新型工程材料考试复习资料

1、新型工程材料1新型材料的主要特征？ 答：获得途径：以前不存在，自然界也不存在。在人们制造过程当中按照认为目的去设计制造出来的。 多学科相互交叉相互渗透相互研究。 新型材料具有高新性能，能满足尖端技术以及设备制造的需要。 新型材料由军事需要，经济需要推动。 开发与利用联系更加紧密。 因注重生态环境，资源协调性进行描述。1） 生产制备为知识密集、技术密集和资金 密集。 （2）与新技术和新工艺发展密切结合。 如：大多新型材料通过极端条件（如超高压、 超高温、超高真空、超高密度、超高频、超高 纯和超高速快冷等）形成。 （3）一般生产规模小，经营分散，更新换代 快，品种变化频繁。 （4）具有特殊性能。

2、如超高强度、超高硬度、超塑性，及超导性、 磁性等各种特殊物理性能。 （5）其发展与材料理论关系密切。1新型材料获得途径与传统(普通)材料不同新型材料是过去不曾有、自然赛中亦不存在的人造材料。传统的材料是利用天然原材料加以提炼、加工而成的0而新型材料是在研究并掌握了物质结构、变化规律的基础上，根据人类的需要，通过对源子t分子等的选择、组合i并创造必要的环境条件了得到的具有预期性能的物质，所以是人正合成或犬工创造的。在新型材料的研究和制造中人们是主动的，原因有以下3点。 (1)研制新型材料是出于人类的主观需要，因而有明确的目韵要求。此点自始至终贯穿于整个新型材料的研究、试验和制造过程中，因而是有目

3、的的“创造”。(2)新型材料的研制是在人类已掌握各方面必需知识的基础之上进行的。由于人类已经越来越多地掌握了物质结构及其变化规律，及由此对性能产生的影响，因此新型材料的出现绝不是偶然事件；也绝不是盲目的摸索，而是人类科学、技术发展的必然结果。现在探索和创造新型材料有以下3种途径。利用极限条件。如超高温、超高压、极低压等，以获得有特异性的原子排列特点的材料。通过形态和纯度的控制。如超细化、超薄膜化、多孔质化等设计和控制技术，创造出具有高纯度、完全结晶、非晶态等极限状态的新材料。材料复合。如金属、陶瓷、有机材料等的相互复合，利用其复合效应开发高性能材 (3)新型材料不像传统材料那样靠大规模、连续生

4、产维持竞争能力，它们一般生产规模小，经营分散，更新换代快，而且品种变化频繁。2新型材料的出现是多种学科相互交叉、渗透和互相促进，综合研究和进步的成果；是基础学科(如物理、化学、生物：数学等)与理化专业技术(如微电子、计算机、冶金学等)新成果交织在一起的成果。新型材料的研究、制造是以先进的科学、技术为基础的，是包括物理、化学、冶金学等多种学科综合研究和进步的成果。因此，其涉及面广知识密度高。如果没有各种学科最新研究成果的指导或支持，新型材料的设计、研究是不可能的，即使有了设想和设计也不可能制造出来。新型材料工业本身亦是知识技术密集型的新产业，其产品一一新型材料具有极高的附加价值。例如由精密陶瓷材

5、料制成的人造齿售价高达l000万日元蝇，而碳纤维达2万日元kg，钢材仅为100日元kg,可见其相差甚远。3新型材料具有高斯性能。能满足尖端技术和设备制造的需要新型材料，是高新技术、高新设备得以完成和实现的重要条件和保证。例如，不需高压和钢瓶，也不需要低温致冷设备和绝热保护来贮存氢是一项高新技术，是利用新能源氢的关键，但是如果没有新型的贮氢材料，这一高新技术是不可能实用化的；光导纤维的开发使光纤通信这一高新技术得到实际应用；高纯单晶硅半导体材料的研制成功，使集成电路问世，开创了微电子学这一新领域。而以新型材料砷化镓制作的电子器件比硅制器件的运算速度快5O倍，甚至高达100倍，从而可使计算机的运算

6、速度达到100亿次8，所以新型半导体材料的出现才使对无线电波的控制有了希望。令人可喜的是一大批超轻质、耐高温、耐腐蚀、超高强、超电导以及耐超低温等极限材料已经成为航天、海洋、新能源、生物工程以及信息技术等领域的主要应用材料。4新型材料发展的驱动力由军事需求向经济需求转变回顾20世纪，由于国防和战争的需要，核能的利用和航天航空技术的发展，成为新型材料发展的主要驱动力。而在21世纪，卫生保健、经济持续增长以及信息处理和应用等将成为新型材料发展的最根本的动力。工业和商业的全球化更加注重材料的经济性、知识产权价值和其与商业战略的关系，新型材料在发展绿色工业方面也会起重要作用。未来新型材料的发展将在很大

