无机材料物理性能题库

无机材料物理性能题库 一、填空题 1、晶体中的塑性变形有两种基本方式： 滑移 和  孪晶   。 2、影响弹性模量的因素有 晶体结构 、 温度 、 复相 。 3、一各向异性材料，弹性模量E=109pa，泊松比u=0.2，则其剪切模量G=（  ）。 4、裂纹有三种扩展方式或类型：  掰开型  ，  错开型 和  撕开型  。其中掰开型  是低应力断裂的主要原因。 5、 弹性模量E是一个只依赖于材料基本成份的参量，是 原子间结合强度 的一个标志，在工程中表征材料对 弹性变形 的抗力，即材料的 刚度  。. 6、无机材料的热冲击损坏有两种类型：抗热冲击断裂性和抗热冲击损伤性。 7、从对材料的形变及断裂的可知，在晶体结构稳定的情况下，控制强度的主要参数有三个：  弹性模量 ， 裂纹尺寸 和  表面能 。 8、根据材料在弹性变形过程中应力和应变的响应特点, 弹性可以分为 理想弹性 和  非理想弹性 两类。 9、Griffith微裂纹理论从能量的角度来研究裂纹扩展的条件, 这个条件是 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 。（2分） 10、在低碳钢的单向静拉伸试验中，整个拉伸过程中的变形可分为  弹性变形 、屈服变形 、  均匀塑性变形  以及  不均匀集中塑性变形  4个阶段。 11、一25cm长的圆杆，直径2.5mm，承受4500N的轴向拉力。如直径拉伸成2.4mm，问：设拉伸变形后，圆杆的体积维持不变，拉伸后的长度为  27.13 cm  ；在此拉力下的真应力为  9.95×108 Pa  、真应变为 0.082  ；在此拉力下的名义应力为 9.16×108 Pa  、名义应变为 0.085  。 12、热量是依晶格振动的格波来传递的, 格波分为  声频支 和  光频支 两类. 13．激光的辐射3个条件：(1) 形成分布反转，使受激辐射占优势；(2)具有共振腔，以实现光量子放大；(3)至少达到阀值电流密度，使增益至少等于损耗。 14、杜隆—伯替定律的内容是：恒压下元素的原子热容为  25J/Kmol  。 15、在垂直入射的情况下，光在界面上的反射的多少取决于两种介质的 相对折射率 。 18、导电材料中载流子是 离子 、 电子 和空位。 19、金属材料电导的载流子是自由电子，而无机非金属材料电导的载流子可以是电子、电子空穴，或离子、离子空位。 20、晶体的离子电导可以分为离子固有电导／或本征电导  和 杂质电导两大类。 21、电子电导的特征是具有  霍尔效应  效应，离子电导的特征是具有 电解效应。 22、晶体中热阻的主要来源是  声子  间碰撞引起的散射. 23、将两种不同金属联成回路，如果两接点处温度不同，在回路中会产生三种热电效应，分别为  帕尔帖效应  、  汤姆逊效应  和  赛贝克效应  。 24、当一根金属导线两端温度不同时，若通以电流，则在导线中除产生焦耳热外，还要产生额外的吸放热现象，这种热电现象称为汤姆逊效应。 25、如在两根不同的金属丝之间串联进另一种金属，只要串联金属两端的温度相同,则回路中产生的总热电势只与原有的两种金属的性质有关,而与串联入的中间金属无关，这称为中间金属定律。 26、电场周期破坏的来源是：晶格热振动、杂质的引入、位错、裂缝等。 19、下两图(a)与(b)中，(a)图是  n 型半导体的能带结构图，(b)图是 p 型半导体的能带结构图。 22．在半导体材料中，载流子散射主要有两方面的原因： 电离杂质散射 和 晶格振动散射 。 27、本征半导体硅的禁带宽度是 1.14eV，它能吸收的辐射的最大波长为 1087.6 nm  。(普朗克恒量 h＝6.63×10-34J·s， 1eV＝1.6×10-19J) 23、超导体的两个基本特性是  完全导电性  和  完全抗磁性 。 26、材料由正常态转变为超导态的温度称为临界温度。 24、所谓的123材料的化学式为YBa2Cu3O7-δ 。 24、介质的极化有两种基本形式： 松弛极化 和  位移式极化 。 25、BaTiO3电介质在居里点以下存在电子位移极化、离子位移极化、离子松弛极化和自发极化四种极化机制. 16、实际使用中的绝缘材料都不是完善的理想的电介质，也就是说其电阻都不是无穷大，在外电场的作用下，总有一些带电粒子会发生移动而引起微弱的电流，我们把这种微小电流称为 漏导电流。 17、在电场作用下，电介质的介质损耗是E2或者tg（或者按有关概念回答）。 17、热击穿的本质是介质在电场中 极化 ，介质损耗发热，当热量在材料内积累,材料温度升高，当出现永久性损坏。 26、电介质的击穿形式有 电击穿  ，热击穿  和   化学击穿  三种形式。 29、对介质损耗的主要影响因素是 频率 和 温度 。 29、物质的磁性是由  电子 的运动产生的. 30、材料磁性的本源是材料内部电子的  循轨  和  自旋运动  。 31、材料的抗磁性来源于  电子循轨运动  时受外加磁场作用所产生的抗磁矩。 二、选择题 1．滑移是在（D）作用下，在一定滑移系统上进行的。 (A)．压应力  (B).拉应力  (C).正应力    (D).剪应力 2. 在结晶的陶瓷中，滞弹性弛豫最主要的根源是残余的(B)。 (A).晶相  (B).玻璃相    (C).气相  (D).液相 3. 