無機材料物理性能考試試題及答案

無機材料物理性能考試試題及答案無機材料物理性能考試試題及答案無機材料物理性能考試試題及答案資料僅供參考文件編號：2022年4月無機材料物理性能考試試題及答案版本號：A修改號：1頁次：1.0審核：批準(zhǔn):發(fā)布日期：無機材料物理性能考試試題及答案一、填空（18）1.聲子的準(zhǔn)粒子性表現(xiàn)在聲子的動量不確定、系統(tǒng)中聲子的數(shù)目不守恒。2.在外加電場E的作用下，一個具有電偶極矩為p的點電偶極子的位能U=-p·E，該式表明當(dāng)電偶極矩的取向與外電場同向時，能量為最低而反向時能量為最高。3.TC為正的溫度補償材料具有敞曠結(jié)構(gòu)，并且內(nèi)部結(jié)構(gòu)單位能發(fā)生較大的轉(zhuǎn)動。4.鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)由5個簡立方格子套購而成，它們分別是1個Ti、1個Ca和3個氧簡立方格子5.彈性系數(shù)ks的大小實質(zhì)上反映了原子間勢能曲線極小值尖峭度的大小。6.按照格里菲斯微裂紋理論，材料的斷裂強度不是取決于裂紋的數(shù)量，而是決定于裂紋的大小，即是由最危險的裂紋尺寸或臨界裂紋尺寸決定材料的斷裂強度。7.制備微晶、高密度與高純度材料的依據(jù)是材料脆性斷裂的影響因素有晶粒尺寸、氣孔率、雜質(zhì)等。8.粒子強化材料的機理在于粒子可以防止基體內(nèi)的位錯運動，或通過粒子的塑性形變而吸收一部分能量，達(dá)從而到強化的目的。9.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。10.裂紋有三種擴展方式：張開型、滑開型、撕開型11.格波：晶格中的所有原子以相同頻率振動而形成的波，或某一個原子在平衡位置附近的振動是以波的形式在晶體中傳播形成的波二、名詞解釋(12)自發(fā)極化：極化并非由外電場所引起，而是由極性晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點所引起，使晶體中的每個晶胞內(nèi)存在固有電偶極矩，這種極化機制為自發(fā)極化。斷裂能：是一種織構(gòu)敏感參數(shù),起著斷裂過程的阻力作用，不僅取決于組分、結(jié)構(gòu)，在很大程度上受到微觀缺陷、顯微結(jié)構(gòu)的影響。包括熱力學(xué)表面能、塑性形變能、微裂紋形成能、相變彈性能等。電子的共有化運動：原子組成晶體后，由于電子殼層的交疊，電子不再完全局限在某一個原子上，可以由一個原子的某一電子殼層轉(zhuǎn)移到相鄰原子的相似殼層上去，因而電子可以在整個晶體中運動。這種運動稱為電子的共有化運動。平衡載流子和非平衡載流子：在一定溫度下，半導(dǎo)體中由于熱激發(fā)產(chǎn)生的載流子成為平衡載流子。由于施加外界條件(外加電壓、光照)，人為地增加載流子數(shù)目，比熱平衡載流子數(shù)目多的載流子稱為非平衡載流子。三、簡答題（13）1.玻璃是無序網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不可能有滑移系統(tǒng)，呈脆性，但在高溫時又能變形，為什么？答：正是因為非長程有序，許多原子并不在勢能曲線低谷；在高溫下，有一些原子鍵比較弱，只需較小的應(yīng)力就能使這些原子間的鍵斷裂；原子躍遷附近的空隙位置，引起原子位移和重排。不需初始的屈服應(yīng)力就能變形-----粘性流動。因此玻璃在高溫時能變形。2.有關(guān)介質(zhì)損耗描述的方法有哪些其本質(zhì)是否一致答：損耗角正切、損耗因子、損耗角正切倒數(shù)、損耗功率、等效電導(dǎo)率、復(fù)介電常數(shù)的復(fù)項。多種方法對材料來說都涉及同一現(xiàn)象。即實際電介質(zhì)的電流位相滯后理想電介質(zhì)的電流位相。因此它們的本質(zhì)是一致的。3.簡述提高陶瓷材料抗熱沖擊斷裂性能的措施。答：(1)提高材料的強度f，減小彈性模量E。(2)提高材料的熱導(dǎo)率c。(3)減小材料的熱膨脹系數(shù)a。