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功能材料试题及参考答案

时间:2018-06-27 20:32:30 试题 我要投稿

功能材料试题及参考答案

  篇一:功能材料试题参考答案

功能材料试题及参考答案

  一、名词解释(共24分,每个3分)

  居里温度:铁电体失去自发极化使电畴结构消失的最低温度(或晶体由顺电相到铁电相的转变温度)。

  铁电畴:铁电晶体中许许多多晶胞组成的具有相同自发极化方向的小区域称为铁电畴。

  电致伸缩 :在电场作用下,陶瓷外形上的伸缩(或应变)叫电致伸缩。

  介质损耗 :陶瓷介质在电导和极化过程中有能量消耗,一部分电场能转变成热能。单位时间内消耗的电能叫介质损耗。

  n型半导体 :主要由电子导电的半导体材料叫n型半导体。

  电导率 :电导率是指面积为1cm2,厚度为1cm的试样所具有的电导(或电阻率的倒数或它是表征材料导电能力大小的特征参数)。 压敏电压 :一般取I=1mA时所对应的电压作为I随V陡峭上升的电压大小的标志称压敏电压。

  施主受主相互补偿:在同时有施主和受主杂质存在的半导体中,两种杂质要相互补偿,施主提供电子的能力和受主提供空状态的能力因相互抵消而减弱。

  二、简答(共42分,每小题6分)

  1.化学镀镍的原理是什么?

  答:化学镀镍是利用镍盐溶液在强还原剂(次磷酸盐)的作用下,在具有催化性质的瓷件表面上,使镍离子还原成金属、次磷酸盐分解出磷,获得沉积在瓷件表面的镍磷合金层。由于镍磷合金具有催化活性,能构成催化自镀,使得镀镍反应得以不断进行。

  2.干压成型所用的粉料为什么要造粒?造粒有哪几种方式?各有什么特点?

  答:为了烧结和固相反应的进行,干压成型所用粉料颗粒越细越好,但是粉料越细流动性越差;同时比表面积增大,粉料占的体积也大。干压成型时就不能均匀地填充模型的每一个角落常造成空洞、边角不致密、层裂、弹性后效等问题。为了解决以上问题常采用造粒的方法。 造粒方式有两种方式:加压造粒法和喷雾干燥法。加压造粒法的特点是造出的颗粒体积密度大、机械强度高、能满足大型和异型制品的成型要求。但是这种方法生产效率低、自动化程度不高。喷雾干燥法可得到流动性好的球状团粒,产量大、可连续生产,适合于自动化成型工艺。但是这种方法得到的团粒体积密度不如喷雾干燥法大、机械强度不如喷雾干燥法高。

  3.铁电体与反铁电体的自发极化有何不同特点?并分别解释为什么总的

  ΣP=0?

  答;铁电体自发极化的特点是单元晶胞中的偶极子成对的按相同方向平行排列,晶体中存在着一个个由许多晶胞组成的自发极化方向相同的小区域-铁电畴,但各个铁电畴的极化方向是不同的、杂乱无章的

  分布;反铁电体自发极化的特点是单元晶胞中的偶极子成对的按相反方向平行排列且这两部分偶极子的偶极矩大小相等方向相反。

  铁电体ΣP=0是由于一般情况下整个铁电晶体的内部不同方向取向的电畴其自发极化强度可相互抵消,所以铁电晶体的ΣP=0;反铁电体晶胞中偶极子以反平行方向排列偶极子的偶极矩在晶胞内部自行抵消,所以对外不显示极性ΣP=0。

  4.独石电容器的的特点是什么?

  答:性能特点:大容量、小体积、长寿命、高可靠性适应电子设备向集成化、小型化发展;工艺特点:合并了烧银和薄膜制坯工艺;结构特点:涂有金属电极浆料的陶瓷坯体以多层交替堆叠的方式叠合起来,使陶瓷材料和电极同时烧成一个整体。

  5.什么是受主?形成有效受主掺杂的条件是什么(以SrTiO3为例说明)?

