1、“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。答：材料的定义及其分类 （1）定义：材料是指能为人类经济性地，用于制造有用器件的物质。(2)材料的分类：按组成、结构特点进行分类：分为金属材料，无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料。从其发展过程上，可分为传统材料和新型材料，它们是互相依存，互相促进，互相转化，互相替代的关系。传统材料的特征为：需求量大，生产规模大，但环境污染严重；而新型材料是建立在新思路、新概念、新工艺、新检测技术的基础上，以材料的优异性能、高品质、高稳定性参与竞争，属高薪技术的一部分；投资强度较高，更新换代快，风险性大，知识和技术密集程度高
2、，一旦成功，回报率也较高，且不以规模取胜。从其使用性能分类：分为结构材料和功能材料。结构材料则主要利用材料力学性能；而功能材料主要利用材料物理和化学性能。按用途进行分类：分为航空航天材料、信息材料、电子材料、能源材料、生物材料、建筑材料、包装材料、电工电器材料、机械材料、农用材料、日用品及办公用品材料。(3)各自特点：高分子材料：是通过若干高分子链聚集以及高分子链与其他添加组分的相互作用而构成。分子量大，质轻；优良的加工性能，导热系数小，化学稳定性好，电绝缘性好；功能的可塑性好，出色的装饰性，但易老化；可以延压成膜、纺制成丝，可制成各种形状的构件，可产生巨大的粘接力及巨大弹性等。金属材料：有金
3、属元素或以金属元素为主形成的，并具有一般金属特性的材料称为金属材料。一般具有金属光泽，具有良好的导电性，导热性，延展性及塑性；具有良好的强度和韧性，熔点较高。无机非金属材料：传统上主要有陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等四大类，其主要化学组成均为硅酸盐类物质。具有高熔点，高强度，高硬度；耐腐蚀，耐磨损，抗氧化等，以及宽广的导电性，隔热性，透光性；良好的铁电性，铁磁性，压电性。复合材料：是由有机高分子、无机非金属或金属与几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型多相固体材料，它既能保留原组分材料的主要特色，又通过复合效应获得原组分所不具有的性能。比重小，比模量和比强度大；具有优良的化学稳定性，自润滑；耐热
4、，耐疲劳，耐蠕变，电绝缘性好等特点。”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。答：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。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：化学成分、制备加工、组织结构和
5、性质性能。(成分、合成 /制备、组织结构、性质和效能。)其中，组织结构是核心要素。同时，前面三者共同支撑“性质性能” 。这四者的关系组成一个正四面体。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！答：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、
6、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。 3. .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
7、人类的生活确实是与材料科学有关。4. 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
8、，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。美国在 1989 年 12 月入侵巴拿马，1991 年 1 月人侵海湾以及此刻正在空袭南联盟的战争中，使用的 F- ll7 隐身战斗机世人皆知。这种武器之所以能隐身，就是使用了一种吸波材料和吸波涂层。4.简述铸造模拟所涉及的主要内容。试举一例计算机模拟在材料科学研究或生产实践中的应用情况。答：A.材料科学中的计算机模拟, 按其模拟尺度, 可分为三类模拟方法: 1. 原子尺度的模拟计算, 包括分子动力学和蒙特卡洛法等1 。分子动力学和蒙特卡洛法可根据粒子间的作用势, 计算多粒子系结构、多种物系结构和多种性质。2. 显微尺度模拟计算: 这
9、类计算以连续介质概念为基础。在基础梯度材料过程中利用计算机模拟方法计算材料的热应力分布, 为寻找合理材料结构提供依据。此外, 用热力学方法预测材料相变及相变产物的显微结构 , 也属此方法的研究范畴。3.宏观尺寸的模拟计算: 一般与材料或材料部件的工业生产有关。例如: 非晶态合金经急冷而成。采用计算机模拟计算液体合金快冷时的传热传质过程, 有助于设计合理的设备和工艺, 以保证产品质量。清华大学航天航空学院刘小明等用分子动力学模拟研究金刚石压头在Ni 晶体薄膜上的摩擦过程和薄膜塑性变形行为的纳观机制.B.铸造模拟 铸造模拟与可视化铸造概念不同。铸造可视化是采用 X 射线对实际铸件的凝固过程进行实际
10、观察。而铸造模拟是在铸件实际铸造之前进行铸造的充型、热传导和凝固过程的模拟分析。根据凝固模拟结果制定铸造工艺可大幅度降低铸件废品的发生。多相流的模拟是模拟铸造的充型过程的确基础，多相流的模拟包括卷气、氧化夹杂、砂型冲蚀、压铸过程的排气等的计算分析。模拟铸造考虑了紊流、表面张力、自由表面、相变、热交换等众多影响因素的复杂流动，其模拟结果更接近真实的铸造过程。 模拟铸造应用于各种铸造方法，应用范围在不断扩大。如果将其与可视化铸造结合起来进行铸造工艺研究，其效果就会更好。5. 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？答：建造北京
11、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。用于桥梁建筑的钢材6. 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？答：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（H L） 、 肖 氏 硬 (HS)则属于
12、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。7. 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.
