材料物理性能复习题库
材料物理性能习题与解答
材料的热学性能
2-1 计算室温（298K ）及高温（1273K ）时莫来石瓷的摩尔热容值，并请和按杜龙-伯蒂规律计算的结果比较。
（1） 当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） 当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=438.9 J/mol.K
据杜隆-珀替定律：(3Al 2O 3.2SiO 4)Cp=21*24。94=523.74 J/mol.K
2-2 康宁1723玻璃（硅酸铝玻璃）具有下列性能参数：λ=0.021J/(cm.s.℃); α=4.6*10-6
/℃;ζp=7.0Kg/mm 2.E=6700Kg/mm 2,μ=0.25.求第一及第二热冲击断裂抵抗因子。 第一冲击断裂抵抗因子：E R f αμσ)1(-= =66610
*8.9*6700*10*6.475.0*10*8.9*7-=170℃ 第二冲击断裂抵抗因子：E
R f αμλσ)1(-='=170*0.021=3.57 J/(cm.s)
2-6 NaCl 和KCl 具有相同的晶体结构，它们在低温下的Debye 温度θD 分别为310K 和230K ，KCl 在5K 的定容摩尔热容为3.8*10-2J/(K.mol),试计算NaCl 在5K 和KCl 在2K 的定容摩尔热容。
2-7 证明固体材料的热膨胀系数不因为含均匀分散的气孔而改变。
3 材料的光学性能
3-1．一入射光以较小的入射角i 和折射角r 通过一透明明玻璃板,若玻璃对光的衰减可忽略不计,试证明明透过后的光强为(1-m)2 解：r i n sin sin 21=W = W’ + W’’ m W W W W m n n W W -=-=∴=???
? ??+-=1'1"11'2
2121其折射光又从玻璃与空气的另一界面射入空气则()21'"1"'"m W
W m W W -=∴-=
3-2 光通过一块厚度为1mm 的透明Al 2O 3板后强度降低了15%，试计算其吸收和散射系数的1
12233
113233
3
41055.1108.331023051043.2108.35
22)(5120--------???=??=???=??=≈→K m ol J K C NaCl K m ol J K C KCl T Nk C T h V h V D
h V ）（有，对于）（有，对于）时有理论，当温度很低（根据德拜模型的热容量θπ。
，也不影响所以气孔不影响，数由于空气组分的质量分对于复合材料有l V i i i i i i i i V W W K W K ααρραα0//≈=∑∑定律所得的计算值。
趋近按，可见，随着温度的升高Petit Dulong C m P -,
总和。
解:11.0)()(0
)(0625.185.0ln 1085.0-?+-+-+-=-=+∴=∴=∴=cm s e e I I e I I s x s x s αααα 3-3 有一材料的吸收系数α=0.32cm-1，透明光强分别为入射的10%，20%，50%及80%时，材料的厚度各为多少？
解: cm cm X X cm X cm X I I xx I I e e I I x x 697.032
.08.0ln 17.232.05.0ln ,03.532.02.0ln ,2.732.01.0ln ln 4321000=-==-==-==-=∴=-∴=
∴=--ααα 3-4一玻璃对水银灯蓝、绿谱线λ=4358A 和5461A 的折射率分别为1.6525和1.6245，用此数据定出柯西Cauchy 近似经验公式2λB A n +
=的常数A 和B ，然后计算对钠黄线λ=5893A 的
折射率n 及色散率dn/d λ值。 解：5322662210431.12)'(:6176.158********.15754.158********.15754.154616245.143586525.1---?-=-===?+==????==∴???
????+=+=+=λλλλλB B d dn n B A B A B A B A n 色散率时 3-7．一光纤的芯子折射率n 1=1.62,包层折射率n 2=1.52,试计算光发生全反射的临界角θc.
解： 8.69218.162.152.1sin sin 1121==??
? ??=???? ??=--n n c θ 4 材料的电导性能
4-1 实验测出离子型电导体的电导率与温度的相关数据，经数学回归分析得出关系式为：T
B A 1lg +=σ (1) 试求在测量温度范围内的电导活化能表达式。
(2) 若给定T1=500K ，ζ1=10-9（1).-Ωcm T2=1000K ，ζ2=10-6（1).-Ωcm 计算电导活化
能的值。
解：（1）)/(10
T B A +=σ 10ln )/(ln T B A +=σ 10ln )/(T B A e +=σ=)/.10(ln 10ln T B A e e =)/(1kT W e A - W=k B ..10ln - 式中k=)/(10*84.04K eV -
（2） 500/10lg 9B A +=- 1000/10lg 6B A +=- B=-3000
W=-ln10.(-3)*0.86*10-4*500=5.94*10-4*500=0.594eV
4-3本征半导体中，从价带激发至导带的电子和价带产生的空穴参与电导。激发的电子数n 可近似表示为：)2/exp(kT E N n g -=式中N 为状态密度，k 为波尔兹曼常数，T 为绝对温度。试回答以下问题：
（1）设N=1023cm -3,k=8.6”*10-5eV .K -1时, Si(Eg=1.1eV),TiO 2(Eg=3.0eV)在室温（20℃）和500℃时所激发的电子数（cm -3
）各是多少：
（2）半导体的电导率ζ（Ω-1.cm -1）可表示为μσne =式中n 为载流子浓度（cm -3），e 为载流子电荷（电荷 1.6*10-19C ）,μ为迁移率（cm 2.V -1.s -1）当电子（e ）和空穴（h ）同时为载流子时，h h e e e n e n μμσ+=假定Si 的迁移率μe=1450
（cm 2.V -1.s -1），μh=500（cm 2.V -1.s -1），
且不随温度变化。求Si 在室温（20℃）和500℃时的电导率
解：（1） Si 20℃ )298*10*6.8*2/(1.1exp(10523--=n =1023*e -21.83=3.32*1013cm -3
500℃ )773*10*6.8*2/(1.1exp(10523--=n =1023*e -8=2.55*1019 cm -3
TiO 2 20℃ )298*10*6.8*2/(0.3exp(10523--=n =1.4*10-3 cm
-3
500℃ )773*10*6.8*2/(0.3exp(10523--=n =1.6*1013 cm -3
(2) 20 ℃h h e e e n e n μμσ+==3.32*1013*1.6*10-19(1450+500) =1.03*10-2
（Ω-1.cm -1） 500℃ h h e e e n e n μμσ+==2.55*1019*1.6*10-19
(1450+500)=7956 （Ω-1.cm -1） 4-6 一块n 型硅材料，掺有施主浓度315/105.1cm N D ?=，在室温（T=300K ）时本征载流浓度312/103.1cm n i ?=，求此时该块半导体的多数载流子浓度和少数载流子浓度。
4-10 300K 时，锗的本征电阻率为47Ω.cm,如电子空求本征锗的载流子浓度分别为
3900s V cm ./2和1900s V cm ./2.求本征锗的载流子浓度.
4-11本征硅在室温时电子和空穴迁移分别为1350s V cm ./2和500s V cm ./2,当掺入百万分之
一的As 后,设杂质全部电离,试计算其电导率.比本征硅的电导率增大了多少倍?
5 材料的磁学性能5-6自发磁化的物理本质是什么?材料具有铁磁性的充要条件是什么?
答: 铁磁体自发磁化的本质是电子间的静电交换相互作用
材料具有铁磁性的充要条件为:(1)必要条件:材料原子中具有未充满的电子壳层,即原子磁矩(2)充分条件:交换积分A > 0
5-7超交换作用有哪些类型? 为什么A-B 型的作用最强?
答: 具有三种超交换类型: A-A, B-B 和A-B 因为金属分布在A 位和B 位,且A 位和B 位上的离子磁矩取向是反平行排列的.超交换作用的强弱取决于两个主要的因素: 1)两离子之间的距离以及金属离子之间通过氧离子所组成的键角ψi 2) 金属离子3d 电子数目及轨道组态.A-B 型ψ1=125°9’ ; ψ2=150°34’A -A 型ψ3=79°38’B -B 型ψ4=90°; ψ5=125°2’ 因为ψi 越大,超交换作用就越强,所以A-B 型的交换作用最强.
