功能材料

《功能材料学》复习重点
1.什么是功能材料和主要特征：
功能材料是指具有优良的物理、化学、生物或其相互转化的功能，用于非承载目的的材料。有以下五大主要特征：
①功能对应于材料的微观结构和微观物体的运动。
②其聚集态和形态非常多样化。
③产品形式主要是材料元件一体化。
④是利用现代科学技术，多学科交叉的知识密集型产物。
⑤采用许多新工艺和新技术进行制备与检测。
2.电子导电材料中的超导体、导体、半导体和绝缘体的区别？
答：导体、超导体、半导体和绝缘体的区别在于电导率、能带结构和导电机理三方面。（1）电导率：导体的电导率≥105S/m；超导体的电导率为无限大；半导体的电导率为10-7~104S/m；绝缘体的电导率≤10-7S/m。
（2）能带结构：导体和超导体的能带结构有三类：未满带+重带+空带；满带+空带；未满带+禁带+空带。半导体和绝缘体的能带结构是满（价）带+禁带+空（导）带，半导体的禁带宽度为0（3）导电机理：导体是通过自由电子的运动而导电的，导体中均存在电子运动的通道即导带，电子进入导带运动均不需能带间跃迁。超导体的导电是因为超导电子的存在，它的运动是不受阻的。半导体价带中的电子受激发后从满带跃到空带中，跃迁电子可在空带中自由运动，传导电子的负电荷，满带中留下的空穴按电子运动相反的方向运动传导正电荷；半导体的导电来源于电子和空穴的运动，电子和空穴都是半导体中导电的载流子。绝缘体不导电。
3.超导材料及其特征值？
某些金属、金属化合物及合金，当温度低到一定程度时，电阻突然消失，把这种处于零电阻的状态叫做超导态。有超导态存在的材料叫超导材料。
其特征值为：
（1）临界温度Tc。当TTc时，导体的ρ≠0，即失去超导性。
（2）临界磁场强度Hc。除温度外，足够强的磁场也能破坏超导态。使超导态转变成正常态的最小磁场Hc(T)叫做此温度下该超导体的临界磁场。
（3）临界电流密度Jc。当超导电流超过某临界值Jc时，也可使金属从超导态恢复到正常态。Jc称为临界电流密度，临界电流密度Jc本质上是超导体在产生超导态时临界磁场的电流。
（4）Meissner（迈斯纳）效应。处于超导态的材料，不管其经历如何，磁感应强度始终为零。超导体是一种抗磁体。因此具有屏蔽磁场和排除磁通的功能。
4.铁电体及其特性？
铁电体是指在某温度范围内具有自发极化且极化强度可以因外电场而反向的晶体，也就是，凡具有电畴和电滞回线的介电材料就称为铁电

体。
铁电体的特性：（1）铁电体有许多电畴，不同的电畴之间永久偶极矩的取向不一致；（2）P与E形成电滞回线；（3）居里温度Tc是铁电相与顺电相的相转变温度。（4）介电常数ε与非铁电体不同。
5.介电材料及其特征值？
介电材料又叫电介质，是以电极化为特征的材料。电极化是在电场作用下分子中正负电荷中心发生相对位移而产生电偶极矩的现象。
介电材料的特征值：分子极化率α、极化强度P、静态介电常数ε、动态介电常数ε*、介电损耗W、电导率σ、击穿电压U。
6.什么是压电材料？
具有压电效应的材料叫做压电材料。没有对称中心的材料受到机械应力处于应变状态时，材料内部会引起电极化和电场，其值与应力的大小成比例，其符号取决于应力的方向。或者该材料在电场的作用下发生电极化时，会产生应变，其应变值与所加电场的强度成正比，其符号取决于电场的方向。这两种现象统称为压电效应。
7.什么是热电材料？
热电材料就是把热转变为电的材料。主要包括温差电动势材料，热电导材料和热释电材料三大类。
（1）温差电动势材料 温差电动势效应(温差热电效应)
（一）赛贝克效应
（二）温差电热效应 1、珀尔帖热效应 2、汤姆逊热效应
（三）接点——介质温差效应
(2) 热电导材料：当温度升高时，材料的σ发生较大变化的一类材料。
(3) 热释电材料：热释电效应是指当某些晶体受温度变化影响时，由于自发极化的相应变化而在晶体的一定方向上产生表面电荷。
8.什么是光电材料？
光电材料是能把光能转变为电的一类能量转换功能材料。主要有光电子发射材料、光电导材料和光电动势材料。
（1）光电子发射材料：光电子发射材料又称之为外光电效应材料。当光照射到材料上，光被材料吸收产生发射电子的现象称为光电子发射现象。具有这种现象的材料称为光电子发射材料。
（2）光电导材料：受光辐射电导急剧上升的现象称为光电导现象。具有此现象的材料叫光电导材料。
（3）光电动势材料：在光照下，半导体p－n结的两端产生电位差的现象称为光生伏特效应。具有此效应的材料叫光生伏特材料，又称光电动势材料。
9.画出软磁、硬磁、磁头、磁记录介质和矩磁材料的磁化曲线和磁滞回线？并说明其意义？
（1）软磁材料：磁导率μ高；磁滞损耗低；矫顽力Hc低；饱和磁感应强度Bs高；磁滞回线矩形比高，即Br/Bs高。
（2)硬磁材料：剩余磁感应强度Br高；矫顽力Hc高；最大磁面积(BH)max高；磁滞损耗高。
(3)磁头材料：最大磁导率μm高；饱和磁感应强度Bs高；矫顽力Hc低；剩余磁感应强度Br低；起始磁

