一、概念题
1.电畴:晶体中存在一些不同方向的自发极化区域(domain).在铁电体中,固有电极矩在一定的子区域内取向相同这些区域就称为电畴。(取向相同的固有电偶极矩)电畴的排列方式分为180度电畴(反平行)和90度电畴。因而不加电场时,整个晶体总电矩为零。
2.畴壁:两畴之间的界壁称为畴壁。
3.马基申等人把固溶体电阻率看成由金属基本电阻率ρ(T)和残余电阻ρ残组成。即ρ=ρ(T)+ρ残称为马基申定律。根据马基申定律,在高温时金属的电阻率基本上取决于ρ(T) ,而在低温时取决于ρ残。既然ρ残是电子在杂质和缺陷上的散射引起的,那么ρ残的大小就可以用来评定金属的电学纯度。
8. 电介质的击穿,当施加在电介质上的电压增大到一定值时,使电介质失去绝缘性的现象称为击穿(breakdown)。击穿形式:1)电击穿,是一电过程,仅有电子参与;2)热击穿;3)化学击穿
9.介质损耗:.电介质在电场作用下,单位时间内因发热而消耗的能量称电介质的损耗功率。介质损耗形式:1)电导(或漏导)损耗,实际使用的电介质都不是理想的绝缘体,都或多或少地存在一些弱联系带电离子或空穴,在E 作用下产生漏导电流,发热,产生损耗。2)极化损耗
10.超导体: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。
11.接触电性:两种不同的材料接触,由于它们可以有不同的相、不同的晶体结构、电子结构,所以在它们的交界面上不可避免地要发生载流子的某种行为,由此而引起两种材料单独存在时所没有的新的电学效应,称为接触电性。
12、热电效应:电位差、温度差、电流、热流之间存在着的交叉联系构成了热点效应。
第一个热电效应——塞贝克效应:两种下同的导体组成一个闭合回路时,若在两接头处存在温度差,则回路中将有电势及电流产生,这种现象称为塞贝克效
第二个热电效应——玻尔贴效应:当有电流通过两个不同导体组成的回路时,除产生焦耳热外,在两接头处还分别出现吸收或放出热量Q的现象,Q称为玻尔帖热,此现象称为玻尔帖效应,
第三个热电效应——汤姆逊效应:当电流通过具有一定温度梯度的导体时,除产生焦耳热外,另有一横向热流流入或流出导体(即吸热或放热),此种热电现象称为汤姆逊效应。
13、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。
23、光电效应:是指光线照射在金属表面时,金属中有电子逸出的现象,称为光电效应。(百度的)
24、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,这种现象为一般吸收。
25.选择吸收:在光学材料中,石英对于波长范围为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,这种现象为选择吸收。
26.折射率的色散:材料的折射率随入射光的频率的减小而减小,这种现象称为折射率的色散。
27.光生伏特效应:是指半导体在受到光照射时产生电动势的现象。(百度的)
28光的非弹性散射:当光通过介质时,从侧向接受到的散射光主要是波长(或频率)不发生变化的瑞利散射光,属于弹性散射。当使用高灵敏度和高分辨率的光谱仪,可以发现散射光中还有其它光谱成分,它们在频率坐标上对称地分布在弹性散射光的低频和高频侧,强度一般比弹性散射微弱得多。这些频率发生改变的光散射是入射光子与介质发生非弹性碰撞的结果,称为非弹性散射。
29发射光谱:发射光强~发射光波长
指在一定的激发条件下发射光强按波长的分布。
其形状与材料的能量结构有关。
反映材料中从高能级始发的向下跃迁过程。
激发光谱:发光强度~激发光波长
指材料发射某一特定谱线(或谱带)的发光强度随激发光的波长而
变化的曲线
能够引起材料发光的激发波长也一定是材料可以吸收的波长,但激
发光谱≠吸收光谱(因为有的材料吸收光后不一定会发射光,把吸
收的光能转化为热能而耗散掉对发光没有贡献的吸收是不会在激
发光谱上反映的)。
反映材料中从基态始发的向上跃迁过程。
30.发光寿命:发光寿命指发光体在激发停止之后持续发光时间的长短。
34.杜隆-柏替定律:元素的热容定律(杜隆-珀替定律):
恒压下,元素的摩尔热容为25J/(K?mol),轻元素例外。
35.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。
