功能材料概论.doc

功能材料
1.如何辨别常用的塑料用具
  “买饮料时送了一个杯子，可杯子底部没有标号，这种杯子能不能用？”
“早上买包子和馒头，用的也是没标号的白色塑料袋包装，热腾腾的东西装进塑料袋，会不会有害？”
类似的问题是大家比较关心的问题 
　  【辨别】
　  清水中浮起来就是2、4、5号
　  打一盆清水，将塑料样品浸没在水中，浮起来的基本可以判断是2（高密度聚乙烯）、4（低密度聚乙烯）、5号（聚丙烯）塑料中的一种了。（相对安全）
　  对于这些浮起来的样品，接下来用指甲就可以简单地做进一步辨别。如果不易出现划痕，则是2号塑料；如果样品上很容易出现划痕，是4号塑料；无法划出痕迹的，那就是5号塑料了。
　  需要注意的是，塑料薄膜因为有张力，所以清水的方法对它不管用——不过，用指甲划来辨别，仍然是可以的。
　  用火烧一烧辨别1、3、6、7号
　  清水测试之后，沉入水底的就是1（的确良的原料）、3（聚氯乙烯）、6（聚苯乙烯）、7号（聚碳酸酯）塑料，接下来，用火烧一烧，就能做进一步辨别。
　  倘若试样燃烧没有滴落物、离开火源后不自熄、燃烧时没有醋的气味、火焰呈黄色且有烟产生的为1号塑料；
　  3号塑料有软制品和硬制品两类，燃烧情形也不相同——燃烧后产生滴落物，并且离开火源后会自熄，燃烧的同时产生了辛辣气味，火焰呈绿色，有烟，即可判断其为3号塑料的软制品；3号塑料的硬制品（常不透明）燃烧时有烟、但不产生滴落物，且离开火源后会自熄，有辛辣气味。
　  燃烧时产生滴落物，但离开火源后并不自熄，而且产生大量黑烟的（苯环不易充分燃烧），是6号塑料；7号塑料燃烧时有烟、不产生滴落物且离开火源后会自熄，伴随有消毒水味。
　  【提醒】
　  洗洁用品容器别用来装食品
　  7类塑料制品中除了3号（PVC）是明确有毒以外，其余几类的塑料制品，只要使用时不超过生产厂家规定初始用途的使用范围，还是比较安全的。比如那些专门生产用来盛放食物的2号容器或塑料袋，都是无害的。
　  因此，使用塑料制品时不要超过原本的使用范围，比如原本用来装洗洁用品的容器就不适合用来装食品，适合常温使用的一些塑料制品不宜用来装热水，更不能放进微波炉等加热。
　  有色的塑料袋尽量少用
　  有色塑料袋是在制作过程中，往塑料里添加染料制作成的。他说，这些有色塑料袋往往可能因为添加的染料而“带毒”，安全性下降。所以，建议尽量使用透明、半透明的塑料袋，少用带色塑料袋。
体验新版博客
2.记忆效应的分类和用途
可分三类：
单程记忆效应　　形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前的形状，这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。 
双程记忆效应　　某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双程记忆效应。 
全程记忆效应　　加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状，称为全程记忆效应。    
用途举例：
(a) 防烫伤阀 在家庭生活中，已开发的形状记忆阀可用来防止洗涤槽中、浴盆和浴室的热水意外烫伤；这些阀门也可用于旅馆和其他适宜的地方。如果水龙头流出的水温达到可能烫伤人的温度(大约 48℃)时，形状记忆合金驱动阀门关闭，直到水温降到安全温度，阀门才重新打开。 
(b) 眼镜框架 在眼镜框架的鼻梁和耳部装配 TiNi 合金可使人感到舒适并抗磨损，由于 TiNi 合金所具有的柔韧性已使它们广泛用于改变眼镜时尚界。用超弹性 TiNi 合金丝做眼镜框架，即使镜片热膨胀，该形状记忆合金丝也能靠超弹性的恒定力夹牢镜片。这些超弹性合金制造的眼镜框架的变形能力很大，而普通的眼镜框则不能做到。 