导率μi高。
（4)磁记录介质材料：矫顽力Hc适当高；磁滞回线矩形比高，即Br/Bs高；饱和磁感应强度Bs高。
（5）矩磁材料：磁滞回线矩形比高，即Br/Bs高；矫顽力Hc低；磁滞损耗低。
磁滞回线和磁化曲线见资料与书上。
10.透光材料种类及优缺点？
透光材料包括透可见光（波长0.39~0.76μm）、红外光（波长1~1000μm）和紫外光（波长0.01~0.4μm）的材料。透可见光的材料常用的有玻璃和高聚物两大类。
玻璃材料的透过率最高，折射率范围大，色散系数范围大，光学稳定性好，耐磨损。其缺点是密度大，耐冲击强度低，加工困难，制造周期长。
高聚物材料是另一类透光材料，发展较快。其优点为重量轻、成本低、制造工艺简单、不易破碎，可用来制作各种光学元件。但也有折射率范围窄，热胀系数、双折射和色散大等很多缺点。
12.光致发光材料及其机理？
用紫外、可见及红外光激发发光材料而产生的发光称为光致发光，该发光材料称为光致发光材料。光致发光过程分为三步：①吸收一个光子；②把激光能转移到荧光中心；③由荧光中心发射辐射。发光的滞后时间约为10-8s的称为荧光，衰减时间大于10-8s的称为磷光。
13.激光是怎样产生的及其特点？
简单地说，激光的产生过程为：当激光工作物质的粒子（原子或分子）吸收了外来能量后，就要从基态跃迁到不稳定的高能态，很快无辐射跃迁到一个亚稳态能级。粒子在亚稳态的寿命较长，所以粒子数目不断积累增加，这就是泵浦过程。当亚稳态粒子数大于基态粒子数，即实现粒子数反转分布，粒子就要跌落到基态并放出同一性质的光子，光子又激发其他粒子也跌落到基态，释放出新的光子，这样便起到了放大作用。如果光的放大在一个光谐振腔里反复作用，便构成光振荡，并发出强大的激光。、
激光的特点：
（1）相干性好。（2）单色性好。（3）方向性好。（4）亮度高。
14.激光器由几部分组成？激光器由工作物质、激励源和谐振腔三部分构成。
15.荧光材料与磷光材料的区别？当激发除去后在10-8s内发的光称为荧光，其发光是被激发的电子跳回价带时，同时发射光子。与发荧光不同，发磷光的材料往往含有杂质并在能隙附近建立了施主能级，当激发的电子从导带跳回价带时，首先跳到施主能级并被捕获。在它跳回价带时，电子必须先从捕获陷阱内逸出，因此延迟了光子发射时间。当陷阱中的电子逐渐逸出，跳回价带并发射光子。
16.用能带结构解释激光工作原理？
红宝石是在蓝宝石（Al2O3单晶）中加入0.05%Cr3+离子后得到的产物。Cr3+离子使红宝石呈红色，更重要的是提供了产生激光

