武漢理工大學 材料科學考研資料 復試題及答案.doc

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1. 材料科學與工程的定義，特點，地位和作用。 材料科學與工程是一門應用基礎科學，它既要探討材料的普遍規(guī)律，又有很強的針對性。材料科學研究往往通過具體材料的研究找出帶有普遍性的規(guī)律，進而促進材料的發(fā)展和推廣使用。 材料科學與工程的特點：(1)材料科學是多學科交叉的新興學科。(2)材料科學與工程技術有不可分割的關系。材料科學是研究材料的組織結構與性能的關系，從而發(fā)展新材料，并合理有效地使用材料；但是材料要能商品化，要經(jīng)過一定經(jīng)濟合理的工藝流程才能制成，這就是材料工程。(3)材料科學與工程有很強的應用目的和明確的應用背景，這和材料物理有重要區(qū)別。 地位和作用：①在人類發(fā)展的歷史長河中，材料起著舉足輕重的作用，人類對材料的應用一直是社會文明進程的里程碑。②材料與能源、信息一道被公認為現(xiàn)代文明的三大基礎支柱。材料的發(fā)展創(chuàng)新是先導社會的先導，現(xiàn)代工業(yè)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的基礎，也是國防現(xiàn)代化的保證。材料科學的發(fā)展不僅是科技進步、社會發(fā)展的物質基礎，同時也改變著人們在社會活動中的實踐方式和思維方式。由此極大地推動了社會進步。 材料科學與工程在機電、能源、建筑、激光、紅外、環(huán)境保護、通訊等各個技術領域中已獲得一系列重要的具體應用。 2. 材料的定義及其分類。 (1)材料是由一種化學物質為主要成分，并添加一定的助劑作為次要成分所組成的，可以在一定溫度和壓力下使之熔融，并在模具中塑制成一定形狀(在某些特定的場合，也包括通過溶液、乳液、溶膠——凝膠等等形成的成型)，冷卻后在室溫下能保持既定形狀，并可在一定條件下使用的制品，其生產(chǎn)過程必須實現(xiàn)最高的生產(chǎn)率，最低的原材料成本和消耗，最少地產(chǎn)生廢物和環(huán)境污染物，并且其廢棄物可以回收再利用。 (2)材料的分類：①按組成、結構特點進行分類：分為金屬材料，無機非金屬材料、有機高分子材料和復合材料。②從其發(fā)展過程上，可分為傳統(tǒng)材料和新型材料，其實，兩者并無嚴格區(qū)別，它們是互相依存，互相促進，互相轉化，互相替代的關系。傳統(tǒng)材料的特征為：需求量大，生產(chǎn)規(guī)模大，但環(huán)境污染嚴重；而新型材料是建立在新思路、新概念、新工藝、新檢測技術的基礎上，以材料的優(yōu)異性能、高品質、高穩(wěn)定性參與競爭，屬高薪技術的一部分。新型材料的特征是：投資強度較高，更新?lián)Q代快，風險性大，知識和技術密集程度高，一旦成功，回報率也較高，且不以規(guī)模取勝。③從其使用性能分類：分為結構材料和功能材料。結構材料則主要利用材料力學性能；而功能材料主要利用材料物理和化學性能。 ④按用途進行分類：分為航空航天材料、信息材料、電子材料、能源材料、生物材料、建筑材料、包裝材料、電工電器材料、機械材料、農(nóng)用材料、日用品及辦公用品材料。 (3)各自特點：①高分子材料：是通過若干高分子鏈聚集以及高分子鏈與其他添加組分的相互作用而構成。②金屬材料：有金屬元素或以金屬元素為主形成的，并具有一般金屬特性的材料稱為金屬材料。③無機非金屬材料：傳統(tǒng)上主要有陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等四大類，其主要化學組成均為硅酸鹽類物質。④復合材料：是由有機高分子、無機非金屬或金屬與幾類不同材料通過復合工藝組合而成的新型多相固體材料，它既能保留原組分材料的主要特色，又通過復合效應獲得原組分所不具有的性能。 3. 結合自己所學專業(yè)，敘述二個本專業(yè)的研究熱點問題。 答：比如隱身材料的吸收一定范圍電磁波的研究 (1) 高性能納米結構材料的合成 對納米結構的金屬和合金重點放在大幅度提高材料的強度和硬度，利用納米顆粒小尺寸效應所造成的無位錯密度區(qū)域使其達到高硬度、高強度。