功能材料試題及參考答案

時間：2021-06-11 18:16:46 試題我要投稿

功能材料試題及參考答案

　　篇一：功能材料試題參考答案

功能材料試題及參考答案

　　一、名詞解釋（共24分，每個3分）

　　居里溫度：鐵電體失去自發極化使電疇結構消失的最低溫度（或晶體由順電相到鐵電相的轉變溫度）。

　　鐵電疇：鐵電晶體中許許多多晶胞組成的具有相同自發極化方向的小區域稱為鐵電疇。

　　電致伸縮：在電場作用下，陶瓷外形上的伸縮（或應變）叫電致伸縮。

　　介質損耗：陶瓷介質在電導和極化過程中有能量消耗，一部分電場能轉變成熱能。單位時間內消耗的電能叫介質損耗。

　　n型半導體：主要由電子導電的半導體材料叫n型半導體。

　　電導率：電導率是指面積為1cm2，厚度為1cm的試樣所具有的電導（或電阻率的倒數或它是表征材料導電能力大小的特征參數）。壓敏電壓：一般取I=1mA時所對應的電壓作為I隨V陡峭上升的電壓大小的標志稱壓敏電壓。

　　施主受主相互補償：在同時有施主和受主雜質存在的半導體中，兩種雜質要相互補償，施主提供電子的能力和受主提供空狀態的能力因相互抵消而減弱。

　　二、簡答（共42分，每小題6分）

　　1.化學鍍鎳的原理是什么？

　　答：化學鍍鎳是利用鎳鹽溶液在強還原劑（次磷酸鹽）的作用下，在具有催化性質的瓷件表面上，使鎳離子還原成金屬、次磷酸鹽分解出磷，獲得沉積在瓷件表面的鎳磷合金層。由于鎳磷合金具有催化活性，能構成催化自鍍，使得鍍鎳反應得以不斷進行。

　　2.干壓成型所用的粉料為什么要造粒？造粒有哪幾種方式？各有什么特點？

　　答：為了燒結和固相反應的進行，干壓成型所用粉料顆粒越細越好，但是粉料越細流動性越差；同時比表面積增大，粉料占的體積也大。干壓成型時就不能均勻地填充模型的每一個角落常造成空洞、邊角不致密、層裂、彈性后效等問題。為了解決以上問題常采用造粒的方法。造粒方式有兩種方式：加壓造粒法和噴霧干燥法。加壓造粒法的特點是造出的顆粒體積密度大、機械強度高、能滿足大型和異型制品的成型要求。但是這種方法生產效率低、自動化程度不高。噴霧干燥法可得到流動性好的球狀團粒，產量大、可連續生產，適合于自動化成型工藝。但是這種方法得到的團粒體積密度不如噴霧干燥法大、機械強度不如噴霧干燥法高。

　　3.鐵電體與反鐵電體的自發極化有何不同特點？并分別解釋為什么總的

　　ΣP＝0？

　　答;鐵電體自發極化的特點是單元晶胞中的偶極子成對的按相同方向平行排列，晶體中存在著一個個由許多晶胞組成的自發極化方向相同的小區域－鐵電疇，但各個鐵電疇的極化方向是不同的、雜亂無章的

　　分布；反鐵電體自發極化的特點是單元晶胞中的偶極子成對的按相反方向平行排列且這兩部分偶極子的偶極矩大小相等方向相反。

　　鐵電體ΣP＝0是由于一般情況下整個鐵電晶體的內部不同方向取向的電疇其自發極化強度可相互抵消，所以鐵電晶體的ΣP＝0；反鐵電體晶胞中偶極子以反平行方向排列偶極子的偶極矩在晶胞內部自行抵消，所以對外不顯示極性ΣP＝0。

　　4.獨石電容器的的特點是什么？

　　答：性能特點：大容量、小體積、長壽命、高可靠性適應電子設備向集成化、小型化發展；工藝特點：合并了燒銀和薄膜制坯工藝；結構特點：涂有金屬電極漿料的陶瓷坯體以多層交替堆疊的方式疊合起來，使陶瓷材料和電極同時燒成一個整體。

