материаловедение по госо

КАЗАХСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. АЛЬ-ФАРАБИ
Утверждено на заседании
Научно-методического совета
КазНУ им. аль-Фараби
протокол №_________
от «_____»_____2012 г.
ПРОГРАММА
ВСТУПИТЕЛЬНОГО ЭКЗАМЕНА ПО СПЕЦИАЛЬНОСТИ
ДЛЯ ПОСТУПАЮЩИХ В ДОКТОРАНТУРУ PhD ПО
СПЕЦИАЛЬНОСТИ
«6D071000-Материаловедение и технология новых материалов»
АЛМАТЫ 2012
4. Перечень экзаменационных тем
Дисциплина «Современное материаловедение» (на английском языке)
1. Введение в современное инженерное материаловедение. Цели и задачи
материаловедения.
Классификация материалов, сведения об объектах и
методах изучения тепловых, электрических, магнитных и оптических
свойств. Краткий обзор развития современных представлений о материалах,
основные этапы развития материаловедения, роль и место современного
материаловедения среди других наук.
2. Кристаллические и аморфные материалы. Строение вещества. Ионная,
ковалентная, металлическая и молекулярная связь в материалах. Основные
типы кристаллических решёток. Методы исследования структуры.
3. Структура материалов. Понятия: компонент, фаза, структурная
составляющая. Микро- и макроанализ. Понятие о физических методах
исследования материалов.
4. Дефекты структуры. Дефекты кристаллического строения. Виды
дефектов, их классификация, влияние на свойства. Точечные дефекты. Виды
точечных дефектов, миграция точечных дефектов как основной механизм
диффузии. Линейные дефекты. Основные типы дислокаций. Вектор
Бюргерса. Поверхностные дефекты. Строение границ зерен.
5. Формирование
структуры
материалов
при
кристаллизации.
Термодинамические основы, механизм и кинетика кристаллизации металлов.
Параметры кристаллизации: число центров кристаллизации, скорость роста
центров.
Зависимость
параметров
кристаллизации
от
степени
переохлаждения (скорости охлаждения) и их влияние на размер зерен и
свойства материалов. Фазы и структуры в металлических сплавах (твердые
растворы, химические соединения, промежуточные фазы, смеси) и условия
их образования.
6. Диаграмма фазовых равновесий. Термодинамические условия равновесия
в двухкомпонентных сплавах. Зависимость энергии Гиббса от состояния
сплава. Диаграммы фазового равновесия для случаев полной и неполной
растворимости компонентов друг в друге, образования эвтектики при
ограниченной растворимости компонентов, перитектической кристаллизации
и наличия полиморфных превращений.
7. Металлы. Черные металлы. Чугун: свойства и назначение чугунов,
классификация чугунов. Стали: классификация сталей по назначению,
качеству, структуре. Двойные фазовые диаграммы. Конструкционные стали.
Жаропрочные стали. Стали перлитного, мартенситного и мартенситноферритного классов.
8. Сплавы металлов. Инструментальные стали и сплавы. Цветные металлы
и сплавы: Алюминий и его сплавы; медь и ее сплавы. Области применения
металлов.
9. Керамика и Стекла. Получение и состав керамических материалов, их
преимущества и недостатки. Способы борьбы с хрупкостью. Области
использования керамических материалов. Неорганические стекла, их виды и
термическая обработка, области применения. Органические стекла, их
преимущества и недостатки. Области использования.
10. Полимеры. Классификация полимерных материалов. Термопластичные
полимеры, их физическое состояние в зависимости от температуры. Общая
характеристика, их разновидности и свойства, области применения. Влияние
внешних факторов (температуры, среды и т.д.) на характеристики
термопластичных
полимеров.
Термореактивные
полимеры,
их
характеристики. Пластмассы, их составы, свойства. Наполнители,
ингибиторы в пластмассах. Их влияние на свойства пластмасс. Методы
получения полимерных материалов.
11. Полупроводники. Общие сведения о полупроводниках. Собственная и
примесная проводимость полупроводников. Доноры и акцепторы. Основные
электрофизические характеристики полупроводниковых
материалов.
Элементарные полупроводники и полупроводниковые химические
соединения. Германий и кремний, их свойства и применение.
Полупроводниковые структуры.
12. Композиты. Принципы получения композиционных материалов.
Требования к матрицам и упрочнителям. Типы упрочнителей: дисперсные
частицы, волокна, листовые упрочнители. Взаимодействие между матрицей и
упрочнителями в композиционных материалах. Композиционные материалы
с металлическими и полимерными матрицами. Их преимущества и
недостатки.
13. Получение и применение композитных материалов. Области применения
композитных
материалов.
