Материал: Методические указания к практическим занятиям по курсу «Перспективы развития композиционных материалов» для студентов направления «Техническая физика». Калинин Ю.Е., Косилов А.Т

3.1. Функциональные композиционные материалы.

Введение в физику функциональных композиционных

материалов

1. Что составляет содержание науки о материалах?

2. Какие науки вносят наибольший вклад в изучение материалов?

3. Как определить место наук о материалах среди остальных наук?

4. Какие существуют методы физико-химического исследования материалов?

5. В чем проявляется роль фундаментального материаловедения в современном обществе?

6. В чем причина изменения приоритетов развития материаловедения? Каковы основные тенденции развития современного материаловедения?

7. Что относят к перечню критических технологий развития в настоящее время?

8. В чем различия между понятиями «элемент», «вещество», «изотоп», «изомер», «химический индивид», «фаза», «бертоллид», «дальтонид», «твердый раствор», «материал»?

9. Что выражают химический и фазовый состав материалов? Что такое «агрегатное состояние», «аллотропия», «полиморфизм», «политипия»?

10. Для каких типов веществ действует законы кратных соотношений и закон постоянства состава?

11. Что выражают фазовые диаграммы?

12. Каковы необходимые и достаточные условия отнесения кристалла к «идеальному», «совершенному», «реальному», «дефектному», «равновесному» типу кристаллов, к «квазикристаллу»?

13. Какие дефекты относятся к равновесным и неравновесным?

14. Какие дефекты называют точечными, протяженными, нульмерными, одномерными, линейными, двумерными, трехмерными, объемными? Придумайте альтернативные варианты классификации дефектов.

15. Какого цвета “F-центры” в галогенидах щелочного металла? Объясните, из-за чего возникает такая окраска?

16. Докажите, что в кристаллах должна существовать равновесная концентрация дефектов. Почему в координатах логарифм концентрации – обратная температура концентрация дефектов по Шоттки или по Френкелю выражается прямой линией? Может ли в кристалле существовать равновесная концентрация дислокаций?

17. С чем может быть связано существование у фазы односторонней области гомогенности?

18. Что такое плоскости кристаллографического сдвига? Как они возникают? Для каких оксидов типично наличие плоскостей кристаллографического сдвига? Как наличие таких дефектов может модифицировать диаграмму состояния?

19. Каковы причины возникновения дислокаций? Какой тип энергии запасается в дислокациях? Какие существуют типы дислокаций? Как дислокации взаимодействуют друг с другом? 20. Что такое дислокационная стенка и источник Франка-Рида? Что такое вектор Бюргерса? Какова роль дислокаций? Какова взаимосвязь дислокаций и точечных дефектов?

21. Что такое дефекты упаковки? Связаны ли дефекты упаковки с дислокациями?

22. Как происходит процесс двойникования в кристаллах?

23. В чем различие между когерентными, полукогерентыми и некогерентными включениями?

24. Какие существуют типы межкристаллитных границ? Что такое малоугловые и специальные границы? Какова роль межкристаллитных границ в реализации тех или иных свойств, химических и фазовых превращений в материале?

25. Чем бертоллид отличается от дальтонида? Все ли дальтониды являются точечными фазами? Всегда ли твердый раствор является бертоллидом? Какие дефекты могут приводить к образованию бертоллида? Какие дефекты может содержать дальтонид?

26. Что такое материал (общее определение)? Приведите примеры использования «обычных» веществ в качестве материалов?

27. Почему для неорганических твердофазных материалов, как правило, не выполняется закон постоянства состава?

28. Какое уравнение можно рассматривать как основное уравнение состояния точечных дефектов?

29. Как дефекты могут влиять на функциональные свойства материала? В каких случаях дефекты могут оказывать положительный эффект на функциональные свойства материала?

30. Что такое корреляция «состав-воздействие-структура-свойство» и каковы причины существования подобных корреляций для материалов? Приведите примеры.

