功能材料2014-2015期末考试题

1 功能材料 期末考试题 基本概念 功能材料 功能材料是指那些具有优良的电学 磁学 光学 热学 声学 力 学 化学 生物医学功能 特殊的物理 化学 生物学效应 能完成功能相互 转化 主要用来制造各种功能元器件而被广泛应用于各类高科技领域的高新技 术材料 液晶 液晶是介于晶态和液态之间的一种热力学稳定的过渡中间相态 它既具 有晶态的各向异性 又具有液态的流动性 阻尼合金 阻尼合金是一种阻尼 内耗 大 能使振动迅速衰减的特种金属材料 也称减 振合金 防振合金 消声合金 哑巴金属等 弹性反常 一般金属及合金的弹性模量随温度升高而降低 即 E0 这是弹性模量 温度关系的 反常变化 称为弹性反常 弹性后效 理想的弹性材料在弹性变形范围内 应力和应变的关系服从虎克定 律 但在实际弹性材料发生弹性变形时 会产生应变落后于应力 且与时间有 关 这个现象称为弹性后效 热双金属 热双金属 thermobimetal 是指由两个 或多个 具有不同热膨胀 系数的金属或合金组元层牢固地结合在一起的复合材料 非平衡载流子 在外界作用下 光照 电化学法 半导体中的自由电子浓度 n 和空穴浓 度 p 都是偏离平衡值 多出来的这部分载流子称为非平衡载流子 即过剩的载流子 载流子寿命 在热平衡条件下 电子不断地由价带激发到导带 产生电子空穴 对 与此同时 它们又不停地因复合而消失 平衡时 电子与空穴的产生率等 于复合率 从而使半导体中载流子的密度维持恒定 载流子间的复合使载流子 逐渐消失 这种载流子平均存在的时间 就称之为载流子寿命 漂移迁移率 半导体内自由电子或空穴在单位电场作用下漂移的平均速度 简称迁移率 霍尔效应 将有电流通过的固体样品置于均匀磁场中 如果电流方向与磁场垂直 则在 垂直于电流和磁场组成的平面方向会形成一稳定的横向电场 这个现象称为霍尔效应 2 PN 的击穿 当反向偏压升到某一电压值时 反向电流急剧增大 称为击穿 其电压为击 穿电压 VB 欧姆接触 欧姆接触是指金属与半导体的接触 而其接触面的电阻值远小于半 导体本身的电阻 使得组件操作时 大部分的电压降在活动区 Active region 而 不在接触面 磁阻效应 某些金属或半导体的电阻值随外加磁场变化而变化的现象 压电效应 某些材料在机械力作用下产生变形 引起表面带电的现象 而且其表面电荷 密度与应力成正比 这称为正压电效应 反之 在某些材料上施加电场 会产生机械变 形 而且其应变与电场强度成正比 这称为逆压电效应 居里温度 是指材料可以在铁磁体和顺磁体之间改变的温度 即铁电体从铁电 相转变成顺电相引的相变温度 自发极化 在一定温度范围内 单位晶胞内正负电荷中心不重合 形成偶极矩 呈现象极性 这种在无外电场作用下存在的极化现象称为自发极化 电畴 具有自发极化的晶体中存在一些自发极化取向一致的微小区域 称为电畴 压敏电压 压敏电阻的电流为 1mA 时所对应的电压作为 I 随 U 迅速上升的电 压大小的标准 该电压用 U1mA 表示 称为压敏电压 漏电流 应用压敏电阻器的线路 设备 仪器正常工作时 所流过压敏电阻器 的电流 是描写预击穿区伏安特性的参数 吸附 当气相或液相中的分子 或原子 离子 碰撞在固体表面时 由于它们之间的相互作 用 使一些分子 或原子 离子 停留在固体表面 造成这些分子 或原子 离子 在固 体表面上的浓度比在气相或液相中的浓度大的现象 光吸收系数 用白光通过玻璃中每厘米路程内的透过率 T 的自然对数负值表示 色散 玻璃的折射率随入射光波长不同而改变的现象 光致变色 