新材料科學導論期末復習題(有答案版)

一、填空題：材料性質的表述包括力學性能、物理性質和化學性質。化學分析、物理分析和譜學分析是材料成分分析的三種基本方法。材料的結構包括鍵合結構、晶體結構和組織結構。材料科學與工程有四個基本要素，它們分別是：使用性能、材料的性質、制備/加工和結構/成分。按組成和結構分，材料分為金屬材料，無機非金屬材料，高分子材料和復合材料。高分子材料分子量很大，是由許多相同的結構單元組成，并以共價鍵的形式重復連接而成。復合材料可分為結構復合材料和功能復合材料兩大類。聚合物分子運動具有多重性和明顯的松弛特性。功能復合材料是指除力學性能以外，具有良好的其他物理性能并包括部分化學和生物性能的復合材料。如有光，電，熱，磁，阻尼，聲，摩擦等功能。材料的物理性質表述為光學性質、磁學性質、電學性質和熱學性質。由于高分子是鏈狀結構，所以把簡單重復（結構）單元稱為鏈節(jié)，簡單重復（結構）單元的個數(shù)稱為聚合度。對于脆性的高強度纖維增強體與韌性基體復合時，兩相間若能得到適宜的結合而形成的復合材料，其性能顯示為增強體與基體的互補。（ppt-復合材料，15頁）影響儲氫材料吸氫能力的因素有：（1）活化處理；（2）耐久性（抗中毒性能）；（3）抗粉末化性能；（4）導熱性能；（5）滯后現(xiàn)象。典型熱處理工藝有淬火、退火、回火和正火。功能復合效應是組元材料之間的協(xié)同作用與交互作用表現(xiàn)出的復合效應。復合效應表現(xiàn)線性效應和非線性效應，其中線性效應包括加和效應、平均效應、相補效應和相抵效應。新材料發(fā)展的重點已經(jīng)從結構材料轉向功能材料。功能高分子材料的制備一般是指通過物理的或化學的方法將功能基團與聚合物骨架相結合的過程。功能高分子材料的制備主要有以下三種基本類型：功能小分子固定在骨架材料上；大分子材料的功能化；已有功能高分子材料的功能擴展；材料的化學性質主要表現(xiàn)為催化性能和抗腐蝕性。1977年，美國化學家MacDiarmid，物理學家Heeger和日本化學家Shirakawa首次發(fā)現(xiàn)摻雜碘的聚乙炔具有金屬的導電特性，并因此獲得2000年諾貝爾化學獎。陶瓷材料的韌性和塑性較低，這是陶瓷材料的最大弱點。第二部分名詞解釋高分子的柔順性高分子鏈能夠通過內旋轉作用改變其構象的性能稱為高分子鏈的柔順性?？谷渥冃圆牧显诤愣☉Γɑ蛘吆愣ㄝd荷）下，抵抗形變的能力。功能陶瓷功能陶瓷是指那些利用電、磁、聲、光、熱、力等直接效應及其耦合效應所提供的一種或多種性質來實現(xiàn)某種使用功能的先進陶瓷(現(xiàn)代陶瓷)。韌性指材料從塑性形變到斷裂全過程吸收能量的能力。聚合物的應力松馳聚合物材料受外力迅速形變后，若長時間固定形變，產(chǎn)生內部應力減少的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象是由于材料的粘彈性導致的。抗拉強度材料承受拉伸載荷時，斷裂前單位面積上所承受的最大應力。硬度材料在表面上的小體積內抵抗變形或破裂的能力。高分子的玻璃化轉變溫度高聚物分子鏈開始運動或凍結的溫度。疲勞強度材料抵抗交變應力作用下斷裂破壞的能力。乳液聚合單體在介質中，由乳化劑分散成乳液狀態(tài)進行的聚合。聚合物的粘彈性聚合物的形變與時間有關，但不成線性關系，兩者的關系介乎理想彈性體和理想粘性體之間的特性。（金屬）材料的“合金化”（個人訂正，見作業(yè)《金屬材料》）為了使鋼具有某種優(yōu)良的性能,可通過增加某些元素的含量來實現(xiàn),這些元素大多以鐵合金的形式加入到鋼液中,這個過程稱為合金化。（來源-中國知網(wǎng)）功能材料指除力學性能以外，具有良好的其他物理性能并包括部分化學和生物性能的材料。