功能材料思考题13p6.pdf

第一章 功能材料概述1986 年，我国制定了《高技术发展计划纲要》，被评选列入的七个技术群七个技术群是生物技术、信息技术、激光技术、航天技术、自动化技术、新能源技术和新材料技术新材料技术一般认为，新材料新材料有晶须材料、非晶材料、超塑性合金、形状记忆材料、功能陶瓷、功能有机材料、超导材料、碳纤维、能量转换材料等新材料发展的重点已经从结构材料转向功能材料日本和欧美各国对新型功能材料的研究十分注意，这是因为功能材料是能源、计算机、通讯、电子、激光等现代科学的基础，功能材料在未来的社会发展中具有重大战略意义近10 年来，功能材料成为材料科学和工程领域中最为活跃的部分每年以5％以上的速度增长，相当于每年有1.25 万种新材料问世一、功能材料的概念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在国外，常将这类材料称为功能材料(Functional Materials)、特种材料(SpecialityMaterials))或 精细材料 (Fine Materials)功能材料涉及面较广，具体包括光、电功能，磁功能，分离功能，形状记忆功能等功能材料既遵循材料的一般特性和变化规律又具有其自身的特点材料分为以下四类 (1) 力学功能主要是指强化功能材料和弹性功能材料，如弹性材料、 高塑性材料、超高强材料等。

2) 化学功能①分离分离功能材料：如分离膜，离子交换树脂、高分子络合物；②反应反应功能材料；如高分子试剂、高分子催化剂；③生物生物功能材料：如固定化菌，生物反应器等3）物理功能①电学电学功能材料：如超导体，导电高分子等；②光学光学功能材料：如光导纤维、感光性高分子等；③磁性材料：如铁氧体、磁致伸缩材料等；④能量转换能量转换材料：如压电材料、光电材料4) 生物化学功能① 医用功能材料，人工脏器用材料如人工肾、人工心肺，降解的医用缝合线、骨钉、板等；②功能性药物功能性药物：如缓释性高分子，药物活性高分子，高分子农药等；③生物降解 生物降解材料功能材料按其功能的显示过程又可分为一次功能材料和二次功能材料当向材料输入的能量和从材料输出的能量属于同一种形式，材料起到能量传输部件的作用，材料的这种功能称为一次功能以一次功能为使用目的的材料又称为载体材料当向材料输入的能量和从材料输出的能量属于不同形式，材料起能量的转换部件作用，材料的这种功能称为二次功能或高次功能有人认为这种材料才是真正的功能材料①光光能与其他形式能量的转换；②电电能与其他形式能量的转换；③磁磁能与其他形式能量的转换；④机械机械能与其他形式能量的转换。

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有人认为21 世纪将逐渐实现按需设计材料材料科学与工程一般都认为由四要素 ，即结构 / 成分、合成 / 流程、 性能与效能，但考虑到结构与成分并非同义词，所以材料科学与工程材料科学与工程应为五要素 ，即成分、合成/流程、结构、性能与效能复合 就是把两种以上组分材料组成一种新材料的方法；杂化 的基本思想就是将原子、分子集团在几埃到几干埃的数量级上进行复合智能材料 是继天然材料、 合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料，是现代高技术新材料发展的重要方向之一第二章 功能金属材料2.1 对应变电阻材料有那些要求？试说明电阻应变计的原理？(a)具有高的、稳定的电阻率．在工作温度范围内具有低的、稳定的电阻温度系数，以及大的应变灵敏度系数K（K＝△ L/L) ，并在较大范围内不随温度变化；(b)在拉伸或压缩时，K 值相向或相差很小，不氧化，线膨胀系数等于或略高于被测件的线膨胀系数；(c)有良好的机械性能，强度高．蠕变小，容易加工和焊接等经受外力作用 （拉伸或压缩） 的金属材料将会发生变形而使其电阻也发生相应的变化，其电阻值变化量与所受外力引起的变形量是成比例的，这种现象称为应变－电阻效应2.2 非晶态合金有哪些结构特点，影响其形成的主要因素是什么？（1）内部原子排列短程有序而长程无序(2)均匀性显著特点 一层含义： 结构均匀、 各向同性， 它是单相无定结构，没有象晶体那样的结构缺陷，如晶界、孪晶晶格缺陷、位错、层错等。

