無機材料物理性能( 關振鐸,清華大學出版社)考試復習題(巔峰之作,無與倫比),(第一次修訂)

1、無機材料物理性能復習考試題無機材料物理性能考試復習題（含答案）一、名詞解釋（選做5個，每個3分，共15分）1. KIC：平面應變斷裂韌度，表示材料在平面應變條件下抵抗裂紋失穩(wěn)擴展的能力。2.偶極子（電偶極子）：正負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：原子熱振動的一種描述。從整體上看，處于格點上的原子的熱振動可描述成類似于機械波傳播的結果，這種波稱為格波。格波的一個特點是，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，即晶格的振動模。晶格具有周期性，因而，晶格的振動模具有波的形式。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。5.光頻支：格波中頻率很高的振動波，質(zhì)點間的相位差很大，鄰近的質(zhì)點運動幾乎相反時，頻率往往在紅外光區(qū)，稱為“光頻支振動”。 （P109）6.聲頻支：如果振動著的質(zhì)點中包含頻率很低的格波，質(zhì)點之間的相位差不大，則格波類似于彈性體中的應變波，稱為“.聲頻支振動”。 （P109）7.色散：材料的折射率隨入射光頻率的減?。ɑ虿ㄩL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)中存在的不均勻團塊使進入物質(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，光的散射也會使通過物質(zhì)的光的強度減弱。9.雙折射：光進入非均勻介質(zhì)時

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

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

5、，晶體也會發(fā)生變形，電場去掉后，晶體的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應，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間的延長而迅速下降,這時的擊穿過程與電介質(zhì)中的熱過程有關,稱為熱擊穿。熱擊穿的本質(zhì)是處于電場中的介質(zhì)，由于其中的介質(zhì)損耗而產(chǎn)生熱量，就是電勢能轉換為熱量，當外加電壓足夠高時，就可能從散熱與發(fā)熱的熱平衡狀態(tài)轉入不平衡狀態(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：指當玻璃中堿金屬離子總濃度較大時(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率要小。18.壓堿效應：指含堿破璃中加入二價金屬氧化物，特別是重金屬氧化物，使玻璃的電導率降低，相應的陽離子半徑越大，這種效應越強。19.漏導電流：由介質(zhì)中自由的或聯(lián)系弱的帶電質(zhì)點在電場作用下運動造成的。 （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：全稱鐵電陶瓷移峰效應(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)生移動的現(xiàn)象，稱為移峰效應。該添加物稱為移峰劑。二、填空題(選做1

7、5個空，每個1分，共15分)1.固體材料的熱膨脹本質(zhì)是 點陣結構中質(zhì)點間平均距離隨溫度升高而增大 。2. 電子電導具有霍爾效應，離子電導具有電解效應，從而可以通過這兩種效應檢查材料中載流子的類型。3.電導率的一般表達式為，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. 離子晶體中的電導主要為離子電導 ?？梢苑譃閮深悾汗逃须x子電導（本征電導）和雜質(zhì)電導。在高溫下本征 電導特別顯著，在低溫下 雜質(zhì) 電導最為顯著。5. 導電材料中載流子是 離子 、 電子 和空位。6.復介電常數(shù)由實部和虛部這兩部分組成，實部與通常應用的 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 之間的關系。 （P292）8.極化的本質(zhì)是：介質(zhì)內(nèi)質(zhì)點（原子、分子、離子）正負電荷中心的分離，從而轉變?yōu)榕紭O子。 （P288）9格波間相互作用力愈強，也就是聲子間碰撞幾率愈大，相應的平均自由程愈 小 ，熱導率也就愈 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壓電體、鐵電體和熱釋電體都是 不具有對稱中心 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 熱應力因子表示。12. 對于中心穿透裂紋的大而薄的板，其幾何形狀因子Y= 。13.設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，則光強為I0的光透過后應變?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. 當溫度不太高時，固體材料中的熱導形式主要是 聲子熱導 。16. 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。17. 復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.超導體的3個臨界條件分別是：臨界轉變溫度Tc、臨界磁場強度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結的特性有：單向導電性、擊穿特性、電容特性。22. 磁性分為：抗磁性、順磁性、鐵磁性、反鐵磁性。 （P382）三、簡答題（選做6個，每個5分，共30分）1.為什么金屬的滑移性能要優(yōu)于無機非金屬材料？答：主要從金屬材料的滑移系要多于無機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，有利于位錯的運動；而無機非金屬材料中多為離子鍵或共價鍵（一般為兩者組成的混合建），共價鍵具有明顯的方向

11、性，并且同號離子相互排斥，只有個別滑移系統(tǒng)能滿足位錯運動的幾何條件和靜電作用。2. 為什么在常溫下大多數(shù)無機非金屬材料不具備明顯的塑性？答：（1）、對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現(xiàn)塑性形變，但是由于陶瓷晶體多為離子鍵或共價鍵，具有明顯的方向性，同號離子相斥，只有個別滑移系統(tǒng)能滿足位錯運動的幾何條件和靜電作用，所以單晶陶瓷材料只有少數(shù)具有簡單晶體結構的晶體，如MgO、AgCl在室溫下具有塑性，而其它復雜晶體結構的材料在室溫下不能進行塑性變形；（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，位錯不易向周圍晶體傳播，更易在晶界處塞積而產(chǎn)生應力集中，形成裂紋引