復合材料由兩種或兩種以上物理、化學、力學性能不同的物質，經(jīng)人工組合而成的多相固體材料叫做復合材料。材料組織（組織結構）組成材料的不同物質表示出的某種形態(tài)特征。高分子的高彈性這種受力能產(chǎn)生很大的形變，除去外力后能恢復原狀的性能稱高彈性。高分子的玻璃態(tài)高分子的鏈段運動被凍結，只有側基、鏈節(jié)、鏈長、鍵角等的局部運動，具有虎克彈性形變的力學狀態(tài)。功能金屬材料（萬用性答法……）指除力學性能以外，具有良好的其他物理性能并包括部分化學和生物性能的金屬材料。高分子合金高分子合金是由兩種或兩種以上高分子材料經(jīng)由物理或化學方法復合而成的復合體系。塑性外力作用下，材料發(fā)生不可逆的永久性變形而不破壞的能力。第三部分判斷題界面的特性對復合材料起著舉足輕重的作用。 T抗拉強度是材料承受拉伸載荷時，斷裂前單位面積上所承受的最大應力。 T功能陶瓷指具有一定聲、光、電、磁、熱等物理、化學性能為特征的陶瓷材料。 T聚乙烯從是目前產(chǎn)量最大，應用最廣泛的品種。 T陶瓷材料一般具有優(yōu)于金屬材料的高溫強度，高溫抗蠕變能力強。 T硬度指材料在表面上的小體積內抵抗變形或破裂的能力。 T材料復合的過程就是材料制備、改性、加工的統(tǒng)一過程。 T高分子的重均分子量和數(shù)均分子量之比稱為多分散系數(shù)，用來表征分子量的分散程度。 T現(xiàn)代材料科學家對材料成分、結構的認識是由分析、檢測實現(xiàn)的。 T疲勞強度是材料抵抗交變應力作用下斷裂破壞的能力。 T功能高分子和高性能高分子都屬于特種高分子材料的范疇。 T材料性質是功能特性和效用的描述符，是材料對電、磁、光、熱、機械載荷的反應。 T材料在彈性范圍內，應力與應變保持直線關系，開始偏離直線時的應力稱為彈性應力。 F材料性能是隨著外因的變化而不斷變化，是個漸變過程，在這個過程中發(fā)生量變的積累，而性質保持質的相對穩(wěn)定性；當量變達到一個“度”時，將發(fā)生質變，材料的性質發(fā)生根本的變化。 T高分子按結構單元的化學組成可分為碳鏈高分子、雜鏈高分子、元素有機高分子、無機高分子。 T在材料使用性能（產(chǎn)品）設計的同時，力求改變傳統(tǒng)的研究及設計路線，將材料性質同時考慮進去，采取并行設計的方法。(請百度) T測定高聚物分子量的方法有光散射法、端基分析法、氣相滲透法凝膠滲透色譜法、超速離心沉降平衡法等。 T韌性指材料從塑性變形到斷裂全過程中吸收的能量。 F纖維增強金屬基復合材料的目標是，提高基體在室溫和高溫下的強度和彈性模量。 T受熱后軟化，冷卻后又變硬，可重復循環(huán)的塑料稱為熱塑性塑料。 T第四部分簡答題與小分子比較，高分子有哪些特征？與小分子相比，高分子：1，分子量不確定，只有一定的范圍，是分子量不等的同系物的混合物；2，沒有固定熔點，只有一段寬的溫度范圍；3，分子間力很大，沒有沸點，加熱到2000C~3000C以上，材料破壞（降解或交聯(lián)）。聚合物常用的幾種統(tǒng)計平均分子量是什么？幾種分子量統(tǒng)計平均值之間的關系？多分散系數(shù)指什么？數(shù)均分子量、重均分子量、Ｚ均分子量、粘均分子量。；對單分散試樣有：。時，；時，。稱為多分散系數(shù)，用來表征（分子量）分散程度。高分子有哪三種力學狀態(tài)？各有什么特點？高分子有玻璃態(tài)、高彈態(tài)、粘流態(tài)三種力學狀態(tài)。玻璃態(tài)鏈段運動處于“凍結”狀態(tài)，模量高形變小。具有虎克彈性行為，質硬而脆。高彈態(tài)鏈段運動已充分發(fā)展。在較小應力下，即可迅速發(fā)生很大的形變，除去外力后，形變可迅恢復。