无机材料科学

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1、1.材料科学四大要素之间的关系？四大要素工程、结构、特性、性能。（1）工程是控制材料成分和结构 的必要手段。 通过 技术上的加工过程改变 材料的组织结构，从而改变 材料的特性以及使用性能。（ 2）材料结构 是影响 其特性和使用性能的直接原因，也是导致 材料性能差异 的重要因素。 材料的结构决定了材料具有什么样的特性以及使用性能，因此 结构是核心 。（3）任何状态下的材料，其特性都是经合成或加工 后材料 结构和成分 所产生的结果。弄清特性和结构的关系，可以合成出性质更好的材料，并按所需 综合性质设计材料。而且最终将影响到材料的使用性能。（4）性能通常是指材料在最终的使用过程中的行为和表现，使用性

2、能取决于材料基本特性。上述四个要素是基本的，缺一不可的， 对材料科学与工程的发展来说， 这四个要素必须是整体的。材料的四要素反映了材料科学与工程研究的共性问题，其中工程、 性能是两个普遍的关键要素，这是在这四个要素上，各种材料相互借鉴、相互补充、相互渗透。 抓住了这四个要素，就抓住了材料科学与工程研究的本质。而各种材料，其特征所在， 反映了该种材料与众不同的个性。如果我们这样去认识，则许多长期困扰科技工作者的问题都将迎刃而解。2.SPM 扫描探针纤维镜？是显微镜的一个分支，使用一个 物理探针扫描试样表面的图像。图 像的表面是通过机械移动探针一趟一趟地在试样上进行光栅扫描 ， 并记录 探针表面的

3、相互作用作为位置的函数。SPM 不是简单用来成像的显微镜，而是可以用于在原子、分子尺度进行加工和操作的工具。特点：（1）SPM 具有 极高的分辨率。（ 2）SPM 得到的是 实时的、真实的样品表面的高分辨率图像。（ 3）SPM的使用环境宽松。3.巨磁电阻效应？巨磁电阻 （GMR）是指 磁性材料的电阻率在有 外磁场作用 时较之无外磁场作用时存在显著变化的现象。当铁磁层的磁矩相互平行时，载流子与自旋有关的散射最小，材料有最小的电阻。 当铁磁层的磁矩为反平行时，与自旋有关的散射最强，材料的电阻最大，电阻在很弱的外加磁场下具有很大的变化量。应用：GMR 已广泛的应用于现代硬盘读出磁头和磁传感器。对巨磁

4、电阻效应的另一个应用是磁阻随机存取存储器（MRAM），一种非易失性半导体存储器。巨磁电阻效应引发了自旋电子学的一个新领域的崛起（自旋电子学）。4.LED发光二极管简称为LED 。是一种 固态的半导体器件，可以把电能转化成光能。发光二极管核心是一个半导体晶片 ，晶片有两部分组成，一部分是P型半导体，空穴占主导地位，另一部分是n 型半导体， 电子占主导地位，当连接起来， 组成一个PN 结，具有 单向导电性 。当给发光二极管加上正向电压 后，从 P 区注入到N 区的空穴和由N 区注入到P区的电子，在 PN结附近 数微米 内分别与N 区的电子和P区的空穴复合， 产生 自发辐射 的荧光。 光的颜色由 p

5、-n 结的颜色决定。5、自我修复材料自修复材料是一种内置的能力材料，能够在材料的使用寿命期间部分修复发生损坏的地方。通常，材料的性能随着时间的推移而退化，由于 微观尺度上的损伤。这些裂缝可以生长，最终导致失败。自修复材料通过加入一个“积极”的阶段，通过启动一个修复机制的微损伤， 以解决这个缓慢的故障。这种聚合物内嵌有一种由液体构成的“ 血管系统 ” ，当出现破损时，液体就可像血液一样渗出并结块。相比其他那些只能修复微小裂痕的材料，这种仿生塑料可以修复最大4 毫米宽的裂缝。6 气凝胶气凝胶是指凝胶中的液体成分 通过 超临界干燥过程被气体取代形成的一种轻质固态材料。凝胶的 空间网状结构 中充满的介