光致变色是指一个化合物 A 在适当波长的光辐照下 可进行特定 的化学反应或物理效应 获得产物 B 由于结构的改变导致其吸收光谱 颜色 发生明显的变化 而在另一波长的光照射或热的作用下 产物 B 又能恢复到原 来的形式 受激辐射 处于激发态的发光原子在外来辐射场的作用下 向低能态或基态跃 3 迁时 辐射光子的现象 思考题 1 简述贮氢合金 储氢材料 的贮氢原理及其潜在应用 答 贮氢材料在室温和常压条件下能迅速吸氢 H 2 并反应生成氢化物 使氢以金属氢化 物的形式贮存起来 在需要的时候 适当加温或减小压力使这些贮存着的氢释放出来以 供使用 可用于氢的贮存或运输 催化剂 发展镍氢电池 静态压缩机 热泵 温度传 感器控制器等 2 简述形状记忆合金的形状记忆原理和条件 答 每片马氏体形成时都伴有形状的变化 这种合金在单向外力作用下 其中马氏体顺 应力方向发生再取向 即造成马氏体的择优取向 当大部分或全部的马氏体都采取一个 取向时 整个材料在宏观上表现为形变 将变形马氏体加热到 As 点以上 马氏体 发生逆转变 因为马氏体晶体的对称性低 转变为母相时只形成几个位向 甚至只有一个位向 母相原来的位向 尤其当母相为长程有序时 更是如 此 当自适应马氏体片群中不同变体存在强的力学偶时 形成单一位向的母 相倾向更大 逆转变完成后 便完全回复了原来母相的晶体 宏观变形也完 全恢复 一般地说 形成有序晶格和热弹性马氏体相变是形状记忆合金的基 本条件 3 简述高温合金提高热强性途径 答 1 基体强化 2 第二相沉淀强化 3 晶界强化 4 氧化物弥散强化 4 简述高温合金基体元素选择的理由 答 化学稳定性较高 相稳定性最好 晶体结构单一 5 简述非晶合金的性能优势和缺点 答 高强度 良好的软磁性及耐腐蚀性能 其缺点主要表现在两方面 一是由于 采用急冷法制备材料 使其厚度受到限制 二是热力学上不稳定 受热有晶化倾向 解 决的办法主要是采取表面非晶化及微晶化 6 分类简述阻尼合金的实现阻尼的机理 答 宏观上连续的材料会在微观上因应力或交变应力的作用产生分子或晶界 之间的位错运动 塑性滑移等 产生阻尼 7 获得恒弹性合金的条件 4 答 合金必须存在弹性反常以补偿弹性模量随温度的正常变化 8 从热力学和结晶学角度 如何提高合金的非晶形成能力 答 l 组元原子半径差超过 10 尺寸效应 可以构成更紧密的无序堆积 更小的流动性 2 组元元素的电负性有一定的差异 合金化效应 差异过大 易形成稳定的化合物 过小 不易形成非晶体 3 一般处于相图上的共晶或 包晶点成分附近 因而熔点较低 结构复杂 4 提高非晶态的玻璃化温度 Tg 使合金更容易直接过冷到玻璃化温度 Tg 以下而不结晶 5 增大熔体的粘 度和结构的复杂性 提高原子迁移的激活能 使其难于结晶 6 降低非均匀 形核率 9 简述 PN 结是如何产生电容效应 答 PN 结区在正向偏压下 随着外加电压的增加 势垒区的电场减弱 宽度变窄 空间 电荷数量减少 但在反向偏压下 随着外加电压的增加 势垒区的电场加强 宽度变厚 空间电荷数量增加 这种情况类似于边界在充 放电 因此 势垒区空间电荷数量随外 加电压变化会产生电容效应 这是 PN 结区的势垒电容 10 何谓塞贝克效应和帕尔帖效应 两者有什么关系 答 塞贝克效应 Seebeck effect 由于两种不同半导体的温度差异而引起 两种物质间的电压差的热电现象 又称作第一热电效应 珀尔帖效应 Peltier effect 电流流过两种不同导体的界面时 将从外界吸收热量 或向外界放出热量的现象 又称作第二热电效应 