5-8 论述各类磁性χ-T 的相互关系
??????==?==∴??。少子；多子解：)(/1013.1)(/105.139203150cm N n p cm N n N n D i D D i 3
1319/1029.2)
19003900(106.1471)(1)(1cm q n q n p n i i p n i i i ?=+???=+=∴+==-μμρμμρσ 解：6
61119163
163221
1619103
10108.21085.3/8.108.101350106.1105/105,/1051085.3)5001350(106.1103.1)(/103.1300?=?=∴?Ω=????=≈?=?=?Ω?=+????=+=?=--------i
n n D n D i p n i i i cm q n cm n cm N Si cm q n cm n Si K σσμσμμσ则的密度本征又的时解：
6-1 金红石（TiO 2）的介电常数是100，求气孔率为10%的一块金红石陶瓷介质的介电常数。 6-2 一块1cm*4cm*0.5cm 的陶瓷介质，其电容为2.4-6μF,损耗因子tg δ为0.02。求： 相对介电常数；损耗因素。
6-3 镁橄榄石(Mg 2SiO 4)瓷的组成为45%SiO 2,5%Al 2O 3和50%MgO,在1400℃烧成并急冷（保留玻璃相），陶瓷的εr=5.4。由于Mg 2SiO 4的介电常数是6.2，估算玻璃的介电常数εr 。（设玻璃体积浓度为Mg 2SiO 4的1/2）
6-4 如果A 原子的原子半径为B 的两倍，那么在其它条件都是相同的情况下，原子A 的电子极化率大约是B 的多少倍？
6-5 为什么碳化硅的电容光焕发率与其折射率的平方n 2相等
ε
εμεμεμ==∴∴=∴==2,1,n n SiC n V C n C
V ＝属于非铁磁性物质由于折射率论解：麦克斯韦电磁场理
题库一、填空题14、杜隆—伯替定律的内容是：恒压下元素的原子热容为 25J/Kmol 。
15、在垂直入射的情况下，光在界面上的反射的多少取决于两种介质的 相对折射率 。
18、导电材料中载流子是 离子 、 电子 和空位。
19、金属材料电导的载流子是自由电子，而无机非金属材料电导的载流子可以是电子、电子空穴，或离子、离子空位。20、晶体的离子电导可以分为离子固有电导／或本征电导 和 杂质电导两大类。21、电子电导的特征是具有 霍尔效应 效应，离子电导的特征是具有 电解效应。22、晶体中热阻的主要来源是 声子 间碰撞引起的散射.
23．在半导体材料中，载流子散射主要有两方面的原因： 电离杂质散射 和 晶格振动散射 。
27、本征半导体硅的禁带宽度是 1.14eV ，它能吸收的辐射的最大波长为 1087.6 nm 。(普朗克恒量 h ＝6.63×10-34J·s ， 1eV ＝1.6×10-19J)23、超导体的两个基本特性是 完全导电性 和 完全抗磁性 。24、介质的极化有两种基本形式： 松弛极化 和 位移式极化 。
25、BaTiO 3电介质在居里点以下存在电子位移极化、离子位移极化、离子松弛极化和自发极化四种极化机制.17、热击穿的本质是介质在电场中 极化 ，介质损耗发热，当热量在材料内积累,材料温度升高，当出现永久性损坏。26、电介质的击穿形式有 电击穿 ，热击穿 和 化学击穿 三种形式。29、对介质损耗的主要影响因素是 频率 和 温度 。
29、物质的磁性是由 电子 的运动产生的.30、材料磁性的本源是材料内部电子的 循轨 和 自旋运动 。31、材料的抗磁性来源于 电子循轨运动 时受外加磁场作用所产生的抗磁矩。
二、选择题
92.851.0)300132(9.011.0)300132(1009.0)332()332(1.0,
1;9.0,100=++?++??=++++=======d m
d m d d m d m m d d m m χεεχεχεεεχεχχεεχε气气解：11342124122
120100.602.01041105.0104.2tan ''')2(39.3104110854.8105.0104.21)1(---------??=??????===???????=??=m F A d C r δεεεε损耗因子相对电容率解：1.4096.4ln 312.6ln 324.5ln ln ln ln 222211≈=?+=∴+=εεεεεx x B
e A e B A e R R R R ,,33082,4ααπεα=?=∝=电子极化率解：
10. 下列极化形式中不消耗能量的是(B).
(A). 转向极化(B).电子位移式极化(C).离子松弛极化(D).电子松弛极化
12、下列叙述正确的是（ A ）
（A）一条形磁介质在外磁场中被磁化，该介质一定为顺磁质；
（B）一条形磁介质在外磁场中被磁化，该介质一定为抗磁质；
（C）一条形磁介质在外磁场中被磁化，该介质一定为铁磁质；
（D）顺磁质，抗磁质，铁磁质在外磁场中都会被磁化。
13 、一种磁介质的磁化率
,
10
8.96-
?
-
=
κ
则它是（ B ）
（A）铁磁质；（B）抗磁质；（C）顺磁质；（D）无法判断，若要判断，还须另外条件。
三、名词解释
7、压电性——某些晶体材料按所施加的机械应力成比例地产生电荷的能力。
8、电解效应——离子的迁移伴随着一定的质量变化，离子在电极附近发生电子得失，产生新的物质。
9、逆压电效应——某些晶体在一定方向的电场作用下，则会产生外形尺寸的变化，在一定范围内，其形变与电场强度成正比。
15、电介质——在外电场作用下，能产生极化的物质。
16、极化——介质在电场作用下产生感应电荷的现象。
17、电介质极化——在外电场作用下，电介质中带电质点的弹性位移引起正负电荷中心分离或极性分子按电场方向转动的现象。
18、电子位移极化(也叫形变极化) ——在外电场作用下，原子外围的电子云相对于原子核发生位移形成的极化叫电子位移极化，也叫形变极化。
19、离子位移极化——离子晶体在电场作用下离子间的键合被拉长，导致电偶极矩的增加, 被称为离子位移极化。
20、松弛极化——当材料中存在着弱联系电子、离子和偶极子等松弛质点时，热运动使这些松弛质点分布混乱，而电场力图使这些质点按电场规律分布，最后在一定温度下，电场的作用占主导，发生极化。这种极化具有统计性质，叫作松驰极化。松驰极化是一种不可逆的过程，多发生在晶体缺陷处或玻璃体内。
21、电介质的击穿——电介质只能在一定的电场强度以内保持绝缘的特性。当电场强度超过某一临界值时，电介质变成了导体，这种现象称为电介质的击穿，相应的临界电场强度称为介电强度或击穿电场强度。
22、偶极子（电偶极子）——正负电荷的平均中心不相重合的带电系统
23、介质损耗——将电介质在电场作用下，单位时间消耗的电能叫介质损耗。
24、顺磁体——原子内部存在永久磁矩,无外磁场,材料无规则的热运动使得材料没有磁性.当外
磁场作用,每个原子的磁矩比较规则取向,物质显示弱磁场。
25、铁磁体——主要特点:在较弱的磁场内,铁磁体也能够获得强的磁化强度,而且在外磁场移去,
材料保留强的磁性.原因:强的内部交换作用,材料内部有强的内部交换场,原子的磁
矩平行取向,在物质内部形成磁畴
27、铁电体——能够自己极化的非线性介电材料，其电滞回路和铁磁体的磁滞回路形状相近
似。
30、霍尔效应——沿试样x轴方向通入电流I（电流密度JX），Z轴方向加一磁场HZ，那么在y轴方向上将产生一电场Ey。
31、固体电解质——固体电解质是具有离子导电性的固态物质。这些物质或因其晶体中的点缺陷或因其特殊结构而为离子提供快速迁移的通道,在某些温度下具有高的电导率(1～106西门子/厘米),故又称为快离子导体。