粘流態(tài)由于鏈段的劇烈運動，整個大分子鏈重心發(fā)生相對位移，產(chǎn)生不可逆位移即粘性流動；交聯(lián)聚合物無粘流態(tài)存在簡述金屬功能材料的功能設計方法金屬功能材料的功能設計主要有以下兩個方面：尋找具有特定功能的金屬材料。利用各種金屬材料的特性，制備符合使用要求的合金。簡述聚合物溶劑選擇的原則極性相似原則、溶劑化原則、溶解度參數(shù)相近原則。簡述影響儲氫材料吸氫能力的因素影響儲氫材料吸氫能力的因素有：活化處理：如去除表面的氧化膜以及吸附的水以及氣體。耐久性（抗中毒性能）：儲氫材料能夠容忍的不純物質（如水汽，氧氣等）的量?？狗勰┗阅埽褐覆牧系挚乖谖张c釋放氫氣產(chǎn)生反復膨脹與收縮所造成的粉末化的性能。導熱性能：（由于粉末化使導熱性能大幅下降，）材料能否將釋氫過程產(chǎn)生的熱量導出的能力。滯后現(xiàn)象：儲氫材料的結合氫與環(huán)境游離氫之間的平衡關系。功能復合材料中的隱身材料按照電磁波吸收劑的使用，可分為涂料型和結構型兩類，它們都是以樹脂為基體的復合材料。請簡述隱身材料的基本原理。隱身材料的基本原理降低目標自身發(fā)出的或反射外來的信號強度；減小目標與環(huán)境的信號反差，使其低于探測器的門檻值；使目標與環(huán)境反差規(guī)律混亂，造成目標幾何形狀識別上的困難。簡述自由基聚合反應的特征可分為鏈引發(fā)、鏈增長、鏈終止、鏈轉移等基元反應——慢引發(fā)、快增長、速終止只有鏈增長反應使聚合度增加，且不能停留在中間聚合階段單體濃度隨聚合時間逐步降低，聚合物濃度逐步提高少量阻聚劑（0.01～0.1%）足以使自由基聚合終止。簡述復合材料的發(fā)展趨勢由宏觀復合向微觀復合發(fā)展；向多元混雜復合和超混雜復合發(fā)展；由結構復合為主向結構復合與功能復合并重的方向發(fā)展；被動復合向主動復合材料發(fā)展；由常規(guī)設計向仿生設計方向發(fā)展；什么是納米材料？簡述納米材料的主要制備技術。納米材料是指塊體中的顆?；蚍垠w粒度在1－100納米之間，使其性能發(fā)生突變的材料。制備方法包括：氣相冷凝法、球磨法、溶膠－凝膠法和非晶晶化法。陶瓷材料的力學性能有何特點并做出簡要的解釋硬度大陶瓷的硬度很高，多為1000Hv～1500Hv陶瓷硬度高的原因是離子晶體中離子堆積密度大、以及共價晶體中電子云的重疊程度高引起的。剛度大陶瓷的剛度很高。剛度是由彈性模量衡量的，而彈性模量又反映其化學鍵的鍵能。離子鍵和共價鍵的鍵能都要高于金屬鍵，因此陶瓷材料的彈性模量要高于金屬材料。強度高陶瓷材料的強度取決于鍵的結合力，理論強度很高。但陶瓷中由于組織的不均勻性，內部雜質和各種缺陷的存在，使得陶瓷材料的實際強度要比理論強度低100多倍。陶瓷材料的強度也受晶粒大小的影響。晶粒越細，強度越高。塑性、韌性差陶瓷材料的塑性和韌性較低，這是陶瓷最大的弱點。陶瓷材料受到載荷時在不發(fā)生塑性變形的情況下，就發(fā)生斷裂。陶瓷內部和表面所產(chǎn)生的微裂紋，由于裂紋尖端的應力集中，內部裂紋在受到外應力時擴展很快，這是導致陶瓷材料斷裂的根本原因。為什么會出現(xiàn)高分子鏈聚集態(tài)結構？高分子鏈聚集態(tài)結構包含哪些內容？（M記解析）由于高分子長鏈具有極高的自由度，加上鏈之間的次級鍵（分子間作用力）作用，使到無數(shù)長鏈高分子聚集成為高聚物時分子相互堆砌排列的相對穩(wěn)定狀態(tài)（在物理學中分子聚集狀態(tài)稱為凝聚態(tài)）。晶態(tài)結構、非晶態(tài)結構、取向態(tài)結構、液晶態(tài)結構以及織態(tài)結構。什么是聚合物共混復合材料？其基本特征是什么？通過簡單的工藝過程把兩種或兩種以上的均聚物或共聚物或不同分子量、不同分子量分布的同種聚合物混合而成的聚合物材料，也稱聚合物合金?