新材料概论答案

1. 简述什么是材料及其在生产生活中的重要意义。

可为人类社会接受的、经济地制造有用物品的自然界物质。

广义：“物品”包括食品、衣物和器件，狭义：“物品”仅包括器件；意义：我们的衣食住行的必备条件，人类一切生活和生产活动的物质基础，先于人类存在，并且与人类的出现和进化有着密切的联系。

2. 简述材料与原料以及物质的关系。

原料一般不是为获得产品，而是生产材料，往往伴随化学变化。

材料的特点往往是为获得产品，一般从材料到产品的转变过程不发生化学变化。

材料是物质，但不是所有物质都可以称为材料。

材料总是和一定的用途相联系，可由一种或若干种物质构成。

同一种物质，由于制备方法或加工方法不同，可成为用途迥异的不同类型和性质的材料。

3.简述传统材料与新型材料的关系。

传统材料：指已经成熟且在工业中批量生产并大量应用的材料，如钢铁、水泥、塑料等。

由于其量大、产值高、涉及面广泛，又是很多支柱产业的基础，又称为基础材料。

新型材料：正在发展，且具有优异性能和应用前景的一类材料。

新型材料与传统材料之间并没有明显的界限，传统材料通过采用新技术，提高技术含量，提高性能，大幅度增加附加值而成为新型材料；新材料在经过长期生产与应用之后也就成为传统材料。

传统材料是发展新材料和高技术的基础，而新型材料又往往能推动传统材料的进一步发展。

4.材料科学与工程研究的主要内容是什么。

研究材料组成、结构、生产过程、材料性能与使用效能以及它们之间的关系。

5. 什么是金属材料，其基本特点有哪些。

以金属元素为主而构成的并具有一般金属特性的材料，包括纯金属和合金。

固体状态下具有晶体结构，具有独特的金属光泽且不透明，导电导热性良好，有延展性。

6. 什么是无机非金属材料，其基本特点有哪些。

无机非金属材料：以金属元素或非金属元素的化合物或非金属元素单质为组元，原子与原子之间通过离子键和共价键而键合。

主要有凝胶材料（玻璃、陶瓷、水泥），传统材料（混凝土、氧化物），新型材料（氧化、非氧化物陶瓷、复合陶瓷）。

耐压强度高、硬度大、耐高温、抗腐蚀、延展性低。

7. 什么是高分子材料，其基本特点有哪些
由M较高的化合物构成的材料，包括橡胶、塑料、纤维、涂料和高分子复合材料等。

分子量大，密度小，绝缘绝热，力学性能好。

8.什么是复合材料，其基本特点有哪些。

由两种或者两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料，复合材料中，通常有一相为连续相，成为基体；另一相为分散相，称为增强材料。

比强度大、比刚度大，成型工艺性能好，抗震性能好，高温性能好，抗蠕变能力好，耐腐蚀性能好。

9. 什么是晶体，其基本特点有哪些。

晶体：由原子或分子在空间按一定规律周期重复地排列构成的固体物质。

晶体中原子或分子的排列具有三维空间的周期性，隔一定的距离就重复出现；固定的熔点；各向异性：不同方向的性能不同；一般有规则的外形。

10.有哪七大晶系，立方晶系的晶胞参数有什么特点。

立方晶系、六方晶系、四方晶系、三方晶系、正交晶系、单斜晶系、三斜晶系。

即其晶胞参数有a=b=c，α=β=γ=90°的特征。

11.什么是材料的力学强度、塑性、硬度和韧性。

强度（strength）：材料在力的作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。

分为抗拉、抗压、抗弯、抗剪强度等。

塑性（plasticity）：塑性是金属在外力作用下能稳定地改变自己的形状和尺
寸，而各质点间的联系不被破坏的性能；硬度（hardness）：材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力称为硬度；韧性（toughness）：韧性是指金属在冲断前吸收变形能量的能力，即抵抗冲击破坏的能力。

12什么是合金，其基本特点是什么。

合金，是由两种或两种以上的金属与非金属经一定方法所合成的具有金属特性的物质。

通性：熔点低于其组分中任一种组成金属的熔点；硬度大于其任一组分的硬度；导电性和导热性低于任一组分的金属；有的抗腐蚀能力强。

13. 什么是形状记忆合金，举例说明其可能的用途。

合金的形状被改变之后，一旦加热到一定的跃变温度时，它又可以魔术般地变回到原来的形状，人们把具有这种特殊功能的合金称为形状记忆合金。

记忆合金在临床医疗领域内有着广泛的应用。

例如人造骨骼、伤骨固定加压器、牙科正畸器、各类腔内支架、栓塞器、心脏修补器、血栓过滤器、介入导丝和手术缝合线等等。

14. 什么是陶瓷，其基本优缺点是什么？
陶瓷是金属与非金属的固体化合物，以离子键（如MgO、Al2O3）、共价键（金刚石、Si3N4、BN）以及离子键和共价键的混合键结合在一起。

