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材料物理性能复习题

1.材料科学核心四要素：组成、结构、工艺、性能

比较导体﹑半导体﹑绝缘体的能带的特征？与其电阻率范围。

（1）金属导体的能带分布：一是价带和导带重叠，而无禁带；二是价带未被价电子填满，所以这种价带本身就是导带。这两种情况下的价电子就是自由电子，所以金属导体即使在温度较低的情况下仍有大量的自由电子，具有很强的导电能力。（2）非导体（包括半导体和绝缘体）在绝对零度时，其能带情况是满价带和空导带且有禁带，故基本无导电能力。（3）半导体和绝缘体的能带图的区别仅是禁带宽度的大小。（绝缘体：3ev~6ev, 半导体: 0.1 ev~2ev) 电阻率范围：导体：半导体：ρ值为10-3～109 绝缘体： 2.马基申定则:固溶体电阻率看成由金属基本电阻率ρ(T)和残余电阻率ρ残组成。不同散射机制对电阻率的贡献可以加法求和。这一导电规律称为马基申定律即： 3.材料产生电阻的本质：当电子波在绝对零度下通过一个理想的晶体点阵时，它将不会受到散射而无阻碍地传播，这时ρ＝0，而σ为无穷大，即此时的材料是一个理想的导体。只有在晶体点阵的完整性以及由于晶体点阵离子的热振动，晶体中的异类原子、位错和点缺陷等使晶体点阵的周期性遭到破坏的地方，电子波才会受到散射，从而产生了阻碍作用，降低了导电性，这就是材料产生电阻的本质所在。

4.化学缺陷：偶然存在的杂质原子及人工加入的合金元素的原子；

物理缺陷：指空位、间隙原子、位错以及它们的复合体。

5.三种散射机制？声子散射、电子散射、电子在杂质和缺陷上的散射

6.影响金属导电性的因素？（一般规律，并通过散射机制进行解释）

温度：(1)绝对零度下，纯净又无缺陷的金属，其电阻率等于零。(2)随温度的升高金属的电阻率也增加。低温下“电子－电子”散射对电阻的贡献可能是显著的，但除低温以外几乎所有温度下大多数金属的电阻都取决于“电子－声子”散射。

受力情况：1）拉力的影响:在弹性范围内单向拉伸或扭转应力能提高金属的ρ 2）压力的影响:对大多数金属而言，在受压力情况下电阻率降低

金属在压力的作用下，其原子间距缩小，内部缺陷的形态、电子结构、费米面和能带结构以及电子散射机制等都将发生变化，这必然会影响金属的导电性能。

冷加工：冷加工变形可以使金属的电阻率增加

由于冷加工使晶体点阵发生畸变和缺陷，从而增加了电子散射的几率。同时冷加工也会引起金属原子间结合键的变化，导致原子间距的改变，对电阻有一定的影响。

晶体缺陷:空位、位错、间隙原子以及它们的组合（即物理缺陷）等晶体缺陷会使金属电阻率增加。

热处理:金属冷加工形变后，若再进行退火，则可使电阻降低，尤其当退火温度接近再结晶温度时（再结晶退火），电阻可恢复到接近冷加工前的水平。

几何尺寸效应

7.固溶体的分类：（1）按溶质原子在晶格中的位置不同可分为置换固溶体和间隙固溶体（2）按溶质元素在固溶体中的溶解度，可分为有限固溶体和无限固溶体。但只有置换固溶体有可能成为无限固溶体。

510m ρ-<Ω?()i i T ρρ

ρρ==+∑残

10m

ρ>Ω?

8．固溶体的合金电阻比单一组元电阻大的原因：（1）纯组元间原子半径差所引起的晶体点阵畸变，增加了电子的散射，且原子半径差越大，固溶体的电阻也越大。（2）杂质对理想晶体的局部破坏.（3）合金化对能带结构起了作用，移动费米面并改变了电子能态的密度和有效导电电子数（4）合金化也影响弹性常数，因此点阵振动的声子谱要改变。

9.简述半导体电阻的四探针法的原理？

这种方法测量时使用相距约1mm 的四根金属探针同时与样品表面接触，通过恒流源给其中两根探针通以小电流使样品内部产生压降，并以高输入阻抗的直流电位差计或数字电压表来测量其他的两根探针的电压，

然后计算材料的电阻率 10.电阻的分析的应用

(1)研究合金的时效过程 (2)研究合金的有序－无序转变 (3)测定固溶体的溶解度 (4)研究淬火钢的回火

(5)研究材料的疲劳过程 (6) 研究非晶态合金的晶化(7)研究钢筋混凝土的锈蚀

11.半导体的分类：晶体半导体、非晶半导体及有机半导体

12.晶体半导体的分类：元素（单质）半导体、化合物半导体、固溶体半导体

13.价电子共有化运动：在半导体晶体中，由于原子之间的距离很小，使得每一个原子中的价电子除受本身原子核及内层电子的作用外，还受到其他原子的作用。在本身原子和相邻原子的共同作用下，价电子不再是属于各个原子，而成为晶体中原子所共有,这种情况称为价电子共有化运动。

