新型工程材料考试复习资料

新型工程材料1﹑新型材料的主要特征？答：①获得途径：以前不存在，自然界也不存在。在人们制造过程当中按照认为目的去设计制造出来的。②多学科相互交叉﹑相互渗透﹑相互研究。③新型材料具有高新性能，能满足尖端技术以及设备制造的需要。④新型材料由军事需要，经济需要推动。⑤开发与利用联系更加紧密。⑥因注重生态环境，资源协调性进行描述。1）生产制备为知识密集、技术密集和资金密集。（2）与新技术和新工艺发展密切结合。如：大多新型材料通过极端条件（如超高压、超高温、超高真空、超高密度、超高频、超高纯和超高速快冷等）形成。（3）一般生产规模小，经营分散，更新换代快，品种变化频繁。（4）具有特殊性能。如超高强度、超高硬度、超塑性，及超导性、磁性等各种特殊物理性能。（5）其发展与材料理论关系密切。1．新型材料获得途径与传统(普通)材料不同新型材料是过去不曾有、自然赛中亦不存在的人造材料。传统的材料是利用天然原材料加以提炼、加工而成的0而新型材料是在研究并掌握了物质结构、变化规律的基础上，根据人类的需要，通过对源子t分子等的选择、组合i并创造必要的环境条件了得到的具有预期性能的物质，所以是人正合成或犬工创造的。在新型材料的研究和制造中人们是主动的，原因有以下3点。(1)研制新型材料是出于人类的主观需要，因而有明确的目韵要求。此点自始至终贯穿于整个新型材料的研究、试验和制造过程中，因而是有目的的“创造”。(2)新型材料的研制是在人类已掌握各方面必需知识的基础之上进行的。由于人类已经越来越多地掌握了物质结构及其变化规律，及由此对性能产生的影响，因此新型材料的出现绝不是偶然事件；也绝不是盲目的摸索，而是人类科学、技术发展的必然结果。现在探索和创造新型材料有以下3种途径。①利用极限条件。如超高温、超高压、极低压等，以获得有特异性的原子排列特点的材料。②通过形态和纯度的控制。如超细化、超薄膜化、多孔质化等设计和控制技术，创造出具有高纯度、完全结晶、非晶态等极限状态的新材料。③材料复合。如金属、陶瓷、有机材料等的相互复合，利用其复合效应开发高性能材’(3)新型材料不像传统材料那样靠大规模、连续生产维持竞争能力，它们一般生产规模小，经营分散，更新换代快，而且品种变化频繁。2．新型材料的出现是多种学科相互交叉、渗透和互相促进，综合研究和进步的成果；是基础学科(如物理、化学、生物：数学等)与理化专业技术(如微电子、计算机、冶金学等)新成果交织在一起的成果。新型材料的研究、制造是以先进的科学、技术为基础的，是包括物理、化学、冶金学等多种学科综合研究和进步的成果。因此，其涉及面广．'知识密度高。如果没有各种学科最新研究成果的指导或支持，新型材料的设计、研究是不可能的，即使有了设想和设计也不可能制造出来。新型材料工业本身亦是知识技术密集型的新产业，其产品—一一新型材料具有极高的附加价值。例如由精密陶瓷材料制成的人造齿售价高达l000万日元／蝇，而碳纤维达2万日元／kg，钢材仅为100日元／kg,．可见其相差甚远。3．新型材料具有高斯性能。能满足尖端技术和设备制造的需要新型材料，是高新技术、高新设备得以完成和实现的重要条件和保证。例如，不需高压和钢瓶，也不需要低温致冷设备和绝热保护来贮存氢是一项高新技术，是利用新能源——氢的关键，但是如果没有新型的贮氢材料，这一高新技术是不可能实用化的；光导纤维的开发使光纤通信这一高新技术得到实际应用；高纯单晶硅半导体材料的研制成功，使集成电路问世，开创了微电子学这一新领域。而以新型材料砷化镓制作的电子器件比硅制器件的运算速度快5O倍，甚至高达100倍，从而可使计算机的运算速度达到100亿次／8，所以新型半导体材料的出现才使对无线电波的控制有了希望。令人可喜的是一大批超轻质、耐高温、耐腐蚀、超高强、超电导以及耐超低温等极限材料已经成为航天、海洋、新能源、生物工程以及信息技术等领域的主要应用材料。4．新型材料发展的驱动力由军事需求向经济需求转变回顾20世纪，由于国防和战争的需要，核能的利用和航天航空技术的发展，成为新型材料发展的主要驱动力。