無機(jī)材料物理性能( 關(guān)振鐸,清華大學(xué)出版社)考試復(fù)習(xí)題(巔峰之作,無與倫比),(第一次修訂)課件

1、無機(jī)材料物理性能復(fù)習(xí)考試題無機(jī)材料物理性能考試復(fù)習(xí)題（含答案）一、名詞解釋（選做5個(gè)，每個(gè)3分，共15分）1. KIC：平面應(yīng)變斷裂韌度，表示材料在平面應(yīng)變條件下抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力。2.偶極子（電偶極子）：正負(fù)電荷的平均中心不相重合的帶電系統(tǒng)。3.電偶極矩：偶極子的電荷量與位移矢量的乘積，。 （P288）4.格波：原子熱振動(dòng)的一種描述。從整體上看，處于格點(diǎn)上的原子的熱振動(dòng)可描述成類似于機(jī)械波傳播的結(jié)果，這種波稱為格波。格波的一個(gè)特點(diǎn)是，其傳播介質(zhì)并非連續(xù)介質(zhì)，而是由原子、離子等形成的晶格，即晶格的振動(dòng)模。晶格具有周期性，因而，晶格的振動(dòng)模具有波的形式。格波和一般連續(xù)介質(zhì)波有共同的波的特性，

2、但也有它不同的特點(diǎn)。5.光頻支：格波中頻率很高的振動(dòng)波，質(zhì)點(diǎn)間的相位差很大，鄰近的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)幾乎相反時(shí)，頻率往往在紅外光區(qū)，稱為“光頻支振動(dòng)”。 （P109）6.聲頻支：如果振動(dòng)著的質(zhì)點(diǎn)中包含頻率很低的格波，質(zhì)點(diǎn)之間的相位差不大，則格波類似于彈性體中的應(yīng)變波，稱為“.聲頻支振動(dòng)”。 （P109）7.色散：材料的折射率隨入射光頻率的減小（或波長(zhǎng)的增加）而減小的性質(zhì)，稱為折射率的色散。8.光的散射：物質(zhì)中存在的不均勻團(tuán)塊使進(jìn)入物質(zhì)的光偏離入射方向而向四面八方散開，這種現(xiàn)象稱為光的散射，向四面八方散開的光，就是散射光。與光的吸收一樣，光的散射也會(huì)使通過物質(zhì)的光的強(qiáng)度減弱。9.雙折射：光進(jìn)入非均勻介質(zhì)時(shí)

3、，一般要分為振動(dòng)方向相互垂直、傳播速度不等的兩個(gè)波，它們分別構(gòu)成兩條折射光線，這個(gè)現(xiàn)象就稱為雙折射。（P172）10.本征半導(dǎo)體（intrinsic semiconductor)：完全不含雜質(zhì)且無晶格缺陷的、導(dǎo)電能力主要由材料的本征激發(fā)決定的純凈半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。11.P/N型半導(dǎo)體：在半導(dǎo)體中摻入施主雜質(zhì)，就得到N型半導(dǎo)體；在半導(dǎo)體中摻入受主雜質(zhì)，就得到P型半導(dǎo)體。12.超導(dǎo)體：超導(dǎo)材料（superconductor），又稱為超導(dǎo)體，指可以在特定溫度以下，呈現(xiàn)電阻為零的導(dǎo)體。零電阻和抗磁性是超導(dǎo)體的兩個(gè)重要特性，使超導(dǎo)體電阻為零的溫度，叫超導(dǎo)臨界溫度。13. PTC：即正溫度系數(shù)效應(yīng)。價(jià)

4、控型BaTiO3半導(dǎo)體在居里點(diǎn)(正方相立方相相變點(diǎn))附近，電阻率隨溫度上升而發(fā)生突變，增大了34個(gè)數(shù)量級(jí)的現(xiàn)象，機(jī)理是幾何半導(dǎo)體陶瓷晶界上具有表面能級(jí)，此表面能級(jí)可捕獲載流子，從而在兩邊晶粒內(nèi)產(chǎn)生一層電子損耗層，形成肖特基勢(shì)壘，該勢(shì)壘與介電常數(shù)有關(guān)，當(dāng)溫度高于居里點(diǎn)，介電常數(shù)劇減，勢(shì)壘增加，電阻率增加。14.壓電效應(yīng)：不具有對(duì)稱中心的晶體在沿一定方向上受到外力的作用而變形時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對(duì)表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會(huì)恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力的方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變。相反，當(dāng)對(duì)不具有對(duì)稱中心晶體的極化方向上施加電場(chǎng)

