材料科学前沿_思考题

(1) 航空器发展对材料的要求有哪些?

答：对航空材料的主要要求是耐高温、高比强、抗疲劳、耐腐蚀、长寿命和低成本。

(2) 什么是金属间化合物，金属间化合物的特点是什么？

答：指两种金属或金属与类金属组成的具有整数化学计量比的化合物。类金属：H 、B 、N 、S 、P 、C 、Si 。性质: 或多或少与普通化合物有区别。

特点：密度低、屈服强度随温度升高而提高、比刚度高；熔点高、高温强度好以及抗氧化性能优良等。

(3) 金属间化合物分为哪几类，各自的特点是什么？

答：分类及特点：①正常价化合物：化学电负性较大的金属元素与类金属元素组成；符合一般化合物原子价规律。键特点: 电子转移和共用电子对。符合Hume-Rothery 法则（价电子浓度决定晶体结构），a. 金属倾向与IVB,VB,VIB 族元素形成化合物,b. 金属正电性越强, B族负电性越强, 越易形成, 越稳定。

②电子化合物：a. 不符合原子价规则，成分不确定,b. ,c. 原子间结合键主要是金属键。

③间隙化合物：由原子半径较大的过渡族金属元素和原子半径较小的C N 、B

④复杂化合物：更复杂结构的间隙化合物——渗碳体及碳化物（Fe 3C ，23C (4) 金属间化合物结构材料脆性原因？其韧化方法有哪些？

率(穿晶解理断裂) 控制：组织优化。

合金化：微合金化法：通常加入小于1%WtC 、Hf 、Ce :改变晶体结构；改变滑移特征；形成韧性第二相；强化晶界。

/脆多相结构。

改进制备工艺（更加重要）

(5) Ti3Al （α2）基合金是唯一进入成熟应用研究阶段的金属间化合物，二元Ti3Al 合金的缺点有哪些，其发展思路是什么？

答：缺点：①室温断裂韧性较低；(这是设计应用部门担心的问题之一) ；③O 相合金的抗氧化问题。高发展思路：在β和Mo ），增加塑性的第二相，使Ti 3Al 基合金的室温(6) Ti3Al （α2）基合金中加入β相稳定元素的目的是什么？不同β相稳定元素含量分别对应什么相组成？

答: βNb 和Mo ）Ti 3Al 基合金的室温塑性和加工性能得到改善。 ①第一代β10%～14%α2（DO 19）＋β；

②β稳定元素含量在～17%之间，该合金具有更高的拉伸强度和蠕变抗力，显微组织取决于热处理，主要为α2、β和O 相(第一代O 相合金Ti 2AlNb ，正交结构，可看作α2的畸变结构；

③β稳定元素含量在23GE 公司研制的Ti-24.5Al-23.5Nb 和Ti-22Al-27Nb 合金，显微组织为O ＋β，这类以O 相为基的合金比α22合金有更高的高温屈服强度、蠕变抗力和断裂韧性，已经成为近期研究的重点（第二代O 相合金）。

(7) 什么是高温合金？高温合金的服役条件是什么？高温合金的强化方法有哪些？

答：高温合金又称热强合金、耐热合金或超合金（Superalloys) ，是指以Fe 、Ni 、Co 为基，能在600℃以上温度，一定应力条件下适应不同环境短时或长时使用的金属材料。

服役条件（航空发动机热端部件）：①600~1100℃②氧化和燃气腐蚀环境③复杂应力（蠕变，高、低周疲劳，热疲劳等）④长期可靠工作。

强化方法：组织：γ/ γ’共格组织，基体：γ，强化相：γ’ ①固溶强化： γ ②第二相强化：γ’ ③晶界强化：微量元素晶界偏聚④工艺强化：定向或单晶。

(8) Nb 基合金的强化、韧化和改善抗氧化性方式有哪些？

答：(1)强化：①固溶强化—— Mo, W, Hf, Cr, Al, Si 等能与Nb 形成置换固溶体，W 、Mo 最强②金属间化合物—— Nb SS /Nb3Al

