李岩+张跃(1).docx

1、 超导的相关定义 在一定温度下材料突然失去电阻的现象称为超导现象或超导电性，； 发生这种现象的温度叫做临界温度； 金属失去电阻后的状态称为超导态。 超导体的三个重要指标： Jc、Hc和Tc 。Jc：临界电流Hc：临界磁场Tc：临界温度 临界磁场Hc(T)：在温度T一定时，使超导态转变成正常态的最小外加磁场。温度降低，临界磁场逐渐增大。 临界电流Ic：如果给超导体通上电流，那么它所承受的有效磁场将是电流产生的磁场与外加磁场的矢量和，在一定温度和一定磁场下导致材料的超导态破坏的最大电流称为临界电流Ic。随着外加磁场或温度的增加，Ic将会降低以保持材料的超导态。 2、 超导体与理想导体的区别？ 答：理想导体：当温度下降到绝对零度时，完整的理想晶体（无缺陷、杂质），由于晶格振动被冻结，其电阻为零。磁通线可以穿透没有电阻的理想导体。当外部磁通变化时，根据楞次(Lenz)定律，理想导体中产生的感生电流所引起的磁通变化将抵消其体内磁通量的变化。 超导体：给超导体施加不太强的磁场时，磁力线都无法穿透超导体，超导体内的磁感应强度始终保持为零。这种完全的抗磁性称为迈斯纳（Meissner）效应，它是超导体的另一重要特性。 说明超导体是一种热力学平衡态。 3、 超导现象的物理本质 库柏电子对：在费米面附近存在的动量大小相等而方向相反且自旋相反的两电子束缚态。 Ø 超导体内存在大量库柏电子对，它们紧密地耦合在一起，使超导体内不同地点的电子在大小如电子对尺寸的范围内相互关联。电子对相关联的这种长程有序使大量电子对组成的宏观量子流体能无阻尼地运动。 BCS 理论的核心： Ø （1）电子间的相互吸引作用形成的库柏电子对导致能隙的存在。 Ø （2）超导转变温度与费米面附近电子能态密度和电子与声子相互作用能有关。当电子间通过声子的作用而产生的吸引力大于库仑排斥力时，电子结合成库柏电子对，使系统的总能量降低而进入超导态。 4、 超导体的分类： 第I类超导体：在小于Hc(T)的外加磁场Ha中，超导态是稳定态，这类超导体处于完全抗磁性状态，当Ha=Hc(T)时，体系突然变到正常态。具有迈斯纳效应的超导体。 超导相与正常相之间的界面能为正值，Hc(T)一般只有数万A/m，此时在超导体的表面感生一个大小与分布恰好使内部磁通为零的感应超导电流，感生的超导电流沿表层流过，磁场也只穿透到同样的深度，这一厚度叫磁场穿透深度l。 第II类超导体：超导相与正常相之间的界面能是负值，临界磁场分下临界磁场Hc1(T)和上临界磁场Hc2(T)；当Ha<Hc1(T)时，与第I类超导体一样具有完全抗磁性；当Ha>Hc1(T)时，磁通线开始向样品中穿透，抗磁性逐渐减弱，随着外加磁场的增加，进入超导体中的磁通线愈来愈多，超导态的比例则越来越少，故磁化曲线随Ha增加缓慢减小；当Ha³Hc2(T)时，超导体完全恢复到正常态。 5、 超导态破坏（失超）的原因以及预防方法： a. 超导态的破坏原因 交流损耗 → 热量→ 温度升高→温度超过 TＣ →失超（超导态破坏） b. 失超的危害：由于超导体中的电流很大，所以失超时会造成很大的破坏性，使材料烧毁或仪器毁坏。 失超的防止方法——与铜复合 铜：有良好的导热性，可以快速散热。有良好的导电性，可为超导体提供一个低阻旁路，失超时电流短时由铜输运，仍然可使铜的温度低于超导体的TＣ 值，超导体仍将恢复超导态，磁体能始终稳定运行。 