材料與社會發(fā)展

1、1.什么是材料？簡述材料分類以及各類材料的基本特性。答：材料的定義及其分類（1）定義：材料是指能為人類經濟性地，用于制造有用器件的物質。(2)材料的分類：按組成、結構特點進行分類：分為金屬材料，無機非金屬材料、有機高分子材料和復合材料。從其發(fā)展過程上，可分為傳統(tǒng)材料和新型材料，它們是互相依存，互相促進，互相轉化，互相替代的關系。傳統(tǒng)材料的特征為：需求量大，生產規(guī)模大，但環(huán)境污染嚴重；而新型材料是建立在新思路、新概念、新工藝、新檢測技術的基礎上，以材料的優(yōu)異性能、高品質、高穩(wěn)定性參與競爭，屬高薪技術的一部分；投資強度較高，更新換代快，風險性大，知識和技術密集程度高，一旦成功，回報率也較高，且不以

2、規(guī)模取勝。從其使用性能分類：分為結構材料和功能材料。結構材料則主要利用材料力學性能；而功能材料主要利用材料物理和化學性能。按用途進行分類：分為航空航天材料、信息材料、電子材料、能源材料、生物材料、建筑材料、包裝材料、電工電器材料、機械材料、農用材料、日用品及辦公用品材料。(3)各自特點：高分子材料：是通過若干高分子鏈聚集以及高分子鏈與其他添加組分的相互作用而構成。分子量大，質輕；優(yōu)良的加工性能，導熱系數小，化學穩(wěn)定性好，電絕緣性好；功能的可塑性好，出色的裝飾性，但易老化；可以延壓成膜、紡制成絲，可制成各種形狀的構件，可產生巨大的粘接力及巨大彈性等。金屬材料：有金屬元素或以金屬元素為主形成的，并

3、具有一般金屬特性的材料稱為金屬材料。一般具有金屬光澤，具有良好的導電性，導熱性，延展性及塑性；具有良好的強度和韌性，熔點較高。無機非金屬材料：傳統(tǒng)上主要有陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等四大類，其主要化學組成均為硅酸鹽類物質。具有高熔點，高強度，高硬度；耐腐蝕，耐磨損，抗氧化等，以及寬廣的導電性，隔熱性，透光性；良好的鐵電性，鐵磁性，壓電性。復合材料：是由有機高分子、無機非金屬或金屬與幾類不同材料通過復合工藝組合而成的新型多相固體材料，它既能保留原組分材料的主要特色，又通過復合效應獲得原組分所不具有的性能。比重小，比模量和比強度大；具有優(yōu)良的化學穩(wěn)定性，自潤滑；耐熱，耐疲勞，耐蠕變，電絕緣性好等特

4、點?！?. 請舉例說明材料工程與材料科學之間的差別和聯系？請給出材料科學研究的五要素圖。答：材料科學是研究材料的組織結構、性質、生產流程和使用效能以及它們之間的相互關系，集物理學、化學、冶金學等于一體的科學。材料科學是一門與工程技術密不可分的應用科學。中國的材料科學研究水平位居世界前列，有些領域甚至居于世界領先水平。材料工程是研究、開發(fā)、生產和應用金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料和復合材料的工程領域。其工程碩士學位授權單位培養(yǎng)從事新型材料的研究和開發(fā)、材料的制備、材料特性分析和改性、材料的有效利用等方面的高級工程技術人才。要素：化學成分、制備加工、組織結構和性質性能。其中，組織結構是核心要

5、素。同時，前面三者共同支撐“性質性能”。這四者的關系組成一個正四面體。3.材料在歷史中發(fā)揮重要作用對你印象深刻之處，請舉例說明！答：材料的發(fā)展與人類進步和發(fā)展息息相關。一萬年前，人類使用石頭作為日常生活工具，人類進入舊時器時代，人類戰(zhàn)爭也進入了冷兵器時代。7000年前人類在燒制陶器的同時創(chuàng)造了煉銅技術，青銅制品泛地得到應用，同時又促進了人類社會發(fā)展，人類進入了青銅器時代。同時火藥的發(fā)明又使人類戰(zhàn)爭進入了殺傷力更強的熱兵器時代。5000年前人類開始使用鐵，隨著煉鐵技術的發(fā)展，人類又發(fā)明了煉鋼技術。十九世紀中期轉爐、平爐煉鋼的發(fā)展使得世界鋼產量迅猛增加，大大促進了機械、鐵路交通的發(fā)展。隨著二十世紀