四、简答题
14、根据抗热冲击断裂因子对热稳定性的影响，分析提高抗热冲击断裂性能的措施。(10分)答：提高抗热冲击断裂性能的措施：（1）、提高材料强度σ，减小弹性模量E，使σ/E提高------
提高材料的柔韧性，能吸收较多的弹性应变能而不致开裂，提高了热稳定性。（2）、提高材
料的热导率λ；（3）、减小材料的热膨胀系数α；（4）、减小材料的表面热传递系数h；（5）、
减小产品的有效厚度。
17、提高无机材料透光性的措施有哪些？
答: (1)提高原料的纯度(2)添加外加剂:一方面这些质点将降低材料的透光率,但由于添加这些外加剂将可以降低材料的气孔,从而提高材料的透光率(3)工艺措施:采用热压法比普通烧结法更容易排除气孔,即降低气孔,将晶粒定向排列将可以提高材料的透光率
22、何谓双碱效应？以K2O，Li2O氧化物为例解释产生这种现象的原因。
答：双碱效应是指当玻璃中碱金属离子总浓度较大时(占玻璃组成25—30％)，碱金属离子总浓度相同的情况下，含两种碱金属离子比含一种碱金属离子的玻璃电导率要小。当两种碱金属浓度比例适当时，电导率可以降到很低。
这种现象的解释如下：K2O，Li2O氧化物中，K+和Li+占据的空间与其半径有关，因为(r K+＞r Li+)，在外电场作用下，一价金属离子移动时，Li+离子留下的空位比K+留下的空位小，这样K+只能通过本身的空位。Li+进入体积大的K+空位中，产生应力，不稳定，因而也是进入同种离子空位较为稳定。这样互相干扰的结果使电导率大大下降。此外由于大离子K+不能进入小空位，使通路堵塞，妨碍小离子的运动，迁移率也降低。
23、何谓压碱效应？解释产生这种现象的原因。
答：压碱效应是指在含碱破璃中加入二价金属氧化物，特别是重金属氧化物，使玻璃的电导率降低，相应的阳离子半径越大，这种效应越强。
压碱效应现象的解释：这是由于二价离子与玻璃中氧离子结合比较牢固，能嵌入玻璃网络结构，以致堵住了迁移通道，使碱金属离子移动困难，因而电导率降低。如用二价离子取代碱金属离子，也得到同样效果。
29、介质损耗的形式有哪些？
答：（1）电导（漏导）损耗（1分）（2）极化损耗（1分）（3）电离损耗（1分）（4）结构损耗（1分）（5）宏观结构不均匀的介质损耗（1分）
33、为什么说所有的物质都是磁介质？（5分）
答：材料磁性的本源是材料内部电子的循轨和自旋运动（2分）。而物质的磁性是由电子的运动产生的（1分）。任何物质都是由电子和原子核组成的，所以说所有的物质都是磁介质（2分）。
34、下图为铁磁性材料的典型磁滞回线，试根据该图回答以下问题：（13分）
（1）从图中分别读出饱和磁感应强度、矫顽力、剩余磁感应强度；（3分）
（2）什么是磁滞效应？应如何计算磁滞损耗？（4分）
（3）根据磁滞回线的形状，可将磁性材料分为哪两种材料，并分别说明这些材料的主要性能标志。（6分）
答：（1）饱和磁感应强度为Bs，矫顽力为Hc，剩余磁感应强度为Br；（3分）
（2）磁滞效应是指铁磁材料的磁感应强度的变化总是落后于磁场强度的变化，是铁磁材料的重要特性之一。（2分）
磁滞损耗的计算：磁滞回线所包围的面积即为磁化一周所产生的能量损耗，亦为磁滞损耗。（2分）
（3）根据磁滞回线的形状，可将磁性材料分为软磁材料和硬磁材料。（2分）
软磁材料的主要性能标志：磁滞回线细小，高导磁率、高的磁感应强度、小的剩余磁感应强度、低的矫顽力、低的磁滞损耗。（2分）硬磁材料的主要性能标志：磁滞回线宽肥，具有高的矫顽力、高的剩余磁感应强度、高的磁能积等。（2分）
材料物理性能期末复习题
期末复习题 一、填空（20） 1.一长30cm的圆杆，直径4mm，承受5000N的轴向拉力。如直径拉成3.8 mm，且体积保持不变，在此拉力下名义应力值为，名义应变值为。 2.克劳修斯—莫索蒂方程建立了宏观量介电常数与微观量极化率之间的关系。 3．固体材料的热膨胀本质是点阵结构中质点间平均距离随温度升高而增大。 4．格波间相互作用力愈强，也就是声子间碰撞几率愈大，相应的平均自由程愈小，热导率也就愈 介电常数一致，虚部表示了电介质中能量损耗的大小。 ．当磁化强度M为负值时，固体表现为抗磁性。8．电子磁矩由电子的轨道磁矩和自旋磁矩组成。 9．无机非金属材料中的载流子主要是电子和离子。 10．广义虎克定律适用于各向异性的非均匀材料。 ?（1-m）2x。11．设某一玻璃的光反射损失为m，如果连续透过x块平板玻璃，则透过部分应为 I 12．对于中心穿透裂纹的大而薄的板，其几何形状因子。 13．设电介质中带电质点的电荷量q，在电场作用下极化后，正电荷与负电荷的位移矢量为l，则此偶极矩为 ql 。 14．裂纹扩展的动力是物体内储存的弹性应变能的降低大于等于由于开裂形成两个新表面所需的表面能。 15.Griffith微裂纹理论认为，断裂并不是两部分晶体同时沿整个界面拉断，而是裂纹扩展的结果。16．考虑散热的影响，材料允许承受的最大温度差可用第二热应力因子表示。 17．当温度不太高时，固体材料中的热导形式主要是声子热导。 18．在应力分量的表示方法中，应力分量σ,τ的下标第一个字母表示方向，第二个字母表示应力作用的方向。 19．电滞回线的存在是判定晶体为铁电体的重要根据。 20．原子磁矩的来源是电子的轨道磁矩、自旋磁矩和原子核的磁矩。而物质的磁性主要由电子的自旋磁矩引起。 21. 按照格里菲斯微裂纹理论，材料的断裂强度不是取决于裂纹的数量，而是决定于裂纹的大小，即是由最危险的裂纹尺寸或临界裂纹尺寸决定材料的断裂强度。 22.复合体中热膨胀滞后现象产生的原因是由于不同相间或晶粒的不同方向上膨胀系数差别很大，产生很大的内应力，使坯体产生微裂纹。 23.晶体发生塑性变形的方式主要有滑移和孪生。 24.铁电体是具有自发极化且在外电场作用下具有电滞回线的晶体。 25.自发磁化的本质是电子间的静电交换相互作用。 二、名词解释(20) 自发极化：极化并非由外电场所引起，而是由极性晶体内部结构特点所引起，使晶体中的每个晶胞内存在固有电偶极矩，这种极化机制为自发极化。 断裂能：是一种织构敏感参数,起着断裂过程的阻力作用，不仅取决于组分、结构，在很大程度上受到微观缺陷、显微结构的影响。包括热力学表面能、塑性形变能、微裂纹形成能、相变弹性 能等。
《材料物理性能》试卷B.doc
一、是非题（I 分X1O=10分） 得分 评分人 1、 非等轴晶系的晶体，在膨胀系数低的方向热导率最大。 （） 2、 粉末和纤维材料的导热系数比烧结材料的低得多。 （） 3、 第一热应力因子/?是材料允许承受的最大温度差。 （） 4、 同一种物质，多晶体的热导率总是比单晶的小。 （） 5、 电化学老化的必要条件是介质中的离子至少有一种参加电导。（） 6、 玻璃中的电导基本上是离子电导。 （） 7、 薄玻璃杯较厚玻璃杯更易因冲开水而炸裂。 （） 8、 压应力使单晶材料的弹性模量变小。 （） 9、 多晶陶瓷材料断裂表面能比单晶大。 （） 10、 材料的断裂强度取决于裂纹的数量。 （） 二、名词解释（2分X 10=20分） 得分 评分人 题号 -------- - ? ---- * 四 五 六 七 八 九 总分 合分人 得分 材料物理性能课程结束B 试卷 考试形式 闭卷 考试用时120分钟
1、固体电解质: 2、表面传热系数： 3、P型半导体： 4、施主能级： 5、声频支： 6、稳定传热： 7、载流了的迁移率: 8、蠕变： 9、弛豫：
10、滑移系统:
三、简答题（5分X4=20分，任选4题） 得分 评分人 1、导温系数。的物理意义及其量纲? 2、显微结构对材料脆性断裂的影响? 3、写出两个抗热应力损伤因子的表达式并对其含义及作用加以说明。 4、不同材料在外力作用时有何不同的变形特征?