15．本征半导体：是指纯净的无结构缺陷的半导体单晶。

16．本征半导体的导电机制？（从能带的角度回答）

在绝对零度和无外界影响的条件下，半导体的空带中无电子，即无运动的电子。但当温度升高或受光照射时，也就是半导体受到热激发时，共价键中的价电子由于从外界获得了能量，其中部分获得了足够大能量的价电子就可以挣脱束缚，离开原子而成为自由电子。在能带图中，即一部分满带中的价电子获得了大于E g 的能量，跃迁到空带中去。这时空带中有了一部分能导电的电子，称为导带。而满带中由于部分价电子的迁出出现了空位置，称价带。但在外电场的作用下，电子将逆电场方向运动，空穴将顺电场方向运动，从而导电成为载流子。

17．本征半导体的迁移率：载流子定向漂移运动的平均速度为一个恒定值，并与电场强度成正比。这个比值即为迁移率。

18．本征半导体的电学特性？

①本征激发成对地产生自由电子和空穴,所以自由电子浓度和空穴浓度相等,都是等于本征载流子的浓度n i 。

②n i 和E g 有近似反比关系，硅（1.11 eV)比锗(0.67eV)的E g 大，故硅比锗的n i 小。

③n i 与温度成近似正比，故温度升高时，n i 就增大。

④n i 与原子密度相比时极小的，所以本征半导体的导电能力很微弱。

19．杂质（N\P 型）半导体的导电机制及示意图?（从能带角度回答﹑施主能级﹑受主能级）

N 型在本征半导体中掺入五价元素的杂质时，它的四个价电子与周围的四个硅（或锗）原子以共价键结合后，还余下一个价电子。这个价电子能级E D( D: donor) 非常靠近导带底，（E C －E D ）比E g 小得多。在常

U C I ρ=

温下，每个掺入的五价元素原子的多余价电子都具有大于（E C－E D）的能量，都可以进入导带成为自由电子，因而导带中的自由电子数比本征半导体显著地增多。把这种五价元素称为施主杂质（即能提供多余价电子），E D为施主能级，（E C－E D）称为施主电离能。图（书本p75）

P型在本征半导体中，掺入三价元素的杂质，就可以使晶体中空穴浓度大大增加。三价元素形成的允许价电子占有的能级E A 非常靠近价带顶，即（E A-E V）远小于E g。在常温下，处于价带中的价电子都具有大于（E A-E V）的能量，都可以进入E A能级。所以每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。这种三价元素称为受主杂质，E A称为受主能级，（E A-E V）称为受主电离能。

20．杂质半导体的电学特性：

①掺杂浓度与原子密度相比虽很微小，但是却能使载流子浓度极大地提高，导电能力因而也显著地增强。掺杂浓度愈大，其导电能力也愈强。

②掺杂只是使一种载流子的浓度增加，因此杂质半导体主要靠多子导电。当掺入五价元素（施主杂质）时，主要靠自由电子导电；当掺入三价元素（受主杂质）时，主要靠空穴导电。

21．PN结的定义与PN结阻挡层的形成过程？

PN结是指在同一块半导体单晶中P型掺杂区与N型掺杂区的交界面附近的区域。

（1）载流子的浓度差引起载流子的扩散运动：在PN结的两边，由于存在着载流子分布的浓度差，这就必然会引起载流子的扩散运动。P区中的空穴将向N区扩散，N区中的电子将向P区扩散。

（2）扩散运动形成空间电荷区（阻挡层）：P区中的空穴扩散到了N区，故在交界面附近的P区中就只留下了带负电荷的受主杂质离子。同样，由于N区中的电子扩散到了P区，在交界面附近的N区就只留下了带正电荷的施主杂质离子。这些离子被束缚在晶格结构中，不能自由移动，于是在交界面处形成了一层很薄的空间电荷区。

（3）内电场使扩散与漂移达动态平衡：在无外加电压作用时，起初扩散运动占优势，但随着扩散的进行，空间电荷区逐渐增宽，内电场逐渐增大，对载流子的漂移作用加强，最后达动态平衡。

22．PN结特性：单向导电性加正向电压多子扩散，正向电流较大；加反向电压，少子漂移，电流几乎不变化

23．绝缘体：指电阻率大于109 用来限制电流使它按一定的途径流动的材料，另外还有利用其“介电”特性建立电场以贮存电能的材料。

24．对绝缘体的性能要求？

1)具有足够高的耐电强度，以经受住导体间的高电场。

2)具有足够高的绝缘电阻，以防止跨越导体的漏泄电流。

3)具有良好的耐电弧性，以防发生飞弧损坏。

4)必须能在环境危害的条件下（度、湿度、辐射）保持其完整性。

5)必须具有足够的机械强度，以抗振动和冲击。

25．电介质的四大基本参数和四大性能？（1）介电常数（电极化）（2）耐电强度（击穿）（3）损耗因数（介电损耗）（4）体积和表面的电阻率（电导）

26．电介质：在电场作用下具有极化能力并在其中长期存在电场的一种物质。

基本属性：具有极化能力；其中能够长期存在电场

电介质的分类：电介质按其分子中正负电荷的分布状况可分为：中性电介质、偶极电介质、离子型电介质。从电学性质看电介质的分子可分为两类：无极分子和有极分子。按物质组成特性分：无机电介质和有机电介质。按物质的聚集态分：气体介质﹑液体介质和固体介质。按物质原子排列的有序化分：晶体电介质和非晶态电介质。按介质组成成分的均匀度分：均匀介质和非均匀介质