的所必要的电子能态。通常将红宝石制成柱状，两端为高度抛光互相平行的平面。其中一个端面部分镀银，能部分透光；另一端面充分镀银，使之对光波有完全反射作用。在激光管内，用氙气闪光灯辐照红宝石。红宝石在被辐照之前Cr3+离子都处于基态（见图10－8）。但在氙气闪光灯（波长560nm）照射下，Cr3+中的电子受激转变为高能态，造成粒子数反转。处于高能态的电子可通过两个途径返回基态：（1）直接从受激高能态返回基态，同时发出光子，由此产生的光不是激光。（2）受激高能电子首先衰变为亚稳态，停留3ns后返回基态并发出光子。在电子运动过程中3ns一般是很长的时间，因此在亚稳态能级上集聚了不少的电子，当有几个电子自发地从亚稳态返回基态时，带动更多电子以“雪崩”形式返回基态，从而发射出愈来愈多的光子。那些基本平行于红宝石轴向运动的光子，一部分穿过部分镀银端，而一部分被镀银端面反射回来，光波沿红宝石轴向来回传播，强度愈来愈强。这时，从部分镀银端面发射出来的光束就是高度准直的高强度相干波，这种单色激光的波长为694.3nm。由上面分析，该激光器主要部分是激光工作物质（Al2O3单晶）激活物质Cr3+离子提供亚稳态能级，从基态到激发态经亚稳态能级构成三能级激光器。
17.什么是非线性光学材料，利用二阶非线性光学效应解释倍频和光整流现象？
非线性光学材料是指对于激光强电场，显示二次以上非线性物理响应的材料。从光量子系统的能量守恒关系ω1+ω2=ω3，可以得到非线性光学晶体实现激光频率转换的两种类型：(1)当两个入射光波场的频率相同，即ω1=ω2=ω时，它们和频作用的结果，将产生一频率为两倍于入射光波场的电磁波，这就是倍频效应。(2)当ω1=ω2，则ω3=ω1-ω2 =0，此时激光通过非线性光学晶体产生直流极化称为光整流。
18.电光材料的概念及其优良电光材料的特点？
在外加电场的作用下，介质折射率发生变化的现象称为电光效应，具有电光效应的介质称为电光材料。优良的电光材料应该具有大的电光系数，高的折射率和低的半波电压。此外，还要求介电常数小以减少高频损耗，在使用的光波段透光性好，温度稳定性和化学稳定性好等性能。
19.什么是磁光材料，优良磁光材料的特点？
磁光材料是指在磁场作用下，入射光经过材料时会发生某些性质的变化的材料。优良的磁光材料应该具有大的维尔德常数V和小的光损耗系数α。此外，还要求材料显示各向同性的光学性质，不存在结构因素产生的双折射，以及具有良好的物理，化学稳定性能。
20.红外辐射材料的概念及其影响

发射率的因素？
理论上，任何物体在0K以上均可辐射红外线，但工程上，红外辐射材料只指能吸收热物体辐射而发射大量红外线的材料。影响发射率的因素有：（1）材料本身结构：一般说金属导电体的ε值较小，电介质材料的ε值较高。（2）辐射波长：在短波主要与电子在价带至导带间的跃迁有关；在长波段主要与晶格振动有关。（3）原材料预处理工艺：同一种原材料因预处理工艺条件不同而有不同的发射率值。（4）温度 （5）材料表面状态：一般来说，材料表面愈粗糙，其发射率愈大。
21.光盘材料由几部分构成，这几种材料有什么要求？
光盘材料由光盘基板材料和光记录材料两部分组成。光盘对基板材料的主要要求是：透光性好，很小的双折射性，良好的物理和化学稳定性，基板上的记录膜不发生剥离，价格便宜。光记录材料是光盘材料的核心，应有高灵敏度、高分辨率、高信噪比、随录随放功能、高抗缺陷性以及使用寿命长等性能。
22.夜间在高空飞行的飞机，从哪几个方面实现隐身？
要实现微波隐身，红外隐身，激光隐身，声隐身。
（1）微波隐身的基本原理是要使雷达所能接收的目标所散射的电磁波信号减弱到最小限度，以致雷达接收不到目标所散射的电磁波信号，发现不了目标而达到隐身的目的。
（2）近红外隐身的基本原理是要使近红外探测仪器所能接收的目标与背景波长为0.76—2.6μm的近红外辐射信号特征之间的差别减少到最低限度，使之迷盲而无法识别目标以达到隐身的目的。中，远红外隐身的基本原理是使中，远红外探测仪器所能接收的目标与背景波长为3—5μm和8—14μm的中，远红外辐射信号特征之间的差别减少到最低限度，使之迷盲而无法识别目标以达到隐身的目的。
（3）激光隐身的基本原理是要使激光侦测手段所能接收的目标所散射的激光信号减弱到最小限度，以致激光侦测手段接收不到目标所散射的激光信号，发现不了目标而达到隐身目的
（4）声隐身的基本原理是要使声纳所能接收的目标所散射的声波信号减弱到最小限度，以致声纳接收不到目标所散射的声波信号，发现不了目标而达到隐身的目的。
23.梯度功能材料的概念和特征?梯度功能材料（FGM）是两种或多种材料复合成组分和结构呈连续梯度变化的一种新型复合材料。梯度功能材料的主要特征有以下三点：
（1）材料的组分和结构呈连续梯度变化。
（2）材料内部没有明显的界面。
（3）材料的性质也相应呈连续梯度变化。
24.纳米材料的概念和特征，以及以后可能在哪些方面发展？
把凡是至少在一维方向上的线度在1~100nm之间的单元和由