5、，晶體也會(huì)發(fā)生變形，電場(chǎng)去掉后，晶體的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)，或稱為電致伸縮現(xiàn)象。15.鐵電體：具有自發(fā)極化且在外電場(chǎng)作用下具有電滯回線的晶體。16.熱擊穿：熱擊穿為固體電介質(zhì)擊穿的一種形式。擊穿電壓隨溫度和電壓作用時(shí)間的延長(zhǎng)而迅速下降,這時(shí)的擊穿過程與電介質(zhì)中的熱過程有關(guān),稱為熱擊穿。熱擊穿的本質(zhì)是處于電場(chǎng)中的介質(zhì)，由于其中的介質(zhì)損耗而產(chǎn)生熱量，就是電勢(shì)能轉(zhuǎn)換為熱量，當(dāng)外加電壓足夠高時(shí)，就可能從散熱與發(fā)熱的熱平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)入不平衡狀態(tài)，若發(fā)出的熱量比散去的多，介質(zhì)溫度將愈來愈高，直至出現(xiàn)永久性損壞，這就是熱擊穿。17.雙堿效應(yīng)：指當(dāng)玻璃中堿金屬離子總濃度較大時(shí)(占玻璃組成25-30

6、%)，堿金屬離子總濃度相同的情況下，含兩種堿金屬離子比含一種堿金屬離子的玻璃電導(dǎo)率要小。18.壓堿效應(yīng)：指含堿破璃中加入二價(jià)金屬氧化物，特別是重金屬氧化物，使玻璃的電導(dǎo)率降低，相應(yīng)的陽(yáng)離子半徑越大，這種效應(yīng)越強(qiáng)。19.漏導(dǎo)電流：由介質(zhì)中自由的或聯(lián)系弱的帶電質(zhì)點(diǎn)在電場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)造成的。 （P263）20.磁疇：物體內(nèi)部存在著自發(fā)磁化的小區(qū)域，稱為磁疇。21.移峰效應(yīng)：全稱鐵電陶瓷移峰效應(yīng)(ferroelectricceramicpeakshiftingeffect)。添加物與主晶相形成固溶體使鐵電陶瓷的特性在居里溫度處出現(xiàn)的峰值發(fā)生移動(dòng)的現(xiàn)象，稱為移峰效應(yīng)。該添加物稱為移峰劑。二、填空題(選做1

7、5個(gè)空，每個(gè)1分，共15分)1.固體材料的熱膨脹本質(zhì)是 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中質(zhì)點(diǎn)間平均距離隨溫度升高而增大 。2. 電子電導(dǎo)具有霍爾效應(yīng)，離子電導(dǎo)具有電解效應(yīng)，從而可以通過這兩種效應(yīng)檢查材料中載流子的類型。3.電導(dǎo)率的一般表達(dá)式為，其各參數(shù)ni、qi和mi的含義分別是 載流子的濃度 、 載流子的電荷量 、 載流子的遷移率 。4. 離子晶體中的電導(dǎo)主要為離子電導(dǎo) ?？梢苑譃閮深悾汗逃须x子電導(dǎo)（本征電導(dǎo)）和雜質(zhì)電導(dǎo)。在高溫下本征 電導(dǎo)特別顯著，在低溫下 雜質(zhì) 電導(dǎo)最為顯著。5. 導(dǎo)電材料中載流子是 離子 、 電子 和空位。6.復(fù)介電常數(shù)由實(shí)部和虛部這兩部分組成，實(shí)部與通常應(yīng)用的 介電常數(shù) 一致，虛部表示了電