36.魏得曼-弗兰兹定律:在室温下许多金属的热导率与电导率之比几乎相同,而不随金属的不同而改变。
37.材料的热稳定性: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,又称为抗热震性。
38.因瓦效应:材料在一定温度范围内所产生的膨胀系数值低于正常规律的膨胀系数值的现象。
二.简答题:
(3)请简要回答热电性的三个基本热电效应
答:第一个热电效应——塞贝克效应:两种下同的导体组成一个闭合回路时,若在两接头处存在温度差,则回路中将有电势及电流产生,这种现象称为塞贝克效应。
第二个热电效应——玻尔贴效应:当有电流通过两个不同导体组成的回路时,除产生焦耳热外,在两接头处还分别出现吸收或放出热量Q的现象,Q称为玻尔帖热,此现象称为玻尔帖效应。
第三个热电效应——汤姆逊效应:当电流通过具有一定温度梯度的导体时,除产生焦耳热外,另有一横向热流流入或流出导体(即吸热或放热),此种热电现象称为汤姆逊效应。(4)电滞回线的各个物理量的名称及物理意义
答:
P:电极化强度
Pr:剩余电极化强度
Ps:饱和电极化强度
E:外电场强度
Eo:矫顽电场强度
9) 正常情况下,为什么半导体的电阻率随温度的升高而降低。
答:正常情况下,为什么半导体的电阻率随温度的升高而降低。自由电子
,由公式知,自由电子与温度近似成正比,故温度升高,自由电子增大,所以半导体的电阻率随温度的升高而降低。
10.金属电阻随温度升高而升高原因:
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
11.影响金属导电性的因素
主要因素:温度,受力情况,冷加工,晶体缺陷,热处理,几何尺寸效应,电阻率各向异性。
12.当形成化合物时,合金的导电性变化激烈,其电阻率要比各组元的电阻率高很多。
原因在于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。若两组元给出的价电子的能力相同(即两个组元的电离势几乎没差别),则所形成化合物的电阻值就低,若两个组元的电离势相差较大,即一组元的给出电子被两个组元吸收,则化合物的电阻就大,接近半导体的性质.
13) 超导体为什么具有完全的抗磁性:外磁场在试样表面感应产生一个磁感应电流。此电流所经路径的电阻为零,所以它产生的附加磁场总是与外磁场大小相等,方向相反,因而使超导体内的合成磁场为零。于是表现出完全的抗磁性。
二、综合题
3引起电介质击穿的形式及其物理机制:
一电击穿是因电场使电介质中积聚起足够数量和能量的带电电质点而导致电介质失去绝缘性能。
二热击穿是在电场作用下,电介质内部热量积累,温度过高而导致失去绝缘性能。
三电化学击穿是在电场,温度等因素作用,电介质发生缓慢的化学变化,性能逐渐劣化,最后失去绝缘性能。
4超导现象的物理机制是什么:BCS理论。认为,超导现象产生的原因是超导体中的电子在超导态时,电子间存在着特殊的吸引力,而不是正常态时的静电斥力。这种吸引力使电子双双结成电子对。它是超导态电子与晶格点阵间相互作用产生的结果。使动量和自旋方向相反的两个电子el、e2结成了电子对,称为库柏电子对。
6铁磁性产生的两个条件(铁磁性产生的充分条件):原子有未被抵消的自旋磁矩(必要条件),可发生自发磁化(充分条件)。
自发磁化的产生机理与条件:据键合理论,原子相互接近形成分子时,电子云要相互重叠,电子要相互交换位置。对过渡族金属,原子的3d与4s态能量接近,它们电子云重叠时引起了3d、4S态电子的交换。交换所产生的静电作用力称为交换力,交换力的作用迫使相邻原子的自旋磁矩产生有序的排列。
7要获得一束高能激光如何实现
为了产生激光,必须选择增益系数超过一定的阈值的激光介质,在激光谐振的配合下,使沿
腔轴(镜面法线)方向传播的光波不断增强,并成为色彩极单纯(特定模式)、方向性极好、能量密度极高的激光束。
(8)金属-半导体接触时,请基于溢出功大小阐述接触电效应
?答:假定金属的逸出功φM大于半导体的逸出功φS ,当形成MS结时,半导体中的电子会向金属中扩散,使金属表面带负电,半导体表面带正电,能带发生移动,形成新的费米能而达到平衡,不在有静电子的流动,形成了接触电位差,V MS = (φ
M - φS)/e. 并在接触界面出现一个由半导体指向金属的内电场,阻碍载流子的继续扩散。也形成了耗尽层,能带向上弯曲,在金属与半导体两侧形成势垒高度稍有不同的肖特基势垒。这种MS结具有整流作用。