7、程度上围绕如何提高人类的生活质量而展开。5新型材料的开发与应用联系更加紧密现代社会经济的发展要求新型材料的开发必须与其具体应用紧密相连，没有明确目的的研究开发往往得不到足够的资金支持，而且研究成果也很难转化为生产力。针对特定应用目的开发新型材料可加快研制速度，提高材料的使用性能，便于新型材料走向实际应用，并且可减少材料的“性能浪费”，从而节约了资源。推进新型材料的研发及其产业化的关键是加强材料科技研究与商业应用的联系，这就要求新型材料研究要预先进行商业化应用考虑，并开展相应的应用研究工作。6新型材料应注重与生态环境及资源的协调性面对资源、环境和人口的巨大压力，世界各国都在不断加大生态环境材料及

8、其相关领域的研究开发力度，并从政策、资金等方面都给予更大支持。材料的生态环境化及其产业在资源和环境问题制约下满足经济可承受性，是实现可持续发展的必然选择。环境协调性已经成为研究开发新型材料的指导思想。发展新型材料和改造基础材料更重视从生产到使用的全过程的影响，如资源保护、生产制备过程的污染和能耗、使用性能和回收再利用的问题等。生态环境材料的三个特征是：优异性能并节约资源、减少污染和再生利用。目的是实现资源、材料的有机统一和优化配置，达到资源的高度综合利用以获得最大的资源效益和环境效益，为形成循环型社会的材料生产体系奠定基础。因为新型材料具有极其重要的作用，所以受到世界各国的高度重视，竞相开展研

9、究工作，投人大量人力、物力、财力，从而加速了新型材料的发展。应该指出，新型材料和传统材料并无明确的界限，新型材料的发展必须以传统材料为基础，而且从数量和影响看，传统材料仍将占有十分重要的地位，但是要实现质量的不断提高。品种的不断增加，性能的不断改进和成本的不断下降，就必须对传统材料开展更多、更深入的研究工作。传统材料在很多情况下会发展成为新型材料，而新型材料又推动了传统材料的进一步发展。目前新型材料已成为各种高新技术发展的关键，如高效燃气轮机和内燃机，太阳能的利用，磁流体发电、高能蓄电、超导输电等，均需使用各种新型材料。因此，加强新型材料的研究和开发势在必行。纳米材料的分类世界各国和不同学科的

10、科学家，对材料的分类方法不尽相同，因此材料的分类方法也没有一个统一的标准。(1)按材料使用性能或用途的侧重点不同分类可把材料分为结构材料和功能材料两大类。结构材料是着重于利用其力学性能的一大类材料，它是机械制造、工程建筑、交通运输、能源乃至航空航天等各种工业的物质基础。提高质量、增加品种、降低成本仍是其重要任务。另外，开发新型结构材料，满足高强度、高韧性、耐高温、耐磨、耐蚀、抗辐照等性能要求也是急需解决的关键问题。人们可喜地看到新型陶瓷结构材料、复合材料和聚合物结构材料的相继开发，为结构材料注入了新的生命力，正在受到高度重视。功能材料则是指除强度之外还具有其他功能的材料，即侧重于以特殊的物理、

11、化学性能为主的材料。它们对外界环境具有灵敏的反应能力，即对外界的光、热、电、压力等各种刺激可以有选择地完成某些相应的动作，因而具有许多特定的用途。电子、激光、能源、通信、生物等许多新技术的发展都必须有相应的功能材料。可以说，没有众多功能材料的出现，就不可能有今日科学、技术的飞速发展。与结构材料相比，功能材料的发展尤为突出，并因此而使材料科学进入了一个崭新阶段。(2)在工程上，或从成分、特性的角度分类可将材料划分为金属材料、元机非金属材料(包括陶瓷、半导体等)、聚合物材料以及复合材料4大类。每种材料各具不同的结构特性和功能特性。国外也有把固体材料分成金属材料、无机非金属材料、聚合物材料、复合材料