二层含义：成分均匀性在非晶态金属形成过程中，无晶体那样的异相、析出物、偏析以及其他成起伏（3）热力学不稳定性体系自由能较高，有转变为晶态的倾向影响其形成的主要因素是：（1）合金中类金属的含量随类金属含量的增加，非晶态合金的形成倾向和稳定性提高（2）原子尺寸差别原子尺度增加则非晶态合金形成倾向和稳定性增加2.3 薄膜的形成过程有哪些特点?金属薄膜有哪些结构特点？㈠薄膜的形成过程大致都可分为4 个阶段， 在最初阶段， 外来原子在基底表面相遇结合在一起成为原子团， 只有当原子团达到一定数量形成“核”后，才能不断吸收新加入的原子而稳定地长大形成“岛” ；随着外来原子的增加，岛不断长大，进一步发生岛的接合；很多岛接合起来形成通道网络结构；后续的原子将填补网络通道间的空洞，成为连续薄膜㈡金属薄膜的结构特点①薄膜制备过程决定的特点：（1）非平衡态相结构（2）膜经常是非化学计量比成分（3）薄膜内存在大量的缺陷（4）沉积冷却过程中常会产生较大的内应力②薄膜制备方法能够实现的特点（1）薄膜材料在制备过程中可以在很大范围内将几种材料掺杂在一起得到均匀膜，而无需考虑是否会形成均匀相，这样就能较自由地改变薄膜的性能。

2）可以根据需要得到单晶、多晶及至非晶的各种结构薄膜3）可以容易地将不同材料结合在一起制成多层结构的薄膜（4）通过沉积速率的控制可以容易得到成分不均匀分布的薄膜2.4 金属多孔材料有哪些特点及应用？特点：1)优良的透过性能，适于制作催化剂、流体的分布与渗透装置等；2)金属微孔孔径与孔隙易于控制，用于过滤时的过滤精度高；3)比表面积大，可以为化学反应提供理想的大面积接触材料；4)可有效地吸收、传播能量；5)保持一定的金属与合金本身的特性；6)烧结金属多孔材料耐高温、抗热震、耐低温，适宜在较高或超低的工作温度和耐热冲击环境下长期工作；7)金属微孔孔径、空隙度、渗透性能可通过反吹、高温热处理、化学溶剂、燃烧和超声波振动等多种途径的清洗再生方式，洗涤性能好，从而延长了使用寿命；8)烧结金属多孔材料具有较好的机械加工性，可进行较复杂的机械成型加工及焊接应用：⑴在过滤与分离方面， 利用通孔金属多孔材料的孔隙对流体介质中固体粒子的阻留和捕集作用，将气体或液体进行过滤与分离，从而达到介质的净化或分离作用⑵在热交换方面，由于金属本身具有良好的导热性，所以， 具有很大表面积的通孔金属多孔材料适于制造换热器、加热器和散热器。

⑶在化学工业方面， 金属多孔材料作为载体可使催化剂的有效接触面积增加，提高催化效率起到吸声的作用⑷在吸声降噪、消音方面，金属多孔材料由于具有开口孔隙和半开口孔隙⑸在流体流量控制方面，如用于气体或液体的流量计、自动化系统中的信号控制延时器、风道的直流器和阀门的布流器等第三章 磁性材料1、试说明软磁材料、硬磁材料的主要性能指标答： 软磁材料 ：容易反复磁化，且在外磁场去掉后，容易退磁的材料特点：软磁材料磁滞回线细长，磁导率高，矫顽力低，铁芯损耗低，容易磁化，也容易去磁用途：发电机、电动机、变压器、电磁铁、各类继电器与电感、电抗器的铁心；磁头与磁记录介质；计算机磁心等要求：高的饱和磁感应强度、高的最大磁导率、高的居里温度和低的损耗分类：高磁饱和材料，中磁饱和中导磁材料，高导磁材料，高硬度、高电阻、高导磁材料，矩磁材料，恒磁导率材料，磁温度补偿材料，磁致伸缩材料硬磁材料，又称永磁材料磁性硬是指磁性材料经过外加磁场磁化以后能长期保留其强磁性（简称磁性），其特征是矫顽力（矫顽磁场）高，一般Hc＞104A/m，剩余磁感应值大于1T 以上这里的硬和软主要指磁学性能上的硬和软，但一般情况下和力学性能上的硬和软有一定关系。

