功能材料概論期末復(fù)習(xí)課件

1、1功能材料概論功能材料概論哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社2期末復(fù)習(xí)大綱期末復(fù)習(xí)大綱l1、晶體學(xué)基礎(chǔ)；、晶體學(xué)基礎(chǔ)； 晶格結(jié)構(gòu)種類，化學(xué)鍵種類等基本概念。晶格結(jié)構(gòu)種類，化學(xué)鍵種類等基本概念。l2、磁性材料；、磁性材料； 軟磁材料，硬磁材料，磁存儲材料（包括軟磁材料，硬磁材料，磁存儲材料（包括巨磁阻材料等）巨磁阻材料等）l3、半導(dǎo)體材料；、半導(dǎo)體材料； 單質(zhì)半導(dǎo)體（硅、鍺、金剛石等）、化合單質(zhì)半導(dǎo)體（硅、鍺、金剛石等）、化合物半導(dǎo)體（重點(diǎn)為物半導(dǎo)體（重點(diǎn)為III-V族，族，GaAs為例）為例）3期末復(fù)習(xí)大綱期末復(fù)習(xí)大綱l4、納米材料；、納米材料； 定義、重要特征（在力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、定義、重要特征（在力學(xué)、

2、熱學(xué)、光學(xué)、磁性等方面特征），重要的制備工藝（比如溶磁性等方面特征），重要的制備工藝（比如溶膠凝膠法）膠凝膠法）l5、超導(dǎo)材料；、超導(dǎo)材料； 超導(dǎo)材料的定義、特性、分類，超導(dǎo)微觀超導(dǎo)材料的定義、特性、分類，超導(dǎo)微觀理論，高溫超導(dǎo)材料的研究和發(fā)展歷史，超導(dǎo)理論，高溫超導(dǎo)材料的研究和發(fā)展歷史，超導(dǎo)材料的應(yīng)用。材料的應(yīng)用。l6、高分子材料、儲氫材料（基本概念）、高分子材料、儲氫材料（基本概念） 基本定義，特性，材料歸類基本定義，特性，材料歸類4第第1章、晶體學(xué)基礎(chǔ)章、晶體學(xué)基礎(chǔ)l1、空間點(diǎn)陣 空間點(diǎn)陣就其對稱性，可以分為十四種類型，隸屬于七個晶系。l2、常見金屬的晶格類型 簡單立方晶格（SC） 面心

3、立方晶格(FCC) 體心立方晶格(BCC) 密排立方晶格(HCP) 5第第1章、晶體學(xué)基礎(chǔ)章、晶體學(xué)基礎(chǔ)l3、化學(xué)鍵與晶體類型 離子鍵與離子晶體 原子間最簡單的作用力是離子鍵；離子晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，結(jié)合能較大，具有導(dǎo)電性差、熔點(diǎn)高、硬度高和膨脹系數(shù)小等特點(diǎn)。 共價鍵與原子晶體 共價鍵基本特點(diǎn)：飽和性、方向性 金屬鍵與金屬晶體 金屬鍵基本特征是電子為晶體共有；金屬具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性及高延展性，其熔點(diǎn)較高 范德華力與分子晶體6第第1章、晶體學(xué)基礎(chǔ)章、晶體學(xué)基礎(chǔ)l4.典型晶體結(jié)構(gòu) 氯化鈉（NaCl）：面心立方結(jié)構(gòu) 氯化銫（CsCl）：簡單立方結(jié)構(gòu) 金剛石：面心立方結(jié)構(gòu) 半導(dǎo)體鍺和硅：金剛石結(jié)構(gòu) 7

