材料的制备与技术题库 （一） 1、 为什么成型技术是复合材料研发的重要内容？ 答：复合材料是由有机高分子，无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料，他既保留原组成材料的重要特色，又通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联，从而获得更优越的性能。但复合材料的最终性能与效益不仅取决于基体和增强材料，还取决于其加工工艺。整体成型技术可将几十甚至几百个零件减少到个或几个零件，减少分段和对接，从而大幅度地减少结构质量，降低制件的成本。 2、简述树脂传递模塑（RTM）工艺的工艺概要以及工艺的优缺点。 答：工艺概要：1.增强体置于上下模之间；2.合模并将模具夹紧；3.压力注射树脂；4.固化后打开模具，取下产品。优缺点：树脂要充满模腔。注射压力0.4-0.5MPa。 RTM免除了将纤维制成预浸料，再切割成层片然后再铺叠成预型件的过程，摆脱了大投资的热压罐，工艺易于实现自动化，具有生产周期短、劳动力成本低、环境污染少、制造尺寸精确、外形光滑、可制造复杂产品等优点。 缺点：浸渍效果不好，缺陷发生，产品性能不均匀和重复性以及质量效果差。缺点：1.不宜制作小产品 2.模具复杂且成本高。 （二） 1、请描述含能材料的种类并给出各自代表性化合物的分子结构。 答：根据化学结构可划分为： 1)含-NO2或-ONO2的化合物：例如C6H3(NO2)3,HNO3等 2)含-N=N-或-N=N=N-的叠氮化合物，如：Pb(N3)2,CH3N3.等 3)含-NX2(X指卤素)，如： 4）含-C=N-结构的化合物，如Hg(ONC)2,HONC 5)含-OClO2和-OClO3的氯酸类，如：KClO3, KClO4, NH4ClO4 6)过氧化合物-O-O-, -O-O-O-，如H2O2
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7)炔基化合物： 2、请给出含能分子carbonyl diazide分解为3N2和CO的示意图。
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（三） 1、 什么是二维晶体材料？以一个例子说明二维晶体材料与块体材料相比有什么特殊性质？ 答：二维晶体材料是由几层单原子层堆叠而成的纳米厚度的平面晶体材料。特殊性质：溶涨稳定且可逆。 2、 如何获得二维晶体材料及其有什么用途？ 答：干法：等离子体化学气相沉积法，溅射法，热分解化学气相沉积法，真空沉积法，准分子脉冲激光沉积法；湿法：溶胶-凝胶法，计量棒涂布法，凹版印刷法，逆转辊涂布法，浸渍法，旋涂法。 功能薄膜材料：防紫外薄膜，近红外屏蔽薄膜，热屏蔽薄膜，消反射薄膜，等离子电视消反射/红外屏蔽薄膜，抗污薄膜，防静电薄膜，抗菌薄膜，光催化，光电变色薄膜，绝缘薄膜， （四） 1、 MOF-74是一例经典的金属有机框架材料（Metal-Organic Framework）。
以下三个问题均基于此材料。（1）简要介绍此材料的命名历程、基本组成、和结构特点；（2）列举2015-2016年间，在知名化学或材料期刊上有关MOF-74材料功能化研究的实例报道，不少于两例（明确阐明该材料的后处理方式以及在新功能方面所起的关键作用，即MOF-74材料与其新功能之间的必然联系）；（3）结合自己所在课题组的研究方向，给出一个能把MOF-74材料结合进去的合理设想。
2、 ZIF-8是一例经典的金属咪唑类分子筛材料（Zeolitic Imidazolate Framework），也属于一类金属有机框架材料（Metal-Organic Framework）。以下三个问题均基于此材料。（1）简要介绍此材料的命名历程、基本组成、和结构特点；（2）列举2015-2016年间，在知名化学或材料期刊上有关ZIF-8材料功能化研究的实例报道，不少于两例（明确阐明该材料的后处理方式以及在新功能方面所起的关键作用，即ZIF-8材料与其新功能之间的必然联系）；（3）结合自己所在课题组的研究方向，给出一个能把ZIF-8材料结合进去的合理设想。