27．电介质极化的定义：电介质在电场的作用下，其内部的束缚电荷所发生的弹性位移现象和偶极子的取向（正端转向电场负极、负端转向电场正极）现象。

介质极化的基本形式：电子式极化、离子式极化、偶极子极化、空间电荷极化（时间<）

28．固体电介质的击穿：固体电介质的击穿就是在电场作用下伴随着热、化学、力等等的作用而丧失其绝缘性能的现象。

与气体和液体电介质相比，固体电介质击穿有以下几个特点：

（1）固体介质的击穿强度比气体和液体介质高，约比气体高两个数量级，比液体高一个数量级左右；（2）固体通常总是在气体或液体环境媒质中，因此对固体进行击穿试验时，击穿往往发生在击穿强度比较低的气体或液体媒质中，这种现象称为边缘效应。（试验时必须尽可能排除）

（3）固体电介质的击穿一般是破坏性的，击穿后在试样中留下贯穿的孔道、裂纹等不可恢复的伤痕。

固体电介质击穿的类型：电击穿﹑热击穿﹑局部放电击穿﹑其他击穿机制（树枝化击穿、电-机械击穿、沿面击穿等）

局部放电击穿：局部放电就是在电场作用下，在电介质局部区域中所发生的放电现象，这种放电没有电极之间形成贯穿的通道，整个试样并没有被击穿。

29．简述多孔陶瓷材料的局部放电击穿过程

大部分陶瓷材料中存在着相当大的气孔，其直径可达几个微米。这些气孔在电场作用下，特别是高频电场作用下，将发生强烈的游离，而且气孔的直径愈大，游离电压愈低。在高频电压下，由于气孔中的强烈游离，产生大量的热量，使得气孔附近局部区域过热，在材料中产生相当高的内应力。当热应力超过一定限度时，材料因丧失机械强度发生破坏，以致失去抗电能力，造成“击穿”。

30．介电损耗：电介质在外电场作用下，其内部会有发热现象，这说明有部分电能已转化为热能损耗掉，这种介质内的能量损耗称为介质损耗。

31．引起电介质介电损耗的两大因素：电导作用和极化作用

超导电性：在一定条件下（温度、磁场、压力）材料的电阻突然消失的现象。材料失去电阻的状态称为超导态，存在电阻的状态称为正常态。具有超导态的材料称为超导体。超导体的性能：1）完全的导电性 2）完全抗磁性

32．逸出功：自由电子逃逸出金属表面所需要的这个最小能量或说需要对电子所做的最小的功称为逸出功。33．三种热电效应：塞贝克效应、珀尔帖效应、汤姆逊效应

34．第一热点效应产生原理(示意图，设前提)。P105

请在说明过程中作示意图以表示接触电位差和温差电位差的方向，并自行假设前提温度、浓度、逸出功35．热电子效应：固体受热后，出现大量电子逸出固体进入真空，形成热电子发射的热电现象。

36．简述压电效应的定义：在某些晶体的一定方向上施加压力或拉力，则在晶体的一些对应的表面上分别出现正、负电荷，其电荷密度与施加的外力的大小成正比

压电效应的分类：正压电效应和逆压电效应又分纵向压电效应和横向压电效应

压电陶瓷的重要参数：压电系数d33 ﹑机械品质因数Q m ﹑机电耦合系数K

37．热释电效应：在某些绝缘物中，由于温度变化而引起电极化状态改变的现象即为热释电效应。38．请解释热释电体通常对外不显示电性的原因？

因为自发极化所建立的电场吸引了晶体内部和外部空间的异号自由电荷，在试样的表面形成一个表面电荷层。结果自发极化建立的表面束缚电荷被外来的表面自由电荷（即吸附电荷，吸附电荷是一层自由电荷，其来源有两种：一是晶体的微弱导电性所导致一些自由电子堆积在表面，二是从大气中吸附的异号离子）所屏蔽，束缚电荷建立的电场被抵消。因此对外不显示电性。当温度变化时，屏蔽电荷跟不上极化电荷的变化。

热电体与压电体﹑铁电体的关系：

39．电畴：铁电体中偶极子有序排列、自发极化方向一致的区域。

分类：根据晶粒中电畴的数量，可分为单畴和多畴两种。根据电畴的极化方向，铁电材料中的电畴可分为a 畴和c畴两大类。根据电畴之间的夹角大小，铁电材料中的电畴可分为180?畴、90?畴、60?畴、120?畴、71?畴、109?畴等。

驻极：即把适当电介质高温加热并置于强电场，而后冷却

铁电体的特征：具有电畴结构和电滞回线

电滞回线曲线：剩余极化强度P r、自发极化强度P S、矫顽场强E C

40．磁化强度：单位体积的总磁矩定义为磁化强度

磁化：物质在磁场中由于受磁场的作用而表现出一定的磁性，这种现象被称之为磁化。

磁极化强度：单位体积的磁偶极矩的矢量和定义为磁极化强度：

基本磁化曲线：对原先不存在宏观磁性的材料施加一个由零逐渐增大的磁场，则对不同的材料都得一不同的M－H曲线（基本磁化曲线）。

41．物质磁性的分类？按照物质对磁场反应的类型和大小分为下述5类：铁磁体、亚铁磁体、顺磁体、反铁磁体、抗磁体

42．技术磁化：从退磁状态直到饱和之前的磁化过程（完全退磁：H＝0时M＝0）

43．磁滞回线中可以获得表征铁磁体磁性能的哪些重要的物理量？M r称为剩余磁化强度μ、M r和H c都是对材料组织敏感的磁参数

44．软磁和硬磁各自的特征？

具有小H c、高μ的瘦长形磁滞回线的材料，适宜作软磁材料；

具有大的M r和H c、低μ的短粗形磁滞回线的材料适宜作硬磁（永磁）材料；

45．原子的磁矩主要由电子的磁矩组成，而电子的磁矩又是其轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和。