12、和半导体材料5类。(3)按材料应用对象的不同进行分类可将材料分为结构材料、电子材料、航天航空材料、汽车材料、核材料、建筑材料、包装材料、能源材料、生物医学材料、信息材料等。(4)按材料的某种特殊用途(功能)分类可将材料分为超导材料、贮氢材料、形状记忆材料、信息材料、非晶态材料、磁性材料、生物医学材料、机敏材料、智能材料等。(5)按材料的结晶状态进行分类可将材料分为单晶材料、多晶材料、非晶材料、准晶材料以及液晶材料等。(6)按材料的物理性能分类可将材料分为高强度材料、高温材料、超硬材料、导电材料、绝缘材料等。(7)按材料发生的物理效应分类可将材料分为压电材料、热电材料、铁电材料、光电材料、激光材

13、料、磁光材料、声光材6料等。(8)从化学的角度进行分类可将材料分为无机材料与有机材料。(9)传统材料及新型材料则是另外一种对材料的分类方法传统材料是指已在大量生产、价格一般较低、在工业应用上已有长期使用经验和数据的材料。新型材料则指具有优异性能的高科技产品、正在努力商业化或研制之中、并具有一定保密性的材料。以上的划分方法有一定的相对性，新型材料解密后，开始商业化及大量生产并积累了经验之后，就成为传统材料；也可能一些传统材料采用特殊高科技工艺加工后，具有了新的、更优良的性能，则就成为新型材料。 2试述材料的“亚稳态”及亚稳态常见的类型？ 答：亚稳态：体系高于平衡态时自由能的状态的一种非平衡 非平

14、衡的亚稳态大致有以下几种类型： （1）细晶组织 当组织细小时，界面增多，自由能升高，故为亚稳状态。 （2）高密度晶体缺陷的存在 晶体缺陷使原子偏离平衡位置，晶体结构排列的规则性下降，故体系自由能增高。（3）形成过饱和固溶体 即溶质原子在固溶体中的浓度超过平衡浓度，甚至在平衡状态是互不溶解的组元发生了相互溶解 。 （4）发生非平衡转变，生成具有与原先不同结构的亚稳新相 例如钢及合金中的马氏体、贝氏体，以及合金中的准晶态相（5）由晶态转变为非晶态，由结构有序变为结构无序，自由能增高 。亚稳态即为体系高于平衡态时自由能的状态的一种非平衡。它是由于动力学的原因，材料体系可能处于的一种相对稳定的非平衡态

15、。亚稳态时的性能不同于平衡态时的性能，而且亚稳态可因形成条件的不同而呈多种形式，它们所表现的性能迥异，在很多情况下，亚稳态材料的某些性能会优于其处于平衡态时的性能，甚至出现特殊的性能。常见的材料亚稳态有如下形式：（1）细晶组织（2）具有高密度晶体缺陷（3）过饱和固溶体（4）形成非平衡相（5）非晶态3试述生物材料的性能要求？ 答：作为体内植人物的材料，不仅在生理条件下物理机械性能要长期保持稳定，而且还要对人体的组织、血液、免疫等系统不产生不良影响。(一) 物理性能要求1溶出物及可渗出物 生物材料及装置植入人体后引起的生物学反应大部分是由材料聚合加工过程中残留的低分于物质引起。这类物质包括引发剂、

16、催化剂、残余单体、中间产物及添加剂等。这些残留物质在材料植人体内后逐渐溶出或渗出，对局部的组织、细胞乃至全身产生严重的生理反应，因此必须将这些物质含量控制在安全浓度以下。2机械物理性能 人体是一个生命体，各组织以及器官间普遍存在着许多动态的相互作用，因此植入体内的材料要考虑在应力作用下的性质。这些性质包括强度、模量、抗蠕变、疲劳、光滑、渗透性、吸水性。如人工心脏材料必须考虑其在心脏有节奏地收缩与舒张压力变化下的应力老化。3成型加工性能 生物材料要达到其临床应用价值，必须通过各种专门的加工技术，制成所要求形状、尺寸的修补件和人工器官。有些材料尽管性能不错，但是由于加工成型困难而限制了它的使用。更

17、有甚者，会因为加工处理不当而造成失败。因此，近年来对于材料的加工技术也给予了相当的重视，获得较大进展。4灭菌性能 生物医用材料及其制品必须经过消毒灭菌方可使用。灭菌方法有环氧乙烷、加热、射线、电子束、60Co(钴)、醛、氧化乙烯等。但灭菌可使一些材料的物理和生物性能改变。因此，在材料的灭菌方法的选用上必须充分考虑到灭菌对材料性能的影响以及可能带来的生物学危害作用。 (二)材料的生物学性能1生物稳定性 材料在生物体内的组织反应与材料本身的化学组成、高次结构及表面特性等因素有关。生物稳定性好的材料，长时间在体内埋植，形成一个稳定的结构，一般对生物体不会产生太大的影响。但生物稳定性较差的材料，在体内