四、问答题（9分X4=36分） 得分 评分人 1、何为裂纹的亚临界生长？试用应力腐蚀理论解释裂纹的亚临界生长? 2、请对图1表示的氧化铝单晶的入-丁曲 线分析说明。o I JI O 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 T/K图1氧化铝单晶的热导率随温度的变 化
无机材料物理性能习题库
2、材料的热学性能 2-1 计算室温（298K ）及高温（1273K ）时莫来石瓷的摩尔热容值，并请和按杜龙-伯蒂规律计算的结果比较。 （1） 当T=298K ，Cp=a+bT+cT -2=87.55+14.96 10-3298-26.68 105/2982 =87.55+4.46-30.04 =61.97 4.18 J/mol K=259.0346 J/mol K （2） 当T=1273K ，Cp=a+bT+cT -2=87.55+14.96 10-31273-26.68 105/12732 =87.55+19.04-1.65 =104.94 4.18 J/mol K=438.65 J/mol K 据杜隆-珀替定律：(3Al 2O 32SiO 4) Cp=21*24.94=523.74 J/mol K 2-2 康宁玻璃（硅酸铝玻璃）具有下列性能参数：λ=0.021J/(cm s ℃); α=4.610?6/℃;σp =7.0Kg/mm 2，E=6700Kg/mm 2，μ=0.25。求其第一及第二热冲击断裂抵抗因子。 第一冲击断裂抵抗因子：E R f αμσ)1(-==666 79.8100.75 4.61067009.810-???????=170℃ 第二冲击断裂抵抗因子：E R f αμλσ) 1(-= '=1700.021=3.57 J/(cm s) 2-3 一陶瓷件由反应烧结氮化硅制成，其热导率λ=0.184J/(cm s ℃)，最大厚度=120mm 。如果表面热传递系数h=0.05 J/(cm 2s ℃)，假定形状因子S=1，估算可安全应用的热冲击最大允许温差。 h r S R T m m 31.01? '=?=226*0.18405 .0*6*31.01 =447℃ 2-4、系统自由能的增加量TS E F -?=?，又有! ln ln ()!! N N N n n =-，若在肖特基缺 定律所得的计算值。 趋近按，可见，随着温度的升高Petit Dulong C m P -,
材料物理性能课后习题答案
材料物理性能习题与解答
目录 1 材料的力学性能 (2) 2 材料的热学性能 (12) 3 材料的光学性能 (17) 4 材料的电导性能 (20) 5 材料的磁学性能 (29) 6 材料的功能转换性能 (37)
1材料的力学性能 1-1一圆杆的直径为2.5 mm、长度为25cm并受到4500N的轴向拉力，若直径拉细至 2.4mm，且拉伸变形后圆杆的体积不变,求在此拉力下的真应力、真应变、名义应力和名义应变，并比较讨论这些计算结果。 解：根据题意可得下表 由计算结果可知：真应力大于名义应力，真应变小于名义应变。 1-2一试样长40cm,宽10cm,厚1cm，受到应力为1000N拉力，其氏模量为3.5×109 N/m2，能伸长多少厘米? 解： 拉伸前后圆杆相关参数表 ) ( 0114 .0 10 5.3 10 10 1 40 1000 9 4 0cm E A l F l E l l= ? ? ? ? ? = ? ? = ? = ? = ? - σ ε 10 909 .4 0? 0851 .0 1 = - = ? = A A l l ε 名义应变
1-3一材料在室温时的氏模量为3.5×108 N/m 2,泊松比为0.35，计算其剪切模量和体积模量。 解：根据 可知： 1-4试证明应力-应变曲线下的面积正比于拉伸试样所做的功。 证： 1-5一陶瓷含体积百分比为95%的Al 2O 3 (E = 380 GPa)和5%的玻璃相(E = 84 GPa)，试计算其上限和下限弹性模量。若该陶瓷含有5 %的气孔，再估算其上限和下限弹性模量。 解：令E 1=380GPa,E 2=84GPa,V 1=0.95,V 2=0.05。则有 当该陶瓷含有5%的气孔时，将P=0.05代入经验计算公式E=E 0(1-1.9P+0.9P 2)可得，其上、下限弹性模量分别变为331.3 GPa 和293.1 GPa 。 1-6试分别画出应力松弛和应变蠕变与时间的关系示意图，并算出t = 0,t = ∞ 和t = τ时的纵坐标表达式。 解：Maxwell 模型可以较好地模拟应力松弛过程： Voigt 模型可以较好地模拟应变蠕变过程： )21(3)1(2μμ-=+=B G E ) (130)(103.1)35.01(2105.3)1(288MPa Pa E G ≈?=+?=+=μ剪切模量) (390)(109.3) 7.01(3105.3)21(388 MPa Pa E B ≈?=-?=-=μ体积模量. ,.,1 1 2 1 212 12 1 2 1 21 S W VS d V ld A Fdl W W S W V Fdl V l dl A F d S l l l l l l ∝====∝= ===???? ? ?亦即做功或者： 亦即面积εεεεεεεσεσεσ)(2.36505.08495.03802211GPa V E V E E H =?+?=+=上限弹性模量) (1.323)84 05.038095.0()(1 12211GPa E V E V E L =+=+=--下限弹性模量). 1()()(0)0() 1)(()1()(10 //0 ----= = ∞=-∞=-=e e e E t t t στεσεεεσεττ；；则有：其蠕变曲线方程为：. /)0()(;0)();0()0((0)e (t)-t/e στσσσσσστ==∞==则有：：其应力松弛曲线方程为
无机材料物理性能题库(2)综述
名词解释 1.应变：用来描述物体内部各质点之间的相对位移。 2.弹性模量：表征材料抵抗变形的能力。 3.剪切应变：物体内部一体积元上的二个面元之间的夹角变化。 4.滑移：晶体受力时，晶体的一部分相对另一部分发生平移滑动，就叫滑移. 5.屈服应力：当外力超过物理弹性极限，达到某一点后，在外力几乎不增加的情况下，变形骤然加快，此点为屈服点，达到屈服点的应力叫屈服应力。 6.塑性：使固体产生变形的力，在超过该固体的屈服应力后，出现能使该固体长期保持其变形后的形状或尺寸，即非可逆性。 7.塑性形变：在超过材料的屈服应力作用下，产生变形，外力移去后不能恢复的形变。 8.粘弹性：一些非晶体和多晶体在比较小的应力时,可以同时变现出弹性和粘性，称为粘弹性. 9.滞弹性：弹性行为与时间有关，表征材料的形变在应力移去后能够恢复但不能立即恢复的能力。 10.弛豫:施加恒定应变，则应力将随时间而减小，弹性模量也随时间而降低。 11.蠕变——当对粘弹性体施加恒定应力，其应变随时间而增加，弹性模量也随时间而减小。 12.应力场强度因子：反映裂纹尖端弹性应力场强弱的物理量称为应力强度因子。它和裂纹尺寸、构件几何特征以及载荷有关。 13.断裂韧性：反映材料抗断性能的参数。 14.冲击韧性：指材料在冲击载荷下吸收塑性变形功和断裂功的能力。 15.亚临界裂纹扩展：在低于材料断裂韧性的外加应力场强度作用下所发生的裂纹缓慢扩展称为亚临界裂纹扩展。 16.裂纹偏转增韧：在扩展裂纹剪短应力场中的增强体会导致裂纹发生偏转，从而干扰应力场，导致机体的应力强度降低，起到阻碍裂纹扩展的作用。 17.弥散增韧：在基体中渗入具有一定颗粒尺寸的微细粉料达到增韧的效果，称为弥散增韧。 18.相变增韧：利用多晶多相陶瓷中某些相成份在不同温度的相变，从而达到增韧的效果，称为相变增韧。 19.热容：分子热运动的能量随着温度而变化的一个物理量，定义为物体温度升高1K所需要的能量。 20.比热容：将1g质量的物体温度升高1K所需要增加的热量，简称比热。 21.热膨胀：物体的体积或长度随温度升高而增大的现象。 热传导：当固体材料一端的温度笔另一端高时，热量会从热端自动地传向冷端。22.热导率：在物体内部垂直于导热方向取两个相距1米，面积为1平方米的平行平面，若两个平面的温度相差1K，则在1秒内从一个平面传导至另一个平面的热量就规定为该物质的热导率。 23.热稳定性:指材料承受温度的急剧变化而不致破坏的能力，又称为抗热震性。 24.抗热冲击断裂性：材料抵抗温度急剧变化时瞬时断裂的性能。 25.抗热冲击损伤性：材料抵抗热冲击循环作用下缓慢破坏的性能。 26.热应力：材料热膨胀或收缩引起的内应力。 27.声频支振动：振动的质点中包含频率甚低的格波时，质点彼此间的位相差不
