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材料概论思考题（1）何谓材料？材料的三个判据的内涵是什么？材料是指人类社会可接受而又能经济地用以制造生活和生产所需的物品、器件、构件、机器和其他产品的物质。材料的三个判据是指：（1）“人类社会所能够接受的”（2）“可经济地”（3）“制造有用物件”，要详细解释其内涵。战略判据：要求材料是为人类社会可接受的，涉及资源、能源、环保等；经济判据：要求经济效益、社会效益；质量判据：旨在制造有用器件，涉及工艺及使用性能等。上列三个战略判据可以是伦理的、法律的，有时可转化为经济的。（1）“物美价廉”，它们分别对应于质量和经济判据。（2）对于信息技术、物理场的附加、工艺流程的改造、自动控制等的高新技术的应用，都应有反复的综合的技术和经济评价，以便抉择。（3）“循环经济”则体现了材料的经济判据和战略判据。重要意义：上列三个判据是判断物质是否属于材料的根本依据。（2）举例说明现代生活中玻璃材料的应用领域，并根据自己掌握的知识点做简单分析说明（应用原理或利用了玻璃的那些性能等）。LOWE玻璃、玻璃器皿、平板显示器、光学纤维等。主要原理可以根据案例进行解释：光的吸收或通过、玻璃的通性等来解释）(3)分析讨论材料与社会可持续发展的辩证关系从材料的制备原料的来源，资源的消耗、固废利用、人类社会和谐发展等方面阐述。（4）为什么说材料学科是一门基础性、应用性和实践性很强的基础应用学科？学科的基础性：与数学、化学、物理、力学、生物等基础学科密切相关；学科的应用性：社会时代的发展与材料学科密切相关；学科的实践性：材料学科是一门实验性科学，创新型人才培养的重要突破口、切入点。(5)材料的热电性能(ZT)由哪些性质决定，表达式如何，各自的物理意义是什么？热电材料是一种功能材料，具有交叉耦合的热电输送性质，可以实现在固体状态下热能和电能的直接相互转换,ZT=a2*σ*T/k如上式，ZT值主要由三个参数来表征，要求具有高的Seebeck系数(a)和电导率(σ)、低的热导率(k).。这三个参数都与材料的能带结构相关，相互牵制。从而，积极寻找三者平衡，开拓科学视野寻找新体系，新方法，新的理论思路，并积极获取实验反馈是使热电优值不断提高的途径。(6)通常有哪些途径可以提高材料的热电性能？①采用重费米子半导体材料。因为：这种材料的有效质量比普通的半导体材料更大。②制备电负性差异较小的化合物材料。材料的电负性差异越小，其迁移率与有效质量之积一般也越大，因此可望具有较高的热电优值。③制备晶体结构中具有较大孔隙的热电材料，并填入质量较大尺寸合适的原子于孔隙中，由于原子在孔隙内可以振动，从而提高材料对声子散射的能力，使晶格热导率明显降低。④采用单胞中含有较大原子数的高对称性复杂晶体结构材料，这种结构对声子的散射能力较强，且具有较大的简并度。可以通过不同材料间形成固溶体或掺杂的办法使材料的晶体结构更复杂，就可以在获得最佳载流子浓度的同时增加点缺陷来对声于散射，进一步降低热导率。⑤采用平均原子量较大的化合物，因为较大的原子质量可以降低原子的振动频率，从而降低声子热导率。如Bi2Te3基和PbTe基半导体热电材料。⑥制备超细晶或纳米材料。降低热导率非常有效的方式之一是晶界散射，所以制备亚微米或纳米晶粒尺寸材料可以降低热导率，从而可以提高材料的热电性能。⑦采用异质结构材料（超晶格材料或梯度热电材料）。如Bi2Te3/Sb2Te3超晶格材料在室温时的ZmT=2.4。所以，这类材料具有潜在的巨大优势。(7)热电能源转换典型用于哪些方面应用？热电转换技术是基于热电材料的效应来实现热能与电能在固体状态下直接相互转换的一项技术，它可以将热能（包括地热、风能、太阳能和工业余热等）转换成电能。目前，热电转换技术主要是应用在一些高技术领域，比如通信技术中光纤接口处的精确温控就是利用了热电致冷技术；微波通信技术中处于极地、沙漠、森林等无人地区的微波中继站的电源多数使用了热电发电技术。