对于理想弹性材料, 在外载荷作用下, 哪个说法是不正确的(B) (A). 应力和应变服从虎克定律; (B). 应变对于应力的响应是非线性的; (C). 应力和应变同相位; (D). 应变是应力的单值函数. 4. 裂纹的扩展方式有几种，其中(A)扩展是低应力断裂的主要原因。 (A). 掰开型  (B). 错开型  (C). 撕开型  (D). 裂开型 5. 下列各参数中, 不是材料本征参数的是(D) (A). KIC(平面应变断裂韧性)    (B). E(弹性模量)  (C). γ(表面能)  (D). R(电阻) 6. 下列硬度实验方法中不属于压入法的是(D) (A). 肖式硬度  (B). 维式硬度  (C). 布式硬度  (D). 莫式硬度 7. 下列硬度实验方法中属于动载压入法的是(C) (A). 布式硬度  (B). 洛式硬度  (C). 肖式硬度  (D). 维式硬度 8. 下列说法中是描述德拜模型的是(D) (A). 晶体中每个原子都是一个独立的振子; (B). 原子之间彼此无关; (C). 所有原子都以相同的频率振动; (D). 考虑晶体中原子的相互作用. 9. 下列说法正确的是(A) (A). 硬度是描述材料软硬程度的一种力学性能; (B). 晶体中热阻的主要来源是原子间碰撞引起的散射; (C). 硬度有统一的意义, 物理意义和含义相同; (D). 各硬度之间有固定的换算关系. 10. 下列极化形式中不消耗能量的是(B). (A). 转向极化    (B).电子位移式极化  (C).离子松弛极化    (D).电子松弛极化 11．图中所示为几种典型材料在室温下的力—伸长曲线，其中哪条曲线是陶瓷—玻璃类材料的力—伸长曲线。(D) (A)．曲线1      (B). 曲线2        (C). 曲线5          (D). 曲线4 12、下列叙述正确的是      （  A ） （A）一条形磁介质在外磁场中被磁化，该介质一定为顺磁质； （B）一条形磁介质在外磁场中被磁化，该介质一定为抗磁质； （C）一条形磁介质在外磁场中被磁化，该介质一定为铁磁质； （D）顺磁质，抗磁质，铁磁质在外磁场中都会被磁化。 13 、一种磁介质的磁化率 则它是   （  B  ） （A）铁磁质； （B）抗磁质； （C）顺磁质； （D）无法判断，若要判断，还须另外条件。 三、名词解释 1、包申格效应——金属材料经预先加载产生少量塑性变形（残余应变小于4%），而后再同向加载，规定残余伸长应为增加，反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。 2、塑性——材料的微观结构的相邻部分产生永久性位移，并不引起材料破裂的现象。 3、硬度——材料表面上不大体积内抵抗变形或破裂的能力，是材料的一种重要力学性能。 4、应变硬化——材料在应力作用下进入塑性变形阶段后，随着变形量的增大，形变应力不断提高的现象。 5、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。 6、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。 7、压电性——某些晶体材料按所施加的机械应力成比例地产生电荷的能力。 8、电解效应——离子的迁移伴随着一定的质量变化，离子在电极附近发生电子得失，产生新的物质。 9、逆压电效应——某些晶体在一定方向的电场作用下，则会产生外形尺寸的变化，在一定范围内，其形变与电场强度成正比。 10、压敏效应——指对电压变化敏感的非线性电阻效应，即在某一临界电压以下，电阻值非常高，几乎无电流通过；超过该临界电压(敏压电压)，电阻迅速降低，让电流通过。 11、热释电效应——晶体因温度均匀变化而发生极化强度改变的现象。 12、光电导——光的照射使材料的电阻率下降的现象。 13、磁阻效应——半导体中，在与电流垂直的方向施加磁场后，使电流密度降低，即由于磁场的存在使半导体的电阻增大的现象。 14、光伏效应——指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。 15、电介质——在外电场作用下，能产生极化的物质。 16、极化——介质在电场作用下产生感应电荷的现象。 17、电介质极化——在外电场作用下，电介质中带电质点的弹性位移引起正负电荷中心分离或极性分子按电场方向转动的现象。 18、 电子位移极化(也叫形变极化) ——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叫电子位移极化，也叫形变极化。 19、离子位移极化 ——离子晶体在电场作用下离子间的键合被拉长，导致电偶极矩的增加, 被称为离子位移极化。 20、松弛极化——当材料中存在着弱联系电子、离子和偶极子等松弛质点时，热运动使这些松弛质点分布混乱，而电场力图使这些质点按电场规律分布，最后在一定温度下，电场的作用占主导，发生极化。这种极化具有统计性质，叫作松驰极化。松驰极化是一种不可逆的过程，多发生在晶体缺陷处或玻璃体内。 21、电介质的击穿——电介质只能在一定的电场强度以内保持绝缘的特性。当电场强度超过某一临界值时，电介质变成了导体，这种现象称为电介质的击穿，相应的临界电场强度称为介电强度或击穿电场强度。 