Комплект контрольно-измерительных материалов по учебной дисциплине «Материаловедение и технологии современных и перспективных материалов» цикла подготовки магистров по направлению
150100. 68 «Материаловедение и технологии материалов», магистерская программа «Наноструктурные материалы и покрытия в нефтедобывающем машиностроении»
СТРУКТУРА ДИСЦИПЛИНЫМодуль 1 – Классификация и дизайн материалов.
Тема 1. Научно-технический прогресс и требования к материалам, их свойствам и способам получения. Современные проблемы теоретического и прикладного материаловедения и технологии материалов применительно к различным областям техники и технологии. Материалы: прошлое и настоящее. Тенденции развития современного материаловедения. Важнейшие проблемы науки о материалах. Национальные и международные программы создания новых поколений материалов. Социальные, экономические, экологические аспекты крупномасштабного производства, эксплуатации и регенерации материалов.
Тема 2. Основные свойства, принципы выбора и использования; роль материала в эксплуатации изделий. Типы и классы современных и перспективных неорганических и\или органических материалов и технологических процессов их получения, обработки и модификации. Классификации материалов по составу, структуре, свойствам и областям применения, многофункциональные материалы. Механические и физические свойства, их значение при эксплуатации изделий, стандартные испытания, свойства, как показатели качества.
Тема 3. Физико-химические принципы конструирования новых материалов. Связь физических и химических свойств материалов и явлений, протекающих в них, с технологическими процессами производства, обработки и переработки материалов и их эксплуатационной надежностью и долговечностью. Приемы химической комбинаторики. Особенности создания материалов на основе диссипативных структур (открытые системы, диссипативные структуры, хаос. Принцип Кюри, соотношения Онсагера.)
Модуль 2. Конструкционные, порошковые и специальные материалы.
Тема 4. Порошковые и композиционные материалы. Классификация порошковых материалов. Порошковые материалы и изделия. Волокна и волокнистые изделия. Дисперсно-упрочненные порошковые материалы. Классификация пористых материалов. Способы получения ячеистых материалов. Технология процесса вспенивания. Свойства и применение волокнистых и вспененных материалов. Носители катализаторов. Классификация композиционных материалов, свойства, применения. Тонкие пленки и покрытия. Свойства тонких пленок. Классификация покрытий и их назначение. Оценка и прогноз технологических и эксплуатационных свойств материалов; современные методы анализа и определения физических, химических и механических свойств перспективных материалов.
Тема 5. Керамика. Классификация керамических материалов. Керамические материалы с диэлектрическими, магнитными, оптическими, химическими и ядерными функциями. Методы прессования и спекания. Новые виды функциональной оксидной и бескислородной керамики. Пенокерамика.
Тема 6. Синтетические кристаллы. Синтетические алмазы. Методы получения. Механизмы фазового превращения «графит-алмаз». Свойства пленок и кристаллов. Применение синтетических алмазов. Кристаллы на основе B4N, GaAs, GaN, SiC, феррогранатов, щелочноземельных и редкоземельных элементов.
Модуль 3. Функциональные материалы.
Тема 7. Стекло и аморфные материалы. Аморфное состояние и различные определения стекла. Механизмы стеклообразования. Стеклокерамика. Эмпирические правила классификации компонентов стекол (Захариасена и пр.). Реальная структура силикатных, боратных и фосфатных стекол.
Аморфные металлы и металлические стекла. Стеклоуглерод. Высокочистые стекла для световодов. Натрий-кальций-фосфатно-силикатное биостекло. Фотохромные стекла. Прозрачная стеклокерамика. Фосфатные стекла (герметики). Аморфные полупроводники (ксерокс).
Тема 8. Диэлектрики. Основные свойства диэлектриков. Химическая и физическая природа диэлектриков. Кристаллические структуры диэлектриков. Основные типы диэлектриков. Наведенная и спонтанная поляризация. Диэлектрики с нелинейными свойствами. Сегнетоэлектрики, пироэлектрики и пьезоэлектрики. Примеры. Области применения сегнетоэлектриков, пироэлектриков и пьезоэлектриков.
Тема 9. Полупроводники и светоизлучающие элементы. Основные типы полупроводниковых материалов. Кристаллические структуры основных полупроводниковых материалов. Термоэлектрические явления. Принцип действия основных полупроводниковых устройств (диод, транзистор, фотоэлемент, СИЭ, лазер, преобразование солнечной энергии). Полупроводниковые материалы с расширенными функциональными возможностями (термисторы, магнитные полупроводники, материалы для полупроводниковых лазеров, опто - и акустоэлектроники, OLED, TFT). Основные технологические процессы в полупроводниковой технике. Гетероструктуры и сверхрешетки. Проблемы и тенденции в современной технологии полупроводников.