优点：熔点高、硬度大、化学稳定性好、耐高温、耐磨损、耐氧化和腐蚀、比重小、强度和模量高等，可在各种苛刻的环境下工作；另一方面，陶瓷材料在磁、电、光、热等方面的性能和用途具有多样性和可变性；弱点：脆性大、韧性差，常因存在裂纹、空隙、杂质等。

15. 普通陶瓷的传统制备技术包括那几步？
陶瓷原料的处理——陶瓷原料经过配料和加工——坯料成型——坯体干燥——施釉—烧成16.普通混凝土的组成是什么？
普通混凝土是由水泥、粗骨料（碎石或卵石）、细骨料（砂）和水拌合，经硬化而成的一种人造石材。

17. 什么是压电陶瓷，举例说明其可能的应用。

压电陶瓷，一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，属于无机非金属材料。

这是一种具有压电效应的材料。

在打火机、煤气灶、燃气热水器等用具上都可以见到它的踪影。

地质探测仪里有压电陶瓷元件，用它可以判断地层的地质状况，查明地下矿藏；医生将压电陶瓷探头放在人体的检查部位，便能了解人体内部状况。

18.根据主链结构，高分子材料可以分为哪几类，其基本特点各是什么？
可分为碳链高分子、杂链高分子、元素有机高分子、无机高分子。

碳链高分子指主链完全由碳原子构成的大分子。

根据主链上碳原子间化学键的类型，又分为饱和键和不饱和键碳链高分子。

杂链高分子是指大分子主链中既有碳原子，又有氧、氮、硫等其它原子。

常见的这类高分子材料有聚醚、聚酯、聚酰脑、聚服、聚矾、聚硫橡胶等。

元素有机高分子是指大分子主链上没有碳原子，而由硅、硼、铝、氧、氮、硫、磷等原子组成，但侧基却由有机基团如甲基、乙基、芳基等组成。

典型的例子是有机硅橡胶。

无机高分子：主链及侧基均无碳原子。

19.聚合反应的反应机理包括哪两种，其基本特点是什么？
链式聚合：整个聚合过程由链引发、链增长、链终止等几步基元反应，体系始终由单体、相对分子质量高的高分子和微量引发剂组成，没有相对分子质量递增的中间产物。

随聚合时间延长，高分子物质的生成量(转化率)逐渐增加，而单体则随时间而减少。

逐步聚合：逐步进行。

早期大部分单体很快聚合成二聚体、三聚体、四聚体等低聚物，短期内转化率很高。

随后低聚物间继续反应，直至转化率很高(＞98％)时，相对分子质量才逐渐增加到较高的数值。

20.简述聚合物的结构特点。

链结构：1 一级结构（进程结构）：直线型链状，存在分子链支化、交联、互穿网络等2 二
级结构：联众单间可旋转，键的空间位置受其键角的限制，可看成由多个链段组成，形态有伸直链、无规线团、折叠连、螺旋链，柔顺性。

聚集态结构（三级结构）：可能呈无规线团构象，也可能排列整齐，呈现伸展链、折叠连及螺旋链等构象，有吃形成非晶态（包括玻璃态、高弹态）、结晶态（包括不同晶型及液晶态）和粘流态等聚集状态。

