先进功能材料复习资料汇总

1、说明功能材料与结构材料的区别并举例。

1)功能材料的功能对应于材料的微观结构和微观物体的运功，结构材料则主要利用其力学和机械性能。

2)功能材料的聚集态和形态非常多样化，除了晶态外，还有气态、液态、液晶态、非晶态、混合态、等离子态等；除了三维体相材料外，还有二维、一维和零维材料；除了平衡态外，还有非平衡态。

而结构材料的形态较为单一。

3)功能材料多以元件形式为最终产品，如纳米氧化锌薄膜用于特种气体敏感材料，制作传感器，如汽车司机酒精检测。

而结构材料多以材料形式为最终产品，如钢材、铝合金用在汽车和飞机结构、大梁、门框上，起力学支撑和结构固定作用。

4)功能材料的制备技术涉及新工艺和新技术，如急冷、超净、超微、超纯、薄膜化、集成化、微型化、智能化、精细控制等。

而结构材料的制备多涉及传统的方法，如轧制、铸造、烧结等。

2、说明一次功能材料与二次功能材料的区别并举例。

一次功能材料：当向材料输入的能量和从材料输出的能量属于同一种形式时，材料起到能量传输部件的作用。

材料的这种功能称为一次功能。

以一次功能为使用目的的材料又称为载体材料。

如：1) 力学功能：粘、润滑、超塑、高弹、防震性等。

2) 声功能：隔音、吸音性等。

3) 热功能：传热、隔热、吸热、蓄热性等。

4) 电功能：导电、超导性、绝缘、电阻等。

5) 磁功能：硬磁性(记录介质)、软磁性（磁头等）等。

6) 光功能：透光、反折射光、吸光、偏振光、聚光性等。

7) 化学功能：吸附、催化、生化反应、酶反应等。

8)其他功能：如放射特性、电磁波特性等。

二次功能材料：当向材料输入的能量和从材料输出的能量属于不同形式时，材料起能量的转换部件作用，材料的这种功能称为二次功能或高次功能。

如：1)光能→其他形式（如光合成、光分解、光致抗蚀、化学发光、感光、光致伸缩、光伏、光导电等）。

2)电能→其他形式（如电磁、电热、热电、光电、场致发光、电化学、电光效应等）。

3)磁能→其他形式（如光磁效应、热磁效应、磁冷冻（磁热）效应等）。

4)机械→其他形式（如形状记忆、热弹性、机械化学、压电、电致伸缩、光压、声光、光弹性效应等）。

3、氢与其他元素形成的氢化物有几种键合类型？哪些键合的材料适合用作储氢？氢与其他元素形成的氢化物大致有三种键合类型：1) 离子键型，氢与IA 及IIA族元素间MH、MH2 型，如LiH、MgH2 等。