  什么是受主能级?形成受主能级有哪几种方式?

  答:受主是能够在禁带提供空能级的杂质;形成有效受主的条件以SrTiO3为例,若想取代Sr2+(或Ti4+), 1)掺杂离子与Sr2+(或Ti4+)半径相近;2)掺杂离子电价低于Sr2+(或Ti4+)。受主杂质上的电子态相应的能级是受主能级;形成受主能级的方式有:低价外来阳离子替位;阳离子缺位;阴离子添隙等。

  6.什么是半导体陶瓷,半导体陶瓷的能带结构有什么特点?

  答:半导体陶瓷是导电能力介于导体和绝缘体之间的陶瓷。能带结构特点是价带全部被电子填满,禁带没有被电子填充是全空的,禁带宽度小于绝缘体一般小于2ev。

  7.气敏陶瓷吸附气体有哪几种具体情况?各有什么电学特点?

  答:气敏陶瓷吸附气体有四种具体情况: 1)N型半导体吸附氧化性气体其特点是N型半导体的载流子数目减少,电导率减小;2)N型半导体吸附还原性气体其特点是N型半导体的载流子数目增多,电导率增大;3)P型半导体吸附氧化性气体其特点是P型半导体的载流子数目增多,电导率增大;4)P型半导体吸附还原性气体其特点是P型半导体的载流子数目减少,电导率减小

  三、论述题(共34分)

  1、SrTiO3基陶瓷半导化的条件是什么?用氧挥发半导化机理进行解释。(10分)

  答:SrTiO3基陶瓷半导化的条件是还原性气氛和施主掺杂同时具备缺一不可。根据氧挥发半导化机理1)施主离子的加入导致阳离子空位锶空位的产生。2)锶空位的出现大大削弱了空位近邻的钛氧八面体的Ti-O结合键。3)在还原气氛中高温烧结时,氧通过扩散挥发在晶格中形成氧空位,氧空位电离而成为N型半导体。

  2、BaTiO3基铁电电容器与 BaTiO3基晶界层电容器的配方组成、微观结构及生产工艺有何不同?并解释为什么晶界层电容器的视在介电常数比铁电电容器大几十倍。(12分)

  答:配方组成上,BaTiO3基铁电电容器根据具体性能要求加入移峰剂和压峰剂等,而BaTiO3基晶界层电容器一般要加入施主掺杂剂促进半导化。微观结构上,BaTiO3基铁电电容器晶粒是介电常数较大的BaTiO3晶体;BaTiO3基晶界层电容器是由半导化的晶粒和晶粒表面的一层介电常数较大的介质层组成且晶粒。生产工艺上,BaTiO3基铁电电容器是在氧化气氛下烧成; BaTiO3基晶界层电容器的半导化阶段还原气氛更有利且一般需要两次烧结。晶界层电容器等效电路相当于一个阻容网络,其视在介电常数ε≈(d2/d1)εb,其中d1 为晶界绝缘介质层的厚度,d2为半导化晶粒的直径,εb 纯BaTiO3的介电常数。由于d2>>d1可达几十倍,所以晶界层电容器的视在介电常数比铁电电容器大几十倍。

  3、ZnO压敏陶瓷的相组成及每一相的作用是什么?并描述其显微结构的连续分布图像。(12分)

  答:ZnO压敏陶瓷的相组成为:ZnO相,其作用是构成陶瓷的主晶相,由于Zn的添隙或Co的溶入使它具有n型电导的特征;富铋相,由于富铋相溶有大量的ZnO和少量的Sb2O3所以富铋相有助于液相烧结。又由于富铋相在晶粒边界结晶溶有大量的ZnO少量的Sb2O3、CoO、MnO2等对于产生高非线性有作用。另外,还有抑制晶粒生长

  篇二:功能材料复习题

  复习题

  功能材料是指具有一种或几种特定功能的材料,如磁性材料、光学材料等,它具有优良的物理、化学和生物功能,在物件中起着“功能”的作用。

  1、 金属、半导体、绝缘体是如何区分的?

