无机材料物理性能题库
1.一圆杆的直径为
2.5 mm、长度为25cm并受到4500N的轴向拉力，若直径拉细至
2.4mm，且拉伸变形后圆杆的体积不变,求在此拉力下的真应力、真应变、名义应力和名义应变，并比较讨论这些计算结果。
解：根据题意可得下表
拉伸前后圆杆相关参数表
??995(MPa)A4.524?10?6
A0l12.52
真应变?T?ln?ln?ln?0.0816
l0A2.42F4500
名义应力????917(MPa)
?6A04.909?10
A?l
名义应变???0?1?0.0851
l0A
由计算结果可知：真应力大于名义应力，真应变小于名义应变。真应力?T?
2.一材料在室温时的杨氏模量为
3.5×108 N/m2,泊松比为0.35，计算其剪切模量和体积模量。
E?2G(1??)?3B(1?2?)可知：解：根据
E3.5?108
剪切模量G???1.3?108(Pa)?130(MPa)
2(1??)2(1?0.35)E3.5?108
体积模量B???3.9?108(Pa)?390(MPa)
3(1?2?)3(1?0.7)
3.一陶瓷含体积百分比为95%的Al2O3 (E = 380 GPa)和5%的玻璃相(E = 84 GPa)，试计算其上限和下限弹性模量。若该陶瓷含有5 %的气孔，再估算其上限和下限弹性模量。
解：令E1=380GPa,E2=84GPa,V1=0.95,V2=0.05。则有
上限弹性模量EH?E1V1?E2V2?380?0.95?84?0.05?365.2(GPa)
VV0.950.05?1
下限弹性模量EL?(1?2)?1?(?)?323.1(GPa)
E1E238084
2
当该陶瓷含有5%的气孔时，将P=0.05代入经验计算公式E=E0(1-1.9P+0.9P)可得，其上、
下限弹性模量分别变为331.3 GPa和293.1 GPa。
4.说明图中三条应力-应变曲线的特点，并举例说明其对应的材料。曲线a：在外链作用下，材料的变形主要表现为弹性形变，大多数情况下，材料在断裂前几乎没有塑性形变发生，总弹性应变能非常小，这是脆性材料的特征。
曲线b：在受力过程中，其形变先表现为弹性形变，接着有一段弹塑性形变，然后才断裂，总变形能很大，这是如低碳钢登延性材料。
曲线c：具有极大的弹性形变，没有残余形变的材料，是橡皮这类弹性材料。
5.材料的弹性模数主要取决于说明因素，请简述其影响规律。答：材料的弹性模数主要取决于六个方面：（3分）一、键合方式和原子结构；二、晶体结构；三、化学成分；
四、微观组织；五、温度；
六、加载条件和负载持续时间。
6.为什么常温下大多数陶瓷材料不能产生塑性变形、而呈现脆性断裂？
答：陶瓷多晶体的塑性形变不仅取决于构成材料的晶体本身，而且在很大程度上受晶界物质的控制。因此多晶塑性形变包括以下内容：晶体中的位错运动引起塑变；晶粒与晶粒间晶界的相对滑动；空位的扩散；粘性流动。在常温下，由于非金属晶体及晶界的结构特点，使塑性形变难以实现。又由于在材料中往往存在微裂纹，当外应力尚未使塑变以足够的速度运动时，此应力可能已超过微裂纹扩展所需的临界应力，最终导致材料的脆断。
7.一圆柱形Al2O3晶体受轴向拉力F，若其临界抗剪强度τf为135 MPa,求沿图中所示之方向的滑移系统产生滑移时需要的最小拉力值，并求滑移面的法向应力。
解：由题意得图示方向滑移
系统的剪切强度可表示为：
??
Fcos53?
?cos60?
0.00152?
?f?0.00152?
?Fmin??3.17?103(N)
cos53??cos60?
3.17?103?cos60?
此拉力下的法向应力为：???1.12?108(Pa)?112(MPa)2
0.0015?/cos60?
8. O/Si比值增大,玻璃的粘度将如何变化？
O/Si比值增大，熔体粘度下降，这是由于O/Si比值增大导致非桥氧增加，使大型四面体群分解为小型四面体群的缘故
9. B-O的单键强度高于Si-O，为什么B-O玻璃的粘度却低于Si-O玻璃？
结构对称性降低，玻璃的粘度下降，石英玻璃的粘度明显大于硼氧玻璃，这是由于硅氧四面体的对称性高于硼氧三角体的缘故
10.何谓蠕变?试简述无机材料典型高温蠕变曲线的阶段特点,并分析讨论影响蠕变的主要因素。
当对粘弹性体施加恒定压力时，其应变随时间而增加，这种现象叫蠕变。
（1）弹性形变阶段(oa段)：起始段，在外力作用下，发生瞬时弹性形变，即应力和应变同步；若外力超过试验温度下的弹性极限，则oa段也包括一部分塑性形变。（2）第一阶段蠕变（ab段，蠕变减速阶段）：其特点是应变速率随时间递减，即ab段的斜率d/dt 随时间的增加愈来愈小，曲线越来越平缓，该阶段持续时间较短。（3）第二阶段蠕变（bc 段，稳定蠕变阶段）：此阶段的形变速率最小，且恒定，也为稳定态蠕变（特点是蠕变速率几乎保持不变）。（4）第三阶段蠕变（cd段，加速蠕变阶段）：蠕变速率随时间增加而快速增加，蠕变曲线变陡，最后到d点断裂。影响因素：
1.温度、应力：温度升高，蠕变增大。这是由于温度升高，位错运动和晶界错动加快，扩散系数增大。蠕变随应力增加而增大，若对材料施加压应力，则增大了蠕变的阻力。
2.晶体的结构：结合力越大，越不易发生蠕变，所以共价键结构的材料具有好的抗蠕变性。
3.晶体的组成：组成不同的材料其蠕变行为不同。即使组成相同，单独存在和形成化合物，其蠕变行为不一样。
4.显微结构：材料中的气孔、晶粒、玻璃相等对蠕变都有影响。气孔：气孔率增加，蠕变率增加。晶粒：晶粒越小，蠕变率越大。玻璃相：玻璃相粘度越小，蠕变率增加。
11. 求融熔石英的结合强度，设估计的表面能力为1.75J/m2; Si-O的平衡原子间距为1.6*10-8cm;弹性模量75Gpa
?th?
E75*109*1.75
=?28.64GPa a1.6*10?10
12. 融熔石英玻璃的性能参数为：E=73 Gpa；γ=1.56 J/m2；理论强度σth=28
Gpa。如材料中存在最大长度为2μm的内裂，且此内裂垂直于作用力方向，计算由此导致的强度折减系数。
2c=2μm c=1*10m ?c?
-6
2E?2*73*109*1.56
=?0.269GPa ?6?c3.14*1*10
强度折减系数=1-0.269/28=0.99
13.一陶瓷零件上有一垂直于拉应力的边裂，如边裂长度为：（1）2mm;(2)0.049mm;(3)2 um, 分别求上述三种情况下的临界应力。设此材料的断裂韧性为1.62MPa.m2。讨论讲结果。KI?Y?c Y=1.12=1.98 ??
KI1.c
=0.818c?1/2
c=2mm, ?c?0.818/2*10?3?18.25MPa
c=0.049mm, ?c?0.818/0.049*10?3?116.58MPa
c=2um, ?c?0.818/2*10?6?577.04MPa
14.一陶瓷三点弯曲试件，在受拉面上于跨度中间有一竖向切口如图。如果E=380 Gpa，μ=0.24，求KIc值，设极限荷载达50Kg。计算此材料的断裂表面能。
解c/W=0.1, Pc=50*9.8N ,B=10, W=10，S=40 代入下式：
KIC?
PcS
[2.9(c/W)1/2?4.6(c/W)3/2?21.8(c/W)5/2?37.6(c/W)7/2?38.7(c/W)9/2] 3/2
BW
=
50*9.8*40
[2.9*0.11/2?4.6*0.13/2?21.8*0.15/2?37.6*0.17/2?38.7*0.19/2] 3/2
10*0.010
=62*（0.917-0.145+0.069-0.012+0.0012）=1.96*0.83==1.63Pam
2
1/2
KIC
2
2E? ??KIC(1??)?(1.63*106)2*0.94/(2*380*109)?3.28 J/m2 ?
