先进材料进展复习题（精选5篇）

第一篇：先进材料进展复习题

1.什么是超顺磁性？简述超顺磁性纳米颗粒的制备流程。

答：超顺磁性材料：就是一种材料加上外磁场的时候，其会立即被磁化，当一撤去磁场时其的磁化作用会立即消失。它的这种性能在生物应用中有着很重要的影响。

制备流程：

（1）混合。把纳米颗粒超声分散在十二烷基硫酸钠水溶液中，然后加入St颗粒均匀混合；（2）聚合。将上述混合物80℃聚合20小时后，烷基与两种颗粒上的基团发生聚合反应，生成聚苯乙烯包覆层；

（3）改性。加入Tween 20与纳米颗粒反应，得到Tween20包覆的纳米颗粒。再加入正硅酸乙酯、氨水、丙醇与Tween20反应生成硅包覆层，从而得到超顺磁性纳米颗粒。

2.超顺磁性纳米颗粒有那些应用，试举一例。

答：生物的分离纯化；疾病的早期诊断；药物的导向和缓释；基因治疗；便携式生物传感器；集成芯片；四辐条如“早孕”检测试纸的应用。

在生物传感器上的应用（portable and disposal biosensor）。其利用的原理是磁极纳米材料本身在磁场的诱导下可以产生很大的磁化强度，然而撤去磁场后其丧失磁场强度，然后利用其表面的感应性与特定的材料（巨磁阻抗材料）相结合，在这种材料的基体上采取做成一个多倍高通电网率的芯片的模式，然后在特定的位点上连接生物分子。这种材料只要被检测到反应物，这些磁性纳米颗粒在其表面可以产生特异性的反应，就表明了这个样品里面有所要检测的生物分子。同时通过反应磁性纳米颗粒所产生的感应磁场会导致芯片上的电阻会发生巨大的改变，并能转化为电信号，通过电信号可以检测是否有我们感兴趣或需要的生物分子存在。

3.根据表面活性剂和无机源之间的作用方式，列举出三种常见的合成有序介孔硅的路线，并分别举出一例典型的介孔硅代号。

答：a.阴离子表面活性剂模板合成介孔硅：使过硫酸铵盐的氨基与有机弱酸盐的羧基相互作用弱弱结合。酸性阴离子表面活性剂的羧基与氨基通过离子中和作用结合在一起。丙基连接氨基和硅原子，之后硅原子和其他基团与羧基形成介孔材料的壳壁，进一步合成有序介孔硅。这种方法合成的一系列介孔硅为AMS1-10；

b.阳离子表面活性剂模板合成介孔硅：在酸性条件下用阳离子表面活性剂合成了介孔材料，在酸性条件下阳离子表面活性剂的头部精铵盐是永久带正电荷，而硅源、中间体在酸性条件下也带正电，这样就不能相互作用，但是在酸性溶液中存在阴离子，这些阴离子在中间起到一个桥梁的作用，所以也能形成非常好的介孔硅。如KSW-n（日本）、SBA-n； c.非离子表面活性剂模板合成介孔硅：非离子表面活性剂不带电荷，最好硅源也不带电荷，在酸性条件下非离子表面活性剂和硅源通过氢键和静电的共同相互作用形成的介孔硅是非常有序的二维立方结构。如S0（IX）0 4.有序介孔碳的合成方法有哪些？目前得到的介孔碳有哪几种，分别有什么应用？

答：介孔碳主要是通过硬模板法，选择适当的碳源前驱物如葡萄糖、蔗糖乙炔、中间相沥青、苯酚/甲醛树脂等，通过浸渍或气相沉积等方法，将其引入介孔氧化硅的孔道中，在酸催化下使前驱物热分解碳化，并沉积在模板介孔材料的孔道内，用NaOH或HF溶掉模板，即可得到介孔碳。

2005年发现了一种前躯体----酚醛树脂，可以和表面活性剂发生很好的相互作用(氢键作用)形成有序碳。a.碳气溶胶的方法，及利用间苯二酚和甲醛，通过溶胶凝胶的方法的到碳溶胶，然后和不同的嵌段共聚物相互作用，最后制备出碳溶胶。b.采用简单的间苯二酚和甲醛组份，然后苯酚和甲醛预缩聚形成低聚的苯醛树脂，苯醛树脂与嵌段共聚物发生作用。在这期间会利用到自主装的方法，通过乙醇的挥发带动了嵌段共聚物的自组装。又因为酚醛树脂的玻璃化转化温度要比嵌段共聚物高，所以嵌段共聚物可以很好的被脱除，最后酚醛树脂在氮气的保护下煅烧得到碳。

目前得到的介孔碳：

（1）硅团簇：用于催化剂载体及吸附；（2）非硅团簇，如TiO2，可用于催化剂、电极；（3）金属氧化物，如Fe2O3，可用于磁性材料和吸附剂；（4）金属，如Ni、Co、Pd，如催化剂；（5）有机官能团，用于吸附剂和催化剂；（6）非金属，如F、N，用于电极。

5.请简单介绍通过软模板法和硬模板法合成介孔材料的机理，并各举一例。

答：a.软模板机理：利用表面活性剂有序自组装可以形成棒状、球状或层状等有序胶束，以这种表面活性剂自组装形成的有序胶束为模板，与无机物种之间发生匹配性相互作用，然后再组装形成特定的结构，最后将其内部的表面活性剂脱除，即得到具有有序孔道的介孔材料。由于模板完全来自于表面活性剂自组装形成的胶束，因此称之为软模板机理。

如：1992年提出的液晶模板组装机理，获得了一类有序介孔材料，我们称这一类介孔材料为M41S系列材料。

surfactant micelle→micelle rod→ hexagonal array→silicate→calcination b.硬模板机理：实际上是指在纳米尺度上的浇铸行为，首先合成作为模板的无机材料（如二氧化硅），然后向模板的孔道中灌注所要合成的材料（如盐，蔗糖，聚合物等），最后将无机模板清除即得到与无机材料孔道结构一致的的介孔材料，这种方法称为硬模板机理。

如：碳材料的合成，由于碳没有能与有机表面活性剂相互作用的前躯体，因此不能采用软模板方法。1999年韩国科学家利用上述硬模板机理将蔗糖灌入二氧化硅孔道中，合成了结构与模板孔道一致的碳材料。

6.请给出纳米纤维的定义，简述纤维素基纳米纤维的制备方法及其孔隙率的表征方法。

答：狭义的纳米纤维是直径1 nm~100 nm的纤维。广义地说,零维或一维纳米材料与三维纳米材料复合而制得的传统纤维,也可以称为纳米复合纤维或广义的纳米纤维。纳米纤维一般是指纤维的直径是在纳米级，有些人把直径小于1μm的纤维称为纳米纤维，也有文献将纳米纤维定义为直径为纳米级、长度超过1μm的物质。纳米纤维最大的特点就是比表面积大，导致其表面能和活性增大，从而产生了小尺寸效应、表面货界面效应、量子尺寸效应，宏观量子隧道效应等，在化学物理（热、光、电、磁）性质方面表现出特异性。纤维素基纳米纤维的制备：

（1）从木素浆粕中制备纤维素微纤，得到的微纤直径为40µm左右；（2）将四甲基哌啶氧化物（TEMPO）、溴化钠（NaBr）、次氯酸钠（NaClO）与制的的微纤混合，进行氧化，得到氧化后的纤维素微纤（氧化后可作化学嫁接）；

（3）进行力学处理，得到超细纤维素基纳米纤维，其直径为5nm左右。

表征：

纤维素基纳米纤维的孔隙大小和孔径分布是通过测量其截留分子的分子质量来进行表征的。截留分子量的测量是在25℃，10psi的条件下，以浓度为5000ppm而分子量不同的左旋糖水溶液为过滤对象，而进行测定。

7.根据功能的不同，无机涂层可以分为哪几类？应用于空间科学领域的涂层需要满足哪些要求？

答：第一类是涂层通过自身与基材不同的特性使基材的性能获得显著提升，比如耐磨涂层等； 第二类是涂层本身具有某种性能独立发挥作用，比如导电涂层，着色涂层等；

第三类是涂层和基材组合起来产生某种功能，比如玻璃表面的减反射膜，比玻璃本身要有更好的透过性。必须满足要求：

其一，涂层材料要满足空间稳定性；航天器在空间运行时 要经受真空、紫外辐照、粒子辐照、高低温交变等空间环境的作用,所以,对热控涂层来说,不仅应具有良好的初始性能,而且经上述环境的作用后，仍应保持良好的性能,也就是说，他们应具有良好的空间稳定性 其二，热控涂层材料还必须具有一定的防静电性；在外空间中，由于高光能粒子的存在，电位比较高，卫星表面会因带电粒子的撞击而充电，若表面是绝缘的，充电电位可达数千伏，到达一定电位后突然放电，会干扰星上电子设备工作，引起卫星故障，因此卫星的热控涂层还要有抗静电能力。