《材料物理性能》课后习题答案
1-1一圆杆的直径为2.5 mm 、长度为25cm 并受到4500N 的轴向拉力，若直径拉细至2.4mm ，且拉伸变形后圆杆的体积不变,求在此拉力下的真应力、真应变、名义应力和名义应变，并比较讨论这些计算结果。 解： 由计算结果可知：真应力大于名义应力，真应变小于名义应变。 1-5一陶瓷含体积百分比为95%的Al 2O 3 (E = 380 GPa)和5%的玻璃相(E = 84 GPa)，试计算其上限和下限弹性模量。若该陶瓷含有5 %的气孔，再估算其上限和下限弹性模量。 解：令E 1=380GPa,E 2=84GPa,V 1=0.95,V 2=0.05。则有 当该陶瓷含有5%的气孔时，将P=0.05代入经验计算公式E=E 0(1-1.9P+0.9P 2)可得，其上、下限弹性模量分别变为331.3 GPa 和293.1 GPa 。 1-6试分别画出应力松弛和应变蠕变与时间的关系示意图，并算出t = 0,t = ∞ 和t = τ时的纵坐标表达式。 解：Maxwell 模型可以较好地模拟应力松弛过程： V oigt 模型可以较好地模拟应变蠕变过程： ) (2.36505.08495.03802211GPa V E V E E H =?+?=+=上限弹性模量 ) (1.323)84 05.038095.0()(112211GPa E V E V E L =+=+=--下限弹性模量 ). 1()()(0)0() 1)(()1()(1 //0 ----= = ∞=-∞=-=e E E e e E t t t στεσεεεσετ τ ；；则有：其蠕变曲线方程为：. /)0()(;0)();0()0((0)e (t)-t/e στσσσσσστ ==∞==则有：：其应力松弛曲线方程为1.0 1.0 0816.04.25 .2ln ln ln 2 2 001====A A l l T ε真应变)(91710 909.44500 60MPa A F =?==-σ名义应力0851 .0100 =-=?=A A l l ε名义应变)(99510 524.445006MPa A F T =?==-σ真应力
材料无机材料物理性能考试及答案
材料无机材料物理性能考试及答案
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无机材料物理性能试卷 一．填空（１×２０＝２０分） 1．CsCl结构中，Ｃs+与Cl-分别构成＿＿＿＿格子。 ２．影响黏度的因素有＿＿＿＿、＿＿＿＿、＿＿＿＿. ３.影响蠕变的因素有温度、＿＿＿＿、＿＿＿＿、＿＿＿＿. ４．在＿＿＿＿、＿＿＿＿的情况下，室温时绝缘体转化为半导体。 ５．一般材料的＿＿＿＿远大于＿＿＿＿。 ６．裂纹尖端出高度的＿＿＿＿导致了较大的裂纹扩展力。 ７．多组分玻璃中的介质损耗主要包括三个部分：＿＿＿＿、＿＿＿＿＿＿＿＿、＿＿＿＿。 ８．介电常数显著变化是在＿＿＿＿处。 ９．裂纹有三种扩展方式：＿＿＿＿、＿＿＿＿、＿＿＿＿。 １０．电子电导的特征是具有＿＿＿＿。 二.名词解释（4×4分=16分） 1.电解效应 2.热膨胀 3.塑性形变 4.磁畴 三.问答题（3×8分=24分） 1.简述晶体的结合类型和主要特征： 2.什么叫晶体的热缺陷？有几种类型？写出其浓度表达式?晶体中离子电导分为哪几类？ 3.无机材料的蠕变曲线分为哪几个阶段，分析各阶段的特点。 4.下图为氧化铝单晶的热导率与温度的关系图，试解释图像先增后减的原因。 四，计算题（共20分） 1.求熔融石英的结合强度，设估计的表面能为1.75J/m2；Si-O的平衡原子间距为1.6×10-8cm，弹性模量值从60 到75GPa。（10分） 2.康宁1273玻璃(硅酸铝玻璃)具有下列性能参数： =0.021J/(cm ·s ·℃)；a=4.6×10-6℃-1；σp=7.0kg/mm2，
《材料物理性能》课后习题答案
1-1一圆杆的直径为2.5 mm 、长度为25cm 并受到4500N 的轴向拉力，若直径拉细至2.4mm ，且拉伸变形后圆杆的体积不变,求在此拉力下的真应力、真应变、名义应力和名义应变，并比较讨论这些计算结果。 解： 由计算结果可知：真应力大于名义应力，真应变小于名义应变。 1-5一瓷含体积百分比为95%的Al 2O 3 (E = 380 GPa)和5%的玻璃相(E = 84 GPa)，试计算其上限和下限弹性模量。若该瓷含有5 %的气孔，再估算其上限和下限弹性模量。 解：令E 1=380GPa,E 2=84GPa,V 1=0.95,V 2=0.05。则有 当该瓷含有5%的气孔时，将P=0.05代入经验计算公式E=E 0(1-1.9P+0.9P 2)可得，其上、下限弹性模量分别变为331.3 GPa 和293.1 GPa 。 1-6试分别画出应力松弛和应变蠕变与时间的关系示意图，并算出t = 0,t = ∞ 和t = τ时的纵坐标表达式。 解：Maxwell 模型可以较好地模拟应力松弛过程： ) (2.36505.08495.03802211GPa V E V E E H =?+?=+=上限弹性模量) (1.323)84 05.038095.0()(1 12211GPa E V E V E L =+=+=--下限弹性模量. /)0()(;0)();0()0((0)e (t)-t/e στσσσσσστ==∞==则有：：其应力松弛曲线方程为0816.04.25.2ln ln ln 2 2 001====A A l l T ε真应变) (91710 909.44500 60MPa A F =?==-σ名义应力0851 .010 0=-=?=A A l l ε名义应变) (99510524.44500 6 MPa A F T =?= =-σ真应力
材料物理性能-复习资料
第二章材料的热学性能 热容：热容是分子或原子热运动的能量随温度而变化的物理量，其定义是物体温度升高1K所需要增加的能量。 不同温度下，物体的热容不一定相同，所以在温度T时物体的热容为： 物理意义：吸收的热量用来使点阵振动能量升高，改变点阵运动状态，或者还有可能产生对外做功；或加剧电子运动。 晶态固体热容的经验定律： 一是元素的热容定律—杜隆-珀替定律：恒压下元素的原子热容为25J/（K?mol）； 二是化合物的热容定律—奈曼-柯普定律：化合物分子热容等于构成此化合物各元素原子热容之和。 热差分析：是在程序控制温度下，将被测材料与参比物在相同条件下加热或冷却，测量试样与参比物之间温差(ΔT)随温度(T)时间(t)的变化关系。 参比物要求：应为热惰性物质，即在整个测试的温度范围内它本身不发生分解、相变、破坏，也不与被测物质产生化学反应同时参比物的比热容，热传导系数等应尽量与试样接近。 第三章材料的光学性能 四、选择吸收：同一物质对各种波长的光吸收程度不一样，有的波长的光吸收系数可以非常大，而对另一波长 的吸收系数又可以非常小。 均匀吸收：介质在可见光范围对各种波长的吸收程度相同。 金属材料、半导体、电介质产生吸收峰的原因 （1）金属对光能吸收很强烈，这是因为金属的价电子 处于未满带，吸收光子后即呈激发态，用不着跃迁到导 带即能发生碰撞而发热。