2E1??2
15.试比较应力、应力强度因子及断裂韧性的区别
K：把分布内力在一点的集度称为应力
KI：应力强度因子，是一个力学参量，表示裂纹体中裂纹尖端的应力场强度的大小，综合反映了外加应力和裂纹位置、长度对裂纹尖端应力场强度的影响，与裂纹类型有关，而和材料无关；KIC：平面应变断裂韧性，是材料的力学性能指标，决定于材料的成分、组织结构等内在因素，而与外加应力及试样尺寸等外在因素无关。
16.什么是裂纹的快速扩展？陶瓷材料中的裂纹产生和快速扩展的原因是什么？有哪些防止裂纹扩展的措施？
答：按照微裂纹脆断理论，材料的断裂强度不是取决于裂纹的数量，而是决定于裂纹的
s?2?是常数。大小。裂纹扩展力：若c 增加，则G 变大，而G 的G??cσ2/E，
ddc
增大，释放出多余的能量，一方面使裂纹扩展加速，另一方面能使裂纹增殖，产生分支，形成更多的新表面。这就是裂纹的快速扩展。
裂纹产生的原因：
（1）由于晶体微观结构中存在缺陷，当受到外力作用时，在这些缺陷处就会引起应力集中，导致裂纹成核。
（2）气孔附近区域中存在的显微结构缺陷。通常气孔不能单独作为裂纹来看待。当气孔处于三交晶界处时，气孔端部因为应力集中而产生的局部应力有可能克服晶界间的结合力，从而使晶界产生松动，断裂就有可能在这里发生。（3）夹杂导致的微开裂现象.无机材料中的夹杂通常起源于粉体的制备过程及成型过程。主要源于夹杂物与基体间热膨胀及弹性形变的失配，而产生的残余内应力，从而诱发出微裂纹。（4）由于热应力形成裂纹。
①晶粒在材料内部取向不同，热膨胀系数不同，在晶界或相界出现应力集中。②高温迅速冷却，内外温度差引起热应力。③温度变化发生晶型转变，体积发生变化。
（5）材料表面的机械损伤与化学腐蚀形成表面裂纹。防止裂纹扩展的措施：
1.使作用应力不超过临界应力，裂纹就不会失稳扩展
2.在材料中设置吸收能量的机构阻止裂纹扩展⑴陶瓷材料中加入塑性粒子或纤维
⑵人为地造成大量极微细的裂纹（小于临界尺寸）能吸收能量，阻止裂纹扩展
17.影响断裂韧性的因素有哪些？
18.什么是亚临界裂纹扩展？其机理有哪几种？
指在低于材料断裂韧性的外加应力场强度作用下所发生的裂纹缓慢扩展。机理有
1.应力腐蚀理论在一定的环境温度和应力场强度因子作用下，材料中关键裂纹尖端处裂纹扩展动力与裂纹扩展阻力的比较，构成裂纹开裂或止裂的条件。
2.空腔机理陶瓷在高温下长期受力的作用时，晶界玻璃相的结构粘度下降，由于该处的应力集中，晶界处于甚高的局部拉应力状态，玻璃相则会发生蠕变或粘性流动，形变发生在气孔，夹层，晶界层，甚至结构缺陷中，形成空腔。空腔进一步沿晶界方向长大、连通形成次裂纹，与主裂纹汇合形成裂纹的缓慢扩展。
19.如何提高陶瓷材料的强度和韧性？试简述其增韧原理。
提高无机材料强度，改进材料韧性，从消除缺陷和阻止微裂纹发展着手。
裂纹偏转增韧：在扩展裂纹尖端应力场中的增强体会导致裂纹发生偏转，从而干扰应力场，导致基体的应力强度降低，起到阻碍裂纹扩展的作用；而且裂纹的扩展路径增长，裂纹扩展中需消耗更多的能量，从而起到增韧的作用。
裂纹桥接增韧：对于特定位向和分布的纤维，裂纹很难偏转，只能沿着原来的扩展方向继续扩展。这时紧靠裂纹尖端处的纤维并未断裂，而是在裂纹两岸搭起小桥，使两岸连在一起。这会在裂纹表面产生一个压应力，以抵消外加应力的作用，从而使裂纹难以进一步扩展，起到增韧作用。
弥散增韧：在基体中渗入具有一定颗粒尺寸的微细粉料达到增韧的效果。
相变增韧：利用多晶多相陶瓷中某些相成份在不同温度的相变，从而增韧的效果。其增韧机理包括应力诱导相变增韧、微裂纹增韧等。1.应力诱导相变增韧：当材料中存在亚稳的四方晶相ZrO2时，材料在承载过程中，由于应力诱发ZrO2由四方相转变成单斜相，相变过程中会吸收大量能量，从而可以使裂纹尖端应力集中程度降低；2.微裂纹和相变伴随的体积的改变在裂纹面两个开裂面施加了压应力，导致裂纹扩展阻力提高，使裂纹闭合，不易扩展，材料的强度和断裂韧性大幅度提高。
20.何谓热容？影响热容的因素有哪些？
热容为使物体温度升高1K所需要的外界提供的能量。
热容与物质的性质、所处的状态及传递热量的过程有关，并同物质系统的质量成正比。
21.热膨胀的本质是什么？试用非简谐振动理论解释热膨胀机理
热膨胀的本质是质点振动的非简谐效应。
质点在平衡位置两侧时所分别收到的力并不对称，在这样的受力情况下，质点的平衡位置要偏移，从而导致相邻质点间平均距离增加，以致晶胞参数增大，宏观上便表现为晶体的热膨胀。
28.什么是抗热震性,如何表示陶瓷材料的抗热震性?试简要说明提高陶瓷材料的抗热冲击断裂性能的主要措施。
抗热震性指材料承受温度的急剧变化而不致破坏的能力，又称为热稳定性。通过抗热冲击断裂因子表示陶瓷材料的抗热震性。
提高措施：
（1）、提高材料强度σ，减小弹性模量E，使σ/E提高------提高材料的柔韧性，能吸收较多的弹性应变能而不致开裂，提高了热稳定性。
（2）、提高材料的热导率λ；
（3）、减小材料的热膨胀系数α；
（4）、减小材料的表面热传递系数h；
（5）、减小产品的有效厚度。
29.一入射光以较小的入射角i和折射角r通过一透明明玻璃板,若玻璃对光的衰减可忽略不计,试证明明透过后的光强为(1-m)2 解：n21?sini W = W’ + W’’
sinr
其折射光又从玻璃与空气的另一界面射入空气W"'W"'2?1?m???1?m? W"W
30.有一材料的吸收系数α=0.32cm-1，透明光强分别为入射的10%，20%，50%及80%时，材料的厚度各为多少？则
I?I0e??x?e??x?I
I0
解: ???xx?lnI
?X1?
X4
I0?ln0.1?ln0.2?ln0.5?7.2cm,X2??5.03cm,X3??2.17cm0.320.320.32?ln0.8??0.697cm0.32
31.
什么材料传播最长波长的红外辐射，是MgO,SrO,BaO?
由可知，要使谐振点的波长尽可能远离可见光区，即吸收峰处的频率尽可能小，则需要较小的材料热震频率r，即材料在课件光区的透过范围大，而这就要求材料的离子间作用力小，阳离子和阴离子质量大，即β小，Mc与Ma要大，对于MgO,SrO,BaO，它们2+2+2-都是离子键结合，但Ba半径最大，因此Ba与O之间的作用力相对较小，即β值较小，又
因为相比Mg,Sr,Ba离子质量最大，即Mc最大，因此，总的来说，BaO 材料的r最小，因而能传播最长波长的红外辐射。
32.试说明氧化铝为什么可以制成透光率很高的陶瓷，而金红石不能？
答：主要受晶粒排列方向的影响严重：如果材料中存在双折射现象，则与晶轴成不同角度的方向上，折射率不相同。在多晶材料中，晶粒的不同取向均产生反射及散射损失。如以两个相邻晶粒的光轴相互垂直加以讨论分析。设光线沿左晶粒的光轴方向射入，则在左晶粒中只存在常光折射率，右晶粒的光轴垂直于左晶粒的光轴，也就垂直于晶界处的入射光，由于双折射现象，还有非常光折射率存在。两晶粒的相对折射率不为1，此时将导致反射和折射损
失。
2?6对于氧化铝瓷：R???1.768/1.760?1?/?1.768/1.760?1???5.14?10
2对于金红石瓷：R???2.854/2.567?1?/?2.584/2.567?1???0.0028
设有200个晶界，则除去晶界反射损失后，剩余光强为：
对于氧化铝瓷：(1?R)200?(1?5.14?10?6)200?0.99897
200?(1?0.0028)?0.5708 损失较大，对于金红石瓷：(1?R)（3分）
此外，对于氧化铝瓷n21=1.0045，接近于1，散射损失不大，而对于金红石瓷
n21=1.1112，较大，则也会引起较大的散射损失。（2分）
故：氧化铝（Al2O3）陶瓷能制成透明灯管，而金红石（TiO2）瓷则不能做成透明陶瓷。200
33.载流子的迁移率的物理意义是什么？
是表征载流子在电场作用下加速运动快慢的一个物理量
34.电导率的微观本质是什么？
σ??σi??niqiμi该式反映电导率的微观本质，即宏观电导率σ与微观载流子
i的浓度n，每一种载流子的电荷量q以及每种载流子的迁移率的关系。
35.什么叫晶体的热缺陷？有几种类型？写出其浓度表达式？晶体中离子电导分为哪几类？
由于晶体中的原子(或离子)的热运动而造成的缺陷称为热缺陷
弗仑克尔缺陷Nf?Nexp?Ef/2kT
肖特基缺陷NS?Nexp?ES/2kT
分为2类：本征电导：晶体点阵中离子的运动。（高温下为主）
杂质电导：杂质离子是弱联系离子。（低温下为主）
????