18、长时间埋植后会引起各种不良的生物反应，因此对于永久性植入体内的材料要求具有良好的生物稳定性，即在生物的复杂环境中材料的高次结构及低次结构不发生变化不降解，同时本身的组成不引起生物体的生物反应。2生物相容性 生物相容性是生物医用材料与人体之间相互作用产生各种复杂的生物、物理，化学反应的一种概念。植入人体内的生物医用材料及各种人工器官、医用辅助装置等医疗器械，必须对人体无毒性、无致敏性、无刺激性、无遗传毒性和无致癌性，对人体组织、血液、免疫等系统不产生不良反应。4论述超导现象，超导材料？ 超导现象：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

19、征是零电阻和完全抗磁性。 超导材料：具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料。现已发现有28种元素和几千种合金和化合物可以成为超导体。 超导材料特性： 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。如果用磁场在超导环中引发感生电流，这一电流可以毫不衰减地维持下去。 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。当电流超过一定值后，绝缘层两侧出现电压U（

20、也可加一电压U），同时，直流电流变成高频交流电，并向外辐射电磁波，其频率为，其中h为普朗克常数，e为电子电荷。 同位素效应：超导体的临界温度Tc与其同位素质量M有关。M越大，Tc越低，这称为同位素效应。 超导材料应用：超导材料的应用主要有：利用材料的超导电性可制作磁体，应用于电机、高能粒子加速器、磁悬浮运输、受控热核反应、储能等；可制作电力电缆，用于大容量输电（功率可达10000MVA）；可制作通信电缆和天线，其性能优于常规材料。利用材料的完全抗磁性可制作无摩擦陀螺仪和轴承。利用约瑟夫森效应可制作一系列精密测量仪表以及辐射探测器、微波发生器、逻辑元件等。5材料的成分结构（包括组织）与性能之间的

21、关系？ 答：材料的所有性能都是其化学成分和组织结构在一定外界因素（载荷性质、应力状态、工作温度和环境介质）作用下的综合反映。材料的化学成分和组织结构是其力学性能的内部依据，而力学性能则是具有一定化学成分和组织结构的外部表现。钢的化学成分是组织结构的主要决定因素之一。化学成分一定时，可以通过不同的热处理工艺改变材料的组织结构，而导致材料在力学性能上有较大的差异。6伴随着高科技的迅猛发展，对新型材料提出怎样的新要求？ 答：1结构与功能相结合：要求材料不仅能作为结构材料使用，而且具有特殊的功能或多种功能，正在开发研制的梯度功能材料和仿生材料即属于此。2智能化：要求材料本身具有感知、自我调节和反馈的能

22、力，即具有敏感和驱动的双重功能。3减少污染：为了人类的健康和生存，要求材料的制作和废弃过程中对环境产生的污染尽可能少。今后在开发、发展和应用那些具有良好性能和功能的材料的同时，又要能与环境相协调，也就是说，在研究材料时必须要有环境保护意识。4可再生性：可再生性是指一方面可保护和充分利用自然资源，另一方面又不为地球积存太多的废物，而且能再次利用。如正在研制开发中的自降解塑料，这种材料一方面可减少白色污染，还可再生利用，与环境保护有一定关系。5节省能源，制造材料时耗能尽可能少，同时又可利用新开发的能源。6长寿命，要求材料能长期保持其基本特性，稳定可靠，制造的设备和元器件能少维修或不维修。7纳米材料

23、的制备方法及纳米材料的强度，硬度和塑性？ 答：44：纳米材料的合成与制备随着纳米材料的出现，纳米材料制备技术的发展也是令人瞩目的各种各样制备技术的使用已使不同形状、不同结构的纳米材料的制备成为可能。一般来说，这些方法可分为纳米级超微粉的制备和固态成型技术两大类。 制粉使用最普遍的是蒸气冷凝法，根据气化条件及环境气氛的差异，这一方法又分为真空蒸气冷凝、反应性气体冷凝、射频溅射、等离子体溅射等技术。除此之外，溶胶凝胶法、超临界流体技术、机械球磨法等工艺也已成功地制备出纳米粉。原位加压、热等静压激光压缩法等可以把纳米粉制成纳米块材。 1，高能球磨法 1988年日本京都大学Sh证su等人首先报道丁高能

