功能材料概论要点及试题文档格式.docx

1、一个是下临界磁场（HC1）另一个是上临界磁场（Hc2）。下临界磁场值较小，上临界磁场比下临界磁场高一个数最级，而且，大部分第二类超导体的上临界磁场比第一类超导体的临界磁场要高得多。在温度低于 Hc 条件下，外磁场小于 HC 时，第二类超导体与第一类超导体相同，处于完全抗磁性状态。当外磁场介于Hc1 与 Hc2 之间时，第二类超导体处于超导态与正常态的混合状态，磁场部分进入超导体内部2. 请列举超导材料的应用。（一）开发新能源1. 超导受控热核反应堆2 超导磁流体发电（二）节能方面I超导输电2. 超导发电机和电动机3. 超导变压器（三）超导磁悬浮列车（四）超导贮能（五）研究领域（六）其他应用第四

2、章 贮氢合金滞后：金属氢化物在吸氢与释氢时，虽在同一温度，但压力不同，这种现象称为滞后。1. 氢化物氢贮运装置分两类：（固定式）和（移动式）。2. 氢能源开发中的难题是（制氢工艺）和（氢的贮存）。3. 金属与氢的反应，是一个可逆过程。正向反应，（吸氢、放热）；逆向反应，（释氢、吸热）。4. 改变（温度）与（压力）条件可使反应按正向、逆向反复进行，实现材料的吸释氢功能。5. 作为贮氢材料，滞后越（小）越好。6.（机械合金化技术）应用于贮氢合金的制备，是改善贮氢合金性能的有效途径。三.简答1.请简述金属的贮氢原理，并写出简单的反应式。许多金属（或合金）可固溶氢气形成含氢的固溶体（MHx），固溶体的

3、溶解度HM 与其平衡氢压 P H2 的平方根成正比。在一定温度和压力条件下，固溶相（MHx）与氢反应生成金属氢化物反应式如下 式中 MHy 是金属氢化物， 为生成热。贮氢合金正是靠其与氢起化学反应生成金属氢化物来贮氢的。 2.非晶态贮氢合金的优点非晶态贮氨合金比同组份的晶态合金在相同的温度和氢压下有更大的贮氢量；具有较高的 耐磨性；即使经过几百次吸、放氢循环也不致破碎；吸氢后体积膨胀小。但非晶态贮氢合金 往往由于吸氢过程中的放热而晶化。3. 机械合金化技术应用于贮氢合金的制备的优缺点机械合金化技术应用于贮氢合金的制备，是改善贮氢合金性能的有效途径。该技术成本低、 工艺简单、生产周期短；制备的贮

4、氢合金具有贮氢量大、活化容易、吸释氢速度快、电催化活性好等优点。美中不足的是用 MA 制备贮氢合金尚处于实验室研究阶段，理论模型，工艺参数，工艺条件还有待于进一步优化。4. 作为氢化物电极的贮氢合金必须满足的基本要求：（1）在碱性电解质溶液中良好的化学稳定性；（2）高的阴极贮氢容量；（3）合适的室温平台压力；（4）良好的电催化活性和抗阴极氧化能力；（5）良好的电极反应动力学特性。5. 贮氢合金在应用时存在的主要问题：贮氢能力低；对气体杂质的高度敏感性；初始活化困难；氢化物在空气中自燃；反复吸释氢时氢化物产生岐化。6. 简述贮氢合金的应用1） 作为贮运氢气的容器2） 氢能汽车3） 分离、回收氢4

5、） 制取高纯度氢气5） 氢气静压机6） 氢化物电极第五章 形状记忆合金1. 有些形状记忆合金在加热发生马氏体逆转变时，对母相有记忆效应；当从相再次冷却为马氏体时，还回复原马氏体的形状，这种现象称为双向形状记忆效应，又称可逆形状记忆效应。2. 具有马氏体逆转变，且 Ms 与 As 相差很小的合金，将其冷却到 Ms 点以下，马氏体晶核随温度下降逐渐长大，温度回升时马氏体片又反过来同步地随温度上升而缩小，这种马氏 体叫热弹性马氏体。3. 在 Ms 以上某一温度对合金施加外力也可引起马氏体转变，形成的马氏体叫应力诱发马氏体。4. 有些应力诱发马氏体也属弹性马氏体，应力增加时马氏体长大，反之马氏体缩小，

