材料常考大題之答案

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1、材料科學(xué)與工程的定義及特點(diǎn)。 材料科學(xué)與工程就是研究有關(guān)材料組成, 結(jié)構(gòu), 制備工藝流程與材料性能與用途的關(guān)系的知識。 材料科學(xué)與工程的特點(diǎn)： （1）1多學(xué)科交叉材料科學(xué)與工程與物理學(xué),化學(xué),冶金學(xué),金屬學(xué),陶瓷學(xué),計算數(shù)學(xué)等多學(xué)科交叉和結(jié)合的特點(diǎn). （2）具有鮮明的工程性材料科學(xué)是面向?qū)嶋H,為經(jīng)濟(jì)建設(shè)服務(wù)的,是一門應(yīng)用科學(xué). 實(shí)驗(yàn)室里的研究成果必須通過工程研究開發(fā)以確定合理的工藝流程,最后批量生產(chǎn)出符合要求的工程材料. （3）處于發(fā)展中的學(xué)科材料科學(xué)沒有象力學(xué),電學(xué)那樣完整的學(xué)科體系,是一門處于不斷發(fā)展之中的學(xué)科. 2、什么是材料科學(xué)與工程的四要素？材料科學(xué)有哪三個重要屬性？ 其四要素為：組成與結(jié)構(gòu),合成與生產(chǎn)過程, 性能, 使用效能。 三屬性為：（1）多學(xué)科交叉材料科學(xué)與工程與物理學(xué),化學(xué),冶金學(xué),金屬學(xué),陶瓷學(xué),計算數(shù)學(xué)等多學(xué)科交叉和結(jié)合的特點(diǎn). （2）具有鮮明的工程性材料科學(xué)是面向?qū)嶋H,為經(jīng)濟(jì)建設(shè)服務(wù)的,是一門應(yīng)用科學(xué). 實(shí)驗(yàn)室里的研究成果必須通過工程研究開發(fā)以確定合理的工藝流程,最后批量生產(chǎn)出符合要求的工程材料. （3）處于發(fā)展中的學(xué)科材料科學(xué)沒有象力學(xué),電學(xué)那樣完整的學(xué)科體系,是一門處于不斷發(fā)展之中的學(xué)科. 3、何謂材料科學(xué)的六面觀？并敘述一下現(xiàn)代的材料觀？ 答：材料六面觀包括：組成，結(jié)構(gòu)，性能，加工與合成，使用，環(huán)境 這個題目考你對材料的各個相關(guān)因素之間相互影響的理解了，其實(shí)一點(diǎn)就是內(nèi)因?yàn)橹?，外因?yàn)檩o，但是也很重要。 4、材料的分類 3大材料及其分類，這個很多材料專業(yè)課本上有講，自己歸納下。 5、材料從物理化學(xué)屬性分，可分為金屬材料、無機(jī)非金屬材料、有機(jī)高分子材料和不同類型的材料組成的復(fù)合材料。請任選二種材料說明其結(jié)構(gòu)、性能特點(diǎn)和發(fā)展方向？ 這個題同第4題，答案在專業(yè)課本上都有 6、材料在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的地位和作用。 這個可以結(jié)合一些網(wǎng)上資料和專業(yè)課本的前言緒論部分綜合整理 7、結(jié)合自己所學(xué)專業(yè)，敘述二個本專業(yè)的研究熱點(diǎn)問題。 答:比如隱身材料的吸收一定范圍電磁波的研究 (1) 高性能納米結(jié)構(gòu)材料的合成 對納米結(jié)構(gòu)的金屬和合金重點(diǎn)放在大幅度提高材料的強(qiáng)度和硬度,利用納米顆粒小尺寸效應(yīng)所造成的無位錯密度區(qū)域使其達(dá)到高硬度,高強(qiáng)度.