（c）牙齿矫形丝 用超弹性 TiNi 合金丝和不锈钢丝做的牙齿矫正丝，其中用超弹性 TiNi 合金丝是最适宜的。用 TiNi 合金作牙齿矫形丝，即使应变高达10%也不会产生塑性变形，而且应力诱发马氏体相变(stress-induced martensite)使弹性模量呈现非线型特性，即应变增大时矫正力波动很少。这种材料不仅操作简单，疗效好，也可减轻患者不适感。
体验新版博客
3.何谓热致液晶？液晶的近晶相、向列相、胆甾相各有什么特点
物质在一定温度或浓度的溶液中，既具有液体的流动性，又具有晶体的各向异性，这就是液晶。如果物质出现液晶相主要受温度条件控制，温度过低物质为普通晶态，温度过高为普通液态，温度适中才呈现液晶态，这就是热致液晶。
近晶相液晶(Smectic Liquid Crystals) 分子呈二维有序性，分子排列成层，层内分子长轴相互平行，排列整齐，重心位于同一平面内，其方向可以垂直层面，或与层面成倾斜排列，层的厚度等于分子的长度，各层之间的距离可以变动，分子只能在层内做前后、左右滑动,但不能在上下层之间移动。近晶相液晶的粘度与表面张力都比较大，对外界电、磁、温度等的变化不敏感。 
向列相液晶(Nematic Liquid Crystals) 分子只有一维有序，分子长轴互相平行，但不排列成层，它能上下、左右、前后滑动，只在分子长轴方向上保持相互平行或近于平行，分子间短程相互作用微弱，向列相液晶分子的排列和运动比较自由，对外界电、磁场、温度、应力都比较敏感，是目前显示器件的主要材料。 
胆甾相液晶（Cholesteric Liquid Crystals）这个名字的来源是因为大部份是由胆固醇的衍生物所生成的，但有些没有胆固醇结构的液晶也会具有此液晶相．如果把这种液晶一层一层分开来看，很像线状液晶．但是在Z轴方向来看，会发现它的指向矢随着一层一层的不同而像螺旋状一样分布，而当其指向矢旋转360度所需的分子层厚度就称为pitch．正因为它每一层跟线状液晶很像，所以也叫做Chiral nematic phase．以胆固醇液晶而言，与指向矢的垂直方向分布的液晶分子，由于其指向矢的不同，就会有不同的光学或是电学的差异，也因此造就了不同的特性． 
4.简述液晶显示盒的基本原理
 将液晶置于两片导电玻璃之间，靠两个电极间电场的驱动，引起液晶分子扭曲向列的电场效应，以控制光源透射或遮蔽功能，在电源关开之间产生明暗而将影像显示出来。这是液晶显示盒最基本的原理。
    两片玻璃基板内装有配向膜，所以液晶会沿着沟槽配向，由于玻璃基板配向膜沟槽偏离90度，所以液晶分子成为扭转型。玻璃基板外装有偏光片当玻璃基板没有加入电场时，光线透过偏光板跟着液晶做90度扭转，通过下方偏光板，液晶面板显示白色（如下图左）；当玻璃基板加入电场时，液晶分子产生配列变化，光线通过液晶分子空隙维持原方向，被下方偏光板遮蔽，光线被吸收无法透出，液晶面板显示黑色（如下图右）。液晶显示器便是根据此电压有无，使面板达到显示效果． 

体验新版博客
5.固态储氢相对于气态和液态储氢而言有何优点？其基本原理如何？
气态储氢：能量密度低，而且不太安全（高压且易燃）。液化储氢：能耗高（因为要保持低温），且对储罐绝热性能要求高。
固态储氢的优势：体积储氢容量高；无需高压及隔热容器；安全性好，无爆炸危险；可得到高纯氢，提高氢的附加值。
在氢气富集时，利用化学反应让氢气与金属生成氢化物，或者利用物理吸附的方式吸收氢气，在需要氢气时氢化物分解或者氢气脱吸附能将氢气释放出来。而且能可逆充放氢气很多次。这就是固态储氢的基本原理。
体验新版博客
6.LED相对于其他普通光源，有何优点？
LED（光发射二极管）的内在特征决定了具有一定的优势。
  1 体积小
  LED基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面，所以它非常的小，非常的轻。
  2 耗电量低
  LED耗电非常低，一般来说LED的工作电压是2-3.6V。工作电流是0.02-0.03A。这就是说：它消耗的电能一般不超过0.1W。