（五）
1、 请论述纳米材料应用于传感器所产生的效益
2、 利用纳米材料进行表面功能化，会给电化学电极/电化学传感器/生物传感器的性能带来哪些优势。
答：纳米材料具有表面效应，体积效应，和介电限域效应等不同于块体材料和原子或分子的介观性质，加之具有导电性和完整的表面结构，可以作为优良的电极材料，纳米颗粒尺寸很小，具有体积效应，表面的键态和电子态与内部不同，导致其表面活性位置增加，可用作催化剂，具有很高的活性和选择性，当利用纳米材料对电极进行修饰时，除了可将材料本身的物化特性引入电极界面外，同时也会拥有纳米材料的大比表面积，粒子表面带来较多功能基团等特性，从而对某些物质的电化学行为产生特有的催化效应，另外，还可降低过电位，提高电化学反应的速率，电极的选择性，电极的灵敏度，测定多种具有电活性和非电活性的样品等。
纳米材料在化学与生物传感器中所起的作用主要有如下五个方面：1）固定生物分子，2）电化学反应的催化作用，3）电子传递的增强作用，4）生物分子的标记，5）直接作为试剂参与反应。
纳米材料在传感器上的特性主要体现为气敏性，湿敏性，压敏性，热敏性以及高生物活性，髙电子传输能力等，可制成灵敏度高，响应迅速，稳定性强，使用寿命长的传感器，纳米传感器具有高分辨率，小体积，极少的样品需求量等优越性。
纳米材料引入生物传感器领域后，提高了生物传感器的检测性能，并促发了新型的生物传感器。纳米材料的独特的化学和物理性质使得其对生物分子或者细胞的检测灵敏度大幅提高，检测的反应时间也得以缩短，并且可以实现高通量的实时检测分析。
（六）
1、请举例说明现有哪些方法可以合成有机/无机杂化聚合物材料？
答：1、溶胶-凝胶方法 包括两个步骤：（1）烷氧基金属(或元素)化合物[M(OR)2，M＝Si、Ti、Zr、A1、Mo、V、W、Ce等]的水解过程；（2）水解后的羟基化合物的缩合(缩聚)过程。通过溶胶-凝胶过程形成溶剂溶胀的分枝状三维无机网络，经过干燥、 陈化得到无机氧化物。
2、单体聚合方法 包括两个步骤：（1）将单体分散在多孔二氧化硅基质上 ；（2）进行单体聚合 。
如：将多孔结构的SiO2干凝胶浸入单体甲基丙烯酸甲酯(MMA)中， 使单体在无机网络中聚合。 聚合完成后， 除去外表面包着的聚合物即可得到杂化聚合物材料。 Pope (J Mater Res, 1989， 4：1018)用此法得到了含30％(摩尔分数)PMMA的透明材料。通过改变硅胶中孔的尺寸可调节有机相的相对含量。 对这种材料的透明性、 折射率、 强度、 耐磨性等的测试结果表明该材料具有纯PMMA和纯SiO2凝胶的综合性能。
答：1）溶胶-凝胶方法：包括两个步骤：（1）烷氧基金属(或元素)化合物[M(OR)2，M＝Si、Ti、Zr、A1、Mo、V、W、Ce等]的水解过程；（2）水解后的羟基化合物的缩合(缩聚)过程。通过溶胶-凝胶过程形成溶剂溶胀的分枝状三维无机网络，经过干燥、陈化得到无机氧化物。
2）单体聚合方法，包括两个步骤：（1）将单体分散在多孔二氧化硅基质上；（2）进行单体聚合。如：将多孔结构的SiO2干凝胶浸入单体甲基丙烯酸甲酯(MMA)中，使单体在无机网络中聚合。聚合完成后，除去外表面包着的聚合物即可得到杂化聚合物材料
3）以弱相互作用结合的杂化聚合物材料，带有羰基、羟基等可与Si02网络上末反应的Si-OH间形成氢键的基团的聚合物常被选为有机相：如聚甲基丙烯酸甲酯、聚醋酸乙烯酯、聚乙烯醇、双酚A型聚碳酸酯、聚乙烯基恶唑啉等
4）以共价键结合的杂化聚合物材料：使高分子链上带有可参与水解、缩合过程的基团(如三烷氧基硅基-Si(OR)3；)，通过这些功能性官能团与无机前驱体(如Si(OR)4等)一起水解缩合，就可形成有机聚合物与无机相间以共价键结合的杂化聚合物材料。