  答:它们分为良导体电阻率≤10-6m,绝缘体电阻率≈1012—1022m,介于这两者之间的半导。

  2、常见的半导体材料有哪些?列出三种以上

  答:,硅 锗 砷化镓

  3、 从能带理论解释半导体材料的导电性,并说明其与导体和半导体的不同点。

  答:半导体价带被填满,而导带被空穴填满。受到激发时,电子能够从导带的低能级跃迁到高能级,形成导电现象。导体价带被填满,而最外层电子为自由电子,填充导带,且金属的禁带宽度小于半导体的,因此电子可以从能级比较低的导带跃迁到能级比较高的导带,形成导电现象。

  4、 什么是本征半导体?什么是掺杂半导体?各有什么特点?

  答:本征半导体即不含任何杂质的纯净半导体,其纯度在99.999999%以上。特点:价电子不易挣脱原子核束缚而成为自由电子,本征半导体导电能力较差,空穴与电子是成对出现。 当半导体被掺入杂质时,半导体变成非本征的,也称杂质半导体,特点:半导体导电性大大增强。

  5、 请以硅为例,叙述本征半导体的导电过程

  答:从外界获得能量,价电子就会挣脱共价键的束缚成为自由电子,在共价键中留下一个 “空穴”。同时,这个自由电子又会去填补其它空穴。电子填补空穴的运动相当于带正电荷的空穴在运动。空穴越多,半导体的载流子数目就越多,因此形成的电流就越大。

  6、 掺杂半导体根据掺杂类型不同又分为哪两种?

  答:N型半导体与P型型半导体。

  7、 什么是p型半导体?什么是n型半导体?

  答:在本征半导体中加入5价元素如磷形成n型半导体,电子导电为主。如果加入3价元素如硼形成p型半导体,以空穴导电为主。

  8、 p型与n型半导体杂质能级分布是什么样的?

  答:P型半导体的杂质能级靠近价带,n型半导体的杂质能级靠近导带,非简并半导体其杂质能级位于导带和价带之间。

  9、 pn结是如何形成的?它的V-I特性是怎样的?

  答: p型半导体和n型半导体接触后,N区的电子要向P区扩散,而P的空穴也要向N区扩散,两种半导体交界处两边的载流子减少,而剩下不可移动的杂质离子形成空间电荷区,形成内建电场阻止载流子继续扩散,达到动态平衡形成Pn结。

  10、半导体的电导率受哪些因素影响?是如何影响的?

  答:掺杂浓度掺杂越高,载流子浓度越大,电导率越大,电阻率越小。对本征半导体来说,温度升高,载流子浓度增加,电导率增加,电阻率下降,对非本征半导体,在低温区与温度成3/2次方,在饱和区与温度成-3/2次方。

  11、第一代、第二代、第三代半导体分别是什么?它们各有什么特点?

  答:第一代半导体:元素半导体 ,如Si,Ge。应用较广,器件频率较低。第二代半导体:化合物半导体,以砷化镓、磷化铟和氮化镓等为代表,包括许多其它III-V族化合物半导体,应用较广。第三代半导体:宽禁带半导体,金刚石、SiC、GaN和AlN,禁带宽度在 2 eV 以上,拥有一系列优异的物理和化学性能。

  12、什么是压电效应?正压电效应?逆压电效应?

  答:压电效应是指某些物质能将电能转化为机械能或者能将机械能转化为电能的现象。正压电效应:某些物质沿其一定的方向施加压力或拉力时,随着形变的产生,会在其某两个相对的表面产生符号相反的电荷,当外力去掉形变消失后,又重新回到不带电的状态。逆压电效应:在极化方向上施加电场,它又会产生机械形变的现象。

  13、压电材料可分为哪三类?

  答:(1)压电晶体;(2)经过极化处理的压电陶瓷;(3)高分子压电材料。

  14、请举例说明压电效应的应用。

  答:玻璃破碎报警器,压电加速度传感器,压电打火。

  15、介电材料、压电材料、热释电材料、铁电材料存在怎样的包含关系?