Методы
получения
основных
видов
композиционных материалов: стеклопластиков, углепластиков и других.
14. Механические свойства. Напряжения и деформация. Упругая
деформация. Пластическая деформация. Свойства, определяемые при
статическом растяжении. Ударная вязкость. Работа зарождения и
распространения трещин. Свойства, определяемые при циклических
нагрузках.
15. Методы оценки механической прочности. Методы определения
твердости. Свойства, определяемые при динамических испытаниях. Влияние
остаточных напряжений на свойства металлов и сплавов. Пути повышения
прочности материалов.
16. Электрические свойства: теория проводимости; проводники, изоляторы,
сверхпроводники. Современные полупроводниковые устройства.
17. Оптические свойства: Прозрачные и непрозрачные материалы. Цвет.
Люминесценция. Оптические волокна и современные оптические устройства.
Лазеры.
18. Магнитные свойства: Магнитные материалы. Общие сведения о
ферромагнетиках. Магнитомягкие и магнитотвердые материалы и
требования, предъявляемые к ним.
19. Новые технологии получения материалов. Материалы и технологии ХХI
века, наноматериалы и нанотехнологии.
20. Современные
методы
микроскопия. Сканирующая
зондовая микроскопия.
исследования
материалов.
Оптическая
электронная микроскопия. Сканирующая
Дисциплина «Основы нанотехнологий»
1. Разновидности наноматериалов: консолидированные наноматериалы,
нанополупроводники, нанополимеры, нанобиоматериалы, фуллерены и
тубулярные наноструктуры, катализаторы, нанопористые материалы и
супрамолекулярные структуры. Наночастицы (нанопорошки). Наука о
малоразмерных объектах (nanoscience).
2. Формирование твердотельных нанокластеров. Твердотельные химические
реакции.
3.
Механохимические
превращения.
Ударно-волновой
синтез.
Наноструктурирование под действием давления со сдвигом.
4. Порошковые технологии. Конденсационный метод (метод Глейтера).
Высокоэнергетическое
измельчение.
Механохимический
синтез.
Плазмохимический синтез. Синтез в условиях ультразвукового воздействия.
Электрический взрыв проволочек. Методы консолидации. Электроразрядное
спекание. Интенсивная пластическая деформация (кручение под высоким
давлением, равноканальное угловое прессование).
5. Основы нанотехнологии полупроводниковых материалов. Молекулярнолучевая эпитаксия. Механизмы роста нанопленок по Фольмеру-Веберу,
Франку-Ван дер Мерве, Крастанову-Странскому. Методы CVD и PCVD.
Технология получения полупроводниковых квантовых точек.
6. Основы технологии полимерных, пористых, трубчатых и биологических
наноматериалов.
Гибридные
и
супрамолекулярные
материалы.
Нанопористые материалы (молекулярные сита). Трубчатые наноматериалы.
Полимерные наноматериалы. Наноматериалы, полученные методом
самосборки.
7. Основные методы создания наноструктур: электронолитография и
наноимпринтинг, локальня эпитаксия и эпитаксия поверхностно напряженных
структур, самоформирование и синтез в матрицах (темплатный синтез),
зондовые методы литографии.
8. Метод локального зондового окисления. Физико-химические основы
метода локального зондового окисления. Особенности создания
электропроводящих зондов.
9. Кинетика процесса локального зондового окисления полупроводников и
сверхтонких металлических пленок. Метод формирования диэлектрической
пленки, модулированной по толщине. Использование метода локального
зондового окисления для создания наноструктур и элементов
наноэлектроники.
10. Классификация консолидированных наноматериалов по составу,
распределению и форме структурных составляющих.
11. Зерна, слои, включения и поры в консолидированных наноматериалах
12. Дефекты, поверхности раздела, пограничные сегрегации. Фактор Дебая–
Уоллера.
13. Структура полимерных, биологических и углеродных наноматериалов.
Нанополимерные, супрамолекулярные, нанобиологические и нанопористые
структуры.
14. Основные типы макромолекулярной архитектуры. Темплаты (шаблоны).
Супрамолекулярные структуры. Тубулярные и луковичные структуры.
Процессы самосборки.
15. Основные особенности проявления размерных эффектов в
наноматериалах. Электронное строение наноматериалов. Квантовые
эффекты.
16. Фазовые равновесия и термодинамика наноматериалов
17. Фононный спектр и тепловые свойства наноматериалов
18.
Проводимость,
оптические
характеристики,
диэлектрическая
проницаемость и теплопроводность наноматериалов
19. Перколяционная проводимость и плазменный резонанс в
наноматериалоах.