6、中期合金鋼的大量使用，人類又進入鋼鐵時代，鋼鐵在人類活動中起著舉足輕重的作用。核材料的發(fā)現，又將人類引入了可以毀滅自己的核軍備競賽，同時核材料的和平利用，又給人類帶來了光明。二十世紀中后期以來，高分子、陶瓷材料崛起以及復合材料的發(fā)展，又給人類帶來了新的材料和技術革命，樓房可以越蓋越高、飛機越飛越快，同時人類進入太空的夢想成為了現實。 .比如電子組件的演進，從體積非常大的真空管、晶體管進步到集成電路（IC化），不僅為現代的科技另造高峰，同時也使得電器用品趨于小型化、輕巧化、功能強、易于攜帶等種種好處。所以說人類的生活確實是與材料科學有關。1982年日本首次研制出了陶瓷發(fā)動機小汽車，引起了世界性轟

7、。因為它的 出現將使發(fā)動機重量減輕，提高燃燒度和節(jié)約燃料的愿望成為現實。1988年前 蘇聯一架以液氫為燃料的中型運輸機首次試飛成功，象征人類在航空領域中啟 用了無污染的新能源-液氫。液氫的沸點為253，攜儲液氫需要高效率的絕熱材料。液氫發(fā)動機的使用，則意味著低溫極限技術已達到實用化程度。1989年3 月，日本的一艘6500號潛水調查船下潛到6500米的深海區(qū)，打破了美國、前蘇聯和德國的下潛紀錄。這艘潛水艇耐水艙用的正是一種高強度鈦合金，觀察窗使用的是一種新型的有機玻璃。有了深海探測技術，人們才可實現對人類資源開發(fā)有不可估量的意義深海資源的開發(fā)。美國在19

8、89年12月入侵巴拿馬，1991年1月人侵海灣以及此刻正在空襲南聯盟的戰(zhàn)爭中，使用的F- ll7隱身戰(zhàn)斗機世人皆知。這種武器之所以能隱身，就是使用了一種吸波材料和吸波涂層。4.簡述鑄造模擬所涉及的主要內容。試舉一例計算機模擬在材料科學研究或生產實踐中的應用情況。答：A.材料科學中的計算機模擬, 按其模擬尺度, 可分為三類模擬方法: 1. 原子尺度的模擬計算, 包括分子動力學和蒙特卡洛法等1 。分子動力學和蒙特卡洛法可根據粒子間的作用勢, 計算多粒子系結構、多種物系結構和多種性質。2. 顯微尺度模擬計算: 這類計算以連續(xù)介質概念為基礎。在基礎梯度材料過程中利用計算機模擬方法計算材料的熱

9、應力分布, 為尋找合理材料結構提供依據。此外, 用熱力學方法預測材料相變及相變產物的顯微結構, 也屬此方法的研究范疇。3.宏觀尺寸的模擬計算: 一般與材料或材料部件的工業(yè)生產有關。例如: 非晶態(tài)合金經急冷而成。采用計算機模擬計算液體合金快冷時的傳熱傳質過程, 有助于設計合理的設備和工藝, 以保證產品質量。清華大學航天航空學院劉小明等用分子動力學模擬研究金剛石壓頭在Ni 晶體薄膜上的摩擦過程和薄膜塑性變形行為的納觀機制.B.鑄造模擬 鑄造模擬與可視化鑄造概念不同。鑄造可視化是采用X射線對實際鑄件的凝固過程進行實際觀察。而鑄造模擬是在鑄件實際鑄造之前進行鑄造的充型、熱傳導和凝固過程的模擬分析。根據

10、凝固模擬結果制定鑄造工藝可大幅度降低鑄件廢品的發(fā)生。多相流的模擬是模擬鑄造的充型過程的確基礎，多相流的模擬包括卷氣、氧化夾雜、砂型沖蝕、壓鑄過程的排氣等的計算分析。模擬鑄造考慮了紊流、表面張力、自由表面、相變、熱交換等眾多影響因素的復雜流動，其模擬結果更接近真實的鑄造過程。 模擬鑄造應用于各種鑄造方法，應用范圍在不斷擴大。如果將其與可視化鑄造結合起來進行鑄造工藝研究，其效果就會更好。5.與我們生活密切相關的交通或日常用品，哪些是以鋼為主要承力材料的？答：建造北京奧運會主體育場“鳥巢”，就是用了大量的鋼材。建材：卷門、輕型鋼、防火門。運輸：汽車內、外車身板件、排氣管。家電：冰箱、洗衣機外殼、干衣