　　5.什么是受主？形成有效受主摻雜的條件是什么（以SrTiO3為例說明）？

　　什么是受主能級？形成受主能級有哪幾種方式？

　　答：受主是能夠在禁帶提供空能級的雜質；形成有效受主的條件以SrTiO3為例，若想取代Sr2＋（或Ti4＋）， 1）摻雜離子與Sr2＋（或Ti4＋）半徑相近；2）摻雜離子電價低于Sr2＋（或Ti4＋）。受主雜質上的電子態相應的能級是受主能級；形成受主能級的方式有：低價外來陽離子替位；陽離子缺位；陰離子添隙等。

　　6.什么是半導體陶瓷，半導體陶瓷的能帶結構有什么特點？

　　答：半導體陶瓷是導電能力介于導體和絕緣體之間的陶瓷。能帶結構特點是價帶全部被電子填滿，禁帶沒有被電子填充是全空的，禁帶寬度小于絕緣體一般小于2ev。

　　7.氣敏陶瓷吸附氣體有哪幾種具體情況？各有什么電學特點？

　　答：氣敏陶瓷吸附氣體有四種具體情況： 1）N型半導體吸附氧化性氣體其特點是N型半導體的載流子數目減少，電導率減小；2）N型半導體吸附還原性氣體其特點是N型半導體的載流子數目增多，電導率增大；3）P型半導體吸附氧化性氣體其特點是P型半導體的載流子數目增多，電導率增大；4）P型半導體吸附還原性氣體其特點是P型半導體的載流子數目減少，電導率減小

　　三、論述題（共34分）

　　1、SrTiO3基陶瓷半導化的條件是什么？用氧揮發半導化機理進行解釋。（10分）

　　答：SrTiO3基陶瓷半導化的條件是還原性氣氛和施主摻雜同時具備缺一不可。根據氧揮發半導化機理1）施主離子的加入導致陽離子空位鍶空位的產生。2）鍶空位的出現大大削弱了空位近鄰的鈦氧八面體的Ti-O結合鍵。3）在還原氣氛中高溫燒結時，氧通過擴散揮發在晶格中形成氧空位，氧空位電離而成為N型半導體。

　　2、BaTiO3基鐵電電容器與 BaTiO3基晶界層電容器的配方組成、微觀結構及生產工藝有何不同？并解釋為什么晶界層電容器的視在介電常數比鐵電電容器大幾十倍。（12分）

　　答：配方組成上，BaTiO3基鐵電電容器根據具體性能要求加入移峰劑和壓峰劑等，而BaTiO3基晶界層電容器一般要加入施主摻雜劑促進半導化。微觀結構上，BaTiO3基鐵電電容器晶粒是介電常數較大的BaTiO3晶體；BaTiO3基晶界層電容器是由半導化的晶粒和晶粒表面的一層介電常數較大的介質層組成且晶粒。生產工藝上，BaTiO3基鐵電電容器是在氧化氣氛下燒成； BaTiO3基晶界層電容器的半導化階段還原氣氛更有利且一般需要兩次燒結。晶界層電容器等效電路相當于一個阻容網絡，其視在介電常數ε≈(d2/d1)εb,其中d1 為晶界絕緣介質層的厚度，d2為半導化晶粒的直徑，εb 純BaTiO3的介電常數。由于d2＞＞d1可達幾十倍，所以晶界層電容器的視在介電常數比鐵電電容器大幾十倍。

　　3、ZnO壓敏陶瓷的相組成及每一相的作用是什么？并描述其顯微結構的連續分布圖像。（12分）

　　答：ZnO壓敏陶瓷的相組成為：ZnO相，其作用是構成陶瓷的主晶相，由于Zn的添隙或Co的溶入使它具有n型電導的特征；富鉍相，由于富鉍相溶有大量的ZnO和少量的Sb2O3所以富鉍相有助于液相燒結。又由于富鉍相在晶粒邊界結晶溶有大量的ZnO少量的Sb2O3、CoO、MnO2等對于產生高非線性有作用。另外，還有抑制晶粒生長