納米結(jié)構(gòu)銅或銀的塊體材料的硬度比常規(guī)材料高50倍,屈服強(qiáng)度高12倍;對納米陶瓷材料,著重提高斷裂韌性,降低脆性,納米結(jié)構(gòu)碳化硅的斷裂韌性比常規(guī)材料提高100倍,n-ZrO2+Al2O3,n-SiO2+Al2O3的復(fù) 合材料,斷裂韌性比常規(guī)材料提高4-5倍,原因是這類納米陶瓷龐大體積百分?jǐn)?shù)的界面提供了高擴(kuò)散的通道,擴(kuò)散蠕變大大改善了界面的脆性. (2)納米添加使傳統(tǒng)材料改性 高居里點(diǎn),低電阻的PTC陶瓷材料,添加少量納米二氧化銑可以降低燒結(jié)溫度,致密速度快,減少Pb的揮發(fā)量,大大改善了PTC陶瓷的性能;納米材料添加到塑料中使其抗老化能力增強(qiáng),壽命提高.添加到橡膠可以提高介電和耐磨特性;納米材料添加到其它材料中都可以根據(jù)需要,選擇適當(dāng)?shù)牟牧虾吞砑恿窟_(dá)到材料改性的目的,應(yīng)用前景廣闊. （3）燃料電池 近二,三十年來,由于一次能源的匱乏和環(huán)境保護(hù)的突出,要求開發(fā)利用新的清潔再生能源. (燃料電池由于具有能量轉(zhuǎn)化率高,對環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)受到世界各國的普遍重視) 燃料電池是一種將所提供燃料的化學(xué)能直接變換為電能的高效能量轉(zhuǎn)換裝置; 是既水力,火力,核力后的第四類發(fā)電技術(shù). 其特點(diǎn)有: 1.由于化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能,與普通發(fā)電方式相比,避免了能量形式的變化不受卡諾循環(huán)限制, 能量轉(zhuǎn)化效率高. 2.環(huán)保. 廢氣如SOx,NOx,CO2等的排放量極低. 此外,由于電池中無運(yùn)動部件,工作時非常安靜. 3.電池的本題的負(fù)荷反應(yīng)性能好,可靠性高。 （4）碳納米管 是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的一維量子材料(徑向尺寸為納米級,軸向尺寸為微米級). 它主要由六邊形排列的碳原子構(gòu)成數(shù)層到數(shù)十層的同軸圓管,層與層之間保持固定的距離. 作為一維納米材料,重量輕,六邊形結(jié)構(gòu)連接完美,具有許多異常的力學(xué),電學(xué)性能: 1力學(xué)性能其密度只有鋼的1/6,結(jié)構(gòu)與高分子材料相似,但抗拉強(qiáng)度極大,彈性模量達(dá)1TPa,用其增強(qiáng)的塑料力學(xué)性能優(yōu)良且抗疲勞,抗蠕變,形變小,滑動性能好. 2電學(xué)性能利用其結(jié)構(gòu)中空的特點(diǎn),可作為制造某些納米尺度金屬導(dǎo)線的模具. 有些管徑的碳納米管是性能優(yōu)于石墨材料的良好導(dǎo)體,另一些管徑可能是半導(dǎo)體. 3導(dǎo)熱性能其擁有非常大的長徑比,因而其沿長度方向的熱交換性能很高,垂直方向熱交換性能較低,故其可制成高各向異性熱傳導(dǎo)材料。 8、簡述你所熟悉的幾種有關(guān)材料的測試技術(shù)，并寫出其中一種測試技術(shù)的原理及解析方法。 一.電子探針EPMA 一般采用兩個磁透鏡聚焦,使入射電子束的直徑縮小到一微米以下,打到試樣由光學(xué)顯微鏡預(yù)先選好的待測點(diǎn)線面上,使這里的各種元素激發(fā)產(chǎn)生相應(yīng)的特征x射線譜,經(jīng)晶體展譜后由探測系統(tǒng)接收,從特征x射線譜的波長及強(qiáng)度可以測定待測點(diǎn)的元素及含量. 