此外，对于某些特殊设备还要求涂层具有良好的散热性，防激光性，防热变性等。

8.超支化聚合物有哪些特性，其在生物医药方面有那些应用？

超支化聚合物特性: 高支化度；末端有很多官能团；三维结构；大的自由体积；无链缠结；低的粘度；低的机械特性。

超支化聚合物具有三种不同的单元：支化单元、线性单元、末端单元。支化单元和线性单元随机分布在分子结构中，末端单元永远位于末端。这就导致了结构的不规整性以及末端有很多官能团。超支化聚合物中主要是支化部分, 支化点较多, 支化部分至少呈的几率增长。分子具有类似球形的三维空间结构, 流体力学回转半径小, 有较大的自由体积，分子链缠结少, 所以相对分子质量的增加对粘度影响较小。具有较低的粘度和机械特性。

超支化聚合物及其自组装在生物医药方面的应用： 药物输送、蛋白质输送：选用生物相容性、生物降解性、易于制备、高的载药率、可控的药物释放结构、靶向能力（末端改性）的载体如超支化聚磷酸酯。

基因转移（目前用的最多和最典型的聚合物为PEI）；抗菌复合材料；抗蛋白质凝聚材料；生物探测材料（超支化聚合物有许多空腔，因此可以把纳米级的粒子包在里面，再通过一定的方法去除末端基从而形成一种新的高聚物——生物探针，可检测该细胞的癌变等症状）；

9.什么是燃料电池，与其他能源相比它哪些优势？

答：燃料电池可简单描写为这样的电化学装置：就是可连续不断的将外部供给的燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的电化学装置。

 优势

一、高能量转换效率；

二、高能量密度；

三、零排放或低排放：这三点正好符合现在的低碳经济；

四、安静：因为燃料电池没有可移动的部件，所以不会发出声音；

五、燃料多样性：按燃料分可以分为甲醛燃料电池、甲酸燃料电池、甲醇燃料电池、氢氧燃料电池（也可叫氢空燃料电池）；若按膜分又可以分为质子交换膜（PEMFC）、甲醇燃料电池(BEMC)等，因操作温度、内部材料不同、性能不同可以分为很多种燃料电池；

六、高质量的电能；

七、对负载变化相应快；

八、维护少。

10.燃料电池由哪几部分构成，其工作原理如何？

燃料电池由阴极、阳极、催化层和质子交换膜组成。

 工作原理：

 工作时向阳极供给燃料（氢），向阴极供给氧化剂（空气）。氢在阳极在催化剂的作用下分解成正离子H+和电子e。氢离子进入电解液中，而电子则沿外部电路移向阴极。用电的负载就接在外部电路中。在阳极上，空气中的氧同电解液中的氢离子吸收抵达阴极上的电子形成水。这正是水的电解反应的逆过程。相关电化学反应： 阳极：

阴极：

总反应：

11.什么是铸造？请介绍一下砂型铸造和熔模铸造的过程。

答：铸造——熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属浇入铸型，凝固后获得一定形状、尺寸、成分、组织和性能铸件的成型方法。

砂型铸造过程：在砂型中生产铸件的铸造方法。钢、铁和大多数有色合金铸件都可用砂型铸造方法获得。根据零件样品首先利用木质体制得零件模型和芯盒，第二步使用硅砂（最常用）以及零件模型和芯盒制得合模造型和型芯，第三步合箱浇铸既得铸件。

熔模铸造过程——wax injection:在模具里注射红腊；assembly：用腊组装成所要铸成器物的模型；shell building:在腊模上涂以泥浆，就是泥模，泥模晾干后，在焙烧成陶模；dewax:一经焙烧，腊模全部熔化流失，只剩陶模；gravity pouring:一般制泥模时就留下了浇注口，重力浇注铜液，并冷却；knock out:去除陶模外层，所需的器物就制成了；cut-off &finished castings: 卸下组装即可得到完成的铸件。

12．在铝的铸造过程中，为什么要去除铝熔体中的颗粒夹杂和氢？简要介绍电磁分离净化的原理。

答：铝熔体中通常会含有氢，结果导致氢脆，降低材料的冲击韧性和疲劳寿命。在高温条件下，氢在铝熔体中的溶解度较高，而氢在固态铝中的溶解度却极小。如果铝熔体凝固时释放的氢不能够有效去除，将会在铝铸件中形成针孔等缺陷，并且氢在铝熔体中会影响铸造性能、降低铝熔体的流动性能和造成晶间疏松。如果大量气孔分布于铸件表层，不仅使金属强度下降，而且增加缺口敏感性，大大降低韧性和疲劳强度。铝合金中非金属夹杂物的存在有很大的危害性，如破坏基体的连续性为疲劳裂纹的萌生提供核心，损害铸件的力学性能，降低熔体的流动性，促进疏松的形成，形成硬质点恶化加工性能等。

电磁分离的原理就是利用颗粒与流体之间的导电性差异在电磁场作用下实现分离。因此，在一定的电磁条件下，只要存在电导率差异，不同形状和取向的非金属颗粒都能够实现电磁分离。

13.蚕丝性能为什么比蜘蛛丝低？所说的一级结构、二级结构、三级结构分别指的是什么？

对于蚕茧丝或者蚕丝，其性能并不取决于动物丝形成时的吐丝机理，而是取决于蚕的吐丝过程在宏观上有个结茧的过程，造成这个八字形结构，这主要产生了两个方面的影响：第一，吐丝速度在变化；第二，蚕在把丝胶粘在地上的时候，必然要在丝比较软的时候突然粘上去，这样就破坏了蚕茧丝的整个取向结构。吐出的丝在许多地方存在取向结构上的缺陷。正是这些缺陷使得再作蚕茧丝的应力应变曲线时得到一个较弱的性能。这是因为，如果一根长纤维上缺陷很多，缺陷处就会最先断。蜘蛛丝实际上也有这样的现象但没有表现出来。实验过程中丝均是匀速拉出的，实验证明蚕丝在应力应变曲线上获得的曲线高度不一定能超过蜘蛛丝，但是整个模量及断裂强度都和蜘蛛丝很接近。这是第一个可以从这个简单的试验中得到的现象。第二个得到的现象是不同的拉丝速度得到的性能也是不一样的。拉的慢一些丝就软一些，拉的快一些丝相对来说就硬一些。通过这个简单的实验，解决了“为何蚕茧丝的表观性能不如蜘蛛丝”这一基本问题。

一级结构：即链结构/氨基酸序列，蛋白质中氨基酸按照一定的数目和组成进行排列 二级结构：一级结构中部分肽链的弯曲或折叠产生二级结构。三级结构：在二级结构基础上进一步折叠成紧密的三维形式。

14.根据传统的纺丝理论并结合天然蚕丝和再生蚕丝的形成过程，你认为再生蚕丝的性能有没有可能达到并超过天然蚕丝？（开放性）

动物的天然纺丝方法是一种典型的“干湿纺”(即水溶性的高浓度丝蛋白原液通过动物的纺丝器在无凝固浴的环境下成型。

制备高浓度高分子量蚕丝素蛋白水溶液的基础上, 采用湿法纺丝技术, 在一定条件下纺制出力学性能优于天然蚕(茧)丝的再生蚕丝纤维.以质量分数为13%的丝素蛋白水溶液作为纺丝原液,(NH4)2SO4 水溶液为凝固浴,纺制再生蚕丝纤维。

当对各种纺丝条件如纺丝过程的稳定性、纤维的均匀性和后拉伸处理等过程进行进一步优化以后, 再生蚕丝纤维的力学性能将有可能进一步提高, 甚至接近或达到天然蜘蛛丝的力学性能。15.简述表面活性剂作用原理和界面自组装原理的异同点。

答：表面活性剂作用原理：利用其分子内含有的疏水基团和亲水基团来降低液体表面张力，从而降低反应物质表面的活化能，促进物质表面活化。

界面自组装原理：通过物理手段，使微粒在界面张力驱动作用下，聚集成二维有序结构。相同点：都是通过改变物质的外部环境条件，增加其反应能力的方法。

不同点：表面活性剂是利用外来物质降低物质表面活化能，降低反应势垒。界面自组装是通过界面效应形成的界面张力增加物质的反应能力。

16.表面活性剂的应用举例，界面自组装的实际例子，简述以作用原理的共性机制

液-固界面的微米微粒自组装

将微量的聚苯乙烯胶乳粒子溶液滴到玻璃基片表面，待溶剂挥发完毕，聚苯乙烯胶乳粒子在基片表面形成一层紧密排列的二维有序结构。这个结构对物体的光学成像机制类似于动物的复眼，有望在光学仪器和仿生学中找到应用。