稳定，呈白色粉末状，氢以H存在。

2)金属键型，氢与过渡族元素间，稳定，呈黑色粉末。

如Ti H 1.7、LaH3、TiH2、VH2、NbH2等。

3) 共价键型，氢与硼及其附近元素间，如B2H6、AlH 3、NH3、AsH3、SiH4、H2O，多是低沸点挥发性化合物，不能作储氢材料。

4、形状记忆合金与形状记忆聚合物机理有何区别？形状记忆合金是通过马氏体相变而呈现形状记忆效应的。

马氏体相变具有可逆性，将马氏体向高温相（奥氏体）的转变称为逆转变。

形状记忆效应是热弹性马氏体相变产生的低温相在加热时向高温相进行可逆转变的结果。

SMA有双程、全程形状记忆。

聚合物SME由其内部结构决定。

SMP一般由保持形状的固定相和在某种温度下能可逆地发生软化-硬化的可逆相组成。

固定相：交联结构、部分结晶结构或分子链的缠绕等。

可逆相：能够产生结晶、熔融可逆变化的部分结晶相，或发生玻璃态与橡胶态可逆转变的相。

SMP 只有单程形状记忆。

5、材料磁性来源是什么？物质的磁性来源于组成物质中原子的磁性。

1)带电的粒子漂移或运动产生磁场；2)电子的自旋；3)电子的轨道运动：核外电子的运动相当于一个闭合电流，具有一定的轨-道磁矩；4) 原子核的磁矩。

材料的磁性主要来源于电子的轨道磁矩和自旋磁矩。

原子核的磁矩很小，只有电子的几千分之一，通常可以略去不计。

6、何谓顺磁性与抗磁性？1)顺磁性是在磁场作用下，物质中相邻原子或离子的热无序磁矩在一定程度上与磁场强度方向一致的定向排列的现象。

顺磁性是一种弱磁性。

顺磁(性) 物质的主要特点是原子或分子中含有没有完全抵消的电子磁矩，因而具有原子或分子磁矩。

但是原子(或分子)磁矩之间并无强的相互作用(一般为交换作用)，因此原子磁矩在热骚动的影响下处于无规(混乱)排列状态，原子磁矩互相抵消而无合磁矩。

但是当受到外加磁场作用时，这些原来在热骚动下混乱排列的原子磁矩便同时受到磁场作用使其趋向磁场排列和热骚动作用使其趋向混乱排列，因此总的效果是在外加磁场方向有一定的磁矩分量。

2)抗磁性是在受到外加磁场作用时，物质获得反抗外加磁场的磁化强度的现象。

抗磁性是一些物质的原子中电子磁矩互相抵消，合磁矩为零。

但是当受到外加磁场作用时，电子轨道运动会发生变化，而且在与外加磁场的相反方向产生很小的合磁矩。

7、超导材料的三个临界参数。

1)临界温度Tc：超导体从常导态转为超导态温度，是在外磁场、电流、应力和辐射等条件足够低时，电阻突然变为零的温度。

2)临界磁场Hc(T)：温度为T(T＜Tc)超导体，外磁场>Hc(T)时，超导电性消失，由超导态转为常导态, 电阻恢复。

这种能够破坏超导所需最小磁场强度，叫做临界磁场Hc(T)。

在临界温度Tc，临界磁场为零。

3)临界电流Ic(T)：温度为T(T＜Tc)超导体通过足够强电流，导电性消失。

破坏超导电性最小电流就是超导态允许流动最大电流，称临界电流Ic(T)。

三者具有明显的相关性。

只有当三个条件均满足超导材料本身的临界值时，才能发生超导现象。

8、如何理解超导材料的两个基本特性？1)零电阻效应：温度降至Tc以下，超导体电阻突然变为零-----零电阻效应，也称为超导电性。

2)超导体的完全抗磁性（迈斯纳效应）：超导体在外磁场中磁力线无法穿透，超导体内磁通量为零。

当温度低于Tc时，置于外磁场中超导体始终保持其内部磁场为零，磁力线被全部排斥在外。

即便原处在磁场中正常态样品，温度下降变成超导体时，也会把磁场完全排出去，即超导体具有完全抗磁性-----迈斯纳效应，超导体另一个独立基本特性。

零电阻效应和迈斯纳效应相互独立又相互联系，单纯的零电阻不能保证具有迈斯纳效应，而迈斯纳效应存在必定满足零电阻效应。

9、半导体器件有哪四种基础结构？1)金属半导体接触：可以用来做整流接触,具有单向导电性；也可以用来做欧姆接触,电流双向通过。

2)p-n 结：p-n结最重要特性是整流。

3)异质结：两种不同半导体接触形成的结；是快速器件和光电器件的关键构成要素。

4)MOS 结构：金属-氧化物-半导体结构——MOS 结构；MOS结构作栅极，再用两个p-n结分别当作漏极和源极，就可以制作出MOS场效应晶体管(MOSFET)；目前集成电路中最重要的器件。

