第一章功能材料概述
2023年，我國制定了《高技術發展計畫綱要》，被評選列入的七個技術群七個技術群是生物技術、資訊科技、雷射技術、航天技術、自動化技術、新能源技術和新材料技術新材料技術。一般認為，新材料新材料有晶須材料、非晶材料、超塑性合金、形狀記憶材料、功能陶瓷、功能有機材料、超導材料、碳纖維、能量轉換材料等。新材料發展的重點已經從結構材料轉向功能材料
日本和歐美各國對新型功能材料的研究十分注意，這是因為功能材料是能源、計算機、通訊、
電子、雷射等現代科學的基礎，功能材料在未來的社會發展中具有重大戰略意義。近10年來，功能材料成為材料科學和工程領域中最為活躍的部分。每年以5％以上的速度增長，相當於每年有1.
25萬種新材料問世。
一、功能材料的概念
功能材料是指通過光、電、磁、熱 、化學 、生化等作用後具有特定功能的材料。在國外，常將這類材料稱為功能材料功能材料(functional materials)、特種材料特種材料(specialitymaterials))或精細材料精細材料(fine materials)。
功能材料涉及面較廣，具體包括光、電功能，磁功能，分離功能，形狀記憶功能等。
功能材料既遵循材料的一般特性和變化規律又具有其自身的特點
材料分為以下四類 (1)力學功能主要是指強化功能材料和彈性功能材料，如彈性材料、高塑性材料、超高強材料等。
(2)化學功能
①分離分離功能材料：如分離膜，離子交換樹脂、高分子絡合物；②反應反應功能材料；如高分子試劑、高分子催化劑；③生物生物功能材料：如固定化菌，生物反應器等。
（3）物理功能
①電學電學功能材料：如超導體，導電高分子等；②光學光學功能材料：如光導纖維、感光性高分子等；③磁性材料：
如鐵氧體、磁致伸縮材料等；④能量轉換能量轉換材料：如壓電材料、光電材料。
(4)生物化學功能
① 醫用功能材料，人工臟器用材料如人工腎、人工心肺，降解的醫用縫合線、骨釘、板等；
②功能性藥物功能性藥物：如緩釋性高分子，藥物活性高分子，高分子農藥等；③生物降解生物降解材料
功能材料按其功能的顯示過程又可分為一次功能材料和二次功能材料
當向材料輸入的能量和從材料輸出的能量屬於同一種形式，材料起到能量傳輸部件的作用，材料的這種功能稱為一次功能。以一次功能為使用目的的材料又稱為載體材料 。
當向材料輸入的能量和從材料輸出的能量屬於不同形式，材料起能量的轉換部件作用，材
料的這種功能稱為二次功能或高次功能。有人認為這種材料才是真正的功能材料。
①光光能與其他形式能量的轉換；②電電能與其他形式能量的轉換；
③磁磁能與其他形式能量的轉換；④機械機械能與其他形式能量的轉換。
所謂功能設計，就是賦予材料以一次功能或二次功能特性的科學方法。有人認為21世紀將逐漸實現按需設計材料。
材料科學與工程一般都認為由四要素，即結構/成分、合成/流程、效能與效能，但考慮到結構與成分並非同義詞，所以材料科學與工程材料科學與工程應為五要素，即成分、合成/流程、結構、效能與效能 。
復合就是把兩種以上組分材料組成一種新材料的方法； 雜化的基本思想就是將原子、分子集團在幾埃到幾幹埃的數量級上進行復合。智慧型材料是繼天然材料、合成高分子材料、人工設計材料之後的***材料，是現代高技術新材料發展的重要方向之一。
第二章功能金屬材料
2.1對應變電阻材料有那些要求？試說明電阻應變計的原理？