表面活性剂

乳液聚合，增溶，乳化，分散的作用，高于CMC临界胶束浓度时候，形成胶束，亲水亲油作用！球状，棒状，反向六角相，反向胶束，双层胶束。

第二篇：先进材料报告进展专题摘要

摘要

本文首先介绍了TiAl基合金目前在军工领域的广泛应用现状，以及分析了未来其发展趋势。同时从晶体学角度，分析了其相变特点和其四种组织（全片层、近片层、双态、等轴）特征以及不同的组织特征对于合金不同性能影响的原因，发现全片层组织韧性最好，而双态组织塑性最好。由于TiAl基合金主题要应用于高温环境，因此对其高温稳定性进行了一系列研究。得到了各种不同的合金元素对于TiAl基合金组织性能产生了很大的影响，并具体分析了其影响的结果。

关键词：TiAl基合金；组织性能；力学性能；合金元素

Abstract

The widely applied status of TiAl based alloys in the field of military industry has been discussed, as well as development tendency of it in the future.At the same time, the character of phase translation and four different microstructure of TiAl based alloys has been analyzed, containing the reason of influence about different performance of alloys.It has been found that Fully-lamellar has the best toughness and Duplex has the best intensity.There are a lot of work have been making on the high temperature stability of TiAl based alloys since the high-heat service condition of it.Finally, it shows that there are many effects on the microstructure and performance of alloys caused by varied adding alloying elements, meanwhile, the influences of them after adding have been analyzed.Key words: TiAl based alloys;microstructure and performance;mechanic property;

alloying elements

第三篇：先进钢铁材料技术的进展

先进钢铁材料技术的进展

钢铁研究总院先进钢铁材料技术国家工程研究中心董瀚

摘要：钢铁材料是不断发展的先进材料，它依然是本世纪的主要结构材料。先进钢铁材料具有环境友好、性能优良、资源节约、成本低廉的特征。本文从钢铁材料理论进展出发，评述微合金化钢、超细晶粒钢、氮合金化不锈钢、高质量特殊钢、钢材组织性能预报和材料信息化技术等重要的先进钢铁材料技术进展。

关键词：先进钢铁材料技术、微合金化钢、超细晶粒钢、氮合金化不锈钢、高质量特殊钢、钢材组织性能预报

WTHZRecent Progress in Advanced Steel TechnologiesWT(Yong GAN and Han DONG

Central Iron and Steel Research Institute, Beijing 100081, China

National Engineering Research Center for Advanced Steel Technology, China)WTHZAbstractWTSteel is generally believed to be as one of the dominant structural materials in the 21st century due to its environmental benign, high performance, resource saving and low cost characteristics.The paper overviewed the newly developments in advanced steel technology.It was stressed on the important progresses of microalloyed steel, ultrafine grained steel, nitrogen alloyed stainless steel, high quality specialty steel, process modeling and steel database technology.WTHZKeywordsWTadvanced steel technology, microalloyed steel, ultrafine grained steel, nitrogen alloyed stainless steel, high quality steel, process modeling, steel databaseWT

一、引言

钢铁材料具有资源相对丰富、生产规模庞大、加工制造容易、性能多样可靠、成本低廉稳定、使用便利习惯和回收利用方便等特点，是基础设施建设、工业设备制造和人民日常生活中广泛使用的材料。目前和可预见的未来还没有任何材料能够全面取代钢铁材料，钢铁材料仍然是占据主导地位的结构材料，是社会和经济发展的物质基础。

经过人类不懈的努力积累和创造，在钢铁材料科学和技术上取得了巨大的进步。钢铁材料的宏观性能和微观组织结构之间的关系已逐渐清楚，可运用量子力学理论解释钢铁材料的某些宏观行为。人们逐渐地可以从理论出发设计和生产钢铁材料。铁水脱硫、转炉复吹、超高功率电炉冶炼、炉外精炼、中间包冶金、连铸、控轧控冷、微合金化等迅速进步的冶金生产工艺技术为钢铁材料的设计和生产提供了技术基础。而计算机等相关行业的技术发展也为钢铁材料设计和生产提供了先进的控制手段。纵观钢铁材料的发展历史，归纳当前钢铁材料精采纷呈的理论和技术的发展，人们不难得出一个结论：基于当前的理论和技术发展，钢铁材料本身在21世纪还会发生重要的变革，最终将会导致钢铁材料的性能显著提高，并将对整个社会发展起巨大的推动作用。先进钢铁材料的含义是：在环境性、资源性和经济性的约束下，采用先进制造技术生产具有高洁净度、高均匀度、超细晶粒特征的钢材，强度和韧度比传统钢材提高，钢材使用寿命增加，满足21世纪国家经济和社会发展的需求。

今天，先进钢铁材料技术发展表现在钢铁生产和应用的各个方面，全面和详尽的述及是不可能的。本文从钢铁材料学科的理论进展出发，结合市场发展的需求，论述微合金化钢、超细晶粒钢、氮合金化不锈钢、高质量特殊钢、钢材组织性能预报和材料信息化技术等当前重要的先进钢铁材料技术进展。

二、微合金化钢技术

在钢中添加微量（单独或复合加入含量少于0.1%）的合金化元素（钒、铌、钛等），形成相对稳定的碳化物和氮化物，从而在钢中产生晶粒细化和析出强化效果，使屈服强度较碳素钢和碳锰钢提高23倍的钢类称为微合金化钢。微合金化元素的作用与热变形密切相关。20世纪5070年代是微合金化钢的理论和技术取得重要进展的时期［1］。人们将HallPetch关系式应用于描述低碳钢和微合金钢的强度与晶粒尺寸的关系，提出了晶粒细化不仅有效提高钢的强度还可提高韧性，特别是改善韧脆转折温度。观测到含铌钢的屈服强度与晶粒尺寸关系明显偏离传统的HallPetch关系，并由此发现在铁素体中沉淀析出了非常微细的碳化铌、氮化铌或碳氮化铌沉淀相导致附加强化。这个期间值得提及的重要工作有：第二相阻止晶粒粗化原理的提出及微合金碳氮化物用于控制奥氏体晶粒；微合金碳氮化物在奥氏体中的固溶度积公式及微合金元素的溶解与微合金碳氮化物的沉淀规律；稀溶体中第二相的Osterwald熟化过程及微合金碳氮化物的粗化规律；微合金化元素对变形奥氏体再结晶行为的影响；微合金化钢的控轧控冷技术；微合金化钢中夹杂物对性能的影响规律和夹杂物改性控制技术；微合金化钢中渗碳体或珠光体对性能的影响规律及低珠光体钢和针状铁素体钢的研制开发；微合金化钢的组织—性能关系式与微合金化钢设计。标志性的国际会议Microalloying'75对这一时期微合金化钢的研究开发及生产应用工作进行了充分的总结［2］，确立了微合金化钢的地位和进一步发展的方向，使得微合金化钢成为重要发展方向。

20世纪80年代至今是微合金化钢产品的迅速发展时期，特别是90年代后期世界主要钢铁生产国相继制定和实施新一代钢铁材料研发计划，超细组织、高洁净度、高均匀度和微合金化是钢铁材料的最重要发展趋势，微合金化钢的研发获得了更为广泛的认同和重视［3］。这一时期的主要工作有：复合微合金化原理；微合金碳氮化物的沉淀析出次序；微钛处理控制奥氏体晶粒尺寸的原理及其应用；微合金碳氮化物在铁素体中的固溶度积公式及其在铁素体中的沉淀析出强化原理；奥氏体的变形热处理原理及控轧技术，特别是控制动态再结晶轧制技术的应用；微合金化钢连铸连轧生产技术；微合金化原理的系统理论；无珠光体钢乃至无间隙原子钢（IF Steels）；高等级石油管线钢；变形诱导铁素体相变（DIFT）技术与超细晶粒钢。

钛是早期微合金钢的主要微合金化元素。过去钢铁材料标准中均有许多含钛钢种，如我国的15MnTi、13MnTi、14MnVTi、20Ti、10Ti等。目前钛微合金化主要用于微钛处理（0.02%），利用TiN析出相的高温稳定性来控制奥氏体晶粒长大，改善钢的韧性和焊接性。钒在钢中主要起沉淀强化作用，加入量一般小于0.20%。钒微合金化一般不需要采用低温轧制，因此适合长形材及厚板等品种的开发。厚钢板、厚壁H型钢、微合金非调质钢等品种由于受轧机能力、变形量和孔型轧制等条件的限制，难以实现低温控轧。采用VN微合金化技术结合再结晶轧制，通过VN在奥氏体中析出诱导铁素体在奥氏体晶内形核，从而细化组织。铌在钢中的主要作用是细化晶粒、沉淀强化和相变强化。与其它微合金元素相比，铌对奥氏体再结晶抑制作用最大。利用铌的这一特点发展了传统控轧工艺（未再结晶控轧）以细化晶粒。轧制后未沉淀析出的铌（固溶铌）将在铁素体内析出，起沉淀强化作用。另外，固溶铌还能够降低Ar3温度，有助于获得贝氏体和针状铁素体。近年来，钢铁研究总院研究了铌在变形诱导铁素体相变中的作用机理，与武钢和本钢合作开发了含铌高强度耐大气腐蚀钢，使CuPTiRE和CuPCrNi系两类应用最广泛的耐大气腐蚀钢的屈服强度分别提高到400兆帕和500兆帕以上，与包钢薄板坯连铸连轧厂合作开发了X60管线钢和汽车大梁钢。根据经济建设的需要，结合我国资源，应当发展有中国特色的微合金化高强高韧钢。