36.何谓电介质的极化？请简述介质极化的类型，并比较之。
极化指介质内质点（原子、分子、离子）正负电荷重心分离，从而转变成偶极子。极化类型分为：电子位移极化，离子位移极化，松弛极化，转向极化，空间电荷极化。电子位移极化：在外电场作用下，原子外围的电子云相对于原子核发生位移形成的极化。这种极化具有一个弹性束缚电荷在强迫振动中所表现出来的特性，是可逆的。
离子位移极化：离子在电场的作用下，偏移平衡位置引起的极化，仍然受到弹性恢复力的限制，是可逆的。
松弛极化：比位移极化移动较大距离，移动时需克服一定的势垒，极化建立时间长，需吸收一定的能量，是一种非可逆过程。
转向极化：具有恒定偶极矩的极性分子在外加电场作用下，偶极子发生转向，趋于和外加电场方向一致，与极性分子的热运动达到统计平衡状态，整体表现为宏观偶极矩。
空间电荷极化：在缺陷障碍处，自由电子积聚，形成空间电荷极化，一般为高压式极化。
37.一块1cm*4cm*0.5cm的陶瓷介质，其电容为2.4μF,损耗因子tgδ为0.02。求：相对介电常数；损耗因素。
解：
1C?d2.4?10?12?0.5?10?2
(1)相对介电常数?r????3.39?12?4?A8.854?10?1?4?100
2.4?10?12?0.5?10?2
?13?1(2)损耗因素?''??'tan???0.02?6.0?10F?m1?4?10?4
38.如果A原子的原子半径为B的两倍，那么在其它条件都是相同的情况下，原子A的电子极化率大约是B的多少倍？
解：?电子极化率?e?4??0R3?R3,RA?2RB
??e,A?8?e,B
39.何谓介质损耗？介质损耗的形式有哪些？
电介质在电场作用下，引起介质发热，单位时间内消耗的能量，称为介质损耗。
1、电离损耗：气体发生电离而吸收能量，造成介电损耗。
2、结构损耗：在高频、低温下，一类与介质内部结构的紧密程度密切相关的介质损耗。
40.铁磁性与铁电性的本质差别是什么？
答：⑴铁电性由离子位移引起，铁磁性由原子取向引起。
⑵铁电性在非对称性的晶体中发生，铁磁性发生在次价电子的非平衡自旋中。
⑶铁电体的居里点是由于晶体相变引起的，铁磁性的居里点是原子的无规则振动
破坏了原子间的“交换”作用，从而使自发磁化消失引起的。
41.为什么含有未满壳层的原子组成的物质中只有一部分具有铁磁性？
含有未满壳层原子组成的物质包括顺磁性物质和有序磁性物质。由于顺磁性物质中原子做无规则热振动，原子磁矩排列杂乱无章，宏观上不表现磁性；有序磁性物质包括反铁磁性、亚铁磁性和铁磁性物质，由于在反铁磁性或亚铁磁性物质中磁性有序的原子排列形成的磁矩
平行和反平行相间排列，其磁矩完全或部分抵消，故只有部分磁矩（或自旋电子）方向相同的有序磁性物质具有铁磁性。
42.磁性的本质是什么？根据磁性行为，物质的磁性基质分为哪几类？请分别阐述其产生机制及其磁矩随外加磁场增加的变化规律。
磁性的本质是电子的循轨运动和自旋运动。
分为抗磁性、顺磁性、铁磁性
抗磁性来源于电子循轨运动时受外加磁场作用所产生的与外加磁场方向相反的附加磁矩。M与H呈线性关系
顺磁性主要来源于电子（离子）的固有磁矩。
M与H呈线性关系
铁磁性来源于原子未被抵消的自旋磁矩和自发磁化。
M与H呈非线性关系
《材料物理性能》试卷B.doc
一、是非题（I 分X1O=10分） 得分 评分人 1、 非等轴晶系的晶体，在膨胀系数低的方向热导率最大。 （） 2、 粉末和纤维材料的导热系数比烧结材料的低得多。 （） 3、 第一热应力因子/?是材料允许承受的最大温度差。 （） 4、 同一种物质，多晶体的热导率总是比单晶的小。 （） 5、 电化学老化的必要条件是介质中的离子至少有一种参加电导。（） 6、 玻璃中的电导基本上是离子电导。 （） 7、 薄玻璃杯较厚玻璃杯更易因冲开水而炸裂。 （） 8、 压应力使单晶材料的弹性模量变小。 （） 9、 多晶陶瓷材料断裂表面能比单晶大。 （） 10、 材料的断裂强度取决于裂纹的数量。 （） 二、名词解释（2分X 10=20分） 得分 评分人 题号 -------- - ? ---- * 四 五 六 七 八 九 总分 合分人 得分 材料物理性能课程结束B 试卷 考试形式 闭卷 考试用时120分钟
1、固体电解质: 2、表面传热系数： 3、P型半导体： 4、施主能级： 5、声频支： 6、稳定传热： 7、载流了的迁移率: 8、蠕变： 9、弛豫：
10、滑移系统:
三、简答题（5分X4=20分，任选4题） 得分 评分人 1、导温系数。的物理意义及其量纲? 2、显微结构对材料脆性断裂的影响? 3、写出两个抗热应力损伤因子的表达式并对其含义及作用加以说明。 4、不同材料在外力作用时有何不同的变形特征?
四、问答题（9分X4=36分） 得分 评分人 1、何为裂纹的亚临界生长？试用应力腐蚀理论解释裂纹的亚临界生长? 2、请对图1表示的氧化铝单晶的入-丁曲 线分析说明。o I JI O 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 T/K图1氧化铝单晶的热导率随温度的变 化
无机材料物理性能习题库
2、材料的热学性能 2-1 计算室温（298K ）及高温（1273K ）时莫来石瓷的摩尔热容值，并请和按杜龙-伯蒂规律计算的结果比较。 （1） 当T=298K ，Cp=a+bT+cT -2=87.55+14.96 10-3298-26.68 105/2982 =87.55+4.46-30.04 =61.97 4.18 J/mol K=259.0346 J/mol K （2） 当T=1273K ，Cp=a+bT+cT -2=87.55+14.96 10-31273-26.68 105/12732 =87.55+19.04-1.65 =104.94 4.18 J/mol K=438.65 J/mol K 据杜隆-珀替定律：(3Al 2O 32SiO 4) Cp=21*24.94=523.74 J/mol K 2-2 康宁玻璃（硅酸铝玻璃）具有下列性能参数：λ=0.021J/(cm s ℃); α=4.610?6/℃;σp =7.0Kg/mm 2，E=6700Kg/mm 2，μ=0.25。求其第一及第二热冲击断裂抵抗因子。 第一冲击断裂抵抗因子：E R f αμσ)1(-==666 79.8100.75 4.61067009.810-???????=170℃ 第二冲击断裂抵抗因子：E R f αμλσ) 1(-= '=1700.021=3.57 J/(cm s) 2-3 一陶瓷件由反应烧结氮化硅制成，其热导率λ=0.184J/(cm s ℃)，最大厚度=120mm 。如果表面热传递系数h=0.05 J/(cm 2s ℃)，假定形状因子S=1，估算可安全应用的热冲击最大允许温差。 h r S R T m m 31.01? '=?=226*0.18405 .0*6*31.01 =447℃ 2-4、系统自由能的增加量TS E F -?=?，又有! ln ln ()!! N N N n n =-，若在肖特基缺 定律所得的计算值。 趋近按，可见，随着温度的升高Petit Dulong C m P -,
材料物理性能期末复习题