(a)具有高的、穩定的電阻率．在工作溫度範圍內具有低的、穩定的電阻溫度係數，以及大的應變靈敏度係數k（k＝△l/l)，並在較大範圍內不隨溫度變化；
(b)在拉伸或壓縮時，k值相向或相差很小，不氧化，線膨脹係數等於或略高於被測件的線膨脹係數；
(c)有良好的機械效能，強度高．蠕變小，容易加工和焊接等。經受外力作用（拉伸或壓縮）的金屬材料將會發生變形而使其電阻也發生相應的變化，其電阻值變化量與所受外力引起的變形量是成比例的，這種現象稱為應變－電阻效應
2.2非晶態合金有哪些結構特點，影響其形成的主要因素是什麼？
（1）內部原子排列短程有序而長程無序
(2)均勻性顯著特點
一層含義：結構均勻、各向同性，它是單相無定結構，沒有象晶體那樣的結構缺陷，如晶界、孿晶晶格缺陷、位錯、層錯等。
二層含義：成分均勻性。在非晶態金屬形成過程中，無晶體那樣的異相、析出物、偏析以及其他成起伏
（3）熱力學不穩定性
體系自由能較高，有轉變為晶態的傾向
影響其形成的主要因素是：
（1）合金中類金屬的含量
隨類金屬含量的增加，非晶態合金的形成傾向和穩定性提高
（2）原子尺寸差別
原子尺度增加則非晶態合金形成傾向和穩定性增加
2.3薄膜的形成過程有哪些特點?金屬薄膜有哪些結構特點？
㈠薄膜的形成過程大致都可分為4個階段，在最初階段，外來原子在基底表面相遇結合在一起成為原子團，只有當原子團達到一定數量形成「核」後，才能不斷吸收新加入的原子而穩定地長大形成「島」；隨著外來原子的增加，島不斷長大，進一步發生島的接合；很多島接合起來形成通道網路結構；後續的原子將填補網路通道間的空洞，成為連續薄膜。
㈡金屬薄膜的結構特點
①薄膜製備過程決定的特點：
（1）非平衡態相結構
（2）膜經常是非化學計量比成分
（3）薄膜內存在大量的缺陷
（4）沉積冷卻過程中常會產生較大的內應力
②薄膜製備方法能夠實現的特點
（1）薄膜材料在製備過程中可以在很大範圍內將幾種材料摻雜在一起得到均勻膜，而無需考慮是否會形成均勻相，這樣就能較自由地改變薄膜的效能。
（2）可以根據需要得到單晶、多晶及至非晶的各種結構薄膜。
（3）可以容易地將不同材料結合在一起製成多層結構的薄膜
（4）通過沉積速率的控制可以容易得到成分不均勻分布的薄膜
2.4金屬多孔材料有哪些特點及應用？
特點：1)優良的透過效能，適於製作催化劑、流體的分布與滲透裝置等；
2)金屬微孔孔徑與孔隙易於控制，用於過濾時的過濾精度高；
3)比表面積大，可以為化學反應提供理想的大面積接觸材料；
4)可有效地吸收、傳播能量；
5)保持一定的金屬與合金本身的特性；
6)燒結金屬多孔材料耐高溫、抗熱震、耐低溫，適宜在較高或超低的工作溫度和耐熱衝擊環境下長期工作；
7)金屬微孔孔徑、空隙度、滲透效能可通過反吹、高溫熱處理、化學溶劑、燃燒和超聲波振動等多種途徑的清洗再生方式，洗滌效能好，從而延長了使用壽命；
8)燒結金屬多孔材料具有較好的機械加工性，可進行較複雜的機械成型加工及焊接。
應用：⑴在過濾與分離方面，利用通孔金屬多孔材料的孔隙對流體介質中固體粒子的阻留和捕集作用，將氣體或液體進行過濾與分離，從而達到介質的淨化或分離作用。
⑵在熱交換方面，由於金屬本身具有良好的導熱性，所以，具有很大表面積的通孔金屬多孔材料適於製造換熱器、加熱器和散熱器。
⑶在化學工業方面，金屬多孔材料作為載體可使催化劑的有效接觸面積增加，提高催化效率。
