搜索
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，E=6700kg/mm2，v=0.25。求第一及第二热冲击断裂抵抗因子。（10分）无机材料物理性能试卷答案一．填空。（１×２０＝２０分）１，简立方、２，温度、时间、熔体的结构与组成３，应力、晶体的组成、显微结构４，掺杂、组分缺陷５，抗压强度、抗张强度６，应力集中７，电导损耗、松弛损耗、结构损耗、８，居里点９，张开型、滑开型、撕开型１０，霍尔效应二.名词解释1.电解效应：离子电导的特征是存在电解效应，离子的前一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，这就是电解现象。2.热膨胀：物体的体积或长度随着温度升高而增长的现象称为热膨胀。3.塑性形变：塑性形变是在超过材料的屈服应力作用下，产生性变，外力移去后不能恢复的形变。4.磁畴：由于磁铁体具有很强的内部交换作用，铁磁物质的交换能为正值，而且较大，使得相邻原子的磁矩平行取向，发生自磁化，在物质内部形成许多小区域，即磁畴。三．问答题1.结合类型结构单元特征性质离子晶体离子高熔点，硬度大，密堆积共价晶体（原子晶体）原子高硬度，高熔点，几乎不溶于所有溶剂金属晶体金属离子密堆积，具有良好的导电性和导热性，高硬度，高熔点分子晶体分子，原子低熔点，低沸点，易压缩氢键晶体含氢分子低熔点，低沸点，2.答：热缺陷是由于晶体中的原子(或离子)的热运动而造成的缺陷。从几何图形上看是一种点缺陷。热缺陷的数量与温度有关，温度愈高，造成缺陷的机会愈多。晶体中热缺陷有两种形态，一种是肖脱基(Schotty)缺陷，另一种是弗仑克尔(Frenkel)缺陷。弗仑克尔缺陷，空位或填隙离子的浓度：Nf=Nexp(－Ef/2kT)N------单位体积内离子的格点数。肖特基缺陷，空位的浓度：Ns=Nexp(－Es/2kT)N------单位体积内正负离子对数本征电导；弗伦克尔缺陷；肖特基缺陷；杂质导电；填隙杂质或置换杂质（溶质）3.答：共分为四个阶段：①.起始阶段，在外力作用下发生瞬时弹性形变。②.蠕变减速阶段，应变速率随时间递减，持续时间较短，应变速率满足：U=At-n③.稳定态蠕变，形变与时间呈线性关系：ε=Kt④.加速蠕变阶段，该阶段是断裂之前的最后一个阶段，曲线较陡，蠕变速率随时间的增加而快速增加。4.答：如图，在很低的温度下，晶体的热容Ｃｖ与温度的三次方成正比，因此随着温度的增加，λ也近似与Ｔ３成比例变化，图像快速上升。当温度继续增加到徳拜时，Ｃｖ不再与Ｔ３成比例，而是趋于常数，分子平均自由程ｌ随温度的增加而减小，因此λ随温度的升高而迅速减小。更高的温度后Ｃｖ基本不变化，自由程也趋于晶格常数，所以图像变得缓和。在高温辐射的影响下，１６００ｋ后λ又有少许回升。四．计算题1.解：E=60~75GPa=6.0~7.5×1010Pa，γ=1.75J/m2，a=1.6×10-8cm=1.6×10-10m。代入公式可得：当E=60GPa时，σth=25.62GPa当E=75GPa时，σth=28.64GPa答：熔融石英的结合强度介于25.62GPa~28.64GPa之间2.解：=7.0×(1-0.25)/(4.6×10-6×6700)=170.3℃=2.1×170.3℃=358J/m·saEthER1RR'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3.8mm，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。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I0•（1-m）2x。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，格波的一个特点是，其传播介质并非连接介质，而是由原子、离子等形成的晶格。电介质：指在电场作用下能建立极化的一切物质。