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材料与社会发展课程复习题


“材料与社会发展”课程复习题
1. 什么是材料?简述材料分类以及各类材料的基本特性。
材料是具有一定性能,可以用来制作器件、构件、工具、装置等物品的物质。简单地说,材料是人类可用来制 作有用器件的物质。 分类:可按材料的使用性能、化学组成(属性)、用途(功能特性)、结晶状态、尺寸分类 金属材料:结合键为金属键,常规方法生产的金属为晶体结构;金属在常温下一般为固体,熔点较高;具有金 属光泽;纯金属范性大,展性、延性也大;强度较高;自由电子的存在,金属的导热和导电性好;多数金属空 气中易被氧化。 无机非金属材料:硬而脆、韧性低、抗压不抗拉、对缺陷敏感;熔点较高,具有优良的耐高温、抗氧化性能; 导热性和导电性较小(自由电子数目少);耐化学腐蚀性好;耐磨损;成型方式为粉末制坯、烧结成型;化学 键主要是离子键、共价键以及它们的混合键。 高分子材料:质量轻;良好的绝缘性;优越的化学稳定性;成型方法较多;结合键主要为共价键,有部分范德 华键;分子量大,无明显的熔点,有玻璃化转变温度、粘流温度。并有热塑性和热固性两类;力学状态有玻璃 态、高弹态和粘流态,强度较高。 复合材料:良好的抗疲劳性能;耐烧蚀性和耐高温性好;结构件减震性能好;具有良好的减磨、耐磨和自润滑 性能;比强度和比模量高。

2.

请举例说明材料工程与材料科学之间的差别和联系?请给出材料科学研究的五要素图。
材料科学是研究材料的组织结构、性质、生产流程和使用效能以及它们之间的相互关系,集物理学、化学、冶 金学等于一体的科学。材料科学是一门与工程技术密不可分的应用科学,研究材料的组成、结构、性能以及它 们之间的相互关系。中国的材料科学研究水平位居世界前列,有些领域甚至居于世界领先水平。材料工程是研 究、开发、生产和应用金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料的工程领域。其工程硕士学位授权 单位培养从事新型材料的研究和开发、材料的制备、材料特性分析和改性、材料的有效利用等方面的高级工程 技术人才。要素:性质、合成制备、组成与结构和使用性能。其中,组成与结构是核心要素。同时,前面三者 共同支撑“使用性能”。这四者的关系组成一个正四面体。 五要素:成分、合成/制备、组织结构、性质和效能。

3.

材料在历史中发挥重要作用对你印象深刻之处,请举例说明!
材料的发展与人类进步和发展息息相关。一万年前,人类使用石头作为日常生活工具,人类进入旧时器时 代,人类战争也进入了冷兵器时代。7000 年前人类在烧制陶器的同时创造了炼铜技术,青铜制品泛地得到应 用,同时又促进了人类社会发展,人类进入了青铜器时代。同时火药的发明又使人类战争进入了杀伤力更强的 热兵器时代。5000 年前人类开始使用铁,随着炼铁技术的发展,人类又发明了炼钢技术。十九世纪中期转炉、 平炉炼钢的发展使得世界钢产量迅猛增加,大大促进了机械、铁路交通的发展。随着二十世纪中期合金钢的大 量使用,人类又进入钢铁时代,钢铁在人类活动中起着举足轻重的作用。核材料的发现,又将人类引入了可以

毁灭自己的核军备竞赛,同时核材料的和平利用,又给人类带来了光明。二十世纪中后期以来,高分子、陶瓷 材料崛起以及复合材料的发展,又给人类带来了新的材料和技术革命,楼房可以越盖越高、飞机越飞越快,同 时人类进入太空的梦想成为了现实。 比如电子组件的演进, 从体积非常大的真空管、 晶体管进步到集成电路 (IC 化) , 不仅为现代的科技另造高峰, 同时也使得电器用品趋于小型化、 轻巧化、 功能强、 易于携带等种种好处。 所以说人类的生活确实是与材料科学有关。 1982 年日本首次研制出了陶瓷发动机小汽车,引起了世界性轰。因为它的 出现将使发动机重量减轻,提高燃 烧度和节约燃料的愿望成为现实。1988 年前 苏联一架以液氢为燃料的中型运输机首次试飞成功,象征人类在 航空领域中启 用了无污染的新能源--液氢。液氢的沸点为-253℃,携储液氢需要高效率的绝热材料。液氢发 动机的使用,则意味着低温极限技术已达到实用化程度。1989 年 3 月,日本的一艘 6500 号潜水调查船下潜到 6500 米的深海区,打破了美国、前苏联和德国的下潜纪录。这艘潜水艇耐水舱用的正是一种高强度钛合金, 观察窗使用的是一种新型的有机玻璃。有了深海探测技术,人们才可实现对人类资源开发有不可估量的意义深 海资源的开发。

4.