6、应力 消除后马氏体消失，这种马氏体叫应力弹性马氏体。5. 应力弹性马氏体形成时会使合金产生附加应变，当除去应力时，这种附加应变也随之消失，这种现象称为超弹性（伪弹性）。1. 根据马氏体相变的定义，在相变过程中，只要形成单变体马氏体并排除其他阻力，材料 经过（马氏体相变）及其逆相变，就会表现出（形状记忆效应）。2. 己发现的形状记忆舍金种类很多，可以分为（镍-钛系）、（铜系）、（铁系）合金三大类。3. 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）。4. （Shockley 不全位错）的可逆移动是形状恢复的关键。5. 通常

7、的形状记忆合金根据马氏体与母相的晶体学关系，共有（六）个这样的片群，形成（24）种马氏体变体6. 应力弹性马氏体形成时会使合金产生附加应变，去除应力后，马氏体消失，应变也随之 回复，这种现象称为（伪弹性）或超弹性。7. 母相（）奥氏体为（面心立方）结构，马氏体为密排六方结构。8. 形状记忆合金材料的应用主要体现在（工程应用）、（医学应用）和（智能应用）三个方面1. 简述形状记忆的三种形式形状记忆效应有三种形式。第一种称为单向形状记忆效应，即将母相冷却或加应力使之发生马氏体相变，然后使马氏体发生塑性变形，改变其形状，再重新加热到 As 以上，马氏体发生逆转变，温度升至 Af 点，马氏体完全消失，

8、材料完全恢复母相形状。一般没有特殊说明，形状记忆效应都是指这种单向形状记忆效应。有些形状记忆合金在加热发生马氏体逆转变时，对母相有记忆效应；当从相再次冷却为马氏体时，还回复原马氏体的形状，这种现象称为双向形状记忆效应，又称可逆形状记忆 效应。第三种情况是在 Ti-Ni 合金系中发现的，在冷热循环过程中，形状回复到与母体完全相反的形状，称为全方位形状记忆效应。2. 铁基形状记忆合金具有良好的记忆效应的前提条件是：（1）合金母相为单一奥氏体，并存在一定数量的层错；（2）尽可能低的层错能，使 Schockley不全位错容易扩展及收缩，以减少应力诱发马氏体相变时的阻力；（3）相当的母相强度，以抑制应力

9、诱发相变时产生永久位移；（4）较低的铁磁-反铁磁转变温度（TN）以消除奥氏体稳定化对应力诱发相变时的阻碍。3. 形状记忆合金作紧固件、连接件较其他材料有许多优势（1）夹紧力大，接触密封可靠避免了由于焊接而产生的冶金缺陷；（2）适于不易焊接的接头； （3）金属与塑料等不同材料可以通过这种连接件连成一体；（4）安装时不需要熟练的技术。 4.简述形状记忆合金的应用1） 工程上的应用：作各种结构件，加紧固件、连接件、密封垫等。另外，也可以用于一些控制元件，如一些与温度有关的传感及自动控制2） 医学上使用：移植材料、在生物体内部作固定折断骨架的销、进行内固定接骨的接骨板、假肢的连接、矫正脊柱弯曲的矫正板

