材料物理性能復習題庫

1、材料物理性能習題與解答材料的熱學性能1計算室溫(298K)及高溫(1273K)時莫來石瓷的摩爾熱容值，并請和按杜龍-伯蒂規(guī)律計算的結(jié)果比較。（1）當T=298K，Cp=a+bT+cT-2=87.55+14.96*10-3*298-26.68*105/2982=87.55+4.46-30.04=61.97*4.18J/mol.K（2）當T=1273K，Cp=a+bT+cT-2=87.55+14.96*10-3*1293-26.68*105/12732=87.55+19.34-1.65=105.24*4.18J/mol.K=438.9J/mol.K據(jù)杜隆-珀替定律：（3Al2O3.2SiO4）Cp

2、=21*24o94=523.74J/mol.K可見，隨著溫度的升高，C趨近按Dulong-Petit定律所得的計算值。P,m2康寧1723玻璃（硅酸鋁玻璃）具有下列性能參數(shù)：入=0.021J/（cm.s.C）;a=4.6*10y/C;op=7.0Kg/mm2.E=6700Kg/mm2,卩=0.25.求第一及第二熱沖擊斷裂抵抗因子。a(1一卩)第一沖擊斷裂抵抗因子：R=一7*9.8*106*.75_=17OCaE4.6*10-6*6700*9.8*106第二沖擊斷裂抵抗因子：R/f(1-u)=170*0.021=3.57J/(cm.s)aE2-6NaCl和KCl具有相同的晶體結(jié)構(gòu)，它們在低溫下的

3、Debye溫度0D分別為310K和230K，KCl在5K的定容摩爾熱容為3.8*10-2J/(K.mol),試計算NaCl在5K和KCl在2K的定容摩爾熱容。根據(jù)德拜模型的熱容量理論，當溫度很低(TT0)時有Ch12兀4Nk(T)3TOC o 1-5 h zV50D23對于KCl有，C(2K)=x3.8x10-2=2.43x10-3J-mol-1-K-1V53對于NaCl有，Ch(5K)=2303x3.8x10-2=1.55x10-2Jmol-1-K-1V31032-7證明固體材料的熱膨脹系數(shù)不因為含均勻分散的氣孔而改變。Ya對于復合材料有a=yCiKiWi/Pi由于空氣組分的質(zhì)量分數(shù)W沁0，

4、 HYPERLINK l bookmark8 v乙KW/piiii所以氣孔不影響a，也不影響aoVl3材料的光學性能1.一入射光以較小的入射角i和折射角r通過一透明明玻璃板，若玻璃對光的衰減可忽略不計，試證明明透過后的光強為(1-m)2sini解：n=W=W+W21sinr（1、nI21in+121=1一=1一mWW2=m其折射光又從玻璃與空氣的另一界面射入空氣則吧W=1一mW-=(1一m)2W2光通過一塊厚度為1mm的透明Al2O3板后強度降低了15%，試計算其吸收和散射系數(shù)的且不隨溫度變化。求Si在室溫（20C）和500C時的電導率總和。解:I=Ie-(a+s)x=e-(a+s)x/.0.

5、85=e-(a+s)xo.1.a+s=10ln0.85=1.625cm-10I03-3有一材料的吸收系數(shù)a=0.32cm-1,透明光強分別為入射的10%,20%,50%及80%時，材料的厚度各為多少？I=Ie-axe-ax=-axx=解:0II1-ln0.1=7.2cm,0.320簽=egX3=誥=彳174=-ln0.8=0.697cm0.323-4一玻璃對水銀燈藍、綠譜線九=4358A和5461A的折射率分別為1.6525和1.6245，用此數(shù)B據(jù)定出柯西Cauchy近似經(jīng)驗公式n=A+的常數(shù)A和B,然后計算對鈉黃線九=5893A的九2折射率n及色散率dn/d九值。B1.6525=A+一43

