功能材料概论复习要点及试题 1.docx

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功能材料概论复习要点及试题1

功能材料概论复习资料

第三章超导材料

一.概念

1.超过临界磁场便立即转变为正常态的超导体，称为第一类超导体。

2.在绝对零度下，处于能隙下边缘以下的各能态全被占据，而能隙上边缘以上的各能态全空着。

这种状态就是超导基态。

3.引进声子的概念后，可将声子看成一种准粒子，它像真实粒子一样和电子发生相互作用。

通常把电子与晶格点阵的相互作用，称为电子-声子相互作用。

4.产生临界磁场的电流，即超导态允许流动的最大电流，称为临界电流。

5.在处理与热振动能量相关的一类问题时，往往把晶格点阵的集体振动，等效成若干个不同频率的互相独立的简正振动的叠加。

而每一种频率的简正振动的能量都是量子化的，其能量量子（q）就称为声子。

6.只要两个电子之间有净的吸引作用，不管这种作用多么微弱，它们都能形成束缚态，两个电子的总能量将低于2EF。

此时，这种吸引作用有可能超过电子之间的库仑排斥作用，而表现为净的相互吸引作用，这样的两个电子被称为库柏电子对。

7.库柏对有一定的尺寸，反映了组成库柏对的两个电子，不像两个正常电于那样，完全互不相关的独立运动，而是存在着一种关联性．库柏对的尺寸正是这种关联效应的空间尺度．称为BCS相于长度。

8.对处于超导态的超导体施加一个磁场，当磁场强度高于HC时，磁力线将穿人超导体，超导态被破坏。

一般把可以破坏超导态的最小磁场强度称为临界磁场。

二.填空

1.（电子）与（晶格点阵之间）的相互作用，可能是导致超导电性产生的根源。

2.超导体的三个临界参数为：

（临界温度）、（临界磁场）（临界电流）。

3.超导材料按其化学组成可分为：

（元素超导体）、（合金超导体）、（化合物超导体）。

三.简答

1.请简述第一类超导体与第二类超导体的区别

HC0为0K时的临界磁场。

当T＝TC时，＝0;随温度的降低，HC增加，至0K时达到最大值HC0。

HC与材料性质也有关系，上述在临界磁场以下显示超导性，超过临界磁场便立即转变为正常态的超导体，称为第一类超导体。

与第一类超导体相反，第二类超导体有两个临界磁场。

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

第四章贮氢合金

一.概念

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。

二.填空

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），固溶体的溶解度[H]M与其平衡氢压PH2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）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

一.概念

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，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）。

二.填空

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（γ）奥氏体为（面心立方）结构，ε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

三.简答

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，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γ→ε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、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

一.概念

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。

二.填空

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.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