　　篇二：功能材料復習題

　　復習題

　　功能材料是指具有一種或幾種特定功能的材料，如磁性材料、光學材料等，它具有優良的物理、化學和生物功能，在物件中起著“功能”的作用。

　　1、金屬、半導體、絕緣體是如何區分的？

　　答：它們分為良導體電阻率≤10-6m，絕緣體電阻率≈1012—1022m，介于這兩者之間的半導。

　　2、常見的半導體材料有哪些？列出三種以上

　　答：，硅鍺砷化鎵

　　3、從能帶理論解釋半導體材料的導電性，并說明其與導體和半導體的不同點。

　　答：半導體價帶被填滿，而導帶被空穴填滿。受到激發時，電子能夠從導帶的低能級躍遷到高能級，形成導電現象。導體價帶被填滿，而最外層電子為自由電子，填充導帶，且金屬的禁帶寬度小于半導體的，因此電子可以從能級比較低的導帶躍遷到能級比較高的導帶，形成導電現象。

　　4、什么是本征半導體？什么是摻雜半導體？各有什么特點？

　　答：本征半導體即不含任何雜質的純凈半導體，其純度在99.999999%以上。特點：價電子不易掙脫原子核束縛而成為自由電子，本征半導體導電能力較差，空穴與電子是成對出現。當半導體被摻入雜質時，半導體變成非本征的，也稱雜質半導體，特點：半導體導電性大大增強。

　　5、請以硅為例，敘述本征半導體的導電過程

　　答：從外界獲得能量，價電子就會掙脫共價鍵的束縛成為自由電子，在共價鍵中留下一個 “空穴”。同時，這個自由電子又會去填補其它空穴。電子填補空穴的運動相當于帶正電荷的空穴在運動。空穴越多，半導體的載流子數目就越多，因此形成的電流就越大。

　　6、摻雜半導體根據摻雜類型不同又分為哪兩種？

　　答：N型半導體與P型型半導體。

　　7、什么是p型半導體？什么是n型半導體？

　　答：在本征半導體中加入5價元素如磷形成n型半導體，電子導電為主。如果加入3價元素如硼形成p型半導體，以空穴導電為主。

　　8、 p型與n型半導體雜質能級分布是什么樣的？

　　答：P型半導體的雜質能級靠近價帶，n型半導體的雜質能級靠近導帶，非簡并半導體其雜質能級位于導帶和價帶之間。

　　9、 pn結是如何形成的？它的V-I特性是怎樣的？

　　答： p型半導體和n型半導體接觸后，N區的電子要向P區擴散，而P的空穴也要向N區擴散，兩種半導體交界處兩邊的載流子減少，而剩下不可移動的雜質離子形成空間電荷區，形成內建電場阻止載流子繼續擴散，達到動態平衡形成Pn結。

　　10、半導體的電導率受哪些因素影響？是如何影響的？

　　答：摻雜濃度摻雜越高，載流子濃度越大，電導率越大，電阻率越小。對本征半導體來說，溫度升高，載流子濃度增加，電導率增加，電阻率下降，對非本征半導體，在低溫區與溫度成3/2次方，在飽和區與溫度成-3/2次方。

　　11、第一代、第二代、第三代半導體分別是什么？它們各有什么特點？

　　答：第一代半導體：元素半導體，如Si，Ge。應用較廣，器件頻率較低。第二代半導體：化合物半導體，以砷化鎵、磷化銦和氮化鎵等為代表，包括許多其它III-V族化合物半導體，應用較廣。第三代半導體：寬禁帶半導體，金剛石、SiC、GaN和AlN，禁帶寬度在 2 eV 以上，擁有一系列優異的物理和化學性能。

　　12、什么是壓電效應？正壓電效應？逆壓電效應？

　　答：壓電效應是指某些物質能將電能轉化為機械能或者能將機械能轉化為電能的現象。正壓電效應：某些物質沿其一定的方向施加壓力或拉力時，隨著形變的產生，會在其某兩個相對的表面產生符號相反的電荷，當外力去掉形變消失后，又重新回到不帶電的狀態。逆壓電效應：在極化方向上施加電場，它又會產生機械形變的現象。