4、第第1章、晶體學(xué)基礎(chǔ)章、晶體學(xué)基礎(chǔ)l5.晶體缺陷 點(diǎn)缺陷：空位、間隙原子、雜質(zhì)原子 線缺陷：刃型位錯、螺旋位錯 面缺陷：表面、界面和堆垛層錯8第第2章、高分子材料章、高分子材料l1、高分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)l全同立構(gòu)、間同立構(gòu)、無規(guī)立構(gòu)l共聚物的連接方式：無規(guī)共聚物、交替共聚物、嵌段共聚物、接枝共聚物l2、大分子的形狀 線型、支鏈型、體型l3、聚合物的固體結(jié)構(gòu) 低分子物質(zhì)具有氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)9第第2章、高分子材料章、高分子材料l4、高聚物的分類 按高分子化合物的性能和用途分類：l塑料：熱性能熱塑性塑料（線型和支鏈型聚合物，受熱即軟化或熔融，聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯）；熱固性塑料（交聯(lián)結(jié)構(gòu)，加熱不軟化和

5、熔融，酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯）。 使用性能通用塑料、工程塑料l橡膠：天然橡膠、合成橡膠纖維：天然纖維（棉、毛、絲、麻）、化學(xué)纖維人造纖維（粘膠、醋酸纖維）、合成纖維（滌綸、錦綸）10第第2章、高分子材料章、高分子材料l5、高聚物的性質(zhì) 高分子化合物的相對分子質(zhì)量大，且相對分子質(zhì)量和結(jié)構(gòu)多分散性。l熱性能：交聯(lián)型聚合物在受熱時不熔融，當(dāng)溫度足夠高時就會分解。線型聚合物加熱到一定溫度后就軟化，進(jìn)而熔融，還有些聚合物熔融時就會分解。l力學(xué)性能（非晶態(tài)高聚物）：玻璃態(tài)、高彈態(tài)、粘流態(tài)。l溶解過程及溶液性質(zhì)：聚合物在溶解之前總要經(jīng)過“溶脹”階段。11第第3章、超導(dǎo)材料章、超導(dǎo)材料l1、定義 具有

6、在一定的低溫條件下呈現(xiàn)出電阻等于零以及排斥磁力線的性質(zhì)的材料 。l2、超導(dǎo)體的臨界參數(shù) 臨界溫度Tc 臨界溫度越高越好。 臨界磁場Hc 破壞超導(dǎo)態(tài)的最小磁場強(qiáng)度。 臨界電流Ic 超導(dǎo)態(tài)允許流動的最大電流。12第第3章、超導(dǎo)材料章、超導(dǎo)材料l3、低溫超導(dǎo)材料 元素超導(dǎo)體 目前已發(fā)現(xiàn)具有超導(dǎo)電性的金屬元素有28種。過渡族元素18種，非過渡元素10種。 合金超導(dǎo)體 Nb-Zr、Nb-Ti 化合物超導(dǎo)材料 按晶格類型分為B1型（NaCl型），A15型（最受重視），C15（拉威斯型），菱面晶型（肖布萊爾型）。13第第3章、超導(dǎo)材料章、超導(dǎo)材料l4、應(yīng)用l新能源：超導(dǎo)受控?zé)岷朔磻?yīng)堆、超導(dǎo)磁流體發(fā)電l節(jié)能方

7、面：超導(dǎo)輸電、超導(dǎo)發(fā)電機(jī)和電動機(jī)、超導(dǎo)變壓器l超導(dǎo)磁懸浮列車l超導(dǎo)貯能l約瑟夫森器件：幾種常見的約瑟夫森結(jié)有隧道結(jié)、超導(dǎo)微橋、點(diǎn)接觸結(jié)。14第第4章、貯氫合金章、貯氫合金l1、金屬與氫的反應(yīng)，是一個可逆過程。正向反應(yīng)，吸氫、放熱；逆向反應(yīng)，釋氫、吸熱。l2、分類：l鎂系貯氫合金：MgH2l稀土系：LaNi5三元系、MmNi5系、MlNi5系l鈦系貯氫合金：鈦鐵系合金、鈦錳系合金機(jī)械合金化（MA）技術(shù)及復(fù)合貯氫合金15第第4章、貯氫合金章、貯氫合金l3、貯氫材料應(yīng)具備的條件：（理解）l吸氫能力大l金屬氫化物的生成熱要適當(dāng)l平衡氫壓適當(dāng)l吸氫、釋氫速度快l傳熱性能好l對氧、水和二氧化碳等雜質(zhì)敏感性