而在21世纪，卫生保健、经济持续增长以及信息处理和应用等将成为新型材料发展的最根本的动力。工业和商业的全球化更加注重材料的经济性、知识产权价值和其与商业战略的关系，新型材料在发展绿色工业方面也会起重要作用。未来新型材料的发展将在很大程度上围绕如何提高人类的生活质量而展开。5．新型材料的开发与应用联系更加紧密现代社会经济的发展要求新型材料的开发必须与其具体应用紧密相连，没有明确目的的研究开发往往得不到足够的资金支持，而且研究成果也很难转化为生产力。针对特定应用目的开发新型材料可加快研制速度，提高材料的使用性能，便于新型材料走向实际应用，并且可减少材料的“性能浪费”，从而节约了资源。推进新型材料的研发及其产业化的关键是加强材料科技研究与商业应用的联系，这就要求新型材料研究要预先进行商业化应用考虑，并开展相应的应用研究工作。6．新型材料应注重与生态环境及资源的协调性面对资源、环境和人口的巨大压力，世界各国都在不断加大生态环境材料及其相关领域的研究开发力度，并从政策、资金等方面都给予更大支持。材料的生态环境化及其产业在资源和环境问题制约下满足经济可承受性，是实现可持续发展的必然选择。环境协调性已经成为研究开发新型材料的指导思想。发展新型材料和改造基础材料更重视从生产到使用的全过程的影响，如资源保护、生产制备过程的污染和能耗、使用性能和回收再利用的问题等。生态环境材料的三个特征是：优异性能并节约资源、减少污染和再生利用。目的是实现资源、材料的有机统一和优化配置，达到资源的高度综合利用以获得最大的资源效益和环境效益，为形成循环型社会的材料生产体系奠定基础。因为新型材料具有极其重要的作用，所以受到世界各国的高度重视，竞相开展研究工作，投人大量人力、物力、财力，从而加速了新型材料的发展。应该指出，新型材料和传统材料并无明确的界限，新型材料的发展必须以传统材料为基础，而且从数量和影响看，传统材料仍将占有十分重要的地位，但是要实现质量的不断提高。品种的不断增加，性能的不断改进和成本的不断下降，就必须对传统材料开展更多、更深入的研究工作。传统材料在很多情况下会发展成为新型材料，而新型材料又推动了传统材料的进一步发展。目前新型材料已成为各种高新技术发展的关键，如高效燃气轮机和内燃机，太阳能的利用，磁流体发电、高能蓄电、超导输电等，均需使用各种新型材料。因此，加强新型材料的研究和开发势在必行。纳米材料的分类世界各国和不同学科的科学家，对材料的分类方法不尽相同，因此材料的分类方法也没有一个统一的标准。(1)按材料使用性能或用途的侧重点不同分类可把材料分为结构材料和功能材料两大类。结构材料是着重于利用其力学性能的一大类材料，它是机械制造、工程建筑、交通运输、能源乃至航空航天等各种工业的物质基础。提高质量、增加品种、降低成本仍是其重要任务。另外，开发新型结构材料，满足高强度、高韧性、耐高温、耐磨、耐蚀、抗辐照等性能要求也是急需解决的关键问题。人们可喜地看到新型陶瓷结构材料、复合材料和聚合物结构材料的相继开发，为结构材料注入了新的生命力，正在受到高度重视。功能材料则是指除强度之外还具有其他功能的材料，即侧重于以特殊的物理、化学性能为主的材料。它们对外界环境具有灵敏的反应能力，即对外界的光、热、电、压力等各种刺激可以有选择地完成某些相应的动作，因而具有许多特定的用途。电子、激光、能源、通信、生物等许多新技术的发展都必须有相应的功能材料。可以说，没有众多功能材料的出现，就不可能有今日科学、技术的飞速发展。与结构材料相比，功能材料的发展尤为突出，并因此而使材料科学进入了一个崭新阶段。(2)在工程上，或从成分、特性的角度分类可将材料划分为金属材料、元机非金属材料(包括陶瓷、半导体等)、聚合物材料以及复合材料4大类。每种材料各具不同的结构特性和功能特性。国外也有把固体材料分成金属材料、无机非金属材料、聚合物材料、复合材料和半导体材料5类。