珀尔帖效应可以视为塞贝克效 应的反效应 11 何谓电滞回线 画出铁电体的电滞回线 答 在较强的交变电场作用下 铁电体的极化强度 P 随外电场 E 呈非线性变 化 而且在一定的温度范围内 P 表现为电场 E 的双值函数 呈现出滞后现象 这个 P E 回线称为线 5 12 具有压电性的晶体为什么不一定具有热释电性 答 热释电体必须有唯一极轴 而压电体则不要求 还有热释电体的热释电效 应是因温度变化而引起的 13 简述微晶玻璃与玻璃和陶瓷的区别 答 微晶玻璃是 90 95 的细小晶体相和少量参与玻璃相组成 陶瓷是主晶相 气相 和玻璃相 其中主晶相占比例最大 玻璃是则是以玻璃相为主 14 简述物理吸附与化学吸附的区别 答 物理吸附没有化学反应 利用活性炭等物质由于其疏松多孔的结构 表面 积很大 因此就会像吸附灰尘或烟 化学吸附是利用物质的化学性质使吸附剂 和被吸附物结合而达到纯化的作用 15 简述软磁材料的特性 答 高的磁导率和磁感应强度 矫顽力和磁滞损耗低 电阻率较高 反复磁化和 退磁时产生的涡流损耗小 16 简述微晶玻璃的形成原理 答 玻璃从液态冷却下来 将通过一温度区间 在该温度区玻璃将发生析晶 在该温度 以下 由于粘性流动速度太慢 不允许析晶所需的原子发生重排 一般玻璃处于非晶态 通过将已成形的玻璃 重新加热到析晶温度区 控制结晶的发生 使离子以原子级进行 混合 在低温下发生连续成核和晶化 获得微晶玻璃 17 光色玻璃的变色机理是什么 答 材料在触及到光或被光遮断时 其化学结构发生变化 可视部分的吸收光谱发生改 变 这种可逆或不可逆的显色 消色的现象 照射时产生吸收而变暗 照射停止后 褪色复明 18 超导现象的三大临界条件 答 临界温度 Tc 临界电流 Ic 临界磁场 Hc 19 永磁材料的结构特征 答 其矫顽磁力较大 磁滞回线较宽 20 阻止陶瓷脆性断裂时裂纹扩展的方法有哪些 答 1 分散裂纹尖端应力 2 消耗裂纹扩展的能量 增大裂纹扩展所需克服的能垒 3 转换裂纹扩展的能量 6 21 产生材料导电性能差异的原因 答 材料导电性能的不同是因为其能带结构不同 22 简述 N 型半导体是如何形成的 答 本征半导体掺入五价元素后 四价的半导体原子被杂质原子代替 五价元素最外层 有 5 个价电子 其中 4 个用来与周围原子结合成共价键 多余的一个 因不在共价键中 所受束缚很小 常温下 即可脱离原子束搏成为自由电子 23 简述 P 型半导体是如何形成的 答 本征半导体掺入三价元素时 因为三价元素最外层只有三个价电子 要结合成四对 共价键时 少一个价电子 必然出现一个空位 使半导体具备空穴导电的条件 24 构陶瓷的相变增韧机制有哪些 答 1 应力诱导相变增韧 2 微裂纹增韧 3 表面增韧 25 简述弹性反常与弹性后效 答 一般金属及合金的弹性模量随温度升高而降低 即 E0 这是弹性模量 温度关系的反 常变化 称为弹性反常 理想的弹性材料在弹性变形范围内 应力和应变的关 系服从虎克定律 但在实际弹性材料发生弹性变形时 会产生应变落后于应力 且与时间有关 这个现象称为弹性后效 26 敏感陶瓷的半导体化机理 答 所谓半导化 指在禁带中形成附加能级 施主能级或受主能级 一般来说 这些施 主能级多数是靠近导带底的 而受主能级多数是靠近价带顶的 即它们的电离能一般比 较小 室温下就可以受到热激发产生导电载流子 从而形成半导体 27 例举生活中的常见的功能材料 十种以上 答 手术刀 声光控电灯 手机内置天线 变色眼镜 人造骨骼 特种钢 功能玻璃 打火机 太阳能电池板 热敏陶瓷