　　13、壓電材料可分為哪三類？

　　答：（1）壓電晶體；（2）經過極化處理的壓電陶瓷；（3）高分子壓電材料。

　　14、請舉例說明壓電效應的應用。

　　答：玻璃破碎報警器，壓電加速度傳感器，壓電打火。

　　15、介電材料、壓電材料、熱釋電材料、鐵電材料存在怎樣的包含關系？

　　答：介電體包括壓電體包括熱釋電體包括鐵電體

　　16、超導現象及其特性

　　超導現象是指材料在低于某一溫度時，電阻變為零的現象，而這一溫度稱為超導轉變溫度（Tc）。超導現象的特征是零電阻和完全抗磁性。

　　零電阻性：超導材料處于超導態時電阻為零，能夠無損耗地傳輸電能。

　　完全抗磁性：超導材料處于超導態時，只要外加磁場不超過一定值，磁力線不能透

　　入，超導材料內的磁場恒為零。

　　約瑟夫森效應：兩超導材料之間有一薄絕緣層（厚度約1nm）而形成低電阻連接時，

　　會有電子對穿過絕緣層形成電流，而絕緣層兩側沒有電壓，即絕緣層也成了超導體

　　17、常用的超導材料有哪些？

　　元素超導體：

　　常壓下，在目前所能達到的低溫范圍內，已發現具有超導電性的'金屬元素有28種。其中過渡族元素18種，如Ti、V、Zr、Nb、Mo、Ta（鉭）、W等；非過渡族元素10種，如Bi、Al、Sn、Pb等。按臨界溫度高低排列，Nb居首位，Tc＝9.24K；其次是元素Tc锝（De第一個人工合成的），Tc＝7.8K；第三是Pb，Tc＝7.197K；第四是La，Tc＝6.00K。研究發現，在施以30GPa壓力的條件下，超導元素的最高臨界溫度可達13K。元素超導體除V、Nb、Ta以外均屬于第一類超導體，很難實用化。

　　合金超導體：Nb-Zr、Nb-Ti、Nb-40Zr-10Ti、Nb-Ti-Ta

　　金屬間化合物超導體：化合物超導體與合金超導體相比，臨界溫度和臨界磁場(Hc2)

　　都較高。一般超過10T的超導磁體只能用化合物系超導材料制造。如Nb3Sn、V3Ga、Nb3Ge、Nb3Al，Nb3(AlGe)等。

　　陶瓷超導體：鑭系高溫超導陶瓷：以La2CuO3為代表；釔系高溫超導陶瓷：以

　　YBa2Cu2Oy為代表；鉍系高溫超導陶瓷：以Bi-Sr-Cu-O為代表；鉈系高溫超導陶瓷：以Tl-Ba-Ca-Cu-O為代表

　　18、舉例說明超導材料的應用（至少舉出3個）

　　19、什么是激光？激光的特性？

　　答：原意表示光的放大及其放大的方式，現在用作由特殊振蕩器發出的品質好、具有特定頻率的光波之意。

　　特性：相干性好，所有發射的光具有相同的相位；單色性純，因為光學共振腔被調諧到某一特定頻率后，其他頻率的光受到相消干涉；方向性好，光腔中不調制的偏離軸向的輻射經過幾次反射后被逸散掉；亮度高，激光脈沖有巨大的亮度，激光焦點處的輻射亮度比普通光高108~1010倍。

　　20、常用的激光材料有哪些？

　　21、影響發光強度因素是什么？

　　答：晶體結構、激活劑、激發源類型、雜質種類、溫度、使用環境氣氛

　　22、為什么發光材料中一般含有的金屬原子是Fe.Co.Ni等？

　　答：因為這些原子含有d軌道，d電子數目較多，能級豐富，能級間隙小，發光波長長。

　　23、紅外材料

　　答：是指與紅外線的輻射、吸收、透射和探測等相關的一些材料。紅外線的輻射起源于分子的振動和轉動，而分子振動和轉動起源于溫度。它本質上和可見光一樣是一種電磁波，波長在0.76~1000um之間。