期末复习题 一、填空（20） 1.一长30cm的圆杆，直径4mm，承受5000N的轴向拉力。如直径拉成3.8 mm，且体积保持不变，在此拉力下名义应力值为，名义应变值为。 2.克劳修斯—莫索蒂方程建立了宏观量介电常数与微观量极化率之间的关系。 3．固体材料的热膨胀本质是点阵结构中质点间平均距离随温度升高而增大。 4．格波间相互作用力愈强，也就是声子间碰撞几率愈大，相应的平均自由程愈小，热导率也就愈 介电常数一致，虚部表示了电介质中能量损耗的大小。 ．当磁化强度M为负值时，固体表现为抗磁性。8．电子磁矩由电子的轨道磁矩和自旋磁矩组成。 9．无机非金属材料中的载流子主要是电子和离子。 10．广义虎克定律适用于各向异性的非均匀材料。 ?（1-m）2x。11．设某一玻璃的光反射损失为m，如果连续透过x块平板玻璃，则透过部分应为 I 12．对于中心穿透裂纹的大而薄的板，其几何形状因子。 13．设电介质中带电质点的电荷量q，在电场作用下极化后，正电荷与负电荷的位移矢量为l，则此偶极矩为 ql 。 14．裂纹扩展的动力是物体内储存的弹性应变能的降低大于等于由于开裂形成两个新表面所需的表面能。 15.Griffith微裂纹理论认为，断裂并不是两部分晶体同时沿整个界面拉断，而是裂纹扩展的结果。16．考虑散热的影响，材料允许承受的最大温度差可用第二热应力因子表示。 17．当温度不太高时，固体材料中的热导形式主要是声子热导。 18．在应力分量的表示方法中，应力分量σ,τ的下标第一个字母表示方向，第二个字母表示应力作用的方向。 19．电滞回线的存在是判定晶体为铁电体的重要根据。 20．原子磁矩的来源是电子的轨道磁矩、自旋磁矩和原子核的磁矩。而物质的磁性主要由电子的自旋磁矩引起。 21. 按照格里菲斯微裂纹理论，材料的断裂强度不是取决于裂纹的数量，而是决定于裂纹的大小，即是由最危险的裂纹尺寸或临界裂纹尺寸决定材料的断裂强度。 22.复合体中热膨胀滞后现象产生的原因是由于不同相间或晶粒的不同方向上膨胀系数差别很大，产生很大的内应力，使坯体产生微裂纹。 23.晶体发生塑性变形的方式主要有滑移和孪生。 24.铁电体是具有自发极化且在外电场作用下具有电滞回线的晶体。 25.自发磁化的本质是电子间的静电交换相互作用。 二、名词解释(20) 自发极化：极化并非由外电场所引起，而是由极性晶体内部结构特点所引起，使晶体中的每个晶胞内存在固有电偶极矩，这种极化机制为自发极化。 断裂能：是一种织构敏感参数,起着断裂过程的阻力作用，不仅取决于组分、结构，在很大程度上受到微观缺陷、显微结构的影响。包括热力学表面能、塑性形变能、微裂纹形成能、相变弹性 能等。
无机材料物理性能题库(2)综述
名词解释 1.应变：用来描述物体内部各质点之间的相对位移。 2.弹性模量：表征材料抵抗变形的能力。 3.剪切应变：物体内部一体积元上的二个面元之间的夹角变化。 4.滑移：晶体受力时，晶体的一部分相对另一部分发生平移滑动，就叫滑移. 5.屈服应力：当外力超过物理弹性极限，达到某一点后，在外力几乎不增加的情况下，变形骤然加快，此点为屈服点，达到屈服点的应力叫屈服应力。 6.塑性：使固体产生变形的力，在超过该固体的屈服应力后，出现能使该固体长期保持其变形后的形状或尺寸，即非可逆性。 7.塑性形变：在超过材料的屈服应力作用下，产生变形，外力移去后不能恢复的形变。 8.粘弹性：一些非晶体和多晶体在比较小的应力时,可以同时变现出弹性和粘性，称为粘弹性. 9.滞弹性：弹性行为与时间有关，表征材料的形变在应力移去后能够恢复但不能立即恢复的能力。 10.弛豫:施加恒定应变，则应力将随时间而减小，弹性模量也随时间而降低。 11.蠕变——当对粘弹性体施加恒定应力，其应变随时间而增加，弹性模量也随时间而减小。 12.应力场强度因子：反映裂纹尖端弹性应力场强弱的物理量称为应力强度因子。它和裂纹尺寸、构件几何特征以及载荷有关。 13.断裂韧性：反映材料抗断性能的参数。 14.冲击韧性：指材料在冲击载荷下吸收塑性变形功和断裂功的能力。 15.亚临界裂纹扩展：在低于材料断裂韧性的外加应力场强度作用下所发生的裂纹缓慢扩展称为亚临界裂纹扩展。 16.裂纹偏转增韧：在扩展裂纹剪短应力场中的增强体会导致裂纹发生偏转，从而干扰应力场，导致机体的应力强度降低，起到阻碍裂纹扩展的作用。 17.弥散增韧：在基体中渗入具有一定颗粒尺寸的微细粉料达到增韧的效果，称为弥散增韧。 18.相变增韧：利用多晶多相陶瓷中某些相成份在不同温度的相变，从而达到增韧的效果，称为相变增韧。 19.热容：分子热运动的能量随着温度而变化的一个物理量，定义为物体温度升高1K所需要的能量。 20.比热容：将1g质量的物体温度升高1K所需要增加的热量，简称比热。 21.热膨胀：物体的体积或长度随温度升高而增大的现象。 热传导：当固体材料一端的温度笔另一端高时，热量会从热端自动地传向冷端。22.热导率：在物体内部垂直于导热方向取两个相距1米，面积为1平方米的平行平面，若两个平面的温度相差1K，则在1秒内从一个平面传导至另一个平面的热量就规定为该物质的热导率。 23.热稳定性:指材料承受温度的急剧变化而不致破坏的能力，又称为抗热震性。 24.抗热冲击断裂性：材料抵抗温度急剧变化时瞬时断裂的性能。 25.抗热冲击损伤性：材料抵抗热冲击循环作用下缓慢破坏的性能。 26.热应力：材料热膨胀或收缩引起的内应力。 27.声频支振动：振动的质点中包含频率甚低的格波时，质点彼此间的位相差不
材料无机材料物理性能考试及答案
材料无机材料物理性能考试及答案
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无机材料物理性能试卷 一．填空（１×２０＝２０分） 1．CsCl结构中，Ｃs+与Cl-分别构成＿＿＿＿格子。 ２．影响黏度的因素有＿＿＿＿、＿＿＿＿、＿＿＿＿. ３.影响蠕变的因素有温度、＿＿＿＿、＿＿＿＿、＿＿＿＿. ４．在＿＿＿＿、＿＿＿＿的情况下，室温时绝缘体转化为半导体。 ５．一般材料的＿＿＿＿远大于＿＿＿＿。 ６．裂纹尖端出高度的＿＿＿＿导致了较大的裂纹扩展力。 ７．多组分玻璃中的介质损耗主要包括三个部分：＿＿＿＿、＿＿＿＿＿＿＿＿、＿＿＿＿。 ８．介电常数显著变化是在＿＿＿＿处。 ９．裂纹有三种扩展方式：＿＿＿＿、＿＿＿＿、＿＿＿＿。 １０．电子电导的特征是具有＿＿＿＿。 二.名词解释（4×4分=16分） 1.电解效应 2.热膨胀 3.塑性形变 4.磁畴 三.问答题（3×8分=24分） 1.简述晶体的结合类型和主要特征： 2.什么叫晶体的热缺陷？有几种类型？写出其浓度表达式?晶体中离子电导分为哪几类？ 3.无机材料的蠕变曲线分为哪几个阶段，分析各阶段的特点。 4.下图为氧化铝单晶的热导率与温度的关系图，试解释图像先增后减的原因。 四，计算题（共20分） 1.求熔融石英的结合强度，设估计的表面能为1.75J/m2；Si-O的平衡原子间距为1.6×10-8cm，弹性模量值从60 到75GPa。（10分） 2.康宁1273玻璃(硅酸铝玻璃)具有下列性能参数： =0.021J/(cm ·s ·℃)；a=4.6×10-6℃-1；σp=7.0kg/mm2，
无机材料物理性能课后习题答案
《材料物理性能》 第一章材料的力学性能 1-1一圆杆的直径为2.5 mm 、长度为25cm 并受到4500N 的轴向拉力，若直径拉细至 2.4mm ，且拉伸变形后圆杆的体积不变,求在此拉力下的真应力、真应变、名义应力和名义应变，并比较讨论这些计算结果。 解： 由计算结果可知：真应力大于名义应力，真应变小于名义应变。 1-5一陶瓷含体积百分比为95%的Al 2O 3 (E = 380 GPa)和5%的玻璃相(E = 84 GPa)，试计算其上限和下限弹性模量。若该陶瓷含有5 %的气孔，再估算其上限和下限弹性模量。 解：令E 1=380GPa,E 2=84GPa,V 1=,V 2=。则有 当该陶瓷含有5%的气孔时，将P=代入经验计算公式E=E 0+可得，其上、下限弹性模量分别变为 GPa 和 GPa 。 1-11一圆柱形Al 2O 3晶体受轴向拉力F ，若其临界抗剪强度 τf 为135 MPa,求沿图中所示之方向的滑移系统产生滑移时需要的最小拉力值，并求滑移面的法向应力。 0816 .04.25.2ln ln ln 22 001====A A l l T ε真应变) (91710909.44500 60MPa A F =?==-σ名义应力0851 .010 0=-=?=A A l l ε名义应变) (99510524.445006MPa A F T =?== -σ真应力)(2.36505.08495.03802211GPa V E V E E H =?+?=+=上限弹性模量) (1.323)84 05.038095.0()(1 12211GPa E V E V E L =+=+=--下限弹性模量