納米結構銅或銀的塊體材料的硬度比常規(guī)材料高50倍，屈服強度高12倍；對納米陶瓷材料，著重提高斷裂韌性，降低脆性，納米結構碳化硅的斷裂韌性比常規(guī)材料提高100倍，n-ZrO2+Al2O3,n-SiO2+Al2O3的復合材料,斷裂韌性比常規(guī)材料提高4-5倍，原因是這類納米陶瓷龐大體積百分數(shù)的界面提供了高擴散的通道，擴散蠕變大大改善了界面的脆性。 (2)納米添加使傳統(tǒng)材料改性 高居里點、低電阻的PTC陶瓷材料，添加少量納米二氧化銑可以降低燒結溫度，致密速度快，減少Pb的揮發(fā)量，大大改善了PTC陶瓷的性能；納米材料添加到塑料中使其抗老化能力增強，壽命提高。添加到橡膠可以提高介電和耐磨特性；納米材料添加到其它材料中都可以根據(jù)需要，選擇適當?shù)牟牧虾吞砑恿窟_到材料改性的目的，應用前景廣闊。 4. 材料工業(yè)與能源、環(huán)境之間的關系。 材料是國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的基礎和先導，與能源、信息并列為現(xiàn)代高科技的三大支柱。在某種意義上，材料產(chǎn)業(yè)依托的就是資源；同時使用資源的每一步都要消耗能源。就材料的生產(chǎn)過程而言，從資源和環(huán)境的角度分析，在原料的采礦、提取、制備、生產(chǎn)加工、運輸、使用和廢棄的過程中，要消耗大量的資源和能源，并排放出大量的廢氣、廢水和廢渣，污染人類生存的環(huán)境，并帶來其他的環(huán)境影響，如全球溫室效應，臭氧層破壞，光、電磁、噪聲和放射性污染等。從能源、資源消耗和造成環(huán)境污染的根源分析，材料及其制品的生產(chǎn)是造成能源短缺、資源過渡消耗乃至枯竭的主要原因之一。在大量消耗有限礦產(chǎn)資源的同時，材料的生產(chǎn)和使用也給人類賴以生存的生態(tài)環(huán)境帶來了嚴重的負擔。 目前我國資源主要矛盾表現(xiàn)在資源供給不能滿足經(jīng)濟發(fā)展的需求。一方面，我國的經(jīng)濟規(guī)模已居世界前列，發(fā)展的速度令人矚目，對資源的需求已達到前所未有的程度。另一方面，現(xiàn)有資源的利用效率不高，資源浪費嚴重。礦產(chǎn)資源的開發(fā)總回收率只有30%-50%，比發(fā)達國家平均低20%左右。“高投入、低效率、高污染”問題，在我國資源開發(fā)和利用中仍然存在。 由此看來，為了解決材料工業(yè)與能源、環(huán)境之間的關系，必須改造設備，提高資源的利用率和回收率，減少對資源的消耗，但我覺得這是只是治標不治本。研究和使用節(jié)約資源和能源，減少環(huán)境污染，便于資源回收和再利用的環(huán)境材料，必將成為21世紀全人類的共識。 5. 目前，用于材料的合成與制備有許多新方法，請你列舉二種方法并加以較詳細說明。 答：(1)磁控濺射是上世紀70年代迅速發(fā)展起來的新型濺射技術,目前已應用于工業(yè)生產(chǎn).主要用于制備膜。 磁控濺射是在陰極靶面上建立了一個環(huán)狀磁靶以使二次電子跳躍式，地沿著環(huán)狀磁場轉圈，離子轟擊靶面所產(chǎn)生的二次電子在陰極暗區(qū)被電場加速之后飛向陽極。磁控濺射所采用的環(huán)形磁場對二次電子的控制更加嚴密。 磁控濺射的優(yōu)點：與二級濺射相比，其鍍膜速率提高了一個數(shù)量級，且鍍膜時基片溫度低、損傷小。 磁控濺射的主要缺點：磁控濺射靶的濺射溝槽一旦穿透靶材，就會導致整塊靶材報廢，以致靶材的利用率低，一般低于40%。 (2)等離子體輔助化學氣相沉積(PECVD) PECVD是用等離子體技術使反應氣體進行化學反應后，在基底上生成固體薄膜的方法。近二三十年來，PECVD法進展相當快，在半導體工業(yè)中，這種技術已成為大規(guī)模集成電路干式生產(chǎn)工藝中的重要環(huán)節(jié)。 PECVD薄膜反應室主要有平板電容型和無極射頻感應線圈式兩種。平板型又可分為直流、射頻、微波電源三種。PECVD薄膜的性質不僅與沉積方式有關，還取決于沉積工藝參數(shù)。這些工藝參數(shù)包括：電源功率、反應室?guī)缀涡螤钆c尺寸、負偏壓、離子能量、基材溫度、真空泵抽氣速率、反應室氣體壓力以及工作氣體的比例等。仔細控制工藝參數(shù)，才能得到性能良好的薄膜。 與基于熱化學的CVD相比，PECVD的優(yōu)點：沉積溫度低，從而基板不發(fā)生相變或變形，而且成膜質量高。 (3)微波燒結 利用微波電磁場中材料的介質損耗，使陶瓷材料整體加熱到燒結溫度而實現(xiàn)致密化的方法。由于微波加熱利用了陶瓷本身的介電損耗發(fā)熱，所以陶瓷既是熱源,又是被加熱體，整個微波裝置只有陶瓷制品處于高溫，而其余部分仍處于常溫狀態(tài)。 可以通過改進電磁場的均勻性、改善材料的介電性能和導熱性能、以及采用保溫材料保護燒結等方法來保證燒結溫度的均勻性，以及解決局部過熱問題。 微波燒結的應用：已成功制備了ZrO2或Al2O3納米陶瓷。 6. 結合你擬報的研究方向，提出一個研究課題并列出主要研究內(nèi)容？ 我的本科畢業(yè)設計論文為《水泥粉煤灰穩(wěn)定基層材料的設計與研究》。 選題的目的和意義：高速公路路面基層是直接位于瀝青面層下、用高質量材料鋪筑的主要承重層或直接位于水泥混凝土面板下、用高質量材料鋪筑的一層。基層可以是一層或兩層，可以是一種或兩種材料。 目前，我國用于基層建設的材料主要是二灰穩(wěn)定粒料和水泥穩(wěn)定粒料。水泥穩(wěn)定粒料具有承載力高，水穩(wěn)性和冰凍穩(wěn)定性好，具有較強的抗沖刷能力，與下封層有較好的粘結力，施工方便等優(yōu)點，但也存在收縮性大，易產(chǎn)生裂縫等缺陷。而基層一旦開裂，不僅影響到基層的整體性和承載能力，而且反射到瀝青砼面層，出現(xiàn)反射裂縫并可導致瀝青路面結構破壞。二灰穩(wěn)定粒料具有后期強度高，收縮系數(shù)小，板體性好，水穩(wěn)性、抗凍性較好，且能大量利用工業(yè)廢料（粉煤灰），經(jīng)濟性好等優(yōu)點。但同時也存在早期強度低，施工進度受到限制，表面松散起灰，不利于層間結合，耐沖刷性一般，影響耐久性等缺點。 本文將通過不同的設計方法設計出水泥粉煤灰穩(wěn)定粒料這一基層材料的最佳配合比，并且研究原材料的基本品質對于這一基層材料強度性能的影響，同時對比研究了幾種不同穩(wěn)定材料（特別是水泥石灰粉煤灰穩(wěn)定材料）技術、經(jīng)濟、環(huán)境性能。為水泥粉煤灰穩(wěn)定粒料這一基層材料的應用提供了基礎與應用，對我國高速公路的建設和固體廢棄物的綜合利用將起到很到的推進作用。 主要研究內(nèi)容包括四個方面，水泥粉煤灰穩(wěn)定粒料路面基層材料的配合比設計；原材料品質對該種路面基層材料強度性能的影響；幾種路面基層材料的性能比較；水泥粉煤灰路面基層材料在工程上的應用。 7. 介紹一種現(xiàn)代測試技術方法，并舉例說明其可分析的內(nèi)容？ 答：一、電子探針 EPMA 一般采用兩個磁透鏡聚焦，使入射電子束的直徑縮小到一微米以下，打到試樣由光學顯微鏡預先選好的待測點線面上，使這里的各種元素激發(fā)產(chǎn)生相應的特征x射線譜，經(jīng)晶體展譜后由探測系統(tǒng)接收，從特征x射線譜的波長及強度可以測定待測點的元素及含量。 電子探針對微區(qū)、微粒和微量的成分具有分析元素范圍廣，靈敏度高，準確快速和不損耗試樣等特點。可以做定性、定量分析。因此，可用于各個領域。 (1)冶金學 在冶煉和熱處理過程中，材料出現(xiàn)的大量顯微現(xiàn)象，如析出相、晶面偏析、夾雜物等，用電子探針可以對它們進行直接分析，而不必把分析物從基體中取出來。(2)地質和礦物學 電子探針在地質礦物學中的應用也非常廣泛，可用來分析顆粒較細的巖相組成和結構。(3)其他方面 電子探針常用來研究半導體以及分析空氣中的微粒物質。電子探針不損耗樣品，所以在考古中也發(fā)揮很關鍵的作用。此外，在生物和醫(yī)學上也得到廣泛應用。 二、差熱分析 差熱分析是在程序控制溫度下，測量物質與參比物之間的溫度差與溫度關系的一種技術。差熱分析曲線是描述樣品與參比物之間的溫差(ΔT)隨溫度或時間的變化關系。在DTA試驗中，樣品溫度的變化是由于相轉變或反應的熱效應引起的。 影響差熱分析的主要因素：1.氣氛和壓力的選擇。2.升溫速率的選擇。3.試樣的預處理及用量：一般盡可能減少用量，最多大至毫克。樣品的顆粒度在100目-200目左右。4.參比物的選擇：常用α-三氧化二鋁(Al2O3)或煅燒過的氧化鎂（MgO）或石英砂作參比物。5.紙速的選擇。 差熱分析主要應用于高聚物的研究：1.測定高聚物的玻璃化轉變。2.高聚物在空氣和惰性氣體中的受熱情況。3.研究高聚物中單體含量對Tg的影響。4.共聚物結構的研究。5.研究纖維的拉伸取向等等。測熔點測相變溫度。