　　24、熱平衡輻射體

　　答：是當一個物體向周圍發射輻射時，同時也吸收周圍物體所發射的輻射能量，當物體與外界進行能量交換慢到使物體在任何短時間內仍保持確定溫度時，該過程可以看作是平衡。

　　25、智能材料(intelligent marerials；簡稱IM)

　　答：是指對環境可感知、響應和處理后，能適應環境的材料。它是一種融材料技術和信息技術于一體的新概念功能材料。智能材料應同時具備傳感(sensing)、處理(processing)和執行(actuation)三種基本功能。

　　26、氫能的特點及儲氫方法

　　答：氫能是人類未來的理想能源。氫能具有熱值高，如燃燒1kg氫可發熱1．2×106kJ，相當于3kg汽油或4.5kg焦炭的發熱量；資源豐富，地球表面有豐富的水資源，水中含氫量達11．1％；干凈、無毒，燃燒后生成水，不產生二次污染；應用范圍廣，適應性強，可作為燃料電池發電，也可用于氫能汽車、化學熱泵等。因此，氫能的開發和利用成為世界各國特別關注的科技領域。

　　27、儲氫方法可分為物理法和化學法。

　　答：所謂物理方法儲氫是指儲氫物質和氫分子之間只有純粹的物理作用或物理吸附。而化學法儲氫則是儲氫物質和氫分子之間發生化學反應、生成新的化合物，具有吸收或釋放氫的特性。物理儲氫技術又分高壓壓縮儲氫、深冷液化儲氫、活性炭吸附儲氣等；化學儲氫技術包括金屬氫化物儲氫、無機化合物儲氫、有機液態氫化物儲氫等。

　　28、實用儲氫合金應滿足那些要求？

　　答：理論上，能夠在一定溫度、壓力下與氫形成氫化物并且具有可逆反應的金屬或合金都可以作為儲氫材料。但是，要使儲氫合金材料達到實用的目的，必須滿足下列要求。

　　(1)儲氫最大，能量密度高。不同金屬或合金的儲氫量差別很大，一般認為可逆吸氫量不少丁150m1／g為好。

　　(2)吸氫和放氫速度快。吸氫過程中，氫分子在金屬表面分解為氫原子，然后氫原子向金屬內部擴散，金屬氫化物的相轉變，這些步驟都直接影響吸收氫的速率和金屬氫化物的穩定性。

　　(3)氫化物生成熱小。儲氫合金用來吸收氫時生成熱要小，一般在-29—46kJ/mol H2為宜。

　　(4)分解壓適中。在室溫附近，具有適當的分解壓(0.1—1MPa)。若分解壓過高，則吸氫時充氫壓力較高，需要使用耐高壓容器。若分解壓＜0.1MPa，則必須加熱才能釋放氫，需要消耗能源。同時，其P—C— T曲線應有較平坦和較寬的平衡壓平臺區，在這個區域內稍微改變壓力，就能吸收或釋放較多的氫氣。

　　(5)容易活化。儲復合金第一次與氫反應稱為活化處理，活化的難易直接影響儲復合金的實用價值。它與活化處理的溫度、氫氣壓及其純度等因素有關。

　　(6)化學穩定性好，經反復吸、放氫，材料性能不衰減，對氫氣中所含的雜質(如O2、CO、CI2、H 2S、H2O等)敏感性小，抗中毒能力強，即使有衰減現象，經再生處理后,也能恢復到原來的水平，因而使用壽命長。

　　(7)在儲存與運輸中安全、無害。

　　(8)原料來源廣、成本價廉。

　　前研究并發和投入應用的金屬氫化物還沒有一種完全具備上述特征，只能擇重而取。

　　29、形狀記憶效應及其三種類型（畫圖說明）

　　具有一定形狀的固體材料，在某一低溫狀態下經過塑性變形后，通過加熱到這種材料固有的某一臨界溫度以上時，材料又恢復到初始形狀的現象，稱為形狀記憶效應。具有形狀記憶效應的材料稱為形狀記憶材料。