6、5821-6245=A+54612A=1.5754入=5893時n=1.5754+1.4643x106=1.6176B=1.4643x10658932色散率:=(BX-2)=-2BX-3=-1.431X10-53-7.光纖的芯子折射率n1=1.62,包層折射率n2=1.52,試計算光發(fā)生全反射的臨界角Oc.解：(、0=sin-1n=sin-1(1.52(n1丿(1.62丿=1.218=69.84材料的電導性能1實驗測出離子型電導體的電導率與溫度的相關數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)學回歸分析得出關系式為：(1)試求在測量溫度范圍內(nèi)的電導活化能表達式。(2)若給定T1=500K,。1=10-9(O.cm)-1T2=1

7、000K,。2=10-6(O.cm)-1計算電導活化能的值。解：(1)C=10(A+B/T)Inc=(A+B/T)ln10Q=e(A+B/T)ln10=eln10Ae(ln10.B/T)=A1e(-W/kT)W=-ln10.B.k式中k=0.84*10-4(eV/K)(2)lg10-9=A+B/500lg10-6=A+B/1000B=-3000W=-ln10.(-3)*0.86*10-4*500=5.94*10-4*500=0.594eV3本征半導體中，從價帶激發(fā)至導帶的電子和價帶產(chǎn)生的空穴參與電導。激發(fā)的電子數(shù)n可近似表示為：n=Nexp(-E/2kT)式中N為狀態(tài)密度，k為波爾茲曼常數(shù)，T

8、為絕對溫度。g試回答以下問題：設N=1023cm-3,k=8.6”*10-5eV.K-1時，Si(Eg=1.1eV),TiO2(Eg=3.0eV)在室溫(20C)和500C時所激發(fā)的電子數(shù)(cm-3)各是多少：半導體的電導率。(Q-1.cm-1)可表示為=neP式中n為載流子濃度(cm-3),e為載流子電荷(電荷1.6*10-190，卩為遷移率(cm2.V-1.s-1)當電子(e)和空穴(h)同時為載流子時，Q=nep+nep假定Si的遷移率ue=1450(cm2.V-1.s-1),卩h=500(cm2.V-1.s-1),eehh解：(1)Si20Cn=1023exp(1.1/(2*8.6*1

9、0-5*298)=1023*e-2i.83=3.32*10i3cm-3500Cn=1023exp(1.1/(2*8.6*10-5*773)T023*e-8=2.55*1019cm-3TiO220Cn=1023exp(3.0/(2*8.6*10-5*298)=1.4*10-3cm-3500Cn=1023exp(3.0/(2*8.6*10-5*773)=1.6*1013cm-3(2)20C二nep+nep=3.32*1013*1.6*10-19(1450+500)eehh=1.03*10-2(Q-1.cm-1)500C二nep+nep=2.55*1019*1.6*10-19(1450+500)=7

10、956(Q-1.cm-1)eehh4-6一塊n型硅材料，摻有施主濃度N=1.5x1015/cm3，在室溫（T=300K）時本征載流濃度Dn=1.3x1012/cm3，求此時該塊半導體的多數(shù)載流子濃度和少數(shù)載流子濃度。in=N=1.5x1015/cm3（多子）;解：nN:.07超交換作用有哪些類型？為什么A-B型的作用最強？答：具有三種超交換類型:A-A,B-B和A-B因為金屬分布在A位和B位，且A位和B位上的離子磁矩取向是反平行排列的.超交換作用的強弱取決于兩個主要的因素:1）兩離子之間的距離以及金屬離子之間通過氧離子所組成的鍵角嘰2）金屬離子3d電子數(shù)目及軌道組態(tài).A-B型叫=1259;巾2

11、=15034A-A型巾3=7938B-B型4=90;叫=1252因為叫越大，超交換作用就越強，所以A-B型的交換作用最強.5-8論述各類磁性x-T的相互關系5-14.比較靜態(tài)磁化與動態(tài)磁化的特點材料受磁場作用磁滯回歸線包圍面積磁損耗靜態(tài)磁化靜態(tài)磁場大靜態(tài)磁滯損耗動態(tài)磁化動態(tài)磁場小磁滯損耗，渦流損耗，剩余損耗6-1金紅石（TiO2）的介電常數(shù)是100,求氣孔率為10%的一塊金紅石陶瓷介質(zhì)的介電常數(shù)。解：=100,X=0.9;=1,mm氣dX氣=X廠0.1X(T+321+X凡0.9x100 x(-+)+0.1x1dd33000.9(-+丄)+0.13300=85.926-2一塊1cm*4cm*0.