三、细晶粒钢和超细晶粒钢技术

20世纪90年代后期以前，工业化生产的钢材的晶粒尺寸大多超过10微米。超细晶粒钢是当今世界钢铁材料理论和技术领域的研发热点。从20世纪90年代末开始，日本、韩国、中国和欧盟等国家先后投入力量进行超细晶粒钢的研发。日本材料研究院采用低温大变形和多轴压下技术，在实验室将铁素体晶粒尺寸细化到0.51微米［4］。韩国POSCO采用应变诱导动态相变(Strain Induced Dynamic Transformation)技术，在实验室轧机上将CMn钢和微合金钢的晶粒尺寸分别细化到45微米和2微米［5］。我国于1998年启动了翁宇庆负责的973项目“新一代钢铁材料的重大基础研究”，其主要研究内容是将目前广泛应用的铁素体—珠光体钢的屈服强度提高一倍，即碳素结构钢屈服强度从200兆帕级提高到400兆帕级，高强度低合金钢的屈服强度从400兆帕级提高到800兆帕级。我国的研究形成了以变形诱导铁素体相变为核心的细晶粒或超细晶粒形成理论和控制技术，实现了细晶粒或超细晶粒钢的工业化生产［6，7］。 为实现超细晶粒钢的工业化生产，日本川崎重工与中山钢厂采用异步辊轧制（SRDD）、机架间冷却和轧后快冷等技术建设了一条可低温大应变量变形的专业化超细晶粒钢生产线。采用低温大应变控制轧制技术可将低碳钢的铁素体晶粒尺寸细化至3微米，屈服强度提高到500兆帕。日本新日铁公司采用“先进TMCP工艺”进行表层超细晶粒厚钢板的生产。该工艺将变形、道次间加速冷却、终轧后加速冷却及轧制过程中变形热控制等技术结合，故称为“复杂TMCPs”技术。利用该技术，新日铁公司已生产出厚度为25毫米、表层铁素体晶粒尺寸2微米，深度达4毫米的表层超细晶粒钢板。该钢具有较高的强度、韧性和良好的抗疲劳和断裂等性能。

我国在开展新一代钢铁材料的基础理论研究工作的同时也安排了超细晶粒钢的工业化试制。其中重点安排了碳素超细晶粒钢扁平材和长型材的工业化试制。在长型材研发方面，利用普通碳素结构钢Q235化学成分，通过有效的工艺控制，钢的组织可细化至5微米左右，开发的带肋钢筋的屈服强度达到了400兆帕级，满足GB14991998标准的热轧带肋钢筋要求。在扁平材研发方面，宝钢与东北大学采对CMn钢利用低温轧制、加速冷却和低温卷取等技术，获得了铁素体晶粒尺寸约为5微米左右的铁素体—珠光体—贝氏体钢。钢板的屈服强度达到400兆帕级，同时具有良好的成形性能，已应用于一汽汽车大梁。攀钢和武钢与钢铁研究总院采用普通碳素结构钢化学成分，利用控制轧制、道次间加速冷却和轧后控冷等技术，获得了铁素体晶粒尺寸约为45微米的铁素体—珠光体钢［8，9］。钢板的屈服强度也达到了400兆帕级，钢板成形性能优异，已开始批量应用于东风汽车大梁。变形诱导铁素体相变现象和理论

变形诱导铁素体相变是指在钢的Ae3温度附近施加变形，变形中奥氏体能量升高，稳定性降低，从而导致相变。由于相变是在变形过程中，而不是在变形之后的冷却过程中发生的，因而又被称为动态相变。这种相变之所以引起人们的关注，一方面是因为它能够获得超细晶粒，另一方面是因为它具有较好的工业化前景。

变形诱导铁素体相变现象的发现始于20世纪7080年代，当时称为应变诱导/强化铁素体相变（SIFT/SEFT）。Yada等人较早系统地考察了这一现象：通过在1073K单道次变形或多道次连

续变形，可将0.111.0%Mn钢的铁素体晶粒细化至1(3微米。铁素体数量随变形道次的增加而逐渐增多，同时晶粒尺寸逐步减小，表明铁素体发生了动态再结晶。采用原位X线衍射技术证实了SIFT的存在。同时发现，相变可在钢的平衡相变温度以上发生，提高应变速率有利于SIFT进行。综合各种试验结果（组织观察、微区成分测定和应变应变曲线），Yada等认为SIFT是一个不涉及原子长程扩散的块状转变。DIFT相变的机制有待深入的研究。

在系统地研究温度、应变、应变速率影响规律的基础上，我们提出了以变形诱导铁素体相变(Deformation Induced Ferrite TransformationDIFT)作为描述这一现象的名词［10］。在实验室轧机上成功地实现了微合金钢DIFT轧制，并获得超细晶组织。通过1093K三道次变形诱导铁素体相变轧制，将低碳微合金钢0.09C0.29Si1.42Mn0.045Nb0.008Ti(wt%)的铁素体晶粒细化到0.92微米，屈服强度达到630兆帕。随着总压下量的增大，DIFT铁素体的体积分数增加，铁素体晶粒平均尺寸略有下降。DIFT后卷取使钢带的超细晶粒组织均匀，但是强度下降。固溶铌不利于DIFT，析出铌可促进DIFT，而且还可以阻止铁素体晶粒的长大。

四、氮合金化不锈钢技术 镍是当前多数不锈钢的主要合金化元素，不锈钢生产的快速增长导致了镍的紧缺。应用氮合金化可以替代不锈钢的镍元素，降低成本，提高性能。从20世纪20年代开始，人们发现在不锈钢中氮可以提高强度，后来又陆续发现其对钢的耐蚀性能有益。但氮作为合金化元素使用的最早报道是在1938年。阻碍氮作为合金元素使用的主要因素主要是氮的加入问题。在大气压强下氮在钢中的溶解度低，加入困难。20世纪50年代，由于当时镍的缺乏，促使了人们对铬镍锰氮和铬锰氮奥氏体不锈钢的研究。结果诞生了200系列的CrMnNiN不锈钢，氮含量大多在0.10%～0.25%范围内。60年代由于AOD炉外精炼技术的工业应用，使得氮的加入和控制问题得到了一定程度的解决。人们已认识到氮在显著提高不锈钢力学性能的同时，还提高钢的耐腐蚀性能，特别是耐局部腐蚀性能如耐晶间腐蚀、点腐蚀和缝隙腐蚀等。

随着加压冶金技术的发展，氮可以较大含量固溶于钢中，并因此改善钢的性能。氮在钢中的作用再次被人们所广泛关注。目前国外已开发了多种高氮钢的冶炼技术，包括等离子冶炼、加压感应炉冶炼、加压电渣重熔冶炼、粉末冶金以及利用先进的计算机合金设计方法进行的常压下高氮钢的冶炼等。德国、奥地利、保加利亚等工业化生产和应用高氮钢。目前工业化应用的最大加压电渣炉已达20吨，最大工作压力达6兆帕，在奥氏体不锈钢中最高氮的加入量可达2.1%。

作为固溶元素，碳和氮均以间隙固溶的方式在铁素体（体心立方）的八面体和奥氏体（面心立方）的四面体中存在。当元素含量超过溶解度积后，碳和氮以化合物的形式析出。碳在铁素体和奥氏体中的析出规律已得到比较系统的研究，而氮由于在常规冶金条件下溶解度的限制，目前的研究还远没有系统化。氮在奥氏体不锈钢中含量的提高将极大地提高碳在奥氏体中的溶解度，氮和碳之间的这种交互作用可以促进碳在奥氏体不锈钢中的应用［11］。体心立方结构的钢中韧脆转变机制已明了，但提高氮含量而导致的面心立方的奥氏体不锈钢出现韧脆转变机理尚不明了。

氮合金化不锈钢发展的主要趋势有：①高强高韧钢。此类钢主要利用氮对钢力学性能的贡献，通过适当的冶金工艺和恰当的合金设计，将氮固溶于钢中，从而研制出超高强度、超高韧性的不锈钢。已经研究出固溶状态下屈服强度超过2000兆帕，冷变形状态下强度超过3600兆帕的超高强度钢。②以耐蚀性能为主的综合性能优异的不锈钢。此类钢主要利用氮对钢的耐蚀性能的贡献，并兼顾氮在力学性能上的影响，针对特殊的服役环境，研究出一系列新型超级不锈钢。③以节约资源、降低成本为主要目的的经济型不锈钢。此类钢利用氮对钢组织的影响，部分或全部替代贵重金属镍，使得钢在较低的原料成本下仍保持奥氏体组织，从而在性能上兼顾奥氏体钢的特点和氮对钢性能的作用。