電子探針對微區(qū)、微粒和微量的成分具有分析元素范圍廣,靈敏度高,準(zhǔn)確快速和不損耗試樣等特點(diǎn).可以做定性、定量分析.因此,可用于各個領(lǐng)域. (1)冶金學(xué) 在冶煉和熱處理過程中,材料出現(xiàn)的大量顯微現(xiàn)象,如析出相、晶面偏析、夾雜物等,用電子探針可以對它們進(jìn)行直接分析，而不必把分析物從基體中取出來. (2)地質(zhì)和礦物學(xué) 電子探針在地質(zhì)礦物學(xué)中的應(yīng)用也非常廣泛.可用來分析顆粒較細(xì)的巖相組成和結(jié)構(gòu). (3)其他方面 電子探針常用來研究半導(dǎo)體以及分析空氣中的微粒物質(zhì).電子探針不損耗樣品,所以在考 古中也發(fā)揮很關(guān)鍵的作用.此外,在生物和醫(yī)學(xué)上也得到廣泛應(yīng)用. 二.差熱分析 差熱分析是在程序控制溫度下,測量物質(zhì)與參比物之間的溫度差與溫度關(guān)系的一種技術(shù). 差熱分析曲線是描述樣品與參比物之間的溫差(ΔT)隨溫度或時間的變化關(guān)系.在DTA試驗(yàn)中,樣品溫度的變化是由于相轉(zhuǎn)變或反應(yīng)的熱效應(yīng)引起的. 影響差熱分析的主要因素:1.氣氛和壓力的選擇.2.升溫速率的選擇.3.試樣的預(yù)處理及用量:一般盡可能減少用量,最多大至毫克.樣品的顆粒度在100目-200目左右.4.參比物的選擇:常用α-三氧化二鋁(Al2O3)或煅燒過的氧化鎂（MgO）或石英砂作參比物.5.紙速的選擇. 差熱分析主要應(yīng)用于高聚物的研究:1.測定高聚物的玻璃化轉(zhuǎn)變.2.高聚物在空氣和惰性氣體中的受熱情況.3.研究高聚物中單體含量對Tg的影響.4.共聚物結(jié)構(gòu)的研究.5.研究纖維的拉伸取向.等等.測熔點(diǎn)測相變溫度 三.XPS（X射線光電子能譜分析） 電子能譜是近幾十年發(fā)展起來的一種研究物質(zhì)表面性質(zhì)和狀態(tài)的新興物理方法，這里的表面指固體最外層的1-10個原子的表面層，一般為1到幾個nm。 光電子能譜是用X射線作激發(fā)源，轟出樣品中元素的內(nèi)層電子，并直接測量二次電子的能量，這能量表現(xiàn)為元素內(nèi)層電子的結(jié)合能Eb，Eb隨元素而不同，且有較高的分辨力，可以得到從價電子到K殼層的各級電子電離能，有助于了解離子的幾何構(gòu)型和軌道成鍵特性。 其測量原理公式由光電效應(yīng)得來：hv=Eb+Ek+。。 應(yīng)用XPS可進(jìn)行：1 化學(xué)分析：包括元素的成分分析和定量分析2 固體表面相研究 3 化合物結(jié)構(gòu)的測定 可用來進(jìn)行水泥熟料中硅酸鈣的水化表面分析分析能譜中O1s峰的寬窄變化和峰移動的方向可以判斷水化反應(yīng)的進(jìn)行與否對其表面ESCA測定的Ca/Si比值可以分析水化過程及其產(chǎn)物 四.透射電子顯微分析 透射電鏡是用聚焦電子束作為照明源，均勻照射到試樣的某一待觀察微小區(qū)域上，由于使用對電子束透明的薄膜試樣，故絕大部分電子穿透試樣，其強(qiáng)度分布與所觀察試樣區(qū)的形貌，組織，結(jié)構(gòu)一一對應(yīng)。經(jīng)過轉(zhuǎn)換可以在熒光屏上顯示出與試樣形貌，組織，結(jié)構(gòu)相應(yīng)的圖象。 其電子圖象的襯度來源于質(zhì)量襯度，衍射襯度和相位襯度。 透射電子顯微鏡是一種高分辨率（分辨率可達(dá)0。1nm），高放大倍數(shù)（80萬倍）的顯微鏡。很適合觀察和分析材料的形貌，結(jié)構(gòu)，晶體中的位錯，層錯，空位團(tuán)等晶體缺陷。 