5）SI ATRP以及SI RAFT，可以在金，钛，Fe3O4，聚合物微球，SiO2 的表面引发单体聚合。
2、请举例说明纳米材料在哪些应用方面可以发挥其特有的性能？至少列举5种不同的应用实例。
答：由于纳米微粒的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等使得它们在磁、光、电、敏感性等方面呈现常规材料不具备的特性。因此纳米微粒在磁性材料、电子材料、光学材料、高致密度材料的烧结、催化、传感、陶瓷增韧等方面有广阔的应用前景。
应用实例：
1、 陶瓷增韧：陶瓷材料在通常情况下呈脆性，由纳米粒子压制成的纳米陶瓷材料有很好的韧性。因为纳米材料具有较大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出甚佳的韧性与延展性。
2、 纳米材料在催化领域的应用：纳米金属、半导体粒子的热催化。金属纳米粒子十分活泼，可以作为助燃剂在燃料中使用。也可以掺杂到高能密度的材料，如炸药，增加爆炸效率；也可以作为引爆剂进行使用。为了提高热燃烧效率，将金属纳米粒子和半导体纳米粒子掺杂到燃料中，以提高燃烧的效率，因此这类材料在火箭助推器和煤中作助燃剂。目前，纳米Ag和Ni粉已被用在火箭燃料作助燃剂。
3、 纳米材料在光学方面的应用：优异的光吸收材料。纳米微粒的量子尺寸效应等使它对某种波长的光吸收带有蓝移现象。纳米微粒粉体对各种波长光的吸收带有宽化现象。纳米微粒的紫外吸收材料就是利用这两个特性。通常的纳米微粒紫外吸收材料是将纳米微粒分散到树脂中制成膜，这种膜对紫外有吸收能力依赖于纳米粒子的尺寸和树脂中纳米粒子的掺加量和组分。目前，对紫外吸收好的几种材料有： 30～40nm的TiO2纳米粒子的树脂膜；Fe2O3纳米微粒的聚酯树脂膜。前者对400nm波长以下的紫外光有极强的吸收能力，后者对600nm以下的光有良好的吸收能力，可用作半导体器件的紫外线过滤器。
4、 纳米技术与纳米材料在环境保护方面的作用：纳米TiO2与环境保护。由于纳米TiO2除了具有纳米材料的特点外，还具有光催化性能，使得它在环境污染治理方面将扮演极其重要的角色。降解空气中的有害有机物、降解有机磷农药、处理毛纺染整废水、解决石油污染问题、处理城市生活垃圾、高效的杀菌剂、自洁作用。一般常用的杀菌剂Ag、 Cu等能使细胞失去活性，但细菌被杀死后，可释放出致热和有毒的组分如内毒素。内毒素是致命物质，可引起伤寒、霍乱等疾病。利用纳米TiO2的光催化性能不仅能杀死环境中的细菌，而且能同时降解由细菌释放出的有毒复合物。在医院的病房、手术室及生活空间细菌密集场所安放纳米TiO2光催化剂还具有除臭作用。
5、 纳米技术在纺织工业上的应用：在合成纤维树脂中添加纳米SiO2、纳米ZnO、纳米SiO2复配粉体材料，经抽丝、织布，可制成杀菌、防霉、除臭和抗紫外线辐射的内衣和服装，可用于制造抗菌内衣、用品，可制得满足国防工业要求的抗紫外线辐射的功能纤维。
6、 纳米材料在化妆品方面的应用：纳米微粒与树脂结合用于紫外线吸收，如防晒油、化妆品中普遍加入纳米微粒。如纳米TiO2、 ZnO、 SiO2等。一定粒度的锐钛矿型TiO2具有优良的紫外线屏蔽性能，而且质地细腻，无毒无臭，添加在化妆品中，可使化妆品的性能得到提高。
（七）
1、什么是物质的第四态？请例举4种属于第四态的物质。什么是液晶？按照分子排列的形式和有序性，其可以分为哪四类？
答：物质的第四态：指的是自然界的物质除了固、液、气之外存在的一种状态。
属于第四态的物质：等离子态，超固态（中子态），液晶，超临界液体，黑洞，塑晶，超导体。
液晶：某些物质的结晶受热熔融或被溶剂溶解以后，虽然失去固态物质的刚性，而获得液态物质的流动性，却仍然部分地保存着晶态物质分子的有序排列，从而在物理性质上呈现各向异性，形成一种兼有晶体和液体的部分性质的过渡状态，这种中间态称为液晶态，处在这种状态下的物质称为液晶。（上课笔记：液晶是介于晶态和液态之间的介晶相态，既具有晶体的有序性又具有液体的连续性和流动性，其分子排列的有序度介于无序的液体和有序的晶体之间。）