11、機外殼。一般：標識牌、展示柜，冷凍商品陳列櫥用于橋梁建筑的鋼材6.鋼鐵在歷史中作用顯著，如何在未來發(fā)揮重要作用7.如何評定材料的硬和軟？控制鋼的硬或軟的主要因素是什么？答：硬度是衡量材料軟硬程度的一個性能指標。硬度試驗的方法較多，原理也不相同，測得的硬度值和含義也不完全一樣。最常用的是靜負荷壓入法硬度試驗，即布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HRA，HRB，HRC)、維氏硬度(HV)，其值表示材料表面抵抗堅硬物體壓入的能力。而里氏硬度（HL）、肖氏硬(HS)則屬于回跳法硬度試驗，其值代表金屬彈性變形功的大小。因此，硬度不是一個單純的物理量，而是反映材料的彈性、塑性、強度和韌性等的一種綜合性能指標。8

12、.我國民間“打鐵”過程一般有幾步？答：加熱，鍛打，淬火9.什么是催化劑？催化劑的基本特性是什么？在多相催化反應過程中，從反應物到產物一般經歷哪些步驟？答：A.在化學反應里能改變其他物質的化學反應速率，而本身的質量和化學性質在反應前后都沒有發(fā)生變化的物質叫做催化劑，又叫觸媒。B.催化劑的基本特征：催化劑只能實現熱力學可行的反應，不能實現熱力學不可能的反應；催化劑只能改變化學反應的速度，不能改變化學平衡的位置；催化劑能降低反應的活化能，改變反應的歷程；催化劑對反應具有選擇性。窗體頂端1. 反應物分子從反應器內流體體相向固體催化劑外表面擴散，稱為外擴散2. 反應物分子從催化劑外表面沿著微孔方向朝催化

13、劑內表面擴散，稱為內擴散3. 反應物分子在催化劑表面發(fā)生化學吸附4. 表面反應5. 吸附態(tài)產物從催化劑表面脫附6. 吸附態(tài)產物從催化劑內表面擴散到外表面7. 吸附態(tài)產物從催化劑外表面擴散到反應流體體相中.10.高分子材料是近代科學技術發(fā)展形成的新專業(yè)，在中國僅僅只有30年左右的歷史，它是材料這個傳統(tǒng)的大學科中一片新領域，它主要包括七個方面，請列舉。答：塑料，橡膠，合成纖維，涂料，膠黏劑，高分子樹脂復合材料，功能高分子材料11.請列舉一件高分子材料在軍工上應用實例。答：樹脂基復合材料具有優(yōu)異的綜合性能，制備工藝容易實現，原料豐富。在航空工業(yè)中，樹脂基復合材料用于制造飛機機翼、機身、鴨翼、平尾和發(fā)

14、動機外涵道；在航天領域，樹脂基復合材料不僅是方向舵、雷達、進氣道的重要材料，而且可以制造固體火箭發(fā)動機燃燒室的絕熱殼體，也可用作發(fā)動機噴管的燒蝕防熱材料。近年來研制的新型氰酸樹脂復合材料具有耐濕性強，微波介電性能佳，尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)點，廣泛用于制作宇航結構件、飛機的主次承力結構件和雷達天線罩。環(huán)氧樹脂屬上海樹脂所的AG80了，應用很廣。648，氰酸酯等也比較多聚酰亞胺纖維的主要應用領域為環(huán)保行業(yè)的工業(yè)高溫除塵過濾材料、航空航天行業(yè)的輕質電纜護套及耐高溫特種編織電纜、其他領域的過濾、隔火氈、防火阻燃服裝及先進復合材料的增強劑等。12.智能材料的三要素是什么？人工合成自愈合材料的作用機制可以是哪些

15、？答：A.智能材料必須具備感知、驅動和控制這三個基本要素B.智能材料（Intelligent material），是一種能感知外部刺激，能夠判斷并適當處理且本身可執(zhí)行的新型功能材料。智能材料是繼天然材料、合成高分子材料、人工設計材料之后的第四代材料. C. 智能材料有七大功能，即傳感功能、反饋功能、信息識別與積累功能、響應功能、自診斷能力、自修復能力和自適應能力。D.自愈合聚合物材料本身就具有恢復材料的載荷傳遞能力，這種恢復可以是自主地發(fā)生，也可以是被一個具體的 刺 激 物 所 激 發(fā) 的，1.分子互擴散導致的自愈合2. 由光引發(fā)的自愈合3.通過形成可逆鍵的自愈合4.活性聚合導致的自愈合5納米