Тема 10. Суперионики. Ионная проводимость и твердые электролиты. Суперионные проводники. Катионные проводники. Кислород-ионные проводники. Галогенид-ионные проводники. Применение твердых электролитов (источники тока на основе кобальтитов, манганитов и никелатов лития, материалы микробатарей кардиостимуляторов, топливные элементы, химические датчики).
Тема 11. Сверхпроводящие материалы. История открытия основных видов ВТСП. Особенности кристаллохимии и физических свойств. Традиционные (металлы и интерметаллиды) и высокотемпературные (оксиды) сверхпроводники. Взаимосвязь состав — структура — свойство для высокотемпературных сверхпроводников на основе купратов. Методы получения. Области и перспективы применения (устройство SQUID-магнитометра, томографа, поезда на магнитной подушке, антенн, логических элементов, промышленных длинномерных сверхпроводников, ограничителей предельно-допустимого тока, МГД-генераторов, трансформаторов). Пути повышения критических характеристик ВТСП-материалов: оптимизация катионного состава и содержания кислорода, текстурирование путем термической и механической обработки.
Тема 12. Магнитные материалы. Функциональные параметры. Классификация магнитных материалов, основные структуры и свойства (металлы и сплавы, оксиды переходных металлов, шпинели, гранаты, перовскиты, гексаферриты). Области применения, взаимосвязь структуры и свойств. Материалы с эффектом гигантского и колоссального магнитного сопротивления.
Тема 13. Материалы для фотоники. Светочувствительные материалы, люминесценция, фотолюминисценция, пиро-, трибо-, электролюминесценция, оптоволокно, фотонные кристаллы, нелинейно - оптические кристаллы, болометры, фотоумножители, ночное видение, голография.
Тема 14. Биоматериалы. Требования к биоматериалам. Классификация биокерамики по отношению к живой ткани (биоинертная, пористая, биоактивная, ресорбируемая). Механизм взаимодействия биокерамики с живой тканью. Применения различных видов керамики в медицине.
Тема 15. Жидкие кристаллы. Мономеры, нематики, смектики, фазовые диаграммы, хиральные структуры, LCD – дисплей, использование жидкокристаллических матриц для получения мезопористых структур, наноматериалов и биосенсоров.
Тема 16. Градиентные и интеллектуальные материалы. Фронтальные материалы. Интеллектуальные материалы. Гетерофазная электрокерамика и новые фоторезистивные материалы. Градиентные материалы. Природные модели функционально градиентных материалов. Структура и свойства градиентных материалов. Процессы получения и перспективы использования функционально градиентных материалов.
Модуль 4. Наноматериалы.
Тема 17. Классификация наноматериалов. История исследований в области наноматериалов. Примеры возможного применения наноматериалов и нанотехнологий. Классификация наноматериалов. Наночастицы, наноструктуры и наноматериалы. Размерные эффекты. Основы разработки и использования новых технологических процессов и оборудования в производстве и модификации неорганических и органических материалов, в том числе гибридных, композиционных и наноматериалов.
Тема 18. Механические свойства наноматериалов. Повышение прочности нанокристалличсеких металлов. Дефектность вещества в нанокристаллическом состоянии. Повышение пластичности кермических материалов в нанокристаллическом состоянии.
Тема 19. Методы получения порошков и объемных наноматериалов. Механохимические методы. Методы конденсации из газовой фазы. Термическое разложение и восстановление. Химические методы синтеза (золь-гель метод, синтез в коллоидных мицеллах и микроэмульсиях.). Детонационный синтез. Метод электровзрыва проводников. СВС-процесс.
Одно - и двумерные наноструктурированные материалы (нанотрубки и нанонити). Углеродные нанотрубки, строение, методы получения и разделения. Механизмы роста нанотрубок. Виды нанотрубок. Механические свойства углеродных нанотрубок. Нанонити на основе углерода, металлов и сплавов. Методы их получения и механизмы роста.
Компактирование порошков: особенности консолидации, спекание. Осаждение на подложку. Кристаллизация аморфных сплавов. Интенсивная пластическая деформация. Превращения беспорядок-порядок.
Тема 20. Полупроводниковые наноматериалы. Особенности зонной структуры металлов и полупроводников в нанокристаллическом состоянии. Изменение ширины запрещенной зоны.
