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山东轻工业学院09/10学年第2学期《材料性能》期末考试（A卷）答案一、改正下列专业术语（10分）1、正确2、正确3、极化强度单位体积中电偶极矩的矢量和。4、介质损耗电介质在电场作用下，单位时间内消耗的电能。5、色散随入射光的频率减小而减小的性质。二、钴原子的原子序数是27，其未被抵消的自旋磁矩是多少？（一个电子的自旋磁矩近似等于一个玻尔磁子μB。）（10分）写出钴原子的核外电子排布，1s22s22p63s23p63d74s2，除3d子层外，各层均被电子添满，自旋磁矩被抵消。根据洪特规则，电子在3d子层中应尽可能填充到不同的轨道，并且自旋尽量在同一方向上。因此5个轨道除两个必须添入2个电子外，其余3个轨道均只有一个电子，且这些电子的自旋方向平行，因此总的自旋磁矩为3μB。要点：1.核外电子排布2.3D电子排布简图↑↑↑↑↓↑↓及其说明3.答案3μB。三、有一构件，实际使用应力为1.3GPa，现有以下两种钢材待选：甲钢，σys=1.95GPa，KIC=45MPa·m1/2；乙钢，σys=1.56，KIC=75MPa·m1/2。设几何形状因子Y=1.5，最大裂纹尺寸2C=2mm。试问应该选择哪种钢材？为什么？（15分）见教材51页例题。说明两种方法得出截然相反的结果。按照断裂力学的观点选材，既安全可靠，又能充分发挥材料的强度，合理使用材料。而按照传统观点，片面追求高强度，其结果不但不安全，而且还埋没了乙钢这种非常合用的材料。答案要点：1．传统方法计算；2.断裂力学计算；3.裂纹半长；4.强度高未必安全；5.两种方法对比讨论。四、.在锗单晶中渗入十万分之一的砷原子，可使锗的导电能力大幅度增加，请画出能结构简图，说明形成了何种半导体。有何应用？（15分）五价的砷与锗形成共价键时多余一个电子，即提供一个施主能级，此能级离导带底很近，只差0.05eV，比满带中的电子容易激发的多，形成电子导电，使导电能力大大增加。掺入施主杂质的半导体称为n-型半导体。在此材料表面产生氧气吸附反应，氧气得到电子，使半导体表面空间电荷层中的载流子浓度减小，形成耗尽层，因此表面电导率降低。答案要点：1.能带结构简图中附加能级正确；2.简要描述形成n-型半导体过程,；3.负电吸附，电导率降低。4.气敏元件五、计算石英玻璃和Al2O3陶瓷能够承受的临界淬冷温差（假定Biot模数β→∞）。讨论临界淬冷温差△Tc的意义及△Tc出现差异的主要原因。（本题满分15分）根据热应力大于等于材料强度时，材料发生热震破坏原则，由于假定Biot模数β→∞，可以由σC=EαΔTC计算出两种材料的临界淬冷温度差。临界淬冷温差表示在此温差下，材料中产生的热应力达到了材料的强度，材料产生断裂破坏。是材料可以承受的最大淬冷温差，可以表明材料抗热震性能的优劣。氧化铝和石英玻璃出现差异的原因主要与膨胀系数有关系，得出低膨胀材料抗热震性能好的结论。可以进一步拓展讨论导热系数的作用。要点：1.临界淬冷温差的概念；2.计算过程及其结果；3.低膨胀材料抗热震性能好。六、判断题（10分）1.错误2.错误3.正确4.错误5.正确6.正确7.正确8.正确9.正确10.错误。七、分析比较金属材料与石英玻璃、石英陶瓷的透光性。（10分）金属材料不透光，石英玻璃的透光性大于石英陶瓷的透光性。由于金属材料对光的吸收系数达到几万甚至几十万，实际上金属材料是不透明的；无机材料的吸收系数仅为很小的数量级10-2。吸收系数的差异可以用禁带宽度的大小来讨论。同一种材料的透光性取决于材料对光的散射及表面反射。石英陶瓷和玻璃属于同一材质，可以认为吸收系数相等，因此两者透光性的大小只要比较对光的反射和散射损失的能量即可。玻璃是无定形结构，折射率比晶体小，反射系数22121)11(nnR，由此造成的反射损失比晶体小，透光性最好；石英陶瓷属于多晶体，除了因反射系数大造成反射损失大以外，还存在晶界反射损失，由于晶界数量巨大，造成了光的散射，其透光性比玻璃差。要点：1.金属材料没有禁带，无机材料禁带宽度大，是造成吸收系数产生巨大差异的原因；1.透光顺序；2.