原子总磁矩的计算公式：例：Fe 的未满层电子是3d6，该层电子对原子磁矩有贡献：

n=3，l=2,ml=0,+1,+2

S=5×1/2－1×1/2=2

L=∑ml=2+1+0+(-1)+(-2)+2=2

g=1.5 , PJ=6.7μB

46．物质抗磁性的来源？

原子的磁矩取决于未填满壳层电子的轨道磁矩和自旋磁矩。，当有外磁场作用时，即使对于那种总磁矩为零的原子也会显示出磁矩来。这是由于电子的循轨运动在外磁场的作用下产生了抗磁磁矩ΔP 的缘故。物质的抗磁性不是由电子的轨道磁矩和自旋磁矩本身所产生的，而是由外磁场作用下电子循轨运动产生的附加磁矩所造成的。任何物质在外磁场作用下都要产生抗磁性。但不能说任何物质都是抗磁体。

物质顺磁性的来源：其源于原子内未填满的电子壳层，或源于具有奇数个电子的原子

分类：根据顺磁磁化率与温度的关系，可以把顺磁体大致分为三类，即正常顺磁体、磁化率与温度无关的顺磁体和存在反铁磁体转变的顺磁体

47．简述磁化率测量的原理？

抗、顺磁磁化率的测量一般是采用磁秤法，即通过试样在非均匀磁场中的受力情况来确定它的磁化率。将试样4放入磁极的间隙中，在不均匀的磁场中当试样被磁化以后将沿χ方向受到一个力F （若试样为顺磁则产生抗力、抗磁则相反），且式中，χ为试样的磁化率，V 为试样的体积，H 是磁场强度，dH/d χ是沿χ方向的磁场梯度。

铁磁质的磁化与顺﹑抗磁质磁化的区别：（1）铁磁物质的磁化，不像抗、顺磁那样与磁场成正比，而是一种很复杂的曲线关系，并且存在磁饱和与磁滞现象。（2）抗、顺磁质磁化是可逆的，而铁磁质是不可逆的，交变磁化时形成磁滞回线。（3）抗、顺磁质磁化较困难，而铁磁质则非常容易。

简述铁磁性﹑反铁磁性﹑亚铁磁性的区别：

48．铁磁性产生的充要条件是：原子内部要有未填满的电子壳层，R ab /r>3使A>0。前者指的是原子的本征磁矩（固有磁矩）不能为零，后者指的是要有一定的晶体点阵结构。

铁磁体所具有的能量类形：静磁能、交换能、磁各向异性能(磁晶能）、磁弹性能

材料折射率与磁导率的关系：

49．影响折射率的因素有下列四方面：构成材料元素的离子半径，材料的结构、晶型和非晶态，材料所受的内应力，同质异构体

50．布儒斯特定律：自然光在电介质界面上反射和折射时，一般情况下反射光和折射光都是部分偏振光，只有当入射角为某特定角时反射光才是线偏振光，其振动方向与入射面垂直，此特定角称为布儒斯特角或起偏角。

J B

P =(1)(1)(12(1)

J J S S L l g J J +++-=++dH F VH

d χχ

51．折射率的色散：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，称为折射率的色散。

双折射：当光束通过各向异性介质表面时，折射光会分成两束沿着不同的方向传播。这种由一束入射光折射后分成两束光的现象称为双折射

52．弹性散射的分类：廷德尔（Tyndall ）散射、米氏（Mie)散射、瑞利(Rayleidl)散射

53．受激辐射：当一个能量满足h υ=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来。

54．产生激光的条件：（1）粒子数反转(高能级的粒子数要大于低能级的粒子数) （2）光学谐振腔

55. 决定材料强度的关键因素：原子之间的结合力。除了原子之间的键合类型和结合力外，对材料强度影响最大应该是位错了。

56.弹性模量的含义：它们均表示材料弹性变形的难易程度，即引起材料弹性变形的难易程度，即引起单位变形所需要的应力大小。

分类：杨氏模量、切变模量和体积模量

57.弹性模量与原子结构的关系：由于材料的弹性与原子间的结合力有关，所以弹性模量取决于材料原子的

价电子数和原子半径的大小，即取决于原子的结构。同周期中元素随着原子序数的增加，价电子数增多，弹性模量增高。同一族元素，它们的价电子数相等，由于原子半径随着原子序数增加而增大，弹性模量减小。

58.材料强化的方式有哪些：加工硬化﹑固溶强化﹑弥散强化﹑固态相变强化﹑复合强化

59．简要说明动态法测量弹性模量的原理：测量动态弹性模量是根据共振原理。当试样在受迫进行振动时，若外加的应力变化频率与试样的固有振动频率相同，则可产生共振。测试的基本原理：测定试样（棒材、板材）的固有振动频率或声波（弹性波）在试样中的传播速度。由振动方程可推证，弹性模量与试样的固有振动频率平方成正比，即 ﹑ 优点：测量设备简单，测量速度快，测量结果准确。

60.内耗的定义：由于固体内部的原因使机械能消耗的现象称为“内耗”。

分类：滞弹性内耗﹑静滞后内耗﹑位错阻尼型内耗

61.滞弹性的定义：是指在弹性范围内出现的非弹性现象。

62.弹性后效的定义：去除应力后应变并不立即消失，而是先消失一部分，另一部分逐渐地消失，这种现象叫弹性后效。

21l E K f =21l E K f =2

2G K f τ=

材料物理性能思考题.