10、何谓本征半导体、p 型及n型半导体？本征半导体：完全不含杂质且无晶格缺陷的纯净半导体称为本征半导体。

但实际半导体不能绝对的纯净，此类半导体称为杂质半导体。

本征半导体一般是指其导电能力主要由材料的本征激发决定的纯净半导体。

更通俗地讲，完全纯净的、不含杂质的半导体称为本征半导体或I型半导体。

主要常见代表有硅、锗这两种元素的单晶体结构。

p 型半导体：也称为空穴型半导体。

P型半导体即空穴浓度远大于自由电子浓度的杂质半导体。

在这样的材料中传导主要是由带正电的空穴引起的，因而在这种情况下电子是“少数载流子”。

n 型半导体：也称为电子型半导体。

N型半导体即自由电子浓度远大于空穴浓度的杂质半导体。

在N型半导体中，自由电子为多子，空穴为少子，主要靠自由电子导电，由于N 型半导体中正电荷量与负电荷量相等，故N型半导体呈电中性。

自由电子主要由杂质原子提供，空穴由热激发形成。

掺入的杂质越多，多子（自由电子）的浓度就越高，导电性能就越强。

11、何谓施主、受主？半导体内部如果有杂质原子最外层电子数少于4，比如3个，那么它核内正电子容易吸引外界的一个电子进入最外电子层，形成饱和状态，这个杂质原子因为得到电子被叫做受主；反之最外层有5 个电子，则杂质原子容易失去一个电子成为自由电子，这个杂质原子叫施主。

12、P-N结的概念和原理？采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将P 型半导体与N型半导体制作在同一块半导体（通常是硅或锗）基片上，在它们的交界面就形成空间电荷区称为PN 结。

PN结具有单向导电性，是电子技术中许多器件所利用的特性，例如半导体二极管、双极性晶体管的物质基础。

原理：在P型半导体和N 型半导体结合后，由于N型区内自由电子为多子空穴几乎为零称为少子，而P型区内空穴为多子自由电子为少子，在它们的交界处就出现了电子和空穴的浓度差。

由于自由电子和空穴浓度差的原因，有一些电子从N型区向P 型区扩散，也有一些电子要从P型区向N 型区漂移。

它们扩散的结果就使P区一边失去空穴，留下了带负电的杂质离子，N 区一边失去电子，留下了带正电的杂质离子。

开路中半导体中的离子不能任意移动，因此不参与导电。

这些不能移动的带电粒子在P 和N区交界面附近，形成了一个空间电荷区，空间电荷区的薄厚和掺杂物浓度有关。

在空间电荷区形成后，由于正负电荷之间的相互作用，在空间电荷区形成 了内电场，其方向是从带正电的 N 区指向带负电的 P 区。

显然，这个电场的方 向与载流子扩散运动的方向相反，阻止扩散。

另一方面，这个电场将使 N 区的少数载流子空穴向 P 区漂移，使 P 区的少 数载流子电子向 N 区漂移，漂移运动的方向正好与扩散运动的方向相反。

从 N 区漂移到 P 区的空穴补充了原来交界面上 P 区所失去的空穴，从 P 区漂移到 N 区的电子补充了原来交界面上 N 区所失去的电子，这就使空间电荷减少，内电 场减弱。

因此，漂移运动的结果是使空间电荷区变窄，扩散运动加强。

最后，多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。

在 P 型半导体和 N 型半导 体的结合面两侧，留下离子薄层，这个离子薄层形成的空间电荷区称为 PN 结。

PN 结的内电场方向由 N 区指向 P 区。

在空间电荷区，由于缺少多子，所以也 称耗尽层。

13、储氢材料的机制？分为以下三个部分：1、金属与氢气生成金属氢化物反应氢与其他元素反应生成的氢化物有三种键合方式：1) 离子键型，氢与 IA 及 IIA 族元素间 MH 、MH 2 型，如 LiH 、MgH 2 等。

稳定，呈白色粉末状， 氢以 H — 存在。

2) 金属键型，氢与过渡族元素间，稳定，呈黑色粉末。

如 TiH 1.7、LaH 3、TiH 2、VH 2、NbH 2 等。

3) 共价键型，氢与硼及其附近元素间， 如 B 2 H 6 、AlH 3 、NH 3 、AsH 3 、SiH 4 、H 2 O ，多是低沸点挥发性化合物，不能作储氢材料。

2、金属氢化物的能量储存、转换金属氢化物能量储存、转换的原理：金属吸氢→氢化物，对氢化物加热，把 它置于比其平衡压低的氢压力环境中，放氢，其反应式如下：M---金属，MHn---金属氢化物，p---氢压力，H---焓变.实际，上式反应过程具有化学能(氢)、热能(反应热)、机械能(平衡氢气压力)2 n M (吸) H 2 , p ) 吸吸吸吸 吸吸吸吸2 n MH n (吸 ) H的储存和相互转换功能。