無(wú)機(jī)材料物理性能考試試題及答案

1、無(wú)機(jī)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(dòng)量不確定、系統(tǒng)中聲子的數(shù)目不守恒。2. 在外加電場(chǎng)E的作用下，一個(gè)具有電偶極矩為p的點(diǎn)電偶極子的位能U=-pE，該式表明 當(dāng)電偶極矩的取向與外電場(chǎng)同向時(shí)，能量為最低而反向時(shí)能量為最高。3. TC為正的溫度補(bǔ)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(dòng) 。4. 鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)由 5 個(gè) 簡(jiǎn)立方格子套購(gòu)而成，它們分別是 1個(gè)Ti 、 1個(gè)Ca 和 3個(gè)氧簡(jiǎn)立方格子 5. 彈性系數(shù)ks的大小實(shí)質(zhì)上反映了原子間勢(shì)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(qiáng)度不是取決于裂紋的數(shù)量，而是決定

2、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。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(qiáng)化材料的機(jī)理在于粒子可以防止基體內(nèi)的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，或通過粒子的塑性形變而吸收一部分能量，達(dá)從而到強(qiáng)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(kuò)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(dòng)而形成的波，或某一個(gè)原子在平衡位置附近的振動(dòng)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(chǎng)所引起，而是由極性晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)所引起，使晶體中的每個(gè)晶胞內(nèi)存在固有電偶極矩，這種極化機(jī)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(yùn)動(dòng)：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(gè)原子上，可以由一個(gè)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(gè)晶體中運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)稱為電子的共有化運(yùn)動(dòng)。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

4、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(jiǎn)答題（13）1. 玻璃是無(wú)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(shí)又能變形，為什么？答：正是因?yàn)榉情L(zhǎng)程有序，許多原子并不在勢(shì)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(dòng)。因此玻璃在高溫時(shí)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(xiàng)。多種方法對(duì)材料來(lái)說(shuō)都涉及同一現(xiàn)象。即實(shí)際電介質(zhì)的電

5、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(jiǎn)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(qiáng)度sf，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(jiǎn)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(gè)面上是同一種電荷的原子，相對(duì)滑動(dòng)面上的電荷相反；（滑移時(shí)，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(dòng)） 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

6、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(cuò)運(yùn)動(dòng)引起塑變；晶粒與晶粒間晶界的相對(duì)滑動(dòng)；空位的擴(kuò)散；粘性流動(dòng)。在常溫下，由于非金屬晶體及晶界的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使塑性形變難以實(shí)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(yùn)動(dòng)時(shí)，此應(yīng)力可能已超過微裂紋擴(kuò)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(wú)機(jī)材料中裂紋產(chǎn)生和快速擴(kuò)展的原因是什么？有哪些防止裂紋擴(kuò)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(shí)，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(cuò)在材料中運(yùn)動(dòng)會(huì)受到

7、各種阻礙：（2）材料表面的機(jī)械損傷與化學(xué)腐蝕形成表面型紋，這種表面裂紋最危險(xiǎn)，裂紋的擴(kuò)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(huì)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(qiáng)度則出現(xiàn)微裂紋。快速擴(kuò)展的原因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(臨界裂紋尺寸)決定材料的斷裂強(qiáng)度，一旦裂紋超過臨界尺寸，裂紋就迅速擴(kuò)展而斷裂。因?yàn)榱?/p>

8、紋擴(kuò)展的動(dòng)力 ，當(dāng)C增加時(shí)，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(kuò)展，G就愈來(lái)愈大于4，直到破壞。所以對(duì)于脆性材料，裂紋的起始擴(kuò)展就是破壞過程的臨界階段，因?yàn)榇嘈圆牧匣旧蠜]有吸收大量能量的塑性形變。防止裂紋擴(kuò)展的措施微晶、高密度與高純度、預(yù)加應(yīng)力、化學(xué)強(qiáng)化、相變?cè)鲰g、韌性相（如金屬粒子）彌散于材料中增韌、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等2. 比較同一組成的單晶、多晶、非晶態(tài)無(wú)機(jī)材料的熱導(dǎo)率隨溫度的變化。答：無(wú)機(jī)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(jī)構(gòu)有：聲子間的碰撞過程；點(diǎn)缺陷的散射；晶界散射；位錯(cuò)的散射。（2）對(duì)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(shí)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(shí)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(jí)，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(duì)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(duì)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(duì)于非晶態(tài)相，可以把其看作直徑為幾個(gè)晶格間距的極細(xì)

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(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?。粌烧咴诟邷叵卤容^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(wú)序結(jié)構(gòu)，聲子平均自由程都被限制在幾個(gè)晶胞間距的量級(jí)，因而組分對(duì)其影響小。3. 分析各種電極化微觀機(jī)制對(duì)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(huì)在外電場(chǎng)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(qiáng)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(yùn)動(dòng)有關(guān)，其完成需要一定的時(shí)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(jī)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c、極化強(qiáng)度P和介電常數(shù)er間的關(guān)系：P=e0(er-1)E，P=e0cE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(huì)提高其介電常數(shù)。但是由于各種極化現(xiàn)象所需的時(shí)間不同，是否能發(fā)生極化與該極化機(jī)制和外加電場(chǎng)的頻率有關(guān)，電子位移激化時(shí)間短，其極化范圍在直流與光頻間，即高于光頻的電場(chǎng)不能使電子發(fā)生位移極化，小于光頻的電場(chǎng)可以使電子發(fā)生位移極化，因此其對(duì)介電常數(shù)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(duì)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(diǎn)之間相互作用關(guān)于質(zhì)點(diǎn)平衡位置不對(duì)稱性。五、計(jì)算題(27) 1. 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)線性固體模型，推導(dǎo)應(yīng)力s和應(yīng)變e 的關(guān)系式： 。其中： = ， = 答案：由串并聯(lián)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(gòu)件，實(shí)際使用應(yīng)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(jù)經(jīng)典強(qiáng)度理論與斷裂強(qiáng)度理論進(jìn)行選擇，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行說(shuō)明。（設(shè)：最大裂紋尺寸為1mm，幾何形狀因子Y=1.5）答：經(jīng)典強(qiáng)度理論斷裂準(zhǔn)則：ssf/n運(yùn)用經(jīng)典強(qiáng)度理論的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)：得： 甲鋼的安全系數(shù): 1.5，乙鋼的安全系數(shù) 1.21.5。 因此選擇甲鋼比乙鋼安全。斷裂強(qiáng)度理論的斷裂準(zhǔn)則：KI=s(pc)1/2KIC 得： 甲鋼的斷裂應(yīng)力為：1.0GPa1.30GPa因此甲鋼不安全會(huì)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(jì)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(diǎn)設(shè)計(jì)材料即安全可靠，又能充分發(fā)揮材料的強(qiáng)度，合理使用材料。而傳統(tǒng)材料的設(shè)計(jì)觀點(diǎn)是一味的片面追求高強(qiáng)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4.24g/cm3，分子量為79.9，aeTi4+=0.27210-24cm3，aeO2-=2.7610-24cm3，試用克莫方程計(jì)算該介質(zhì)在光頻下的介電系數(shù)，實(shí)測(cè)e=7.3，請(qǐng)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)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(duì)介電常數(shù)有影響，在金紅石晶體中有兩種原子，其中一個(gè)鈦原子、兩個(gè)氧原子，并由國(guó)際單位制換算