Тема 21. Магнитные наноматериалы. Влияние размера частицы на магнитные свойства ферромагнетиков. Основные параметры, зависящие от размерного фактора. Изменение коэрцитивной силы с уменьшением размера магнитной частицы. Переход в суперпарамагнитное состояние. Температура блокировки. Оценка размера наночастицы из данных по магнитной восприимчивости. Магнитные свойства анизотропных наночастиц.
Тема 22. Наносенсоры. Нано - и молекулярная электроника. Фотоника. Устройства на квантовых точках – лазеры, светодиоды. Электронные механические системы (MEMS). Нейронные сети. Наномедицина. Устройства для хранения информации. Каталитические системы.
2. ТЕЗАРУС ДИСЦИПЛИНЫ «Материаловедение и технологии современных и перспективных материалов»
№ модуля | № тем | Наименование материалов раздела |
1 | 2 | 3 |
1 | 1-3 | Типы и классы современных и перспективных неорганических и\или органических материалов и технологических процессов их получения, обработки и модификации; современные проблемы теоретического и прикладного материаловедения и технологии материалов применительно к различным областям техники и технологии. Материалы: прошлое и настоящее. Тенденции развития современного материаловедения. Важнейшие проблемы науки о материалах. Национальные и международные программы создания новых поколений материалов. Социальные, экономические, экологические аспекты крупномасштабного производства, эксплуатации и регенерации материалов. Классификации материалов по составу, структуре, свойствам и областям применения, многофункциональные материалы. Механические и физические свойства, их значение при эксплуатации изделий, стандартные испытания, свойства, как показатели качества. Приемы химической комбинаторики. Особенности создания материалов на основе диссипативных структур (открытые системы, диссипативные структуры, хаос. Принцип Кюри, соотношения Онсагера.) Связь физических и химических свойств материалов и явлений, протекающих в них, с технологическими процессами производства, обработки и переработки материалов и их эксплуатационной надежностью и долговечностью. |
2 | 4-6 | Классификация порошковых материалов. Порошковые материалы и изделия. Волокна и волокнистые изделия. Дисперсно-упрочненные порошковые материалы. Классификация пористых материалов. Способы получения ячеистых материалов. Свойства и применение волокнистых и вспененных материалов. Носители катализаторов. Классификация композиционных материалов, свойства, применения. Тонкие пленки и покрытия. Свойства тонких пленок. Классификация покрытий и их назначение. Оценка и прогноз технологических и эксплуатационных свойств материалов; современные методы анализа и определения физических, химических и механических свойств перспективных материалов. Классификация керамических материалов. Керамические материалы с диэлектрическими, магнитными, оптическими, химическими и ядерными функциями. Методы прессования и спекания. Новые виды функциональной оксидной и бескислородной керамики. Пенокерамика. Синтетические алмазы. Методы получения. Механизмы фазового превращения «графит-алмаз». Свойства пленок и кристаллов. Применение синтетических алмазов. Кристаллы на основе B4N, GaAs, GaN, SiC, феррогранатов, щелочноземельных и редкоземельных элементов. |
3 | 7-11 | Аморфное состояние и различные определения стекла. Механизмы стеклообразования. Стеклокерамика. Эмпирические правила классификации компонентов стекол (Захариасена и пр.). Стеклоуглерод. Высокочистые стекла для световодов. Прозрачная стеклокерамика. Фосфатные стекла (герметики). Аморфные полупроводники (ксерокс). Основные свойства диэлектриков. Химическая и физическая природа диэлектриков. Основные типы диэлектриков. Диэлектрики с нелинейными свойствами. Сегнетоэлектрики, пироэлектрики и пьезоэлектрики. Области применения сегнетоэлектриков, пироэлектриков и пьезоэлектриков. Основные типы полупроводниковых материалов. Принцип действия основных полупроводниковых устройств. Основные технологические процессы в полупроводниковой технике. Гетероструктуры и сверхрешетки. Проблемы и тенденции в современной технологии полупроводников. Ионная проводимость и твердые электролиты. Применение твердых электролитов (источники тока на основе кобальтитов, манганитов и никелатов лития, материалы микробатарей кардиостимуляторов, топливные элементы, химические датчики). Особенности кристаллохимии и физических свойств высокотемпературных сверхпроводников. Традиционные (металлы и интерметаллиды) и высокотемпературные (оксиды) сверхпроводники. Взаимосвязь состав — структура — свойство для высокотемпературных сверхпроводников на основе купратов. Методы получения. Области и перспективы. |