分类：向列相，近晶相，胆甾相，柱状相
向列相：向列相是最简单的液晶相，此类液晶的棒状分子之间只是互相平等排列。但它们的重心排列是无序的，在外力作用下发生流动，很容易沿流动方向取向，并且互相穿越。因此，此类型液晶具有相当大的流动性。向列相液晶又分为单轴向列相液晶和双轴向列相液晶。
近晶相：近晶型结构是所有液晶中具有最接近结晶结构的一类。这类液晶中，棒状分子依靠所含官能团提供的垂直于分子的长轴方向的强有力的相互作用，互相平等排列成层状结构，分子的长轴垂直于层片平面。在层内，分子排列保持着大量二给固体有序性，但是这些层片又不是严格刚性的，分子可以在本层内活动，但不能来往于各层之间，结果这类柔性的二维分子薄片之间可以相互滑动，而垂直于层片方向的流动则要困难。因此，近晶型液晶一般在各个方向都是非常粘滞的。
胆甾相：在这类液晶中，长形分子是扁平的，依靠端基的相互作用，彼此平等排列成层状，但是他们的长轴是在层片平面上的，层内分子与向列型相似，而相邻两层间，分子长轴的取向，由于伸出层片平面外的光学活性基团的作用，依次规则地扭转一定角度，层层累加而形成螺旋面结构。
棒状相：盘状分子相互堆叠形成柱状结构，柱状结构可以进一步发生组装形成柱状向列相、六方柱状相等结构。
2、请简要介绍侧链型液晶设计中的Finkleman去偶合原理。请介绍甲壳型液晶的设计原理。请例举3种表征液晶相结构的方法。
答：Finkleman去偶合原理：高分子主链和液晶基元之间必须有一定数目的柔性间隔基，以尽量减少主链分子热运动对侧链的液晶基元排列的影响。
甲壳型液晶设计原理:高分子主链和庞大的液晶基元之间以极短的的柔性间隔基或者直接相连，以庞大的侧基迫使主链以伸直链或螺旋链构型存在，从而使整个分子的形状类似于刚棒分子。这类分子从结构上属于侧链型液晶高分子，从性能上类似于主链型液晶高分子。主链和侧基协同作用构成液晶相的基本结构单元，即使不采用柔性间隔基也能形成液晶。
表征液晶相结构的方法：1、偏光显微镜（含热台）方法：观察液晶织构
2、X光衍射方法（小角X射线散射SAXS）
3、DSC方法：其原理是样品发生物理（化）变化时，将有更多或更少的热量进入其中，以维持其与参比样品的温度一致。
（八）
1、请列举出已知的清洁能源器件，并简述其中一个器件的工作原理。
答：锂电池、锂离子电池、锂空电池、锌空电池、燃料电池、太阳能电池
锂离子电池：是一种二次电池（充电电池），它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li 在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，Li 从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。（电池一般采用含有锂元素的材料作为电极，是现代高性能电池的代表。当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。同样，当对电池进行放电时（即我们使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回正极。回正极的锂离子越多，放电容量越高。）
答：太阳能电池，空气电池，锂电池，燃料电池。
锂离子电池工作原理：充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极，而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，到达负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入道德锂离子越多充电容量越高。