24、球磨法制备AIPe纳米晶材料，为纳米材料的制备找出了一种实用化的途径。近年来，高能球磨法已经成为制备纳米材料的一种重要方法。高能球磨法是利用球磨机的转动或振动，使硬球对原料进行强烈的撞击、研磨和搅拌，把金属或合金粉末粉碎为纳米级微粒的方法。如果将两种或两种以上金属粉末同时放人球磨机中进行高能球磨，粉末颗粒经过压延、压合、又碾碎、再压合的反复过程，最后获得组织和成分均匀的合金粉末。 用高能球磨法可以制备纳米晶纯金属材料、不互溶体系纳米合金、纳米金属间化合物、纳米尺度的金属陶瓷粉复合材料等。2惰性气体蒸发、原位加压制备法 这种制备方法是在低压的氩、氦等情性气体中加热金属，使其蒸发后形成超微粒(1-

25、1咖mn)或纳米微粒。具体方法是把欲蒸发的源物质放人坩埚内，通过钨电阻加热器或石墨加热器等加热 装置逐渐加热蒸发，产生源物质烟雾。由于情性气体的对流，烟雾向上移动，并接近充液氮的冷却棒；在接近冷却棒的过程中，源物质蒸气首先形成原子簇，然后形成单个纳米微粒。在接近冷却棒表面的区域内，由于单个纳米微粒的聚合而长大，最后在冷却棒表面上积聚起来。用聚四氟Z烯刮刀刮下并收集起来获得纳米粉。纳米粉经漏斗直接落人低度压实装置，粉体在此装置中经轻度压实后，由机械手送入高压原位加压装置，压制成块状试样。 这种方法的优点是：纳米微粒具有清洁的表面，很少团聚成粗团聚体，因此块体纯度高，相对密度也高。 3溶胶凝胶法

26、溶胶凝胶法系指金属有机或无机化合物经过溶液、溶胶、凝胶而固化，再经热处理而成氧化物或其他化合物固体的方法。该法不仅可用于制备微粉，而且可用于制备薄膜、纤维、体材和复合材料。其优缺点如下。 (1)高纯度。粉料(特别是多组分粉料)制备过程中无需机械混合，不易引进杂质。 (2)些学均匀性好。由于溶胶凝胶过程中，溶胶由溶液制得，化合物在分子级水平混合，故胶粒内及胶粒间化学成分完全致。 (3)颗粒细胶粒尺寸小于01甲。 (4)可容纳不溶性组分或不沉淀组分。不溶性颗粒均匀地分散在含不产生沉淀的组分的溶液，经胶凝化，不溶性组分可自然地固定在凝胶体系中，不溶性组分颗粒越细，体系化学均匀性越好。(5)掺杂分布均

27、匀。可溶性微量掺杂组分分布均匀，不会分离、偏析，比醇盐水解法优4、化学气相反应法（乱码了）5、溶剂热法6、聚合物化学和高温材料加工法另一答法纳米粒子的制备方法很多，可分为物理方法和化学方法 1. 物理方法(1)真空冷凝法用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成等离子体，然后骤冷。其特点纯度高、结晶组织好、粒度可控，但技术设备要求高。(2)物理粉碎法通过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。(3)机械球磨法采用球磨方法，控制适当的条件得到纯元素纳米粒子、合金纳米粒子或复合材料的纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布

28、不均匀。 2. 化学方法 (1)气相沉积法利用金属化合物蒸气的化学反应合成纳米材料。其特点产品纯度高，粒度分布窄。 (2)沉淀法把沉淀剂加入到盐溶液中反应后，将沉淀热处理得到纳米材料。其特点简单易行，但纯度低，颗粒半径大，适合制备氧化物。(3)水热合成法高温高压下在水溶液或蒸汽等流体中合成，再经分离和热处理得纳米粒子。其特点纯度高，分散性好、粒度易控制。 (4)溶胶凝胶法金属化合物经溶液、溶胶、凝胶而固化，再经低温热处理而生成纳米粒子。其特点反应物种多，产物颗粒均一，过程易控制，适于氧化物和族化合物的制备。 (5)微乳液法两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成乳液，在微泡中经成核、聚结、团