(Nb-Al二元合金) 和 NbSS /Nb5Si 3（Nb-Si 二元合金) ， NbSS 提供韧性，Nb 3Al 和Nb 5Si 3提供高温强度韧/脆两相结构③特殊热加工——定向凝固，热等静压, 热挤出。

(2)韧化：①合金化--Hf 、Ti 元素对Nb SS 韧化②减少Si 含量--Si 减少， Nb5Si3减少，塑韧性上升③改变组织形态--Mo ，W 等元素倾向形成片状组织，改善Nbss 和Nb 5Si 3形态。

(3)改善抗氧化：基体抗氧化+涂层，Cr-NbCr 2有利于抗氧化，Si-SiO 2有利于抗氧化，Ti 有利于抗氧化。

(9) 什么是难熔金属与合金？其一般特性是什么？

答：通常将熔点高于2400℃的金属称作难熔金属，主要有W(3422ºC)、Mo(2623ºC)、Ta(3020ºC)、Nb(2469ºC)、Ir(2443ºC)等。以上述金属为基体，添加各种合金元素或化合物制成的合金称作难熔合金。

一般特性：①难熔金属一般具有良好的高温强度和耐蚀性能，较低的蒸汽压（Cr 。主要缺点是抗高温氧化性能差，有些元素如W 、Mo Li 、Na 、K 、Hg 、Mg 、Bi 等溶液也有较好的耐腐蚀能力。

(10) 提高Ni3Al 的塑性有那些方法？

答：原因：富Al 晶断裂的能力。

①B对Ni 3Al 的强韧化作用，作用机理：B H 沿晶界扩散产生的环境脆性，改善室温塑性和综合性能。

②Zr对Ni3Al 的强韧化作用，大于600C 时，B Zr 850C Zr 偏聚在晶界上，使晶界贫化Al ，富化Ni

③稀土和Mg 对Ni3Al 的强韧化作用，0.05%~0.2%Y和

(11) 什么是智能材料？

, 又有驱动的功能, 有的本身就可以构成一个智能系统,

(12) 什么是生物相容性？引起生物变化的因素有哪些？

(13) 超导体与理想导体的区别？

，由于晶格振动被冻结，其电阻为零。磁(Lenz)定律，理想导体中产生的感生电流所引起的磁通变

抗磁性称为迈斯纳（Meissner 说明超导体是一种热力学平衡态。

(14) 组织工程学的三大要素是什么？对细胞载体材料－支架材料的具体要求是什么？

对支架材料的具体要求有：1. 2. 内部均匀分布和相互联通的孔结构；3. 支架材料易于加工成不同的厚度和形状；4. 良好的相容性和一定的机械强度；5. 可以通过生物降解最终消失。

(15) 形状记忆合金、形状记忆陶瓷和形状记忆高分子材料产生形状记忆效应的机理。

答：记忆合金：之所以具有形状记忆效应, 是因为这些合金发生马氏体相变。马氏体相变可由两种方式产生：①降低温度(冷却) – 热致马氏体②施加应力 – 应力诱发马氏体。形状记忆行为也对应于两种模式：①记忆效应—温度变化--形状恢复②超弹性(伪弹性) —外力--形状恢复。

形状记忆陶瓷：应力诱发马氏体相变。

形状记忆高分子材料：热致敏感型SMP 一般都是由防止树脂流动并记忆起始态的固定相与随温度变化能可逆固化和软化的可逆相组成。可逆相：物理交联结构－结晶态、玻璃态。固定相：物理交联结构（热塑性）或化学交联结构（热固性）。

