在社会经济发展中的地位和作用。 1 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。 2 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。 4 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
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。 3.什么是形状记忆合金？说明其主要分类及各自的特点。 某些具有热弹性马氏体的合金材料在高温定形后，若将其冷却到低温（T < Mf）的马 氏体状态进行一定量的塑性变形（最大可达 20%变形量） ；当其温度升高至某一温度以上， 马氏体又逆转变成原母相，此时材料也恢复到高温下原有的形状（即塑性变形前的形状） ， 上述过程可周而复始、 重复千万次， 这就是形状记忆效应， 此类合金材料即为形状记忆合金。 常用的有 NiTi 合金、Cu 基形状记忆合金（包括 Cu–Zn–Al 合金与 Cu–Al–Ni 合金） 、 Fe–Mn–Si 合金。 (1) Ti-Ni 基形状记忆合金的形状记忆性能好、加工性能好、耐腐蚀性能好，循环稳定性 较好，但价格较贵。 (2) Cu 基形状记忆合金的形状记忆性能较好、加工性能较好、价格便宜，但热稳定性较 差。 (3) Fe 基形状记忆合金的价格便宜、加工性能好、机械强度高，但其它方面有待于进一 步改善。 4. 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
2 M H n
2
2 MH n H n
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 相。 达到 B 点时， 相和氢气发生反应生成氢化物相，即 相。 当变到 C 点时，所有的 相都变为 相，此后当再次逐渐升高压力时， 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。 温度
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。
T p3 p2 p H2
> T 2 > T1 T3 T2 D p3 p2
p1
T1 C p1 B n2 n1 A 对应一个 M原子的氢原子数
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： lnPH2 = 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。当外界压力降低时（低于平台压力） ，氢化物开始分解，放出氢气，并同时吸热。 8．什么是纳米材料？如果按维数，纳米材料可以分为哪几类？纳米材料有那些特性？ 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。 如果按维数，纳米材料的基本单元可以分为三类： (1) 零维，指在空间三维尺度均在纳米尺度， 如纳米尺度颗粒、原子团簇等； (2) 一维，指在空间有两维处于纳米尺度，如 纳米丝、纳米棒、纳米管等； (3)二维，指在三维空间中有一维在纳米尺度，如超薄膜，多层膜;超晶格等。 纳米材料的特性： (1) 特殊的光学性质：当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，便失去了原有的富贵光泽而 呈黑色。事实上，所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑。 （2）特 殊的热学性质：固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，超细微化后其熔点将显著 降低，当颗粒小于 10 纳米量级时尤为显著。金属纳米颗粒表面上的原子十分活泼。可用纳 米颗粒的粉体作为火箭的固体燃料、 催化剂。 例如, 在火箭发射的固体燃料推进剂中添加 l％
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。 5. 磁性材料主要分为哪几类？它们对性能分别有何要求？并举例说明其应用。 (1) 磁性材料主要分为软磁材料、硬磁材料、磁记录材料等。 (2) 软磁材料要求磁导率高，矫顽力低，低的磁损耗等。 硬磁材料要求剩余磁感应强度高，矫顽力大，较好的磁能积等。 磁记录材料要求磁导率高，高的饱和磁感应强度 Bs，低的剩余磁感应强度 Br 和矫顽力 Hc,高的电阻率和耐磨性。 软磁材料应用： 软磁材料适用于交变磁场， 可用来制造各种发电机和电动机的定子和转子； 变压器，电感器，电抗器，继电器和镇流器的铁芯；计算机磁芯；磁记录的磁头与介质；磁 屏蔽；电磁铁的铁芯。 永磁材料的应用：主要是利用磁体在气隙产生足够强的磁场，利用磁极与磁极的相互作用， 磁场对带电物体或粒子或载电流导体的相互作用来做功，或实现能量，信息的转换。 矩磁材料的应用： 矩磁材料在不同方向磁场下磁化， 当电流为零时， 总是处于+Bm 和-Bm 两 种不同的剩磁状态。由于计算机采用两进制，即只有“0”和“1”两个数码，所以采用这种材料 的两种剩磁状态+Bm 和-Bm 就可以分别代表两个数码，起到记忆作用。因此矩磁材料适于 做信息存储元件的磁性开关。 6. 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。 7. 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。
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。 2.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。