22、偶极子（电偶极子）——正负电荷的平均中心不相重合的带电系统 23、介质损耗——将电介质在电场作用下，单位时间消耗的电能叫介质损耗。 24、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。 25、铁磁体——主要特点:在较弱的磁场内,铁磁体也能够获得强的磁化强度,而且在外磁场移去,材料保留强的磁性.原因:强的内部交换作用,材料内部有强的内部交换场,原子的磁矩平行取向,在物质内部形成磁畴 26、机电耦合系数——压电材料中产生的电能和输入的机械总能量之比的平方。 27、铁电体——能够自己极化的非线性介电材料，其电滞回路和铁磁体的磁滞回路形状相近似。 28、软磁材料——容易退磁和磁化(磁滞回线瘦长),具有磁导率高,饱和磁感应强度大,矫顽力小,稳定型好等特性。 29、磁致伸缩——铁磁物质磁化时，沿磁化方向发生长度的伸长或缩短的现象。 30、霍尔效应——沿试样x轴方向通入电流I（电流密度JX），Z轴方向加一磁场HZ，那么在y轴方向上将产生一电场Ey。 31、固体电解质——固体电解质是具有离子导电性的固态物质。这些物质或因其晶体中的点缺陷或因其特殊结构而为离子提供快速迁移的通道,在某些温度下具有高的电导 率(1～106西门子/厘米),故又称为快离子导体。 四、简答题 1、试述韧性断裂与脆性断裂的区别，为什么说脆性断裂最危险？（8分） 答：韧性断裂和脆性断裂的区别在于：前者在断裂前及断裂过程中产生明显宏观塑性变形，后者无宏观塑性变形；前者断裂过程缓慢，而后者为快速断裂过程；前者断口呈暗灰色，纤维状，后者齐平光亮，呈放射状或结晶状。（6分） 脆性断裂的危险性在于断裂前不产生明显的宏观塑性变形，无明显前兆。（2分） 2、试分析应如何选择陶瓷制品表面釉层的热膨胀系数，可以使制品的力学强度得以提高。（6分） 答：一般陶瓷用品，选择釉的膨胀系数适当地小于坯体的膨胀系数时，制品的力学强度得以提高。（2分） 原因：（1）釉的膨胀系数比坯小，烧成后的制品在冷却过程中表面釉层的收缩比坯体小，使釉层中存在压应力，均匀分布的预压应力能明显地提高脆性材料的力学强度。同时，这一压应力也抑制釉层微裂纹的发生，并阻碍其发展，因而使强度提高；（2分） （2）当釉层的膨胀系数比坯体大，则在釉层中形成张应力，对强度不利，而且过大的张应力还会使釉层龟裂。（1分） 另：釉层的膨胀系数不能比坯体小太多，否则会使釉层剥落，造成缺陷。（1分） 3、下图为典型的低碳钢拉伸时的力---伸长曲线。试根据该图回答以下问题：(12分) (1)整个拉伸过程中的变形可分为哪四个阶段？ (2) 如该曲线的横坐标为应变ε，纵坐标为应力σ，则从曲线中可读出：比例极限，弹性极限，屈服点，抗拉强度，分别将各参数在图中标出。 (3) 弹性比功如何计算，如何提高材料的弹性比功。 答：（1）整个拉伸过程中的变形可分为哪四个阶段：弹性变形、屈服变形、均匀塑性变形和不均匀集中塑性变形。（4分） （2）见图（4分） （3）定义：材料在弹性变形过程中吸收变形功的能力，又称为弹性比能或应变比能，表示材料的弹性好坏。（2分） 提高材料的弹性比功的途径：提高σe；降低E（2分） 4、试从晶体的势能曲线分析在外力作用下塑性形变的位错运动理论。 答：理想中的原子处于周期性势场中，一维单原子链的势能曲线如图，如果在晶体中存在位错，则在位错处的原子处于亚稳定状态，即原子仍处于势阱中，但其能量高于格点上原子的能量，有位错的一维单原子链的势能曲线如图，位错运动所需的能量要小于格点上原子的运动，如果有外力的作用，则使位错运动的能量进一步降低，更有利于位错的运动。 5、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；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。 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、影响塑性形变的因素有哪些？并对其进行说明。 答：晶体结构和键型 本征因素：晶粒内部的滑移系统相互交截、晶界处的应力集中、晶粒大小和分布； 外来因素：晶界作为点缺陷的源和阱，易于富积杂质，沉淀有第二相。特别当含有低熔点物质时，多晶材料的高温塑性滑移首先发生在晶界。（杂质在晶界的弥散、晶界处的第二相、晶界处的气孔。 8、断裂能包括哪些内容？ 答：热力学表面能：固体内部新生单位原子面所吸收的能量。塑性形变能：发生塑变所需的能量。相变弹性能：晶粒弹性各向异性、第二弥散质点的可逆相变等特性，在一定的温度下，引起体内应变和相应的内应力。结果在材料内部储存了弹性应变能。微裂纹形成能：在非立方结构的多晶材料中，由于弹性和热膨胀各向异性，产生失配应变，在晶界处引起内应力。当应变能大于微裂纹形成所需的表面能，在晶粒边界处形成微裂纹。 9、什么是裂纹的快速扩展？ 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，而是决定于裂纹的大小，即由最危险的裂纹尺寸（临界裂纹尺寸）决定材料的断裂强度。当裂纹由成核生长和亚临界扩展发展到临界尺寸，此时K1的数值也随着裂纹的扩展增长到K1c的数值。至此裂纹的扩展从稳态转入动态，出现快速断裂。或裂纹尖端屈服区附近足够大的内应力达到了足以撕开原子间键，导致固体沿着原子面发生解理。 10、克服材料脆性和改善其强度的关键是什么？ 