与我们生活密切相关的交通或日常用品中,哪些是以钢为主要承力材料的?钢铁在历史中作用显 著,如何在未来发挥重要作用?
建造北京奥运会主体育场“鸟巢”,就是用了大量的钢材。 建材:卷门、轻型钢、防火门。 运输:汽车内、外车身板件、排气管。 家电:冰箱、洗衣机外壳、干衣机外壳。 一般:标识牌、展示柜,冷冻商品陈列橱 桥梁建筑的钢材, 未来汽车、 飞机的发展都离不开钢铁。 生活与钢铁息息相关, 钢铁的发展关系到人类的进步。

5.

如何评定材料的硬和软?控制钢的硬或软的主要因素是什么?
硬度是衡量材料软硬程度的一个性能指标。硬度试验的方法较多,原理也不相同,测得的硬度值和含义也不完 全一样。最常用的是静负荷压入法硬度试验,即布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HRA,HRB,HRC)、维氏硬度(HV), 其值表示材料表面抵抗坚硬物体压入的能力。而里氏硬度(HL)、肖氏硬(HS)则属于回跳法硬度试验,其值代 表金属弹性变形功的大小。因此,硬度不是一个单纯的物理量,而是反映材料的弹性、塑性、强度和韧性等的 一种综合性能指标。控制钢的软、硬的主要因素是钢的金相组织和钢中碳含量、不同合金元素的构成与含量。 常见的金相组织有铁素体、奥氏体、马氏体等,马氏体相对而言硬一些;含碳量相对高的比含碳量相对低的硬 一些;合金元素钨、铬等的含量高,相对材料也偏硬一些。

6.

我国民间“打铁”过程一般有几步?生铁、熟铁和钢有什么区别,如何从生铁得到钢?如何从熟 铁得到钢?
加热、锻打、淬火。

铁分为生铁和熟铁。熟铁、钢和生铁都是铁碳合金,以碳的含量多少来区别。一般含碳量小于 0.2%的叫熟铁 或纯铁,含量在 0.2-1.7%的叫钢,含量在 1.7%以上的叫生铁。熟铁软,塑性好,容易变形,强度和硬度均较 低,用途不广;生铁含碳很多,硬而脆,几乎没有塑性;钢具有生铁和熟铁两种优点,为人类广泛利用。 通过在高温条件下,让生铁里面的过量的碳元素与氧气反应消耗掉。

7.

古代铸造青铜器的主要步骤有哪几步?何为青铜器时代和铁器时代,是如何定义的?
制模—制范—浇注—修整。(块范法,失蜡法) 青铜时代:青铜时代(或称青铜器时代或青铜文明)在考古学上是以使用青铜器为标志的人类文化发展的一个 阶段。铁器时代:是继青铜时代之后的又一个时代,它以能够冶铁和制造铁器为标志。 在历史上,人们将石器、青铜器、铁器等当时的主导材料作为时代的标志,称其为石器时代、青铜器时代和铁 器时代。

8.

铝合金可以分为哪两大类?什么样的热处理工艺可以提高铝合金的强度?
变形铝合金和铸造铝合金;固溶处理、时效处理、淬火(详见打印资料)

9.