透射電鏡法要求試樣厚度僅為100-200nm，甚至幾十nm的，對電子束“透明”的試樣。 試樣大致有三種：超細(xì)粉末顆粒，用一定方法減薄的材料薄膜，用復(fù)型方法將材料表面形貌復(fù)制下來的復(fù)型膜。 9、目前，用于材料的合成與制備有許多新方法，請你列舉二種方法并加以較詳細(xì)說明。 答:(1)磁控濺射是上世紀(jì)70年代迅速發(fā)展起來的新型濺射技術(shù),目前已應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn). 主要用于制備膜. 磁控濺射是在陰極靶面上建立了一個環(huán)狀磁靶以使二次電子跳躍式地沿著環(huán)狀磁場轉(zhuǎn)圈,離子轟擊靶面所產(chǎn)生的二次電子在陰極暗區(qū)被電場加速之后飛向陽極.磁控濺射所采用的環(huán)形磁場對二次電子的控制更加嚴(yán)密. 磁控濺射的優(yōu)點(diǎn):與二級濺射相比,其鍍膜速率提高了一個數(shù)量級,且鍍膜時基片溫度 低、損傷小. 磁控濺射的主要缺點(diǎn):磁控濺射靶的濺射溝槽一旦穿透靶材,就會導(dǎo)致整塊靶材報廢,以致靶材的利用率低,一般低于40%. (2)等離子體輔助化學(xué)氣相沉積(PECVD) PECVD是用等離子體技術(shù)使反應(yīng)氣體進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)后,在基底上生成固體薄膜的方法.近二三十年來,PECVD法進(jìn)展相當(dāng)快,在半導(dǎo)體工業(yè)中,這種技術(shù)已成為大規(guī)模集成電路干式生產(chǎn)工藝中的重要環(huán)節(jié). PECVD薄膜反應(yīng)室主要有平板電容型和無極射頻感應(yīng)線圈式兩種.平板型又可分為直流、射頻、微波電源三種.PECVD薄膜的性質(zhì)不僅與沉積方式有關(guān),還取決于沉積工藝參數(shù). 這些工藝參數(shù)包括:電源功率、反應(yīng)室?guī)缀涡螤钆c尺寸、負(fù)偏壓、離子能量、基材溫度、真空泵抽氣速率、反應(yīng)室氣體壓力以及工作氣體的比例等.仔細(xì)控制工藝參數(shù),才能得到性能良好的薄膜. 與基于熱化學(xué)的CVD相比,PECVD的優(yōu)點(diǎn):沉積溫度低,從而基板不發(fā)生相變或變形,而且成膜質(zhì)量高. (3)微波燒結(jié) 利用微波電磁場中材料的介質(zhì)損耗,使陶瓷材料整體加熱到燒結(jié)溫度而實(shí)現(xiàn)致密化的方法.由于微波加熱利用了陶瓷本身的介電損耗發(fā)熱,所以陶瓷既是熱源,又是被加熱體. 整個微波裝置只有陶瓷制品處于高溫,而其余部分仍處于常溫狀態(tài). 可以通過改進(jìn)電磁場的均勻性、改善材料的介電性能和導(dǎo)熱性能、以及采用保溫材料保護(hù)燒結(jié)等方法來保證燒結(jié)溫度的均勻性,以及解決局部過熱問題. 微波燒結(jié)的應(yīng)用:已成功制備了ZrO2或Al2O3納米陶瓷. （4）等離子體化學(xué)氣相沉積法(PCVD) PVCD是借助等離子體內(nèi)的高能電子與反映氣體原子,分子發(fā)生非彈性碰撞使之離解或電離,從而產(chǎn)生大量的沉積組元,如原子,離子或活性基團(tuán)并輸送到基體表面上沉積成膜的. 非平衡等離子體激活代替?zhèn)鹘y(tǒng)的加熱激活是PCVD的主要優(yōu)點(diǎn),可使基體的沉積溫度變較低. 由于其沉積溫度低,沉積速率快,繞鍍性好,設(shè)備操作維護(hù)簡單而廣泛用于沉積各種薄膜和超硬膜. 