材料学导论期末作业

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1、论述题1.简述“荷叶效应”产生的原因，依据这种效应可制备何种特殊性质的仿生材料？另外，请再列举一个仿生材料的应用实例。当水滴落在荷叶上时，荷叶与水珠间形成一个高度的接触角（大于90度），使之聚集成珠状而不扩散。通常，人的皮肤具有轻微疏水性，接触角大约为90度，而荷叶接触角接近170度，叶子表面极度疏水。但是科学家发现，尽管实际接触荷叶的雨水很少，水滴滑落并不是没有摩擦，水滴带走了叶子上的尘土和细菌，起到“自清洁”的功能。荷叶表面除了含有蜡质成分，“荷叶效应”的产生与荷叶的两种结构有关，一种是微米级的凸起，一

2、种是纳米级的毛状结构。含有两种结构的荷叶的接触角为142度，只含有微米结构的荷叶接触角为126度，单独只含蜡质表面的接触角为74度。科学家认为，纳米级的毛状结构使接触角增加16度，这两种结构是“荷叶效应”的主要成因。专家们模仿了荷叶的表面结构，研制出人工仿生荷叶。仿生荷叶实际上是一种人造高分子薄膜，该薄膜具有不沾水和不沾油的性质。同时，仿生荷叶还具有类似荷叶的“自我修复”功能，仿生表面最外层在被破坏的状况下仍然保持了不沾水和自清洁的功能。这项研究可用于开发新一代的仿生表面材料和涂料。植物也为我们提供了许多有

3、趣的现象，例如我们常见的西瓜是一种含水量极高的水果，在它的启发下，人们研制了一种与西瓜纤维素构造相似的超吸水性树脂，它是用特殊设计的高分了材料制造的，能够吸收超越自身重量数百倍到数T•倍的水份，现在已用于废油的回收,既经济又高效。这种材料如果进一步得到完善的话，将来液体的包装和输送就可能用一种全新的技术来代替。比如，将来的饮料就不再是用现在的杯子来装,而是只要用一片薄膜即可。2•近年来，太阳能电池已成为各国实施可持续发展的重要选择，请简述太阳能电池的原理及材料对太阳能电池的重要性；结合本学期课程，请谈谈你认

4、为最有发展潜力的材料。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。现以晶体为例描述光发电过程。P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅，形成P-N结。当光线照射太阳能电池表面时，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在P—N结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的实质是将光能转换成电能，

5、也是通常所说的光电效应，当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。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、纳米品太阳能电池、有机太阳能电池，其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的，在应用中居主导地位。（1）硅太阳能电池硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非品硅薄膜太阳能电池三种。单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为24.7%,规模生产时的效率为

6、15%。在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于单晶硅成本价格高，大幅度降低其成本很困难，为了节省硅材料，发展了多品硅薄膜和非品硅薄膜做为单品硅太阳能电池的替代产品。多品硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较，成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜电池,其实验室最高转换效率为18%,工业规模生产的转换效率为10%o因此，多晶硅薄膜电池不久将会在国际空间站太阳能电池板在太阳能电地市场上占据主导地位。非晶硅薄膜太阳能电池成本低重量轻，转换效率较高，便于大规模生产，有极大的潜力。但受制于其材料引发的光电效率衰退效应，稳定性不

7、高，直接影响了它的实际应用。如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题，那么，非晶硅太阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。（2）多元化合物薄膜太阳能电池多元化合物薄膜太阳能电池材料为无机盐，其主要包括碑化谋III-V族化合物、硫化镉、硫化镉及铜锢硒薄膜电池等。硫化镉、硝化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染，因此，并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代产品。碑化镣（GaAs）III-V化合物电池的转换效率可达2

8、8%,GqAs化合物材料具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率，抗辐照能力强,对热不敏感，适合于制造高效单结电池。但是GaAs材料的价格不菲,因而在很大程度上限制了用GaAs电池的普及。铜钢硒薄膜电池（简称CIS）适合光电转换，不存在光致衰退问题，转换效率和多晶硅一样。具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点，将成为今后发展太阳能电池的一个重要方向。唯一的问题是材料的来源，由于钢和硒都是比较稀有的元素，因此，这类