6、 超导的应用---磁悬浮列车悬浮系统 利用超导材料的抗磁性，将超导材料放在一块永久磁体的上方，由于磁体的磁力线不能穿过超导体，磁体和超导体之间会产生排斥力，使超导体悬浮在磁体上方。利用这种磁悬浮效应可以制作高速超导磁悬浮列车。当超导磁体移动到线圈中心以下几厘米处时，线圈即受感应产生电流，暂时起到了电磁铁的作用。位于超导磁体以下的线圈便带上了与超导体相同的磁性，而位于超导体上面的线圈便带上了相反的磁性。这时，超导体和上部线圈相互吸引，和下部线圈相互排斥两个力相互作用，产生一个向上的浮力，把列车脱离地面。 7、什么是生物医用材料？什么是生物相容性？引起生物变化的因素有哪些？ 答：生物医用材料是指对生物体进行诊断、治疗、和置换损坏的组织、器官或增进其功能的材料。 生物相容性：生物医用材料与人体之间相互作用产生各种复杂的生物、物理和化学反应的一种概念。 引起生物变化的因素：①生理活动中骨骼、关节、肌肉的力学性动态运动；②细胞生物电、磁场、电解和氧化作用；③新陈代谢过程中的生物化学和酶催化反应；④细胞黏附和吞噬作用。⑤体液中的各种酶、细胞因子、蛋白质、氨基酸、多肽、自由基对材料的生物降解作用。 8、组织工程学的三大要素是什么？对细胞载体材料－支架材料的具体要求是什么？ 答：三大要素：①细胞载体材料－支架材料，既起物理支架的作用又是实质细胞在体外培养和后期植入的粘附物质；②细胞的分离和培养；③细胞生长因子。 对支架材料的具体要求有：1.多孔且需要高的孔隙率；2.内部均匀分布和相互联通的孔结构；3. 支架材料易于加工成不同的厚度和形状；4. 良好的相容性和一定的机械强度；5. 可以通过生物降解最终消失。 9、什么是智能材料？ 答：智能材料是近年来提出的一类新型材料。它可以具有类似于生物体反应的机能，既有感知,又有驱动的功能,有的本身就可以构成一个智能系统,有的需要加入反馈，才能构成一个完整的智能系统。 10、具有感知和执行功能的智能材料包括什么？ 形状记忆材料 磁致伸缩材料：磁性材料在磁场中磁化时，它沿磁场方向的长度发生伸长和缩短的现象，可实现电/磁能和机械能之间的转换 压电材料：正压电效应：在某些特定方向上对压电晶体加力时，在与力方向垂直的平面内出现正负束缚电荷的现象。 电致伸缩效应：电介质在电场作用下产生的应变与电场强度的平方成正比 电流变体：在电场作用下电流变液中的电介质颗粒自发极化，产生静电引力使得颗粒排成链状或者柱状结构，流体由液体变成固体，电场减弱或者消失，则恢复到初始状态。 光纤材料：应变和温度测量、复合材料固化检测、损伤评估、建筑结构安全监测 智能高分子：对物理和化学刺激产生响应，如形状或物理性质发生改变的高分子材料。 11、形状记忆合金、形状记忆陶瓷和形状记忆高分子材料产生形状记忆效应的机理。 答：记忆合金之所以具有形状记忆效应,是因为这些合金在温度变化时发生了热弹性马氏体相变。马氏体相变可由两种方式产生：①降低温度(冷却) – 热致马氏体②施加应力 – 应力诱发马氏体。形状记忆行为也对应于两种模式：①记忆效应—温度变化--形状恢复②超弹性(伪弹性) —外力--形状恢复。 形状记忆陶瓷：应力诱发马氏体相变，ZrO2在应力诱发下发生了t-m(四方体到马氏体相变)，加热时形状回复。 形状记忆高分子材料：热致敏感型SMP一般都是由防止树脂流动并记忆起始态的固定相与随温度变化能可逆固化和软化的可逆相组成。