  3 使用寿命长
  在恰当的电流和电压下，LED的使用寿命可达10万小时。
  4 高亮度、低热量
  比HID或白炽灯更少的热辐射。
  5 环保
  LED是由无毒的材料作成，不像荧光灯含水银会造成污染，同时LED也可以回收再利用。
  6 坚固耐用
  LED是被完全的封装在环氧树脂里面，它比灯泡和荧光灯管都坚固。灯体内也没有松动的部分，这些特点使得LED可以说是不易损坏的。 
  7 可控性强
  易于实现颜色的变化和亮暗变化，而且反应迅速。
7.为什么散热对LED器件很关键？
当LED芯片温度升高时，由于半导体的能隙随温度的上升而减小，它所发射的峰值波长随温度的上升而增长，即光谱红移。
发光亮度也与芯片温度有关，温度升高时载流子复合效率下降，发光效率降低。
温度升高，会使LED的寿命减小。
综上所述，若芯片温度较高，LED的主波长就会红移，亮度会下降，发光均匀性、一致性变差。尤其点阵、大显示屏的温升对LED的可靠性、稳定性影响更为显著。所以散热设计对LED器件很关键。
8.什么是超导材料？超导体有何主要特性？
超导材料是存在电阻为零的超导态的材料，当其处于超导态时，能够无损耗地传输电能。
 超导体主要具有三个特性:
 零电阻性 　超导材料处于超导态时电阻为零,如果用磁场在超导环中引发感生电流，这一电流可以毫不衰减地维持下去。这种“持续电流”已多次在实验中观察到。 
完全抗磁性　超导材料处于超导态时，只要外加磁场小于临界磁场，磁场不能透入超导体内，超导材料内部的磁场恒为零。超导悬浮，就是利用超导体的完全抗磁性。
约瑟夫森效应　当两超导体之间有一薄绝缘层（厚度约1nm）而形成低电阻连接时，会有电子对穿过绝缘层形成电流，而绝缘层两侧没有电压，即绝缘层也成了超导体。当电流超过一定值后，绝缘层两侧出现电压U（也可加一电压U），同时，直流电流变成高频交流电，而且频率与电压成正比。
9.一般将超导体分为两大类，它们之间的主要区别是什么？目前超导体有什么应用？
超导体按其磁化特性可分成两类。第Ⅰ类超导体只有一个临界磁场HC。在超导态，具有迈斯纳效应。除钒、锯、锝外，其它超导元素都是第Ⅰ类超导体．第Ⅱ类超导体有两个临界磁场，即下临界磁场HC1和上临界磁场HC2。当外磁场H0小于HC1时，同第Ⅰ类超导体一样，磁场被完全排出体外，此时，第Ⅱ类超导体处于迈斯纳状态，体内没有磁感应线通过。当外场增加至HC1和HC2之间时，第Ⅱ类超导体处于混合态，也称涡旋态。这时体内将有部分磁感应线穿过，体内既有超导态部分，又有正常态部分，磁场只是部分地被排出。
应用方面：
高温超导体SQUID的分辨率在1Hz使用时已优于40fT/Hz，可用来探测大脑的磁场变化。通过包银制备的BSCCO（铋锶钙铜氧化物超导体）带材也取得了很大进展，其临界电流密度在4.2K和20T的磁场下达105A·cm-2，可用来制造NMR测量中所需的高于20T的强磁场。 在空间上使用运行在90K～100K的微波器件，为空间的微波技术应用带来巨大的变化。NMR（核磁共振）的探测器改用高温超导体，极大地改善NMR的质量并降低成本。

10.简述聚酰亚胺的特点及应用情况
聚酰亚胺是一类主链含酰亚胺环重复单元的耐高温芳杂环聚合物。它是综合性能最佳的有机高分子材料之一，耐高温达 400℃以上 ，长期使用温度范围－200～300℃，无明显熔点，高绝缘性能，属F至H级绝缘材料。
它主要有如下特点：
1. 超耐热性：连续使用温度288°C，断续480°C，极低温   (1K以下) 下亦可使用。
2. 耐磨耗性：无润滑下的PV值是一般工程塑料的10倍以上，对冲击磨耗与摇动磨耗亦有很强之耐性。   
变形：即使在高温下亦不会软化，可支持高负荷，在260C 、180kg/c㎡下的蠕变 (creep) ，1000小时仅有0.6%。
3. 电气绝缘：绝缘耐力22kv/mm，是目前最好的高分子绝缘材料。