目前大多数汽车轮毂采用的材料是什么?
现在大部分车都采用铝合金轮毂

10. 什么叫粉末冶金?粉末冶金有什么特点?粉末烧结钢有什么特点?
粉末冶金是制取金属粉末或用金属粉末(或金属粉末与非金属粉末的混合物)作为原料,经过成形和烧结,制 造金属材料、复合材料以及各种类型制品的工艺技术。 特点:粉末冶金具有独特的化学组成和机械、物理性能,而这些性能是用传统的熔铸方法无法获得的。运用粉 末冶金技术可以直接制成多孔、半致密或全致密材料和制品,如含油轴承、齿轮、凸轮、导杆、刀具等,是一 种少无切削工艺。 (1)粉末冶金技术可以最大限度地减少合金成分偏聚,消除粗大、不均匀的铸造组织。在制备高性能稀土永 磁材料、稀土储氢材料、稀土发光材料、稀土催化剂、高温超导材料、新型金属材料(如 Al-Li 合金、耐热 Al 合金、超合金、粉末耐蚀不锈钢、粉末高速钢、金属间化合物高温结构材料等)具有重要的作用。 (2)可以制备非晶、微晶、准晶、纳米晶和超饱和固溶体等一系列高性能非平衡材料,这些材料具有优异的 电学、磁学、光学和力学性能。 (3)可以容易地实现多种类型的复合,充分发挥各组元材料各自的特性,是一种低成本生产高性能金属基和 陶瓷复合材料的工艺技术。 (4)可以生产普通熔炼法无法生产的具有特殊结构和性能的材料和制品,如新型多孔生物材料,多孔分离膜 材料、高性能结构陶瓷磨具和功能陶瓷材料等。 (5)可以实现近净形成形和自动化批量生产,从而,可以有效地降低生产的资源和能源消耗。 (6)可以充分利用矿石、尾矿、炼钢污泥、轧钢铁鳞、回收废旧金属作原料,是一种可有效进行材料再生和 综合利用的新技术。 我们常见的机加工刀具,五金磨具,很多就是粉末冶金技术制造的。

粉末烧结钢的特点:强度一般为 0.7GPa 左右,硬度和耐磨性均优于烧结铁。通过热处理和表面硬化处理可以 进一步提高其力学性能。

11. 请简要阐述热处理过程数值模拟技术的优势和难点?

难点:缺乏模拟所需的材料参数,即可靠的材料性能和边界条件数据。模型不是“万能的通用的”淬火过程的 模型不能用于加热过程。 理论基础、可靠数据、模拟工具和验证技术是材料热过程模拟的主要障碍。 如何在保证热处理零部件的变形均一性的同时实现性能的设计要求,是难题。

12. 阐述钛合金的性质及特点(三项以上)?钛合金分类和组织结构特点?举例α 稳定元素、β 稳定 元素和中性元素(一个即可)。
密度小,比强度高,耐高温,耐腐蚀,生物相容。 分类:α钛合金 它是α相固溶体组成的单相合金,不论是在一般温度下还是在较高的实际应用温度下,均是 α相,组织稳定,耐磨性高于纯钛,抗氧化能力强。在 500℃~600℃的温度下,仍保持其强度和抗蠕变性能, 但不能进行热处理强化,室温强度不高。 β钛合金 它是β相固溶体组成的单相合金, 未热处理即具有较高的强度, 淬火、 时效后合金得到进一步强化, 室温强度可达 1372~1666 MPa;但热稳定性较差,不宜在高温下使用。 α+β钛合金 它是双相合金,具有良好的综合性能,组织稳定性好,有良好的韧性、塑性和高温变形性能,能 较好地进行热压力加工,能进行淬火、时效使合金强化。热处理后的强度约比退火状态提高 50%~100%;高温 强度高,可在 400℃~500℃的温度下长期工作,其热稳定性次于α钛合金。 α稳定元素:铝 ;β稳定元素:钼、钒; 中性元素:锡、锆

13. 为什么要推进汽车轻量化?如何实现?材料如何选择?

为什么:汽车轻量化技术是有效降低油耗、减少排放和提升安全性的重要技术措施之一。汽车轻量化对汽车节 油、降低排放、改善性能、汽车产业健康发展都具有重要意义,是现代汽车工业技术发展的方向。 途径:①汽车主流规格车型持续优化,规格主参数尺寸保留的前提下,提升整车结构强度,降低耗材用量;② 采用轻质材料。如铝、镁、陶瓷、塑料、玻璃纤维或碳纤维复合材料等;③采用计算机进行结构设计。如采用 有限元分析、局部加强设计等;④采用承载式车身,减薄车身板料厚度等。 其中,当前的主要汽车轻量化措施主要是采用轻质材料。 材料选择:汽车轻量化的主要材料有碳纤维、铝合金、镁合金、钛合金、工程塑料、复合材料和高强度钢等, 主要用来改造和替代车身材料。

14. 高分子材料是近代科学技术发展形成的新专业,在中国仅仅只有 30 年左右的历史,它是材料这 个传统的大学科中一片新领域,它主要包括七个方面,请列举。
塑料,橡胶,合成纤维,涂料,胶黏剂,高分子树脂复合材料,功能高分子材料