无机材料物理性能期末复习题
期末复习题参考答案 一、填空 1.一长30cm的圆杆，直径4mm，承受5000N的轴向拉力。如直径拉成3.8 mm，且体积保持不变，在此拉力下名义应力值为，名义应变值为。 2.克劳修斯—莫索蒂方程建立了宏观量介电常数与微观量极化率之间的关系。 3．固体材料的热膨胀本质是点阵结构中质点间平均距离随温度升高而增大。 4．格波间相互作用力愈强，也就是声子间碰撞几率愈大，相应的平均自由程愈小，热导率也就愈低。 5．电介质材料中的压电性、铁电性与热释电性是由于相应压电体、铁电体和热释电体都是不具有对称中心的晶体。 6．复介电常数由实部和虚部这两部分组成，实部与通常应用的介电常数一致，虚部表示了电介质中能量损耗的大小。 7．无机非金属材料中的载流子主要是电子和离子。 8．广义虎克定律适用于各向异性的非均匀材料。 ?（1-m）2x。9．设某一玻璃的光反射损失为m，如果连续透过x块平板玻璃，则透过部分应为 I 10．对于中心穿透裂纹的大而薄的板，其几何形状因子Y= 。 11．设电介质中带电质点的电荷量q，在电场作用下极化后，正电荷与负电荷的位移矢量为l，则此偶极矩为 ql 。 12．裂纹扩展的动力是物体内储存的弹性应变能的降低大于等于由于开裂形成两个新表面所需的表面能。 13.Griffith微裂纹理论认为，断裂并不是两部分晶体同时沿整个界面拉断，而是裂纹扩展的结果。14．考虑散热的影响，材料允许承受的最大温度差可用第二热应力因子表示。 15．当温度不太高时，固体材料中的热导形式主要是声子热导。 16．在应力分量的表示方法中，应力分量σ,τ的下标第一个字母表示方向，第二个字母表示应力作用的方向。 17．电滞回线的存在是判定晶体为铁电体的重要根据。 18．原子磁矩的来源是电子的轨道磁矩、自旋磁矩和原子核的磁矩。而物质的磁性主要由电子的自旋磁矩引起。 19. 按照格里菲斯微裂纹理论，材料的断裂强度不是取决于裂纹的数量，而是决定于裂纹的大小，即是由最危险的裂纹尺寸或临界裂纹尺寸决定材料的断裂强度。 20.复合体中热膨胀滞后现象产生的原因是由于不同相间或晶粒的不同方向上膨胀系数差别很大，产生很大的内应力，使坯体产生微裂纹。 21.晶体发生塑性变形的方式主要有滑移和孪生。 22.铁电体是具有自发极化且在外电场作用下具有电滞回线的晶体。 23.自发磁化的本质是电子间的静电交换相互作用。 二、名词解释 自发极化：极化并非由外电场所引起，而是由极性晶体内部结构特点所引起，使晶体中的每个晶胞内存在固有电偶极矩，这种极化机制为自发极化。 断裂能：是一种织构敏感参数,起着断裂过程的阻力作用，不仅取决于组分、结构，在很大程度上受到微观缺陷、显微结构的影响。包括热力学表面能、塑性形变能、微裂纹形成能、相变弹性 能等。 滞弹性：当应力作用于实际固体时，固体形变的产生与消除需要一定的时间，这种与时间有关的弹性称为滞弹性。 格波：处于格点上的原子的热振动可描述成类似于机械波传播的结果，这种波称为格波，格波的一个
东南大学-材料物理性能复习题(2008)
材料物理性能复习题 第一章 1、C v 、C p 和c 的定义。C pm 和C vm 的关系，实际测量得到的是何种量？Cvm 与温度（包括ΘD ）的关系。自由电子对金属热容的贡献。合金热容的计算。 2、哪些相变属于一级相变和二级相变？其热容等的变化有何特点？ 3、撒克斯法测量热容的原理。何谓DTA 和DSC ？DTA 测量对标样有何要求？如何根据DTA 曲线及热容变化曲线判断相变的发生及热效应（吸热或放热）？ 4、线膨胀系数和体膨胀系数的表达式及两者的关系。证明c b a v αααα++=（采用与教材不同的方法） 5、金属热膨胀的物理本质。热膨胀和热容与温度（包括ΘD ）的关系有何类似之处？为何金属熔点越高其膨胀系数越小？为何化合物和有序固溶体的膨胀系数比固溶体低？奥氏体转变为铁素体时体积的变化及机理。膨胀测量时对标样有何要求？ 6、比容的定义（单位重量的体积，为密度的倒数）。奥氏体、珠光体、马氏体和渗碳体的比容相对大小。 7、钢在共析转变时热膨胀曲线的特点及机理。如何根据冷却膨胀曲线计算转变产物的相对量？ 8、傅里叶定律和热导率、热量迁移率。导温系数的表达式及物理意义。 9、金属、半导体和绝缘体导热的物理机制。魏德曼－弗兰兹定律。 10、何谓抗热冲击断裂性和抗热冲击损伤性？热应力是如何产生的，与哪些因素有关？提高材料的抗热冲击断裂性可采取哪些措施？ 第二章 1、电阻、电阻率、电导率及电阻温度系数的定义及相互关系。 2、电阻的物理意义。为何温度升高、冷塑性变形和形成固溶体使金属的电阻率增加，形成有序固溶体使电阻率下降？马基申定律的表达式及各项意义。为何纯金属的电阻温度系数较其合金大？如何获得电阻温度系数很低的精密电阻合金？ 3、对层片状组织，证明教材中的关系式（2.25）和（2.26）。 4、双电桥较单电桥有何优点？用电位差计测量电阻的原理。用电阻分析法测定铝铜合金时效和固溶体的溶解度的原理。 5、何谓本征半导体？其载流子为何？证明关系式J=qnv 和ρ＝E/J （J 和E 分别为电流密度和电场强度）。 6、为何掺杂后半导体的导电性大大增强？为何有电子型和空穴型两种半导体。N 型和P 型半导体中的多子和少子。为何PN 结有单向导电性？ 7、温差电势和接触电势的物理本质，热电偶的原理。 8、何谓压电效应？电偶极矩的概念。压电性产生的机理。 9、何谓霍尔效应和霍尔系数？推导出教材中的关系式（2.83）～（2.85）。如何根据霍尔效应判断半导体中载流子是电子还是空穴？ 第三章 1、M 、P m 的关系。M 、H 的关系。μ0，μ，χ的概念。B 、H 的关系。磁化曲线
最新无机材料物理性能考试试题及答案
无机材料物理性能考试试题及答案 一、填空（18） 1. 声子的准粒子性表现在声子的动量不确定、系统中声子的数目不守恒。 2. 在外加电场E的作用下，一个具有电偶极矩为p的点电偶极子的位能U=-p·E，该式表明当电偶极矩的取向与外电场同向时，能量为最低而反向时能量为最高。 3. TC为正的温度补偿材料具有敞旷结构，并且内部结构单位能发生较大的转动。 4. 钙钛矿型结构由 5 个简立方格子套购而成，它们分别是1个Ti 、1个Ca 和3个氧简立方格子 5. 弹性系数ks的大小实质上反映了原子间势能曲线极小值尖峭度的大小。 6. 按照格里菲斯微裂纹理论，材料的断裂强度不是取决于裂纹的数量，而是决定于裂纹的大小，即是由最危险的裂纹尺寸或临界裂纹尺寸决定材料的断裂强度。 7. 制备微晶、高密度与高纯度材料的依据是材料脆性断裂的影响因素有晶粒尺寸、气孔率、杂质等。 8. 粒子强化材料的机理在于粒子可以防止基体内的位错运动，或通过粒子的塑性形变而吸收一部分能量，达从而到强化的目的。 9. 复合体中热膨胀滞后现象产生的原因是由于不同相间或晶粒的不同方向上膨胀系数差别很大，产生很大的内应力，使坯体产生微裂纹。 10.裂纹有三种扩展方式：张开型、滑开型、撕开型 11. 格波：晶格中的所有原子以相同频率振动而形成的波，或某一个原子在平衡位置附近的振动是以波的形式在晶体中传播形成的波 二、名词解释(12) 自发极化：极化并非由外电场所引起，而是由极性晶体内部结构特点所引起，使晶体中的每个晶胞内存在固有电偶极矩，这种极化机制为自发极化。 断裂能：是一种织构敏感参数,起着断裂过程的阻力作用，不仅取决于组分、结构，在很大程度上受到微观缺陷、显微结构的影响。包括热力学表面能、塑性形变能、微裂纹形成能、相变弹性能等。 