21.简述高分子材料的分子量及其分子量分布的特点。

分子量有两大特点：一是相对分子质量很高，达几万至几百万；二是具有多分散性。

根据相对分子质量分布因数成分布曲线，还可定义相对分子质量分布的宽度，用以表征其多分散性的程度。

22.什么是高分子的数均和重均分子量，如何计算。

聚合物溶液冰点的下降、沸点的升高、渗透压等，只决定于溶液中大分子的数目，这就是聚合物溶液的依数性。

根据溶液依数性测得的聚合物分子量平均值称为数均分子量。

聚合物溶液的另外一些性质，如对光的散射性、扩散性质等，不但与溶液中大分子的数目有关，还与大分子的尺寸有关。

根据这些性质测得的平均分子量叫重均分子量。

23.什么是聚合物分子的多分散系数及其特点。

聚合物多分散系数d用来表示聚合物分子量分布宽度：更加清晰而细致地表明聚合物分子量的多分散性，便于讨论材料性能与微观结构的关系。

特点：分子量分布窄，d=1的体系称单分散体系；d＞1或偏离1越远的体系，为多分散体系。

24简述高分子材料在生物体内的降解吸收过程。

.降解：最常见的是水解反应，涉及高分子主链的断裂，分子量降低。

包括酶催化水解和非酶催化水解。

通过酶专一性反应降解称为酶降解；而通过与水或体液接触发生水解称为非酶降解。

吸收是高分子材料在体内降解以后，进入生物体的代谢循环而被摄取。

要求高分子应当是正常代谢物或其衍生物通过可水解键连接起来的。

25. 简述聚乙炔为什么能导电。

聚乙炔为共轭聚合物，组成主链的碳原子有四个价电子，其中三个为σ电子（两个与相邻的碳原子连接，一个与氢原子链合），余下的一个价电子π电子与聚合物链所构成的平面相垂直。

由于分子中双键的π电子的非定域性，因此表现出一定的导电性。

26.什么是复合材料的界面，其特点和作用是什么？
复合材料中增强体与基体接触构成的界面。

特点：具有一定厚度，在结构和性能上与基体和增强体有明显差别的界面相。

可以是反应产
物层、扩散结合层、成分过渡层、残余应力层、涂层或间隙。

作用：传递作用（将外力传递到增强物）、阻断作用（阻止裂纹扩散，分散应力）、保护作用（防腐蚀，保护增强体）
27.常见的纤维增强材料有哪几种？
玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、晶须（芳纶纤维、氧化铝纤维、氧化锆纤维、石英纤维）。

28. 按导电性能，材料可以分为哪几种？
（超导体）、导体、半导体、绝缘体
29. 按磁学性质，材料可以分为哪几种？
顺磁性、抗磁性、铁磁性。

30.简述半导体的能带结构特点，及其与绝缘体的区别。

半导体的能带结构：价带为满带，禁带宽度ΔEg≈0～2 eV
绝缘体的能带结构：价带为满带，禁带较宽ΔE g≈3～6 eV
31. n型半导体的结构特点是什么？
在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。

每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。

32. p型半导体的结构特点是什么？
在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。

这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。

由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。

33.什么是本征半导体？
本征半导体：是指不含杂质的半导体；通常由于载流子数目有限，导电性能不好。

34.什么是PN节，其结构特点是什么？
当P型和N型半导体接触时，在界面附近空穴从P型半导体向N型半导体扩散，电子从N 型半导体向P型半导体扩散。

空穴和电子相遇而复合，载流子消失。

因此在界面附近的结区中有一段距离缺少载流子，却有分布在空间的带电的固定离子，这样的空间电荷区成为PN结。

35. 什么是介电现象？
材料中束缚的电荷，在电场作用下，正负束缚的电荷重心不再重合，从而引起电极化，如此将电荷作用传递开来。

36.简述铁电材料电滞曲线的特点。

外电场为零时，晶体中的各电畴互相补充，晶体对
外的宏观极化强度为零，晶体的状态处在图上的O
点。

有外加电场时，介质的极化强度随着电场强度
的增加而迅速地增大(图中A至B段)。

当场强E降到
0时，极化强度P仍然保留极化，称Pr为剩余极化
强度。

37.材料磁性的来源是什么？
物质的磁性来源于原子的磁矩，在未填满电子的壳层产生的磁矩。

38. 简述磁化强度，磁场强度，磁感应强度三者之间的关系。

磁场强度：描述空间某一点磁场的大小和方向，用H表示。

设试探磁极的点磁荷为m，它在磁场中某处受力为F，则该处的磁场强度矢量H为：H=F/m
磁化强度：指磁体内部单位体积的磁矩矢量和，用M表示，它反映出磁体的磁性强弱程度。