10、、人工心脏3） 智能应用：自调节和控制装置，如各种智能、仿生机械、牙齿矫正线、眼镜片固定丝、汽车的保险杠和易撞伤部位四 .论述1.形状记忆原理一些学者曾根据早期的形状记忆材料的特征，提出产生形状记忆效应的条件是：（1）马氏体相变是热弹性的；（2）马氏体点阵的不变切变为孪生，即亚结构为孪晶；（3）母相和马氏体均为有序结构。但随着对形状记忆材料研究的不断深入，发现不完全具备上述三个条件的合金（如 Fe-Mn-Si 合金，其马氏体相变时半热弹性的，且母相无序）也可以显示形状记忆效应。后来又发现不仅某些合金，陶瓷材料、高分子材料中也存在形状记忆效应，其机理亦与金属材料不同。所以许多学者强调，根据马氏体

11、相变的定义，在相变过程中，只要形成单变体马氏体并排除其他阻力，材料经过马氏体相变及其逆相变，就会表现出形状记忆效应。 我们知道，马氏体相变是一种非扩散型转变，母相向马氏体转变，可理解为原子排列面的切应变。由于剪切形变方向不同，而产生结构相同，位向不同的马氏体马氏体变体。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。对于应力诱发马氏体，生成的马氏体沿外力方向择优取向， 在相变同时，材料发生明显变形，上述的 24 个马氏体变体可以变成同一取向的单晶马氏体。将变

12、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。第六章 非晶态合金1. 非晶态合金俗称“金属玻璃”。以极高速度使熔融状态的合金冷却，凝固后的合金结构呈玻璃态。2. 拓扑无序模型认为非晶态结构的主要特征是原子排列的混乱和随机性，强调结构的无序性，而把短程有序看作是无规堆积时附带产生的结果。3. 溅射法是在真空中，通过在电场中加速的氩离子轰击阴

13、极（合金材料制成），使被激发的 物质脱离母材而沉积在用液氮冷却的基板表面上形成非晶态薄膜。4. 将液体金属或合金急冷获得非晶态的方法统称为液体急冷法。5. 非晶态在结构上与液体相似，原子排列是（短程有序）的。6. 非晶态合金俗称“（金属玻璃）”。以极高速度使熔融状态的合金冷却，凝固后的合金结构呈（玻璃态）。7. 非晶态结构的另一个基本特征是热力学的不稳定性，存在向晶态转化的趋势，即（原子 趋于规则排列）。8. 通常在理论上把非晶态材料中原子的排列情况模型化，其模型归纳起来可分两大类。一类是（不连续模型），如微晶模型，聚集团模型；另一类是（连续模）型，如连续无规网络模型，硬球无规密堆模型等。9.

14、 拓扑无序模型认为非晶态结构的主要特征是原子排列的（混乱和随机性）。10. 拓扑无序模型有多种形式，主要有（无序密堆硬球）模型和（随机网络）模 型。11. 金属玻璃在磁性材料方面的应用主要是作为变压器材料、（磁头材料）、磁屏 蔽材料、（磁致伸缩材料）及磁泡材料等。1.列举非晶材料的制备方法（1）真空蒸发法（2）溅射法（3）化学气相沉积法（CVD）（4）液体急冷法 2.简述溅射法及此方法制备非晶态材料的优缺点。溅射法是在真空中，通过在电场中加速的氩离子轰击阴极（合金材料制成），使被激发的 物质脱离母材而沉积在用液氮冷却的基板表面上形成非晶态薄膜。这种方法的优点是制得的 薄膜较蒸发膜致密，与基扳的

15、粘附性也较好。缺点是由于真空度较低（1.33-0.133Pa），因此 容易混入气体杂质,而且基体温度在溅射过程中可能升高,适于制备晶化温度较高的非晶态 材料。溅射法在非晶态半导体、非晶态磁性材料的制备中应用较多，近年发展的等离子溅射及 磁控溅射，沉积速率大大提高，可制备厚膜。3. 简述非晶态的结构特点非晶态在结构上与液体相似，原子排列是短程有序的；从总体结构上看是长程无序的，宏观 上可将其看作均匀、各向同性的。非晶态结构的另一个基本特征是热力学的不稳定性，存在 向晶态转化的趋势，即原子趋于规则排列。4. 简述非晶态形成的判据目前的判据主要有结构判据和动力学判据。结构判据是根据原子的几何排列，原