12、起斷裂，所以陶瓷材料很難進行塑性變形；（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制，其永久變形是通過分子位置的熱激活交換來進行的，屬于粘性流動變形機制，塑性變形需要在一定的溫度下進行，所以普通的無機玻璃在室溫下沒有塑性。綜上所述，在常溫下大多數(shù)無機非金屬材料不具備明顯的塑性。3.蠕變曲線的三個階段？答：室溫拉伸試驗時，長期保持屈服極限以下的應力，試件不會產(chǎn)生塑性變形，也就是說應力應變關系不會因載荷作用時間的長短而發(fā)生變化。但是，在較高溫度下，特別是當溫度達到材料熔點的1/3到1/2時，即使是應力在屈服極限以下，試件也會產(chǎn)生塑性變形，時間愈長，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，設計高溫下使用的構件時，例如與高溫燃氣接觸的燃氣輪機葉片，就不能把強度極限等作為計算許用應力的依據(jù)，而要考慮材料的蠕變強度。高溫下試件的應變量和時間關系曲線如圖1所示：這個曲線也稱為蠕變曲線?？煽闯觯渥兛梢苑譃槿齻€階段：第一階段（減速蠕變階段）：蠕變速率（/t ）隨時間而呈下降趨勢。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）：蠕變速率隨時間而上升，隨后試樣斷裂。4. 何謂雙堿效應？以K2O，Li2O氧化物為例解釋產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因。答：雙堿效應是指當玻璃中堿金屬離子總濃度較大時(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率要小。當兩種堿金屬濃度比例適當時，電導率可以降到很低。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，因為(rK+rLi+)，在外電場作用下，一價金屬離子移動時，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+進入體積大的K+空位中，產(chǎn)生應力，不穩(wěn)定，因而也是進入同種離子空位較為穩(wěn)定。這樣互相干擾的結果使電導率大大下降。此外由于大離子K+不能進入小空位，使通路堵塞，妨礙小離子的運動，遷移率也降低。5. 何謂壓堿效應？解釋產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因。答：壓堿效

15、應是指在含堿破璃中加入二價金屬氧化物，特別是重金屬氧化物，使玻璃的電導率降低，相應的陽離子半徑越大，這種效應越強。壓堿效應現(xiàn)象的解釋：這是由于二價離子與玻璃中氧離子結合比較牢固，能嵌入玻璃網(wǎng)絡結構，以致堵住了遷移通道，使堿金屬離子移動困難，因而電導率降低。如用二價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展條件？（P43）答：物體內(nèi)存儲的彈性應變能的降低大于或等于由于開裂形成兩個新表面所需的表面能。7.不同材料熱傳導的區(qū)別？答：當固體材料兩端存在溫度差時，熱量自動地從熱端傳向冷端的現(xiàn)象稱為熱傳導（thermal conduction）。不同的材料在導熱性能上

16、有很大的差別。有些材料是極為優(yōu)良的絕熱材料，有些又會是熱的良導體。不同材料的導熱機構不同。氣體傳遞熱能方式是依靠質(zhì)點間的直接碰撞來傳遞熱量。固體中的導熱主要是由晶格振動的格波和自由電子的運動來實現(xiàn)的。金屬有大量自由電子且質(zhì)量輕，能迅速實現(xiàn)熱量傳遞，因而主要靠自由電子傳熱，晶格振動是次要的，金屬較大，在2.3417.6 Wm-1K-1（ Ec時一部分傳導電子的能量處于W2Wc 之間，單位時間內(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，碰撞晶格時產(chǎn)生電離，使處于導帶的電子不斷增加，電流急劇上升，最終導致固體電介質(zhì)擊穿。2)當外加電場E1 B而使晶格發(fā)生碰撞電離、產(chǎn)生新的傳導電子；但因電

17、子能量大于W1 的概率很低,所以傳導電子不斷增多的過程很難出現(xiàn)，固體電介質(zhì)不會擊穿。3.論述電擊穿的兩個理論和它們的區(qū)別？答：A）本征電擊穿理論：當電場上升到使平衡破壞時，碰撞電離過程便立即發(fā)生。把這一起始場強作為介質(zhì)電擊穿場強的理論即為本征擊穿理論.。多發(fā)生在溫度較低、電壓作用時間較短時，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)晶體結構作為擊穿判據(jù)?！把┍馈彪姄舸┖捅菊麟姄舸┰诶碚撋嫌忻黠@的區(qū)別：本征擊穿理論中增加導電電子是繼穩(wěn)態(tài)破壞后突然發(fā)生的，而“雪崩”擊穿是考慮到高場強時，導電電子倍增過程逐漸達到難以忍受的程度，最終介質(zhì)晶格破壞。 五、計算題（選做2個，每個10分，共20分）1.一陶瓷零件上有一垂直于拉應力的邊裂，如邊裂長度為：（1）2mm；(2)0.049mm；(3)2m；分別求上述三種情況下的臨界應力。設此材料的斷裂韌性為1.62MPa.m1/2。討論諸結果。