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纳米材料与新材料(试卷A，开卷，标准答案)一、名词解释（每题4分，共20分）1、纳米材料：纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度(1-100nm)范围内，或它们作为基本单元构成的材料。2、库柏电子对：只要当两个电子有净的相互吸引作用时，不论这种吸引作用多么弱，它们都会在费米面附近形成一个动量大小相等、方向相反、且自旋相反的两电子束缚态。它们通过交换声子吸引在一起，两个电子的总能量低于费米能级2EF，它们的吸引作用可能超过电子之间的库仑排斥作用，表现为净的相互吸引作用，这样的两个电子的束缚态称为库柏电子对。3、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。4、梯度功能材料：梯度功能材料(FGM)是一种集各种组分(如金属、陶瓷、纤维、聚合物等)于一体的新型复合材料，其结构、物性参数和物理、化学、生物等单一或综合性能都呈连续变化，以适应不同环境，实现某一特殊功能。5、马氏体相变：替换原子经无扩散位移(均匀和不均匀形变)，由此产生形状改变和表面浮凸，呈现不变平面应变特征的形核长大型相变二、填空（每题2分，共10分）1、10Å=1nm=10-9m；106fs(飞秒)=1ns(纳秒)=10-9s。2、最早的人工纳米材料是碳黑，纳米概念是有科学家理查德·费曼首次提出。3、太阳能电池可利用光伏效应进行发电，可以产生这种效应的通常是半导体材料。4、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。5、超导材料的三个临界条件是临界转变温度、临界磁场和临界电流三、辨析，先判断正误，再说明原因（每题5分，共25分）（论题错误，判断正确２分，说明原因３分；论题正确，判断正确可以考虑给全分）1、只有平均粒径在100nm以下的材料才称为纳米材料答：错。纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度(1-100nm)范围内，平均粒径在100nm以下的材料是零维纳米材料，空间中有二维或者一维尺寸处于纳米范围的材料，如纳米线、纳米棒、纳米薄膜等也是纳米材料。2、超导材料必须把磁场线完全排斥在体外才具有超导效应。答：错。超导材料可分为第一类超导体和第二类超导体。在第二类超导体中，如果外加磁场小于下临界场时，材料完全排斥磁场线，呈现出超导效应；如果外加磁场小于上临界场而大于下临界场，超导体的上下表层将有磁场线通过，但磁力线被钉扎。材料内既有超导部分，又有正常部分，处于混合态，电流只在超导部分通过，使材料呈现出超导效应。3、非晶合金具有稳定的结构特性答：错。非晶合金是一类具有亚稳态结构的材料，当加热温度超过一定值后就会发生稳定化转变，在低温加热时发生结构弛豫，在高温加热时发生晶化转变。4、液晶材料的光学性能十分容易改变。答：对。在分子序列中，液晶分子往往具有和一维和二维远程有序性，介于理想的液体和晶体之间。液晶的流动性表明液晶分子之间的作用力是微弱的，要改变液晶分子取向排列所需的外力很小；而且液晶分子结构决定液晶具有较强的各向异性物理性能，稍微改变液晶分子取向，就能明显改变液晶的光学和电学性能。5四、问答（每题１０分，共30分）1、简述纳米材料的特殊效应答：纳米材料具有以下特殊效应：1）表面效应：纳米微粒表面原子数与总原子之比随纳米粒子尺寸的减小而大幅度地增加，粒子的表面能及表面张力也随着增加，从而引起纳米粒子性质变化的现象。（２分）2）小尺寸效应：当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏；纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小，导致材料的声、光、电、磁、热力学等物性呈现变化的现象。（３分）3）量子尺寸效应：当粒子尺寸下降到某一值时．费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象，以及纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级，这种能隙变宽现象均称为量子尺寸效应。（３分）4）宏观量子隧道效应：微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。（２分）2、超导电性量子理论的主要内容答：当温度下降到超导临界温度以下时，自由电子不能完全无序地运动，由于晶格的振动作用，有一部分电子会两两凝聚成成库柏电子对(2分)。电子对中的一个电子即使受到晶格振动或杂质碰撞的阻碍，电子对中的另一个电子也能起到调节作用，即另一个电子获得的动量和能量和第一个电子损失的动量和能量相同，电子对的总动量保持不变。组成库柏对的电子虽然也不断地被散射，但这不影响库柏对的质心动量，电子对的能量没有损失，是无阻尼散射。所以有电流通过超导体时库珀对的定向匀速运动不受阻碍，即电子对不受晶格散射的影响，宏观上表现出直流电阻为零(5分)。温度越低，库柏对越多，电子对结合越牢固，当温度升高，出现不成对的单个激发电子，而电子对也因受热影响而遭到破坏。