?当φM < φS时,电子将有金属扩散流向半导体,在半导体一侧形成堆积层,这个是高导电区,成为反阻挡层(黑板图示)。能带向下弯曲,成为欧姆结。通常半导体器件采用金属电极时就需要良好的欧姆接触。
(13)请阐明材料出现热膨胀的物理机制
实际上物体温度升高,由于质点振动的加剧,将引起质点平均距离增大,从而导致物体热膨胀。
. 对于简谐振动,位能曲线对称,升高温度只能增大振幅,并不会改变平衡位置,因此质点间的平均距离不会因温度升高而改变。
对于非简谐振动,位能曲线不对称,质点向外振动的距离大于向内振动的距离,随着温度升高,动能增大,振动剧烈,质点间的平均距离不断增大,形成宏观的热膨胀现象。
用双原子模型解释
r r>r0时,表现为引力,但引力随位移的增大较慢。 因此,合力曲线和势能曲线均不对称 引力与斥力都与质点间的距离有关:引力与斥力都随质点间距离减小而增大,但两个作用力都是非线性的,即不简单地与位移成正比。随间距的减小增大速度不同,斥力增加的快,其合力曲线的斜率不等(平衡位置左侧大,右侧小),所以质点振动时其平均位置不在原平衡位置,而是靠右。温度升高,振幅增大,其平均位置偏离原平衡位置靠右的距离越大,两质点间的距离增大,使晶胞参数增大,整个物体膨胀。 用势能曲线解释 任一温度下,质点在其平衡位置动能最大,势能为零;在左右最远距离势能最大,动能为零。随温度升高,质点振幅增大,左右侧最大势能都增加,但由于斥力增加的快,左侧势能增加较右侧快,形成了势能曲线的不对称。因此,随温度的升高,质点的中心位置右移, 质点间的距离最大,物体膨胀。 14.铁电体自发极化的物理机制:1)非铁电态到铁电态过渡总是伴随着晶格结构的改变。2)晶体由立方晶系转变为四方晶系,晶体的对称性降低。3)自发极化主要是由于某些离子偏离了平衡位置而造成的。偏离导致单位晶胞中出现电矩,电矩之间的相互作用使偏离离子在新的位置上稳定下来。与此同时,晶体结构发生畸变。 16.基于伏特效应设计的太阳能电池吸收光能及产生电能的示意图并阐明其运作过程。 利用扩散掺杂的方法,在P型半导体的表面形成一个薄的N 型层,在光的照射下,在PN结及其附近表面产生大量的电子 和空穴对,在PN结附近一个扩散长度内,电子-空穴对还没有 复合就有可能通过扩散达到PN结的强电场区域(PN结自建 电场),电子将运动到N型区,空穴将运动到P型区,使N区 带负电、P区带正电,上下电极产生电压——光生电子伏特效 应。 17. PN结在正、反向电压施加作用下的导电过程: A、PN结的构成:PN结的两边由于存在载流子分布的浓度差而引起载流子的扩散运动。 P区中的空穴扩散到了N区,N区中的电子扩散到了P区,随着扩散的进行在交界面处 形成了一层的空间电荷区,同时也有一定值的内电场Ei和内建电位差V D,如右图所示。 B、外加正向电压的情况 由于外加正向电压U与内电位差V D方向相反,因而使阻挡层两端的电位差减小到 (V D-U),空间电荷量减少,以至内电场减小,结果产生了从P区流向N区的正向电 流。该电流是由多子扩散形成的,故较大。 C、由于外加电压U与内电位差V D方向相同,阻挡层加宽,科技电荷量增多,以至 内电场加强,形成了从N区流向P区的反向电流。该电流是由少子漂移形成的,故 很微弱,且几乎不随U的增大而变化。 18.介质极化的五种基本形式及概念、基本特点 1)。电子式极化(电子位移极化):在E作用下,原子外围的电子云中心相对于原子核 发生位移,形成感应电矩而使介质极化的现象。特点:形成很快(10-14~10-16 s),是 弹性可逆的,极化过程不消耗能量。在所有电介质中都存在,但只存在此种极化的电 介质只有中性的气体、液体和少数非极性固体。 2)。2)离子式极化(离子位移极化):离子晶体中,除离子中的电子产生位移极化外,正负离子也在E作用下发生相对位移而引起的极化。又分为:A.离子弹性位移极化:在离子键构成的晶体中,离子间约束力很强,离子位移有限,极化过程很快(10-12~10-13s),不消耗能量,可逆。B、热离子极化(离子松弛式位移极化):在有些离子晶体和无定形体中,存在一些约束力较弱的离子,无E时作无规则热运动,宏观无电矩;有E时,正负离子反向迁移,形成正负离子分离而产生介质极化。极化建立时间较长(10-2~10-5s),有极化滞后现象,需消耗一定能量,不可逆。 3)偶极子极化(固有电矩的转向极化):有E时,偶极子有沿电场方向排列的趋势,而形成宏观电矩,形成的极化。