我们正在开展氮合金化不锈钢的研究工作，其中有：高洁净度和高均匀度的氮含量控制在0.08%～0.12%的核级控氮304不锈钢，其耐蚀性能优于304不锈钢；高洁净度和高均匀度的氮含量控制在0.06%～0.12%的核级控氮316不锈钢，其耐蚀性能优于316不锈钢；氮含量0.35%～0.46%的含氮奥氏体不锈钢具有优良的力学性能、耐点蚀和缝隙腐蚀性能［12］；已工业化试生产出氮含量达0.6%的高氮奥氏体不锈钢，拟作为钢筋应用于耐腐蚀钢筋建筑。

五、高质量特殊钢技术 特殊钢在线软化退火处理

为了便于机械加工，按照传统冶金生产工艺流程生产出的特殊钢材，如冷镦钢、轴承钢、齿轮钢、弹簧钢、合结钢和碳结钢等需要先进行软化退火处理。利用轧制热进行在线软化退火处理，不需要离线重新加热，节能降耗效果显著。目前，许多国家相继开展了特殊钢的在线软化处理技术的研发，主要以高碳GCr15轴承钢的控轧控冷和在线球化退火处理为主，而对于中碳钢和中碳合结钢的研究工作有限。神户制钢第7线材厂在1999年进行了改造［13，14］，增加了超重负荷能力的减定径机组，并将输送线从原先的48米加长到100米，可实现低温轧制和较宽温度范围内的控冷。2001年他们在改造后的线材轧机上生产出在线软化的冷镦钢盘条。在线软化处理SCM435线材的强度低于800兆帕，而传统工艺生产的钢材强度大于900兆帕。用其进行球化退火，在达到同样珠光体球化率的情况下，节省等温时间45％。所生产的具有微细组织的S45C钢线材可实现快速球化退火。实现在线软化退火处理的技术关键是降低轧制温度和轧后控冷。对于中碳钢和中碳合金钢，结合轧后控冷，可得到较多体积分数的细铁素体＋球化或退化的珠光体的组织，其硬度较常规线材降低，断面收缩率提高，冷加工性能提高。传统高速线材轧机难以实现在线软化退化的主要原因是不能够进行低温大变形量轧制。

目前高速棒线材轧机多为20世纪8090年代所建，多数已进入更新改造期。其改造的重点是配备能实现低温轧制的超重负荷精轧机组，使其具有控轧的生产能力。对Steor控冷线进行设备改造和加长，更容易地实现控冷。特殊钢线材的在线软化处理属正在发展中的技术。我们正在对冷镦钢的在线软化处理技术进行研究，已经能够实现离线快速球化退火。特殊钢夹杂物控制技术

疲劳失效是钢制机械零部件的主要失效方式。影响疲劳性能的主要因素包括硬度、夹杂物和表面缺陷。通常改善疲劳性能的方法是减少易成为疲劳破坏源的夹杂物、表面缺陷和脱碳等。当采用工艺方法(如对线材或半产品采用车削、磨削等去皮技术)获得无表面缺陷和脱碳的光亮材后，进一步改善疲劳性能就需要控制杂质元素和夹杂物。

针对起源于非金属夹杂物的“鱼眼”型疲劳断裂，应控制钢中的非金属夹杂物使其无害化来提高的疲劳极限。可以降低钢中氧含量、细化非金属夹杂物的尺寸和控制其分布、减少非金属夹杂物的数量、对非金属夹杂物变性处理等。早期的工作侧重于降低钢中的杂质元素（特别是氧含量）来减少非金属夹杂物的数量，细化非金属夹杂物。日本大同特殊钢研究了采用ULO(超低氧)、ULO+UL〃TiN(超低氧+超低TiN)和VI+VAC(真空感应+真空重熔)等工艺生产汽车悬挂和气门弹簧用钢SUP6、SUP7及SUP12。钢中氧含量小于0.0011%，比常规RH脱气处理的0.0021%～0.0033%大幅度下降，从而使夹杂物数量和尺寸较RH脱气法显著降低。由于减少了B型和C型夹杂物，ULO钢的疲劳极限提高约100兆帕。采用ULO法冶炼的SUP6和SUP7钢的疲劳极限与SUP12钢处于相同水平。高纯净度ULO+UL〃TiN钢的疲劳极限显著提高，与VI+VAR钢的疲劳极限相近。ULO钢中的Al2O3和TiN夹杂物的尺寸明显小于常规处理钢中的夹杂物尺寸。在ULO+UL〃TiN钢的疲劳源上夹杂物出现的几率减少，成为疲劳源的夹杂物尺寸变小，而在VI+VAR钢的疲劳源处未观察到夹杂物。 由于不可能无限制地降低钢中夹杂物含量，并考虑到生产成本的要求，需要将降低钢中夹杂物含量变为使夹杂物无害化。控制夹杂物的成分在钙斜长石和假硅灰石之间的共晶成分，可降低熔点和使其软化。在热轧时可使夹杂物产生塑性变形而使其尺寸减小。夹杂物硬度与基体硬度相当可减轻夹杂物周围的应力集中。同时控制夹杂物数量和形态够明显提高弹簧钢的疲劳寿命。

目前的疲劳数据源自107周次以下的循环载荷试验。然而许多发动机、汽车承力运动、铁路车轮和轨道等部件需要承受108～1012周次的循环载荷而不发生断裂。在过去几年中，对于通常认为存在疲劳极限的高强度钢，仍有部件和结构在更高循环周次下发生疲劳断裂。这就需要研究高循环周次下疲劳断裂的现象和机制。

六、钢材组织性能预报和材料信息化技术长期以来，钢材加工工艺设计和生产控制大多建立在经验基础上。近年来，随着物理金属学理论和计算机数值计算技术的发展，人们研发了钢材加工过程模拟技术。近二十年来，过程模拟技术已经逐渐从对产品尺寸和表面质量控制延伸到了对生产过程中的组织演变模拟和产品的组织性能预报和控制。近年来，世界各国的学者开发了钢材组织性能预报和控制系统，如MM，SLIMMER，VAIQ Strip，METMODEL，STRIPCAM等。有的作为离线的模拟工具软件，有的已经应用到了热轧生产线上。组织性能预报技术的关键是建立钢材加工过程的定量模型。目前阶段组织性能预报技术以扁平材和长型材生产为主，可以延伸到管材生产。所涉及的钢种主要是CMn钢和部分高强度低合金钢。钢铁研究总院结合珠钢CSP生产线和宝钢厚板坯热连轧带钢生产线，已初步开发了系统模拟预测模型，有关组织演变、变形和传热机理的定量模型的进一步验证和优化在进行之中。

各工业国家重视材料数据库的建设。美国是世界上数据库工作最活跃的国家，仅材料数据库就有几百个。美国国家标准参考数据系统包括了数十个各类数据库，其中有材料力学性能、金属弹性性能、金属扩散、材料腐蚀、材料摩擦磨损、合金相图等材料数据库。西欧和日本等国也在加强数据库的建设，德国卡尔斯鲁厄的科技信息中心，设有一个庞大的科技信息网络，是欧洲的大型数据网络系统。该系统包括100多个数据库，主要涉及材料、物理、化等领域，如材料性能数据库，金属性能数据库等。日本的数据库建设起步较晚，多数开始于20世纪80年代初，目前已建起的各类数据库1000多个。目前各国先进的数据库已经互通联网，提供联机检索。

我国材料数据库技术的研究开始于20世纪80年代初期，目前有清华大学等建立的新材料数据系统库、北京科技大学等建立的材料腐蚀数据库、北京航空材料研究院建立的航空材料数据库、钢铁研究总院建立的合金钢数据库和军工钢材数据库等。我国的材料数据库数量比较少，在互联网络上目前很少有国内拥有的可以公开查询的数据库。

钢铁生产流程中的组织性能预报技术和信息化数据库技术都属于目前和今后的行业关键性共性技术，随着企业和整个社会对信息化技术的重要性认识程度加深和实际需求，上述技术必将有广阔的应用前景。

七、结语

必须看到，钢铁材料是一类不断发展的先进材科。无论是品种还是质量，21世纪的钢铁材料已经完全不同于从前的钢铁材料。伴随着需求变化和相关技术进展，21世纪的钢铁材料将会以质量高和多样化的面貌出现在人类面前。为了适应未来的社会和经济发展，应不断地运用新技术、新工艺和新装备，研发出环境友好、性能优良、资源节约、成本低廉的先进钢铁材料与相关信息化技术。

致谢作者的同事刘正东、刘清友、雍歧龙、苏杰、杨才福和杨忠民等教授级高工、惠卫军、孙新军、苏航和荣凡等高工近年来从事先进钢铁材料技术的研发，对本文的撰写提供了帮助，籍此致以衷心的感谢。参考文献

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2.M.Korchynsky ed., Proceedings of Microalloying 1975, New York，Union Carbide Corp.，1977.