16、粒子自愈合.6. 金屬基自愈復合材料7. 混合磨損自愈材料13什么是生物醫(yī)用材料？什么材料可作為生物醫(yī)用材料？什么是組織工程技術答：A.生物醫(yī)學材料指的是一類具有特殊性能、特種功能，用于人工器官、外科修復、理療康復、診斷、治療疾患，而對人體組織不會產生不良影響的材料。B.現在各種合成材料和天然高分子材料、金屬和合金材料、陶瓷和碳素材料以及各種復合材料，其制成產品已經被廣泛地應用于臨床和科研。C. 定義：應用生命科學與工程學的原理與技術，在正確認識哺乳動物的正常及病理兩種狀態(tài)下的組織結構與功能關系的基礎上，研究、開發(fā)用于修復、維護、促進人體各種組織或器官損傷后的功能和形態(tài)的生物替代物的一門新興學

17、科。D.組織工程研究主要包括四個方面：種子細胞、生物材料、構建組織和器官的方法和技術以以及組織工程的臨床應用。目前臨床上常用的組織修復途徑大致有3種：即自體組織移植、異體組織移植或應用人工代用品。14. 舉例論述功能晶體材料在社會發(fā)展中起什么作用。答：1.光學晶體：主要用于光學儀器的透過窗口、棱鏡、透鏡、濾光和偏元件及相位補償鏡等2. 非線性光學晶體：其重要應用之一是激光頻率轉換晶體，用于紅寶石激光器、可調諧激光器、半導體激光器。3. 如用于導彈紅外制導頭的多元紅外探測器器件材料碲鎘汞、紅外探測藍寶石窗口，精確制導的激光晶體材料紅寶石和銣釔鋁石榴石、紅外接收系統(tǒng)中的關鍵材料碲鎘汞、電子吊艙中的

18、砷化鎵材料和空一空導彈整流罩材料多晶硫化鋅等。15.舉例論述不同功能晶體材料的功能之間的相互關系和相互轉化。16舉例五種以上太陽電池的名稱。闡述太陽電池的工作原理。答：A.太陽能電池根據所用材料的不同，太陽能電池還可分為：硅太陽能電池、多元化合物薄膜太陽能電池、聚合物多層修飾電極型太陽能電池、納米晶體太陽能電池、有機太陽能電池，其中硅太陽能電池是目前發(fā)展最成熟的，在應用中居主導地位。B. 太陽能電池工作原理的基礎是半導體PN結的光生伏特效應。所謂光生伏打效應就是當物體受到光照時，物體內的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產生電動勢和電流的一種效應。當太陽光或其他光照射半導體的PN結時，就會在PN結的兩邊出

19、現電壓，叫做光生電壓。17. 什么是信息、信息技術及信息材料？信息材料有哪些類型？答：A.信息，指音訊、消息、通訊系統(tǒng)傳輸和處理的對象，泛指人類社會傳播的一切內容B. 它主要是指利用電子計算機和現代通信手段實現獲取信息、傳遞信息、存儲信息、處理信息、顯示信息、分配信息等的相關技術。C. 信息材料屬于功能材料，是為實現信息探測、傳輸、存儲、顯示和處理等功能使用的材料 D. 信息材料主要有以下幾類。1.信息探測材料對電、磁、 光、聲、熱輻射、壓力變化或化學物質敏感的材料屬于此類，可用來制成傳感器，用于各種探測系統(tǒng)，如電磁敏 感材料、光敏材料、壓電材料等。這些材料有陶瓷、半導體和有機高分子化合物等多

20、種。2.信息傳輸材料主要 是光導纖維，簡稱光纖。它重量輕、占空間小、抗電磁干擾、通信保密性強，可以制成光纜以取代電纜，是一種 很有發(fā)展前途的信息傳輸材料。3信息存儲材料包括：磁存儲材料，主要是金屬磁粉和鋇鐵氧體磁粉，用于計算機存 ；光存儲材料，有磁光記錄材料、相變光盤材料等，用于外存；鐵電介質存儲材料，用于動態(tài)隨機存取存儲器；半 導體動態(tài)存儲材料，目前以硅為主，用于內存。4.信息處理材料是制造信息處理器件如晶體管和集成電路的材料 。目前使用最多的是硅。砷化鎵也是一種重要的信息處理材料。18. 結合具體事例，說明材料對信息技術、能源技術發(fā)展的推動作用。答：A.1906年佛萊斯特發(fā)明了電子管，才有了無線電廣