所需时间较长(10-2~10-10s),不可逆,需消耗能量。 4)空间电荷极化:有些电介质中,存在可移动的离子,在E作用下,正负离子分离所形成的极化。所需时间最长(10-2s)。 (20)金属Fe具有磁性原因 答:铁磁质的磁性是自发产生的,磁化过程只不过是把铁磁质本身的磁性显示了出来,而不是由外界向铁磁质提供磁性。铁磁性产生的充分条件:原子内部要有未填满的电子壳层(或说存在固有磁矩),且A(交换能积分常数)为正值(或说可发生自发磁化)。 据键合理论,原子相互接近形成分子时,电子云要相互重叠,电子要相互交换位置。对Fe过渡族金属,原子的3d与4s态能量接近,它们电子云重叠时引起了3d、4S态电子的交换。交换力的作用迫使相邻原子的自旋磁矩产生有序的排列。铁磁质产生自发磁化 经典自由电子理论推导 推导各向同(异)性材料的体膨胀系数和线膨胀系数的关系 二、计算题 在500单晶硅中掺有的硼,设杂质全部电离球该材料的电阻率,(设u= ,硅密度2.33g/cm^3,硼原子量为10.8) 假设X射线用铝材屏蔽,如果要是95%的X射线能量不能透过,则铝材的厚度至少要多少?铝的吸收系数为0.42cm-1 三、名词解释 马基申定则:总的电阻包括金属的基本电阻和溶质浓度引起的电阻(与温度无关)。 本征半导体:纯净的无结构缺陷的半导体单晶 介质损耗:电介质在电场作用下,单位时间内因发热而消耗的能量成为电介质的介质损耗磁化:任何物质处于磁场中,均会使其所占有的空间的磁场发生变化,这是由于磁场的作用使物质表现出一定的磁性,该现象称为磁化(单位体积的磁矩称为磁化强度)本征磁矩:原子中电子的轨道磁矩和自旋磁矩构成的原子固有磁矩称为本征磁矩 自发磁化:在铁磁物质内部存在着很强的与外磁场无关的“分子场”,在这种分子场作用下,原子磁矩趋于同向平行排列,即自发的磁化至饱和, 磁畴:居里点下,铁磁体自发磁化成若干个小区域,称为磁畴 磁晶各向异性:在单晶体的不同晶向上,磁性能是不同的,称为~ 形状各向异性:不同形状的试样磁化行为是不同的,该现象称为~ 磁致伸缩:铁磁体在磁场中被磁化时,其形状和尺寸都会发生变化这种现象称为~ 技术磁化:在外磁场作用下铁磁体从完全退磁状态磁化至饱和状态的内部变化过程 双光束干涉:两束光相遇后,在光叠加区,光强重新分布,出现明暗相间,稳定的干涉条纹(条件:频率相同振动方向一致,并且有固定的相位关系) 衍射:光波遇到障碍物时,在一定程度上能绕过障碍物进入几何阴影区。 色散:材料的折射率随入射光的波长而变化 折射率的色散:材料的折射率随入射光的频率减小而减小的性质 双折射:由一束入射光折射后分成两束光的现象。符合折射率的是寻常光,不然是非常光二向色性:晶体结构的各向异性不仅能产生折射率的各向异性(双折射),而且能产生吸收率的各向异性 四、问答题 1.经典自由电子理论与量子自由电子理论异同 同:金属晶体中,正离子形成的电场是均匀的,价电子是自由的, 异:经典理论认为没有施加外电场时,自由电子沿各个方向运动的几率相同,不产生电流? 量子理论认为每个原子的内层电子基本保持着单个原子时的能量状态,所有价电子有不同的能级。 2.评价电介质的主要电学性能指标有哪些? 介电常数、耐电常数、损耗因数、体电阻率和表面电阻率、前三个属于介电性,后者导电性3.电介质的极化基本形式 电子式极化、离子式极化、偶极子极化、空间电荷极化 这有答案,大家尽量出有答案的题材料物理性能 习题与解答 吴其胜 盐城工学院材料工程学院 2007,3 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,其杨氏模量为3.5×109 N/m 2,能伸长多少厘米? 解: 拉伸前后圆杆相关参数表 ) (0114.010 5.310101401000940000cm E A l F l E l l =?????=??= ?=?=?-σ ε0816.04.25 .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 524.44500 6 MPa A F T =?= = -σ真应力 1-3一材料在室温时的杨氏模量为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: V oigt 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(210 5.3) 1(28 8 MPa Pa E G ≈?