8、小，反復(fù)吸氫，釋氫時，材料性能不致惡化l在貯存與運(yùn)輸中性能可靠、安全、無害l化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，經(jīng)久耐用l價格便宜滿足要求的主要合金成分有：Mg,Ti,Nb,V,Zr和稀土類金屬，添加成分有Cr,Fe,Mn,Co,Ni,Cu等。16第第4章、貯氫合金章、貯氫合金l4、應(yīng)用l作為貯運(yùn)氫氣的容器l氫能汽車l分離、回收氫l制取高純度氫氣l氫氣靜壓器氫化物電級17第第7章、磁性材料章、磁性材料l1、軟磁材料軟磁材料的磁滯回線細(xì)長，磁導(dǎo)率高，矯頑力低，鐵芯損耗低，容易磁化，也容易去磁；在通訊技術(shù)與電子技術(shù)中應(yīng)用廣泛，可用來制造電感元件，如變壓器、繼電器、電磁鐵、電機(jī)的鐵心等。種類：金屬軟磁材料、軟磁鐵氧體 金

9、屬軟磁材料是磁性材料中用途最廣、用料最大的一類材料，包括純鐵、電工鋼、合金和非晶態(tài)合金。18第第7章、磁性材料章、磁性材料l2.常用的金屬軟磁材料 電工用純鐵 電工用純鐵只能在直流磁場下工作，在交變磁場下工作，渦流損耗大。 電工用硅鋼片 工業(yè)上使用的硅鋼片一般在交變磁場下工作。 鐵鎳合金與鐵鋁合金 鐵鎳軟磁合金的性能比電工鋼更優(yōu)越，被廣泛應(yīng)用于電訊工業(yè)，儀表，電子計算機(jī)等。19第第7章、磁性材料章、磁性材料 非晶態(tài)合金（磁導(dǎo)率高，電阻大，損耗?。╄F基非晶態(tài)軟磁合金：飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度高；缺點(diǎn)是磁致伸縮系數(shù)大。鈷基非晶態(tài)軟磁合金：飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度較低，磁導(dǎo)率高，矯頑力低，損耗??；磁致伸縮系數(shù)趨近于零，

10、是理想的磁頭材料。鐵鎳基非晶態(tài)軟磁合金20第第7章、磁性材料章、磁性材料l3、硬磁材料概念：硬磁料也稱為永磁材料，是指材料被外磁場磁化以后，去掉外磁場仍然保持著較強(qiáng)剩磁的材料。評價硬磁材料性能的指標(biāo)：剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br、矯頑力Hc、最大磁能積（BH）max以及凸起系數(shù)21第第7章、磁性材料章、磁性材料l4.常用金屬永磁材料鋁鈷鎳永磁合金 AlNiCo5型合金價格適中，性能良好，故成為這一系列中使用最廣泛的合金。稀土永磁材料：稀土鈷永磁材料 Nd Fe B系合金 R Fe N系永磁合金可加工的永磁合金： 鐵基合金 Fe Mn Ti及Fe Co V合金 Fe Cr Co永磁合金 （淬火后具有可塑性