这种纳米单元作结构单元的材料均称为纳米材料。特征：表面效应和体积效应。
25.智能材料的概念和功能？
智能材料是指对环境可感知、响应和处理后，能适应环境的材料。它是一种融材料技术和信息技术于一体的新概念功能材料。
智能材料应同时具备传感(sensing)、处理(processing)和执行(actuation)三种基本功能。

一：多选题
1：按材料属性分成哪几类 ： 金属材料、有机材料、复合材料、陶瓷材料
2：按工作原理传感器可分为几类： 生物 物理 化学
3：压电材料具有（）压电效应： 正 负
4：常见的金属温敏材料 ： Pt 、Cu、 Ni
5：影响金属导电因素： 1）温度 （2）尺寸：按照欧姆定律 （3）缺陷和杂质
6：常见的铂骨架材料： 陶瓷、玻璃、云母
7：热电偶冷端补偿方式 三种： （1）冰水混合保温补偿 （2）恒温补偿
（3）冷端自动补偿（电桥方式）
8：热敏电阻分为： NTC、 CTR、PDC
9：湿度的几种表示方式： （1）绝对湿度（2）水蒸气的分压（3）相对湿度（4）露点湿度
10：高分子湿敏材料分类： （1）电容式（2）电阻式（3）声表面波（4）光敏式
11：气敏材料的研究出于三个方面 （1）职业健康与安全 （2）环境与排放监测
（3）住宅健康与安全
12：半导体气体模型
13：待测气体特性：（1）氧化性气体（2）还原性气体（3）有毒有害气体及大气污染气体
14：陶瓷气敏材料共性：（1）催化作用（2）多种晶体相结构（3）可实现半导体
（4）两性氧化物或多价态化合物
15：陶瓷气敏材料合成方法：（1）固相法（2）气相法（3）液态法
16：电化学中电池的构成 ： （1）丹尼尔电池（2）福特电池（3）浓差电池
17：光电效应的分类 ： （1）光电子发射现象（2）光电导现象（3）光生伏特现象
18：电光效应在外电场作用下而发生变化的现象分为哪几类：（1）Pockels（2）克尔现象
19：按光纤折射率 纤芯的分类: （1）阶跃式的光纤（2）渐变式的光纤
20：光与光纤的间接耦合方式分为四种: （1）端面球透镜耦合（2）柱透镜耦合（3）圆锥形透镜耦合 （4）凸透镜耦合
21：光纤依据入射光测量 3种
22：光纤传输模式: （1）单模传输（2）多模传输
23：霍尔效应: （1）金属（2）半导体（3）磁敏材料
24：生物敏感材料 : （1）物理或化学吸附法（2）包埋法（3）共价键固定法（4）交联法（LB膜法）
二：名词解释
1：金属应变效应：金属或其他材料在承受外力（压力，拉力）时，由于机械应变而使材料的长度L，截面积A以及电阻率rou而改变，致使材料的电阻值R发生变化的现象
2：正压电效应：在外力作用下

，压电材料发生形变时，在其某些对应面上产生正负电荷，从而在对应面之间产生电势场
3：负压电效应：如果在压电材料两个表面电极上施加外电场，由于电场的作用，造成晶体内正、负电荷受电场力而产生相对位移，从而引起其发生形变
4：热电效应：两种不同的导体A和B组成闭合回路，当A和B相接处的2个点处于于不同温度下，在回路中产生电流，这种现象叫做热电效应
5：热敏电阻：利用半导体材料的电阻随着温度变化的特性，制成的温度检测器件