起到吸聲的作用。
⑷在吸聲降噪、消音方面，金屬多孔材料由於具有開口孔隙和半開口孔隙。
⑸在流體流量控制方面，如用於氣體或液體的流量計、自動化系統中的訊號控制延時器、風道的直流器和閥門的布流器等。
第三章磁性材料
1、試說明軟磁材料、硬磁材料的主要效能指標。
答：軟磁材料：容易反覆磁化，且在外磁場去掉後，容易退磁的材料。特點：軟磁材料磁
滯迴線細長，磁導率高，矯頑力低，鐵芯損耗低，容易磁化，也容易去磁。
用途：發電機、電動機、變壓器、電磁鐵、各類繼電器與電感、電抗器的鐵心；磁頭與磁記錄介質；計算機磁心等。要求：高的飽和磁感應強度、高的最大磁導率、高的居里溫度和低的損耗。
分類：高磁飽和材料，中磁飽和中導磁材料，高導磁材料，高硬度、高電阻、高導磁材料，矩磁材料，恆磁導率材料，磁溫度補償材料，磁致伸縮材料。
硬磁材料，又稱永磁材料。磁性硬是指磁性材料經過外加磁場磁化以後能長
期保留其強磁性（簡稱磁性），其特徵是矯頑力（矯頑磁場）高，一般hc＞104a/m，剩餘磁感應值大於1t以上。
這裡的硬和軟主要指磁學效能上的硬和軟，但一般情況下和力學效能上的硬和軟有一定關係。
用途：硬磁材料主要用來儲藏和供給磁能，作為磁場源。硬磁材料在電子工業中廣泛用於各種電聲器件、在微波技術的磁控管中亦有應用。
二、評價永磁材料的幾個重要指標：
（1）剩餘磁感應強度br：高的剩餘磁感應強度（或磁通密度，符號為br）和高的剩餘磁化強度（符號為mr）.
（2）矯頑力hc：高的矯頑力，矯顧力（符號為hc）是永磁材料抵抗磁的和非磁的干擾而保持其永磁性的量度；
（3）最大磁能積（bh)max：高的最大磁能積，最大磁能積[符號為(bh)
max ]是永磁材料單位體積儲存和可利用的最大磁能量密度的量度，簡單地說就是永久磁鐵磁極之間的空隙中所能提供磁能的量度，它在數值上等於退磁曲線上各點所對應的磁感應強度和磁場強度乘積中的最大值，當永久磁鐵的工作點位於退磁曲線上具有(bh)max的那一點時，為提供相同的磁能所需的永磁材料體積最小。
（4）高的穩定性即指其有關磁性能在長時間使用過程中或者在受到外加干擾磁場和溫度、震動和衝擊等外界環境因素影響時保持不變的能力，材料穩定性的好壞直
接關係到永久磁鐵工作的可靠性。
2、試述主要軟磁材料和它們的應用
（1）金屬軟磁材料有電工用純鐵，電工用矽鋼片；合金非晶態合金，軟磁鐵氧體，鐵鎳合金，鐵鈷合金，鐵鋁合金等。
在強磁場下工作的磁性部件，如電力工業中大量使用的電動機、發電機、大功率變壓器、電磁鐵等，要求所用的磁性材料應具有高的飽和磁感強度，**便宜，生產工藝簡單，便於大批生產。
在通訊技術中常用的變壓器、換能器的鐵心、磁遮蔽材料以及開關等磁性元件，絕大部分在弱磁場下工作，它要求材料應具有高的磁導率。
（1）電工用純鐵主要用途：電磁鐵的鐵芯和磁極，繼電器的磁路和各種零件，感應式和電磁式測量儀表的各種零件，揚聲器的磁路，**中的振動膜，磁遮蔽等。
（2）電工用矽鋼片主要用途：各種形式的電機、發電機和變壓器中；在扼流線圈、繼電器和測量儀表中也大量使用。
（3）鐵鎳合金含鎳量為30~90%的鐵鎳合金主要成分為鐵、鎳、鉻、鉬、銅等。用途電訊工業、儀表、電子計算機，控制系統等領域。根據鎳的含量不同，用途也不完全相同。
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