6、质是气体，外表呈固体状，这即为干凝胶，也称为气凝胶。超低密度材料：气凝胶(现有最轻的固体块材)密度 :玻璃的 1/100 主成分 :SiO2 特点 :绝热性 ,多孔性、相对强度高，应用: 绝热材料、电化学、航空航天、电子,电器、能源材料。7. 高温超导材料是具有 高临界转变温度（Tc ）能 在液氮温度条件下工作的超导材料。高温超导材料不但超导转变温度高， 而且成分多是 以铜为主要元素的多元金属氧化物，氧含量不确定， 具有陶瓷性质。氧化物中的金属元素（如铜）可能 存在多种化合价，化合物中的大多数金属元素在一定范围内可以全部或部分被其他金属元素所取代，但仍不失其超导电性。除此之外， 高温超导材料具

7、有明显的层状二维结构 ，超导性能具有很强的各向异性 。 （例子这是一个自动化的第二代高温超导线材的制造工艺，连续使用薄膜沉积技术应用超导材料缓冲的金属基板上）8. 电磁流变液在通常条件下是一种悬浮液，它在电场的作用下液体与固体之间的转变，当外加电场强度低于某个临界值时，电磁流变液呈液态，当电场强度高于这个临界值时，它就变成半固态。应用：车辆悬架阻尼器、变速器离合器、建筑减振系统。9. 金属玻璃金属玻璃又称非晶态合金，它既有金属和玻璃的优点，又克服了它们各自的弊病如玻璃易碎，没有延展性 金属玻璃的强度高于钢，硬度超过高硬工具钢，且具有一定的韧性和刚性。10 陶瓷膜做线材第二代高温超导线材，是在织

8、带上以缓冲基板 为底，采用 薄膜沉积技术进行自动、 持续焊接，使超导材料成型。1 晶格与格点 :从具体的晶体抽象出来的几何立体格子称晶格，简称格子 , 其中所有的原子位置均被格点取代。2 基元 : 晶体中最小的周期性重复的单元的原子（离子）或原子团称为基。3 原胞 :由基矢围成的六面体为原胞, 其具有以下特征：通过平移用其可以“无缝隙地”填满整个晶格。原胞只含一个格点(基），即只是八顶角有格点。最小体积。原胞选择的方式可以不是唯一的，但体积是一定的。Bravais 点阵不一定是原胞4 陶瓷晶体结构特点：阴离子堆积结构，可以看做是，阳离子镶嵌在阴离子紧密堆积的空隙中，两种堆积方式：fcc,hcp

9、，两种间隙方式，四面体间隙和八面体间隙5 倒格子 ：以晶格 a1, a2, a3, 为基矢的 R 格矢，可定义另一组矢量为：由矢量 b1、b2、b3 构成的 G = n1 b1+ n2 b2 + n3 b3 称 R 的倒格子，而b1、 b2、b3 则称为倒基矢, 而原晶格则称为正格子。由G 构成的空间称为倒空间。特征：倒格子的特征：所有晶体结构都存在相应的倒格子，与正格子具有同样的对称性必属同一晶系，但可以是不同的Bravais 格子 ,如bcc 与 fcc. 6 布里渊区 ：W-S胞的倒格子即为第一Brillouin 区。特点：倒空间原胞。与W-S 胞同样是格点在中心。 bcc 与 fcc

10、互为倒格子。包含所有的基本信息7 状态空间 ： 就是倒空间又称k 空间，在固体物理学中用于描述电子、光子、声子等在晶体中的状态和行为。8 自由电子气模型: 电子完全自由,犹如理想气体分子,被表面势场约束在金属内部.电子的能量是纯动能的 . 9 能带形成的解释：（ 1）当原子相互接近组成晶体时，由于原子间的相互作用，就分裂成成一个能带，若原子间的距离越小，原子波函数之间的交叠就越多，相互作用越大，能带宽度越宽。 （2）当电子处于 -时，电子的电子云主要分布在离子之间的区域，当处于+时，电子云分布在离子周围，因离子实周围的电荷受到较强的吸引，势能为负值， 离子间的电荷受到较弱的吸引，势能为正值，即

11、出现能隙。10 费米能级 ：是晶体中 电子能量高低的基本指示标尺, 晶体的 能带结构与EF密不可分 。研究的重点是EF附近的能带结构。远离费米能级的能带或能级无实际意义。该能级上的一个状态被电子占据的几率是1/2。11 半导体激光器LD：三大基本条件，粒子数反转，受激辐射，共振腔。它的本证势垒很高，使得 n 型半导体导带低，比 p 型半导体价带还要低，加上正向偏置电压后，能够注入足够大的电流，即向p-n 结区注入大量电子和空穴，就能够在结区形成粒子数反转分布，出现激活区，偶然自发发射的一个光子，光子不断感应出更多的完全相同的光子，结果就获得放大，发出激光。12LD 和 LED的区别 ：在工作原