材料物理性能思考题第一章：材料电学性能 1如何评价材料的导电能力？如何界定超导、导体、半导体和绝缘体材料？ 2 经典导电理论的主要内容是什么？它如何解释欧姆定律？它有哪些局限性？ 3 自由电子近似下的量子导电理论如何看待自由电子的能量和运动行为？ 4 根据自由电子近似下的量子导电理论解释：准连续能级、能级的简并状态、简并度、能态密度、k空间、等幅平面波和能级密度函数。 5 自由电子近似下的等能面为什么是球面？倒易空间的倒易节点数与不含自旋的能态数是何关系？为什么自由电子的波矢量是一个倒易矢量？ 6 自由电子在允许能级的分布遵循何种分布规律？何为费米面和费米能级？何为有效电子？价电子与有效电子有何关系？如何根据价电子浓度确定原子的费米半径？ 7 自由电子的平均能量与温度有何种关系？温度如何影响费米能级？根据自由电子近似下的量子导电理论，试分析温度如何影响材料的导电性。 8 自由电子近似下的量子导电理论与经典导电理论在欧姆定律的微观解释方面有何异同点？

9 何为能带理论？它与近自由电子近似和紧束缚近似下的量子导电理论有何关系？ 10 孤立原子相互靠近时，为什么会发生能级分裂和形成能带？禁带的形成规律是什么？何为材料的能带结构？ 11 在布里渊区的界面附近，费米面和能级密度函数有何变化规律？哪些条件下会发生禁带重叠或禁带消失现象？试分析禁带的产生原因。 12 在能带理论中，自由电子的能量和运动行为与自由电子近似下有何不同？ 13 自由电子的能态或能量与其运动速度和加速度有何关系？何为电子的有效质量？其物理本质是什么？ 14 试分析、阐述导体、半导体（本征、掺杂）和绝缘体的能带结构特点。 15 能带论对欧姆定律的微观解释与自由电子近似下的量子导电理论有何异同点？ 16 解释原胞、基矢、基元和布里渊区的含义

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。

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

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

材料物理性能复习思考题汇总

材料物理性能复习思考题汇总第一章绪论及材料力学性能一．名词解释与比较名义应力:材料受力前面积为A,则δ。=F/A,称为名义应力工程应力：材料受力后面积为A。，则δT =F/A。，称为工程应力拉伸应变：材料受到垂直于截面积方向大小相等，方向相反并作用在同一条直线上的两个拉伸应力时发生的形变。剪切应变：材料受到平行于截面积大小相等，方向相反的两个剪切应力时发生的形变。结构材料：以力学性能为基础，以制造受力构件所用材料功能材料：具有除力学性能以外的其他物理性能的材料。晶须：无缺陷的单晶材料弹性模量：材料发生单位应变时的应力刚性模量：反映材料抵抗切应变的能力泊松比：反映材料横向正应变与受力方向线应变的比值。（横向收缩率与轴向收缩率的比值）形状因子：塑性变形过程中与变形体尺寸，工模具尺寸及变形量相关参数。平面应变断裂韧性：一个考虑了裂纹尺寸并表征材料特征的常数弹性蠕变：对于金属这样的实际弹性体，当对它施加一定的应力时，它除了产生一个瞬时应变以外，还会产生一个随时间而变化的附加应变（或称为弛豫应变），这一现象称为弹性蠕变。蠕变：在恒定的应力δ作用下材料的应变随时间增加而逐渐增大的现象材料的疲劳：裂纹在使用应力下，随着时间的推移而缓慢扩展。应力腐蚀理论：在一定环境温度和应力场强度因子作用下，材料中关键裂纹尖端处，裂纹扩展动力与裂纹扩展阻力的比较，构成裂纹开裂和止裂的条件。滑移系统：滑移面族和滑移方向为滑移系统相变增韧：利用多晶多相陶瓷中某些相成分在不同温度的相变，从而增韧的效果，统称相变增韧弥散强化：在基体中渗入具有一定颗粒尺寸的微细粉料，达到增韧效果，这称为弥散增韧屈服强度：屈服强度是金属材料发生屈服现象时的屈服极限，亦即抵抗微量塑性变形的应力法向应力：导致材料伸长或缩短的应力切向应力：引起材料切向畸变的应力应力集中：受力构件由于外界因素或自身因素导致几何形状、外形尺寸发生突变而引起局部范围内应力显著增大的现象。