16、子间的键合状态，及原子尺寸等参数来预测玻璃态是否易于形成；动力学判据考虑冷却速度和结 晶动力学之间的关系，即需要多高的冷却速度才能阻止形核及核长大。1.非晶态合金的主要特性及应用（表状或文字描述）主要特征实际应用材料高强度、高韧性结构加强材料高电阻率、低温度系数高电阻材料、精密电阻合金材料高导磁率、低矫顽力磁分离、磁屏蔽、磁头、磁芯材料高磁感、低损耗功率变压器、磁芯材料高耐蚀性刀具材料、电极材料、表面保持材料恒体积、恒弹性不胀钢材料、恒弹性合金材料超导电性超导材料高磁致伸缩应变仪、延迟线、磁致伸缩振子材料高磁能积永磁薄膜材料低居里点磁温敏感、磁热贮存、复写材料低熔点、柔软性钎焊材料大的霍尔效应

17、霍尔元件垂直各向异性泡畴器件材料（1） .力学性能表 6-4 列出了几种非晶态材料的机械性能指标。由表中可以看出，非晶态材料具有极高的强度和硬度，其强度远超过晶态的高强度钢。表中f/E 的值是衡量一种材料达到理论强度的程度，一般金属晶体材料，f/E1/500，而非晶态合金约为 150，材料的强度利用率大大高于晶态金属：此外，非晶态材料的疲劳强度亦很高，钴基非晶态合金可达121200MPa；非晶态合金的延伸率一般较低，如表 6-4，但其韧性很好，压缩变形时压缩率可达 40，轧制率可达 50以上而不产生裂纹；弯曲时可以弯至很小曲率半径而不折断。非晶态合金变形和断裂的主要特征是不均匀变形，变形集中在

18、局部的滑移带内，使得在拉伸时由于局部变形量过大而断裂，所以延伸率很低，但同时其他区域几乎没有发生变形。在改变应力状态的情况下，可以达到高的变形率（如压缩）。非晶态合金的高强度、高硬度和高韧性可以被利用制做轮胎、传送带、水泥制品及高压管道的增强纤维；用非晶态合金制成的刀具，如保安刀片，已投入市场。另一方面，利用 非晶态合金的机械性能随电学量或磁学量的变化，可制做各种元器件，如用铁基或镍基晶态 合金可制做压力传感器的敏感元件。从总体上看，非晶态合金制备简单，由液相一次成型，避免了普通金属材料生产过程中的铸、锻、压、拉等复杂工序，且原材料本身并不昂贵，生产过程中的边角废料也可全部 收回，所以生产成本

19、可望大大降低。但非晶态合金的比强度及弹性模量与其他材料比还不够 理想，就目前生产情况看，产品形状的局限性也较大，这些都限制了它的应用。（2） 软磁特性非晶态合金由于其结构上的特点无序结构，不存在磁晶各向异性，因而易于磁化； 而且没有位错、晶界等晶体缺陷，故磁导率、饱和磁感应强度高；矫顽力低、损耗小，是理想的软磁材料。目前比较成熟非晶态软磁合金主要有铁基，铁-镍基和钴基三大类，表 6-6 列出其成分及性能，同时，可与晶态软磁合金的相关性能数据作比较。金属玻璃在磁性材料方面的应用主要是作为变压器材料、磁头材料、磁屏蔽材料、磁致伸缩材料及磁泡材料等。（3） 耐蚀性能晶态金属材料中，耐蚀性较好的是不锈