M=Xh.
磁感应强度：磁感应强度B的定义是：B=µ0(H+M)，其中µ0是一个系数，叫做真空磁导率。

39.强磁性材料磁滞曲线的特点是什么？
磁滞回线是磁化磁场变化(H)一周时，磁性材料的磁感应强度(B)或磁化强度(M)随之而变化的曲线。

由于磁滞，B 或M 的值，不是沿着原来的磁化路径改变，而是沿着当H作循环变化时另外的路径变化，以至于当磁化磁场正反磁化一周所得的磁化曲线，形成一闭合回线。

40.硬磁材料和软磁材料的特点分别是什么？
软磁材料主要是指那些容易反复磁化，且在外磁场去掉后，容易退磁的磁性材料。

特点：高磁导率：在较弱的外磁场下就能获得高磁感应强度，并随外磁场的增强很快达到饱和。

低矫顽力：当外磁场去除时，其磁性立即基本消失。

硬磁材料是指那些难以磁化，且除去外场以后，仍能保留高的剩余磁化强度的材料，又称永磁材料。

（磁铁）特点：具有高矫顽力。

41.什么是磁性液体，其特点是什么？
在磁场作用下，磁性颗粒带动着被表面活性剂所包裹着的液体一起运动，好象整个液体具有磁性，因此，取名为磁性液体。

主要特点：
1.场作用下，可以被磁化
2.液体的流动性，可以运动
3.磁场作用下，磁性颗粒将沿着外磁场方向形成一定有序排列的团链簇，从而使得液体变为各向异性的介质
4.光波、声波在其中传播时会产生光的法拉第旋转、双折射效应、二向色性以及超声波传播速度与衰减的各向异性，此外介电性质也会呈现各向异性。

42. 本征半导体光吸收的特点是什么？
本征半导体的电子能带结构与绝缘体类似，全部电子充填在价带，且为全满，而导带中没有电子，只是价带和导带之间的能隙较小，约为1ev。

在极低温度下，电气全部处在价带中，不会沿任何方向运动，是绝缘体，其光学性质也和前述的绝缘体一样。

当温度升高，一些电子可能获得充分的能量而跨过能隙，跃迁到原本空的导带中。

这时价带中出现空能级，导带中出现电子，如果外加电场就会产生导电现象。

因此，室温下半导体材料的禁带宽度决定材料的性质。

本征半导体的光吸收和发光，一般说来都源于电子跨越能隙的跃迁，即直接跃迁。

43. 发光材料的特性主要由那三个方面决定。

发光材料的颜色、颜色的单色性和发光效率
44. 什么是余辉、荧光、和磷光
当激发光停止时的发光亮度（或强度）J0衰减到J0的10%时，所经历的时间称为余辉时间，简称余辉。

荧光（Fluorescence）：激发和发射两个过程之间的间隙极短，约为<10-8秒。

只要光源一离开，荧光就会消失。

磷光（Phosphorescence）：在激发源离开后，发光还会持续较长的时间。

45. 激光晶体的放光原理是什么？
激光晶体也包括一种晶体材料作基质，向其中引入某种杂质离子作活化发光中心。

与荧光材料和磷光材料不同，激光晶体具有特殊的激活和发光过程：激活过程是将活化中心注入到激
发态，称作激励。

这样的活化中心具有合理的寿
命。

46. 简述光色玻璃的组成及其着色和褪色机理。

光色玻璃是以普通的碱金属硼硅酸盐玻璃的成分
为基础，加入少量的卤化银如氯化银（AgCl）、溴化银（AgBr）、碘化银（AgI）或它们的混合物作为感光剂，再加入极微量的敏化剂制成，加入敏化剂的目的是为了提高光色互变的灵敏度。

敏化剂为砷、锑、锡、铜的氧化物。

着色和退色机理如下：铝硅酸盐玻璃中引入的银盐和卤素，经过熔化、成型和热处理后，会使卤化银亚微晶体聚集成一定大小(10~25nm)，在紫外线或太阳光等短波长的光线辐照下，将引起光分解，产生胶态银原子，当银原子集中到一定程度，就形成Ag胶体，产生着色。

由于光分解后的卤素不能从玻璃基体的晶格中逸出，因此，当停止光辐照后，由于热或长波长的光的作用，银原子与卤素再结合，又回到原有的卤化银状态：
在式中，当hν1> hν2时，反应向左边进行，此为着色过程。

而当hν2＞hν1或被加热时，反应向右边进行，称为退色过程。

在黑暗中及室温下，由于分子热运动，玻璃也会缓慢退色。

47. 什么是纳米材料？
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(10-9～10-7m)或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10~100个原子紧密排列在一起的尺度。

48.纳米材料的四大效应是什么？
表面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。

49.简述什么是纳米材料的表面效应？
表面效应是指纳米粒子表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后引起的性质上的变化
50.简述什么是纳米材料的量子尺寸效应。

当粒子尺寸降低到某一值时，金属粒子费米能级附近的电子能级由准连续变为离散的现象,并且纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据分子轨道能级能隙变宽的现象均称为量子尺寸效应。