此法得到的膜純度高,致密,形成的結(jié)晶定向好,電子工業(yè)中廣泛用于高純材料和晶體材料的制備. 所涉及的化學(xué)反應(yīng)有:熱解反應(yīng),氧化還原反應(yīng),復(fù)合還原反應(yīng)等. （5）溶膠-凝膠法(sol-gel) 溶膠-凝膠法是指有機(jī)或無機(jī)化合物經(jīng)過溶液-溶膠-凝膠而固化. 經(jīng)過熱處理而制得氧化物或其它化合物固體的方法. 由于溶膠凝膠過程中有著純度高,均勻性強(qiáng),處理溫度低,反應(yīng)條件易控制等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于特殊光學(xué)玻璃,特殊薄膜,超細(xì)粉,復(fù)合材料,光學(xué)纖維,生物材料等領(lǐng)域. 其主要特點(diǎn)有: 1.可低溫合成氧化物,使得制造無法高溫加熱的制品成為可能; 2.提高材料的均勻性,多成分系溶液是分子級,原子級的混合; 3.可提高生產(chǎn)效率. 其可制得的材料主要有: 塊狀材料,纖維材料,涂層和薄膜材料,超細(xì)粉末材料及復(fù)合材料. 所涉及的反應(yīng)有: 1.溶劑化; 2.水解反應(yīng); 3.縮聚反應(yīng). 10、結(jié)合你擬報的研究方向，提出一個研究課題并列出如下主要內(nèi)容： 1）課題名稱2）提出理由（研究背景）3）研究目標(biāo)4）研究內(nèi)容 5）研究技術(shù)路線 答：這個看你報的方向比如金屬材料研究一下鎂合金用來做筆記本電腦外殼是個比較開放性那個的題，自己花時間整理一份與自己專業(yè)相關(guān)的就行。 11、寫一份你對碩士研究生階段學(xué)習(xí)的展望和計劃 這個也是開放性試題，結(jié)合自身方向和目標(biāo)期望去寫。 12、結(jié)合你對材料科學(xué)與工程的認(rèn)識與理解,談?wù)剤罂疾牧项愌芯可睦碛? 答：(1)首先材料在現(xiàn)代社會中扮演中一個重要的位置。材料、生物、能源三大最受關(guān)注學(xué)科。材料在國防、航空起著重要作用。例如，航空高性能材料的使用，影響航天飛機(jī)的壽命和性能。隱身材料戰(zhàn)斗機(jī)上的使用。材料也影響了日常的生活，今后高質(zhì)量高品位的家居有耐于材料的發(fā)展，環(huán)保健康將是日后發(fā)展方向。談?wù)劜牧系淖饔茫驗(yàn)椴牧系闹匾运圆盼?。還可以談?wù)劜牧系拈_發(fā)材料的生產(chǎn)可以帶來巨大的利潤。 (2)可以談?wù)劜牧现幸恍┪愕牡胤?。比如在上課時看到關(guān)于材料內(nèi)部組織的照片，別一些非常規(guī)整的孿晶現(xiàn)象，和一些擁有各種各樣對稱軸的晶胞。談?wù)劜牧现幸灿性S多有規(guī)律的地方，有許多漂亮的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。等等找一本書看看就行了。或者可以談?wù)劶{米技術(shù)帶來的一些奇異的變化。 13、結(jié)合自己所選報的專業(yè)，談?wù)勀銏罂佳芯可睦碛桑? 這個題目很開放，注意避免某些功利的東西，即使你那樣想，也別那樣寫。太夸張的東西也少寫，人要有自知之明。 14、結(jié)合可持續(xù)發(fā)展的角度,談?wù)劗a(chǎn)業(yè)與能源,環(huán)境之間的關(guān)系 這個題目考察你的視野，網(wǎng)上有相關(guān)的資料，也可以查閱相關(guān)的課本，進(jìn)行歸納和總結(jié)。 15.參考書目的問題。 見復(fù)試筆試知識復(fù)習(xí)指導(dǎo)推薦書目。 d505523251e2524de518964bcf84b9d529ea2c55