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

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

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

材料物理性能期末复习重点-田莳

1.微观粒子的波粒二象性在量子力学里，微观粒子在不同条件下分别表现出波动或粒子的性质。这种量子行为称为波粒二象性。 2.波函数及其物理意义微观粒子具有波动性，是一种具有统计规律的几率波，它决定电子在空间某处出现的几率，在t 时刻，几率波应是空间位置（x,y,z,t)的函数。此函数称波函数。其模的平方代表粒子在该处出现的概率。表示t 时刻、（x 、y 、z ）处、单位体积内发现粒子的几率。 3.自由电子的能级密度能级密度即状态密度。 dN 为E 到E+dE 范围内总的状态数。代表单位能量范围内所能容纳的电子数。 4.费米能级在0K 时，能量小于或等于费米能的能级全部被电子占满，能量大于费米能级的全部为空。故费米能是0K 时金属基态系统电子所占有的能级最高的能量。 5.晶体能带理论假定固体中原子核不动，并设想每个电子是在固定的原子核的势场及其他电子的平均势场中运动，称单电子近似。用单电子近似法处理晶体中电子能谱的理论，称能带理论。 6.导体，绝缘体，半导体的能带结构根据能带理论，晶体中并非所有电子，也并非所有的价电子都参与导电，只有导带中的电子或价带顶部的空穴才能参与导电。从下图可以看出，导体中导带和价带之间没有禁区，电子进入导带不需要能量，因而导电电子的浓度很大。在绝缘体中价带和导期隔着一个宽的禁带E g ，电子由价带到导带需要外界供给能量，使电子激发，实现电子由价带到导带的跃迁，因而通常导带中导电电子浓度很小。半导体和绝缘体有相类似的能带结构，只是半导体的禁带较窄(E g 小) ，电子跃迁比较容易 1.电导率是表示物质传输电流能力强弱的一种测量值。当施加电压于导体的两端时，其电荷载子会呈现朝某方向流动的行为，因而产生电流。电导率是以欧姆定律定义为电流密度和电场强度的比率： κ=1/ρ 2.金属—电阻率与温度的关系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，当电子波通过一个理想品体点阵时(0K)，它将不受散射；只有在晶体点阵完整性遭到破坏的地方，电子被才受到散射(不相干散射)，这就是金属产生电阻的根本原因。由于温度引起的离子运动(热振动)振幅的变化(通常用振幅的均方值表示)，以及晶体中异类原于、位错、点缺陷等都会使理想晶体点阵的周期性遭到破坏。这样，电子波在这些地方发生散射而产生电阻，降低导电性。金属电阻率在不同温度范围与温度变化关系不同。一般认为纯金属在整个温度区间产生电阻机制是电子-声子（离子）散射。在极低温度下，电子-电子散射构成了电阻产生的主要机制。金属融化，金属原子规则阵列被破坏，从而增强了对电子的散射，电阻增加。 3.离子电导理论离子电导是带有电荷的离子载流子在电场作用下的定向移动。一类是晶体点阵的基本离子，因热振动而离开晶格，形成热缺陷，离子或空位在电场作用下成为导电载流子，参加导电，即本征导电。另一类参加导电的载流子主要是杂质。离子尺寸，质量都远大于电子，其运动方式是从一个平衡位置跳跃到另一个平衡位置。离子导电是离子在电场作用下的扩散。其扩散路径畅通，离子扩散系数就高，故导电率高。 4.快离子导体（最佳离子导体，超离子导体）具有离子导电的固体物质称固体电解质。有些