15. 高分子材料在我国军工包括航天、航空、兵器、舰艇、核能等方面发挥重要的作用,请列举一件 高分子材料在军工上应用实例。
树脂基复合材料具有优异的综合性能,制备工艺容易实现,原料丰富。在航空工业中,树脂基复合材料用于制 造飞机机翼、机身、鸭翼、平尾和发动机外涵道;在航天领域,树脂基复合材料不仅是方向舵、雷达、进气道 的重要材料,而且可以制造固体火箭发动机燃烧室的绝热壳体,也可用作发动机喷管的烧蚀防热材料。近年来 研制的新型氰酸树脂复合材料具有耐湿性强,微波介电性能佳,尺寸稳定性好等优点,广泛用于制作宇航结构 件、飞机的主次承力结构件和雷达天线罩。 火箭外壳表层采用的高分子材料(短期耐 6 000℃甚至 10 000℃以上高温), 在军舰生产上使用的玻璃钢,人造 卫星和宇宙飞船上使用的高分子烧蚀材料,飞机制造中代替金属使用的高分子材料,密封腻子等等,都是各种新 型的高分子材料

16. 论述光电高分子的应用前景?
太阳能电池是太阳能光伏发电的基础和核心,是一种利用光生伏打效应把光能转变为电能的器件。用适当的光 照在上面之后,器件两端会产生电动势。传统硅太阳能电池成本昂贵、工艺复杂、材料要求苛刻,而有机太阳 能电池,具有潜在的低成本、轻重量和分子水平的可设计性的特点。聚合物太阳能电池一般由共轭聚合物给体 和富勒烯衍生物受体的共混膜夹在 ITO 透明正极和金属负极之间所组成,具有结构和制备过程简单、成本低、 重量轻、可制备成柔性的器件等突出优点。近年来成为国内外研究热点。OLED 是有机发光二极管,是指有机 半导体材料和发光材料在电场驱动下,通过载流子注入和复合导致发光的现象。其原理是用 ITO 透明电极和金 属电极分别作为器件的阳极和阴极,在一定电压驱动下,电子和空穴分别从阴极和阳极注入到电子和空穴传输 层,电子和空穴分别经过电子和空穴传输层迁移到发光层,并在发光层中相遇,形成激子并使发光分子激发, 后者经过辐射弛豫而发出可见光。作为平板显示器件,OLED 与使用最普遍的 LCD 相比,拥有面板薄、对比度 高、响应速度快、功耗低、视角宽、重量轻等,尤其值得一提的优势更在于 OLED 屏可以弯曲、折叠、甚至可

以像一张纸一样挂在墙上,放在口袋里,以至镶嵌在衣服里,不用时是衣服的一部分,需要时则可显示必要的 信息。未来光电转换高分子材料的研究还应致力于在应用的进一步成熟,解决目前此种材料在应用中的软肋。 随着电子产品的发展,未来光电高分子材料会广泛应用

17. 智能材料的三要素是什么?人工合成自愈合材料的作用机制可以是哪些?
感知、反馈、响应。 1.分子互扩散导致的自愈合 2. 由光引发的自愈合 3.通过形成可逆键的自愈合 4.活性聚合导致的自愈合 5 纳 米粒子自愈合.6. 金属基自愈复合材料 7. 混合磨损自愈材料

18. 什么是生物医用材料?什么材料可作为生物医用材料?什么是组织工程技术?
生物医学材料指的是一类具有特殊性能、特种功能,用于人工器官、外科修复、理疗康复、诊断、治疗疾患, 而对人体组织不会产生不良影响的材料。

组织工程技术是应用生命科学与工程学的原理与技术, 在正确认识哺乳动物的正常及病理两种状态下的组织结 构与功能关系的基础上,研究、开发用于修复、维护、促进人体各种组织或器官损伤后的功能和形态的生物替 代物的一门新兴学科。组织工程研究主要包括四个方面:种子细胞、生物材料、构建组织和器官的方法和技术

以及组织工程的临床应用。目前临床上常用的组织修复途径大致有 3 种:即自体组织移植、异体组织移植或应 用人工代用品。

19. 举例论述功能晶体材料在社会发展中起什么作用。
1.光学晶体: 主要用于光学仪器的透过窗口、 棱镜、 透镜、 滤光和偏元件及相位补偿镜等 2. 非线性光学晶体: 其重要应用之一是激光频率转换晶体,用于红宝石激光器、可调谐激光器、半导体激光器。3. 如用于导弹红 外制导头的多元红外探测器器件材料碲镉汞、红外探测蓝宝石窗口,精确制导的激光晶体材料红宝石和铷钇铝 石榴石、 红外接收系统中的关键材料碲镉汞、 电子吊舱中的砷化镓材料和空一空导弹整流罩材料多晶硫化锌等。