  答:介电体包括压电体包括热释电体包括铁电体

  16、超导现象及其特性

  超导现象是指材料在低于某一温度时,电阻变为零的现象,而这一温度称为超导转变温度(Tc)。超导现象的特征是零电阻和完全抗磁性。

  零电阻性:超导材料处于超导态时电阻为零,能够无损耗地传输电能。

  完全抗磁性:超导材料处于超导态时,只要外加磁场不超过一定值,磁力线不能透

  入,超导材料内的磁场恒为零。

  约瑟夫森效应:两超导材料之间有一薄绝缘层(厚度约1nm)而形成低电阻连接时,

  会有电子对穿过绝缘层形成电流,而绝缘层两侧没有电压,即绝缘层也成了超导体

  17、常用的超导材料有哪些?

  元素超导体:

  常压下,在目前所能达到的低温范围内,已发现具有超导电性的金属元素有28种。其中过渡族元素18种,如Ti、V、Zr、Nb、Mo、Ta(钽)、W等;非过渡族元素10种,如Bi、Al、Sn、Pb等。按临界温度高低排列,Nb居首位,Tc=9.24K;其次是元素Tc锝(De第一个人工合成的),Tc=7.8K;第三是Pb,Tc=7.197K;第四是La,Tc=6.00K。研究发现,在施以30GPa压力的条件下,超导元素的最高临界温度可达13K。 元素超导体除V、Nb、Ta以外均属于第一类超导体,很难实用化。

  合金超导体:Nb-Zr、Nb-Ti、Nb-40Zr-10Ti、Nb-Ti-Ta

  金属间化合物超导体:化合物超导体与合金超导体相比,临界温度和临界磁场(Hc2)

  都较高。一般超过10T的超导磁体只能用化合物系超导材料制造。如Nb3Sn、V3Ga、Nb3Ge、Nb3Al,Nb3(AlGe)等。

  陶瓷超导体:镧系高温超导陶瓷:以La2CuO3为代表; 钇系高温超导陶瓷:以

  YBa2Cu2Oy为代表; 铋系高温超导陶瓷:以Bi-Sr-Cu-O为代表; 铊系高温超导陶瓷:以Tl-Ba-Ca-Cu-O为代表

  18、举例说明超导材料的应用(至少举出3个)

  19、什么是激光?激光的特性?

  答:原意表示光的放大及其放大的方式,现在用作由特殊振荡器发出的品质好、具有特定频率的光波之意。

  特性:相干性好,所有发射的光具有相同的相位;单色性纯,因为光学共振腔被调谐到某一特定频率后,其他频率的光受到相消干涉;方向性好,光腔中不调制的偏离轴向的辐射经过几次反射后被逸散掉;亮度高,激光脉冲有巨大的亮度,激光焦点处的辐射亮度比普通光高108~1010倍。

  20、常用的激光材料有哪些?

  21、影响发光强度因素是什么?

  答:晶体结构、激活剂、激发源类型、杂质种类、温度、使用环境气氛

  22、为什么发光材料中一般含有的金属原子是Fe.Co.Ni等?

  答:因为这些原子含有d轨道,d电子数目较多,能级丰富,能级间隙小,发光波长长。

  23、红外材料

  答:是指与红外线的辐射、吸收、透射和探测等相关的一些材料。红外线的辐射起源于分子的振动和转动,而分子振动和转动起源于温度。它本质上和可见光一样是一种电磁波,波长在0.76~1000um之间。

  24、热平衡辐射体

  答:是当一个物体向周围发射辐射时,同时也吸收周围物体所发射的辐射能量,当物体与外界进行能量交换慢到使物体在任何短时间内仍保持确定温度时,该过程可以看作是平衡。

  25、智能材料(intelligent marerials;简称IM)

  答:是指对环境可感知、响应和处理后,能适应环境的材料。它是一种融材料技术和信息技术于一体的新概念功能材料。智能材料应同时具备传感(sensing)、处理(processing)和执行(actuation)三种基本功能。