电子的共有化运动：原子组成晶体后，由于电子壳层的交叠，电子不再完全局限在某一个原子上，可以由一个原子的某一电子壳层转移到相邻原子的相似壳层上去，因而电子可以在整个晶体中运动。这种运动称为电子的共有化运动。 平衡载流子和非平衡载流子：在一定温度下，半导体中由于热激发产生的载流子成为平衡载流子。由于施加外界条件(外加电压、光照)，人为地增加载流子数目，比热平衡载流子数目多的载流子称为非平衡载流子。 三、简答题（13） 1. 玻璃是无序网络结构，不可能有滑移系统，呈脆性，但在高温时又能变形，为什么？ 答：正是因为非长程有序，许多原子并不在势能曲线低谷；在高温下，有一些原子键比较弱，只需较小的应力就能使这些原子间的键断裂；原子跃迁附近的空隙位置，引起原子位移和重排。不需初始的屈服应力就能变形-----粘性流动。因此玻璃在高温时能变形。 2. 有关介质损耗描述的方法有哪些？其本质是否一致？ 答：损耗角正切、损耗因子、损耗角正切倒数、损耗功率、等效电导率、复介电常数的复项。多种方法对材料来说都涉及同一现象。即实际电介质的电流位相滞后理想电介质的电流位相。因此它们的本质是一致的。 3. 简述提高陶瓷材料抗热冲击断裂性能的措施。 答：(1) 提高材料的强度 f，减小弹性模量E。(2) 提高材料的热导率c。(3) 减小材料的热膨胀系数a。(4) 减小表面热传递系数h。(5) 减小产品的有效厚度rm。
材料物理性能期末复习重点-田莳
1.微观粒子的波粒二象性 在量子力学里，微观粒子在不同条件下分别表现出波动或粒子的性质。这种量子行为称为波粒二象性。 2.波函数及其物理意义 微观粒子具有波动性，是一种具有统计规律的几率波，它决定电子在空间某处出现的几率，在t 时刻，几率波应是空间位置（x,y,z,t)的函数。此函数 称波函数。其模的平方代表粒子在该处出现的概率。 表示t 时刻、 （x 、y 、z ）处、单位体积内发现粒子的几率。 3.自由电子的能级密度 能级密度即状态密度。 dN 为E 到E+dE 范围内总的状态数。代表单位能量范围内所能容纳的电子数。 4.费米能级 在0K 时，能量小于或等于费米能的能级全部被电子占满，能量大于费米能级的全部为空。故费米能是0K 时金属基态系统电子所占有的能级最高的能量。 5.晶体能带理论 假定固体中原子核不动，并设想每个电子是在固定的原子核的势场及其他电子的平均势场中运动，称单电子近似。用单电子近似法处理晶体中电子能谱的理论，称能带理论。 6.导体，绝缘体，半导体的能带结构 根据能带理论，晶体中并非所有电子，也并非所有的价电子都参与导电，只有导带中的电子或价带顶部的空穴才能参与导电。从下图可以看出，导体中导带和价带之间没有禁区，电子进入导带不需要能量，因而导电电子的浓度很 大。在绝缘体中价带和导期隔着一个宽的禁带E g ，电子由价带到导带需要外界供给能量，使电子激发，实现电子由价带到导带的跃迁，因而通常导带中导电电子浓度很小。半导体和绝缘体有相类似的能带结构，只是半导体的禁带较窄(E g 小) ，电子跃迁比较容易 1.电导率 是表示物质传输电流能力强弱的一种测量值。当施加电压于导体的两 端 时，其电荷载子会呈现朝某方向流动的行为，因而产生电流。电导率 是以欧姆定律定义为电流密度 和电场强度 的比率： κ=1/ρ 2.金属—电阻率与温度的关系 金属材料随温度升高，离子热振动的振幅增大，电子就愈易受到散射，当电子波通过一个理想品体点阵时(0K)，它将不受散射；只有在晶体点阵完整性遭到破坏的地方，电子被才受到散射(不相干散射)，这就是金属产生电阻的根本原因。由于温度引起的离子运动(热振动)振幅的变化(通常用振幅的均方值表示)，以及晶体中异类原于、位错、点缺陷等都会使理想晶体点阵的周期性遭到破坏。这样，电子波在这些地方发生散射而产生电阻，降低导电性。 金属电阻率在不同温度范围与温度变化关系不同。一般认为纯金属在整个温度区间产生电阻机制是电子-声子（离子）散射。在极低温度下，电子-电子散射构成了电阻产生的主要机制。金属融化，金属原子规则阵列被破坏，从而增强了对电子的散射，电阻增加。 3.离子电导理论 离子电导是带有电荷的离子载流子在电场作用下的定向移动。一类是晶体点阵的基本离子，因热振动而离开晶格，形成热缺陷，离子或空位在电场作用下成为导电载流子，参加导电，即本征导电。另一类参加导电的载流子主要是杂质。 离子尺寸，质量都远大于电子，其运动方式是从一个平衡位置跳跃到另一个平衡位置。离子导电是离子在电场作用下的扩散。其扩散路径畅通，离子扩散系数就高，故导电率高。 4.快离子导体（最佳离子导体，超离子导体） 具有离子导电的固体物质称固体电解质。有些
材料物理性能课后习题问题详解_北航出版社_田莳主编
材料物理习题集 第一章 固体中电子能量结构和状态（量子力学基础） 1. 一电子通过5400V 电位差的电场，（1）计算它的德布罗意波长；（2）计算它的波数；（3） 计算它对Ni 晶体（111）面（面间距d =2.04×10-10 m ）的布拉格衍射角。（P5） 12 34 131 192 1111 o ' (2) 6.610 = (29.110 5400 1.610 ) =1.67102K 3.7610sin sin 2182h h p mE m d d λπ λ θλ λ θθ----=???????=?==?=解：（1）= （2）波数= （3）2 2. 有两种原子，基态电子壳层是这样填充的 ; ; s s s s s s s 226232 2 6 2 6 10 2 6 10 （1）1、22p 、33p （2）1、22p 、33p 3d 、44p 4d ，请分别写出n=3的所有电子的四个量 子数的可能组态。（非书上内容）
3. 如电子占据某一能级的几率是1/4，另一能级被占据的几率为3/4，分别计算两个能级 的能量比费米能级高出多少k T ？（P15） 1()exp[]1 1 ln[1] ()()1/4ln 3()3/4ln 3F F F F f E E E kT E E kT f E f E E E kT f E E E kT = -+?-=-=-=?=-=-?解：由将代入得将代入得 4. 已知Cu 的密度为8.5×103 kg/m 3 ，计算其E 0 F 。（P16） 2 2 03 23426 23 3 31 18(3/8)2(6.6310)8.510 =(3 6.0210/8)291063.5 =1.0910 6.83F h E n m J eV ππ---=????????=解： 由 5. 计算Na 在0K 时自由电子的平均动能。（Na 的摩尔质量M=22.99，.0ρ?33 =11310kg/m ） （P16）
材料物理性能复习题
μυσρ22/1e n m **==材料物理性能复习题 一． 概念题 压电体：某些电介质施加机械力而引起它们内部正负电荷中心相对位移，产生极化，从而导致介质两端表面内出现符 号相反的束缚电荷。在一定应力范围内，机械力与电荷呈线性可逆关系这类物质 导体：在外电场的作用下，大量共有化电子很易获得能量，集体定向流动形成电流的物体 半导体：能带结构的满带与空带之间也是禁带，但是禁带很窄，导电性能介于导体和半导体之间的物体 绝缘体：在外电场的作用下，共有化电子很难接受外电场的能量，难以导通电流的物体 热电效应：当材料存在电位差时会产生电流，存在温度差时会产生热流的这种现象 电光效应：铁电体的极化能随E 而改变，因而晶体的折射率也将随E 改变，这种由外电场引起晶体折射率的变化 一般吸收：在光学材料中，石英对所有可见光几乎都透明的，在紫外波段也有很好的透光性能，且吸收系数不变的这 种现象 选择吸收: 对于波长范围为3.5—5.0μm 的红外光却是不透明的，且吸收系数随波长剧烈变化的这种现象 发光效率：发光体把受激发时吸收的能量转换为光能的能力 受激辐射：当一个能量满足hv =E 2-E 1的光子趋近高能级E 2的原子时，入射的光子诱导高能级原子发射一个和自己性 质完全相同的光子的过程 二、 简答题 (1) 电介质导电的概念、详细类别、来源。 