3.雍岐龙，马鸣图和吴宝榕，微合金钢—物理和力学冶金，北京，机械工业出版社，1989.

4.K.Nagai, Second Phase of Ultra Steel Project at NIMS, Proceedings of Adanced Structural Steels 2004, Shanghai, China, April 2004, 1522.

5.W.Y.Choo, First Stage Achievements of HIPERS21 Project and Plan of Second Stage, Proceedings of Advanced Structural Steels 2004, Shanghai, China, April 2004, 2338.

6.翁宇庆，超细晶粒钢，北京，冶金工业出版社，2003.

7.Y.Q.Weng, Achievements of New Generation Steel Project in China, Proceeings of Advanced Structural Steels 2004, Shanghai, China, April 2004, 114.8.H.Dong, Ultrafine Grained Steels and Properties, Proceedings of Ultrafine Grained Steels 2001, Fukuoka, Japan, September 2001, 1825.

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10.董瀚，孙新军，刘清友，翁宇庆，变形诱导铁素体相变—现象和理论，钢铁，38（2003）10，5667.

11.M.O.Speidel, From High Nitrogen Steels(HNS)to High Interstitial Alloys(HIA), Proceedings of High Nitrogen Steels 2003, ETH, Zurich, Swiss, March 2003, 18.12.H.Dong, et al, Development and Applications of Nitrogen Alloyed Stainless Steels in China, Proceedings of High Nitrogen Steels 2003, ETH, Zurich, Swiss, 2003, 5361.

13.T.Ikeda, Recent R&D Activities at Kobe Steel, Kobelco Technology Review, 25(2002)4, 12.

14.Y.Ichida, 21st Century Trends in Steel Wire Rod and Bar, Kobelco Technology Review, 25(2002)4, 37

第四篇：先进飞行器设计复习题(修改版)

先进飞行器设计工程

1、飞机研制的几个主要阶段及其内容（新规定或传统划分方法）。①论证阶段—研究设计新飞机的可行性

其工作内容包括拟定新飞机的战术技术要求，新飞机的总体技术方案以及研制经费、保障条件和对研制周期的预测，最后形成武器系统研制总要求。

②方案阶段—设计出可行的飞机总体技术方案

即确定飞机布局形式、总体设计参数、选定动力装置和各主要系统方案及其主要设备以及机体结构用的主要材料和工艺分离界面；进而形成飞机的总体布置图、三面图、结构受力图，重心定位、性能、操纵安定性计算，结构强度和刚度计算以及提出对各分系统的技术要求；最终要制造出全尺寸的样机，进而人机接口、主要设备和通路布置的协调检查以及使用维护性检查。新制飞机的样机在经过使用部门，特别是经空地勤人员审查通过后，可以冻结新飞机的总体技术方案，开始转入工程研制。

③工程研制阶段—进行详细设计，向制造部门提供生产图纸试制原型机

在工程研制阶段，制造部门的工艺人员要制定飞机制造工艺总方案，并对详细设计的零部件图纸进行工艺性审查。同时，各分系统的设备要陆续提交设计部门进行分系统的验证，然后对液压、燃油、飞控、空调、电源、航空电子等分系统作全系统的地面模拟试验。工程研制阶段的最终结果是试制出4~10架原型机，并制定试飞大纲和准备好空地勤人员使用原型机所需的相应技术文件，并具有进行试飞所必需的外场保障设备。

④设计定型阶段—进行定型试飞

新飞机首飞成功后即应按试飞大纲要求，进行定型试飞。⑤生产定型阶段－少量改进，小批量生产

经过设计定型后，新飞机可能还会有一定的更改，特别是工艺性的改进。改进后的飞机进入小批量生产。首批生产的飞机也应经鉴定试飞，主要检查工艺质量，通过后即可进入成批生产。

2、写出重量方程，说明其中各项的意义；对于不存在重量突变的情况，试说明采用该方程估算起飞重量的一般过程。

W0WcrewWpayloadWfuelWempty从左至右依次是乘员、有效载荷、燃油和空机重量

WfW估算： W0WcrewWpayload()W0(e)W0W0W0 WfWeW0()W0()W0WcrewWpayloadW0W0

WcrewWpayloadW0 1(W/W)(W/W)f0e0WCREW是指飞机乘员的重量，对于歼击机带全套装具的飞行员，一般每人重量为100kg。乘员数量是根据战术技术要求确定的。

Wpayload是指飞机上为执行任务所必须装载的武器、弹药和特种设备，如监视雷达、反潜系统、电子干扰系统等大型装置的重量。飞机上的通信导航、识别、电子对抗及火控系统等，凡完成任务需要而与飞机尺寸无直接关系的任务装载设备也可以列入装载重量中。这类执行任务必须的装载重量一般在战术技术要求中明确。对于现代歼击机，一般执行任务需要的装载重量约为2-4t。

Wfuel是机内装载燃油的重量，是根据完成战术技术要求规定的飞行剖面或航程来确定的。在初步估计时，也可用同类飞机的Wfuel统计数据。

Wempty是指飞机无乘员、无任务装载及无燃油的飞机重量，包括飞机的结构、动力装置及机载设备等随飞机尺寸变化的重量，在初步估算时Wempty也有一个统计值，对不同用途的飞机该值是不同的。

在设计的早期，需要对飞机重量有一个粗略的估计，机翼和尾翼重量从每平米暴露于外界区域重量的历史经验数据确定，同样地，机身重量基于它的浸湿面积。起落架重量从起飞总重的摩擦力估算，安装的发动机重量是未安装时重量的倍数，最后，剩余的飞机空重通过起飞总重中估算。

3、一架喷气式飞机具有如下图所示的任务剖面，假定余油和不可用油占6%，试写出燃油系数的表达式。

4、下图所示各种尾翼布局，试从结构和气动综合的角度分析哪种布局对改出尾旋最有利。

飞机的方向安定性和操纵性是用立尾、腹鳍及方向舵来实现的。立尾在改出尾旋中起着关键作用，为从尾旋中改出，要有足够的方向舵效率。在布置立尾时要考虑使方向舵在大迎角时离开平尾的尾迹。

尾旋时，飞机基本上是垂直下落，同时导致绕一垂直轴旋转，此时必须制止旋转并减小侧滑角，从而要求有足够的方向舵操作;大迎角下，平尾失速，产生紊流尾迹，并以大约45 °的角度向上扩展。作为经验法则，方向舵至少应有三分之一必须在尾迹之外;将平尾上移也也可减小平尾尾迹对方向舵的影响，但需要提防上仰;背鳍因产生一个附着于垂尾上的涡而改善了大侧滑角下的尾翼效率，这可防止在尾旋中所遇到的那种大侧滑角，并在尾旋中增大方向舵操纵;腹鳍可以防止大侧滑角，且不会被机翼尾迹淹没，还用于避免高速飞行中的航向不稳定性。

5、推重比和翼载的概念，内在联系，确定该参数的一般方法（课件上说根据画图确定）。

推重比（T/W）是发动机地面台架状态的推力值与飞机重量之比；翼载（W/S）是指飞机重量与机翼参考面积之比

6、布局选择（可侧重气动、结构、装载、性能、维护和代价等方面某一方面）方面的问题，对下列四种布局进行选择，讲出主要理由。

a、正常式布局：多数飞机采用正常式布局，主要是因为正常式飞机布局积累的知识和设计经验比较丰富。飞机正常飞行时，保证飞机各部分的合力通过飞机的重心，保持稳定的运动。正常式布局的水平尾翼一般提供向下的负升力，为了保证飞机的静稳定性，飞机机翼的迎角大于尾翼的迎角。

多数战斗机都采用正常式布局，现代战斗机更强调中、低空机动性，要求飞机具有良好的大迎角特性。在20世纪70年代发展了边条机翼，在中到大迎角范围边条产生的脱体涡除本身具有高的涡升力增量外，还控制和改善了基本翼的外翼分离流动，从而提高了基本翼对升力的贡献。边条翼在大迎角时使升力增加，诱导阻力减小，跨音速时延缓波阻的增加，减小超声速的波阻。由于边条翼所具有的优点，许多三代战斗机，如F-

16、F/A-

18、米格-

29、su-27皆采用正常式边条翼布局。b、联翼布局：与常规布局相比较，联翼优点：提高了抗弯扭强度，减轻了结构重量 ；提供直接升力和直接侧向力控制能力；减少了诱导阻力；减少了跨音速和超音速波阻，可以更好的采用面积律 c、三翼面布局：在正常式布局的基础 上增加了水平前翼构成的，它综合了正常式布局和鸭式布局的优点，有望得到更好的气动特性，特别是操纵和配平特性，增加前翼可以使全机气动载荷分布更为合理，减轻机翼上的气动载荷，有效的减轻机翼的结构重量；前翼和机翼的襟副翼，水平尾翼一起构成飞机的操纵控制面，保证飞机大迎角的情况下有足够的恢复力矩，允许有更大的重心移动的范围；前翼的脱体涡提供非线性升力，提高全机最大升力。d、设计思路是让机身也参与产生升力。但是如果采用增压客舱，机身将变得非常重。