29、聚、热处理后得纳米粒子。其特点粒子的单分散和界面性好，族半导体纳米粒子多用此法制备 硬度：高温、高硬、高强是结构材料开发的永恒主题，纳米结构材料的硬度（或强度）与粒径成反比（符合Hall-Retch关系式）。即纳米材料的晶粒越细小材料的硬度就越高。 塑性：由于晶粒尺寸小，晶界成为有效的位错线, 位错密度不易升高, 加工硬化能力低, 但屈服强度已由退火得到强化, 所以较早出现缩颈或其它塑性不稳定性, 导致延伸率降低。 改善塑性的方法：退火强化，加工软化。退火前后位错结构的变化与通常粗晶的情况基本相同。8超细晶纳米基体材料与Hall-Retch的关系？ 答：Hall一Petch(H一P ) 关系是

30、描述金属材料屈服应力 与晶粒尺寸 d 之间关系的常用表达式。H 一P 关 系是在多晶体的位错塞积模型基础上导出的.对于传统的 多晶材料而言,晶界的自由能很高( 相对于晶粒 内部),可视为阻碍位错运动的势垒.在外力作用下,为了在相邻晶粒内产生切变变形,晶界处必须产生足够大的应力集中.细化晶粒可产生更多的晶界,如果晶界的结构未发生变化,则需施加更大的外力才能产生位错塞积,从而使材料强化。显然,强度并不随着晶粒尺寸减小而无限地增加.理论上,材料强度不可能超过其完整 晶须的强度,它可视为 H 一P 关系的上限.此外,在晶粒非常细 小的情况下,晶界处任何弛豫过程均可使强度下降;同时,如果晶粒小到不能容纳

31、一个位错时, H 一P 关系将不再成立。从极限角度讲,当晶粒尺寸趋近于零时,材料已变成非晶态,晶界强化效应消失.实验表明，非晶态的硬度确实低于其晶态值.以上分析说明,晶界强化效应的实现是有条件的。纳米晶体材料是指晶粒尺寸为 1-100nm 的多晶纯金属或合金材料.由于晶粒尺寸很小,晶界的体积百分数非常高( Vi = 3j/d ,占为晶界的平均厚度).例如,在晶粒尺寸为 5nm时,晶界的体积高达 50 % .因此,纳米晶体材料可看成包括晶体和晶界的“二相”系统.Gleiter等称纳米晶体材料的界面处含有大量的过剩自由体积,致使界面原子的排列既非长程序又非短程序,表现出“类气态”的结构特征,如图

32、2 所示.相对于晶体组元来讲,晶界处于高(自由)能态,影响材料的结构和性能,使材料表现出许多传统的粗晶粒材料不具的性能,统称为纳米效应,如高强度、高比热、热膨胀、电阻率等.偏离 H-P关系的几个模型:1.1 晶界蠕变模型-Kareh 等 发现 TiO2在室温下测量显微硬度时即可发生塑性变形,因此认为纳米晶体材料的变形可能是靠扩散蠕变机制即Coble蠕变进行的。1.2 1. 2 临界晶粒尺寸模型 1.3改进的Hall一Peteh关系模型 1.4三晶粒结点 (t riple juctions )的影晌. 2.1 Hv与纳米晶体材料界面缺陷结构的关系为了建立纳米晶体材料的力学性质与界面结构的关系,我

33、们利用正电子湮没技术研究了Fe-M o-Si-B 纳米晶合金的缺陷结构与显微硬度的测量结果比较,实验建立了Hv与界面结构的关系，有趣的是,显微硬度 Hv亦在该点处最高,这说明可能存在两种相互竞争的机制:当 d45n m时.晶粒尺寸的影响是主要的,根据 H 一P 关系,d的增大会显著降低材料硬度值.2.2 Hv与界面过剩体积和过剩能的关系对于多数纳米晶体材料来说,实际晶粒尺寸往往小于理论上导出的临界晶粒尺寸dc,就是说,在纳米晶粒内仍然有位错,位错模型并未失效霍尔佩奇(Hall-Petch)公式指出了多晶体材料的强度与其晶粒尺寸之间的关系，晶粒越细小则强度越高。但通常的材料制备方法至多只能获得细

34、小到微米级的晶粒，霍尔佩奇公式的验证也只是到此范围。纳米晶金属间化合物的硬度测试值表明，随着晶粒的减小，在初始阶段（类似于纯金属盼情况）发生硬化，进一步减小晶粒，硬化的斜率减缓或者发生软化。由硬化转变为软化的行为是相当复杂的，但这些现象与样品的制备方法无关。材料的热处理和晶粒尺寸的变化可能导致微观结构和成份的变化，如晶界、致密性、相变、应力等，都可能影响晶粒尺寸与硬度的关系。纳米结构材料的硬度（或强度）与粒径成反比（符合Hall-Retch关系式）。材料晶粒的细化及高密度界面的存在，必将对纳米材料的力学性能产生很大的影响。在纳米材料中位错密度非常低，位错滑移和增殖采取Frand-Reed模型，