直到临界温度，电子对全部拆散成单个的正常电子，超导变成常导。(3分0或者按以下回答：超导电性来源于电子间通过声子做媒介所产生的相互吸引作用，当这种作用超过电子间的库仑排斥作用时，电子会形成束缚对，即库柏对，从而导致超导电性的出现，库柏对会导致能隙存在，超导临界场、热力学性质和大多数电磁学性质都是这种库柏对的结果，元素和合金的超导转变温度与费米面福建的电子能态密度N（Ep）和电子声子相互作用能U有关，可用电阻率来估计。3、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。（１分）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。（１分）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（１分）。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。（２分）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％。（２分）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。（２分）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。（１分）。五、形状记忆现象、形状记忆合金应该具备的条件，以及形状记忆的本质及其应用。形状记忆现象可分为三种：（3分）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。形状记忆合金本质：（4分）在一定范围内发生塑性变形后，经过加热到某一温度之上，能够恢复变形，其实质是热弹性马氏体相变。形状记忆合金低温相为马氏体，高温相为奥氏体。冷却过程中，母相会转变为孪晶马氏体，该马氏体在外应力下容易变形成某一特定形状；加热时，已发生形变的马氏体会回到原来的奥氏体状态。温度的升降可以引起热弹马氏体消长，外加应力同样也可以引起马氏体消长。这样形成的马氏体叫应力诱发马氏体，随应力增加或减小，马氏体也相应长大或缩小。Af温度以上的马氏体只在应力作用下稳定，若合金在Af以上进行拉伸，应力除去后，由于应力诱发马氏体当即逆转变为稳定的母相，相变引起的变形即行消失。这种不通过加热即恢复到原先形状的形变称为相变伪弹性。就形状记忆而言，试样在As点以下受到的应变—且加热到Af点以上即可消失；就相变伪弹性而言，在Af点以上试样受到的应变一旦卸载即可消失。这两种形状恢复的起因都在于逆相变，因此本质上两者是同一现象，只不过诱发逆相变的方法不同而已。形状记忆合金要具有形状记忆效应，应具备下列条件（6分）(1)马氏体相变是热弹性；(2)母相和马氏体呈现有序的点阵结构；(3)马氏体点阵的不变切变为孪生，亚结构只能由孪晶和层错组成；(4)马氏体相变在晶体学上是可逆的。出现热弹马氏体相变的条件是母相与马氏体的比容差小，母相的弹性极限高，以保证不破坏母相与新相之间的共格联系；母相有序化程度高，原子排列规律性强，共格性容易维持。因而热弹性马氏体相变确保了新相在加热条件下容易向母相转变。马氏体属于对称性低的点阵结构，面母相晶体为对称性较高的立方点阵结构，并且大都是有序的。有序点阵结构使母相的晶体位向自动得到保存。两相之间的点阵对应关系单一，且相变时点阵应变非常小，逆相变时必然选取原位向的母相；而且有序化材料有较高的弹性极限，热弹性马氏体相变产生的小尺度畸变不会超过弹性极限，就会使逆相变过程中母相和马氏体界面保持弹性共格(即两相界面上的原子排列相近)，为逆相变时重新构成原母相结构提供有利条件。如果马氏体内的亚结构是孪晶或层错，则相邻的不同取向的马氏体之间将呈孪晶关系。在外力作用下发生转变，得到的将是择优取向的马氏体，通过孪晶界面的移动，使某一取向的马氏体长大，而使其它不利取向的马氏体缩小。这保证了马氏体变形时不会出现太多的母相等效晶体位向。而且由于马氏体晶体的对称性低，因此逆相变时马氏体中只形成几个母相的等效晶体位向，甚至只形成一个母相的原来位向；并且，马氏体和母相之间具有特定的对应关系，只有特定取向的母相晶核才能不断长大，所以形成单一母相原来位向的倾向很大，使马氏体完全恢复了原来母相的晶体，宏观变形也完全回复。所谓晶体学上相变可逆性，是指通过逆相变不仅在晶体结构上而且在晶体位向上都能恢复到相变前的母相状态。而相变晶体学上的可逆性可通过有序点阵的形成自动得到保障。因而，晶体学上的可逆性保证逆相变后形成有序性很高的原母相晶体，宏观变形也完全恢复。以上条件是根据早期的形状记忆材料的特征而提出，现在随着形状记忆材料研究的不断深入，发现不完全具备上述条件的合金也可以显示形状记忆效应。如Fe-Mn-Si合金马氏体相变是半热弹性的。形状记忆合金的应用（2分）在工业上可以应用为宇航天线、连接件和紧固件、智能机器人、能量转换热机、保险器和继电器。在医学上可以应用为牙齿矫形丝、牙根种植体、Ω形脊柱人造关节、脊柱侧弯矫形用哈伦顿棒、聚髌器、髓内针和髓内钉、锯齿臂环抱内固定器、人工心脏用人造肌肉、血栓过滤器、NiTi合金支架等。在日常生活中可以应用为空调百叶板、自动干燥箱、路灯等。