对于大型运输机而言，其应用有待深入的研究

7、战斗机座舱几何尺寸主要取决于哪些因素？

a、人体尺寸 b、座椅尺寸 c、操作和活动空间 d、安全弹射离机通道 e、仪表板、显示器 f、操纵台 g、视界-座舱盖 h、设备安装

8、飞机起落架形式和轮数与飞机重量的典型关系式怎样的？ 1）双前轮使用普遍，尤其是对采用弹射起飞的舰载机

2）重量大约在 50,000lb 以下时，尽管就万一有一个轮胎瘪胎情况下的安全性而言，在每个主轮支柱上采用双轮好些，但通常每个支柱还是采用单主轮

3）重量 50,000 ~ 150,000 lb（甚至到250,000lb），每个支柱一般都使用双轮

4）重量 200,000~ 400,000 lb，通常采用 4 轮的小车式 5）重量大于400,000 lb，采用四个轮轴架，每一轮轴架带4个或6个机轮，以便沿横向分散飞机的总载荷

9、请说明下图中9 种隐埋式发动机的进气道的进气位置。

10、下列座舱透明舱盖设计时需要考虑的A、B 角的名称分别是什么，并说明对于战斗机它们通常的取值是多少。

A为正前方下视界，11-15°；B为正侧方下视界，40°

11、简述飞机总体布局设计中应考虑哪些因素的影响。

飞机的气动布局通常是指其不同的气动力承力面的安排形式。全机气动特性取决于个承力面之间的相互位置以及相对尺寸和形状。气动布局对不同的升力值都能进行配平，在给定某一升力值时都能保持稳定的运动。选择飞机布局时，除选择气动配平的形式外，还要考虑其他因素。首先要选择机翼的平面形状、尾翼的尺寸和在飞机上的安装位置，然后是选择起落架的形式及其在飞机上的安装位置。

12、简述飞机构型设计包含的内容。飞机结构设计包括三层次的工作：

①飞机结构布局。主要是进行全机结构总体布局即选择飞机结构分离面。进一步确定各部件的主承力结构形式及传力路线，布置其主要受力构件。

②结构元件参数选择。在结构布局的基础上，选择或优化个结构元件的尺寸及材料等。

③结构细节设计。为使结构有好的耐久性，在结构元件优化的基础上，对结构的细节精心设计，如开孔、连接、圆角等的设计。飞机结构布局设计一般有一下步骤和内容：（1）飞机结构总体布局设计： ①结构总体方案的确定； ②全机结构分离面的确定。（2）部件结构布局设计： ①部件结构形式选择； ②传力结构的布置；

③工艺分离面的确定及主要结合面形式的选择。（3）全机承力系统综合检查。

（4）根据结构选材要点确定主要结构选材。

13、民航客舱布局设计考虑的主要因素是什么？

舒适性和经济性

民航机在客舱布置中需要考虑的因素，舒适性占主要位置，而客舱的舒适性主要取决于下列因素：

①座椅的设计和安排，特别是可调性和腿部空间； ②客舱布置和装饰的美感； ③旅客在舱内的活动空间；

④客舱内的微气候，即空调系统设计； ⑤舱内噪声和声共振； ⑥飞机加速度对旅客的影响； ⑦爬升和下降时机身的姿态； ⑧续航时间；

⑨卫生间、休息室和其他设施的舒适和方便程度；

⑩服务质量——乘务员的服务态度，娱乐、饮食等设施和安排。

14、民航飞机截面积尺寸和机身长度主要取决于哪些因素。机身长度及截面尺寸主要取决于客座量、座椅布置、过道、行李架、货仓等因素。

15、内装式武器弹舱和外挂武器各有哪些优缺点。武器的外挂方式的优越性（反过来就是内装式的缺点）

有较大的空间、良好的使用维护性以及武器发射前易于截获目标等 外挂武器的缺点（反过来就是内装式的优点）

大量的外挂武器会产生很大的阻力，在近声速时它可能比飞机本身的阻力还大，超声速飞行难以实现

某些机翼外挂物还会给飞机的气动弹性带来麻烦，引起颤振或抖振 一些外挂武器承受不了超声速飞行时的气动加热 外挂物的存在也损坏了飞机的隐身性能

16、飞机发动机有哪几种类型，分别适用于什么飞机。飞行速度300~400km/h（不高于Ma0.3）：活塞式发动机

飞机速度在700-800km/h：涡轮螺旋桨发动机、涡轮风扇发动机、涡轮桨扇发动机

亚声速客、货机（高于Ma0.65）：不带加力燃烧室的高涵道比涡扇发动机、超声速机动飞机

涡轮喷气式发动机、带加力燃烧室的低涵道比涡扇发动机、带加力燃烧室的低涵道比涡扇发动机

飞行速度超过3000km/h的飞机：冲压喷气发动机、火箭发动机、其他类型的喷气式发动机（如适用于Ma 5~6的脉冲式喷气发动机）

17、对装在飞机上得动力装置的要求有哪些？ 1)动力装置引起的附加阻力最小

2)进气及排气系统的布置应尽量发挥发动机的应有能力 3)发动机推力轴线位置应尽量减少对飞机操纵安定特性的影响 4)应保证发动机的使用维护方便 5)应防止跑道上的砂粒吸入 6)应保证安全防水

7)发动机固定接头应简单可靠 8)应保证发动机易于拆装

18、进气道设计中如何控制附面层影响。

超音速飞机最常用的沟槽式附面层隔道：1）前机身附面层在分割板和机身之间的隔道流过，通过隔道斜板够成的沟槽排出去2）隔道斜板应具有不大于30°的角度，其前缘应置于分割板前缘之后1~2倍高度处3）隔道高度可按经验取为进气道进口前机身长度的1%~3%4）附面层隔道的迎风面积应尽量小，以减小阻力

19、简述燃油系统的组成及功用。

燃油系统的组成：1）燃油箱分系统2）供油和输油分系统3）通气增压分系统4）地面加油和放油分系统5）空中加油和应急放油分系统6）惰性气体及抑爆分系统7）油量测量分系统8）散热器燃油的输送及回油分系统

燃油系统的功用是储存飞机所用的燃油，并保证在飞机战术技术要求规定的所有飞机状态和工作条件下，向发动机连续、可靠地供油。此外，还有利用燃油冷资源冷却其他设备的辅助功能。

20、简述起落装置的组成及功能。

组成：前、主起落架（机轮、刹车系统和轮胎）及其收放、锁闭指示机构，前、主起落架舱门及其收放机构和减速伞以及拦阻钩（如要求设置）组成

功能：起落装置供飞机在地面停放、滑行、起飞和着陆用，并吸收与地面冲击能量和飞机水平动能，保证飞机滑行、起飞和着陆安全以及良好的操纵性、稳定性。

21、飞机对起落架设计的基本要求有哪些？

1）在飞机起飞、着陆过程中能吸收一定的能量，包括垂直和水平方向。

2）在滑行、离地和接地时飞机的任何部分不能触及地面。3）不允许发生不稳定现象，特别是在最大刹车、侧风着陆和高速滑行时

4）起落架特性必须适合于准备使用机场的承载能力

22、试列举起落架设计的4个主要参数及其各自的含义（not sure）。

擦地角γ：对应于飞机尾部刚刚触地，起落架支柱全伸长，轮胎不压缩时，机头抬起最高时的姿态

防倒立角β（防后倒立角）：主轮在停机状态接地点位置到重心的连线偏离垂线的夹角

防侧翻角θ：飞机滑行时急剧转弯侧翻趋势的量度 前、主轮距B 主轮距

停机角Ψ：飞机的水平基准线与跑道平面之间的夹角

第五篇：《先进电池材料》复习题16-33

16.什么是SEI膜?SEI膜的成分有哪些?SEI膜对电极材料性能的影响有哪些? 在液态锂离子电池首次充放电过程中,电极材料与电解液在固液相界面上发生反应,形成一层覆盖于电极材料表面的钝化层。这种钝化层是一种界面层,具有固体电解质的特征,是电子绝缘体却是Li+的优良导体,Li+可以经过该钝化层自由地嵌入和脱出,因此这层钝化膜被称为“固体电解质界面膜”简称SEI 膜。组成主要有各种无机成分如Li2CO3、LiF、Li2O、LiOH 等和各种有机成分如ROCO2Li、ROLi、(ROCO2Li)2 等。