热塑性SMP 形状记忆过程示意图 热固性SMP 形状记忆过程示意图

(16) 形状记忆效应及形状记忆合金定义。

答:形状记忆效应：它是指具有一定形状的固体材料, , 材料又完全恢复到变形前原来形状的现象。即它能记忆母相的形状。

(17) 简述燃料电池的工作原理。

流。

举例PEMFC ：

质子交换膜燃料电池工作原理：主要是利用氢气进入电池组，经由扩散层，与触媒层中的触媒作用后，氧化为氢离子（质子）并释放出电子，同时在阴极与氧气发生反应产生电位差发电。

下列为阴极、阳极反应及总反应：

+- 阳极(电池负极) 半反应： H2→2H+2e

+- 阴极(电池正极) 半反应： 2H+½O2+2e→H2O

总反应： H2+½O2→H2O ΔE=1.229V ( l atm、25℃)

(18) 试述染料敏化电池的光伏作用。

答：染料敏化太阳能电池（DSSC ）的工作原理是由染料做为吸光材料，染料中价电层电子受光激发，要升至高能阶层，进而传导至纳米二氧化钛半导体的导电层，在经由电极引至外部。失去电子的染料则经由电池中电解质得到电子，电解质是

3+由I/I溶于有机溶剂中形成。

DSSC 工作原理：⑴ 染料分子受太阳光照射后由基态跃迁至激发态；⑵ 处于激发态的染料分子将电子注入到半导体的导带中；⑶ 电子扩散至导电基底，后流入外电路中；⑷ 处于氧化态的染料被还原态的电解质还原再生；⑸氧化态的电解质在对电极接受电子后被还原，从而完成一个循环。

(19) 简述镍氢电池的工作原理。

答：镍氢电池NiMH 电池正极板材料为NiOOH KOH 水溶液，并加入少量的NiOH 。隔膜采用多孔维尼纶无纺布或尼龙无纺布等。

充电时：

正极: Ni(HO)2 + OH- ⇔ NiOOH- +H2 负极： M+H2O + e ⇔ -

总反应：放电时

正极：

负极：MH + OH- -

总反应：

以上式中M LaNi5。

(20) 高温结构陶瓷优点有哪些？陶瓷材料存在问题是什么，应该如何改进？

答：优点：①在1000℃以上，较高温合金具有密度低、比强度高、优异的耐高温、耐高温腐蚀性能。②高温使用环境条件下，不需要冷却系统，发动机的燃烧消耗减少17%~40%。③适用多种燃料，节省能源、金属资源。

存在问题及改进方法：①脆性大、塑韧性低：陶瓷材料几乎没有塑性，难以通过塑性变形阻止裂纹扩展。加强陶瓷韧化的基础，通过新的韧化途径进一步大幅度提高陶瓷材料的韧性；用在十分严酷的工况条件下，注意避免冲击碰撞和大的拉应力。②成本高：先进陶瓷首先对原料粉末提出了苛刻的要求。制造工艺复杂，制造成本较高。③陶瓷强度设计与陶瓷材料的

合理使用：与金属材料相比，陶瓷材料强度特别是高温强度并不差，但塑韧性很低，抗拉强度大大低于抗压强度。另一方面陶瓷加工性能很差，除精细的磨加工外，其它形式的机械加工难以进行，且成本很高。把陶瓷材料应用于很软的应力状态，即在该应力状态下材料内部的拉应力分量很小，压应力或剪应力分量可以很大，这是陶瓷材料开展产品设计和服役要考虑的问题。