此外，诸如垃圾焚烧余热、炼钢厂的废热发电的研究也正在开展，并且有了一些应用，相信在不久的将来就能大规模地投入使用。科学家们一直在努力将热电转换技术应用于新型环保型汽车，利用汽车尾气的废热以及发动机的余热进行热电发电，为汽车提供辅助电源。另外，也可以将热电致冷技术应用在汽车座椅的温控(图4)以及汽车辅助空调等。利用热电转换技术，一枚硬币大小的放射性同位素热源就能够提供长达二十年以上的连续不断的电能，这是其它任何一种能源技术所不能比拟的。美国登月计划中“阿波罗”17号飞船就是使用了热电转换技术提供的电源从月球表面向地球成功地传送了数据.（8）功能陶瓷都有哪些类别？（提示：按照功能分：半导体陶瓷、电介质陶瓷、光学陶瓷）（9）试简述一种功能陶瓷（半导体陶瓷、电介质陶瓷、光学陶瓷）器件的基本原理和应用？PTC是一种具有正温度系数的半导体陶瓷元件。其主要代表材料有钛酸钡系列。它是有机化合物。经模压、高温烧结而制作成各种形状与规格的发热元件。PTC元件在应用时，只要在两个片端加上交流或直流电源，就可以获得额定的发热温度。①PTC恒温型电熨斗中的电热元件为PTC元件它是由10片PTC元件并联组成。由于采用了PTC电热元件；该电熨斗突出优点是：利用PTC元件特性。使电热元件本身有自动调温控制功能：由于PTC元件的阻值仅与温度有关，故受电源电压波动的影响小；使用安全可靠，工作寿命长。②PTC自动恒温式电饭锅由于用PTC元件替代了自动恒温式电饭锅中的双金属恒温控制开关。运用PTC元件的正温度系数特性来控制电饭锅保温过程中流过加热器的电流，较方便地实现了电饭锅的恒温控制。该电饭锅的突出特点就是恒温控制精度高。使用寿命较长（10）什么是混凝土？混凝土，简称为“砼（tóng）”：是指由胶凝材料将集料胶结成整体的工程复合材料的统称。通常讲的混凝土一词是指用水泥作胶凝材料，砂、石作集料；与水（可含外加剂和掺合料）按一定比例配合，经搅拌而得的水泥混凝土，也称普通混凝土，它广泛应用于土木工程。（11）从不同角度来分类，混凝土可分为哪几类？按胶凝材料种类：1)无机胶凝材料混凝土2)有机胶凝材料混凝土按表观密度：重混凝土、普通混凝土、轻质混凝土按定额：普通混凝土抗冻混凝土按使用功能：结构混凝土、保温混凝土、装饰混凝土、防水混凝土、耐火混凝土、水工混凝土、海工混凝土、道路混凝土、防辐射混凝土等。按施工工艺：离心混凝土、真空混凝土、灌浆混凝土、喷射混凝土、碾压混凝土、挤压混凝土、泵送混凝土等。按配筋方式分有：素(即无筋)混凝土、钢筋混凝土、钢丝网水泥、纤维混凝土、预应力混凝土等。按拌合物：干硬性混凝土、半干硬性混凝土、塑性混凝土、流动性混凝土、高流动性混凝土、流态混凝土等。按掺和料：粉煤灰混凝土、硅灰混凝土、矿渣混凝土、纤维混凝土等。按抗压强度分为：低强混凝土、中强度混凝土和高强度混凝土；按每立方米水泥用量又可分为：贫混凝土和富混凝土等。（12）什么是混凝土艺术？建筑的美学特征需符合实用、坚固和美观三个原则，只有把建筑的实用和审美结合起来才能实现具有好的艺术性和技术性的建筑作品。而建筑美的形式有赖于建筑材料本身的物理特性和潜在规律去实现，这也是材料力学特征规律的合理表现，建筑的“美”就是这种逻辑关系的统一。而混凝土所具有的自重大、可塑性强的特点，也使其在结构、形体、空间、材质及色彩方面具有非凡的艺术表现力。（13）可再生能源的主要缺陷是什么？如何克服？可再生能源的主要缺陷是波动性和间断性，无法满足持续稳定的能源需求。可采用储能技术克服。（14）储能包括哪两大类?它们又可细分为那些小类？储能包括储热和储电两大类。储热包括显热、相变潜热和化学蓄热。储电包括抽水蓄能、储氢、二次电池、飞轮、压缩空气、超级电容器、超导等。（15）与显热蓄热材料相比，相变材料有什么优点？储放热基本上在一个恒定的温度上；储热密度高。（16）相变材料的缺点是什么，如何克服？