35、其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大，增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大，所以在纳米材料中位错的滑移和增殖不会发生，此即纳米晶强化效应结语在过去十多年里，尽管纳米材料的研究已经取得了显著进展，但许多重要问题仍有待探索和解决。诸如，如何获得清洁、无孔隙、大尺寸的块体纳米材料，以真实地反映纳米材料的本征结构与性能？如何开发新的制备技术与工艺，实现高品质、低成本、多品种的纳米材料产业化？纳米材料的奇异性能是如何依赖于微观结构（晶粒尺寸与形貌、晶界等缺陷的性质、合金化等）的？反之，如何利用微观结构的设计与控制，发展具有新颖性能的纳米材料，以拓宽纳米材料的应用领域？某些传统材料的局域纳米化能否为其注

36、入新的生命力？如何实现纳米材料的功能与结构一体化？如何使纳米材料在必要的后续处理或使用过程中保持结构与性能的稳定性？等等。这些基本问题是进一步深入研究纳米材料及其实用化的关键，也是纳米材料研究被称为高风险与高回报并存的原因。按照HP关系式，由于晶粒尺寸的减少，纳米结构材料的强度或硬度应该提高。但是，应该看到这一关系式有一定的局限。首先强度值不可能无限地增长，不能超出理论强度的限制。其次，晶界上的任何弛豫过程都可能导致强度的降低，从而在某一临界粒径下出现反HP关系式的现象。第三，HP关系式是以位错的塞积为理论基础的，当晶粒比较小时(纳米尺寸)，单个的晶粒不能产生多个位错塞积，HP关系式就会失效。

37、因此可以认为纳米结构材料的硬化或软化机制与传统的粗晶材料会有很大的不同。9找出下列新型工程材料的材料结构（相组成）成分性能缺陷（点线面）与应用？ 超导材料 陶瓷材料 生物医用材料 新型能源材料 航天航空材料 先进功能材料 液晶材料答：超导材料的应用：1.大电流应用：（强电应用）发电 输电 储能。 2.电子学应用：（弱点应用）超导计算机 滤波器 微波器件等。 3.抗磁性应用： 磁悬浮列车和热核聚变反应堆等。 超导材料的性能：1. 零电阻性 2. 完全抗磁性 3. 约瑟夫森效应 4. 同位素效应。 超导材料的缺陷：超导的缺点为现有的高温超导体还处于必须用液态氮来冷却的状态。这种情况是比较难大规模做

38、到，在整条通讯线路上采取这样的技术是不太实际的。这也是目前不能大量应用的原因。陶瓷材料的相组成和性能？ 答：陶瓷材料是除金属和高聚物以外的无机非金属材料通称，是用天然或人工合成的粉状化合物，经成型和高温烧结而制成的多晶固体材料。 陶瓷材料通常由三种不同的相组成：即晶相、玻璃相和气相 气孔。晶相是陶瓷材料中主要的组成相，决定陶瓷材料物理化学性质的主要是晶相。玻璃相的作用是充填晶粒间隙、粘结晶粒、提高材料致密度、降低烧结温度和抑制晶粒长大。气相是在工艺过程中形成并保留下来的。 性能：陶瓷材料具有高熔点、高硬度、高化学稳定性，耐高温、耐氧化、耐腐蚀等特性。陶瓷材料具有密度小、弹性模量大、耐磨损、强度

39、高等特点。功能陶瓷还具有电、光、磁等特殊性能。应用：具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等优点。可用作结构材料、刀具材料，由于陶瓷还具有某些特殊的性能，又可作为功能材料。 陶瓷材料的结构 陶瓷陶瓷材料结合键以离子键(如Al2O3)、共价键(如Si3N4)及两者的混合键为主。新型陶瓷材料的应用及缺陷? 答：应用:如今，新型陶瓷材料处于发展时期，陶瓷材料在导热性、绝缘性、机械强度、耐磨性、耐腐蚀性及各种及各种电性能方面，远远优于其他材料，所以受到广泛重视。用它可以制作成集成电路基片、薄膜磁头基片、电路绝缘件、电极基片、电子元器件等等。我国用新型陶瓷材料成功的应用于计算机磁记录系统中，为新型陶瓷材料