31. Какие типы дефектов и в каких материалах необходимы для проявления улучшенных функциональных характеристик?

32. Почему литий часто используется для создания электрон-ионных проводников?

33. Приведите примеры изменения ионной проводимости при гетеровалентном легировании.

34. Из-за чего возникают ассоциаты дефектов типа «расщепленных (или гантелевидных) междоузлий»?

35. Какие законы сохранения должны учитываться при составлении квазихимических уравнений?

36. Предскажите, как изменяются проводящие свойства вюстита, диоксида циркония, оксида никеля (II), оксида цинка и оксида меди (I) при различных парциальных давлениях кислорода.

1. Вопросы к занятиям по теме «Классификация композиционных материалов»

1. Что такое композиционный материал (общее определение)?

2. В чем разница между функциональными и конструкционными композиционными материалами ?

3. Назовите основное отличие требований к свойствам функциональных и композиционных материалов.

4. Чем наука о материалах отличается от неорганической химии, физической химии, физики, химии твердого тела? Как определить место наук о материалах среди остальных наук?

5. Что является объектом исследований науки о материалах?

6. Каковы основные цели и тенденции развития современного

материаловедения?

7. Как классифицировать функциональные композиционные материалы?

8. Приведите классификацию материалов по составу и проведите ее анализ.

9. Проанализируйте классификацию материалов по структуре.

10. Приведите классификацию материалов по типам.

11. Проведите анализ классификации функциональных материалов по свойствам.

12. Приведите классификацию конструкционных композиционных материалов.

13. Что представляет полимерный композиционный материал ?

14. Как классифицировать полимерные композиционные материалы?

15. Дайте характеристику стеклопластиков.

16. Дайте характеристику углепластиков.

17. Дайте характеристику боропластиков.

18. Дайте характеристику органопластикам.

19. Дайте характеристику текстолиту и гетинаксу.

2. Вопросы к занятиям по теме «Керамические композиционные материалы»

1. Охарактеризуйте основные принципы получения керамических материалов.

2. Приведите классификация керамических материалов.

3. Что представляет собой природная керамика.

4. Перечислите исходные материалы для получения керамики.

5. Охарактеризуйте основные стадии получения керамики: подготовка порошков, смешение, формование, спекание.

6. Дайте характеристику силикатной керамики.

7. Охарактеризуйте состав и применение художественной керамики.

8. Охарактеризуйте состав и применение огнеупорной керамики.

9. Дайте характеристику электротехнической керамики.

10. Назовите особенности керамики с ядерными функциями.

11. Назовите состав и области применения оптической керамики

12. Что собой представляет биокерамика.

13. Назовите возможные составляющие поляризуемости диэлектрикой керамики.

14. С чем связана остаточная поляризация и наличие петли гистерезиса сегнетоэлектрической керамики (опишите основные точки петли гистерезиса)?

15. В чем различия между пьезо-, пиро-, сегнето-, сегнети- и антисегнетоэлектриками? Что из них является подклассом друг друга?

16. Почему сегнетоэлектрики разбиваются на домены? Какой тип энергии запасается в стенках доменов?

17. Каковы основные механизмы спонтанной поляризации и для каких классов соединений они наиболее характерны (примеры)?

18. Почему диэлектрическая проницаемость особенно велика вблизи точки Кюри?

19. В каком случае температура Кюри (Вейса) не совпадает с Тс и почему?

20. Почему дигидрофосфат аммония не обладает пироэлектрическими свойствами? В каком случае титанат бария может обладать макроскопически пироэлектрическими свойствами?

21. Что такое «истинный» и «ложный» пироэлектрический эффекты?

22. Объясните особую форму петли гистерезиcа цирконата свинца (в сильных полях).

23. Дайте характеристику магнитной керамики.

24. Назовите основные типы магнитных материалов, используемых в настоящее время (перечислить).

25. Назовите ферромагнитные материалы с рекордными свойствами.