11、）22第第7章、磁性材料章、磁性材料l5、粘結(jié)永磁材料l優(yōu)點(diǎn)：l尺寸精度高，成型后不需要再進(jìn)行外形加工l機(jī)械性能好l磁體各部分性能均勻性好，各磁體間的性能一致性好l成型性好，能制成形狀復(fù)雜的，薄的和細(xì)的磁體，且容易與其他部件一體成型l易于進(jìn)行磁體的徑向取向和多極充磁 在各種粘結(jié)永磁材料具有最高的磁性能，可用于音響器件、儀表、磁療器械、門鎖等許多方面。23第第7章、磁性材料章、磁性材料l6、磁記錄原理簡介磁記錄的模式：水平（縱向）磁記錄，垂直磁記錄，雜化磁記錄。磁記錄系統(tǒng)基本單元：換能器（磁頭）、存儲介質(zhì)、傳送介質(zhì)以及相匹配的電子線路。信號的磁記錄是以鐵磁物質(zhì)的磁滯現(xiàn)象為基礎(chǔ)。24第第7章、磁性

12、材料章、磁性材料最基本的磁記錄信號：音頻信號、數(shù)字信號、調(diào)頻信號。磁記錄方式：模擬記錄（錄音，錄像）、數(shù)字記錄（磁盤，磁鼓）。水平磁記錄方式記錄后介質(zhì)的剩余磁化強(qiáng)度方向與磁層的平面平行，記錄信號為矩形波。磁記錄介質(zhì)（結(jié)構(gòu)）：磁粉涂布型（水平記錄）、連續(xù)薄膜型（垂直記錄）。25第第7章、磁性材料章、磁性材料l7、磁頭材料基本性能要求：l高的磁導(dǎo)率l高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bsl低的Br和Hcl高的電阻率和耐磨性磁頭鐵芯材料：l合金材料l非晶態(tài)合金l薄膜磁頭材料鐵氧體26第第7章、磁性材料章、磁性材料l8、對制做記錄介質(zhì)的磁性材料的要求：l剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br高l矯頑力Hc適當(dāng)?shù)母遧磁滯回線接近矩形， H

13、c附近的磁導(dǎo)率盡量高l磁層均勻，厚度適當(dāng)，記錄密度越高，磁層越薄l磁性粒子的尺寸均勻，城單疇狀態(tài)l磁致伸縮小，不產(chǎn)生明顯的加壓退磁效應(yīng)l基本磁特性的溫度系數(shù)小，不產(chǎn)生明顯的加熱退磁效應(yīng)磁粉粒子易分散，在磁場作用下容易取向排列，不形成磁路閉合的粒子集團(tuán)。27第第7章、磁性材料章、磁性材料l9、磁記錄介質(zhì)材料 顆粒（磁粉）涂布型介質(zhì)金屬磁粉的缺點(diǎn)是穩(wěn)定性差，易氧化。通常采用合金化或有機(jī)膜保護(hù)的方法控制表面氧化，但會使磁粉的磁化強(qiáng)度降低。制備磁粉的方法：還原法、蒸發(fā)法 連續(xù)薄膜型磁記錄介質(zhì) 制備方法：濕法（化學(xué)法，如電鍍和化學(xué)鍍）和干法（物理法，如濺射法、真空蒸鍍法及離子噴鍍法等）28第第7章、磁性

14、材料章、磁性材料10、巨磁電阻材料超巨磁電阻（GMR)效應(yīng)的材料有多層膜、自旋閥、顆粒膜、非連續(xù)多層膜、氧化物超巨磁電阻薄膜等五大類。磁電子學(xué)是研究和應(yīng)用磁性材料中電子自旋（磁矩）與電子電荷運(yùn)動（電流）之間相互作用與相互影響的科學(xué)。利用巨磁電阻效應(yīng)可制作磁傳感器，靈敏度高，體積小，使用功率低。29第第7章：比較硬磁材料和軟磁材料的區(qū)別。章：比較硬磁材料和軟磁材料的區(qū)別。以硬盤技術(shù)為例，描述硬磁和軟磁材料在以硬盤技術(shù)為例，描述硬磁和軟磁材料在磁頭和磁盤（磁存儲介質(zhì)）中的應(yīng)用。磁頭和磁盤（磁存儲介質(zhì)）中的應(yīng)用。（20分）分）l磁性材料按照磁化后去磁的難易程度，可分為軟磁性材料和硬磁性材料。磁化后容