（2）半导体的禁带比较窄， 吸收可见光的能量就足以跃迁。（3）电介质的禁带宽， 可见光的能量不足以使它跃迁，所以可见光区没有吸收 峰。紫外光区能量高于禁带宽度，可以使电介质发生跃 迁，从而出现吸收峰。电介质在红外区也有一个吸收峰， 这是因为离子的弹性振动与光子辐射发生谐振消耗能量所致。 第六章材料的磁学性能 一、固有磁矩产生的原因 原子固有磁矩由电子的轨道磁矩和电子的自旋磁矩构成，电子绕原子核运动，产生轨道磁矩；电子的自旋也产生自旋磁矩。当电子层的各个轨道电子都排满时，其电子磁矩相互抵消，这个电子层的磁矩总和为零。原子中如果有未被填满的电子壳层，其电子的自旋磁矩未被抵消(方向相反的电子自旋磁矩可以互相抵消)，原子就具有“永久磁矩”。 二、抗磁性与顺磁性 抗磁性：轨道运动的电子在外磁场作用下产生附加的且与外磁场反向的磁矩。 产生原因：外加磁场作用下电子绕核运动所感应的附加磁矩造成的。 顺磁性：材科的顺磁性来源于原子的固有磁矩。 产生原因：因为存在未填满的电子层，原子存在固有磁矩，当加上外磁场 时，为了降低静磁能，原子磁矩要转向外磁场方向，结果使总磁矩不为零而表 现出磁性。 三、强顺磁性：过渡族金属在高温都属于顺磁体，这些金属的顺磁性主要是由 于3d, 4d, 5d电子壳层未填满，而d和f态电子未抵消的磁矩形成晶体离子 构架的固有磁矩，因此产生强烈的顺磁性。 四、磁化曲线、磁滞回线
无机材料物理性能课后习题答案
《材料物理性能》 第一章材料的力学性能 1-1一圆杆的直径为2.5 mm 、长度为25cm 并受到4500N 的轴向拉力，若直径拉细至 2.4mm ，且拉伸变形后圆杆的体积不变,求在此拉力下的真应力、真应变、名义应力和名义应变，并比较讨论这些计算结果。 解： 由计算结果可知：真应力大于名义应力，真应变小于名义应变。 1-5一陶瓷含体积百分比为95%的Al 2O 3 (E = 380 GPa)和5%的玻璃相(E = 84 GPa)，试计算其上限和下限弹性模量。若该陶瓷含有5 %的气孔，再估算其上限和下限弹性模量。 解：令E 1=380GPa,E 2=84GPa,V 1=,V 2=。则有 当该陶瓷含有5%的气孔时，将P=代入经验计算公式E=E 0+可得，其上、下限弹性模量分别变为 GPa 和 GPa 。 1-11一圆柱形Al 2O 3晶体受轴向拉力F ，若其临界抗剪强度 τf 为135 MPa,求沿图中所示之方向的滑移系统产生滑移时需要的最小拉力值，并求滑移面的法向应力。 0816 .04.25.2ln ln ln 22 001====A A l l T ε真应变) (91710909.44500 60MPa A F =?==-σ名义应力0851 .010 0=-=?=A A l l ε名义应变) (99510524.445006MPa A F T =?== -σ真应力)(2.36505.08495.03802211GPa V E V E E H =?+?=+=上限弹性模量) (1.323)84 05.038095.0()(1 12211GPa E V E V E L =+=+=--下限弹性模量
材料物理性能考试重点、复习题电子教案
材料物理性能考试重点、复习题
精品资料 1.格波：在晶格中存在着角频率为ω的平面波，是晶格中的所有原子以相同频率振动而 形成的波，或某一个原子在平衡附近的振动以波的形式在晶体中传播形成的波 2.色散关系：频率和波矢的关系 3.声子：晶格振动中的独立简谐振子的能量量子 4.热容：是分子或原子热运动的能量随温度而变化的物理量，其定义是物体温度升高1K 所需要增加的能量。 5.两个关于晶体热容的经验定律：一是元素的热容定律----杜隆-珀替定律：恒压下元素的 原子热容为25J/(K*mol);另一个是化合物的热容定律-----奈曼-柯普定律：化合物分子热容等于构成此化合物各元素原子热容之和。 6.热膨胀：物体的体积或长度随温度的升高而增大的现象称为热膨胀 7.固体材料热膨胀机理：材料的热膨胀是由于原子间距增大的结果，而原子间距是指晶 格结点上原子振动的平衡位置间的距离。材料温度一定时，原子虽然振动，但它平衡位置保持不变，材料就不会因温度升高而发生膨胀；而温度升高时，会导致原子间距增大。 8.温度对热导率的影响：在温度不太高时，材料中主要以声子热导为主,决定热导率的因 素有材料的热容C、声子的平均速度V和声子的平均自由程L,其中v通常可以看作常数,只有在温度较高时,介质的弹性模量下降导致V减小。材料声子热容C在低温下与温度T3成正比。声子平均自由程V随温度的变化类似于气体分子运动中的情况，随温度升高而降低。实验表明在低温下L值的变化不大，其上限为晶粒的线度，下限为晶格间距。在极低温度时，声子平均自由程接近或达到其上限值—晶粒的直径；声子的热容C则与T3成正比；在此范围内光子热导可以忽略不计，因此晶体的热导率与温度的三次方成正比例关系。在较低温度时，声子的平均自由程L随温度升高而减小，声子的热容C仍与T3成正比，光子热导仍然极小，可以忽略不计，此时与L相比C对声子热导率的影响更大,因此在此范围内热导率仍然随温度升高而增大,但变化率减小。 在较高温度下，声子的平均自由程L随温度升高继续减小,而声子热容C趋近于常数,材料的热导率由L随温度升高而减小决定。随着温度升高,声子的平均自由程逐渐趋近于其最小值,声子热容为常数,光子平均自由程有所增大,故此光子热导逐步提高,因此高温下热导率随温度升高而增大。一般来说,对于晶体材料，在常用温度范围内，热导率随温度的上升为下降。 9.影响热导率的因素:1）温度的影响，一般来说，晶体材料在常用温度范围内，热导率随 温度的上升而下降。2）显微结构的影响。3）化学组成的影响。4）复合材料的热导率 10.热稳定性：是指材料承受温度的急剧变化而不致破坏的能力，所以又称为抗热震性。 11.常用热分析方法：1）普通热分析法2）差热分析3）差示扫描量热法4）热重法 12.光折射：当光依次通过两种不同介质时，光的行进方向要发生改变，这种现象称为折 射 13.光的散射：材料中如果有光学性能不均匀的结构，例如含有透明小粒子、光性能不同 的晶界相、气孔或其他夹杂物，都会引起一部分光束偏离原来的传播方向而向四面八方散开来，这种现象称为光的散射。 14.吸收：光通过物质传播时，会引起物质的价电子跃迁或使原子振动，从而使光能的一 部分转变为热能，导致光能的衰减的现象 15.弹性散射：光的波长（或光子能量）在散射前后不发生变化的，称为弹性散射 16.按照瑞利定律，微小粒子对波长的散射不如短波有效，在可见光的短波侧λ=400nm 处，紫光的散射强度要比长波侧λ=720nm出红光的散射强度大约大10倍 17.色散：材料的折射率随入射光的频率的减小（或波长的增加）而减小的性质，称为材仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除谢谢2
最新无机材料物理性能考试试题及答案