6：热释电效应：在红外线照射下，某些物质的温度发生变化，随着温度的上升或下降，物质的表面会产生电荷的现象
7：光电导效应：在红外光辐射下，某些半导体表面上被半导体束缚的某些载流子（空穴或电子）从不导电状态变成导电的状态，从而使半导体的导电率增加的现象
8：光化学气体传感器：当待测气体存在与由Pt、Au等贵重金属电极，比较电极和电解质（固态或液态）组成的电池中时，气体会与电解质发生化学反应或在电极表面发生氧化— 还原反应，从而在两个电极之间有电流或电压输出，达到检测气体成份和浓度的目的
9：光电效应：某些物质在光的作用下会释放出电子，从而改变物质的导电特性现象，被释放的电子称为光电子，在外电场作用下形成电流—光电流
10：固体图像传感器：是指把布设在半导体衬底的许多感光小单元的光—电信号，用所调制的电磁脉冲读取出来的显示出来的图像的一种功能器件
11：霍尔效应：将一载流体（金属或半导体）置于磁场中静止不动，若此流体中的电流方向于磁场方向不相同时，则在此载流体中平行于由电流方向和磁场方向所组成的平面上将产生电势，此电势称为霍尔电势，这种现象称为霍尔现象。
12：磁致伸缩效应：被磁化后的强磁性物体，在外磁场方向上会发生伸缩的现象。
三：简答题
1：简述金属应变材料选择粘接材料的原则
答：（1）材料特性（物理、化学材料要与应变材料相近）（2）粘接工艺方法简单
（3）应变传输能力强 （4）蠕变要小 （5）使用温度范围大 -50-50
（6）耐腐蚀 抗疲劳
2：以经典电子理论分析金属形成电阻的原因
答：自由电子在定向移动过程中，与原子形成的离子，不断地发生碰撞，使电子运动受阻，特别是在一定温度，因温度的影响而引起原子热振动和晶格点阵发生畸变，从而形成电阻。
3：分析热电偶中接触电势的形成原因
答：由于导体A和B接触时，材料的自由，由于密度不同， ，则导体A的电子向B 中电子扩散，由于电子在扩散中速率、浓度不同，则从 的电子数比 多，则A因

失电子而呈“正电荷”，B因得电子而呈负电荷，则在A、B接触面形成对立电场，电场反过来阻碍电子扩散，电子反向转移，直达到动态平衡，在A、B之间就形成电位差。
4：画出陶瓷湿度传感器示意图 说出需要加热清洗的原因
答案：在正常工作时，加热器不工作，但是经过长时间工作，陶瓷材料内部会有大量羟基残留，使传感器零点漂移，另外在工作和放置中陶瓷芯片的表面会吸收一定灰尘和杂质，使之吸附水蒸气的能力下降，因此可以通过加热清洗去掉这些影响因素，使其表面重新处于全新的状态，保持其精度和稳定性
5：画出半导体气体传感器初始电阻稳定性曲线 并分析产生电阻震荡原因
答案：由于这种半导体陶瓷气体传感器属于一种高温工作的传感器，在贮存过程中，加热器处于不加热状态，那么大气中的杂质（灰尘、 、 ）会吸附于其表面，也掩盖了其活性表面，使之处于“甚高阻状态”当通电工作后，加热器工作，随着温度升高，一方面 吸附成为 、 ，改变表面状态，吸附态也随时间趋于稳定，另一方面，被吸附的灰尘、 一些杂质状态快速脱附，载流子处于高浓度状态，表现为瞬时的低阻状态，随温度的稳定， 吸附过程也逐步趋于稳定，这个过程也是一个震荡过程，直至完全平衡。
6：为什么小于极限波长的光照射材料产生光电子效应
答案：6.2节 电子变成光电子，也就是光电子刚达到固体表面时， 则 也就是产生光电子的最低频率 ，用波长表示则 ， （um）其中产生光电子的公函数 与材料特性有关，查表（手册）因此知道材料 就会确定产生光电子发射现象的光的波长条件，此时波长也称为极限波长 且光电流的大小 与光强成正比

7：解释磁致伸缩效应并分析产生原因
答案：被磁化后的强磁性物体，在外磁场方向上会发生伸缩的现象











四：综合题
1：画出变极间距










2：画出热敏电阻与金属电阻温度特性比较图，并分析两者导电之间的区别





3：画出光纤传感器的基本结构，分析发生全反射必要条件















4：解释霍尔效应并分析机理过程 ，产生失调电压原因画出失调