無機材料物理性能考試試題及答案

1、無機材料物理性能考試試題及答案一、填空（18）1. 聲子的準粒子性表現在聲子的動量不確定、系統(tǒng)中聲子的數目不守恒。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=-pE，該式表明 當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 結構，并且內部結構單位能發(fā)生較大的 轉動 。4. 鈣鈦礦型結構由 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ks的大小實質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量，而是決定

2、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是材料脆性斷裂的影響因素有晶粒尺寸、氣孔率、雜質等。8. 粒子強化材料的機理在于粒子可以防止基體內的位錯運動，或通過粒子的塑性形變而吸收一部分能量，達從而到強化的目的。9. 復合體中熱膨脹滯后現象產生的原因是由于不同相間或晶粒的不同方向上膨脹系數差別很大，產生很大的內應力，使坯體產生微裂紋。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

3、：極化并非由外電場所引起，而是由極性晶體內部結構特點所引起，使晶體中的每個晶胞內存在固有電偶極矩，這種極化機制為自發(fā)極化。斷裂能：是一種織構敏感參數,起著斷裂過程的阻力作用，不僅取決于組分、結構，在很大程度上受到微觀缺陷、顯微結構的影響。包括熱力學表面能、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，半導體中由于熱激發(fā)產生的載流子成為平衡載流子。由于施加外界條

4、件(外加電壓、光照)，人為地增加載流子數目，比熱平衡載流子數目多的載流子稱為非平衡載流子。三、簡答題（13）1. 玻璃是無序網絡結構，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。不需初始的屈服應力就能變形-粘性流動。因此玻璃在高溫時能變形。2. 有關介質損耗描述的方法有哪些？其本質是否一致？答：損耗角正切、損耗因子、損耗角正切倒數、損耗功率、等效電導率、復介電常數的復項。多種方法對材料來說都涉及同一現象。即實際電介質的電

5、流位相滯后理想電介質的電流位相。因此它們的本質是一致的。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sf，減小彈性模量E。(2) 提高材料的熱導率c 。(3) 減小材料的熱膨脹系數a 。(4) 減小表面熱傳遞系數h。(5) 減小產品的有效厚度rm。 4. 產生晶面滑移的條件是什么？并簡述其原因。 答：產生滑移的條件： 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陶瓷材料不能產生塑性變形、而呈現脆性斷裂？ 答：陶瓷多晶體的塑性形變

6、不僅取決于構成材料的晶體本身，而且在很大程度上受晶界物質的控制。因此多晶塑性形變包括以下內容：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構特點，使塑性形變難以實現。又由于在材料中往往存在微裂紋，當外應力尚未使塑變以足夠的速度運動時，此應力可能已超過微裂紋擴展所需的臨界應力，最終導致材料的脆斷。四、分析題(30)1. 多晶多相無機材料中裂紋產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：裂紋產生的原因（1）由于晶體微觀結構中存在缺陷，當受到外力作用時，在這些缺陷處就引起應力集中，導致裂紋成核，例如位錯在材料中運動會受到

7、各種阻礙：（2）材料表面的機械損傷與化學腐蝕形成表面型紋，這種表面裂紋最危險，裂紋的擴展常常由表面裂紋開始。（3）由于熱應力而形成裂紋。大多數陶瓷是多晶多相體，晶粒在材料內部取向不同，不同相的熱膨膨系數也不同，這樣就會因各方向膨脹(或收縮)不同而在晶界或相界出現應力集中，導致裂紋生成。（4）由于晶體的各向異性引起，如彈性模量的各向異性導致晶粒間存在一應力，如果該應力超過材料的強度則出現微裂紋?？焖贁U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

8、紋擴展的動力 ，當C增加時，G也變大，而 是常數，因此，斷裂一旦達到臨界尺寸而起始擴展，G就愈來愈大于4，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、預加應力、化學強化、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)無機材料的熱導率隨溫度的變化。答：無機材料的熱導主要為低溫下的聲子傳導和高溫下的光子傳導.(1)影響熱傳導性質的聲子散射主要機構有：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

9、聲子間的碰撞，碰撞的幾率正比于exp(-qD/2T)，而聲子平均自由程正比exp(qD/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量級，不能再小，而熱容在高溫為一常數，因此在高溫晶體的熱導率不隨溫度發(fā)生變化。但隨著溫度繼續(xù)升高，光子傳熱不可忽略，而光子的熱導率與溫度的三次方呈正比，因此熱導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、晶界處雜質多，對聲子散射大，因此多晶體與單晶體同一種物質多晶體的熱導率總比單晶小。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

10、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，因此熱導率僅隨熱容發(fā)生變化。（3）單晶和非晶態(tài)的熱導率隨溫度變化的關系如圖所示（圖略）非晶體的聲子導熱系數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構，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的影響。答：組成物質的帶正、負電的粒子，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，或通過轉向表現出宏觀極化強度，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

11、，與熱運動有關，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、轉向極化等。通過材料的極化率c、極化強度P和介電常數er間的關系：P=e0(er-1)E，P=e0cE分析可知，容易極化的材料其介電常數也大，因此材料的極化都會提高其介電常數。但是由于各種極化現象所需的時間不同，是否能發(fā)生極化與該極化機制和外加電場的頻率有關，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，因此其對介電常數的影響主要在直流與光頻間。同樣，離子

12、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答：源于材料內部的質點之間相互作用關于質點平衡位置不對稱性。五、計算題(27) 1. 根據標準線性固體模型，推導應力s和應變e 的關系式： 。其中： = ， = 答案：由串并聯條件得：（1）= + = （2） s3=h （3） （4） s=s1+s2 （5） s1=E1e1 （6） s1=s3 （7） s2=E2e2 （8）=E2=E2（9）=E1 解方程 得 2.有一構件，實際使用應力為1.30GPa,有下列兩種鋼供選： 甲鋼： sf =1.95

13、GPa, K1c =45Mpam 12 乙鋼： sf =1.56GPa, K1c =75Mpam 12 試根據經典強度理論與斷裂強度理論進行選擇，并對結果進行說明。（設：最大裂紋尺寸為1mm，幾何形狀因子Y=1.5）答：經典強度理論斷裂準則：ssf/n運用經典強度理論的傳統(tǒng)設計：得： 甲鋼的安全系數: 1.5，乙鋼的安全系數 1.21.5。 因此選擇甲鋼比乙鋼安全。斷裂強度理論的斷裂準則：KI=s(pc)1/2KIC 得： 甲鋼的斷裂應力為：1.0GPa1.30GPa因此甲鋼不安全會導致低應力斷裂，而乙鋼是安全可靠的。通過上述分析，兩種設計方法得到截然相反的結果。由于斷裂力學考慮了材料中裂紋尖端引起的應力集中，因此按照斷裂力學觀點設計材料即安全可靠，又能充分發(fā)揮材料的強度，合理使用材料。而傳統(tǒng)材料的設計觀點是一味的片面追求高強度，其結果不但不安全，而且還埋沒了非常合適的材料。3.已知金紅石瓷介質的體積密度為4.24g/cm3，分子量為79.9，aeTi4+=0.27210-24cm3，aeO2-=2.7610-24cm3，試用克莫方程計算該介質在光頻下的介電系數，實測e=7.3，請對計算結果進行討論。答：克莫方程為：(er-1)/(er+2)=SniaI/3e0在光頻下，僅有電子位移對介電常數有影響，在金紅石晶體中有兩種原子，其中一個鈦原子、兩個氧原子，并由國際單位制換算