　　形狀記憶效應可分為三種類型：單程形狀記憶效應、雙程形狀記憶效應和全程形狀記憶效應。所謂單程形狀記憶效應就是材料在高溫下制成某種形狀，在低溫時將其任意變形，再加熱時恢復為高溫相形狀，而重新冷卻時卻不能恢復低溫相時的形狀。若加熱時恢復高溫相時的形狀，冷卻時恢復低溫相形狀，即通過溫度升降自發可逆的反復恢復高低溫相形狀的現象稱為雙程形狀記憶效應。當加熱時恢復高溫相形狀，冷卻時變為形狀相同而取向相反的高溫相形狀的現象稱為全程形狀記憶效應。

　　30、形狀記憶合金必須具備的條件及分類

　　合金呈現形狀記憶效應必須具備如下條件：

　　(1)馬氏體相變是熱彈性的；

　　(2)母相與馬氏體相呈現有序點陣結構；

　　(3)馬氏體內部是孿晶變形的；

　　(4)相變時在晶體學上具有完全可逆性。

　　按照合金組成和相變特征，具有較完全形狀記憶效應的合金可分為三大系列：鈦-鎳系形狀記憶合金，銅基系形狀記憶合金和鐵系形狀記憶合金。

　　31、形狀記憶聚合物及其工作原理？

　　輻射交聯聚乙烯當溫度超過熔點達到高彈性態區域時，施加外力隨意改變其外形，降溫冷卻固定形狀后，一旦再加熱升溫至熔點以上時，它又恢復到原來的形狀，這就是形狀記憶聚合物。

　　高聚物的各種性能是其內部結構的本質反映，而聚合物的形狀記憶功能是有其特殊的內部結構決定的。目前開發的形狀記憶聚合物一般是有保持固定成品形狀的固定相和在某種溫度下能可逆的發生軟化—硬化的可逆相組成。固定相的作用是初始形狀的記憶和恢復，第二次變形和固定則是有可逆相來完成。固定相可以是聚合物的交聯結構、部分結晶結構、聚合物的玻璃態或分子鏈的纏繞等。可逆相則為產生結晶與結晶熔融可逆變化的部分結晶相，或發生玻璃態與橡膠態可逆轉變（玻璃化溫度Tg）的相結構。

　　篇三：功能材料導論試卷B

　　一、名詞解釋（每題3分，共21分）

　　1.鐵電性：某些晶體在一定的溫度范圍內具有自發極化（其極化方向可以因外電場的反向而反向）晶體的這種性質稱為鐵電性。

　　2.介電常數：介電常數是衡量電介質儲存電荷能力的特征參數。

　　3.超導體臨界磁場Hc：超導電性可以被外加磁場所破壞。對于溫度為T(T＜Tc)的超導體,當外磁場超過某一數值Hc(T)的時候，超導電性就被破壞了，Hc(T)稱為臨界磁場。

　　4.氣敏陶瓷：氣敏陶瓷對某一種或某幾種氣體特別敏感，其阻值將隨該種氣體的濃度(分壓力)作有規則的變化，檢測靈敏度通常為百萬分之一的量級，個別可達十億分之一的量級，故有“電子鼻”之稱。

　　5.逆壓電效應：在晶體上施加電場而引起介質極化時,如果產生了與電場強度成比例的變形或機械應力時,稱其為負壓電效應.

　　6.快淬技術：它是將熔化的液態合金急速冷卻至室溫，制得非晶態或納米晶態合金。

　　7.光生伏特效應：當光量子的能量大于半導體禁帶寬度的光照射到結區時，光照產生的電子-空穴對在結電場作用下，電子推向n區，空穴推向p區；電子在n區積累和空穴在p區積累使P-n結兩邊的電位發生變化，p-n結兩端出現一個因光照而產生的電動勢，這一現象稱為光生伏特效應。

　　二、填空題（每空1分，共37分）

　　1.將超導體冷卻到某一以下時電阻突然降為的現象稱為超導體的零電阻現象。

　　2.制造透明陶瓷的關鍵是