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

材料物理性能测试思考题答案

有效电子数：不是所有的自由电子都能参与导电，在外电场的作用下，只有能量接近费密能的少部分电子，方有可能被激发到空能级上去而参与导电。这种真正参加导电的自由电子数被称为有效电子数。 K状态：一般与纯金属一样，冷加工使固溶体电阻升高，退火则降低。但对某些成分中含有过渡族金属的合金，尽管金相分析和Ｘ射线分析的结果认为其组织仍是单相的，但在回火中发现合金电阻有反常升高，而在冷加工时发现合金的电阻明显降低，这种合金组织出现的反常状态称为K状态。X射线分析发现，组元原子在晶体中不均匀分布，使原子间距的大小显著波动，所以也把K状态称为“不均匀固溶体”。能带：晶体中大量的原子集合在一起，而且原子之间距离很近，致使离原子核较远的壳层发生交叠，壳层交叠使电子不再局限于某个原子上，有可能转移到相邻原子的相似壳层上去，也可能从相邻原子运动到更远的原子壳层上去，从而使本来处于同一能量状态的电子产生微小的能量差异，与此相对应的能级扩展为能带。禁带：允许被电子占据的能带称为允许带，允许带之间的范围是不允许电子占据的，此范围称为禁带。价带：原子中最外层的电子称为价电子，与价电子能级相对应的能带称为价带。导带：价带以上能量最低的允许带称为导带。金属材料的基本电阻：理想金属的电阻只与电子散射和声子散射两种机制有关，可以看成为基本电阻，基本电阻在绝对零度时为零。残余电阻(剩余电阻)：电子在杂质和缺陷上的散射发生在有缺陷的晶体中，绝对零度下金属呈现剩余电阻。这个电阻反映了金属纯度和不完整性。相对电阻率：ρ (300K)／ρ (4.2K)是衡量金属纯度的重要指标。剩余电阻率ρ’：金属在绝对零度时的电阻率。实用中常把液氦温度(4.2K)下的电阻率视为剩余电阻率。相对电导率：工程中用相对电导率( IACS%) 表征导体材料的导电性能。把国际标准软纯铜(在室温20 ℃下电阻率ρ= 0 .017 24Ω·mm2/ m)的电导率作为100% , 其他导体材料的电导率与之相比的百分数即为该导体材料的相对电导率。马基申定则(马西森定则)：ρ＝ρ’＋ρ(T)在一级近似下，不同散射机制对电阻率的贡献可以加法求和。ρ’：决定于化学缺陷和物理缺陷而与温度无关的剩余电阻率。ρ(T)：取决于晶格热振动的电阻率(声子电阻率)，反映了电子对热振动原子的碰撞。晶格热振动：点阵中的质点(原子、离子)围绕其平衡位置附近的微小振动。格波：晶格振动以弹性波的形式在晶格中传播，这种波称为格波，它是多频率振动的组合波。热容：物体温度升高1K时所需要的热量(J/K)表征物体在变温过程中与外界热量交换特性的物理量，直接与物质内部原子和电子无规则热运动相联系。比定压热容：压力不变时求出的比热容。比定容热容：体积不变时求出的比热容。热导率：表征物质热传导能力的物理量为热导率。热阻率：定义热导率的倒数为热阻率ω，它可以分解为两部分，晶格热振动形成的热阻(ωp)和杂质缺陷形成的热阻(ω0)。导温系数或热扩散率：它表示在单位温度梯度下、单位时间内通过单位横截面积的热量。热导率的单位：W/(m·K) 热分析：通过热效应来研究物质内部物理和化学过程的实验技术。原理是金属材料发生相变时，伴随热函的突变。反常膨胀：对于铁磁性金属和合金如铁、钴、镍及其某些合金，在正常的膨胀曲线上出现附加的膨胀峰，这些变化称为反常膨胀。其中镍和钴的热膨胀峰向上为正，称为正反常；而铁和铁镍合金具有负反常的膨胀特性。交换能：交换能E ex=－2Aσ1σ2cosφA—交换积分常数。当A＞0，φ＝0时，E ex最小，自旋磁矩自发排列同一方向，即产生自发磁化。当A＜0，φ＝180°时，E ex也最小，自旋磁矩呈反向平行排列，即产生反铁磁性。交换能是近邻原子间静电相互作用能，各向同性，比其它各项磁自由能大102～104数量级。它使强磁性物质相邻原子磁矩有序排列，即自发磁化。磁滞损耗：铁磁体在交变磁场作用下，磁场交变一周，B-H曲线所描绘的曲线称磁滞回线。磁滞回线所围成的面积为铁 =? 磁体所消耗的能量，称为磁滞损耗，通常以热的形式而释放。磁滞损耗Q HdB 技术磁化：技术磁化的本质是外加磁场对磁畴的作用过程即外加磁场把各个磁畴的磁矩方向转到外磁场方向(和)或近似外磁场方向的过程。技术磁化的两种实现方式是的磁畴壁迁移和磁矩的转动。请画出纯金属无相变时电阻率—温度关系曲线，它们分为几个阶段，各阶段电阻产生的机制是什么？为什么高温下电阻率与温度成正比？ 1—ρ电-声∝T( T > 2/ 3ΘD ) ； 2—ρ电-声∝T5 ( T< <ΘD )；

材料物理性能期末复习考点教学内容

材料物理性能期末复习考点

一名词解释 1.声频支振动：震动着的质点中所包含的频率甚低的格波，质点彼此之间的相位差不大，格波类似于弹性体中的应变波，称声频支振动。 2.光频支振动：格波中频率甚高的振动波，质点间的相位差很大，临近质点的运动几乎相反，频率往往在红外光区，称光频支振动。 3.格波：材料中一个质点的振动会影响到其临近质点的振动，相邻质点间的振，动会形成一定的相位差，使得晶格振动以波的形式在整个材料内传播的波。 4.热容：材料在温度升高和降低时要时吸收或放出热量，在没有相变和化学反应的条件下，材料温度升高1K时所吸收的热量。 5.一级相变：相变在某一温度点上完成，除体积变化外，还同时吸收和放出潜热的相变。 6.二级相变：在一定温度区间内逐步完成的，热焓无突变，仅是在靠近相变点的狭窄区域内变化加剧，其热熔在转变温度附近也发生剧烈变化，但为有限值的相变。 7.热膨胀：物体的体积或长度随温度升高而增大的现象。 8.热膨胀分析：利用试样体积变化研究材料内部组织的变化规律的方法。 9.热传导：当材料相邻部分间存在温度差时，热量将从温度高的区域自动流向温度低的区域的现象。 10.热稳定性（抗热震性）：材料称受温度的急剧变化而不致破坏的能力。 11.热应力：由于材料的热胀冷缩而引起的内应力。 12.材料的导电性：在电场作用下，材料中的带电粒子发生定向移动从而产生宏观电流 13.载流子：材料中参与传导电流的带电粒子称为载流子 14.精密电阻合金：需要电阻率温度系数TRC或者α数值很小的合金，工程上称其为精密电阻合金 15.本征半导体：半导体材料中所有价电子都参与成键，并且所有键都处于饱和（原子外电子层填满）状态，这类半导体称为本征半导体。 16. n型半导体:掺杂半导体中或者所有结合键处被价电子填满后仍有部分富余的价电子的这类半导体。 17. p型半导体：在所有价电子都成键后仍有些结合键上缺少价电子，而出现一些空穴的一类半导体。 18.光致电导：半导体材料材料受到适当波长的电磁波辐射时，导电性会大幅升高的现象。