答：提高材料的断裂能，便于提高抵抗裂纹扩展的能力；减小材料内部所含裂纹缺陷的尺寸，以减缓裂纹尖端的应力集中效应。 11、说明KI和KIC的异同。（5分） 答：两者的不同点： 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；（2分） 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。（2分） 两者的相同点：两者均是材料力学性能的描述，单位一致，计算公式基本一致。（1分） 12、材料的弹性模数主要取决于什么因素？无机非金属材料的弹性模数受什么因素影响最严重？（5分） 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。 其中，无机非金属材料的弹性模数主要受微观组织影响最严重。（2分） 13、简述提高无机材料强度，改进材料韧性的措施。(10分) 答：1、微晶、高密度与高纯度 2、提高抗裂能力与预加应力 3、化学强化 4、相变增韧 5、弥散增韧 14、根据抗热冲击断裂因子对热稳定性的影响，分析提高抗热冲击断裂性能的措施。(10分) 答：提高抗热冲击断裂性能的措施： （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。 15、什么是相变增韧?利用ZrO2由四方转变成单斜相的相变过程可以改善陶瓷材料的断裂韧性，简述其机理。 答：相变增韧是利用多晶多相陶瓷中某些相在不同温度下发生相变从而增韧的效果. （4分） ZrO2由四方转变成单斜相的相变过程中,体积增加3-5%，（2分）这体积效应使得材料内部产生应力或者微裂纹。（2分）当材料受到外力作用时，材料内部因为应力集中或者微裂纹可以部分或者全部抵抗外力作用，从而改善材料的断裂韧性。（2分） 16、请定性介绍陶瓷受球形压力作用时，压痕应力场下材料中裂纹的形成至材料断裂的过程。 答：压痕裂纹可能起源于试样上原有的裂纹，也可能是在压头加载时产生的。（2分）陶瓷受球形压力作用，先产生弹性形变，抵抗部分外加应力；然后产生塑性变形。（2分）当弹性变形和塑性形变都不能够完全抵抗外加作用力时，材料形成诱发裂纹，首先是应力集中点成核。（2分）一个给定的裂纹能否充分发展成临界状态的裂纹，取决于其尺度、位置和其与张应力轴的相对取向，即在能量方面它应该具有足够克服阻碍裂纹发展的初级势垒的条件，满足Griffith裂纹扩展理论。（2分）裂纹扩展分成稳态的裂纹扩展过程（当应变能释放率足以支付断裂表面能增量，原子键的破坏就会发生）和动态的裂纹扩展过程（原子键的破坏过程呈分段的连续性），最后材料断裂。（2分） 17、提高无机材料透光性的措施有哪些？ 答: (1)提高原料的纯度 (2)添加外加剂:一方面这些质点将降低材料的透光率,但由于添加这些外加剂将可以降低材料的气孔,从而提高材料的透光率 (3)措施:采用热压法比普通烧结法更容易排除气孔,即降低气孔,将晶粒定向排列将可以提高材料的透光率 18、TiO2广泛应用于不透明搪瓷釉。其中的光散射颗粒是什么？颗粒的什么特性使这些釉获得高度不透明的品质？（5分） 答：其中的光散射颗粒是TiO2（2分），该颗粒不与玻璃相互作用，且颗粒与基体材料的相对折射率很大，再加上颗粒尺寸与光的波长基本相等，则使釉获得高度不透明的品质（3分）。 19、试分析讨论为什么氧化铝（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？（已知： - Al2O3晶体的n0 = 1.760，ne = 1.768；TiO2晶体的n0 = 2.854，ne = 2.567，同时设有200个晶界加以讨论） 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。如相邻晶粒的取向彼此垂直，则晶界面的反射系数：（3分） 对于氧化铝瓷： 对于金红石瓷： 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： 对于金红石瓷： 损失较大，（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。 19、(1) 铁氧体按结构分有哪六种主要结构? (2)半导体激光器中，与激光辐射相关的三个能级跃迁过程是什么? 答: (1)6种：尖晶石型、石榴石型、磁铅石型、钙钛矿型、钛铁矿型和钨青铜型。 (2) 和激光发射有关的跃迁过程是：吸收，自发辐射和受激辐射。E1是基态，E2是激发态，电子在这二个能级中跃迁有能量变化。在自发辐射时，h12的能量相同，但其位相和传播方向等各不相同，而在受激辐射时， h12的所有特性如能量，位相和传播方向等都相同。 20、金属、半导体的电阻随温度的升高如何变化？说明原因。 答：金属的电阻随温度的升高而增大（1分），半导体的电阻随温度的升高而减小（1分）。 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（2分）。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（1分）。 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（1分），在外电场作用下，这些电子将参与导电（1分）。