8、介質(zhì)中 能量損耗 的大小。7. 克勞修斯-莫索蒂方程：，克勞修斯莫索蒂方程建立了宏觀量 介電常數(shù)與微觀量 極化率 之間的關(guān)系。 （P292）8.極化的本質(zhì)是：介質(zhì)內(nèi)質(zhì)點(diǎn)（原子、分子、離子）正負(fù)電荷中心的分離，從而轉(zhuǎn)變?yōu)榕紭O子。 （P288）9格波間相互作用力愈強(qiáng)，也就是聲子間碰撞幾率愈大，相應(yīng)的平均自由程愈 小 ，熱導(dǎo)率也就愈 低 。10電介質(zhì)材料中的壓電性、鐵電性與熱釋電性是由于相應(yīng)壓電體、鐵電體和熱釋電體都是 不具有對(duì)稱中心 的晶體。11考慮散熱的影響，材料允許承受的最大溫度差可用 第二 熱應(yīng)力因子表示。12. 對(duì)于中心穿透裂紋的大而薄的板，其幾何形狀因子Y= 。13.設(shè)某一玻璃的光反射損

9、失為m，如果連續(xù)透過x塊平板玻璃，則光強(qiáng)為I0的光透過后應(yīng)變?yōu)椋篒0(1-m)2x 。14. 廣義虎克定律適用于 各向異性的非均勻 材料。15. 當(dāng)溫度不太高時(shí)，固體材料中的熱導(dǎo)形式主要是 聲子熱導(dǎo) 。16. 按照格里菲斯微裂紋理論，材料的斷裂強(qiáng)度不是取決于裂紋的 數(shù)量 ，而是決定于裂紋的 大小 ，即是由最危險(xiǎn)的裂紋尺寸或臨界裂紋尺寸決定材料的 斷裂強(qiáng)度。17. 復(fù)合體中熱膨脹滯后現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是由于不同相間或晶粒的不同方向上熱膨脹系數(shù)差別很大，產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，使坯體產(chǎn)生微裂紋。18. 自發(fā)磁化的本質(zhì)是 電子間的靜電交換相互作用 。19. 原子磁矩的來源是電子的軌道磁矩、自旋磁矩和原子核的磁

10、矩。而物質(zhì)的磁性主要由 電子的自旋磁矩 引起。19.超導(dǎo)體的3個(gè)臨界條件分別是：臨界轉(zhuǎn)變溫度Tc、臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度Hc、臨界電流密度Jc。20. 介質(zhì)損耗的影響因素有：頻率、溫度、濕度 。21. PN結(jié)的特性有：?jiǎn)蜗驅(qū)щ娦?、擊穿特性、電容特性?2. 磁性分為：抗磁性、順磁性、鐵磁性、反鐵磁性。 （P382）三、簡(jiǎn)答題（選做6個(gè)，每個(gè)5分，共30分）1.為什么金屬的滑移性能要優(yōu)于無機(jī)非金屬材料？答：主要從金屬材料的滑移系要多于無機(jī)非金屬材料方面來回答。此外，金屬材料中的金屬鍵不具有飽和性和方向性，有利于位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)；而無機(jī)非金屬材料中多為離子鍵或共價(jià)鍵（一般為兩者組成的混合建），共價(jià)鍵具有明顯的方向

11、性，并且同號(hào)離子相互排斥，只有個(gè)別滑移系統(tǒng)能滿足位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的幾何條件和靜電作用。2. 為什么在常溫下大多數(shù)無機(jī)非金屬材料不具備明顯的塑性？答：（1）、對(duì)于單晶體的陶瓷材料而言，原則上講可以通過滑移和孿晶實(shí)現(xiàn)塑性形變，但是由于陶瓷晶體多為離子鍵或共價(jià)鍵，具有明顯的方向性，同號(hào)離子相斥，只有個(gè)別滑移系統(tǒng)能滿足位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的幾何條件和靜電作用，所以單晶陶瓷材料只有少數(shù)具有簡(jiǎn)單晶體結(jié)構(gòu)的晶體，如MgO、AgCl在室溫下具有塑性，而其它復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的材料在室溫下不能進(jìn)行塑性變形；（2）、陶瓷材料一般呈多晶狀態(tài)，而且還存在氣孔、微裂紋、玻璃相等，位錯(cuò)不易向周圍晶體傳播，更易在晶界處塞積而產(chǎn)生應(yīng)力集中，形成裂紋引