材料物理性能王振廷课后答案106页

1、试说明下列磁学参量的定义和概念：磁化强度、矫顽力、饱和磁化强度、磁导率、磁化率、剩余磁感应强度、磁各向异性常数、饱和磁致伸缩系数。 a、磁化强度：一个物体在外磁场中被磁化的程度，用单位体积内磁矩的多少来衡量，成为磁化强度M b、矫顽力Hc：一个试样磁化至饱和，如果要μ=0或B=0，则必须加上一个反向磁场Hc，成为矫顽力。 c、饱和磁化强度：磁化曲线中随着磁化场的增加，磁化强度M或磁感强度B开始增加较缓慢，然后迅速增加，再转而缓慢地增加，最后磁化至饱和。Ms成为饱和磁化强度，Bs成为饱和磁感应强度。 d、磁导率：μ=B/H，表征磁性介质的物理量，μ称为磁导率。 e、磁化率：从宏观上来看，物体在磁场中被磁化的程度与磁化场的磁场强度有关。 M=χ·H，χ称为单位体积磁化率。 f、剩余磁感应强度：将一个试样磁化至饱和，然后慢慢地减少H，则M也将减少，但M并不按照磁化曲线反方向进行，而是按另一条曲线改变，当H减少到零时，M=Mr或Br=4πMr。（Mr、Br分别为剩余磁化强度和剩余磁感应强度） g、磁滞消耗：磁滞回线所包围的面积表征磁化一周时所消耗的功，称为磁滞损耗Q（ J/m3） h、磁晶各向异性常数：磁化强度矢量沿不同晶轴方向的能量差代表磁晶各向异性能，用Ek表示。磁晶各向异性能是磁化矢量方向的函数。 i、饱和磁致伸缩系数：随着外磁场的增强，致磁体的磁化强度增强，这时|λ|也随之增大。当H=Hs时，磁化强度M达到饱和值，此时λ=λs，称为饱和磁致伸缩所致。 2、计算Gd3+和Cr3+的自由离子磁矩Gd3+的离子磁矩比Cr3+离子磁矩高的原因是什么 Gd3+有7个未成对电子,Cr3+ 3个未成对电子. 所以, Gd3+的离子磁矩为7μB, Cr3+的离子磁矩为3μB. 3、过渡族金属晶体中的原子（或离子）磁矩比它们各自的自由离子磁矩低的原因是什么 4、试绘图说明抗磁性、顺磁性、铁磁性物质在外场B=0的磁行为。

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）

材料物理性能答案

)（E k → 第一章：材料电学性能 1 如何评价材料的导电能力？如何界定超导、导体、半导体和绝缘体材料？用电阻率ρ或电阻率σ评价材料的导电能力。按材料的导电能力（电阻率），人们通常将材料划分为： 2、经典导电理论的主要内容是什么？它如何解释欧姆定律？它有哪些局限性？金属导体中，其原子的所有价电子均脱离原子核的束缚成为自由电子，而原子核及内层束缚电子作为一个整体形成离子实。所有离子实的库仑场构成一个平均值的等势电场，自由电子就像理想气体一样在这个等势电场中运动。如果没有外部电场或磁场的影响，一定温度下其中的离子实只能在定域作热振动，形成格波，自由电子则可以在较大范围内作随机运动，并不时与离子实发生碰撞或散射，此时定域的离子实不能定向运动，方向随机的自由电子也不能形成电流。施加外电场后，自由电子的运动就会在随机热运动基础上叠加一个与电场反方向的平均分量，形成定向漂移，形成电流。自由电子在定向漂移的过程中不断与离子实或其它缺陷碰撞或散射，从而产生电阻。 E J →→=σ，电导率σ= （其中μ= ，为电子的漂移迁移率，表示单位场强下电子的漂移速度），它将外加电场强度和导体内的电流密度联系起来，表示了欧姆定律的微观形式。缺陷：该理论高估了自由电子对金属导电能力的贡献值，实际上并不是所有价电子都参与了导电。（？把适用于宏观物体的牛顿定律应用到微观的电子运动中，并且承认能量的连续性） 3、自由电子近似下的量子导电理论如何看待自由电子的能量和运动行为？自由电子近似下，电子的本证波函数是一种等幅平面行波，即振幅保持为常数；电子本证能量E 随波矢量的变化曲线是一条连续的抛物线。 4、根据自由电子近似下的量子导电理论解释：准连续能级、能级的简并状态、简并度、能态密度、k 空间、等幅平面波和能级密度函数。 n 决定，并且其能量值也是不连续的，能级差与材料线度 L 2成反比，材料的尺寸越大，其能级差越小，作为宏观尺度的材料，其能级差几乎趋于零，电子能量可以看成是准连续的。 k 空间内单位体积内能态的数量或倒易节点数称为波矢能态密度。ρ =V/(2π)3，含自旋的能态密度应为2ρ 3,2,1k k k k → →→→的三个分量为单位矢量构筑坐标系，则每个能态在该坐标中都是一个整数点，对于准连续的能级，此坐标系中的每个整数点都代表一个能态。人们把此坐标系常数称为k 空间或状态空间。