20. Структура, электрические и оптические свойства пленок аморфного
алмазоподобного углерода, содержащих нанокластеры серебра (a-C:H<Ag>).
21. Структура, электрические и оптические свойства аморфных пленок ХСП,
полученных разными методами. Наногетероморфизм аморфных структур.
22. Магнитные свойства наноматериалов. диамагнетики, парамагнетики,
ферромагнетики, атиферромагнетикии, ферримагнетики и ферриты.
Суперпарамагнитное состояние. Магнитокалорический эффект.
23. Механические свойства наноструктурных материалов. Ползучесть.
Вязкость (внутреннее трение). Неупругость. Твердость, прочность,
пластичность, упругие характеристики наноматериалов.
24. Теоретическое рассмотрение механизмов деформации наноматериалов.
Основные результаты.
25. Стабильность наноструктур. Рост зерен. Диффузия. Общие
закономерности, роста зерен (рекристаллизации) в наноматериалах.
Реакционная способность. Катализ.
26. Применение конструкционных, инструментальных и триботехнических
наноматериалов. Применение пористых наноматериалов и наноматериалов
со специальными физико-химическими свойствами.
27. Наноматериалы со специальными физическими свойствами: магнитные
наноматериалы,
проводящие
наноматериалы
и
изоляторы,
наноструктурированные
полупроводниковые
материалы
(эмиттеры,
транзисторы, выключатели).
28. Наноматериалы для ядерной энергетики. Наноматериалы для медицины
и биологии.
29. Микро- и наноэлектромеханические системы: создание сверхмалых
копий известных макрообъектов; разработка принципиально новых
образцов, не имеющих традиционных аналогов.
30. Наноструктурирование путем кристаллизации
Компактирование (консолидация) нанокластеров
аморфных
структур.
Дисциплина «Физические основы оптоэлектроники и возобновляемые
источники энергии»
1. Возобновляемые и невозобновляемые источники энергии. Виды
возобновляемых и невозобновляемых источников энергии. Энергетический
баланс Земли при использовании возобновляемых источников энергии.
2. Метод тепловой цепи для расчета температурных режимов приемников
тепловой и лучистой энергии. Конфигурация тепловычислителя. является
Интегральная и спектральная чувствительность приемников лучевой
энергии.
3. Источник
энергии
Солнца.
Спектральные
и
энергетические
составляющие солнечного излучения. Интенсивностью солнечного
излучения. Прямое и диффизионное излучение.
4. Оценка солнечной экспозиции. Использование тепловой энергии
солнечного излучения.
5. Возможные схемы преобразования энергии. Преобразование тепловой
солнечной энергии в механическую. Способы теплообмена.
6. Возможные схемы преобразования энергии. Преобразование тепловой
солнечной энергии в электрическую.
7. Типы солнечных элементов. Структура и основные характеристики
солнечных элементов.
8. Типы солнечных элементов. Пайка солнечных элементов. Принципы
функционирования
солнечных
элементов.
Характеристика
фотоэлектрического преобразователя.
9. Использование гидроресурсов в целях получения электроэнергии.
Установки для преобразования гидроресурсов в электроэнергию.
10. Энергия ветра. Ветроэлектрические станции. КПД лучших ветровых
колес. Принцип действия ветродвигателей.
11. Основные типы ветродвигателей. Различие между различными типами
ветродвигателей и их основные характеристики.
12. Характеристики крыльчатых ветроколес и карусельных ветродвигателей.
13. Биотопливо и процессы его производства. Виды биотоплива. Технология
производства разных видов биотоплива. Оборудование для сжигания
биотоплива.
14. Преобразование тепловой энергии океана. Оценка кинетической энергии
океанских течений. Технологии преобразования температурного градиента
морской воды. Системы замкнутого, открытого и комбинированная циклов.
15. Аккумулирование энергии. Аккумулированная теплота в радиаторе.
16. Полупроводниковые фотоприемники. Чувствительность, спектральные
характеристики фотоприемников. Влияние температуры на спектральные
характеристики фотоприемников. Импульсная и частотная характеристики
фотоприемников.
17. Принципы энергетических устройств на основе фотосинтеза и
биотоплива. Эффективность преобразования солнечной энергии при
фотосинтезе. Виды биотоплива.
18. Фотоэлектрические и фотохимические явления. Фотоэффект. Эффект
Дамбера. Эффект Дамбера (фотодиффузный эффект).
19. Технологии на основе возобновляемых источников.
20. Технологий на основе биомассы. Биотопливо. Выработка электроэнергии
на основе биомассы.
5. Список рекомендуемой литературы
Дисциплина «Современное материаловедение»
Основная литература:
1.Коробова Н.Е., Сарсембинов Ш.Ш. “Introduction to the material science”
(Введение в материаловедение)/ N. Korobova, Sh. Sarsembinov. – Алматы:
Казак университетi, 2006. – 325c.