12、起斷裂，所以陶瓷材料很難進(jìn)行塑性變形；（3）、非晶態(tài)玻璃材料，由于不存在晶體中的滑移和孿生的變形機(jī)制，其永久變形是通過分子位置的熱激活交換來進(jìn)行的，屬于粘性流動(dòng)變形機(jī)制，塑性變形需要在一定的溫度下進(jìn)行，所以普通的無機(jī)玻璃在室溫下沒有塑性。綜上所述，在常溫下大多數(shù)無機(jī)非金屬材料不具備明顯的塑性。3.蠕變曲線的三個(gè)階段？答：室溫拉伸試驗(yàn)時(shí)，長(zhǎng)期保持屈服極限以下的應(yīng)力，試件不會(huì)產(chǎn)生塑性變形，也就是說應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系不會(huì)因載荷作用時(shí)間的長(zhǎng)短而發(fā)生變化。但是，在較高溫度下，特別是當(dāng)溫度達(dá)到材料熔點(diǎn)的1/3到1/2時(shí)，即使是應(yīng)力在屈服極限以下，試件也會(huì)產(chǎn)生塑性變形，時(shí)間愈長(zhǎng)，變形量愈大，直至斷裂。這種發(fā)生在高

13、溫下的塑性變形就稱為蠕變(Creep)。因此，設(shè)計(jì)高溫下使用的構(gòu)件時(shí)，例如與高溫燃?xì)饨佑|的燃?xì)廨啓C(jī)葉片，就不能把強(qiáng)度極限等作為計(jì)算許用應(yīng)力的依據(jù)，而要考慮材料的蠕變強(qiáng)度。高溫下試件的應(yīng)變量和時(shí)間關(guān)系曲線如圖1所示：這個(gè)曲線也稱為蠕變曲線?？煽闯?，蠕變可以分為三個(gè)階段：第一階段（減速蠕變階段）：蠕變速率（/t ）隨時(shí)間而呈下降趨勢(shì)。第二階段（恒速蠕變階段）：蠕變速率不變，即（/t ）=常數(shù)，這一段是直線。第三階段（加速蠕變階段）：蠕變速率隨時(shí)間而上升，隨后試樣斷裂。4. 何謂雙堿效應(yīng)？以K2O，Li2O氧化物為例解釋產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因。答：雙堿效應(yīng)是指當(dāng)玻璃中堿金屬離子總濃度較大時(shí)(占玻璃組成2

14、530)，堿金屬離子總濃度相同的情況下，含兩種堿金屬離子比含一種堿金屬離子的玻璃電導(dǎo)率要小。當(dāng)兩種堿金屬濃度比例適當(dāng)時(shí)，電導(dǎo)率可以降到很低。這種現(xiàn)象的解釋如下：K2O，Li2O氧化物中，K+和Li+占據(jù)的空間與其半徑有關(guān)，因?yàn)?rK+rLi+)，在外電場(chǎng)作用下，一價(jià)金屬離子移動(dòng)時(shí)，Li+離子留下的空位比K+留下的空位小，這樣K+只能通過本身的空位。Li+進(jìn)入體積大的K+空位中，產(chǎn)生應(yīng)力，不穩(wěn)定，因而也是進(jìn)入同種離子空位較為穩(wěn)定。這樣互相干擾的結(jié)果使電導(dǎo)率大大下降。此外由于大離子K+不能進(jìn)入小空位，使通路堵塞，妨礙小離子的運(yùn)動(dòng)，遷移率也降低。5. 何謂壓堿效應(yīng)？解釋產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因。答：壓堿效