；咎卣鳎汗不焓峭ㄟ^物理的方法把不同性能的聚合物混合在一起工藝簡單，但共混時存在相容性問題，若兩種聚合物共混時相容性差，混合程度（相互的分散程度）很差，易出現(xiàn)宏觀的相分離，達不到共混的目的，無實用價值測定高聚物分子量的方法有哪些？有哪些途徑可以提高材料的剛性？光散射法、GPC法、端基分析法、溶液依數(shù)性法、滲透壓法、氣相滲透法、粘度法。在主鏈中引入不能內旋轉的芳環(huán)、芳雜環(huán)等環(huán)狀結構或者有π鍵的共軛結構，可提高分子鏈的剛性。側基的極性越大，極性基團數(shù)目越多，相互作用越強，單鍵內旋轉越困難，也可提升剛性。氫鍵的影響比極性更顯著，可大大增加分子鏈的剛性。第五部分問答題高分子的溶解現(xiàn)象比小分子化合物復雜的多，具有哪些與小分子化合物不同的特性？與小分子相比，高分子：1，分子量不確定，只有一定的范圍，是分子量不等的同系物的混合物；2，沒有固定熔點，只有一段寬的溫度范圍；3，分子間力很大，沒有沸點，加熱到2000C~3000C以上，材料破壞（降解或交聯(lián)）。你認為材料工作者需要具備什么樣的條件？你認為哪些方面是新技術新材料的代表？在材料科學研究及工程化應用中，材料人員應具備這樣一種能力：能針對不同的使用環(huán)境，提取出關鍵的材料性質并選擇優(yōu)良性能的材料。準晶、納米材料和界面科學等是新的研究課題，都主要是圍繞成分與結構展開的，向上追溯到材料的合成與加工，向下則牽聯(lián)到材料的特征性質?？梢哉f，這些研究是新材料新技術的代表。與金屬材料和無機非金屬材料比較，高分子材料的組成和結構有什么特征？組成上：高分子材料是以高分子化合物為主要組成部分的材料。高分子化合物是相對分子量很大的有機化合物。所以與金屬材料和無機非金屬材料相比高分子材料的相對分子質量大得多。結構上：高分子材料按其分子在空間的排列，可分為晶態(tài)和非晶態(tài)兩類且往往是晶態(tài)和非晶態(tài)共存。而金屬材料的典型的晶體結構有三種：面心立方結構、體心立方結構和密排六方結構。無機非金屬材料的基本相結構是晶體相、玻璃相并存在一些氣相。三者差異較大。材料的四大要素是什么？敘述材料四大要素之間的關系。材料的四大要素是:成分結構、基本性質、合成加工、使用性能。其中性能是包括材料在內的整個系統(tǒng)特征的體現(xiàn)；性質則是材料本身特征的體現(xiàn)。材料的成分結構、合成加工決定了材料的性質。在材料設計中首先應該了解材料應該具備什么樣的使用性能，這樣的使用性能決定材料應該具備什么樣的基本性質，然后，通過成分的設計，加工合成方法的選擇制備出具有這樣性質和性能的材料。將低分子單體變?yōu)榫酆衔铮赏ㄟ^哪些聚合機理合成？采用哪些聚合實施方法實現(xiàn)？為什么？按聚合機理和動力學過程，將聚合反應分為連鎖聚合和逐步聚合兩大類。連鎖聚合:自由基、陽離子、陰離子、配位聚合；逐步聚合：縮合聚合和逐步加成聚合采用本體聚合、溶液聚合、乳液聚合、懸浮聚合等基本實施方法。聚合反應有四種基本的實施方法，分別指什么，各有什么特點？本體聚合：不加任何其它介質,僅是單體在引發(fā)劑、熱、光或輻射源作用下引發(fā)的聚合反應。優(yōu)點：聚合物純凈，后處理簡單。缺點:聚合熱不易擴散,反應溫度較難控制,易局部受熱,反應不均勻,分子量分布寬,有氣泡,可能爆聚。溶液聚合：單體和引發(fā)劑溶于適當溶劑中進行的聚合反應。優(yōu)點:體系粘度低,混合和傳熱容易,溫度易控制,較少凝膠效應。缺點:聚合速率低，設備利用率低，鏈轉移使分子量低，需溶劑回收。乳液聚合：借助機械攪拌和乳化劑的作用,使單體分散在水或非水介質中形成穩(wěn)定的乳液(直徑1.5～5μm)而聚合的反應。優(yōu)點：（1）以水為分散介質，粘度低，傳