15、易去掉磁性的物質(zhì)叫軟磁材料，不容易去磁的物質(zhì)叫硬磁材料。一般來講軟磁性材料剩磁較小，硬磁性材料剩磁較大。 l軟磁材料中的非晶態(tài)合金是作為磁頭材料的一種，其頻率特性，硬度和Bs都比晶態(tài)的磁性合金及鐵氧體材料好，更符合高密度磁記錄的要求。主要缺點(diǎn)是溫度穩(wěn)定性差，加工過程中要嚴(yán)格控制溫度，防止晶化。鐵基和鈷基非晶態(tài)合金都適合作磁頭材料。l制做磁存儲介質(zhì)的材料要求具有高剩磁和高的矯頑力。Fe和FeCo等硬磁材料既具有很高的飽和磁化強(qiáng)度，又有很高的矯頑力，理論上是理想的磁記錄材料。磁感應(yīng)強(qiáng)度高可以在較薄的磁層內(nèi)得到較大的讀出信號；矯頑力高能使磁記錄介質(zhì)承受較大的退磁作用，這是高密度紀(jì)錄的必要條件。30第

16、第8章、半導(dǎo)體材料章、半導(dǎo)體材料l1、硅和鍺的性質(zhì)l灰色金屬光澤的固體，硬而脆。l常溫下化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定；高溫，同氧、氯等反應(yīng)，故自然界沒有游離狀態(tài)的硅和鍺存在。l鍺不溶于鹽酸或稀硫酸，但能溶于熱的濃硫酸、濃硝酸、王水及HF-HNO3混合酸中。l硅不溶于鹽酸、硫酸、硝酸及王水，易被HF-HNO3混合酸所溶解，工業(yè)中常用此酸作為硅的腐蝕液。硅與金屬作用生成的硅化物具有導(dǎo)電性良好、耐高溫、抗電遷移等特性。31第第8章、半導(dǎo)體材料章、半導(dǎo)體材料l金剛石結(jié)構(gòu)，化學(xué)鍵為共價鍵。l間隙帶半導(dǎo)體。l在鍺、硅的雜質(zhì)可分為兩類，一類是A族或A族元素， A族起受主作用使材料呈p型導(dǎo)電， A族雜質(zhì)起施主作用，使材料呈n

17、型導(dǎo)電。另一類是除A、A族以外的雜質(zhì)。32第第8章、半導(dǎo)體材料章、半導(dǎo)體材料l8、硅和鍺晶體的制備鍺：直拉法；硅：直拉法、懸浮區(qū)熔法CZ法（直拉法）：它是生長元素和A-A族化合物半導(dǎo)體單晶的主要方法。該法是在盛有熔硅或鍺的坩堝內(nèi)，引入籽晶作為非均勻晶核，然后控制溫度場，將籽晶旋轉(zhuǎn)并緩慢向上提拉，晶體便在籽晶下按籽晶的方向長大。區(qū)熔法：工業(yè)上將區(qū)域提純與晶體生長結(jié)合起來，可制取高純單晶。在高純石墨舟前端放上籽晶，后面放上原料錠。建立熔區(qū)，將原料錠與籽晶一端熔合后，移動溶區(qū)，單晶便在舟內(nèi)生長。33第第8章、半導(dǎo)體材料章、半導(dǎo)體材料l9、化合物半導(dǎo)體材料l概念：由兩種或兩種以上元素以確定的原子配比形