40、的应用提供新途径。 缺陷：脆性大，耐冲击能力低、易碎；后加工的能力低；产品不易回收利用。新型能源材料? 答：新能源材料是指实现新能源的转化和利用以及发展新能源技术中所要用到的关键材料，它是发展新能源的核心和基础。主要包括储氢合金材料为代表的镍氢电池材料、嵌锂碳负极和LiCoO2正极为代表的锂离子电池材料、燃料电池材料、Si半导体材料为代表的太阳能电池材料和发展风能、生物质能以及核能所需的关键材料等。主要包括以镍氢电池材料、锂离子电池材料为代表的绿色电池材料；燃料电池材料；太阳能电池材料以及铀、氘、氚为代表的反应堆核能材料等。当前绿色电池材料研究的热点和前沿技术包括高能储氢材料、聚合物电池材料、

41、磷酸铁锂正极材料等。在燃料电池材料领域当前研究的热点和前沿技术包括中温固体氧化物燃料电池，电解质材料等。在太阳能电池材料领域当前研究的热点和前沿技术包括晶体硅太阳能电池材料、非晶硅薄膜电池材料、化合物薄膜电池材料和染料敏化电池材料等。对我国来说，首先要考虑的是提高能源生产效率、减少污染，其中当务之急是逐步实现洁净煤燃烧。为了提高燃烧效率，提高热效和增加机动性，要发展超临界蒸汽发电机组、整体煤气化联合循环技术和大功率工业燃气轮机组，这些技术对材料的要求都十分苛刻，需要耐热、耐蚀、抗磨蚀、抗冲刷的合金钢及低成本催化剂，高质量的合金钢及高温合金材料和涂层，工程陶瓷等材料，以满足高温、高强、抗蠕变、疲

42、劳、耐蚀和长期工作的要求。此外，磁流体发电需要高性能的通道材料。制约因素：随着近年来电能短缺的严峻形势，有效利用电能，把低谷电储存起来，待到用电高峰时使用，即电能的贮存变得十分重要。而分散能源体系的建立和完善涉及贮能电池、太阳能电池或燃料电池。这3种电池在我国都有一定的基础，但与发达国家的发展和我国的需求相比还有相当大的差距，需要加强应用研究和工程研究。航天航空中的功能材料1、用途：聚酰亚胺薄膜绝缘性能好、耐高低温性能好、柔韧性好、占用空间体积小，因此得到了广泛的应用。主要用于印刷线路基板、电磁线、电动机绝缘、集成电路的载带和带式自动粘接等。应用最多的是挠性印制电路板(FPC)和自粘带(TAB

43、)，主要用于挠性印制电路板的基材 和覆盖膜。聚酰亚胺挠性印制电路板早期主要用于军事部门和航空航天工业，几乎占其总量的90以上。聚酰亚胺薄膜的另一大类用途是电线电缆绝缘，虽然近5年增长不多，但用量仍然较大。这一领域应用的聚酰亚胺薄 膜大多为单面或双面涂有含氟树脂的薄膜，主要用作电缆的粘结、密封，并具有耐热性及 耐化学药品性。 聚酰亚胺薄膜在其他方面的应用包括条形码、雷达、音膜、汽车配电板、防火罩、隔 离墙和电子绝缘等。聚酰亚胺薄膜价格虽然昂贵，但由于性能好，使其保持了几十年的发 展势头，以后还将继续发展2、性能：聚酰亚胺薄膜以其优良的电气性能、耐溶剂性能、耐高温和耐辐射等多种优异性能而被广泛应用

44、于电气电子领域。它是电力电器的关键性绝缘材料，也是微电子制造与封装的关键性材料 3、聚酰亚胺薄膜生产方法：1、浸渍法、2、流涎法；3、流延拉伸法4、提高聚酰亚胺薄膜性能途径 其一，通过改变单体 合成不同化学结构的聚酰亚胺和制膜工艺上的改进 其二，由于纳米技术的快速发展，纳米粉体制备工艺已经很成熟，通过不同的制 备方法在聚合物中加入纳米级的无机粉体，可以综合纳米粒子和聚合物的优点，得到综合 性能优异的复合材料。这种方法成为提高聚酰亚胺薄膜性能的主要途径，并已经成为目前 研究热点10超细晶纳米金属材料的性能，强度，塑性（塑性差，改善方法）？ 答：纳米材料的特殊结构 从材料的结构单元层次来说，纳米材料介于宏观物质和微观原子、分子的中间领域。在纳米材料中，界面原子占极大比例，而且原子排列互不相同，界面周围的晶格结构互不相关，从而构成与晶态、非晶态均不相同的一种新的结构状态。纳米态材料系有两种结构单元所组成：晶体组元和界