纳米材料（选修课考试资料）

第一章

1 什么是纳米材料？它与普通材料相比有什么特殊的性质？

答：尺寸大小处于1-100 nm含有范围内的物质就是纳米物质,含有纳米结构的材料就是纳米材料。 2 纳米材料的四大效应是什么？

答：(1)小尺寸效应(尺寸越小,熔点越低) (2)表面效应(颗粒越小,表面活性越高) (3)量子效应

(4)宏观量子隧道效应

3 什么是荷叶效应？它的原理是什么？

答：荷叶叶面都具有极强的疏水性，洒在叶面上的水会自动聚集成水珠，水珠的滚动把落在叶面上的尘土污泥粘吸滚出叶面，使叶面始终保持干净，这就是著名的\荷叶自洁效应\。

原理：荷叶叶面上存在着非常复杂的多重纳米和微米级的超微结构。荷叶表面上有许多微小的乳突而每个乳突有许多直径为200纳米左右的突起组成的。在荷叶叶面上布满着一个挨一个隆起的\小山包\，它上面长满绒毛，在\山包\顶又长出一个馒头状的\碉堡\凸顶。因此，在\山包\间的凹陷部份充满着空气，这样就在紧贴叶面上形成一层极薄，只有纳米级厚的空气层。这就使得在尺寸上远大于这种结构的灰尘、雨水等降落在叶面上后，隔着一层极薄的空气，只能同叶面上\山包\的凸顶形成几个点接触。雨点在自身的表面张力作用下形成球状，水球在滚动中吸附灰尘，并滚出叶面，这就是\荷叶效应\能自洁叶面的奥妙所在。

4 神秘的碳家族的成员有那些？各有什么作用？ 5 常见的润滑材料有那些？

第二章

1 什么是晶体、晶胞与空间点阵？

答：晶体是在三维空间上由原子按一定排列的空间结构重复单元组成的； 在空间点阵中选取一个能够代表整体的简单单元，这个单元叫晶胞；把原子作为一个点，把这些点在空间的排列用线连接起来， 所形成的网络。在空间点阵中的每个点周围的原子都是相同的原子。 2 体心立方晶格、面心立方晶格与密排六方晶格各有什么特点？

答：体心立方晶格的晶胞是一个立方体，立方体的八个顶角和立方体的中心各有一个原子。面心立方晶格的晶胞是一个立方体，立方体的八个顶角和六个面的中心各有一个原子。密排六方晶格的晶胞是一个上下底面为正六边形的六柱体，在六柱体的十二个顶角和上、下底面的中心各有一个原子，六柱体的中间还有三个原子。

3 高分子材料有什么结构特点？

答：1 高分子的链式结构（均聚物﹑共聚物） 2 高分子链的柔性（内旋转自由度﹑构象）

3 高分子的多分散性（分子量与分子链长不是单一的） 4 高分子凝聚态结构的复杂性

5 高分子的交联网状结构（交联点） 4 高分子力学性能特点有那些？ 答： (1) 可逆弹性形变大 (2) 弹性模量小

(3) 高聚物高弹性模量随温度升高而增加; 金属材料的弹性模量随温度增加而减小 (4) 在快速拉伸(绝热过程)时,高弹性模量的材料温度升高,而金属材料则相反

第三章

1 纳米材料的气相制备方法都有那些？

答：气体冷凝法，氢电弧等离子体法、化学气相沉积法

2 高频感应加热法、激光加热法和微波加热法各有什么特点？

答：不存在加热元件的能量转换过程而无转换效率低的问题；加热电源与工件不接触，因而无传导损耗；加热电源的感应线圈自身发热量极低，不会因过热毁损线圈，工作寿命长；加热温度均匀，加热迅速工作效率高。

反应物分子或原子对入射激光光子的强吸收，在瞬间得到加热、活化，在极短的时间内反应分子或原子获得化学反应所需要的温度后，迅速完成反应、成核凝聚、生长等过程，从而制得相应物质的纳米微粒。