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（2分），在外电场作用下，仍留在满带中的电子也能够起导电作用（1分）。 21、杂质原子使纯金属的电导率如何变化？说明原因。 答：杂质原子使纯金属的电导率下降（2分），其原因是：溶质原子溶入后，在固溶体内造成不规则的势场变化（1分），严重影响自由电子的运动（2分）。 22、何谓双碱效应？以K2O，Li2O氧化物为例解释产生这种现象的原因。 答：双碱效应是指当玻璃中碱金属离子总浓度较大时(占玻璃组成25—30％)，碱金属离子总浓度相同的情况下，含两种碱金属离子比含一种碱金属离子的玻璃电导率要小。当两种碱金属浓度比例适当时，电导率可以降到很低。 这种现象的解释如下：K2O，Li2O氧化物中，K+和Li+占据的空间与其半径有关，因为(rK+＞rLi+)，在外电场作用下，一价金属离子移动时， Li+离子留下的空位比K+留下的空位小，这样K+只能通过本身的空位。 Li+进入体积大的K+空位中，产生应力，不稳定，因而也是进入同种离子空位较为稳定。这样互相干扰的结果使电导率大大下降。此外由于大离子K+ 不能进入小空位，使通路堵塞，妨碍小离子的运动，迁移率也降低。 23、何谓压碱效应？解释产生这种现象的原因。 答：压碱效应是指在含碱破璃中加入二价金属氧化物，特别是重金属氧化物，使玻璃的电导率降低，相应的阳离子半径越大，这种效应越强。 压碱效应现象的解释：这是由于二价离子与玻璃中氧离子结合比较牢固，能嵌入玻璃网络结构，以致堵住了迁移通道，使碱金属离子移动困难，因而电导率降低。如用二价离子取代碱金属离子，也得到同样效果。 24、表征超导体性能的三个主要指标是什么？（6分） 答：超导体性能的三个主要指标为： 临界转变温度TC，即成为超导态的最高温度；（2分） 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；（2分） 临界电流密度JC，即材料保持超导状态的最大输入电流。（2分） 25、何谓塞贝克效应？其实质及产生的原因是什么? 答: 当两种不同的金属或合金A、B联成闭合回路，且两接点处温度不同，则回路中将产生电流，这种现象称塞贝克效应。 其实质在于两种金属接触时会产生接触电势差。这种接触电势差是由于两种金属中电子逸出功不同及两种金属中电子浓度不同所造成的。 26、(1)什么是西贝克(Seeback)效应? 它是哪种材料的基础。(2)超导体二个基本性能指标“零电阻及其临界转变温度”和“完全抗磁性及临界磁场强度”是什么? 答: (1)西贝克(Seeback)效应是温差电动势效应--广义地,在半导体材料中,温度和电动势可以互相产生.实际上是材料的热和电之间转化,可以指导人们在热电之间建立相互联系，是热电材料的基础。 (2)零电阻及其临界转变温度: 在超导体环路中感生一电流,在一段时间内电流下降是I=I0exp(-(R/L)2), R:环路电阻值,L:环路自感,I0:观察时间内感生电流,若R<10-26?cm,可以认为是零电阻.这时候的温度是由正常导电态转变成超导体的温度--临界转变温度. 完全抗磁性和临界磁场强度: 在超导体处在磁场中,超导体在表面形成屏蔽电流,使得外加的磁场被排斥在超导体之外.当屏蔽电流到达一定值,超导体就被破坏,成为导体. 27、请阐述PTC现象的机理。 答: PTC现象发现以来，有各种各样的理论试图说明这种现象。其中，Heywang理论能较好地说明PTC现象。该理论认为n型半导体陶瓷的晶界上具有表面能级，此表面能级可以捕获载流子，从而在两边晶粒内产生一层电子耗损层，形成肖特基势垒。这种肖特基势垒的高度与介电常数有关。在铁电相范围内，介电系数大，势垒低。当温度超过居里点，根据居里-外斯定律，材料的介电系数急剧减少，势垒增高，从而引起电阻率的急剧增加。 28、何谓空间电荷？陶瓷中产生空间电荷的原因有哪些？ 答：在电场作用下，不均匀介质的正负间隙离子分别向负正极移动，引起瓷体内各点离子密度变化，即出现电偶极矩，在电极附近积聚的离子电荷就是空间电荷。 实际上，除了介质的不均匀性以外，晶界、相界、晶格畸变、杂质等缺陷区都可成为自由电荷（间隙离子、空位、引入电子等）运动的障碍。在这些障碍处，自由电荷积聚形成空间电荷，同理，宏观不均匀性，如夹层、气泡等部位也能形成空间电荷。 29、介质损耗的形式有哪些？ 答：（1）电导（漏导）损耗（1分） （2）极化损耗（1分） （3）电离损耗（1分） （4）结构损耗（1分） （5）宏观结构不均匀的介质损耗（1分） 30、绝缘材料有哪些主要损坏形式，并分别加以解释。（5分） 答：绝缘材料的损坏形式主要为击穿，包括电击穿、热击穿和化学击穿三种。（2分） 电击穿：材料的电击穿是一个“电过程”，即仅有电子参加。是在强电场作用下，原来处于热运动状态的少数“自由电子”的定向运动加速而产生“雪崩”现象，导致介质击穿，电击穿是瞬间完成的。（1分） 热击穿：绝缘材料在电场下工作，由于各种形式的损耗，部分电能转变成热能，使材料被加热，当温度超过一定限度时，材料出现烧裂、熔融等现象，丧失绝缘能力。（1分） 化学击穿：绝缘材料在高温、潮湿、高电压或腐蚀性环境下工作，由于电解、腐蚀、氧化、还原等原因而导致丧失绝缘能力。（1分） 31、化学击穿有哪两种机理？ 