13、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。8. 什么是催化剂？催化剂的基本特性是什么？在多相催化反应过程中，从反应物到产物一般经历哪些步骤？答：A.在化学反应里能改变其他物质的化学反应速率，而本身的质量和化学性质在反应前后都没有发生变化的物质叫做催化剂，又叫触媒。B.催化剂的基本特征：催化剂只能实现热力学可行的反应，不能实现热力学不可能的反应；催化剂只能改变化学反应的速度，不能改变化学平衡的位置；催
14、化剂能降低反应的活化能，改变反应的历程；催化剂对反应具有选择性。1. 反应物分子从反应器内流体体相向固体催化剂外表面扩散，称为外扩散2. 反应物分子从催化剂外表面沿着微孔方向朝催化剂内表面扩散，称为内扩散3. 反应物分子在催化剂表面发生化学吸附4. 表面反应5. 吸附态产物从催化剂表面脱附6. 吸附态产物从催化剂内表面扩散到外表面7. 吸附态产物从催化剂外表面扩散到反应流体体相中.9. 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
15、。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。10. 试举例说明传统金属微滴制备技术及其特点。论述金属微滴的 3D 打印技术及其发展。一种中空金属微球的制备方法，涉及一种复合材料。提供快速、环保、后续处理过程简单的一种中空金属微球的 制备方法。先后制备金纳米颗粒和二氧化钛，再将二氧化钛表面功能化，然后制备 Au/TiO2，最后制备中空金属微球。以二氧化钛微球为模板，利用二氧化钛 的 pH 敏感性制备尺寸可控的 PtM 金属中空微球。通过调节模板二氧化钛的大小可以控制 PtM 中空微球的大小，同时改变金属前驱物的浓度可以改变 PtM 中空 微球的厚度。以二氧化钛为模板合
16、成多层次 PtM 中空微球，扩宽了制备中空微球的制备方法。工艺条件温和且易于控制，反应时间短，模板容易除去无需使用高温 或强酸强碱等，同时后续处理过程简单。11. 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12. 目前大多数汽车轮毂采用的材料是什么？现在大多车都采用铝合金轮毂 钢制轮毂一般低配的车考虑成本才会13. 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
17、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
18、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
19、热处理和表面硬化处理可以进一步提高其力学性能。14. 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。15. 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 稳定元素、 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： 钛合金 它是 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
20、温度下，均是 相，组织稳定，耐磨性高于纯钛，抗氧化能力强。在500600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。 钛合金 它是 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 13721666 MPa；但热稳定性较差，不宜在高温下使用。+ 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 400500的温度下长期工作，其热稳定性次于 钛合金。 稳定元素：铝
21、 稳定元素：钼、钒 中性元素：锡、锆16. 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。答：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17. 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
22、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。环氧树脂属上海树脂所的 AG80 了，应用很广。648，氰酸酯等也比较多聚酰亚胺纤维的主要应用领域为环保行业的工业高温除尘过滤材料、航空航天行业的轻质电缆护套及耐高温特种编织电缆、其他领域的过滤、隔火毡、防火阻燃服装及先进复合材料的增强剂等。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
23、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.18. 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
24、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
25、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。19. 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？答：A. 智 能材料必须具备感知、驱动和控制这三个基本要素 B.智能材料（Intelligent material） ，是一种能感知外部刺激，能够判断并适当处理且本身可执行的新型功能材料。智能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料. C. 智能材料有七大功能，即传感功能、反馈功能、信息识别与积累功能、响应功能、自诊断能力、自修复能力和自适应能力。D.自愈合聚合物材料本身就具有恢复材料的载荷传递能力，这
26、种恢复可以是自 主 地 发 生 ， 也 可 以 是 被 一 个 具 体 的 刺 激 物 所 激 发 的 ， 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20. 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？答：A.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。B.现在各种合成材料和天然高分子材料、金属和合金材料、陶瓷和碳素材料以及各种复合材料，其制成产品已经被
27、广泛地应用于临床和科研。C. 定义：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。D.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。21. 举例论述功能晶体材料在社会发展中起什么作用。答：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
28、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。22. 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。23. 例举五种以上太阳电池的名称。阐述太阳电池的工作原理。硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶体太阳能电池、有机太阳能电池，太阳光照在半导体 p-n 结上，形成
29、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。24. 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。25. 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。答：A.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。