  26、氢能的特点及储氢方法

  答:氢能是人类未来的理想能源。氢能具有热值高,如燃烧1kg氢可发热1.2×106kJ,相当于3kg汽油或4.5kg焦炭的发热量;资源丰富,地球表面有丰富的水资源,水中含氢量达11.1%;干净、无毒,燃烧后生成水,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世界各国特别关注的科技领域。

  27、储氢方法可分为物理法和化学法。

  答:所谓物理方法储氢是指储氢物质和氢分子之间只有纯粹的物理作用或物理吸附。而化学法储氢则是储氢物质和氢分子之间发生化学反应、生成新的化合物,具有吸收或释放氢的特性。物理储氢技术又分高压压缩储氢、深冷液化储氢、活性炭吸附储气等;化学储氢技术包括金属氢化物储氢、无机化合物储氢、有机液态氢化物储氢等。

  28、实用储氢合金应满足那些要求?

  答:理论上,能够在一定温度、压力下与氢形成氢化物并且具有可逆反应的金属或合金都可以作为储氢材料。但是,要使储氢合金材料达到实用的目的,必须满足下列要求。

  (1)储氢最大,能量密度高。不同金属或合金的储氢量差别很大,一般认为可逆吸氢量不少丁150m1/g为好。

  (2)吸氢和放氢速度快。吸氢过程中,氢分子在金属表面分解为氢原子,然后氢原子向金属内部扩散,金属氢化物的相转变,这些步骤都直接影响吸收氢的速率和金属氢化物的稳定性。

  (3)氢化物生成热小。储氢合金用来吸收氢时生成热要小,一般在-29—46kJ/mol H2为宜。

  (4)分解压适中。在室温附近,具有适当的分解压(0.1—1MPa)。若分解压过高,则吸氢时充氢压力较高,需要使用耐高压容器。若分解压<0.1MPa,则必须加热才能释放氢,需要消耗能源。同时,其P—C— T曲线应有较平坦和较宽的平衡压平台区,在这个区域内稍微改变压力,就能吸收或释放较多的氢气。

  (5)容易活化。储复合金第一次与氢反应称为活化处理,活化的难易直接影响储复合金的实用价值。它与活化处理的温度、氢气压及其纯度等因素有关。

  (6)化学稳定性好,经反复吸、放氢,材料性能不衰减,对氢气中所含的杂质(如O2、CO、CI2、H 2S、H2O等)敏感性小,抗中毒能力强,即使有衰减现象,经再生处理后,也能恢复到原来的水平,因而使用寿命长。

  (7)在储存与运输中安全、无害。

  (8)原料来源广、成本价廉。

  前研究并发和投入应用的.金属氢化物还没有一种完全具备上述特征,只能择重而取。

  29、形状记忆效应及其三种类型(画图说明)

  具有一定形状的固体材料,在某一低温状态下经过塑性变形后,通过加热到这种材料固有的某一临界温度以上时,材料又恢复到初始形状的现象,称为形状记忆效应。具有形状记忆效应的材料称为形状记忆材料。

  形状记忆效应可分为三种类型:单程形状记忆效应、双程形状记忆效应和全程形状记忆效应。所谓单程形状记忆效应就是材料在高温下制成某种形状,在低温时将其任意变形,再加热时恢复为高温相形状,而重新冷却时却不能恢复低温相时的形状。若加热时恢复高温相时的形状,冷却时恢复低温相形状,即通过温度升降自发可逆的反复恢复高低温相形状的现象称为双程形状记忆效应。当加热时恢复高温相形状,冷却时变为形状相同而取向相反的高温相形状的现象称为全程形状记忆效应。

  30、形状记忆合金必须具备的条件及分类

  合金呈现形状记忆效应必须具备如下条件:

  (1)马氏体相变是热弹性的;

  (2)母相与马氏体相呈现有序点阵结构;

  (3)马氏体内部是孪晶变形的;

  (4)相变时在晶体学上具有完全可逆性。

  按照合金组成和相变特征,具有较完全形状记忆效应的合金可分为三大系列:钛-镍系形状记忆合金,铜基系形状记忆合金和铁系形状记忆合金。

  31、形状记忆聚合物及其工作原理?

