材料概论思考题-2016

材料概论思考题

（1）何谓材料？材料的三个判据的内涵是什么？

材料是指人类社会可接受而又能经济地用以制造生活和生产所需的物品、器件、构件、机器和其他产品的物质。

材料的三个判据是指：（1）“人类社会所能够接受的”（2）“可经济地”（3）“制造有用物件”，要详细解释其内涵。

战略判据：要求材料是为人类社会可接受的，涉及资源、能源、环保等；

经济判据：要求经济效益、社会效益；

质量判据：旨在制造有用器件，涉及工艺及使用性能等。

上列三个战略判据可以是伦理的、法律的，有时可转化为经济的。（1）“物美

价廉”，它们分别对应于质量和经济判据。

（2）对于信息技术、物理场的附加、工艺流程的改造、自动控制等的高新技术

的应用，都应有反复的综合的技术和经济评价，以便抉择。

（3）“循环经济”则体现了材料的经济判据和战略判据。

重要意义：上列三个判据是判断物质是否属于材料的根本依据。

（2）举例说明现代生活中玻璃材料的应用领域，并根据自己掌握的知识点做简单分析说明（应用原理或利用了玻璃的那些性能等）。

LOW E玻璃、玻璃器皿、平板显示器、光学纤维等。

主要原理可以根据案例进行解释：光的吸收或通过、玻璃的通性等来解释）

(3)分析讨论材料与社会可持续发展的辩证关系

从材料的制备原料的来源，资源的消耗、固废利用、人类社会和谐发展等方面阐述。

（4）为什么说材料学科是一门基础性、应用性和实践性很强的基础应用学科？

学科的基础性：与数学、化学、物理、力学、生物等基础学科密切相关；

学科的应用性：社会时代的发展与材料学科密切相关；

学科的实践性：材料学科是一门实验性科学，创新型人才培养的重要突破口、切入点。

(5)材料的热电性能(ZT)由哪些性质决定，表达式如何，各自的物理意义是什么？

热电材料是一种功能材料，具有交叉耦合的热电输送性质，可以实现在固体状态下热能和电能的直接相互转换,

ZT = a2*σ*T/k 如上式，ZT值主要由三个参数来表征，要求具有高的Seebeck系数(a)和电导率(σ)、低的热导率(k).。这三个参数都与材料的能带结构相关，相互牵制。从而，积极寻找三者平衡，开拓科学视野寻找新体系，新方法，新的理论思路，并积极获取实验反馈是使热电优值不断提高的途径。

(6)通常有哪些途径可以提高材料的热电性能？

①采用重费米子半导体材料。因为：这种材料的有效质量比普通的半导体材料更大。

②制备电负性差异较小的化合物材料。材料的电负性差异越小，其迁移率与有效质量之积一般也越大，因此可望具有较高的热电优值。

③制备晶体结构中具有较大孔隙的热电材料，并填入质量较大尺寸合适的原子于孔隙中，由于原子在孔隙内可以振动，从而提高材料对声子散射的能力，使晶格热导率明显降低。

④采用单胞中含有较大原子数的高对称性复杂晶体结构材料，这种结构对声子的散射能力较强，且具有较大的简并度。可以通过不同材料间形成固溶体或掺杂的办法使材料的晶体结构更复杂，就可以在获得最佳载流子浓度的同时增加点缺陷来对声于散射，进一步降低热导率。⑤采用平均原子量较大的化合物，因为较大的原子质量可以降低原子的振动频率，从而降低声子热导率。如Bi2Te3基和PbTe基半导体热电材料。

⑥制备超细晶或纳米材料。降低热导率非常有效的方式之一是晶界散射，所以制备亚微米或纳米晶粒尺寸材料可以降低热导率，从而可以提高材料的热电性能。

⑦采用异质结构材料（超晶格材料或梯度热电材料）。如Bi2Te3/Sb2Te3超晶格材料在室温时的ZmT=2.4。所以，这类材料具有潜在的巨大优势。

(7) 热电能源转换典型用于哪些方面应用？

热电转换技术是基于热电材料的效应来实现热能与电能在固体状态下直接相互转换的一项技术，它可以将热能（包括地热、风能、太阳能和工业余热等）转换成电能。

目前，热电转换技术主要是应用在一些高技术领域，比如通信技术中光纤接口处的精确温控就是利用了热电致冷技术；微波通信技术中处于极地、沙漠、森林等无人地区的微波中继站的电源多数使用了热电发电技术。此外，诸如垃圾焚烧余热、炼钢厂的废热发电的研究也正在开展，

并且有了一些应用，相信在不久的将来就能大规模地投入使用。

科学家们一直在努力将热电转换技术应用于新型环保型汽车，利用汽车尾气的废热以及发动机的余热进行热电发电，为汽车提供辅助电源。另外，也可以将热电致冷技术应用在汽车座椅的温控(图4)以及汽车辅助空调等。

利用热电转换技术，一枚硬币大小的放射性同位素热源就能够提供长达二十年以上的连续不断的电能，这是其它任何一种能源技术所不能比拟的。美国登月计划中“阿波罗”17号飞船就是使用了热电转换技术提供的电源从月球表面向地球成功地传送了数据.

（8）功能陶瓷都有哪些类别？（提示：按照功能分：半导体陶瓷、电介质陶瓷、光学陶瓷）

（9）试简述一种功能陶瓷（半导体陶瓷、电介质陶瓷、光学陶瓷）器件的基本原理和应用？PTC是一种具有正温度系数的半导体陶瓷元件。其主要代表材料有钛酸钡系列。

它是有机化合物。经模压、高温烧结而制作成各种形状与规格的发热元件。

PTC元件在应用时，只要在两个片端加上交流或直流电源，就可以获得额定的发热温度。

①PTC恒温型电熨斗中的电热元件为PTC元件它是由10片PTC元件并联组成。由于采用了PTC电热元件；该电熨斗突出优点是：利用PTC元件特性。使电热元件本身有自动调温控制功能：由于PTC元件的阻值仅与温度有关，故受电源电压波动的影响小；使用安全可靠，工作寿命长。

②PTC自动恒温式电饭锅由于用PTC元件替代了自动恒温式电饭锅中的双金属恒温控制开关。运用PTC元件的正温度系数特性来控制电饭锅保温过程中流过加热器的电流，较方便地实现了电饭锅的恒温控制。该电饭锅的突出特点就是恒温控制精度高。使用寿命较长

（10）什么是混凝土？

混凝土，简称为“砼（tóng）”：是指由胶凝材料将集料胶结成整体的工程复合材料的统称。通常讲的混凝土一词是指用水泥作胶凝材料，砂、石作集料；与水（可含外加剂和掺合料）按一定比例配合，经搅拌而得的水泥混凝土，也称普通混凝土，它广泛应用于土木工程。

（11）从不同角度来分类，混凝土可分为哪几类？

按胶凝材料种类：1 )无机胶凝材料混凝土2)有机胶凝材料混凝土