(4)減小表面熱傳遞系數(shù)h。(5)減小產(chǎn)品的有效厚度rm。4.產(chǎn)生晶面滑移的條件是什么？并簡述其原因。答：產(chǎn)生滑移的條件：面間距大；（面間作用力弱）·每個面上是同一種電荷的原子，相對滑動面上的電荷相反；（滑移時，沒有靜電斥力的作用）·滑移矢量（柏格斯矢量）小。（消耗能量小，容易滑動）5.為什么常溫下大多數(shù)陶瓷材料不能產(chǎn)生塑性變形、而呈現(xiàn)脆性斷裂？答：陶瓷多晶體的塑性形變不僅取決于構(gòu)成材料的晶體本身，而且在很大程度上受晶界物質(zhì)的控制。因此多晶塑性形變包括以下內(nèi)容：晶體中的位錯運動引起塑變；晶粒與晶粒間晶界的相對滑動；空位的擴散；粘性流動。在常溫下，由于非金屬晶體及晶界的結(jié)構(gòu)特點，使塑性形變難以實現(xiàn)。又由于在材料中往往存在微裂紋，當(dāng)外應(yīng)力尚未使塑變以足夠的速度運動時，此應(yīng)力可能已超過微裂紋擴展所需的臨界應(yīng)力，最終導(dǎo)致材料的脆斷。四、分析題(30)1.多晶多相無機材料中裂紋產(chǎn)生和快速擴展的原因是什么有哪些防止裂紋擴展的措施答：裂紋產(chǎn)生的原因（1）由于晶體微觀結(jié)構(gòu)中存在缺陷，當(dāng)受到外力作用時，在這些缺陷處就引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂紋成核，例如位錯在材料中運動會受到各種阻礙：（2）材料表面的機械損傷與化學(xué)腐蝕形成表面型紋，—這種表面裂紋最危險，裂紋的擴展常常由表面裂紋開始。（3）由于熱應(yīng)力而形成裂紋。大多數(shù)陶瓷是多晶多相體，晶粒在材料內(nèi)部取向不同，不同相的熱膨膨系數(shù)也不同，這樣就會因各方向膨脹(或收縮)不同而在晶界或相界出現(xiàn)應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂紋生成。（4）由于晶體的各向異性引起，如彈性模量的各向異性導(dǎo)致晶粒間存在一應(yīng)力，如果該應(yīng)力超過材料的強度則出現(xiàn)微裂紋。快速擴展的原因按照格里菲斯微裂紋理論，材料的斷裂強度不是取決于裂紋的數(shù)量，而是決定于裂紋的大小，即是由最危險的裂紋尺寸(臨界裂紋尺寸)決定材料的斷裂強度，一旦裂紋超過臨界尺寸，裂紋就迅速擴展而斷裂。因為裂紋擴展的動力，當(dāng)C增加時，G也變大，而是常數(shù)，因此，斷裂一旦達(dá)到臨界尺寸而起始擴展，G就愈來愈大于4γ，直到破壞。所以對于脆性材料，裂紋的起始擴展就是破壞過程的臨界階段，因為脆性材料基本上沒有吸收大量能量的塑性形變。防止裂紋擴展的措施微晶、高密度與高純度、預(yù)加應(yīng)力、化學(xué)強化、相變增韌、韌性相（如金屬粒子）彌散于材料中增韌、纖維增強復(fù)合材料等2.比較同一組成的單晶、多晶、非晶態(tài)無機材料的熱導(dǎo)率隨溫度的變化。答：無機材料的熱導(dǎo)主要為低溫下的聲子傳導(dǎo)和高溫下的光子傳導(dǎo).(1)影響熱傳導(dǎo)性質(zhì)的聲子散射主要機構(gòu)有：聲子間的碰撞過程；點缺陷的散射；晶界散射；位錯的散射。（2）對于晶體，在低溫下，僅考慮聲子間的碰撞，碰撞的幾率正比于exp(-D/2T)，而聲子平均自由程正比exp(D/2T)，即溫度越高，平均自由程越小，同時熱容又與溫度的三次方呈正比，因此晶體的熱導(dǎo)率于溫度在低溫時有一峰值，隨著溫度的升高，平均自由程小到原子的大小數(shù)量級，不能再小，而熱容在高溫為一常數(shù)，因此在高溫晶體的熱導(dǎo)率不隨溫度發(fā)生變化。但隨著溫度繼續(xù)升高，光子傳熱不可忽略，而光子的熱導(dǎo)率與溫度的三次方呈正比，因此熱導(dǎo)率隨溫度提高而增大。對于同組成的多晶體由于晶粒尺寸小、晶界多、缺陷多、晶界處雜質(zhì)多，對聲子散射大，因此多晶體與單晶體同一種物質(zhì)多晶體的熱導(dǎo)率總比單晶小。對于非晶態(tài)相，可以把其看作直徑為幾個晶格間距的極細(xì)晶粒組成的多晶體。