3 | 12-16 | Классификация магнитных материалов, основные структуры и свойства. Области применения, взаимосвязь структуры и свойств. Материалы с эффектом гигантского и колоссального магнитного сопротивления. Светочувствительные материалы, люминесценция, фотолюминисценция, пиро-, трибо-, электролюминесценция, оптоволокно, фотонные кристаллы, нелинейно - оптические кристаллы, болометры, фотоумножители, ночное видение, голография. Требования к биоматериалам. Классификация биокерамики по отношению к живой ткани (биоинертная, пористая, биоактивная, ресорбируемая). Механизм взаимодействия биокерамики с живой тканью. Применения различных видов керамики в медицине. Суреионики, использование жидкокристаллических матриц для получения мезопористых структур, наноматериалов и биосенсоров. Фронтальные материалы. Интеллектуальные материалы. Гетерофазная электрокерамика и новые фоторезистивные материалы. Градиентные материалы. Природные модели функционально градиентных материалов. Структура и свойства градиентных материалов. Процессы получения и перспективы использования функционально градиентных материалов. |
4 | 17-19 | Классификация наноматериалов. Наночастицы, наноструктуры и наноматериалы. Размерные эффекты. Основы разработки и использования новых технологических процессов и оборудования в производстве и модификации неорганических и органических материалов, в том числе гибридных, композиционных и наноматериалов. Механические свойства наноматериалов. Методы получения наноматериалов – «сверху вниз» и «снизу вверх». Одно - и двумерные наноструктурированные материалы (нанотрубки и нанонити). Компактирование порошков: особенности консолидации, спекание. Осаждение на подложку. Кристаллизация аморфных сплавов. Интенсивная пластическая деформация. Превращения беспорядок-порядок. |
4 | 20-22 | Особенности зонной структуры металлов и полупроводников в нанокристаллическом состоянии. Влияние размера частицы на магнитные свойства ферромагнетиков. Основные параметры, зависящие от размерного фактора. Изменение коэрцитивной силы с уменьшением размера магнитной частицы. Переход в суперпарамагнитное состояние. Оценка размера наночастицы из данных по магнитной восприимчивости. Магнитные свойства анизотропных наночастиц. Нано - и молекулярная электроника. Фотоника. Устройства на квантовых точках – лазеры, светодиоды. Электронные механические системы (MEMS). Нейронные сети. Наномедицина. Устройства для хранения информации. Каталитические системы. |
Контрольные вопросы по учебной дисциплине «Материаловедение и технологии современных и перспективных материалов»
Модуль 1.
1. Тенденции развития современного материаловедения.
2. Классификации материалов по составу, структуре, свойствам и областям применения.
3. Особенности создания материалов на основе диссипативных структур.
4. Методы исследования структуры и свойств материалов.
Модуль 2.
1. Методы производства порошков, их свойства.
2. Технологии получения волокон и волоконных материалов.
3. Свойства, технологии производства и применение высокопористых материалов.
4. Классификация покрытий и их назначение.
5. Классификация композиционных материалов, свойства.
6. Методы производства композиционных материалов и их применение.
7. Методы получения синтетических алмазов.
8. Виды и области применения керамических материалов
9. Виды и области применения пористых материалов
10. Виды и области применения порошковых композиционных материалов
Модуль3.
1. Виды и области применения магнитных материалов
2. Виды и области применения аморфных материалов
3. Виды и области применения тонких пленок
4. Виды и области применения синтетических кристаллов
5. Виды и области применения диэлектрических материалов
6. Виды и области применения полупроводников
7. Виды и области применения светопроводящих материалов
8. Виды и области применения супериоников
9. Виды и области применения сверхпроводящих материалов
10. Виды и области применения магнитных материалов
11. Виды и области применения материалов для фотоники
12. Технологии производства аморфных материалов
13. Виды и области применения биоматериалов
14. Виды и области применения жидких кристаллов
15. Виды и области применения градиентных материалов
16. Технологии производства синтетических кристаллов
17. Технологии производства градиентных материалов
Модуль 4.
1. Виды и области применения нанотрубок и нанонитей
2. Виды и области применения полупроводниковых наноматериалов
3. Виды и области применения магнитных наноматерилов
4. Виды и области применения биологических наноматериалов
5. Классификация наноматериалов.
6. Влияние размерных эффектов на свойства наноматериалов.
7. Методы получения порошков и объемных наноматериалов