第四章

1 液相法制备纳米材料的溶胶-凝胶法与水热法具有那些特点？ 答：起始原料是分子级的能制备较均匀的材料 较高的纯度

组成成分较好控制，尤其适合制备多组分材料 可降低程序中的温度

具有流变特性，可用于不同用途产品的制备 可以控制孔隙度 容易制备各种形状；

1）合成的晶体具有晶面，热应力较小，内部缺陷少。其包裹体与天然宝石的十分相近。 2）密闭的容器中进行，无法观察生长过程，不直观； 3） 设备要求高（耐高温高压的钢材，耐腐蚀的内衬）、技术难度大（温压控制严格）、成本高； 4） 安全性能差；

2 什么是胶体？它有那些应用？

答： 分散质粒子直径在1nm—100nm之间的分散系；胶体是一种分散质粒子直径介于粗分散体系和溶液之间的一类分散体系，这是一种高度分散的多相不均匀体系。 （1）、农业生产:土壤的保肥作用.土壤里许多物质如粘土,腐殖质等常以胶体形式存在. （2）、医疗卫生:血液透析、血清纸上电泳、利用电泳分离各种氨基酸和蛋白质。 （3）、日常生活:制豆腐原理(胶体的聚沉)和豆浆牛奶、粥、明矾净水。 （4）、自然地理:江河人海口处形成三角洲、其形成原理是海水中的电解质使江河泥沙所形成胶体发生聚沉。

（5)工业生产:制有色玻璃(固溶胶),冶金工业利用电泳原理选矿、原油脱水等。 3 纳米薄膜的制备方法都有那些？ 答：（1） 还原法 （2） 溅射法

（3 ）化学气相沉积法 (4) 溶胶-凝胶法

第五章

1、扫描电子显微镜（SEM）与透射电子显微镜（TEM）的原理分别是什么？

答：扫描电镜是用聚焦电子束在试样表面逐点扫描成像的一种电子显微镜；利用磁透镜将电子束聚焦到样品表面并在样品表面快速扫描，通过电子穿透样品成像，既有透射电子显微镜功能，又有扫描电子显微镜功能的一种显微镜。

第六章

1、扫描探针显微镜家族的成员有那些？各有那些功能？

应用：（1）、纳米尺度的形貌结构成像 （2）、纳米体系的微区物性研究 （3）、SPM在纳米材料电荷传输特性研究中的应用 （4)、SPM在电荷传输特性研究中可提供多方面的数据 2、原子力显微镜的原理是什么？它有那些功能？

答：原子力显微镜（AFM）是利用原子之间的范德华力作用来呈现样品的表面特性。在原子力显微镜的系统中，是利用微小探针与待测物之间交互作用力，来呈现待测物的表面之物理特性。

第七章

1 请画出原子力显微镜（AFM）的原理示意图，并解释之 答： 探针的轨 迹 ss sssSampl0 0 0 0 0 e 2 原子力显微镜的工作模式有那些？分别是什么原理？ 答：（1）恒高扫描（2）恒力扫描；反馈回路根据光检测器所检测的探针形变量，给压电扫描器施加电压控制扫描器上下移动，以保持探针形变量恒定（力恒定）。将扫描器上下移动的距离按扫描位置绘图就可以得到样品的表面形貌像。

3 X射线衍射仪（XRD）的工作原理是什么？它有那些功能？ 答：

第九章

1 研究纳米材料的大型仪器主要有那些？ 答：SEM（扫描电镜）、TEM（透射电镜）、XRD（x射线衍射）、AES（能谱）、STM（扫描隧道显微镜）、AFM（原子力显微镜），纳米压痕，离子溅射吧，一些电化学设备，磁控溅射，离子束溅射，溶胶凝胶 2 电热材料与热电材料有什么不同？请举出应用实例。 答：电流通过导体将放热，利用电流的热效应的材料。

而热电材料是指利用其热电性的材料。电热材料广泛用作电热器。热电制冷又称作温差电制冷，或半导体制冷，它是利用热电效应的一种制冷方法。

3 什么是压电材料与光电材料？它们分别都有那些实际应用？

答：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。光照射到某些物质上，引起物质的电性质发生变化，这类现象被人们统称为光电效应。应用：压电传感器。太阳能发电 。