正极：LiCoO2 = LiCoO2 xLi xe
负极：6C xLi = LixC6
电池：6C LiCoO2= LixC6 LiCoO2
2、简述聚合物电解质与液体电解质在电池应用中的优缺点。
答：液体电解质中易长枝晶，漏液，安全性差，但是相对于聚合物电解质更易得。
而聚合物电解质无漏液，形状可设计，安全性较液体电解质高，但是在大规模的合成技术上较为复杂。（后面两个“但是”为自己总结的）
答：聚合物电解质：优点：1.安全性能好2.厚度小，能做得更薄3.重量轻4.容量大5.内阻小6.形状可定制7.放电特性佳8.保护板设计简单
缺点：和锂离子电池相比能量密度和循环次数都有下降。制造昂贵。没有标准外形，大多数电池为高容量消费市场而制造。和普通锂离子电池相比，价格、能量比较高；
液体电解质：
锂离子电池电解液一般使用有机溶剂，其具有能量密度高、输出电压高、循环寿命长、环境污染小等优点，然而使用液体电解质时，首次充电会在碳电极表面形成钝化膜（SEI膜），会增大电阻，同时在电压滞后，当电池被滥用，内部短路或过热时，很容易将有机液体引燃，导致电池起火爆炸。
（九）
1、简述：半导体材料的基本特征；光生电子和空穴行为。
答：半导体材料： (semiconductor material)是一类具有半导体性能(导电能力介于导体与绝缘体之间，电阻率约在1mΩ·cm~1GΩ·cm范围内)、可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。
半导体能带结构，类似于绝缘体，导带中没有电子而价带是满带，但其间的禁带宽度较小，光照激发下，少量在价带顶部的能量大的电子就可能越过禁带而升迁到导带中去成为“自由电子”，这些电子可以通过电子导电形成电流。
由于电子的升迁，在原来是满带的价带中就空出了相等数量的量子态，其余未升迁的电子就可以进入这些量子态而改变自己的量子态。这些空的量子态叫空穴。
2、论述：选择你熟悉的一种半导体材料，介绍其制备工艺以及性能评价。
单晶硅太阳能电池
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具体的制作工艺说明 （1）切片：采用多线切割，将硅棒切割成正方形的硅片。 （2）清洗：用常规的硅片清洗方法清洗，然后用酸（或碱）溶液将硅片表面切割损伤层除去30－50um。 （3）制备绒面：用碱溶液对硅片进行各向异性腐蚀在硅片表面制绒面。 （4）磷扩散：采用涂布源（或液态源，或固态氮化磷片状源）进行扩散，制成PN＋结，结深一般为0.3－0.5um。 （5）周边刻蚀：扩散时在硅片周边表面形成的扩散层，会使电池上下电极短路，用掩蔽湿法腐蚀或等离子干法腐蚀去除周边扩散层。 （6）去除背面PN＋结。常用湿法腐蚀或磨片法除去背面PN＋结。 （7）制作上下电极：用真空蒸镀、化学镀镍或铝浆印刷烧结等工艺。先制作下电极，然后制作上电极。铝浆印刷是大量采用的工艺方法。
（8）制作减反射膜：为了减少入反射损失，要在硅片表面上覆盖一层减反射膜。制作减反射膜的材料有2MgF,2SiO,32OAL,SiO,2TiO,52OTa等。工艺方法可用真空镀膜法、离子镀膜法，溅射法、印刷法、PECVD法或喷涂法等。 （9）烧结：将电池芯片烧结于镍或铜的底板上。 （10）测试分档：按规定参数规范，测试分类。
单晶硅太阳能电池的光电转换效率是目前所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的，但制作成本很大，以致于它还不能被大量广泛和普遍地使用。由于单晶硅一般采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装，因此其坚固耐用，使用寿命长 。
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