20、钢。但不锈钢在含有侵蚀性离子（如卤素离子） 的溶液中，一般要发生点腐蚀和晶间腐蚀。非晶态合金在中性盐溶液和酸性溶液中的耐蚀性要比不锈钢好得多。如表 6-7，在 FeCl3 溶液中非晶态合金的耐蚀性明显好于不锈钢。非晶态合金的耐蚀性主要是由于生产过程中的快冷，导致扩散来不及进行，所以不存在第二相，组织均匀；其无序结构中不存在晶界，位错等缺陷；非晶态合金本身活性很高， 能够在表面迅速形成均匀的钝化膜，阻止内部进一步腐蚀。目前对耐蚀性能研究较多的是铁基、镍基、钴基非晶态合金，其中大都含有铬。如 Fe70Cr10P13C7，Ni-Cr-P13C7 等。利用非晶态合金的耐蚀性，用其制造耐腐蚀管道、电池的

21、电极、海底电缆屏蔽、磁分离介质及化工用的催化剂、污水处理系统中的零件等都已达到实用阶段。（4） 其它性能及应用非晶态材料在室温电阻率较高，比一般晶态合金高 2-3 倍，而且电阻率与温度之间的关系也与晶态合金不同，变化比较复杂，多数非晶态合金具有负的电阻温度系数，如图 6-12。非晶态合金还具有良好的催化特性，如用 Fe20Ni60B20 作为 CO 氢化反应的催化剂。从 50 年代开始，人们就发现非晶态金属及合金具有超导电性。1975 年以后，用液体急冷法制备了多种具有超导电性的非晶态合金，为超导材料的研究开辟了新的领域。从发展上看， 非晶态超导材料良好的韧性及加工性能应引起人们足够的重视。第

22、七章 磁性材料一. 概念1. 硬磁材料：也称为永磁材料，是指材料被外磁场磁化以后，去掉外磁场仍然保持着较强剩磁的材料。2. 铁磁性材料在磁场中被磁化时，沿外磁场方向其尺寸会发生微小变化，这种现象叫做磁致伸缩。3. 由磁场引起材料电阻发生变化的现象称为磁电阻（MR）效应。4. 巨磁化强度材料也称为高磁化强度材料，是指饱和磁化强度高于传统的 Fe 和 Fe-Co 软磁合金的材料。二.填空1. 从应用方面考虑，磁性材料可分为（软磁材料）、（硬磁材料）、（磁记录材料）及一些特殊用途的磁性材料等2. 软磁材料的种类很多，大致可分为（金属软磁材料）及（软磁铁氧体）。3. 影响纯铁磁性能的因素有多种，包括晶

23、粒的结晶轴对磁化方向的取向关系，（纯铁中的杂质），晶粒大小，金属的塑性变形，加工过程中的（内应力）等等。4. 评价永磁材料性能好的几个重要指标是：（剩余磁感应强度 Br）、（矫顽力 Hc）（最大磁能积（BH）max）、以及（凸起系数）。5. 目前磁记录的模式可分为（水平（纵向）磁记录，（垂直磁记录）及（杂化磁记录）三种。6. 磁记录方式可分为（模拟）和（数字）记录两大类三简答1. 简述软磁材料的特点及应用软磁材料的磁滞回线细长，磁导率高，矫顽力低，铁芯损耗低，容易磁化，也容易去磁；在 通讯技术与电力技术中应用广泛，可用来制造电感元件，如变压器、继电器、电磁铁、电机 的铁心等等2. 铁铝合金同其

24、它金属软磁合金相比，具有什么特点？（1）电阻率高；（2）高的硬度和耐磨性；（3）比重小，可减轻铁芯自重；（4）对应力不敏感，从 环境对软磁合金影响的角度来看，软磁合金对应力最为敏感，铁铝合金是例外；（5）时效， 材料在使用时，随时间及环境温度的变化，磁性能发生变化；（6）温度稳定性，可采用低温退火后淬火处理、也可以在 50-150下保温 10-20h人工时效来改善其温度稳定性。3.对磁头材料的基本性能要求？（1） 高的磁导率 希望铁芯材料有较大的起始磁导串和最大磁导率m，以便提高写入和读出信号的质量。（2） 高的饱和磁感应强度 Bs 为了提高记录密度，减少录音失真，要求材料具有高的 Bs。 （

