功能材料考试题 - 试卷答案

题号
一、 名
得分
一二三四五六七八九
词解释（每题 3，共计 15 分）
总分
1、 高温超导材料 具有高临界转变温度（Tc）能在液氮温度条件下工作的超导材料。
2、 形状记忆效应 形状记忆效应是指具有一定形状的固体材料，在某一低温状态下(处于马氏
体状态)进行一定限度的塑性变形后，通过加热到某一温度时，材料完全恢复到变形 前的初始形状的效应。 3、 光生伏特效应
当光量子的能量大于半导体禁带宽度的光照射到结区时，光照产生的电子空穴对在结电场作用下，电子推向 n 区，空穴推向 p 区；电子在 n 区积累和空穴在 p 区积累使 P-n 结两边的电位发生变化，p-n 结两端出现一个因光照而产生的电动势， 这一现象称为光生伏特效应。
4、气敏陶瓷： 气敏陶瓷对某一种或某几种气体特别敏感，其阻值将随该种气体的浓度(分压力) 作有规则的变化，检测灵敏度通常为百万分之一的量级，个别可达十亿分之一的量级， 故有“电子鼻”之称。
5、粒子数反转 为了形成足够的激发辐射，得到激光，就必须用一定的方法去激发电子群体，使亚 稳态上的电子数目超过基态上的。该过程称为粒子数的反转。
二、判断题（每题 1，共计 10 分） 1、光学材料主要是指光介质材料，还有光功能材料，光纤材料是光介质材料，而激
光材料是光功能材料。（√） 2、在一个原子体系中，在光和原子体系的相互作用中，自发辐射、受激辐射和受激
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吸收总是同时存在的。是否能得到光的放大就取决于高、低能级的原子数量之比。（×） 3、二能级的系统来做激活媒质实现粒子数反转是不可能的。要想获得粒子数反转，
必须使用多能级系统。在现代的激光器中，第一台激光器红宝石激光器是四能级系统 （×） 4、与超导合金材料相比，元素超导体具有塑性好、易于大量生产、成本低等优点。（×） 5、储氢合金不仅具有安全可靠、储氢能耗低、单位体积储氢密度高等优点，还有将氢
气纯化、压缩的功能，是目前最常用的储氢材料。（√） 6、非晶合金具有稳定的结构特性。(×) 7、只有平均粒径在 100nm 以下的材料才称为纳米材料。(×) 8、超导材料必须把磁场线完全排斥在体外才具有超导效应。(×) 9.铁氧体主要应用于高频技术，例如无线电、电视、自动控制等很多方面。 （√） 10. 压电晶体不一定具备热释电效应，但热释电晶体一定存在压电效应。 (√)
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三、填空题（每空 1 分，共计 20 分） 1、介电陶瓷材料在电场下产生极化分为四种，即电子极化 、离子极
化 、 偶极子极化 和 空间电荷极化 。
2、精细陶瓷又称高性能陶瓷、高技术陶瓷，按其用途可分成精细结构
陶瓷_ 和_精细功能陶瓷______两大类。
3、当今世界上流行使用的新型电光源大都与 稀土 金属有关，其
中使用最多的电光源是稀土三基色荧光灯。
4、发光材料的发光原理是 辐射跃迁 和非辐射跃迁。
5、导电陶瓷按导电原理分为 电子导电陶瓷
和 离子导电陶
瓷
。6、最早的人工纳米材料是 碳黑 。
7、PTC 热敏半导体是一类具有正温度系数的半导体陶瓷，CTR 半导
体陶瓷是具有负温度系数临界电阻 的半导体陶瓷。
8、物资的磁性来源于原子的磁性，原子的磁性来源于电子的轨道运动
学院
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及自旋运动，它们都可以产生磁矩。 9、非晶合金的结构在热力学上是 亚稳 的，在一定温度下加热会向 晶态 结构转变。 10、制造透明陶瓷的关键是 消除气孔 和 控制晶粒异常长大 。
四、 简答题（每小题 6 分，共计 36 分）
1、超导现象与超导材料的基本特性？约束超导现象的临界条件是什么？ 答：超导电现象：材料在一定温度以下，其电阻为零的现象。 基本特性： 1）完全导电性，超导体进入超导态时，其电阻率实际上等于零。 2）完全抗磁性，不论开始时有无外磁场，超导体变为超导态后，体内的磁感应强度恒 为零，即超导体能把磁力线全部排斥到体外。 临界参数：1）临界转变温度 Tc：超导体必须冷却到临界温度以下才能保持其超导性。2） 临界磁场强度 Hc：施加给超导体的磁场必须小于某一临界磁场才能保持超导体的超导 性。3）临界电流密度 Jc：通过超导体内的电流密度必须小于某一临界电流密度才能保 持超导体的超导性。
2、试说明形状记忆效应有哪几种形式？并简要分析（画图说明）
答：单程记忆效应：将母相在高温下制成某种形状，再将母相冷却或加应力，使之发生 马氏体相变，然后对马氏体任意变形，再重新加热至 As 点以上，马氏体发生逆转变。 当温度升至 Af 点，马氏体完全消失，材料恢复母相形状，而重新冷却时却不能恢复低 温相时的形状。 双程记忆效应：若加热时，恢复高温相形状，冷却时恢复低温相形状，即通过温度升降 自发可逆地反复恢复高低温相形状的现象称为双程记忆效应，又称可逆记忆效应。 全程形状记忆效应：这是一种加热时恢复高温形状，冷却时变为形状相同而取向相反的 高温相的现象。
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3、试说明软磁材料、硬磁材料的区别与应用？