12、理上的差别：LED是利用注入有源区的载流子自发辐射復合发光，而 LD是受激辐射复合发光。在架构上的差别：LD 有光学谐振腔，使产生的光子在腔内振荡放大， LED没有谐振腔。效能上的差别：LED没有临界值特徴，光谱密度比LD高几个数量级， LED阀出光功率小，发散角大。13 固体光发射原理：每毫秒内，都有一部分从导带激发到价带，吸收能量后的被激发电子，在通过价带回到导带的能级时，有可能将这部分能量以光的形式释放，形成光发射，14 胶体 是一种均匀混合物，在胶体中含有两种不同相态的物质，一种分散，另一种连续。分散的一部分是由微小的粒子或液滴所组成，分散质粒子直径在1nm-100nm 之间的分散系

13、;胶体是一种分散质粒子直径介于粗分散体系和溶液之间的一类分散体系，这是一种高度分散的多相不均匀体系。特点：胶体颗粒通常远大于分散相的分子，胶体颗粒具有很高的表面积，界面特性决定胶体的特性。15 等电点 ：胶体颗粒在悬浮液中，随 pH 的变化均存在表面电位等于零的点。不同的物质颗粒具有不同的等电点。由于分散粒子表面带有电荷而吸引周围的反号离子，这些反号离子在两相界面呈扩散状态分布而形成扩散双电层。根据 Stern 双电层理论可将双电层分为两部分，即 Stern 层和扩散层。Stern 层定义为吸附在电极表面的一层离子电荷中心组成的一个平面层，此平面层相对远离界面的流体中的某点的电位称为Stern

14、 电位。稳定层(包括 Stern 层和滑动面以内的部分扩散层) 与扩散层内分散介质发生相对移动时的界面是滑动面，该处对远离界面的流体中的某点的电位称为Zeta 电位或电动电位（ -电位），即Zeta 电位是连续相与附着在分散粒子上的流体稳定层之间的电势差。它可以通过电动现象直接测定。16 双电层： 在溶液中，固体表面常因表面基团的解离或自溶液中选择性地吸附某种离子而带电。由于电中性的要求，带电表面附近的液体中必有与固体表面电荷数量相等但符号相反的多余的反离子。带电表面和反离子构成双电层。热运动使液相中的离子趋于均匀分布，带电表面则排斥同号离子并将反离子吸引至表面附近，溶液中离子的分布情况由上述

15、两种相对抗的作用的相对大小决定。17DLVO理论 ：胶体在一定条件下能否稳定取决于胶粒间相互作用的位能，胶体颗粒间总的相互作用能（作用力）是由范德华尔力（引力）和双电层的静电力（斥力）叠加而成。elevdWtotVVVDLVO理论计算了各种形状质点之间的范德瓦耳斯吸引能与双电层排斥能随质点间距离的变化。在质点相互接近的过程中，如果在某一距离上质点间的排斥能大于吸引能，胶体将具有一定的稳定性； 若在所有距离上吸引皆大于排斥,则质点间的接近必导致聚结,胶体发生聚沉。溶液中的离子浓度或反离子的价数增加时，质点间的范德瓦耳斯力几乎不受影响，但双电层的排斥能却因双电层的压缩而大大降低，因此胶体的稳定性下

16、降，直至发生聚沉。18.固体氧化物燃料电池(SOFC) ：属于第三代燃料电池，是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置。被普遍认为是在未来会与质子交换膜燃料电池(PEMFC) 一样得到广泛普及应用的一种燃料电池。优点 ：(1)较高的电流密度和功率密度 ；(2)阳、阴极极化可忽略，彼化损失集中在电解质内阻降； (3)可直接使用氢气、烃类(甲烷 )、甲醇等作燃料，而不必使用贵金属作催化剂；(4)避免了中、低温燃料电池的酸碱电解质或熔盐电解质的腐蚀及封接问题；(5)能提供高质余热，实现热电联产，燃料利用率高，能量利用率高达80 左右，是一种清洁高效的能源系统； (6)广泛采用陶瓷材料作电解质、阴极和阳极，具有全固态结构；(7) 陶瓷电解质要求中、高温运行 (6001000 )，加快了电池的反应进行，还可以实现多种碳氢燃料气体的内部还原，简化了设备。19.PN 结工作原理：P 区载流子包括：多子（空穴）少子（电子）N 区载流子包括：多子（电子）少子（空穴）P 区多子（空穴）浓度高于N 区，所以 P 区空穴向N 区扩散， P