答：一种是在在直流和低频交变电压下，由于离子式电导引起电解过程，材料中发生电还原作用（2分），使材料的电导损耗急剧上升（1分），最后由于强烈发热成为热化学击穿（1分）； 另一种化学击穿是当材料中存在封闭气孔时，由于气体的游离放出的热量使器件温度迅速上升（2分），变价金属在高温下氧化物还原（2分），使材料电子式电导大大增加（1分），电导的增加反过来又使器件强烈发热，导致最终击穿（1分）。 32、阐述温度对电击穿、热击穿和化学击穿各有什么影响？ 答：温度对电击穿影响不大（1分），因为在电击穿过程中，电子的运动速度、粒子的电离能力等均与温度无关（1分），因此在电击穿的范围内温度的变化对E穿没有什么影响（1分）； 温度对热击穿影响较大（1分），首先温度升高使材料的漏导电流增大（1分），这使材料的损耗增大，发热量增加，促进了热击穿的产生（1分）。此外，环境的温度升高使元器件内部的热量不容易散发，进一步加大了热击穿的倾向（1分）； 温度使材料的化学反应加速（1分），促使材料老化，从而加快了化学击穿的进程（1分）。 33、为什么说所有的物质都是磁介质？（5分） 答：材料磁性的本源是材料内部电子的循轨和自旋运动（2分）。而物质的磁性是由电子的运动产生的（1分）。任何物质都是由电子和原子核组成的，所以说所有的物质都是磁介质（2分）。 34、下图为铁磁性材料的典型磁滞回线，试根据该图回答以下问题：（13分） （1）从图中分别读出饱和磁感应强度、矫顽力、剩余磁感应强度；（3分） （2）什么是磁滞效应？应如何计算磁滞损耗？（4分） （3）根据磁滞回线的形状，可将磁性材料分为哪两种材料，并分别说明这些材料的主要性能标志。（6分） 答：（1）饱和磁感应强度为Bs，矫顽力为Hc，剩余磁感应强度为Br；（3分） （2）磁滞效应是指铁磁材料的磁感应强度的变化总是落后于磁场强度的变化，是铁磁材料的重要特性之一。（2分） 磁滞损耗的计算：磁滞回线所包围的面积即为磁化一周所产生的能量损耗，亦为磁滞损耗。（2分） （3）根据磁滞回线的形状，可将磁性材料分为软磁材料和硬磁材料。（2分） 软磁材料的主要性能标志：磁滞回线细小，高导磁率、高的磁感应强度、小的剩余磁感应强度、低的矫顽力、低的磁滞损耗。（2分） 硬磁材料的主要性能标志：磁滞回线宽肥，具有高的矫顽力、高的剩余磁感应强度、高的磁能积等。（2分） 35、试说明材料产生铁磁性的条件。（8分） 答：材料产生铁磁性的条件： 有未被抵消的自旋磁矩；（4分） 自旋磁矩自发地同向排列，产生自发磁化。（4分） 1. 设条件应力为σ，真实应力为S，试证明S>σ。 2. 材料的弹性模数主要取决于什么因素？无机非金属材料的弹性模数受什么因素影响最严重？ 5. 根据抗热冲击断裂因子对热稳定性的影响，分析提高抗热冲击断裂性能的措施。 7. 物质中为什么会产生抗磁性？ 9. 铁磁性材料中为什么会形成磁畴？ 10. 试画出P型与n型半导体接合前后的能带结构。 11. 分析p-n结的电整流作用。 13. 降低材料介质损耗的措施。 14. 一入射光以较小的入射角i和折射角r穿过一透明玻璃板。证明透过后的光强系数为（1-m）2。设玻璃对光的衰减不计。 17. 什么是超塑性, 产生超塑性需具备哪些条件? 18．弹性变形的特点及其本质是什么？ 19．理想弹性材料应符合哪些条件？ 20．产生超塑性的条件是什么？ 五、 计算题 1、通常纯铁的γs = 2 J/m2，E = 2 × 105 MPa，a0 = 2.5 × 10-10 m, 试求其理论断裂强度。（8分） 答： 根据理想晶体脆性断裂理论强度公式： 2、一陶瓷含体积百分比为95%的Al2O3（E=380GPa）和5%的玻璃相（E=84GPa），计算上限及下限弹性模数。（12分） 答：陶瓷的上限弹性模数：（6分） 陶瓷的下限弹性模数：（6分） 3、已知TiO2陶瓷介质的体积密度为4.24g/cm3，分子量为79.9，该介质的化学分子式表达为AB2，eA=0.27210-24cm3，eB=2.7610-24cm3，试用克——莫方程计算该介质在可见光频率下的介电系数，实测=7.1，请对计算结果进行讨论。 答：克——莫方程为： (r-1)/(r+2)=niI/30 在光频下，仅有电子位移对介电常数有影响，在金红石晶体中有两种原子，其中一个钛原子、两个氧原子，并由国际单位制换算成厘米克秒制单位，此时克——莫方程可写为： (-1)/( +2)= 4（n eTi4++2neO2-）/3n=(/M)6.021023 通过计算可得：=11.3与实测=7.3进行比较，有较大的差别，其原因主要是在推导克——莫方程时，忽略了影响局部电场中的E3，而E3=0，仅适用于分子间作用很弱的气体、非极性液体、非极性固体、具有适当对称性的立方型结构固体。而金红石为四方型结构，由于其结构与组成的特点，其E3对局部电场的贡献不能被忽略。 4、有一材料 ， ，试计算在 的拉应力作用下，该材料的临界裂纹长度。（4分） 答： 则该临界裂纹长度为0.416mm. 5、有一构件，实际使用应力σ为1.30Gpa，有以下两种钢待选： 甲钢：σys=1.95GPa，KIC=45MPa m1/2 乙钢：σys=1.56GPa，KIC=75MPa m1/2 试根据传统及断裂力学观点分析哪种钢更安全, 并说明原因.（6分） (已知: Y=1.5, 最大裂纹尺寸为1mm)。 