功能材料学2011-2013复习提纲及答案

《功能材料学》复习提纲

题型及分值：

填空题（21分）、名词解释（20分）、简答题（满分59分) 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。 生物相容性：生物相容性是指材料与生物体之间相互作用后产生的各种生物、物理、化学

等反应的一种概念。一般地讲，就是材料植入人体后与人体相容程度，也就是说是否会对人体组织造成毒害作用

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βE<0,这是弹性模量―温度关系的正常变化。但是某些铁磁性材料在一定温度范围内弹性模量随温度的变化很小（βE ?0），甚至增加(βE >0)。这是弹性模量―温度关系的反常变化，称为弹性反常。

功能高分子：是指高分子主链和侧链上带有反应性功能基团，并具有可逆或不可逆物理功能或化学活性的一类新型高分子。

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。

链节：链节指组成聚合物的每一基本重复结构单元。

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。

药物控制释放：药物控制释放就是将天然的或合成的高分子化合物作为药物的载体或介质制成一定的剂型，控制药物在人体内的释放速度，使药物按设计的剂量，

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在要求的时间范围内以一定的速度在体内缓慢释放，以达到治疗某种疾病的目的。

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。

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

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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。

非均匀成核：又称非本征成核，是依靠相界、晶界或基质的结构缺陷等不均匀部位而成核的过程。

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，向低能态或基态跃迁时，辐射光子的现象。

泵浦：从外界吸收能量，使工作物质系统的原子不断地从低能级跃迁到高能级以实现粒子

数反转的过程，又称激发、激励、抽运。

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(H2)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

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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。

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. 简述共轭体系聚合物导电高分子材料的导电机理。

答：共轭聚合物是指分子主链中碳—碳单键和双键交替排列的聚合物，典型代表是聚乙

炔：－CH = CH－由于分子中双键的π电子的非定域性，这类聚合物大都表现出

一定的导电性。按量子力学的观点，具有本征导电性的共轭体系必须具备两条件。第一，分子轨道能强烈离域；第二，分子轨道能互相重叠。满足这两个条件的共轭体系聚合物，便能通过自身的载流子产生和输送电流。 10. 对医用高分子材料的基本要求有哪些。

答：1.化学惰性，不会因与液体接触而发生反应2.对人体组织不会引起炎症和

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异体反应3.不会致癌4.具有良好的血液相容性5.长期植入体内不会减小机械强度6.能经受必要的清洁措施而不产生变形7.易于加工成需要的形状。 11. 玻璃中掺入稀土金属离子为什么能使玻璃着色？

答：由于稀土金属离子的4f轨道是部分填充的，电子f轨道跃迁的能级差也落在可见光

范围内，产生选择性吸收使玻璃着色。

12. 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。

13. 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 14. 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。

15. 具有压电性的晶体为什么不一定具有热释电性？

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