4. 耐等离子体、放射线   耐化学性、耐润滑脂、油、溶剂等
主要应用：
（１）在带状电缆和软印刷电路中应用　　由于薄膜柔软 , 尺寸稳定性好 , 介电性能优越 , 适于作带状电缆或软印刷电路的基材或覆盖层 , 在加工过程中 , 钢箔与薄膜在热辊下复合 , 能耐受化学腐蚀、焊接等的高温和化学处理 , 用它制成的带状电缆或软印刷电路体积小、质量轻、可靠性高、耐高温、抗辐射，适用于计算机等微型电路中。 
（２）在绕包电磁线圈中应用　以聚酰亚胺薄膜为基材，在其单面或双面涂聚全氟乙丙烯乳液，制成粘带。用于线圈中导线的绝缘。这种线圈耐热性好、绝缘层厚度薄而均匀、密封性好，提高了导线的防潮性能、电性能、抗切通性能，由于薄膜柔韧性好，使导线在弯曲时绝缘层完好，无破裂现象。适用于H级、F级电机绕阻。匝间绝缘厚度比双丝漆包线减薄约 1/3 ，导热性好，缩小电机体积，提高电机可靠性。广泛应用在宇宙飞船、高压电机、机车牵引电机、深井潜油泵电机和冶金电机等方面。
（3） 其他应用 在电子电工领域，作为绝缘材料，聚酰亚胺薄膜广泛应用于宇航、航海、一般武器、电磁线、电缆、变压器、音响、麦克风、手机、电脑、直发钳以及各种电机等，还用作柔性电路板、覆铜板、压敏胶带的基材、半导体的包封材料、高温电容介质，以及仪表通讯、石油化工等工业部门。 
11. 简述塑料王的特点及应用情况
 塑料王就是聚四氟乙烯，由于其具有极好的化学稳定性，而被称为“塑料王”！ 
   特点：
1. 化学稳定性好 它的最大优点是耐化学腐蚀，除极强碱，如熔融的碱金属能腐蚀聚四氟乙烯外（仅仅是表面上轻微的腐蚀），聚四氟乙烯不为任何化学试剂腐蚀，连无坚不摧的“王水”也只能对它“望而兴叹”。
2. 热稳定性好 聚四氟乙烯在-196～260℃的较广温度范围内均保持优良的力学性能，它在250℃的温度下不熔化，在液氮的超低温中不发脆。聚四氟乙烯不吸湿、不燃烧，耐疲劳性特别好，“塑料王”的美称当之无愧！ 
3. 其他  聚四氟乙烯还是已知固体中表面能最小的，几乎任何东西都不能粘附在其表面上。聚四氟乙烯摩擦系数也极低，还有较好的绝缘性能。
应用：
在化工方面能用作防腐材料，可制造各种防腐蚀零部件，如管子、阀门、泵及管件接头等。化工设备方面，可制作反应器、蒸馏塔及防腐设备的衬里和涂层。 
机械方面，可用作自润滑轴承、活塞环、油封及密封圈等。自润滑性可减少机件磨损和发热．降低动力消耗。 
电子电器方面，主要用于制造各种电线电缆、电池电极、电池隔膜、印刷电路板等。 
在医用材料中，利用其耐热、耐水、无毒的特性，可用作各种医疗器械及人工脏器的材料。前者如消毒过滤器、烧杯、人工心肺装置，后者如人造血管、心脏及食道等。 
利用其不粘性，在塑料加工及食品工业中广泛用作脱模剂及无油烹调的炊具(即不粘性炊具)。
12. 电解电容器的结构和工作原理
电解电容器是指在铝、钽、铌、钛等金属的表面采用阳极氧化法生成一薄层氧化物作为电介质，以电解质作为阴极而构成的电容器。
电解电容器结构如下图所示。通常是由金属箔（铝/钽）作为正电极，金属箔的绝缘氧化层（氧化铝/钽五氧化物）作为电介质，电解电容器以其正电极的不同分为铝电解电容器和钽电解电容器。铝电解电容器的负电极由浸过电解质液（液态电解质）的薄纸/薄膜或电解质聚合物构成；钽电解电容器的负电极通常采用二氧化锰。由于均以电解质作为负电极（注意和电介质区分），电解电容器因而得名。 

由于介质薄，且面积大，所以电解电容的体积电容率较大，但耐压值不太高。这类电容器拥有很高的电容值，范围通常从1μF至200000μF。但是它们的击穿电压相对较低，通常所能做到的最大击穿电压为350V。
13. 薄膜电容器的结构和优缺点
薄膜电容器以塑料薄膜为电介质，因此也被称为塑料膜电容器。聚碳酸酯、丙烯、聚酰胺酯、聚苯乙烯、聚丙烯和聚酯薄膜都是常用的绝缘材料。其结构如图所示。