第十章

1 什么是形状记忆材料？都有那些实际应用？

答：将具有某种初始形状的制品进行变形后，通过加热等手段处理时，制品又恢复到初始形状。形状记忆合金，形状记忆聚合物，形状记忆陶瓷。 2 激光是如何产生的？都有那些特点？ 答：原子中的电子就会吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级，即原子被激发。激发的过程是一个“受激吸收”过程。处在高能级的电子寿命很短，在没有外界作用下会自发地向低能级跃迁，跃迁时将产生光辐射。1）比太阳还要亮百亿倍2）颜色最纯3）方向最集中 4）相干性极好 3 光纤材料有那些？光纤传输的原理是什么？

答：1）石英玻璃光纤、２）多组分玻璃光纤、3）高双折射偏振保持光纤、４）单偏振光纤、５）各种传感器用光纤等。 原理：全反射

4 常见的光敏材料有那些？

答：１）光敏电阻材料 ２）光电池材料３）光敏纤维

第十一章

1 什么是居里温度？家用电饭锅的温控原理是什么？

答：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。电饭锅就利用了磁性材料的居里点的特性。在电饭锅的底部中央装了一块磁铁和一块居里点为105度的磁性材料。当锅里的水分干了以后，食品的温度将从100度上升。当温度到达大约105度时，由于被磁铁吸住的磁性材料的磁性消失，磁铁就对它失去了吸力，这时磁铁和磁性材料之间的弹簧就会把它们分开，同时带动电源开关被断开，停止加热。

2 什么是铁磁性？铁磁性材料有那些特点？ 答：（1）铁磁性是通过相邻晶格结点原子的电子壳层的相互作用而引起的。这种相互作用致使原子磁矩定向平行排列，并产生自发磁化现象；（１）只有在铁居里温度以下，才具有铁磁性，而在居里温度以上，就会转变为顺磁性。（2）在外磁场作用下，磁化过程不可逆，即所谓的磁滞现象。 3 磁悬浮列车的原理是什么？

答：磁悬浮列车利用“同名磁极相斥，异名磁极相吸”的原理，让磁铁具有抗拒地心引力的能力，使车体完全脱离轨道，悬浮在距离轨道约1厘米处，腾空行驶。

4 什么是相变材料？常见的相变材料有那些？都有那些实际应用？

答：相变材料是指随温度变化而改变形态并能提供潜热的物质。相变材料由固态变为液态或由液态变为固态的过程称为相变过程，这时相变材料将吸收或释放大量的潜热 5 什么是发汗材料？有那些应用？

答：由高熔点金属和低熔点金属复合构成的一种特殊散热材料，高熔点金属构成多孔的基体，孔隙中渗入低熔点金属 。当这种复合材料在高温下工作时，低熔点金属蒸发吸热，借以冷却材料表面。金属发汗材料用于制造电器开关触点以及火箭喷管阀体等耐高温器件。 6 举出两种纳米特种工程塑料？并介绍它们的特点？ 答：（１）PTFE是一种性能良好的特种工程塑料，常用于滑动摩擦零件。但由于纯PTFE的硬度低，耐磨性差，近年来发现在PTFE中加入石墨、二硫化钼、铜粉、玻纤、碳纤等，可以显著提高其强度、硬度及耐磨性。（２）PEEK是重要的耐热性热塑性树脂，在航天、航空、火箭和导弹零部件上得到较为广泛的应用，主要用做耐热零部件。在民用中多用做摩擦材料，纳米SiC陶瓷微粒作为填料填充PEEK，能显著地改善其摩擦性能和部分力学特性。

第十二章

1 氢的储存方法有那些？各有什么特点？ 答：（1）气态储氢：

特点：1）能量密度低、2）不太安全 （2）液化储氢：

特点：1）能耗高、2）对储罐绝热性能要求高 （3）固态储氢：

特点：1）体积储氢容量高、2）无需高压及隔热容器、3）安全性好，无爆炸危险、4）可得到高纯氢，提高氢的附加值

2 金属氢化物储氢特点有那些？ 答：1）反应可逆

2）氢以原子形式储存，固态储氢，安全可靠 3）较高的储氢体积密度

3 氢氧燃料电池的原理是什么？画出氢氧燃料电池的工作示意图？ 答：1）工作时向负极供给燃料（氢），向正极供给氧化剂（空气，起作用的成分为氧气）。氢在负极分解成正离子H+和电子e-。氢离子进入电解液中，而电子则沿外部电路移向正极。 4 请举出典型的储氢材料？ 答：稀土镧镍系（LaNi5） 钛铁系（TiFe） 镁系（Mg2Ni）