用途：硬磁材料主要用来储藏和供给磁能，作为磁场源 硬磁材料在电子工业中广泛用于各种电声器件、在微波技术的磁控管中亦有应用二、评价永磁材料的几个重要指标：（1）剩余磁感应强度Br ：高的剩余磁感应强度（或磁通密度，符号为Br）和高的剩余磁化强度（符号为Mr）. （2）矫顽力 Hc：高的矫顽力，矫顾力（符号为Hc）是永磁材料抵抗磁的和非磁的干扰而保持其永磁性的量度；（3）最大磁能积（BH)max ：高的最大磁能积，最大磁能积[ 符号为 (BH) max ] 是永磁材料单位体积存储和可利用的最大磁能量密度的量度，简单地说就是永久磁铁磁极之间的空隙中所能提供磁能的量度，它在数值上等于退磁曲线上各点所对应的磁感应强度和磁场强度乘积中的最大值，当永久磁铁的工作点位于退磁曲线上具有(BH)max 的那一点时，为提供相同的磁能所需的永磁材料体积最小4）高的稳定性即指其有关磁性能在长时间使用过程中或者在受到外加干扰磁场和温度、震动和冲击等外界环境因素影响时保持不变的能力，材料稳定性的好坏直接关系到永久磁铁工作的可靠性2、试述主要软磁材料和它们的应用（1）金属软磁材料有电工用纯铁，电工用硅钢片；合金非晶态合金，软磁铁氧体，铁镍合金，铁钴合金，铁铝合金等。

在强磁场下工作的磁性部件，如电力工业中大量使用的电动机、发电机、大功率变压器、电磁铁等， 要求所用的磁性材料应具有高的饱和磁感强度，价格便宜，生产工艺简单， 便于大批生产在通讯技术中常用的变压器、换能器的铁心、磁屏蔽材料以及开关等磁性元件，绝大部分在弱磁场下工作，它要求材料应具有高的磁导率1）电工用纯铁主要用途：电磁铁的铁芯和磁极，继电器的磁路和各种零件，感应式和电磁式测量仪表的各种零件，扬声器的磁路，中的振动膜，磁屏蔽等2）电工用硅钢片主要用途：各种形式的电机、发电机和变压器中；在扼流线圈、继电器和测量仪表中也大量使用3）铁镍合金 含镍量为30~90% 的铁镍合金主要成分为铁、镍、铬、钼、铜等用途电讯工业、仪表、电子计算机，控制系统等领域根据镍的含量不同，用途也不完全相同铁钴合金 用作直流电磁铁铁心和极头材料、航空发电机定子材料以及受话器的振动膜片等铁铝合金 是指以铁和铝为主要元素组成的软磁合金系列，研究表明当含铝量在16％以下时， 便可以热轧成板材或者带材它可以部分取代铁镍系坡莫合金在电子变压器、磁头以及磁致伸缩换能器等处使用4）非晶态软磁材料大致上可分为三大类： （1）过渡金属－类金属非晶合金，主要包括铁基非晶合金、铁镍基非晶合金和钴基非晶合金；（2）稀土－过渡族非晶合金，如TbFeCo 、GaTbFe等； （3）过渡金属－过渡金属非晶态合金，如FeZr、CoZr 等。

钴基非晶态软磁合金适合于做传递小功率能量及传递电压信号的磁性适合于做传递小功率能量及传递电压信号的磁性元件铁镍基非晶态软磁合金可用于传递中等功率及中等强度电压信即可用于传递中等功率及中等强度电压信号的变压器中5）纳米晶软磁合金纳米晶软磁合金兼备了各类传统软磁材料的优点，如高饱和磁感应强度、高磁导率和低损耗点等，它适应了各类电子设备向高效节能，小型轻等，量化方向发展的需求，主要用于制作各类高品质圈绕铁心，可广泛应用于计算机、网络、通讯和，自动化控制等电子信息领域第四章 超导材料4.1 什么叫库柏电子对？利用BCS 理论解释超导的微观机制⑴当电子间有净的吸引作用时，费密面附近的两个电子将形成束缚的电子对的状态，它的能量比两个独立的电子的总能量低，这种电子对状态称为库柏对考虑到电子的自旋，最佳的配对方式是动量相反同时自旋相反的两个电子组成库柏对⑵库柏对之间通过交换声子耦合在一起，拆散一个库柏对， 产生两个正常态电子需要外界提供能量库柏对吸收能量变成两个独立的正常电子的过程称为准粒子激发由于受热激发，有一些库柏对被拆开成为正常电子，这样就使得超导体内有两种载流子：超导电子和被激发到能隙之上单粒子态中的正常电子。

这正赋予了二流体模型新的意义①在常温下， 金属原子失去外层电子成为正离子规则排列在晶格的结点上作微小振。