(21) 氧化物陶瓷的优点有哪些？

答：①原子结合以离子键为主，存在部分共价键；②熔点较高，一般在2000℃以上；③良好的电绝缘性能；④优异的化学稳定性和抗氧化性。

(22) 复合材料定义：由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合成一种新的固体材料。

(23) 先进复合材料含义：专指可用于主承力结构或次承力结构、其刚度和强度性能相当于或超过铝合金的复合材料。主要为

其是碳纤维树脂基复合材料最为突出。

(24) 复合材料分类：

按照基体不同可分为：树脂基复合材料＜5001650℃（脆性）碳/碳复合材料＞3000℃（氧化）。

(25) 复合材料特点：

质轻高强 可设计 抗疲劳、损伤 耐腐蚀 整体成型 结构/

(26) 复合材料技术发展的关键问题：

1）材料方面：材料的高性能化、多功能化与纤维/23）设计方面：设计理念与验证方法；4(27) C NT （碳纳米管）的定义及性能特点：

特点：1）杨氏模量～1TPa2

(28) C NF （碳纳米纤维）：

(29) 复合材料制造工艺的特点：12）成型工艺含两个过程：成形与固化；3) 复合材料结

、化学—物理耦合变化（粘流，密实）；固化：固

(30) 热电材料有哪些主要种类？有什么特点？功能？

(1)

(2)1000℃。

(3), 其最佳运作温度大约为1300℃。

点如下: （1）体积小, , 且工作中无噪音; （2）温度控制可在±0.1℃之内; （3）不必使用CFC(CFC氯氟碳类物质，氟里昂。被认为会破坏臭气层) ，不会造成任何环境污染; （4）可回收热源并转变成电能(节约能源) ，使用寿命长，易于控制。

(31) 解释磁记录单元的体积局限性。

答：多个磁颗粒(约100个左右) 组成一个记录单元来记录1bit 的信息——0或者1。当磁颗粒的体积太小的时候，能影响其磁滞的因素就不仅仅是外部磁场了，些许的热量就会影响磁颗粒的磁滞，从而导致磁记录设备上的数据丢失，这种现象就是“超顺磁效应”。 微观粒子具有穿越势垒的能力，称为量子隧道效应。宏观磁学量如磁化强度，磁通量等也具有隧道效应，这就是宏观量子隧道效应。它限定了磁存储信息的时间极限和微电子器件的尺寸局限。

(32) 什么是陶瓷材料？什么是特种陶瓷？

陶瓷材料是指以无机非金属天然矿物或化工产品为原料，经原料处理、成型、干燥、烧成等工序制成的产品。

特种陶瓷：主要以高纯化工试剂为原料

(33) 高温结构陶瓷优点有哪些？陶瓷材料存在问题是什么，应该如何改进？

答：优点：①在1000℃以上，较高温合金具有密度低、比强度高、优异的耐高温、耐高温腐蚀性能。②高温使用环境条件下，不需要冷却系统，发动机的燃烧消耗减少17%~40%。③适用多种燃料，节省能源、金属资源。

存在问题及改进方法：①脆性大、塑韧性低：陶瓷材料几乎没有塑性，难以通过塑性变形阻止裂纹扩展。加强陶瓷韧化的基础，通过新的韧化途径(例如，利用纳米晶等) 进一步大幅度提高陶瓷材料的韧性；用在十分严酷的工况条件下(如1000℃以上超高温，高温无润滑，高温带腐蚀，强烈腐蚀磨损) ，注意避免冲击碰撞和大的拉应力。②成本高：先进陶瓷首先对原料粉末提出了苛刻的要求，如要求高纯、超细(粉体粒度在1mm 以下) 的问题。

(34) 氧化物陶瓷的优点有哪些？

答：①原子结合以离子键为主，存在部分共价键, Sio2缘性能；④优异的化学稳定性和抗氧化性。

例如：A12O 3ZrO 2(相变增韧) ，热传

(35) 陶瓷的制备过程：

a 、粉体：高纯度，相组成（α、β氮化硅）b 有干压成形、胶体成形等。

c

(36) 有机前驱体裂解陶瓷

特点：利用有机- 在有机分子合成过程设计分子结构，能够获得其他方，SiCN 等； 能够获得高均匀性高共价键非晶体，高温稳定性好（SiBCN ，2200℃）； 有机前躯体易纺丝、易液态成型

；产生较大的体积收缩（20-30%线收缩） ；裂纹与气孔 ；只能获得小尺度（几百微米）致密体（纤维、涂层、泡沫体）

解决途径：多次浸渍---裂解，填料

性质：可达到的室温电阻率幅度大，高温抗氧化，抗化学腐蚀性，高强高模