12、5cm的陶瓷介質(zhì)，其電容為2.4-6uF損耗因子tg5為0.02。求:2.4x10-12x0.5x10-2=3.39解：（1）相對電容率二相對介電常數(shù)；損耗因素。rA8.854x10-12x1x4x10-401x4x10-4(2)損耗因子=tan3二2.4x10-12x0.5x10-2x0.02二6.0 x10-13F-m-16-3鎂橄欖石（Mg2SiO4）瓷的組成為45%SiO2,5%Al2O3和50%MgO,在1400C燒成并急冷（保留玻璃相），陶瓷的&r=5.4。由于Mg2SiO4的介電常數(shù)是6.2,估算玻璃的介電常數(shù)&r。（設玻璃體積濃度為Mg2SiO4的1/2）/ln=xIn+xIn

13、1122山4=訓6.2+1ln2-2=4-09644如果A原子的原子半徑為B的兩倍，那么在其它條件都是相同的情況下，原子A的電子極化率大約是B的多少倍？解:.電子極化率a=4庇R3gR3,R=2Rna=8ae0ABe,Ae,B6-5為什么碳化硅的電容光煥發(fā)率與其折射率的平方n2相等CC,解：麥克斯韋電磁場理論V=,折射率n=n=七；卩J甲V由于SiC屬于非鐵磁性物質(zhì)卩=1n=化，介質(zhì)損耗發(fā)熱，當熱量在材料內(nèi)積累，材料溫度升高，當出現(xiàn)永久性損壞o26、電介質(zhì)的擊穿形式有電擊穿，熱擊穿和化學擊穿三種形式。29、對介質(zhì)損耗的主要影響因素是頻率和溫度o29、物質(zhì)的磁性是由電子的運動產(chǎn)生的.30、材料磁

14、性的本源是材料內(nèi)部電子的循軌和自旋運動o31、材料的抗磁性來源于電子循軌運動時受外加磁場作用所產(chǎn)生的抗磁矩。二、選擇題10.下列極化形式中不消耗能量的是（B）.（A）.轉(zhuǎn)向極化（B）電子位移式極化（C）離子松弛極化（D）電子松弛極化12、下列敘述正確的是（A）（A）一條形磁介質(zhì)在外磁場中被磁化，該介質(zhì)一定為順磁質(zhì)；（B）條形磁介質(zhì)在外磁場中被磁化，該介質(zhì)一定為抗磁質(zhì)；（C）一條形磁介質(zhì)在外磁場中被磁化，該介質(zhì)一定為鐵磁質(zhì)；（D）順磁質(zhì)，抗磁質(zhì)，鐵磁質(zhì)在外磁場中都會被磁化。k=98x10613、一種磁介質(zhì)的磁化率則它是（B）（A）鐵磁質(zhì)；（B）抗磁質(zhì)；（C）順磁質(zhì)；（D）無法判斷，若要判斷，還須

15、另外條件。三、名詞解釋7、壓電性某些晶體材料按所施加的機械應力成比例地產(chǎn)生電荷的能力。8、電解效應離子的遷移伴隨著一定的質(zhì)量變化，離子在電極附近發(fā)生電子得失，產(chǎn)生新的物質(zhì)。9、逆壓電效應某些晶體在一定方向的電場作用下，則會產(chǎn)生外形尺寸的變化，在一定范圍內(nèi)，其形變與電場強度成正比。15、電介質(zhì)在外電場作用下，能產(chǎn)生極化的物質(zhì)。16、極化介質(zhì)在電場作用下產(chǎn)生感應電荷的現(xiàn)象。17、電介質(zhì)極化在外電場作用下，電介質(zhì)中帶電質(zhì)點的彈性位移引起正負電荷中心分離或極性分子按電場方向轉(zhuǎn)動的現(xiàn)象。18、電子位移極化（也叫形變極化）在外電場作用下，原子外圍的電子云相對于原子核發(fā)生位移形成的極化叫電子位移極化，也叫形