20. 举例论述不同功能晶体材料的功能之间的相互关系和相互转化。 21. 例举五种以上太阳电池的名称。阐述太阳电池的工作原理。
类太阳电池是光伏发电系统的核心。从产生技术的成熟度来区分,太阳电池可分为以下几个阶段: 第一代太阳电池:晶体硅电池; 第二代太阳电池:各种薄膜电池。包括非晶硅薄膜电池(a-Si)、碲化镉太阳电池(CdTe)、铜铟镓硒太阳电 池(CIGS)、砷化镓太阳电池、纳米二氧化钛染料敏化太阳电池等; 第三代太阳电池:各种超叠层太阳电池、热光伏电池(TPV)、量子阱及量子点超晶格太阳电池、中间带太阳 电池、上转换太阳电池、下转换太阳电池、热载流子太阳电池、碰撞离化太阳电池等新概念太阳电池。 按电池结构划分,太阳电池可分为晶体硅太阳电池和薄膜太阳电池。 按照使用的基本材料不同, 太阳电池可分为硅太阳电池、 化合物太阳电池、 染料敏化电池和有机薄膜电池几种。 太阳光照在半导体 p-n 结上,形成新的空穴-电子对,在 p-n 结内建电场的作用下,光生空穴流向 p 区,光生 电子流向 n 区,接通电路后就产生电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。

22. 什么是信息、信息技术及信息材料?信息材料有哪些类型?
信息: 是人类的一切生存活动和自然存在所传达出来的信号和消息。 它一般泛指我们所说的消息、 情报、 指令、 数据及信号等周围环境的知识。 信息技术:是指信息的获取、处理、传输、存储和显示的技术,即人们对信息的获取、处理和应用的能力。 信息材料: 指用于信息的获取、 存储、 处理、 传输和显示的微电子材料和光电子材料, 是信息技术基础的先导。

23. 结合具体事例,说明材料对信息技术、能源技术发展的推动作用。
1906 年佛莱斯特发明了电子管,才有了无线电广播、电子计算机的出现,但只是到了 1948 年贝尔实验室的巴 丁,肖克利,布拉顿发明了半导体晶体管以后,才逐步地实现了电子设备的小型化、轻量化、节能化,以及成

本的降低、 可靠性的提高与寿命的延长。1958 年集成电路的发明, 使计算机及各种电子设备发生了一次飞跃, 计算机从以晶体管为元件的第二代发展到以中小型集成电路为逻辑元件的第三代。 以后集成电路的发展十分迅 速,器件尺寸和集成度几十年来几乎以数量级的速度在变化。进入 90 年代,集成度进一步提高,加工技术达 到 0.3 微米,研究水平已达到 0.1 微米,每位存储器的价格就更低了。这些变化的实现主要依赖半导体材料 光电子技术,与之直接相关的材料便是光电子材料。砷化镓由于比硅具有更优异的性能和受激发光的特点,对 发展高密度、高速度芯片很有利。近年来发现的多孔硅、纳米碳化硅等发光半导体材料,目前都在探索之中, 一旦有所突破将引起计算机的一场革命。 太阳能是目前人类受惠最大的自然资源。但太阳能是低值能源,只能达到 1KW/m2,且转换率只有 10%~20%。要 提高发电效率,必须从集热体、半导体材料方向进行突破。(太阳能电池材料中目前最大量应用的是硅太阳能 电池。单晶硅光电池光电转换效率高,但材料价格昂贵。多晶硅光电池效率只达 13%,半导体 GaAs 的转换效 率可达 20%~28%。采用多层复合结构,通过选择性吸收涂层和光谱转换涂层可进一步提高转换效率。IBM 公司 研制的多层复合太阳能电池,转换效率高达 40%)

24. 光盘存储原理是什么?一次性写入光盘和可擦重写光盘所用的记录介质层材料有哪些?
写入(在光盘上写入信息的装置):利用受调制的细束激光改变盘面介质不同位置处的光学性质,记录下待存 储的数据。 读取 (在光盘上读出数据的装置) : 当用激光束照射介质时, 依靠各信息点处光学特性的不同提取出被存信息。 一次性写入光盘:是利用激光光斑在存储介质中形成不可逆变化的微区,这些微区就记录下信息。 可擦重写光盘: 是利用记录介质在两个稳定态之间可逆变化 (如Ⅰ﹤=﹥Ⅱ相变状态) , 从而实现可反复擦写。 一次性写入光盘存储介质材料:烧蚀型、起泡型、熔线型、合金化型、相变型。


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