15、應(yīng)是指在含堿破璃中加入二價(jià)金屬氧化物，特別是重金屬氧化物，使玻璃的電導(dǎo)率降低，相應(yīng)的陽(yáng)離子半徑越大，這種效應(yīng)越強(qiáng)。壓堿效應(yīng)現(xiàn)象的解釋：這是由于二價(jià)離子與玻璃中氧離子結(jié)合比較牢固，能嵌入玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以致堵住了遷移通道，使堿金屬離子移動(dòng)困難，因而電導(dǎo)率降低。如用二價(jià)離子取代堿金屬離子，也得到同樣效果。6. Griffith微裂紋理論中的裂紋擴(kuò)展條件？（P43）答：物體內(nèi)存儲(chǔ)的彈性應(yīng)變能的降低大于或等于由于開裂形成兩個(gè)新表面所需的表面能。7.不同材料熱傳導(dǎo)的區(qū)別？答：當(dāng)固體材料兩端存在溫度差時(shí)，熱量自動(dòng)地從熱端傳向冷端的現(xiàn)象稱為熱傳導(dǎo)（thermal conduction）。不同的材料在導(dǎo)熱性能上

16、有很大的差別。有些材料是極為優(yōu)良的絕熱材料，有些又會(huì)是熱的良導(dǎo)體。不同材料的導(dǎo)熱機(jī)構(gòu)不同。氣體傳遞熱能方式是依靠質(zhì)點(diǎn)間的直接碰撞來傳遞熱量。固體中的導(dǎo)熱主要是由晶格振動(dòng)的格波和自由電子的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。金屬有大量自由電子且質(zhì)量輕，能迅速實(shí)現(xiàn)熱量傳遞，因而主要靠自由電子傳熱，晶格振動(dòng)是次要的，金屬較大，在2.3417.6 Wm-1K-1（ Ec時(shí)一部分傳導(dǎo)電子的能量處于W2Wc 之間，單位時(shí)間內(nèi)這些電子取得的能量A始終大于失去的能量B，電子被加速，碰撞晶格時(shí)產(chǎn)生電離，使處于導(dǎo)帶的電子不斷增加，電流急劇上升，最終導(dǎo)致固體電介質(zhì)擊穿。2)當(dāng)外加電場(chǎng)E1 B而使晶格發(fā)生碰撞電離、產(chǎn)生新的傳導(dǎo)電子；但因電

17、子能量大于W1 的概率很低,所以傳導(dǎo)電子不斷增多的過程很難出現(xiàn)，固體電介質(zhì)不會(huì)擊穿。3.論述電擊穿的兩個(gè)理論和它們的區(qū)別？答：A）本征電擊穿理論：當(dāng)電場(chǎng)上升到使平衡破壞時(shí)，碰撞電離過程便立即發(fā)生。把這一起始場(chǎng)強(qiáng)作為介質(zhì)電擊穿場(chǎng)強(qiáng)的理論即為本征擊穿理論.。多發(fā)生在溫度較低、電壓作用時(shí)間較短時(shí)，純凈、均勻固體電介質(zhì)中。B）“雪崩”電擊穿理論：“雪崩”電擊穿理論以碰撞電離后自由電子數(shù)倍增到一定數(shù)值（足以破壞介質(zhì)絕緣狀態(tài)）作為電擊穿判據(jù)。Seitz提出以電子“崩”傳遞給介質(zhì)的能量足以破壞介質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)作為擊穿判據(jù)。“雪崩”電擊穿和本征電擊穿在理論上有明顯的區(qū)別：本征擊穿理論中增加導(dǎo)電電子是繼穩(wěn)態(tài)破壞后突然發(fā)生的，而“雪崩”擊穿是考慮到高場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，導(dǎo)電電子倍增過程逐漸達(dá)到難以忍受的程度，最終介質(zhì)晶格破壞。 五、計(jì)算題（選做2個(gè)，每個(gè)10分，共20分）1.一陶瓷零件上有一垂直于拉應(yīng)力的邊裂，如邊裂長(zhǎng)度為：（1）2mm；(2)0.049mm；(3)2m；分別求上述三種情況下的臨界應(yīng)力。設(shè)此材料的斷裂韌性為1.62MPa.m1/2。討論諸結(jié)果。