可逆相：物理交联结构－结晶态、玻璃态。固定相：物理交联结构（热塑性）或化学交联结构（热固性）。 12、什么是陶瓷材料？什么是特种陶瓷？ 陶瓷材料是指以无机非金属天然矿物或化工产品为原料，经原料处理、成型、干燥、烧成等工序制成的产品。 特种陶瓷：主要以高纯化工试剂为原料 12、高温结构陶瓷优点有哪些？陶瓷材料存在问题是什么，应该如何改进？ 答：优点：①在1000℃以上，较高温合金具有密度低、比强度高、优异的耐高温、耐高温腐蚀性能。②高温使用环境条件下，不需要冷却系统，发动机的燃烧消耗减少17%~40%。③适用多种燃料，节省能源、金属资源。 存在问题及改进方法：①脆性大、塑韧性低：陶瓷材料几乎没有塑性，难以通过塑性变形阻止裂纹扩展。加强陶瓷韧化的基础，通过新的韧化途径(例如，利用纳米晶等)进一步大幅度提高陶瓷材料的韧性；用在十分严酷的工况条件下(如1000℃以上超高温，高温无润滑，高温带腐蚀，强烈腐蚀磨损)，注意避免冲击碰撞和大的拉应力。②成本高：先进陶瓷首先对原料粉末提出了苛刻的要求，如要求高纯、超细(粉体粒度在1mm以下)甚至纳米粉料。制造工艺复杂，制造成本较高。低成本高性能原料制备技术、低成本成型与烧结技术是高温结构陶瓷产业化的关键技术。③陶瓷强度设计与陶瓷材料的合理使用：与金属材料相比，陶瓷材料强度特别是高温强度并不差，但塑韧性很低，抗拉强度大大低于抗压强度。另一方面陶瓷加工性能很差，除精细的磨加工外，其它形式的机械加工难以进行，且成本很高。把陶瓷材料应用于很软的应力状态，即在该应力状态下材料内部的拉应力分量很小，压应力或剪应力分量可以很大，这是陶瓷材料开展产品设计和服役要考虑的问题。 13、氧化物陶瓷的优点有哪些？ 答：①原子结合以离子键为主，存在部分共价键,高强度，耐磨损；②熔点较高，高于Sio2，耐高温；③良好的电绝缘性能；④优异的化学稳定性和抗氧化性。 例如：A12O3陶瓷与大多数熔融金属不发生反应，并且具有高硬度和优异的耐磨性；ZrO2陶瓷力学性能好(相变增韧)，热传导系数小，隔热效果好，热膨胀系数较大，易与金属部件匹配。 14、陶瓷的制备过程： a、粉体：高纯度，相组成（α、β氮化硅），颗粒尺寸、颗粒形态、粒径分布、比表面积均有影响（烧结角度讲，粒度越小越好，超细粉容易团聚，成型性能不好；不同成型方法，对粒度要求不同；较宽的粒度分布及双峰分布有利于成型堆积密度的提高，不利于烧结以及结构与性能） b、成型：将陶瓷粉体制备成一定形状的素坯，密度高均匀性好的成形体是获得优质陶瓷的关键，希望近净尺寸成形。方法有干压成形、胶体成形等。 c、烧结：方法有常压烧结、热压烧结、电弧等离子放电烧结等等 15、有机前驱体裂解陶瓷 采用有机硅为原料，通过高温裂解无机化制备无机陶瓷材料。 特点：利用有机-无机转化的活化作用在较低温度获得高共价键材料； 在有机分子合成过程设计分子结构，能够获得其他方法无法获得的材料体系，如SiCO，SiCN等； 能够获得高均匀性高共价键非晶体，高温稳定性好（SiBCN，2200℃）； 有机前躯体易纺丝、易液态成型 陶瓷化过程的主要问题：放出气体 ；产生较大的体积收缩（20-30%线收缩） ；裂纹与气孔 ；只能获得小尺度（几百微米）致密体（纤维、涂层、泡沫体） 解决途径：多次浸渍---裂解，填料 性质：可达到的室温电阻率幅度大，高温抗氧化，抗化学腐蚀性，高强高模