答：根据传统设计观点：σ*安全系数≤屈服强度 甲钢的安全系数：n=σys/σ=1.95/1.30=1.5 乙钢的安全系数：n=σys/σ=1.56/1.30=1.2 可见，选择甲钢比乙钢安全。（2分） 但是，根据，构件的脆性断裂是裂纹扩展的结果，所以应该计算KI是否超过KIC。 据计算，Y=1.5，设最大裂纹尺寸为1mm，则由 算出：（1分） 甲钢的断裂应力：σc= （1分） 乙钢的断裂应力：σc= （1分） 可见，甲钢不安全，会导致低应力脆性断裂；乙钢安全可靠。 可见，两种设计方法得出截然相反的结果。按断裂力学观点设计，既安全可靠，又能充分发挥材料的强度，合理使用材料。而按传统观点，片面地追求高强度，其结果不但不安全，而且还埋没了乙钢这种非常合用的材料。（1分） 六、 综合问答题（20分） 1、请以含有无气孔、5%玻璃相（该玻璃相从温度1000℃开始软化，1100℃完全变成液相）的氧化铝陶瓷为例子，说明：（1）该陶瓷分别在1050OC和1150℃时，受不断增加的应力作用时，陶瓷材料变形到断裂的变化过程。（2）在恒定应力作用（该应力在室温是陶瓷材料弹性变形的极限应力）下，在1050℃时，影响该氧化铝陶瓷高温蠕变的因素有那些?（3）你认为提高这种氧化铝陶瓷抗热冲击断裂性能的措施。 答：（1）在1050℃，该陶瓷含有5%软化玻璃相。（1分）受不断增加的应力作用时，陶瓷材料先产生弹性形变，抵抗部分外加应力。（1分）由于材料有5%软化玻璃相；然后产生粘弹性的塑性变形。（1分）当弹性变形和塑性形变都不能够完全抵抗外加作用力时，材料形成诱发裂纹，直到裂纹扩展，材料断裂。（1分） 在1150℃时，该陶瓷含有5%玻璃相转变成液相。（1分）受不断增加的应力作用时，陶瓷材料先产生弹性形变，抵抗部分外加应力。（1分）由于材料有5%液相，材料中有一定的塑性变形。（1分）当弹性变形和塑性形变都不能够完全抵抗外加作用力时，材料形成诱发裂纹，直到裂纹扩展，材料断裂。（1分）材料中液相之间的作用力比固相大，材料在固相部分断裂；（1分）材料中液相之间的作用力比固相小，材料在液相部分断裂。（1分） （2）在恒定应力作用（该应力在室温是陶瓷材料弹性变形的极限应力）下，在1050℃时，影响该氧化铝陶瓷高温蠕变的因素有那些? 晶粒尺寸：不同的晶粒尺寸范围决定了不同的蠕变机理起控制速率的作用。当晶粒比较大，蠕变速率受晶格机理控制，当晶粒比较小，情况相对复杂，二种晶界机理和晶格机理都可能起作用（1分） 固溶合金原子：固溶合金原子对蠕变行为的影响首先取决于控制蠕变的机理，即受固溶原子分布状态的影响,其次也可能改变晶界的应力指数，改变材料蠕变的机理。固溶合金原子可以提高或者降低材料的蠕变速率（1分） 亚结构的形成：位错、晶界等不同亚结构的形成（1分） 晶界剪切：晶界的滑移（1分） 第二相物质：在材料的晶界上存在的第二相，其性质将决定材料高温蠕变的形式或者机理（1分） （3）提高这种氧化铝陶瓷抗热冲击断裂性能的措施： 提高材料强度，减少弹性模量E，提高/E。实质是提高材料的柔韧性（1分） 提高材料的热导率，使得R提高（1分） 减少材料的热膨胀系数（1分） 减少表面热传递系数h（1分） 减少产品的有效厚度（1分） 2、请论述量子自由电子导电理论与经典导电理论的异同点。 答：（1）经典电子理论：经典理论认为，在金属晶体中，离子构成了晶格点阵，并形成一个均匀的电场（2分），价电子是完全自由的，称为自由电子（1分），他们弥散分布于整个点阵之中，就像气体分子充满整个容器一样，因此称为“电子气（2分）”。自由电子的运动遵循经典力学气体分子的运动规律，自由电子之间及它们与正离子之间的相互作用仅仅是类似于机械碰撞而已（2分）。 在没有外加电场作用时，金属中的自由电子沿各个方向运动的几率相同，因此不产生电流（1分）。当对金属施加外电场时，自由电子沿电场方向作加速运动，从而形成电流（1分）。 在自由电子定向运动过程中，要不断地与正离子发生碰撞，使电子受阻，这就是产生电阻的原因（2分）。 （2）量子自由电子理论：和经典电子理论一样，量子自由电子理论同样认为金属中正离子形成的电场是均匀的，价电子与离子间没有相互作用，且为整个金属所有，可以在整个金属中自由运动（3分）。但这一理论认为，金属中每个原子的内层电子基本保持着单个原子时的能量状态（2分），而所有价电子却按量子化规律具有不同的能量状态，即具有不同的能级（2分）。该理论认为，电子具有波粒二象性（2分）。 3、何谓p-n结的光生伏特效应? 利用这一效应, 解释太阳能电池的工作原理.(15分) 答：p-n结的光生伏特效应：指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。 如果用能量比半导体禁带宽度还大的光照射p-n结，半导体吸收光能，电子从价带激发至导带，价带中产生空穴。P区的电子向n区移动，n区的空穴向p区移动，结果产生电荷积累，p区带正电，n区带负电，从而产生了电位差。这和费米能级的弯曲相对应，若p-n结两侧被覆欧姆接触电极，与外电路相连就有电流通过。 注：用能带图说明太阳能电池的工作原理 七、分析题(共 8 分) 1、试分析讨论为什么氧化铝（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？