25、3）低的 Br 和 Hc 磁记录过程中，Br 高会使记录的可靠性降低。（4）高的电阻率和耐磨性 提高材料的电阻可以减小磁头损耗，改善铁芯频率响应特性。高的耐磨性可以增加磁头的寿命和工作的稳定性。4.对制做记录介质的磁性材料（磁粉及磁性薄膜）要求？（1）剩余磁感应强度 Br 高；（2）矫顽力 Hc 适当的高；（3）磁滞回线接近矩形，Hc 附近的磁导率尽量高；（4）磁层均匀，厚度适当，记录密度越高，磁层愈薄；（5）磁性粒子的尺寸均匀，呈 单畴状态；（6）磁致伸缩小，不产生明显的加压退磁效应；（7）基本磁特性的温度系数小，不产生明显的加热退磁效应；（8）磁粉粒子易分散，在磁场作用下容易取向排列，不形

26、成磁路闭合的粒子集团。四.论述1.论述磁记录原理目前磁记录的模式可分为水平（纵向）磁记录，垂直磁记录及杂化磁记录三种。不管哪种模式，磁记录系统包括以下几个基本单元：换能器、存贮介质、传送介质装置以及相匹配 的电子线路。磁头是电磁转换器件，即上面所说的换能器。其基本功能是与磁记录介质构成磁性回路，对信息进行加工，包括记录、重放和消磁。信号的磁记录是以铁磁物质的磁滞现象为基 础，电信号使磁头的缝隙产生磁场，磁记录介质（如磁带）以恒定的速度相对磁头运动，磁头 的缝隙对着介质，见图 7-8。记录信号时，磁头线圈中通人信号电流，就会在缝隙产生磁场溢出，如果磁带与磁头的相对速度保持不变，则剩磁沿着介质长度

27、方向上的变化规律完全反应信号的变化规律。换句话说，磁头缝隙的磁场使磁记录介质不同的位置产生不同方向和大小的剩余磁化强度，记录了被记录的电信号。如果已记录信号的磁带重新接近一重放磁头， 通过拾波线圈感生出磁通，则磁通大小与磁带中磁化强度成比例。图 7-9 纵向记录示意图第八章 半导体材料1. 由两种或两种以上元素以确定的原子配比形成的化合物并具有确定的禁带宽度和能带 结构等半导体性质的化合物称为化合物半导体材料。2. 半导体异质结、超晶格和量子阱材料统称为半导体微结构材料。3. 由两种不同半导体材料所组成的结，称为异质结。4. 两种或两种以上不同材料的薄层周期性地交替生长，构成超晶格。5. 当两

28、个同样的异质结背对背接起来，构成一个量子阱。6. 在超晶格结构中，如果超晶格的重复单元是由不同半导体材料的薄膜堆垛而成，则称为 组分超晶格。7. 掺杂超晶格是在同一种半导体中，用交替地改变掺杂类型的方法做成的新型人造周期性半导体结构的材料8. 势垒足够厚，足够高时，相邻阱中的电子波函数不发生交叠，这种结构材料中的电子行 为如同单个阱中电子行为的简单总和，这种材料称为多量子阱材料。9. 分子束外延是指组成化合物的各元素通过加热方式，以原子束或分子束形式喷射在加热的衬底表面经表面扩散和物理化学反应，形成化合物晶体薄膜的过程。10. 光电子材料是应用于光电子技术的材料总称，是指具有光子和电子的产生、转换和传输功能的材料。11. 半导体陶瓷是指导电性能介于导电陶瓷和绝像介质陶瓷之间的一类材料1. 硅和锗都具有（金刚石）结构，化学键为（共价键）。2. 原子排列（短程有序、长程无序）的半导体成为非晶态半导体3. 非晶态硅薄膜的主要用途是作（太阳能电池），即直接将太阳能转换为电能的器件。4. 有机半导体分为（有机分子晶体）、（有机分子络合物）