无机材料物理性能考试试题及答案 一、填空（18） 1. 声子的准粒子性表现在声子的动量不确定、系统中声子的数目不守恒。 2. 在外加电场E的作用下，一个具有电偶极矩为p的点电偶极子的位能U=-p·E，该式表明当电偶极矩的取向与外电场同向时，能量为最低而反向时能量为最高。 3. TC为正的温度补偿材料具有敞旷结构，并且内部结构单位能发生较大的转动。 4. 钙钛矿型结构由 5 个简立方格子套购而成，它们分别是1个Ti 、1个Ca 和3个氧简立方格子 5. 弹性系数ks的大小实质上反映了原子间势能曲线极小值尖峭度的大小。 6. 按照格里菲斯微裂纹理论，材料的断裂强度不是取决于裂纹的数量，而是决定于裂纹的大小，即是由最危险的裂纹尺寸或临界裂纹尺寸决定材料的断裂强度。 7. 制备微晶、高密度与高纯度材料的依据是材料脆性断裂的影响因素有晶粒尺寸、气孔率、杂质等。 8. 粒子强化材料的机理在于粒子可以防止基体内的位错运动，或通过粒子的塑性形变而吸收一部分能量，达从而到强化的目的。 9. 复合体中热膨胀滞后现象产生的原因是由于不同相间或晶粒的不同方向上膨胀系数差别很大，产生很大的内应力，使坯体产生微裂纹。 10.裂纹有三种扩展方式：张开型、滑开型、撕开型 11. 格波：晶格中的所有原子以相同频率振动而形成的波，或某一个原子在平衡位置附近的振动是以波的形式在晶体中传播形成的波 二、名词解释(12) 自发极化：极化并非由外电场所引起，而是由极性晶体内部结构特点所引起，使晶体中的每个晶胞内存在固有电偶极矩，这种极化机制为自发极化。 断裂能：是一种织构敏感参数,起着断裂过程的阻力作用，不仅取决于组分、结构，在很大程度上受到微观缺陷、显微结构的影响。包括热力学表面能、塑性形变能、微裂纹形成能、相变弹性能等。 电子的共有化运动：原子组成晶体后，由于电子壳层的交叠，电子不再完全局限在某一个原子上，可以由一个原子的某一电子壳层转移到相邻原子的相似壳层上去，因而电子可以在整个晶体中运动。这种运动称为电子的共有化运动。 平衡载流子和非平衡载流子：在一定温度下，半导体中由于热激发产生的载流子成为平衡载流子。由于施加外界条件(外加电压、光照)，人为地增加载流子数目，比热平衡载流子数目多的载流子称为非平衡载流子。 三、简答题（13） 1. 玻璃是无序网络结构，不可能有滑移系统，呈脆性，但在高温时又能变形，为什么？ 答：正是因为非长程有序，许多原子并不在势能曲线低谷；在高温下，有一些原子键比较弱，只需较小的应力就能使这些原子间的键断裂；原子跃迁附近的空隙位置，引起原子位移和重排。不需初始的屈服应力就能变形-----粘性流动。因此玻璃在高温时能变形。 2. 有关介质损耗描述的方法有哪些？其本质是否一致？ 答：损耗角正切、损耗因子、损耗角正切倒数、损耗功率、等效电导率、复介电常数的复项。多种方法对材料来说都涉及同一现象。即实际电介质的电流位相滞后理想电介质的电流位相。因此它们的本质是一致的。 3. 简述提高陶瓷材料抗热冲击断裂性能的措施。 答：(1) 提高材料的强度 f，减小弹性模量E。(2) 提高材料的热导率c。(3) 减小材料的热膨胀系数a。(4) 减小表面热传递系数h。(5) 减小产品的有效厚度rm。
材料物理性能部分课后习题
课后习题 第一章 1.德拜热容的成功之处是什么？ 答：德拜热容的成功之处是在低温下，德拜热容理论很好的描述了晶体热容，CV.M∝T的三次方 2.何为德拜温度？有什么物理意义？ 答：HD=hνMAX/k 德拜温度是反映晶体点阵内原子间结合力的一个物理量 德拜温度反映了原子间结合力，德拜温度越高，原子间结合力越强 3.试用双原子模型说明固体热膨胀的物理本质 答：如图，U1（T1）、U2（T2）、U3(T3）为不同温度时的能量，当原子热振动通过平衡位置r0时，全部能量转化为动能，偏离平衡位置时，动能又逐渐转化为势能；到达振幅最大值时动能降为零，势能打到最大。由势能曲线的不对称可以看到，随温度升高，势能由U1(T1）、U2（T2）向U3（T3）变化，振幅增加，振动中心就由r0'，r0''向r0'''右移，导致双原子间距增大，产生热膨胀
第二章 1.300K1×10-6Ω·m4000K时电阻率增加5% 由于晶格缺陷和杂质引起的电阻率。 解：按题意:p(300k) = 10∧-6 则: p(400k) = (10∧-6)* (1+0.05) ----(1) 在400K温度下马西森法则成立，则: p(400k) = p(镍400k) + p(杂400k) ----(2) 又: p(镍400k) = p(镍300k) * [1+ α* 100] ----(3) 其中参数: α为镍的温度系数约= 0.007 ; p(镍 300k)(室温) = 7*10∧-6 Ω.cm) 将(1)和(3)代入(2)可算出杂质引起的电阻率p(杂400k)。 2.为什么金属的电阻因温度升高而增大，而半导体的电阻却因温度的升高而减小？ 对金属材料，尽管温度对有效电子数和电子平均速率几乎没有影响，然而温度升高会使离子振动加剧，热振动振幅加大，原子的无序度增加，周期势场的涨落也加大。这些因素都使电子运动的自由称减小，散射几率增加而导致电阻率增大 而对半导体当温度升高时，满带中有少量电子有可能被激发
东南大学-材料物理性能复习题(2008)
材料物理性能复习题 第一章 1、C v 、C p 和c 的定义。C pm 和C vm 的关系，实际测量得到的是何种量？Cvm 与温度（包括ΘD ）的关系。自由电子对金属热容的贡献。合金热容的计算。 2、哪些相变属于一级相变和二级相变？其热容等的变化有何特点？ 3、撒克斯法测量热容的原理。何谓DTA 和DSC ？DTA 测量对标样有何要求？如何根据DTA 曲线及热容变化曲线判断相变的发生及热效应（吸热或放热）？ 4、线膨胀系数和体膨胀系数的表达式及两者的关系。证明c b a v αααα++=（采用与教材不同的方法） 5、金属热膨胀的物理本质。热膨胀和热容与温度（包括ΘD ）的关系有何类似之处？为何金属熔点越高其膨胀系数越小？为何化合物和有序固溶体的膨胀系数比固溶体低？奥氏体转变为铁素体时体积的变化及机理。膨胀测量时对标样有何要求？ 6、比容的定义（单位重量的体积，为密度的倒数）。奥氏体、珠光体、马氏体和渗碳体的比容相对大小。 7、钢在共析转变时热膨胀曲线的特点及机理。如何根据冷却膨胀曲线计算转变产物的相对量？ 8、傅里叶定律和热导率、热量迁移率。导温系数的表达式及物理意义。 9、金属、半导体和绝缘体导热的物理机制。魏德曼－弗兰兹定律。 10、何谓抗热冲击断裂性和抗热冲击损伤性？热应力是如何产生的，与哪些因素有关？提高材料的抗热冲击断裂性可采取哪些措施？ 第二章 1、电阻、电阻率、电导率及电阻温度系数的定义及相互关系。 2、电阻的物理意义。为何温度升高、冷塑性变形和形成固溶体使金属的电阻率增加，形成有序固溶体使电阻率下降？马基申定律的表达式及各项意义。为何纯金属的电阻温度系数较其合金大？如何获得电阻温度系数很低的精密电阻合金？ 3、对层片状组织，证明教材中的关系式（2.25）和（2.26）。 4、双电桥较单电桥有何优点？用电位差计测量电阻的原理。用电阻分析法测定铝铜合金时效和固溶体的溶解度的原理。 5、何谓本征半导体？其载流子为何？证明关系式J=qnv 和ρ＝E/J （J 和E 分别为电流密度和电场强度）。 6、为何掺杂后半导体的导电性大大增强？为何有电子型和空穴型两种半导体。N 型和P 型半导体中的多子和少子。为何PN 结有单向导电性？ 7、温差电势和接触电势的物理本质，热电偶的原理。 8、何谓压电效应？电偶极矩的概念。压电性产生的机理。 9、何谓霍尔效应和霍尔系数？推导出教材中的关系式（2.83）～（2.85）。如何根据霍尔效应判断半导体中载流子是电子还是空穴？ 第三章 1、M 、P m 的关系。M 、H 的关系。μ0，μ，χ的概念。B 、H 的关系。磁化曲线
材料物理性能课后习题问题详解_北航出版社_田莳主编
材料物理习题集 第一章 固体中电子能量结构和状态（量子力学基础） 1. 一电子通过5400V 电位差的电场，（1）计算它的德布罗意波长；（2）计算它的波数；（3） 计算它对Ni 晶体（111）面（面间距d =2.04×10-10 m ）的布拉格衍射角。（P5） 12 34 131 192 1111 o ' (2) 6.610 = (29.110 5400 1.610 ) =1.67102K 3.7610sin sin 2182h h p mE m d d λπ λ θλ λ θθ----=???????=?==?=解：（1）= （2）波数= （3）2 2. 有两种原子，基态电子壳层是这样填充的 ; ; s s s s s s s 226232 2 6 2 6 10 2 6 10 （1）1、22p 、33p （2）1、22p 、33p 3d 、44p 4d ，请分别写出n=3的所有电子的四个量 子数的可能组态。（非书上内容）
