材料物理第三章習(xí)題參考解答

1、材料物理導(dǎo)論 習(xí)題解答第三章 材料的電學(xué)ec0.29ev0.05evedefeiev eg=1.12ev22.從結(jié)構(gòu)上解釋，為什么含堿土金屬的玻璃適用于介電絕緣？答：玻璃中加入二價(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)的陽離子半徑越大，這種效應(yīng)越強(qiáng)。這是由于二價(jià)離子與玻璃中氧離子結(jié)合比較牢固，能鑲?cè)氩ＡЬW(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以致堵住遷移通道，使堿金屬離子移動(dòng)困難，因而電導(dǎo)率降低。無機(jī)材料物理導(dǎo)論清華大學(xué)出版社。page25823細(xì)晶粒金紅石陶瓷樣品在20，100hz時(shí)，相對(duì)介電常數(shù)為100。這種陶瓷相對(duì)介電常數(shù)高的原因是什么？如何用實(shí)驗(yàn)來鑒別各種起作用的機(jī)制？答：金紅石離子間作用較強(qiáng)，其

2、離子與電子極化率有相同數(shù)量級(jí)，由于存在離子極化，產(chǎn)生與外電場(chǎng)方向一致的附加電場(chǎng)，強(qiáng)烈地增加了電子極化強(qiáng)度，使得電容率大大增加（100）。實(shí)驗(yàn)鑒別起作用的機(jī)制：可由結(jié)構(gòu)系數(shù)來計(jì)算，結(jié)構(gòu)系數(shù)表示被考察離子周圍晶格內(nèi)其它離子的影響。如果離子a周圍處于b位置上的離子占優(yōu)勢(shì)，則感應(yīng)電矩作用在離子a上附加內(nèi)電場(chǎng)與外電場(chǎng)的方向相同，此時(shí)附加電場(chǎng)與外電場(chǎng)加強(qiáng)了外電場(chǎng)的作用，結(jié)構(gòu)系數(shù)機(jī)就是正的；反之，結(jié)構(gòu)系數(shù)就是負(fù)的。金紅石晶體的c11，c12 ，c21 c22 ，分別為ti4+與ti4+、ti4+與o2- 、o2- ti4+、o2-與o2- 間的內(nèi)電場(chǎng)結(jié)構(gòu)系數(shù)，它們僅決定于晶胞參數(shù)，由于中心離子周圍離子ti4

3、+o2-ti4+c11-0.8/a3 c12+36.3/a3o2-c21+18.15/a3c22-12.0/a3從表中看出，表示鈦離子和氧離子本身相互作用的內(nèi)電場(chǎng)結(jié)構(gòu)系數(shù)c11與c22均為負(fù)數(shù)，這表明同種離子之間都有削弱外電場(chǎng)的作用。反之，表示鈦離子和氧離子之間相互作用的內(nèi)電場(chǎng)結(jié)構(gòu)系數(shù)c12和c21相當(dāng)大，并且都是正值，這表明異種離子之間都有加強(qiáng)外電場(chǎng)的作用。其結(jié)果使氧離子和鈦離子的極化加強(qiáng)，而且這種加強(qiáng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了同種離子削弱外電場(chǎng)的作用，這就使得晶體得介電常數(shù)和大。無機(jī)材料物理導(dǎo)論清華大學(xué)出版社。page307-31524、敘述batio3典型電介質(zhì)中在居里點(diǎn)以下存在的四種極化機(jī)制。答：（1

4、）電子極化：指在外電場(chǎng)作用下，構(gòu)成原子外圍的電子云相對(duì)原子核發(fā)生位移形成的極化。建立或消除電子極化時(shí)間極短，約10-1510-16（2）離子極化：指在外電場(chǎng)的作用下，構(gòu)成分子的離子發(fā)生相對(duì)位移而形成的極化，離子極化建立核消除時(shí)間很短，與離子在晶格振動(dòng)的周期有相同數(shù)量級(jí)，約為10-1210-13（3）偶極子轉(zhuǎn)向極化：指極性介電體的分子偶極矩在外電場(chǎng)作用下，沿外施電場(chǎng)方向而產(chǎn)生宏觀偶極矩的極化。（4） 位移型自發(fā)極化：是由于晶體內(nèi)離子的位移而產(chǎn)生了極化偶極矩，形成了自發(fā)極化。課本 page111-11625、畫出典型鐵電體的電滯回線示意圖，并用有關(guān)機(jī)制解釋引起非線性關(guān)系的原因。答：圖見課本page

5、116鐵電體晶體在整體上呈現(xiàn)自發(fā)極化，這意味著在正負(fù)端分別有一層正的和負(fù)的束縛電荷。束縛電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)在晶體內(nèi)部與極化反向（稱為退極化場(chǎng)），使靜電能升高。在受機(jī)械約束時(shí)，伴隨著自發(fā)極化的應(yīng)變還能使應(yīng)變能增加。所以均勻極化的狀態(tài)是不穩(wěn)定的，晶體將分成若干個(gè)小區(qū)域，每個(gè)小區(qū)域內(nèi)部電偶極子沿同一方向，但各個(gè)小區(qū)域中電偶極子方向不同。這些小區(qū)域稱為電疇或疇。疇的間界叫疇壁。鐵電體的極化隨電場(chǎng)的變化而變化。但電場(chǎng)較強(qiáng)時(shí)，極化與電場(chǎng)之間呈非線性關(guān)系。在電場(chǎng)作用下，新疇成核長大，疇壁移動(dòng)，導(dǎo)致極化轉(zhuǎn)向。在電場(chǎng)很弱時(shí)，極化線性地依賴于電場(chǎng)，此時(shí)可逆地疇壁移動(dòng)占主導(dǎo)地位。當(dāng)電場(chǎng)增強(qiáng)時(shí)，新疇成核，疇壁運(yùn)動(dòng)成為不可