薄膜电容的容抗通常很高，介质损耗很小；频率响应范围广，也就是说在比较宽的的频率范围内（至少包括整个音频范围），其电容率基本不变。这些优秀的特性令其经常出现在模拟电路的信号耦合部分，在音响设备中我们经常能见到它们的身影。由于膜的介电常数一般都不算太高，且不能做得太薄，所以=体积电容率比不算太高。
14. 太阳能电池
太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，光生空穴流向p区，光生电子流向n区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。 太阳能电池[10]按结晶状态可分为结晶系薄膜式和非结晶系薄膜式（以下表示为a-）两大类，而前者又分为单结晶形和多结晶形。[11]
按材料可分为硅薄膜形、化合物半导体薄膜形和有机膜形，而化合物半导体薄膜形又分为非结晶形（a-Si:H,a-Si:H:F,a-SixGel-x:H等）、ⅢV族（GaAs,InP等）、ⅡⅥ族（Cds系）和磷化锌 (Zn 3 p 2 ）等。
太阳能电池根据所用材料的不同，太阳能电池还可分为：硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池、有机太阳能电池、塑料太阳能电池，其中硅太阳能电池是发展最成熟的，在应用中居主导地位。
太阳电池是一种可以将能量转换的光电元件，其基本构造是运用P型与N型半导体接合而成的。半导体最基本的材料是“硅”，它是不导电的但如果在半导体中掺入不同的杂质，就可以做成P型与N型半导体，再利用P型半导体有个空穴(P型半导体少了一个带负电荷的电子，可视为多了一个正电荷)，与N型半导体多了一个自由电子的电位差来产生电流，所以当太阳光照射时，光能将硅原子中的电子激发出来，而产生电子和空穴的对流，这些电子和空穴均会受到内建电位的影响，分别被N型及P型半导体吸引，而聚集在两端。此时外部如果用电极连接起来，形成一个回路，这就是太阳电池发电的原理。
简单的说，太阳光电的发电原理，是利用太阳电池吸收0.4μm～1.1μm波长(针对硅晶)的太阳光，将光能直接转变成电能输出的一种发电方式。
由于太阳电池产生的电是直流电，因此若需提供电力给家电用品或各式电器则需加装直/交流转换器，换成交流电，才能供电至家庭用电或工业用电。
太阳能电池的充电发展太阳能电池应用在消费性商品上，大多有充电的问题，过去一般的充电对象采用镍氢或镍镉干电池，但是镍氢干电池无法抗高温，镍镉干电池有环保污染的问题。超级电容发展快速，容量超大，面积反缩小，加上价格低廉，因此有部份太阳能产品开始改采超级电容为充电对象，因而改善了太阳能充电的许多问题：
充电较快速，
寿命长5倍以上，
充电温度范围较广，
减少太阳能电池用量(可低压充电)。
15. 蓄电池
蓄电池是将化学能直接转化成电能的一种装置，是按可再充电设计的电池，通过可逆的化学反应实现再充电，通常是指铅酸蓄电池，它是电池中的一种，属于二次电池。它的工作原理：充电时利用外部的电能使内部活性物质再生，把电能储存为化学能，需要放电时再次把化学能转换为电能输出，比如生活中常用的手机电池等。[1]
它用填满海绵状铅的铅基板栅（又称格子体）作负极，填满二氧化铅的铅基板栅作正极，并用密度1.26--1.33g/mlg/ml的稀硫酸作电解质。电池在放电时，金属铅是负极，发生氧化反应，生成硫酸铅；二氧化铅是正极，发生还原反应，生成硫酸铅。电池在用直流电充电时，两极分别生成单质铅和二氧化铅。移去电源后，它又恢复到放电前的状态，组成化学电池。铅蓄电池是能反复充电、放电，它的单体电压是2V，电池是由一个或多个单体构成的电池组，简称蓄电池，最常见的是6V、12V蓄电池，其它还有2V、4V、8V、24V蓄电池。如汽车上用的蓄电池（俗称电瓶）是6个铅蓄电池串联成12V的电池组。
对于传统的干荷铅蓄电池（如汽车干荷电池、摩托车干荷电池等）在使用一段时间后要补充蒸馏水，使稀硫酸电解液保持1.28g/ml左右的密度；其使用直到寿命终止都不再需要添加蒸馏水。
11