16、變極化。19、離子位移極化離子晶體在電場作用下離子間的鍵合被拉長，導致電偶極矩的增加,被稱為離子位移極化。20、松弛極化當材料中存在著弱聯(lián)系電子、離子和偶極子等松弛質(zhì)點時，熱運動使這些松弛質(zhì)點分布混亂，而電場力圖使這些質(zhì)點按電場規(guī)律分布，最后在一定溫度下，電場的作用占主導，發(fā)生極化。這種極化具有統(tǒng)計性質(zhì)，叫作松馳極化。松馳極化是一種不可逆的過程，多發(fā)生在晶體缺陷處或玻璃體內(nèi)。21、電介質(zhì)的擊穿電介質(zhì)只能在一定的電場強度以內(nèi)保持絕緣的特性。當電場強度超過某一臨界值時，電介質(zhì)變成了導體，這種現(xiàn)象稱為電介質(zhì)的擊穿，相應的臨界電場強度稱為介電強度或擊穿電場強度。22、偶極子（電偶極子）正負電荷的平均中

17、心不相重合的帶電系統(tǒng)23、介質(zhì)損耗將電介質(zhì)在電場作用下，單位時間消耗的電能叫介質(zhì)損耗。24、順磁體原子內(nèi)部存在永久磁矩,無外磁場,材料無規(guī)則的熱運動使得材料沒有磁性.當外磁場作用,每個原子的磁矩比較規(guī)則取向,物質(zhì)顯示弱磁場。25、鐵磁體主要特點:在較弱的磁場內(nèi),鐵磁體也能夠獲得強的磁化強度,而且在外磁場移去,材料保留強的磁性.原因:強的內(nèi)部交換作用,材料內(nèi)部有強的內(nèi)部交換場,原子的磁矩平行取向,在物質(zhì)內(nèi)部形成磁疇27、鐵電體能夠自己極化的非線性介電材料，其電滯回路和鐵磁體的磁滯回路形狀相近似。30、霍爾效沿試樣x軸方向通入電流I（電流密度JX）,Z軸方向加一磁場HZ,那么在y軸方向上將產(chǎn)生一電

18、場Ey。31、固體電解質(zhì)固體電解質(zhì)是具有離子導電性的固態(tài)物質(zhì)。這些物質(zhì)或因其晶體中的點缺陷或因其特殊結(jié)構(gòu)而為離子提供快速遷移的通道,在某些溫度下具有高的電導率（1106西門子/厘米）,故又稱為快離子導體。四、簡答題14、根據(jù)抗熱沖擊斷裂因子對熱穩(wěn)定性的影響，分析提高抗熱沖擊斷裂性能的措施。（10分）答：提高抗熱沖擊斷裂性能的措施：（1）、提高材料強度G,減小彈性模量E,使g/E提高提高材料的柔韌性,能吸收較多的彈性應變能而不致開裂,提高了熱穩(wěn)定性。（2）、提高材料的熱導率九；（3）、減小材料的熱膨脹系數(shù)a;（4）、減小材料的表面熱傳遞系數(shù)h;（5）、減小產(chǎn)品的有效厚度。17、提高無機材料透光性

19、的措施有哪些？答：（1）提高原料的純度添加外加劑:一方面這些質(zhì)點將降低材料的透光率，但由于添加這些外加劑將可以降低材料的氣孔，從而提高材料的透光率工藝措施:采用熱壓法比普通燒結(jié)法更容易排除氣孔,即降低氣孔,將晶粒定向排列將可以提高材料的透光率22、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2530%）,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(jié)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。23、何謂壓堿效應？解釋產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因。答：壓堿效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(jié)合比較牢固，能嵌入玻璃網(wǎng)