6、逆的，極化隨電場(chǎng)的增加比線性段快，當(dāng)電場(chǎng)達(dá)到相應(yīng)于b點(diǎn)的值時(shí)，晶體成為單疇，極化趨于飽和。鐵電體物理學(xué) 鐘維烈著 北京：科學(xué)出版社 page2-326、高分子在電場(chǎng)中的極化有哪幾種形式？各有什么特點(diǎn)？答：（1）電子極化：指在外電場(chǎng)中每個(gè)原子的價(jià)電子云相對(duì)于原子核發(fā)生位移，極化過程所需時(shí)間極短：10-510-13（2）原子極化：指在外電場(chǎng)中不同的原子核之間發(fā)生相對(duì)位移。極化時(shí)間約在10-13 s以上。（3）取向極化：極性分子自身帶有固有偶極子，在電場(chǎng)中，將沿電場(chǎng)方向擇優(yōu)排列，取向過程要克服偶極子本身的慣性與旋轉(zhuǎn)阻力，故所需時(shí)間比位移極化長的多：10-9 （4）發(fā)生在非均相介質(zhì)界面處的極化，它時(shí)在

7、電場(chǎng)作用下，介質(zhì)中的電子或離子在界面處堆積造成的，稱為界面極化。所需時(shí)間很長，從幾分之一秒至幾分鐘，甚至更長。高分子物理高等教育出版社27、試討論影響聚合物電容率和介電損耗的因素。答：（1）影響電容率的因素：聚合物的極性大小決定其電容率的大小，極性大小與化學(xué)鍵的極性有關(guān)；受分子結(jié)構(gòu)對(duì)稱限制，分子結(jié)構(gòu)對(duì)稱的聚合物其極性不大，電容率較低；主鏈有不對(duì)稱碳原子聚合物，其立體構(gòu)型會(huì)影響電容率；對(duì)同一聚合物而言全同立構(gòu)聚合物的電容率大于無規(guī)立構(gòu)大于間同立構(gòu)；電容率的大小還同偶極子取向難度有關(guān)，主鏈上極性基團(tuán)以及同主鏈剛性連接的極性側(cè)基的活動(dòng)性較小，而柔性側(cè)基活動(dòng)性較大，后者對(duì)電容率有較大貢獻(xiàn)；從整個(gè)分子鏈

8、的活動(dòng)性考慮，橡膠態(tài)與粘流態(tài)的聚合物比玻璃態(tài)的電容率大；另外，支化使分子間相互作用降低，電容率升高；而交鏈限制分子運(yùn)動(dòng)，電容率下降。（2）介電損耗影響因素分子極性越大，取向極化度就越大，損耗越大，極性聚合物通常有較大的損耗因子；柔性側(cè)基上的極性基團(tuán)取向過程阻力較小，損耗也要小一些；增塑劑：非極性增塑劑降低體系粘度，使極化容易進(jìn)行，使極性高分子介電損耗峰移向低溫，對(duì)于極性增塑劑，不但增加高分子鏈的活動(dòng)性，而使原來極化過程加快，而且本身作為新偶極子而附加高介電損耗；導(dǎo)電性極性雜質(zhì)，是損耗因子增大；另外，頻率、溫度、電壓都會(huì)影響其損耗因子。高分子物理高等教育出版社28、試比較，聚合物介電松弛與力學(xué)松

9、弛的異同點(diǎn)。答：材料的力學(xué)松弛包括了靜態(tài)力學(xué)松弛與動(dòng)態(tài)力學(xué)松弛：蠕變與應(yīng)力松弛屬于靜態(tài)力學(xué)松弛；滯后和力損耗屬于動(dòng)態(tài)力學(xué)松弛。介電松弛指在固定頻率下測(cè)試聚合物試樣的介電系數(shù)和介電損耗隨溫度的變化，或在一定溫度下測(cè)試試樣的介電性質(zhì)隨頻率的變化。兩者都反映了聚合物的結(jié)構(gòu)、構(gòu)型及鏈段的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。29、試討論高分子材料的導(dǎo)電性與結(jié)構(gòu)的關(guān)系。答：（1）化學(xué)結(jié)構(gòu)試導(dǎo)電性首要因素，飽和的非極性高分子具有優(yōu)異的電絕緣性，它們結(jié)構(gòu)本身既不能產(chǎn)生導(dǎo)電離子，也不具備電子電導(dǎo)的結(jié)構(gòu)條件；極性高分子中的強(qiáng)極性基團(tuán)可能發(fā)生微量本征解離，提供導(dǎo)電離子；此外，其介電系數(shù)較大，降低了雜質(zhì)離子間的庫侖力，使電離平衡移動(dòng)，從而增加了載流子的濃度，因此極性高分子的電阻率比非極性高分子來得??；（2）帶共軛雙鍵的高分子的電子具有離域化的特征，這些電子可作為載流子而賦予材料以導(dǎo)電性，實(shí)際上共軛高分子要實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電，電子不但需要有分子內(nèi)遷移，還