某些相变材料在放热时存在比较严重的过冷问题，可采用成核剂克服；某些相变材料在长期使用过程中会出现分层，从而导致相变性能下降问题，可采用增稠剂克服。（17）化学蓄热的基本原理和优点？化学蓄热是利用化学反应过程中的吸热和放热实现热量的储存和释放，优点：蓄热密度非常高、可长时间储存热量，蓄热温度高等（18）写出有机半导体的优点和缺点各2个。优点：柔性可弯曲，轻，可用溶液法制备成膜，可大面积成膜，低成本，可化学修饰，开关闭高等；缺点：迁移率低，稳定性差，使用寿命短(19)有机半导体主要用于哪3种有机电子器件?有机发光二极管（OLED）有机光伏电池（OPC）有机场效应晶体管（OFET）有机传感器(20)半导体迁移率如何定义？常用单位是什么？m为载流子的迁移率，它是在单位电场强度下载流子的运动速度，单位为cm2/V.(21)前线轨道理论中，HOMO和LUMO的中英文全称LUMO:LowestUnoccupiedMolecularOrbital，未占有电子的能级最低的轨道称为最低未占轨道。HOMO:HighestOccupiedMolecularOrbital，已占有电子的能级最高的轨道称为最高已占轨道。LUMO和HOMO统称为前线轨道。(22)举例说明高分子材料在日常生活中的应用。并列举三种通用塑料或工程塑料的名称及其英文缩写。(23)举例说明金属材料、无机材料和高分子材料（含复合材料）、纳米材料领域的国际著名期刊有哪些（英文期刊需要用英文名全称，上述四个领域至少各举例一项）？（24）什么是纳米材料？请解释自下而上（top-down）和自下而上（bottom-up）的纳米材料制备方法。1.纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10~100个原子紧密排列在一起的尺度。2.（25）举出至少一个与纳米技术/纳米材料相关的诺贝尔奖。1.斯莫利他一生最重要的科研成果就是发现了“足球碳”，凭借这一巨大的科技发现，他获得了1996年诺贝尔化学奖。目前，科研人员公认，“足球碳”的发现是现代纳米技术发展的开端。2.德国科学家鲁斯卡、比尼格、瑞士科学家罗勒因研制出扫描式隧道效应显微镜而共同获得诺贝尔物理学奖。（26）请描述一种自然界中的复合材料，并请说明其特性。珍珠是由碳酸钙和蛋白质组成的，因而其具有碳酸钙的高强度与蛋白质的高韧性的特点，其核心部分是碳酸钙，外围包着一层蛋白质，因而其外表十分光滑。（27）请说说你对材料领域中的“复合思想”的理解。每个科学技术上的创新都是：利用现有资源去创造实现旧元素出现新组合的过程，这就是复合思想。材料的复合思想源于单一材料无法满足人们日益增长的对材料结构功能特性的要求。复合材料是将两种或多种单一材料通过复合工艺形成的，最终目的是达到功能复合，能保留原组成原料的特性，并通过复合效应得到原来所不具有的更为优越的新性能。用复合的思想和性质去进行材料科学的创新、简化问题的复杂性、将原料进行优化组合以寻求新的发展的策略将是材料发展的基本趋势。(28)波音公司工程师说：“787飞机的结构就是一个庞大的巨分子，所有部件都是通过碳纤增强的交联化学键连接在一起”。你是如何理解这句话的？波音787中复合材料的含量达50%以上，复合材料中以碳纤维为主，碳纤维是由一个个的碳原子组成的，碳纤维又与其他材料以交联化学键连接，所以整个飞机其实都是由化学键连接在一起的，所以说波音787的结构就是一个庞大的巨分子。（29）汽车复合材料主要使用的成型工艺有哪些？使用复合材料后产生的优势有哪些？1.工艺：喷射成型工艺、手糊成型工艺、树脂传递模塑成型工艺（RTM成型工艺）、模压成型工艺、LFT-D成型工艺、纤维缠绕成型工艺、2.优势：（1）减轻汽车重量，提高燃油经济性。(2)可设计性强。零部件一体化，减少了开发周期。(3)耐冲击性好，适合汽车安全性的要求。(4)优良的耐腐蚀性和耐化学药品性，保证了汽车全天候的需求投资小、更新快、维护成本低。（30）请谈谈您对“材料概论”课程学习的体会和建议。