（已知： - Al2O3晶体的n0 = 1.760，ne = 1.768；TiO2晶体的n0 = 2.854，ne = 2.567，同时设有200个晶界加以讨论） 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。如相邻晶粒的取向彼此垂直，则晶界面的反射系数：（3分） 对于氧化铝瓷： 对于金红石瓷： 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： 对于金红石瓷： 损失较大，（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。 2、为什么在常温下，大多数无机非金属材料不具备明显的塑性？ 答：（1）、对于单晶体的陶瓷材料而言，原则上讲可以通过滑移和孪晶实现塑性形变，但是由于陶瓷晶体多为离子键或共价键，具有明显的方向性，同号离子相斥，只有个别滑移系统能满足位错运动的几何条件和静电作用，所以单晶陶瓷材料只有少数具有简单晶体结构的晶体，如MgO、AgCl在室温下具有塑性，而其它复杂晶体结构的材料在室温下不能进行塑性变形；（4分） （2）、陶瓷材料一般呈多晶状态，而且还存在气孔、微裂纹、玻璃相等，位错不易向周围晶体传播，更易在晶界处塞积而产生应力集中，形成裂纹引起断裂，所以陶瓷材料很难进行塑性变形；（3分） （3）、非晶态玻璃材料，由于不存在晶体中的滑移和孪生的变形机制，其永久变形是通过分子位置的热激活交换来进行的，属于粘性流动变形机制，塑性变形需要在一定的温度下进行，所以普通的无机玻璃在室温下没有塑性。（3分） 综上所述，在常温下大多数无机非金属材料不具备明显的塑性。 《材料物理性能学》习题 第一章 材料的力学性能 2、设条件应力为σ，真实应力为S，试证明S>σ。 3、材料的弹性模数主要取决于什么因素？无机非金属材料的弹性模数受什么因素影响最严重？ 4、一25cm长的圆杆，直径2.5mm，承受4500N的轴向拉力。如直径拉伸成2.4mm，问： （1）设拉伸变形后，圆杆的体积维持不变，求拉伸后的长度； （2）在此拉力下的真应力和真应变； （3）在此拉力下的名义应力和名义应变。 比较以上计算结果并讨论之。 5、一陶瓷含体积百分比为95%的Al2O3（E=380GPa）和5%的玻璃相（E=84GPa），计算上限及下限弹性模量。如陶瓷含有5%的气孔，估算其上限及下限弹性模量。 6、通常纯铁的γS=2J/m2，E=2*105MPa，a0=2.5*10-10m,试求其理论断裂强度σth。 1、 若一薄板内有一条长3mm的裂纹，且a0=3*10-8mm，试求脆性断裂时的断裂应力σC（设 σth=E/10=2*105MPa）。 8、有一材料E=2*1011N/m2，γS=8N/m，试计算在7*107N/m2的拉力作用下，该材料的临界裂纹长度。 9、说明下列符号的名称和含义：KI，KIC，Y，σC，σth。 10、分析裂纹的起源以及防止裂纹扩展的措施。 11、简述提高无机材料强度，改进材料韧性的措施。 12、求融熔石英的结合强度，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。 13、融熔石英玻璃的性能参数为：E=73GPa；γ=1.56J/m2；理论强度σth=28GPa。如材料中存在最长长度为2um的内裂，且此内垂直于作用力的方向，计算由此而导致的强度的减系数。 14、一陶瓷零件上有一垂于拉应力的边裂，如边裂长度为：（1）2mm；（2）0.049mm；（3）2um，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。讨论诸结果。 第二章    材料的热学性能 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、 康宁1723玻璃（硅酸铝玻璃）具有下列性能参数：λ=0.021J/(cm.s.℃)；α=4.6*10-6/℃； σp=7.0Kg/mm2；E=6700Kg/mm2；ν=0.25。求第一及第二热冲击断裂抵抗因子。 3、试分析应如何选择陶瓷制品表面釉层的热膨胀系数，可以使制品的力学强度得以提高。 4、名词解释：热稳定性、抗热冲击断裂性、抗热冲击损伤性 5、根据抗热冲击断裂因子对热稳定性的影响，分析提高抗热冲击断裂性能的措施。 第三章    材料的磁学性能 1、为什么说所有的物质都是磁介质？ 2、物质中为什么会产生抗磁性？ 3、试说明材料产生铁磁性的条件。 4、铁磁性材料中为什么会形成磁畴？ 第四章    材料的电学性能 1、名词解释：霍尔效应、电解效应、本征半导体、压敏效应、电介质、极化、介电强度、铁电性、压电性、正压电效应、逆压电效应 2、试画出P型与n型半导体接合前后的能带结构。 3、分析p-n结的电整流作用。 5、降低材料介质损耗的措施。 第五章  材料的光学性能 1、名词解释：折射、色散、反射、散射、镜反射、漫反射 2、提高无机材料透光性的措施。 3、TiO2广泛应用于不透明搪瓷釉。其中的光散射颗粒是什么？颗粒的什么特性使这些釉获得高度不透明的品质？ 4、一入射光以较小的入射角i和折射角r穿过一透明玻璃板。证明透过后的光强系数为（1-m）2。设玻璃对光的衰减不计。 5、一透明Al2O3板厚度为1mm，用以测定光的吸收系数。如果光通过板厚之后，其强度降低了15%，计算吸收系数的总和。