SEI 膜的形成对电极材料的性能产生至关重要的影响。一方面,SEI 膜的形成消耗了部分锂离子,使得首次充放电不可逆容量增加,降低了电极材料的充放电效率；另一方面,SEI 膜具有有机溶剂不溶性,在有机电解质溶液中能稳定存在,并且溶剂分子不能通过该层钝化膜,从而能有效防止溶剂分子的共嵌入,避免了因溶剂分子共嵌入对电极材料造成的破坏,因而大大提高了电极的循环性能和使用寿命。

17.锂离子电池电解液应具备的性能有哪些? ①离子电导率高，一般应达到10-3～2×10-3S/cm；

②电化学稳定的电位范围宽；必须有0～5V的电化学稳定窗口； ③热稳定好，使用温度范围宽；

④化学性能稳定，与电池内集流体和恬性物质不发生化学反应； ⑤安全低毒，最好能够生物降解。

18.锂离子电池电解液常用的导电盐有哪些?他们的导电率的大小顺序如何? 导电盐有LiClO4、LiPF6、LiBF6、LiAsF6 和LiOSO2CF3,它们导电率大小依次为LiAsF6> LiPF6> LiClO4>LiBF6> LiOSO2CF3。

19.锂离子电池的命名，圆柱形电池和方形电池的命名？ 圆柱形的命名用三个字母和5位数字来表示，前两个字母表示锂离子电池(LI)，后一个字母表示圆柱形(R)，前两位数字表示以mm为单位的最大直径，后三位数字表示以0.lmm为单位的最大高度，如LIR18500即表示直径为18mm，高50mm的圆柱形锂离子电池。方形锂电池用三个字母和6位数字来表示，前两个字母表示锂离子电池(LI)，后一个字母表示方形(S)，前两位数字表示以mm为单位的最大厚度，中间两位数字表示以mm为单位的宽度，后两位数字以mm为单位的最大高度，如LIS043048即表示厚度为4mm，宽30mm，高48mm的方形锂离子电池。

20.为什么锂离子电池正极基体为铝箔，负极基体为铜箔？

金属铝的晶格八面体空隙大小与Li 大小相近，极易与Li形成金属间隙化合物，Li 和Al不仅形成了化学式为LiAl的合金，还有可能形成了Li3Al2或Li4Al3。由于金属Al与Li 反应的高活泼性，使金属Al消耗了大量的Li，本身的结构和形态也遭到破坏，故不能作为锂离子电池负极的集流体；而Cu在电池充放电过程中，只有很少的嵌锂容量，并且保持了结构和电化学性能的稳定，可作为锂离子电池负极的集流体；

Cu箔在3.75V时，极化电流开始显著增大，并且呈直线上升，氧化加剧，表明Cu在此电位下开始不稳定；而铝箔在整个极化电位区间，极化电流较小，并且恒定，没有观察到明显腐蚀现象的发生，保持了电化学性能的稳定。由于在锂离子电池正极电位区间，Al的嵌锂容量较小，并且能够保持电化学稳定，适合作锂离子电池的正极集流体。

21.画出液体锂离子电池的生产工艺流程图

22.燃料电池按照其电解质的不同，可以分为几类？它们各自的特点是什么（燃料气、工作温度和优缺点）？

①碱性燃料电池,主要用于空间科学，低温型(60-220 ℃)

②磷酸燃料电池,已经达到1.3~11 MW，低温型(180-200 ℃)③熔融碳酸盐燃料电池，中温型(650 ℃)

④质子交换膜燃料电池,发展很快，但成本高，低温型(80-100 0C)⑤固体氧化物燃料电池，高温型(700-1000 ℃)

23.燃料电池的电流-电压特性图大致可以划分为三个区域，它们分别是什么？它们分别对应的损耗是什么，引起损耗的原因分别是什么？

大致可分为活化区域，欧姆区域，质量传输区域。分别对应活化损耗（由于电化学反应而引起的损耗）欧姆损耗（由于离子和电子传导而引起的损耗），浓度损耗（由于质量传输而引起的损耗）。

24.固体氧化物燃料电池的优点有哪些？

 发电效率高。化学能→电能，理论效率可达80％，是所有燃料电池中最高的。 可使用多种燃料（氢气，天然气、液化石油气等）；

 工作温度高，排放高温余热可进行综合利用；

 运动部件很少，低噪声。采用全固态结构，电池中无酸碱腐蚀性物质，电池的污染排放极低，是清洁能源；

 质量轻、体积小、比功率高(600W／kg)，有较高的电流密度和功率密度，较小的极化损失和欧姆损失；

 不用贵金属，不存在液态电解质腐蚀及封接问题。

 替代火力发电，可将发电率由目前的40%左右提高到85%，它易于实现热电联产。 可用做医院、居民区、矿山等小区域以及军舰等移动目标的供电电源。

25.固体氧化物燃料电池（SOFC）的结构有哪两类，请简要画出SOFC的结构示意图（三明治结构）分为平板式和管式，以下分别为平板式和管式示意图。

26.氧化气是氧气，燃料气是氢气的固体氧化物燃料电池的阳极和阴极反应分别是什么？总反应是什么？

﹣ 阴极，空气电极 ：O2+4e-→2O

2 阳极，燃料电极 :

O2-+CO → CO2+2e-

(煤气)

O2-+H2 → H2O+2e-

(氢气)

O2-+CH4 →CO2+H2O

（液化气）

27.以YSZ为电解质的固体氧化物燃料电池工作原理是什么？ YSZ为ZrO2+ 8~10％(mol)Y2O3。

Zr4+的半径为0.072nm，而Y3+的半径为0.089nm，显然只能占据原来Zr4+的位置而不能占据填隙的位置，从而导致晶格出现阴离子缺位。

阴离子缺位使晶格发生畸变，使周围氧离子迁移所需克服的势垒高度大大降低，即只需少量的激活能就能跃迁形成载流子。当掺入低价的Y3+后，为保持材料的电荷平衡会产生氧空位，并且，随着掺杂量的增加，氧空位的浓度也增加。因此YSZ具有较好的导电能力。

28.固体氧化物燃料电池的电解质材料有何要求？常用的电解质材料有哪些？

①电解质的主要作用是在阴极与阳极之间传导离子, 而电解质中电子传导会导致两极短路而消耗能量, 降低SOFC 的输出功率, 因此对电解质材料的基本要求是具有高的离子电导率而电子电导率尽可能低。

②由于电解质两侧分别与阴极和阳极接触并暴露于还原或氧化性气体中, 这就要求其具有高温下的化学稳定性, 并且足够致密以防止还原气体和氧化气体相互渗透，防止燃料气和氧化气的泄漏而发生直接燃烧反应；

③良好的烧结性能，足够高的强度和热震性能;④电极材料的相匹配，包括热膨胀系数匹配和化学匹配。

常用的电解质材料：用Y2O3稳定的ZrO2(YSZ)和Sc2O3稳定的ZrO2(ScSZ)。

29.什么是YSZ？掺杂Y的量为多少时，其电导率最高？ YSZ指的是钇稳定氧化锆，为最常见的SOFC电解质材料，ZrO2+ 8~10％(mol)Y2O3的电导率最高。

30.为提高萤石型结构电解质材料CeO2的电导率，需要对其进行掺杂，通常掺杂的元素有那些？

纯CeO2 为萤石结构, 但电导率很低, 通过添加某些碱土(CaO、SrO、MgO、BaO）或稀土氧化物(Sm2 O3)后, 形成有氧缺位的固溶体, 电导率大大提高

31.固体氧化物燃料电池（SOFC）对其阳极和阴极材料有什么要求？常见的阳极和阴极材料有哪些？ 阴极材料：

(1)高的电子电导率和一定的离子电导率。阴极的电子电导率越高，电子输运过程中的欧姆损失就越小，一般要求阴极在氧化性气氛下，电导率不低于l00S/cm。足够高的氧离子电导率，有利于提高阴极氧化物对氧离子的扩散输运能力和表面反应活性。(2)较高的催化活性。

(3)与电解质材料和连接材料具有良好的热膨胀及化学相相容性，即在高温下，与相邻的组分不发生化学反应，无明显的互扩散，且热膨胀系数匹配。

(4)稳定性，在强氧化和高温下，要具备良好的物理化学稳定性，即尺寸、形貌和化学组成及微结构的稳定。

(5)足够高的孔隙率，阴极的比表面是影响阴极(多相催化)反应速率的重要因素。足够高的孔隙率(～40％)，合理的孔径分布，有利于提高阴极反应气体扩散输运速度和消除浓差极化，同时也有利于提高阴极的催化活性。(6)价格低廉。

32.请画出Ni电极-YSZ电解质-气体的三相界面区域的示意图，并标出离子、电子和气体等的位置和移动方向。

33.什么是恒流-恒压充电，请画出恒流-恒压充电充电电压、充电电流和时间的关系？

恒流恒压充电第一阶段以恒定电流充电；当电压达到预定值时转入第二阶段进行恒压充电，此时电流逐渐减小；当充电电流达到下降到零时，蓄电池完全充满。