概念：并不是所有的电介质都是理想的绝缘体，在外电场作用下，介质中都会有一个很小的电流 类别：一类是源于晶体点阵中基本离子的运动，称为离子固有电导或本征电导，这种电导是热缺陷形成的，即是由离子自身随着热运动的加剧而离开晶格点阵形成。另一类是源于结合力较弱的杂质离子的运动造成的，称为杂质电导 来源（导电方式）：电子与空穴（电子电导）；移动额正负离子电导（离子电导）。对于离子电导，必须需要指出的是：在较低场强下，存在离子电导；在高场强下，呈现电子电导。 (2) 正常情况下，为什么金属的电导率随着温度的升高而降低(电阻升高)。 金属材料随温度升高，离子热振动的振幅增大，电子就愈易受到散射，可认为μ与温度成正比，则ρ也与温度成正比。 (3) 为什么金属化合物的导电性要低于单一金属，请基于电离势能方面的差异进行简要说明。 （1）晶体点阵畸变；（2）杂质对理想晶体的破坏；（3）影响了能带结构，移动费米面及电子能态密度和有效电导电子数；（4）影响了弹性常数。过渡金属与贵金属两组元固溶时：电阻异常高，原因它们的价电子可以转移到过渡金属的尚未被填满的d-或f-壳层中，从而使有效电导的电子数目减少。原子键合的方式发生了变化，其中至少一部分由金属键变为共价键获离子键，使导电电子减少。 (4) 简述本证硅的导电机理。 导电机理：在热、光等外界条件的影响下，满带上的价电子获得足够的能量，跃过禁带跃迁至空带而成为自由电子，同时在满带中留下电子空穴，自由电子和电子空穴在外加电场的作用下定向移动形成电流。 (5) 简述硅中掺杂硼的导电机理（要有示意图） 在本征半导体中，掺入3价元素的杂质（硼，铝，镓，铟），就可以使晶体中空穴浓度大 大增加。因为3价元素的原子只有3个价电子，当它顶替晶格中的一个4价元素原子， 并与周围的4个硅（或锗）原子组成4个共价键时，缺少一个价电子，形成一个空位。 因为，3价元素形成的空位能级非常靠近价带顶的能量，在价电子共有化运动中，相邻的 原子上的价电子就很容易来填补这个空位（较跃迁至禁带以上的空带容易的多），从而产 生一个空穴。所以每一个三价杂质元素的原子都能接受一个价电子，而在价带中产生一 个空穴。 (6) 简述硅中掺杂砷的导电机理（要有示意图） 本征半导体中掺入5价元素（磷，砷，锑）就可使晶体中的自由电子的浓度极大地增 加。因为5价元素的原子有5个价电子，当它顶替晶格中的一个4价元素的原子时， 余下了1个价电子变成多余的，此电子的能级非常靠近导带底，非常容易进入导带成 为自由电子，因而导带中的自由电子较本征半导体显著增多，导电性能大幅度提高。 (7) 简述介质损耗的几种形式及造成这几种损耗的原因。 介质损耗形式：
材料物理性能部分课后习题8页
课后习题 第一章 1.德拜热容的成功之处是什么？ 答：德拜热容的成功之处是在低温下，德拜热容理论很好的描述了晶体热容，CV.M∝T的三次方 2.何为德拜温度？有什么物理意义？ 答：HD=hνMAX/k 德拜温度是反映晶体点阵内原子间结合力的一个物理量 德拜温度反映了原子间结合力，德拜温度越高，原子间结合力越强 3.试用双原子模型说明固体热膨胀的物理本质 答：如图，U1（T1）、U2（T2）、U3(T3）为不同温度时的能量，当原子热振动通过平衡位置r0时，全部能量转化为动能，偏离平衡位置时，动能又逐渐转化为势能；到达振幅最大值时动能降为零，势能打到最大。由势能曲线的不对称可以看到，随温度升高，势能由U1(T1）、U2（T2）向U3（T3）变化，振幅增加，振动中心就由r0'，r0''向r0'''右移，导致双原子间距增大，产生热膨胀 第二章 1.镍铬丝电阻率300K为1×10-6Ω·m加热到4000K时电阻率增加5%假定在此温度区间内马西森定则成立。试计算由于晶格缺陷和杂质引起的电阻率。 解：按题意:p(300k) = 10∧-6 则: p(400k) = (10∧-6)* (1+0.05) ----(1) 在400K温度下马西森法则成立，则: p(400k) = p(镍400k) + p(杂400k)
----(2) 又: p(镍400k) = p(镍300k) * [1+ α * 100] ----(3) 其中参数: α为镍的温度系数约 = 0.007 ; p(镍300k)(室温) = 7*10∧-6 Ω.cm) 将(1)和(3)代入(2)可算出杂质引起的电阻率 p(杂400k)。 2.为什么金属的电阻因温度升高而增大，而半导体的电阻却因温度的升高而减小？ 对金属材料，尽管温度对有效电子数和电子平均速率几乎没有影响，然而温度升高会使离子振动加剧，热振动振幅加大，原子的无序度增加，周期势场的涨落也加大。这些因素都使电子运动的自由称减小，散射几率增加而导致电阻率增大 而对半导体当温度升高时，满带中有少量电子有可能被激发到上面的空带中去，在外电场作用下，这些电子将参与导电。同时，满带中由于少了一些电子，在满带顶部附近出现了一些空的量子状态，满带变成了部分占满的能带，在外电场作用下，仍留在满带中的电子也能够起导电作用。 3.表征超导体性能的3个主要指标是什么?(P80) （表征超导体的两个基本特性完全的导电性和完全的抗磁性） 1)，临界转变温度TC，即成为超导态的最高温度 2)。临界磁场HC，即能破坏超导态的最小磁场，HC的大小与超导材料的性质有关 3)，临界电流密度JC，即材料保持超导状态的最大输入电流 第三章 1.什么是自发磁化？（P142) 在铁磁质内部存在着很强的“分子场”,在这种“分子场”的作用下，原
材料物理性能期末复习考点教学内容
材料物理性能期末复 习考点
一名词解释 1.声频支振动：震动着的质点中所包含的频率甚低的格波，质点彼此之间的相位差不大，格波类似于弹性体中的应变波，称声频支振动。 2.光频支振动：格波中频率甚高的振动波，质点间的相位差很大，临近质点的运动几乎相反，频率往往在红外光区，称光频支振动。 3.格波：材料中一个质点的振动会影响到其临近质点的振动，相邻质点间的振，动会形成一定的相位差，使得晶格振动以波的形式在整个材料内传播的波。 4.热容：材料在温度升高和降低时要时吸收或放出热量，在没有相变和化学反应的条件下，材料温度升高1K时所吸收的热量。 5.一级相变：相变在某一温度点上完成，除体积变化外，还同时吸收和放出潜热的相变。 6.二级相变：在一定温度区间内逐步完成的，热焓无突变，仅是在靠近相变点的狭窄区域内变化加剧，其热熔在转变温度附近也发生剧烈变化，但为有限值的相变。 7.热膨胀：物体的体积或长度随温度升高而增大的现象。 8.热膨胀分析：利用试样体积变化研究材料内部组织的变化规律的方法。 9.热传导：当材料相邻部分间存在温度差时，热量将从温度高的区域自动流向温度低的区域的现象。 10.热稳定性（抗热震性）：材料称受温度的急剧变化而不致破坏的能力。 11.热应力：由于材料的热胀冷缩而引起的内应力。 12.材料的导电性：在电场作用下，材料中的带电粒子发生定向移动从而产生宏观电流 13.载流子：材料中参与传导电流的带电粒子称为载流子 14.精密电阻合金：需要电阻率温度系数TRC或者α数值很小的合金，工程上称其为精密电阻合金 15.本征半导体：半导体材料中所有价电子都参与成键，并且所有键都处于饱和（原子外电子层填满）状态，这类半导体称为本征半导体。 16. n型半导体:掺杂半导体中或者所有结合键处被价电子填满后仍有部分富余的价电子的这类半导体。 17. p型半导体：在所有价电子都成键后仍有些结合键上缺少价电子，而出现一些空穴的一类半导体。 18.光致电导：半导体材料材料受到适当波长的电磁波辐射时，导电性会大幅升高的现象。
材料物理性能复习题