(3)按材料应用对象的不同进行分类可将材料分为结构材料、电子材料、航天航空材料、汽车材料、核材料、建筑材料、包装材料、能源材料、生物医学材料、信息材料等。(4)按材料的某种特殊用途(功能)分类可将材料分为超导材料、贮氢材料、形状记忆材料、信息材料、非晶态材料、磁性材料、生物医学材料、机敏材料、智能材料等。(5)按材料的结晶状态进行分类可将材料分为单晶材料、多晶材料、非晶材料、准晶材料以及液晶材料等。(6)按材料的物理性能分类可将材料分为高强度材料、高温材料、超硬材料、导电材料、绝缘材料等。(7)按材料发生的物理效应分类可将材料分为压电材料、热电材料、铁电材料、光电材料、激光材料、磁光材料、声光材•6•料等。(8)从化学的角度进行分类可将材料分为无机材料与有机材料。(9)传统材料及新型材料则是另外一种对材料的分类方法传统材料是指已在大量生产、价格一般较低、在工业应用上已有长期使用经验和数据的材料。新型材料则指具有优异性能的高科技产品、正在努力商业化或研制之中、并具有一定保密性的材料。以上的划分方法有一定的相对性，新型材料解密后，开始商业化及大量生产并积累了经验之后，就成为传统材料；也可能一些传统材料采用特殊高科技工艺加工后，具有了新的、更优良的性能，则就成为新型材料。2﹑试述材料的“亚稳态”及亚稳态常见的类型？答：亚稳态：体系高于平衡态时自由能的状态的一种非平衡非平衡的亚稳态大致有以下几种类型：（1）细晶组织当组织细小时，界面增多，自由能升高，故为亚稳状态。（2）高密度晶体缺陷的存在晶体缺陷使原子偏离平衡位置，晶体结构排列的规则性下降，故体系自由能增高。（3）形成过饱和固溶体即溶质原子在固溶体中的浓度超过平衡浓度，甚至在平衡状态是互不溶解的组元发生了相互溶解。（4）发生非平衡转变，生成具有与原先不同结构的亚稳新相例如钢及合金中的马氏体、贝氏体，以及合金中的准晶态相（5）由晶态转变为非晶态，由结构有序变为结构无序，自由能增高。亚稳态即为体系高于平衡态时自由能的状态的一种非平衡。它是由于动力学的原因，材料体系可能处于的一种相对稳定的非平衡态。亚稳态时的性能不同于平衡态时的性能，而且亚稳态可因形成条件的不同而呈多种形式，它们所表现的性能迥异，在很多情况下，亚稳态材料的某些性能会优于其处于平衡态时的性能，甚至出现特殊的性能。常见的材料亚稳态有如下形式：（1）细晶组织（2）具有高密度晶体缺陷（3）过饱和固溶体（4）形成非平衡相（5）非晶态3﹑试述生物材料的性能要求？答：作为体内植人物的材料，不仅在生理条件下物理机械性能要长期保持稳定，而且还要对人体的组织、血液、免疫等系统不产生不良影响。(一)物理性能要求1．溶出物及可渗出物生物材料及装置植入人体后引起的生物学反应大部分是由材料聚合加工过程中残留的低分于物质引起。这类物质包括引发剂、催化剂、残余单体、中间产物及添加剂等。这些残留物质在材料植人体内后逐渐溶出或渗出，对局部的组织、细胞乃至全身产生严重的生理反应，因此必须将这些物质含量控制在安全浓度以下。2．机械物理性能人体是一个生命体，各组织以及器官间普遍存在着许多动态的相互作用，因此植入体内的材料要考虑在应力作用下的性质。这些性质包括强度、模量、抗蠕变、疲劳、光滑、渗透性、吸水性。如人工心脏材料必须考虑其在心脏有节奏地收缩与舒张压力变化下的应力老化。3．成型加工性能生物材料要达到其临床应用价值，必须通过各种专门的加工技术，制成所要求形状、尺寸的修补件和人工器官。有些材料尽管性能不错，但是由于加工成型困难而限制了它的使用。更有甚者，会因为加工处理不当而造成失败。因此，近年来对于材料的加工技术也给予了相当的重视，获得较大进展。4．灭菌性能生物医用材料及其制品必须经过消毒灭菌方可使用。灭菌方法有环氧乙烷、加热、γ射线、电子束、60Co(钴)、醛、氧化乙烯等。但灭菌可使一些材料的物理和生物性能改变。因此，在材料的灭菌方法的选用上必须充分考虑到灭菌对材料性能的影响以及可能带来的生物学危害作用。(二)材料的生物学性能1．生物稳定