因此其平均自由程很小，而且?guī)缀醪浑S溫度發(fā)生變化，因此熱導(dǎo)率僅隨熱容發(fā)生變化。（3）單晶和非晶態(tài)的熱導(dǎo)率隨溫度變化的關(guān)系如圖所示（圖略）非晶體的聲子導(dǎo)熱系數(shù)在所有溫度下都比晶體??；兩者在高溫下比較接近；兩者曲線的重大區(qū)別在于晶體有一峰值。由于非晶體材料特有的無序結(jié)構(gòu)，聲子平均自由程都被限制在幾個晶胞間距的量級，因而組分對其影響小。3.分析各種電極化微觀機制對介電常數(shù)的影響。答：組成物質(zhì)的帶正、負(fù)電的粒子，如電子、離子等都會在外電場的作用下，發(fā)生位移，形成偶極矩，或通過轉(zhuǎn)向表現(xiàn)出宏觀極化強度，這些過程的完成可以分為兩種：第一種，彈性的、瞬間完成的、不消耗能量的位移式極化；第二種，與熱運動有關(guān)，其完成需要一定的時間，且是非彈性的，需要消耗一定能量的的松弛極化。因此電極化微觀機制有電子位移極化、離子位移極化、電子、離子松弛極化、空間電荷極化、轉(zhuǎn)向極化等。通過材料的極化率、極化強度P和介電常數(shù)r間的關(guān)系：P=0(r-1)E，P=0E分析可知，容易極化的材料其介電常數(shù)也大，因此材料的極化都會提高其介電常數(shù)。但是由于各種極化現(xiàn)象所需的時間不同，是否能發(fā)生極化與該極化機制和外加電場的頻率有關(guān)，電子位移激化時間短，其極化范圍在直流與光頻間，即高于光頻的電場不能使電子發(fā)生位移極化，小于光頻的電場可以使電子發(fā)生位移極化，因此其對介電常數(shù)的影響主要在直流與光頻間。同樣，離子位移極化、松弛極化、空間電荷極化分別在直流和紅外間、直流和超高頻間、直流和高頻間對介電常數(shù)影響。其影響位移極化小于松弛極化。分析固體材料熱膨脹本質(zhì)答：源于材料內(nèi)部的質(zhì)點之間相互作用關(guān)于質(zhì)點平衡位置不對稱性。五、計算題(27)1.根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)線性固體模型，推導(dǎo)應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系式：。其中：=，=答案：由串并聯(lián)條件得：（1）=+=（2）3=（3）（4）=1+2（5）1=E11（6）1=3（7）2=E22（8）=E2×=E2×（9）=E1解方程得2.有一構(gòu)件，實際使用應(yīng)力為,有下列兩種鋼供選：甲鋼：f=,K1c=45Mpa·m1\2乙鋼：f=,K1c=75Mpa·m1\2試根據(jù)經(jīng)典強度理論與斷裂強度理論進(jìn)行選擇，并對結(jié)果進(jìn)行說明。（設(shè)：最大裂紋尺寸為1mm，幾何形狀因子Y=）答：經(jīng)典強度理論斷裂準(zhǔn)則：f/n運用經(jīng)典強度理論的傳統(tǒng)設(shè)計：得：甲鋼的安全系數(shù):，乙鋼的安全系數(shù)<。因此選擇甲鋼比乙鋼安全。斷裂強度理論的斷裂準(zhǔn)則：KI=(c)1/2KIC得：甲鋼的斷裂應(yīng)力為：<；乙鋼的斷裂應(yīng)力為：>因此甲鋼不安全會導(dǎo)致低應(yīng)力斷裂，而乙鋼是安全可靠的。通過上述分析，兩種設(shè)計方法得到截然相反的結(jié)果。由于斷裂力學(xué)考慮了材料中裂紋尖端引起的應(yīng)力集中，因此按照斷裂力學(xué)觀點設(shè)計材料即安全可靠，又能充分發(fā)揮材料的強度，合理使用材料。而傳統(tǒng)材料的設(shè)計觀點是一味的片面追求高強度，其結(jié)果不但不安全，而且還埋沒了非常合適的材料。3.已知金紅石瓷介質(zhì)的體積密度為cm3，分子量為，eTi4+=10-24cm3，eO2-=10-24cm3，試用克——莫方程計算該介質(zhì)在光頻下的介電系數(shù)，實測=，請對計算結(jié)果進(jìn)行討論。答：克——莫方程為：(r-1)/(r+2)=niI/30在光頻下，僅有電子位移對介電常數(shù)有影響，在金紅石晶體中有兩種原子，其中一個鈦原