一、名词解释 光矢量：即是光波的电场强度矢量。 双折射：当光束通过各向异性介质表面时，折射光会分成两束沿着不同的方向传播，这种由一束入射光折射后分成两束光的现象。 光轴：通过改变入射光的方向，可以发现，在晶体中存在一些特殊的方向，沿着这些方向传播的光不会发生双折射，这些特殊的方向称为晶体的光轴。 热膨胀：物质在加热或冷却时的热胀冷缩现象称为热膨胀。 朗伯特定律：l e I I α-=0，在介质中光强随传播距离呈指数形式衰减的规律即称为朗伯特定律。 热稳定性：指材料承受高温的急剧变化而不致破坏的能力，也称为抗热震性。 滞弹性：指材料在交变载荷的情况下表现为应变对应力的滞后特性即称为滞弹性。 应力感生有序：溶解在固溶体中孤立的间隙原子，置换原子，在外加应力时，这些原子所处的位置的能量即出现差异，因而原子要发生重新分布，即产生有序排列，这种由于应力引起的原子偏离无序状态分布叫应力感生有序。 穆斯堡耳效应：固体中的无反冲核共振吸收即为穆斯堡尔效应。 高分子的分子结构：指除具有低分子化合物所具有的，如同分异构、几何异构、旋光异构等结构特征之外，还有高分子量，通常由103~105个结构单元组成的众多结构特点。 高分子的聚集态结构：是指大分子堆砌、排列的形式和结构。 均方末端距：是描述高分子链的形状和大小时采用末端距的2次方的平均值，用r 2表示，称为均方末端距。 二、填空题 1、下图为聚合物的蠕变和回复曲线，可见一个聚合物材料的总形变是三种形变之和，其中 ε1为普弹形变、 ε2为高弹形变、 ε3为粘性流动。 2、从微观上分析，光子与固体材料相互作用的两种重要结果是：电子极化和电子能态转变 3、在光的非弹性散射光谱中，出现在瑞利线低频侧的散射线统称为斯托克斯线，而在瑞利线高频侧的散射线统称为反斯托克斯线。 4、掺杂在各种基质中的三价稀土离子，它们产生光学跃迁的是4f 电子。 5、红宝石是历史上首先获得的激光材料，它的发光中心是C r 3+ 离子。 6、非稳态法测量材料的热导率是根据试样温度场随时间变化的情况来测量材料热传导性能的方法。 7、弹性模量的物理本质是标志原子间结合力的大小。 8、测量弹性模量的方法有两种：一种是静态测量法，另一种是动态测量法。 9、图中表示曲线（a ）表示熔融石英玻璃（SiO 2）、曲线（b ）表示非晶态聚苯乙烯（PS ）的热导率随温度的变化。
材料物理性能试题及其答案
西 安 科 技 大 学 2011—2012学 年 第 2 学 期 考 试 试 题（卷） 学院：材料科学与工程学院 班级： 姓名： 学号：
—2012 学 年 第 2 学 期 考 试 试 题（卷） 学院：材料科学与工程学院 班级： 姓名： 学号：
材料物理性能 A卷答案 一、填空题（每空1分，共25分）： 1、电子运动服从量子力学原理周期性势场 2、导电性能介电性能 3、电子极化原子（离子）极化取向极化 4、完全导电性（零电阻）完全抗磁性 5、电子轨道磁矩电子自旋磁矩原子核自旋磁矩 6、越大越小 7、电子导热声子导热声子导热 8、示差热分析仪（DTA）、示差扫描热分析（DSC）、热重分析（TG） 9、弹性后效降低（减小） 10、机械能频率静滞后型内耗 二、是非题（每题2分，共20分）： 1、√ 2、× 3、× 4、√ 5、× 6、√ 7、× 8、× 9、× 10、√ 三、名词解释（每题3分，共15分）： 1、费米能：按自由电子近似，电子的等能面在k空间是关于原点对称的球面。特别有意义的是E=E F的等能面，它被称为费米面，相应的能量成为费米能。 2、顺磁体：原子内部存在永久磁矩，无外磁场，材料无规则的热运动使得材料没有磁性，当外磁场作用，每个原子的磁矩比较规则取向，物质显示弱磁场，这样的磁体称顺磁体。 3、魏得曼-弗兰兹定律：在室温下许多金属的热导率与电导率之比几乎相同，而不随金属的不同而改变。 4、因瓦效应：材料在一定温度范围内所产生的膨胀系数值低于正常规律的膨胀系数值的现象。
5、弛豫模量：教材P200 四、简答题（每题6分，共30分）： 1、阐述导体、半导体和绝缘体的能带结构特点。 答：①导体中含有未满带，在外场的作用下，未满带上的电子分布发生偏移，从而改变了原来的中心堆成状态，占据不同状态的电子所形成的运动电流不能完全抵消，未抵消的部分就形成了宏观电流；②绝缘体不含未满带，满带中的电子不会受外场的作用而产生偏离平衡态的分布，而一些含有空带的绝缘体，也因为禁带间隙过大，下层满带的电子无法跃迁到空带上来形成可以导电的未满带，所以绝缘体不能导电；③本征半导体的情况和绝缘体类似，区别是其禁带能隙比较小，当受到热激发或外场作用时，满带中的电子比较容易越过能隙，进入上方空的允带，从而使材料具有一定的导电能力；④掺杂半导体则是通过掺入异质元素，从而提供额外的自由电子或者额外的空穴以供下层电子向上跨越，使得跨越禁带的能量变低，电子更加容易进入上层的空带中，从而具有导电能力。 2、简述温度对金属电阻影响的一般规律及原因。 答：无缺陷理想晶体的电阻是温度的单值函数，如果在晶体中存在少量杂质和结构缺陷，那么电阻与温度的关系曲线将要变化。 在低温下，电子-电子散射对电阻的贡献显著，其他温度电阻取决于电子-声子散射。 3、何谓材料的热膨胀？其物理本质是什么？ 答：①热膨胀：材料在加热和冷却过程中，其宏观尺寸随温度发生变化的现象。 ②物理本质：在非简谐近似下，随温度增加，原子热振动不仅振幅和频率增加，其平衡位置距平均尺寸也增加，即导致振动中心右移，原子间距增大，宏观上变现为热膨胀。 4、物质的铁磁性产生的充要条件是什么？ 答：(1) 原子中必须有未填满电子的内层，因而存在未被抵消的自旋磁矩。 (2) 相邻原子间距a与未填满的内电子层半径r之比大于3，即a/r＞3。 5、内耗法测定α-Fe中碳的扩散（迁移）激活能H的方法和原理。 答：参考教材P-211 五、论述题（每题10分，共10分）：
材料物理性能试题(研究生ZHONG)
材料物理性能试题 1从物理本质上叙述晶体中电子能量结构的导带、价带和禁带产生的原因，并利用能带理论的初步知识说明材料的一些物理性质(举一例即可) 答：晶体的能带结构与该晶体结构和势能函数决定 具有空能级允带的电子是自由的，称为导带，可以在外电场作用下导电 导体（金属）能带中一定有未满带，称为价带、导带 半导体，绝缘体中能量最高的满带叫价带能量最低的空带叫导带 禁带：离子所造成的势场是不均匀的，能量存在周期性变化，有能隙。称作禁带。k=n π/a 和k=2π/λ（λ为电子波长），可以得到2a=n λ，即。响铃原子的背向散射波干涉相长，使入射波遭到全反射而不能进入晶体内部，应此在自由电子准连续能谱中形成禁带。 导电行，半导体、太阳能电视电池 2 表征超导体性能的三个主要指标是什么?目前氧化物超导体应用的主要弱点是什么? 答：临界转变温度、临界磁场强度、临界电流密度。 主要弱点是临界电流密度低。 3 铂线300 K 时电阻率为1×10-7Ω·m ，假设铂线成分为理想纯。试求1000 K 时的电阻率。 T 0772*******(1)1+T 1+T 5110 2.27101+1+ 2.2 T m T T ρραρααρρραα--=+=?==??=?Ω 解： 4 试说明压电体、热释电体、铁电体各自在晶体结构上的特点。 答：压电晶体的结构是不具有对称中心。铁电晶体也具有压电性，它的晶体结构也不具有对称中心；铁电体一定是离子性晶体，是具有自发极化的一种压电体，但并不是所有的压电体都是铁电体。热释电体也是一种压电体，晶体结构同样不具有对称中心；温度变化可以引起极化强度改变，但不一定所有的压电体都是热释电体，有的铁电体也是热释电体。总之，压电体、铁电体和热释电体都是不具有对称中心的晶体。 5 工厂中发生“混料”现象。假如某钢的淬火试样，又经不同回火后混在一起了。可用何法将每个不同温度回火、淬火试样区分开来（不能损伤试样）。 答：磁性能分析：淬火钢在回火过程中，马氏体和残余奥氏体都要发生分解而引起饱和磁化强度的变化。在回火过程中残余奥氏体分解的产物都是铁磁相，会引起饱和磁化强度的升高，而马氏体分解析出的碳化物是弱铁磁相，会引起饱和磁化强度的降低。回火第一阶段（20～