3. 如电子占据某一能级的几率是1/4，另一能级被占据的几率为3/4，分别计算两个能级 的能量比费米能级高出多少k T ？（P15） 1()exp[]1 1 ln[1] ()()1/4ln 3()3/4ln 3F F F F f E E E kT E E kT f E f E E E kT f E E E kT = -+?-=-=-=?=-=-?解：由将代入得将代入得 4. 已知Cu 的密度为8.5×103 kg/m 3 ，计算其E 0 F 。（P16） 2 2 03 23426 23 3 31 18(3/8)2(6.6310)8.510 =(3 6.0210/8)291063.5 =1.0910 6.83F h E n m J eV ππ---=????????=解： 由 5. 计算Na 在0K 时自由电子的平均动能。（Na 的摩尔质量M=22.99，.0ρ?33 =11310kg/m ） （P16）
无机材料物理性能期末复习题
期末复习题参考答案 一、填空 1.一长30cm的圆杆，直径4mm，承受5000N的轴向拉力。如直径拉成3.8 mm，且体积保持不变，在此拉力下名义应力值为，名义应变值为。 2.克劳修斯—莫索蒂方程建立了宏观量介电常数与微观量极化率之间的关系。 3．固体材料的热膨胀本质是点阵结构中质点间平均距离随温度升高而增大。 4．格波间相互作用力愈强，也就是声子间碰撞几率愈大，相应的平均自由程愈小，热导率也就愈低。 5．电介质材料中的压电性、铁电性与热释电性是由于相应压电体、铁电体和热释电体都是不具有对称中心的晶体。 6．复介电常数由实部和虚部这两部分组成，实部与通常应用的介电常数一致，虚部表示了电介质中能量损耗的大小。 7．无机非金属材料中的载流子主要是电子和离子。 8．广义虎克定律适用于各向异性的非均匀材料。 ?（1-m）2x。9．设某一玻璃的光反射损失为m，如果连续透过x块平板玻璃，则透过部分应为 I 10．对于中心穿透裂纹的大而薄的板，其几何形状因子Y= 。 11．设电介质中带电质点的电荷量q，在电场作用下极化后，正电荷与负电荷的位移矢量为l，则此偶极矩为 ql 。 12．裂纹扩展的动力是物体内储存的弹性应变能的降低大于等于由于开裂形成两个新表面所需的表面能。 13.Griffith微裂纹理论认为，断裂并不是两部分晶体同时沿整个界面拉断，而是裂纹扩展的结果。14．考虑散热的影响，材料允许承受的最大温度差可用第二热应力因子表示。 15．当温度不太高时，固体材料中的热导形式主要是声子热导。 16．在应力分量的表示方法中，应力分量σ,τ的下标第一个字母表示方向，第二个字母表示应力作用的方向。 17．电滞回线的存在是判定晶体为铁电体的重要根据。 18．原子磁矩的来源是电子的轨道磁矩、自旋磁矩和原子核的磁矩。而物质的磁性主要由电子的自旋磁矩引起。 19. 按照格里菲斯微裂纹理论，材料的断裂强度不是取决于裂纹的数量，而是决定于裂纹的大小，即是由最危险的裂纹尺寸或临界裂纹尺寸决定材料的断裂强度。 20.复合体中热膨胀滞后现象产生的原因是由于不同相间或晶粒的不同方向上膨胀系数差别很大，产生很大的内应力，使坯体产生微裂纹。 21.晶体发生塑性变形的方式主要有滑移和孪生。 22.铁电体是具有自发极化且在外电场作用下具有电滞回线的晶体。 23.自发磁化的本质是电子间的静电交换相互作用。 二、名词解释 自发极化：极化并非由外电场所引起，而是由极性晶体内部结构特点所引起，使晶体中的每个晶胞内存在固有电偶极矩，这种极化机制为自发极化。 断裂能：是一种织构敏感参数,起着断裂过程的阻力作用，不仅取决于组分、结构，在很大程度上受到微观缺陷、显微结构的影响。包括热力学表面能、塑性形变能、微裂纹形成能、相变弹性 能等。 滞弹性：当应力作用于实际固体时，固体形变的产生与消除需要一定的时间，这种与时间有关的弹性称为滞弹性。 格波：处于格点上的原子的热振动可描述成类似于机械波传播的结果，这种波称为格波，格波的一个
材料物理性能复习题
μυσρ22/1e n m **==材料物理性能复习题 一． 概念题 压电体：某些电介质施加机械力而引起它们内部正负电荷中心相对位移，产生极化，从而导致介质两端表面内出现符 号相反的束缚电荷。在一定应力范围内，机械力与电荷呈线性可逆关系这类物质 导体：在外电场的作用下，大量共有化电子很易获得能量，集体定向流动形成电流的物体 半导体：能带结构的满带与空带之间也是禁带，但是禁带很窄，导电性能介于导体和半导体之间的物体 绝缘体：在外电场的作用下，共有化电子很难接受外电场的能量，难以导通电流的物体 热电效应：当材料存在电位差时会产生电流，存在温度差时会产生热流的这种现象 电光效应：铁电体的极化能随E 而改变，因而晶体的折射率也将随E 改变，这种由外电场引起晶体折射率的变化 一般吸收：在光学材料中，石英对所有可见光几乎都透明的，在紫外波段也有很好的透光性能，且吸收系数不变的这 种现象 选择吸收: 对于波长范围为3.5—5.0μm 的红外光却是不透明的，且吸收系数随波长剧烈变化的这种现象 发光效率：发光体把受激发时吸收的能量转换为光能的能力 受激辐射：当一个能量满足hv =E 2-E 1的光子趋近高能级E 2的原子时，入射的光子诱导高能级原子发射一个和自己性 质完全相同的光子的过程 二、 简答题 (1) 电介质导电的概念、详细类别、来源。 概念：并不是所有的电介质都是理想的绝缘体，在外电场作用下，介质中都会有一个很小的电流 类别：一类是源于晶体点阵中基本离子的运动，称为离子固有电导或本征电导，这种电导是热缺陷形成的，即是由离子自身随着热运动的加剧而离开晶格点阵形成。另一类是源于结合力较弱的杂质离子的运动造成的，称为杂质电导 来源（导电方式）：电子与空穴（电子电导）；移动额正负离子电导（离子电导）。对于离子电导，必须需要指出的是：在较低场强下，存在离子电导；在高场强下，呈现电子电导。 (2) 正常情况下，为什么金属的电导率随着温度的升高而降低(电阻升高)。 金属材料随温度升高，离子热振动的振幅增大，电子就愈易受到散射，可认为μ与温度成正比，则ρ也与温度成正比。 (3) 为什么金属化合物的导电性要低于单一金属，请基于电离势能方面的差异进行简要说明。 （1）晶体点阵畸变；（2）杂质对理想晶体的破坏；（3）影响了能带结构，移动费米面及电子能态密度和有效电导电子数；（4）影响了弹性常数。过渡金属与贵金属两组元固溶时：电阻异常高，原因它们的价电子可以转移到过渡金属的尚未被填满的d-或f-壳层中，从而使有效电导的电子数目减少。原子键合的方式发生了变化，其中至少一部分由金属键变为共价键获离子键，使导电电子减少。 (4) 简述本证硅的导电机理。 导电机理：在热、光等外界条件的影响下，满带上的价电子获得足够的能量，跃过禁带跃迁至空带而成为自由电子，同时在满带中留下电子空穴，自由电子和电子空穴在外加电场的作用下定向移动形成电流。 (5) 简述硅中掺杂硼的导电机理（要有示意图） 在本征半导体中，掺入3价元素的杂质（硼，铝，镓，铟），就可以使晶体中空穴浓度大 大增加。因为3价元素的原子只有3个价电子，当它顶替晶格中的一个4价元素原子， 并与周围的4个硅（或锗）原子组成4个共价键时，缺少一个价电子，形成一个空位。 因为，3价元素形成的空位能级非常靠近价带顶的能量，在价电子共有化运动中，相邻的 原子上的价电子就很容易来填补这个空位（较跃迁至禁带以上的空带容易的多），从而产 生一个空穴。所以每一个三价杂质元素的原子都能接受一个价电子，而在价带中产生一 个空穴。 (6) 简述硅中掺杂砷的导电机理（要有示意图） 本征半导体中掺入5价元素（磷，砷，锑）就可使晶体中的自由电子的浓度极大地增 加。因为5价元素的原子有5个价电子，当它顶替晶格中的一个4价元素的原子时， 余下了1个价电子变成多余的，此电子的能级非常靠近导带底，非常容易进入导带成 为自由电子，因而导带中的自由电子较本征半导体显著增多，导电性能大幅度提高。 (7) 简述介质损耗的几种形式及造成这几种损耗的原因。 介质损耗形式：