答：软磁与硬磁材料的最大区别是，硬磁材料在去掉外磁场之后可以在较长时间内保 持其强磁性，且有较高的矫顽力和较大面积的磁滞回线面积。而软磁材料一旦撤去外 磁场则失去大部分或全部磁性，矫顽力小，可以反复磁化。
软磁材料，包括纯铁，电工钢，合金及非晶态合金等，在通讯技术和电力技术中 应用广泛，可用于制造电感元件，如变压器，继电器，电磁铁，电机铁芯等。
硬磁材料应用较为普遍的有：铝镍钴系永磁合金，稀土永磁材料，可加工的水磁 合金，永磁铁氧体材料，复合(粘结)永磁材料，单畴微粉永磁合金及塑料永磁材料。
4、非晶态合金的形成条件与制备方法？
答：原则上，冷却速度足够快，使熔体中原子来不及作规则排列就完成凝固过程，就可 形成非晶态金属。实际上，还要考虑材料的成分和各组元的化学性质。组元间的电负性 及原子尺寸相差越大越容易形成非晶态合金。
制备方法：1）由气相直接凝聚成非晶态固体，如真空蒸发、溅射、气相沉积等；2） 由液态快速淬火获得非晶态固体，是目前应用最广泛的非晶态合金的制备方法；3）由 结晶材料通过辐照、离子注入、冲击波等方法制的非晶态材料，可在金属表面产生非晶 层。
5、压电陶瓷的基本原理和应用？ 答：晶体压电性产生原因：正压电效应的表现是晶体受力后在特定表面上产生束缚电荷， 但直接作用是力使晶体形变，即改变了原子相对位置，产生束缚电荷的现象表明出现了 净电偶极矩。当晶体具有对称中心时，只要作用力没有破坏其对称中心的结构，此时由
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于正、负电荷呈对称排列，即使受到应力作用产生形变，也不会产生净电偶极矩。因此， 具有对称中心的晶体总电矩为零。若取一不存在对称中心的晶体，加上外力后，正负电 荷中心不再重合，结果产生净偶极矩，这就产生了压电效应。 压电材料的应用 ①水声换能器是压电材料的一项重要应用。②压电材料在超声技术中的应用十分广泛。 ③高电压发生器：④其他应用：压电材料以其优良的机电性能、高的化学稳定性制成电 声器件，如拾音器、扬声器、鸣器等。另外，压电材料还可应用在压力计、流量计、计 数器等仪表中。
6、梯度功能材料及主要特征？ 答：梯度功能材料是两种或多种材料复合成结构和组分呈连续梯度变化的一种新型复合 材料。
主要特征：（1）材料的结构和组分呈连续梯度变化；（2）材料的内部没有明显的界 面；（3）材料的性质也相应呈连续梯度变化。
三、 论述题（第 1 小题 9 分，第 2 小题 10 分，共 19 分）
1. 激光产生的机理及激光器的基本结构？ 答: 激光产生的机理: 当光入射到由大量粒子所组成的系统时，光的吸收、自发辐射和 受激辐射三个基本过程是同时存在的。而激光是受激辐射的结果，为创造受激辐射的条 件，必须使处于高能级激发态的粒子数多于处于低能级的粒子致，即“粒子数反转”， 因为粒子数在平衡态下总是低能态粒子数多于高能态的粒子数。为此，必须输入能量使 处于低能态的粒子足够多地跃迁到高能级，这个“激励”过程为“光泵”或者“抽运”。 但是抽运到高能级的粒子能否有较长的寿命，这就决定于激光工作物质的能态结构，即 是否有亚稳态能级，让粒子“停留”、“等待”受激辐射。实现“粒子数反转”后，当激 发态的粒子受到入射光子作用并发生受激辐射时，产生激光。
激光器的基本结构 激光是受激辐射的结果，要求受激辐射在激光介质中必须反复地发生，并约束在一个方
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向上，才能得到强的激光束。这要求激光器必须由三个基本部分组成： ①产生激光的物质，称为激光工作物质，是激光工作系统中最重要的部分； ②激光产生的激励装置(如红宝石激光器的激励装置是氖闪光灯)； ③供激光放大的谐振腔（反馈系统）。
2. 在不可再生的能源如石油、天然气和煤炭等储量不断减少甚至即将枯竭的今天，为 什么人们要大力研究储氢合金? 答：氢能热值高、资源丰富、干净清洁，不产生二次污染、应用范围广、适应性强，可 作为燃料电池发电，也可用于氢能汽车、化学热泵等。因此，氢能的开发和利用成为人 们特别关注的科技领域。
氢能利用的关键是氢的制备技术和高密度安全储存。目前市售的氢气一般都是在 150 个大气压下储存在钢瓶内，氢气重量不到钢瓶重量的 1/100。而且储存的氢有爆炸 的危险，很不方便。为了解决氢的储存和运输问题，人们研发了相应的储氢材料，主要 包括活性炭、合金化合物、无机化合物以及有机化合物四大类储氢材料，其中以储氢合 金研究最为广泛。
储氢合金吸放氢时伴随有巨大的热效应，发生热能－化学能的相互转换，反应的可 逆性好，反应速度快，是一种特别有效的蓄热和热泵介质。储氢合金贮热是一种化学贮 能方式，长期存贮毫无损失。利用储氢合金的热装置还可以充分回收利用太阳能和各种 中低温余热、环境热等，使能源利用率提高２０％－３０％。储氢合金储氢量在 1％-4％ (质量分数)之间、能量密度高，并且无需高压及液化可长期存储而少有能量损失，是一 种安全高效的储氢方法。而且储氢合金原料易得，特别是稀土类储氢合金，我国具有丰 富的稀土资源，完全可以满足实际需求。因而储氢合金是目前各国都在大力研发。
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