26. Опишите основные точки / участки петли гистерезиса: в общем случае, ППГ, для наночастиц.

27. Приведите примеры и способы получения магнитомягких и магнитотвердых материалов.

28. Какими кристаллическими структурами обладают ферриты? (перечислить, примеры).

29. Где практически используются ферриты и материалы на их основе?

III. Вопросы к занятиям по теме «Углеродные композиционные материалы»

1. Назовите основные углеродные и графитовые материалы, применяемые при производстве композиционных материалов.

2. Охарактеризуйте свойства фуллеренов и области их применений.

3. Дайте характеристику углероднык нанотрубок.

4. Опишите их строение и свойства.

5. Дайте характеристику углеродных нановолокон.

6. Опишите композиты на основе углеродных материалов и их применение.

7. Дайте характеристику проводящих углеродных материалов.

8. Охарактеризуйте антифрикционные материалы на основе углерода.

9. Дайте характеристику графенов.

10. Опишите композиты на основе графенов и их применение.

4. Вопросы к занятиям по теме: «Композиционные неорганические материалы конструкционного назначения»

1. Дайте классификацию композиционных материалов в неорганической матрице конструкционного назначения.

2. Дайте характеристику волокнистым композитам.

3. Охарактеризуйте слоистые композиты с неорганическими компонентами.

4. Что означают дисперсно упрочненные композиты и как их получают ?

5. Охарактеризуйте материалы, используемые в качестве матрицы композитов.

6. Дайте характеристику видов и механических свойств волокон, применяемых в композитах.

7. Опишите проблемы совместимости матрицы и волокон.

8. Приведите механические свойства композиционных материалов.

9. Каким образом можно рассчитать прочность композиционных материалов.

V. Вопросы к занятиям по теме: «Магнитоэлектрические композиты»

1. Дайте определение магнитоэлектрических композитов.

2. Дайте характеристику магнитоэлектрического эффекта в кристаллах.

3. Охарактеризуйте магнитоэлектрический эффект в композитах.

4. Опишите теории магнитоэлектрического эффекта.

5. Дайте описание эффективности прямого магнитоэлектрического преобразования в композитах.

6. Опишите эффективность обратного магнитоэлектрического преобразования в композитах.

7. Перечислите наиболее перспективные объемные и слоевые магнитоэлектрические композиты.

8. Перечислите области практического применения магнитоэлектрических композитов.

VI. Вопросы к занятиям по теме: «Композиты с гигантским магнитосопротивлением»

1. Дайте определение магнитосопротивления.

2. Какие величины магнитосопротивления называют гигантскими ?

3. Какова физическая природа гигантского магнитного сопротивления (GMR)?

4. В чем состоит эффект осцилляторного поведения антиферромагнитной связи в многослойных магнитных системах? Когда он наблюдается?

5. Поясните эффект антипараллельной ориентации магнитных моментов при разной коэрцитивности в соседних магнитных слоях?

6. В каких объемных композитах наблюдается эффект гигантского магнитного сопротивления ?

7. При каких концентрациях ферромагнитной фазы в объемном композите наблюдается эффект гигантского магнитного сопротивления ?

8. Назовите методы получения композитов с гигантским магнитосопротивлением.

9. Где используется эффект GMR?

VII. Вопросы к занятиям по теме: «Сверхпроводящие композиты »

1.Какие сверхпроводниковые фазы имеют критические температуры выше температур кипения (1) жидкого гелия, (2) жидкого водорода, (3) жидкого азота? Какой из хладогенов более дешев, безопасен и имеет более высокую теплоемкость?

2. Каковы основные признаки перехода в сверхпроводящее состояние?

3. Какие существуют «электронные» высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП)? Назовите носители заряда в YBa₂Cu₃O₇ выше и ниже критической температуры.

4. Способствует ли максимально возможное окисление фазы YBa₂Cu₃O_6.5 достижению максимальной температуры перехода в сверхпроводящее состояние и почему?