  辐射交联聚乙烯当温度超过熔点达到高弹性态区域时,施加外力随意改变其外形,降温冷却固定形状后,一旦再加热升温至熔点以上时,它又恢复到原来的形状,这就是形状记忆聚合物。

  高聚物的各种性能是其内部结构的本质反映,而聚合物的形状记忆功能是有其特殊的内部结构决定的。目前开发的形状记忆聚合物一般是有保持固定成品形状的固定相和在某种温度下能可逆的发生软化—硬化的可逆相组成。固定相的作用是初始形状的记忆和恢复,第二次变形和固定则是有可逆相来完成。固定相可以是聚合物的交联结构、部分结晶结构、聚合物的玻璃态或分子链的缠绕等。可逆相则为产生结晶与结晶熔融可逆变化的部分结晶相,或发生玻璃态与橡胶态可逆转变(玻璃化温度Tg)的相结构。

  篇三:功能材料导论试卷B

  一、名词解释(每题3分,共21分)

  1.铁电性:某些晶体在一定的温度范围内具有自发极化(其极化方向可以因外电场的反向而反向)晶体的这种性质称为铁电性。

  2.介电常数:介电常数是衡量电介质储存电荷能力的特征参数。

  3.超导体临界磁场Hc:超导电性可以被外加磁场所破坏。对于温度为T(T<Tc)的超导体,当外磁场超过某一数值Hc(T)的时候,超导电性就被破坏了,Hc(T)称为临界磁场。

  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.逆压电效应:在晶体上施加电场而引起介质极化时,如果产生了与电场强度成比例的变形或机械应力时,称其为负压电效应.

  6.快淬技术:它是将熔化的液态合金急速冷却至室温,制得非晶态或纳米晶态合金。

  7.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。

  二、填空题(每空1分,共37分)

  1.将超导体冷却到某一以下时电阻突然降为 的现象称为超导体的零电阻现象。

  2.制造透明陶瓷的关键是

  3.功能材料的表征方法有、、

  4.电热材料就是电流通过导体将

  5.热释电系数除与

  6.超导体有3个基本的临界参数分别是。

  7.在超导应用中,一般分为

  8.在原子系统中,在作用下,感生出与抗磁性。

  9.从铁氧体的性质和用途来看,可将其分为 和 铁氧体等五大类。

  10.黏接磁材的制备通常采用、 、、这四种工艺,其中前三种工艺采用,则主要采用热固性黏接剂。

  11.硅基材料太阳能电池按结晶状态可分为

  12.热电材料是一种能将和

  13.光功能材料包括、

  三、判断题(每小题1分,共7分)

  1.按致晶单元与高分子的连接方式,可分为主链型液晶和侧链型液晶。主链型液晶大多数为高强度、高模量的材料,侧链型液晶则大多数为功能性材料。()

  2.根据分离膜的分离原理和推动力的不同,可将其分为微孔膜、超过滤膜、反渗透膜、纳滤膜、渗析膜、电渗析膜、渗透蒸发膜等。()

  3.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。()

  4.与实用高温超导材料相比,低温超导材料的最大优势在于它可能应用于液氮温区。()

  5.硬磁铁氧体是铁氧体中发展最早的材料。()

  6.光生伏特效应是光照引起P-N结两端产生电动势的效应。()

  7.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。()

  四、简答题(每小题5分,共35分)

  1、怎样理解物质分子中无不成对电子时呈抗磁性?

  2.在介电陶瓷多晶体中,为什么说压电体也是铁电体,热释电体也是压电体。

  3.什么是超导材料?超导材料的两个基本特征?

  4.什么是正温度系数热电材料、负温度系数热电材料?

  5.简述什么是正压电效应?什么是逆压电效应?

  6.分析铁电体与反铁电体二者有何区别;为什么反铁电体可用来制作大功率储能电容器?

  7.简述形状记忆合金形状记忆过程。

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