钛/锆系（TiMn1.5H2.5、Ti0.90Zr0.1Mn1.4V0.2Cr0.4）

第十三章

1 太阳能电池的原理是什么？

答：当光线照射太阳电池表面时，一部分光子被硅材料吸 收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了跃迁，成为自由电子。在PN结中N型半导体的空穴往P型区移动 ，而P型区中的电子往N型区移动，从而形成从N型区到P型区的电流。然后在PN结中形成电势差，这就形成了电源 。 实质：光能转换为电能-光电效应 2 太阳能电池有那些种类？ 答：1）硅太阳能电池

2）多元化合物薄膜太阳能电池

3）聚合物多层修饰电极型太阳能电池 4）纳米晶太阳能电池 5）有机太阳能电池

3 提高太阳能电池效率的方法有那些？

答：1 尽量减少太阳能电池表面挡板玻璃对太阳光的反射，增加透射。2 改进透明电极在太阳光整个谱段的透射率，从而减少太阳光辐射在电池表面的反射损失。3 采用多个 p-n 结叠层结构，使太阳光能的利用率尽可能大。4 增加入射光在太阳能电池吸收层内的传输距离。

第十五章

1 导电高分子具有什么特点？ 答：(1)与金属相比,重量轻;

(2)成型性好,用浇铸、模压等比较简易的方法就能使其纤维化、薄膜化，制成涂料,以及得到人们所需要的其他形状，而且易于加工成轻质的大面积的可挠性薄膜,以其大的面积/厚度比来补偿它的电导率较低的不足；

(3)易于合成和进行分子设计、材料设计,从而能较好地满足科学技术对这类功能材料提出的各种要求；

(4)原料来源广

2 什么是可降解高分子材料？

答：是指在使用后的特定环境条件下,在一些环境因素如光、氧、风、水、微生物、昆虫以及机械力等的作用下,使其化学结构在较短时间内发生明显变化,从而引起物性下降,最终成为可被环境所消纳的高分子材料。

3 高吸水性树脂的结构特征是什么？

答：1）.分子中具有强亲水性基团，如羟基、羧基，能够与水分子形成氢键； 2）.树脂具有交联结构；

3）.聚合物内部具有较高的离子浓度； 4）.聚合物具有较高的分子量 4 高分子膜都有那些实践应用？

答：1)环境保护(2)食品工业和医药工业(3)水资源再利用

2）多元化合物薄膜太阳能电池

3）聚合物多层修饰电极型太阳能电池 4）纳米晶太阳能电池 5）有机太阳能电池

3 提高太阳能电池效率的方法有那些？

答：1 尽量减少太阳能电池表面挡板玻璃对太阳光的反射，增加透射。2 改进透明电极在太阳光整个谱段的透射率，从而减少太阳光辐射在电池表面的反射损失。3 采用多个 p-n 结叠层结构，使太阳光能的利用率尽可能大。4 增加入射光在太阳能电池吸收层内的传输距离。

第十五章

1 导电高分子具有什么特点？ 答：(1)与金属相比,重量轻;

(2)成型性好,用浇铸、模压等比较简易的方法就能使其纤维化、薄膜化，制成涂料,以及得到人们所需要的其他形状，而且易于加工成轻质的大面积的可挠性薄膜,以其大的面积/厚度比来补偿它的电导率较低的不足；

(3)易于合成和进行分子设计、材料设计,从而能较好地满足科学技术对这类功能材料提出的各种要求；

(4)原料来源广

2 什么是可降解高分子材料？

答：是指在使用后的特定环境条件下,在一些环境因素如光、氧、风、水、微生物、昆虫以及机械力等的作用下,使其化学结构在较短时间内发生明显变化,从而引起物性下降,最终成为可被环境所消纳的高分子材料。

3 高吸水性树脂的结构特征是什么？

答：1）.分子中具有强亲水性基团，如羟基、羧基，能够与水分子形成氢键； 2）.树脂具有交联结构；

3）.聚合物内部具有较高的离子浓度； 4）.聚合物具有较高的分子量 4 高分子膜都有那些实践应用？

答：1)环境保护(2)食品工业和医药工业(3)水资源再利用

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