Дополнительная литература:
1. Modern Physical Metallurgy and Materials Engineering, /Ed. R. E. Smallman, R
J Bishop.- 1999.
2. Smallman R.E., Ngan A.H.W. «Physical Metallurgy and Advanced Materials»,
http://www.twirpx.com/file/432338/
3. http://swiat-zaproszen.pl/materials-science&page=2
4. Barett C.R., Nix W.D., Tetelman A. S. “ The principles of engineering
materials”, 1998.
Дисциплина «Основы нанотехнологий»
Основная литература:
1. Кобояси Н. Введение в нанотехнологию. М.: БИНОМ. 2005, -134 с.
2. Головин Ю.И. Введение в нанотехнологию. М.: Машиностроение.
2007, -496 с.
3. Суздалев И.П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров,
наноструктур и наноматериалов. М.: КомКнига, 2006, -592 с. (Синергетика:
от прошлого к будущему).
4. Пул-мл. Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии, (Мир материалов и технологий).
М.: Техносфера, 2006, -336 с.
5. Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы. М.:
«Академия», 2005, -192 с.
6. Миронов В. Основы сканирующей зондовой микроскопии. М.:
«Техносфера», 2005, 144 с.
7. Сб. под ред. Мальцева П.П. Наноматериалы. Нанотехнологии.
Наносистемная техника. Мир материалов и технологий. М.: Техносфера,
2006, -152 с.
Дополнительная литература:
1. Неволин В.К. Зондовые нанотехнологии в электронике, (Мир
электроники). М.: Техносфера, 2006, -160 с.
2. Сборник под ред. Мальцева П.П. Наноматериалы. Нанотехнологии.
Наносистемная техника, (Мир материалов и технологий. Мировые
достижения за 2005 год). М.: Техносфера, 2006, -152 с.
3. Под ред. Чаплыгина Ю.А. Нанотехнологии в электронике. М.:
Техносфера, 2005, -448с.
4. Андриевский Р.А. Наноматериалы: концепция и современные
проблемы // Российский химический журнал. - 2002. - Т. 46. - № 5. - С. 50-56.
5. Нанотехнология в ближайшем десятилетии. Прогноз направления
исследований / Под ред. М. Роко, Р.С. Вильямса, П. Аливисатоса; Пер. С
англ. под ред. Р.А. Андриевского. -М.: Мир, 2002. - 292 с.
6. Фейнман Р. Внизу полным полно места: приглашение в новый мир
физики // Химия и жизнь. 2002. № 12. - С. 20-26.
7. Харрис П. Углеродные нанотрубы и родственные структуры. Новые
материалы XXI века / Пер. с англ. под ред. Л.А.Чернозатонского. М.:
Техносфера, 2003. - 336 с.
8. Помогайло А.Д., Розенберг А.С., Уфлянд И.Е. Наночастицы металлов в
полимерах. М.: Химия, 2000, -672 с.
9. Сарсембинов Ш.Ш., Приходько О.Ю., Максимова С.Я. Физические
основы
модификации
электронных
свойств
некристаллических
полупроводников. Гл. Х. Модификация электронных свойств пленок
аморфного алмазоподобного углерода. Алматы: Казак университетi, 2005, 341 с.
Дисциплина «Физические основы оптоэлектроники и возобновляемые
источники энергии»
Основная литература:
1. Твайделл Дж., Уэйр А. «Возобновляемые источники энергии»
«Энергоатомиздат»,1990. 392 стр
2. С. Н. Удалов, «Возобновляемые источники энергии», Новосибирский
государственный технический университет (НГТУ), 2009, 444 стр.
3. Т. Мосс, Г. Баррел, Б. Эллис " Полупроводниковая оптоэлектроника" М.,
"Мир", 1976 г. 431 стр.
Дополнительная литература:
1. С.Зи "Физика полупроводниковых приборов" т.1. М., "Миp", 1984.
453стр.
2. С.Зи "Физика полупроводниковых приборов" т.2. М., "Мир" , 1984.
455стр.
3. Я.Суэмацу и др. пер. с яп. Э.Г.Азербаева и др. "Основы оптоэлектроники"
М., "Мир", 1988 г. 296стр.
4. А.Фаренбаух, P.Бьюб пер. с англ. под ред. М.М.Колтуна "Солнечные
элементы. Теория и эксперимент" М., "Энергоатомиздат",1987. 178 стр.
5. Гонда С., Сакко Д. Оптоэлектроника в вопросах и ответах: Л.
«Энергоатомиздат",1989. 184 стр