18、成的化合物并具有確定的禁帶寬度和能帶結(jié)構(gòu)等半導(dǎo)體性質(zhì)的化合物成為化合物半導(dǎo)體材料。34第第8章、半導(dǎo)體材料章、半導(dǎo)體材料l10、砷化鎵（GaAs）l晶體結(jié)構(gòu)是閃鋅礦型l砷化鎵的化學(xué)鍵和能帶結(jié)構(gòu)與鍺和硅不同，為直接帶系結(jié)構(gòu)。l砷化鎵的制備主要有從熔體中生長體單晶和外延生長薄層單晶等方法。l砷化鎵單晶的制備方法：一種是在石英管密封系統(tǒng)中裝有砷源，通過調(diào)節(jié)砷源溫度來控制系統(tǒng)中的砷壓。包括水平區(qū)熔法、定向結(jié)晶法、溫度梯度法、磁拉法和浮區(qū)熔煉法。另一種是將熔體用某種液體覆蓋，并在壓力大于砷化鎵離解壓的氣氛中合成拉晶，稱為液體封閉直拉法。l目前國內(nèi)外在工業(yè)生產(chǎn)中主要采用水平區(qū)熔法和液體封閉直拉法制備砷化鎵

19、單晶。35第第12章、納米材料章、納米材料l1、概念 納米材料是指尺寸在1100nm之間的超細(xì)微粒，是肉眼和一般顯微鏡看不見的微小粒子。l2、分類 按其顆粒組成的尺寸和排列狀態(tài)，可分為納米晶體和納米非晶體。l3、效應(yīng) 小尺寸效應(yīng)、表面與界面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)36第第12章、納米材料章、納米材料l4、小尺寸效應(yīng) 力學(xué)性質(zhì) 優(yōu)良的韌性和延展性。 熱學(xué)性質(zhì) 固體物質(zhì)在粗晶粒尺寸時，有固定的熔點(diǎn)，超微化后，熔點(diǎn)降低。 光學(xué)性質(zhì) 金屬納米微粒均為黑色，尺寸越小，色彩越黑，對光的反射率低，大約幾納米厚度即可消光。 磁性 高磁化率和矯頑力，低飽和磁矩和低磁滯損耗。矯頑力為零時，表現(xiàn)出超順磁性。37第第12章

20、、納米材料章、納米材料l5、表面與界面效應(yīng)隨著粒徑減小，表面變大，引起表面原子數(shù)迅速增加，增加了納米微粒的活性。表面微粒的活性不僅引起微粒表面原子輸運(yùn)和構(gòu)型的變化，而且也引起表面電子旋構(gòu)象和電子能譜的變化。38第第12章、納米材料章、納米材料l6、制備方法 惰性氣體淀積法、還原法、化學(xué)氣相淀積法、溶膠-凝膠法、球磨法。l7、球磨法目的：減小微粒尺寸、固態(tài)合金化、混合以及改變微粒形狀。方法：滾轉(zhuǎn)、摩擦磨、振動磨和平面磨39第第12章、納米材料章、納米材料l8、溶膠-凝膠法溶膠-凝膠方法用一種或多種醇鹽的均勻溶液作原料，醇鹽是制備氧化硅、氧化鋁、氧化鈣及氧化鋯的有機(jī)金屬前驅(qū)體，可用一種催化劑來啟動

21、化學(xué)反應(yīng)并控制pH值。工藝路線：溶解和前驅(qū)體反應(yīng)；凝膠成型；干燥；燒結(jié)得到致密物質(zhì)。優(yōu)點(diǎn)：工藝簡單，所得物質(zhì)純度高，通過燒結(jié)可以得到致密陶瓷。能夠制備氣孔相互連接的多空納米材料。40考題舉例：考題舉例：選擇題：選擇題：1、以下幾種材料，屬于磁性材料的是（、以下幾種材料，屬于磁性材料的是（ ）。）。2、以下幾種材料，屬于半導(dǎo)體材料的是（、以下幾種材料，屬于半導(dǎo)體材料的是（ ）。）。3、以下幾種材料，屬于超導(dǎo)材料的是（、以下幾種材料，屬于超導(dǎo)材料的是（ ）。）。4、以下幾種材料，屬于儲氫材料的是（、以下幾種材料，屬于儲氫材料的是（ ）。）。5、以下幾種材料，屬于高分子材料的是（、以下幾種材料，屬于高分子材料的是（ ）。）。（A）Al