讨论折射率对反射的影响；3.散射的影响八、概念、原理清楚，提出的主要改进措施合理，了解该性能的一种应用。（15分）山东轻工业学院09/10学年第2学期《材料性能》期末考试（B卷）答案一、改正下列专业术语（20分）1、正确2、正确3、错误应力弛豫是指施加恒定应变，应力将随时间而减小的现象。4、错误第一类超导体是指具有一个临界磁场的超导体。5、正确6、正确7、错误本征电子电导是指半导体中导带中的电子导电和价带中的空穴导电同时存在。8、正确9、正确10、正确二、磁铁矿属反尖晶石结构，对于任一个Fe3O4“分子”来说，两个Fe3+分别处于A位及B位，他们是反平行自旋的，因而这种离子的磁矩必然全部抵消，但在B位Fe2+离子的磁矩依然存在。核外电子排布为1s22s22p63s23p63d6，Fe2+有6个3d电子分布在5条d轨道上，其中只有一对处在同一条d轨道上的电子反向平行自旋，磁矩抵消。其余尚有4个平行自旋的电子，因而应当有4个B。一个原晶胞含有8个Fe3O4：“分子”，未被抵消的自旋磁矩是32个B。要点：1.核外电子排布2.3d电子排布简图↑↑↑↑↑↓及其说明3.答案32个B。三、试分析比较三点抗弯强度、四点抗弯强度和抗拉强度的大小。（本题满分10分）三点抗弯强度大于等于四点抗弯强度大于等于抗拉强度根据格瑞菲斯微裂纹理论来解释这种现象。同一种材料的强度是相同的，仅取决于微裂纹的大小，与微裂纹的数量没有关系。假定最大的裂纹只有一条，它决定了材料的强度，但由于测定方法不同，得到的结果也不同，这时必须考虑最大裂纹的概率分布。要点：1.大小的顺序正确；2.瑞菲斯微裂纹理论；3.最大裂纹的概率分布。四、在锗单晶中掺入极少量的硼(B)原子，可使锗的导电能力显著增加，请画出能结构简图，说明导电能力显著增加的原因、形成了何种半导体。若在材料表面产生氧气吸附反应，表面电导率如何变化？有何应用？（本题满分15分）三价的硼B与锗形成共价键时缺少一个电子，即提供一个空穴能级，此能级离价带顶很近，只差0.05eV，大约为锗禁带宽度的5%.价带中的电子激发到空穴能级比激发到导带容易的多，形成空穴导电，使导电能力大大增加。掺入受主杂质的半导体称为p-型半导体。在此材料表面产生氧气吸附反应，氧气得到电子，使半导体表面空间电荷层中的载流子空穴浓度增加，形成积累层，因此表面电导率增加。答案要点：1.能带结构简图中附加能级正确；2简要描述形成.p-型半导体；3.负电吸附，表面电导率增加；4气敏元件。五、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：lgσ=A+B/T(1)试求在测量温度范围内的电导活化能表达式。(2)若给出T1=500K,σ1=10-9(Ω•cm)-1T2=1000K,σ2=10-6(Ω•cm)-1计算电导活化能Ws的值：说明Ws的物理意义。K=0.86*10-4eV/K.答案要点：1.电导活化能表达式Ws=-BKln10;2.计算结果B=3000，Ws=0.58eV；3.物理意义包括缺陷形成能和迁移能。（15分）六、试讨论单晶、陶瓷和玻璃的热导率。能否提出一种绝热材料供保温管道使用？（本题满分15分）该题主要考察热导率与声子平均自由程的关系，热导率与声子平均自由程的大小成正比。对同一种物质来说，单晶体的声子平均自由程大于陶瓷，因为陶瓷属于多晶体，含有晶界，晶界对声子有散射作用，降低了平均自由程，热导率减小。玻璃近程有序的区域远小于晶粒尺寸，声子的平均自由程最小，热导率最小。要点：1.热导率与声子平均自由程的大小成正比；2.陶瓷晶界对声子有散射作用；3.玻璃近程有序的区域远小于晶粒尺寸，声子的平均自由程最小，热导率最小。七、判断题（10分）1.正确2.错误3.正确4.正确5.错误6.正确7.正确8.正确9.正确10.正确。八、超导元素同位素定律(5分)：CMTC，超导元素的临界温度T与元素的平均原子量M的乘积，为一常数。T表示电子的性质，而M则代表了晶格振动的性质，即声子的性质。超导元素同位素定律反映了电子与声子的相互作用决定了临界温度的高低。要点：1.公式正确；2.T表示电子的性质；3.M则代表了晶格振动的性质；4.电子与声子的相互作用。