电偶极子：是指相距很近但有一距离的两个符号相反而量值相等的电荷。蠕变：固体材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象。它与塑性变形不同，塑性变形通常在应力超过弹性极限之后才出现，而蠕变只要应力的作用时间相当长，它在应力小于弹性极限时也能出现。突发性断裂：断裂源处的裂纹尖端所受的横向拉应力正好等于结合强度时，裂纹产生突发性扩展。一旦扩展，引起周围应力的再分配，导致裂纹的加速扩展，这种断裂称为突发性断裂。压电效应：不具有对称中心的晶体在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当对不具有对称中心晶体的极化方向上施加电场，晶体也会发生变形，电场去掉后，晶体的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。电致伸缩：当在不具有对称中心晶体的极化方向上施加电场时，晶体会发生变形，电场去掉后，晶体的变形随之消失，这种现象称为电致伸缩现象，或称为逆压电效应。铁电体：具有自发极化且在外电场作用下具有电滞回线的晶体。三、问答题1．简述KI和KIC的区别。答：KI应力场强度因子：反映裂纹尖端应力场强度的参量。KIC断裂韧度：当应力场强度因子增大到一临界值时，带裂纹的材料发生断裂，该临界值称为断裂韧性。KI是力学度量，它不仅随外加应力和裂纹长度的变化而变化，也和裂纹的形状类型，以及加载方式有关，但它和材料本身的固有性能无关。而断裂韧性KIC则是反映材料阻止裂纹扩展的能力，因此是材料的固有性质。2.简述位移极化和松驰极化的特点。答：位移式极化是一种弹性的、瞬时完成的极化，不消耗能量；松弛极化与热运动有关，完成这种极化需要一定的时间，并且是非弹性的，因而消耗一定的能量。3.为什么金属材料有较大的热导率，而非金属材料的导热不如金属材料好？答：固体中导热主要是由晶格振动的格波和自由电子运动来实现的。在金属中由于有大量的自由电子，而且电子的质量很轻，所以能迅速地实现热量的传递。虽然晶格振动对金属导热也有贡献，但只是很次要的。在非金属晶体，如一般离子晶体的晶格中，自由电子是很少的，晶格振动是它们的主要导热机构。因此，金属一般都具有较非金属材料更大的热导率。4．说明图中三条应力-应变曲线的特点，并举例说明其对应的材料。答：受力情况下，绝大多数无机材料的变形行为如图中曲线(a)所示，即在弹性变形后没有塑性形变(或塑性形变很小)，接着就是断裂，总弹性应变能非常小，这是所有脆性材料的特征，包括离子晶体和共价晶体等。在短期承受逐渐增加的外力时，有些固体的变形分为两个阶段，在屈服点以前是弹性变形阶段，在屈服点后是塑性变形阶段。包括大多数金属结构材料如图中曲线(b)所示。橡皮这类高分子材料具有极大的弹性形变，如图中曲线(c)所示，是没有残余形变的材料，称为弹性材料。5．如果要减少由多块玻璃组成的透镜系统的光反射损失，通常可以采取什么方法？为什么？答：有多块玻璃组成的透镜系统，常常用折射率和玻璃相近的胶粘起来，这样除了最外和最内的两个表面是玻璃和空气的相对折射率外，内部各界面均是玻璃和胶的较小的相对折射率，从而大大减少了界面的反射损失。6．阐述大多数无机晶态固体的热容随温度的变化规律。答：根据德拜热容理论，在高于德拜温度θD时，热容趋于常数(25J／(K·mo1)，低于θD时与T3成正比。因此，不同材料的θD是不同的。无机材料的热容与材料结构的关系是不大的，绝大多数氧化物、碳化物，热容都是从低温时的一个低的数值增加到1273K左右的近似于25J／K·mol的数值。温度进一步增加，热容基本上没有什么变化。7.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。8.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。(3)减小材料的热膨胀系数。(4)减小表面热传递系数h。(5)减小产品的有效