=+?= += μ剪切模量) (390)(109.3) 7.01(310 5.3) 21(38 8 MPa Pa E B ≈?=-?= -=μ体积模量. ,. ,112 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 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εε εε εε εσεσεσ) (2.36505.08495.03802211GPa V E V E E H =?+?=+=上限弹性模量 ) (1.323)84 05.038095.0()(11 2211GPa E V E V E L =+=+=--下限弹性模量 ). 1()()(0)0() 1)(()1()(1 //0 ----= = ∞=-∞=-= 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 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》教学大纲 教学内容: 绪论(1 学时) 《材料物理性能》课程的性质,任务和内容,以及在材料科学与工程技术中的作用. 基本要求: 了解本课程的学习内容,性质和作用. 第一章无机材料的受力形变(3 学时) 1. 应力,应变的基本概念 2. 塑性变形塑性变形的基本理论滑移 3. 高温蠕变高温蠕变的基本概念高温蠕 变的三种理论 第二章基本要求: 了解:应力,应变的基本概念,塑性变形的基本概念,高温蠕变的基本概念. 熟悉:掌握广义的虎克定律,塑性变形的微观机理,滑移的基本形态及与能量的关系.高温蠕变的原因及其基本理论. 重点: 滑移的基本形态,滑移面与材料性能的关系,高温蠕变的基本理论. 难点: 广义的虎克定律,塑性变形的基本理论. 第二章无机材料的脆性断裂与强度(6 学时) 1.理论结合强度理论结合强度的基本概念及其计算 2.实际结合强度实际结合强度的基本概念 3. 理论结合强度与实际结合强度的差别及产生的原因位错的基本概念,位错的运动裂纹的扩展及扩展的基本理论 4.Griffith 微裂纹理论 Griffith 微裂纹理论的基本概 念及基本理论,裂纹扩展的条件 基本要求: 了解:理论结合强度的基本概念及其计算;实际结合强度的基本概念;位错的基本概念,位错的运动;裂纹的扩展及扩展的基本理论;Griffith 微裂纹理论的基本概念及基本理论,裂纹扩展的条件熟悉:理论结合强度和实际结合强度的基本概念;位错的基本概念,位错的运动;裂纹的扩展及扩展的基本理论;Griffith 微裂纹理论的基本概念及基本理论,裂纹扩展的条件. 重点: 裂纹的扩展及扩展的基本理论;Griffith 微裂纹理论的基本概念及基本理论,裂纹扩展的条件难点: Griffith 微裂纹理论的 基本概念及基本理论 第三章无机材料的热学性能(7 学时) 1. 晶体的点阵振动一维单原子及双原子的振动的基本理论 2. 热容热容的基本概念热容的经验定律和经典理论热容的爱因斯坦模型热容的德拜模型 3.热膨胀热膨胀的基本概念热膨胀的基 无机材料物理性能试题及答案 无机材料物理性能试题及答案 一、填空题(每题2分,共36分) 1、电子电导时,载流子的主要散射机构有中性杂质的散射、位错散射、电离杂质的散射、晶格振动的散射。 2、无机材料的热容与材料结构的关系不大,CaO和SiO2的混合物与CaSiO3 的 热容-温度曲线基本一致。 3、离子晶体中的电导主要为离子电导。可以分为两类:固有离子电导(本征 电导)和杂质电导。在高温下本征电导特别显著,在低温下杂质电导最为显著。 4、固体材料质点间结合力越强,热膨胀系数越小。 5、电流吸收现象主要发生在离子电导为主的陶瓷材料中。电子电导为主的陶瓷材料,因 电子迁移率很高,所以不存在空间电荷和吸收电流现象。 6、导电材料中载流子是离子、电子和空位。 7. 电子电导具有霍尔效应,离子电导具有电解效应,从而可以通过这两种效应检查材料 中载流子的类型。 8. 非晶体的导热率(不考虑光子导热的贡献)在所有温度下都比晶体的 小。在高温下,二者的导热率比较接近。 9. 固体材料的热膨胀的本质为:点阵结构中的质点间平均距离随着温度升高而增 大。 10. 电导率的一般表达式为 ∑ = ∑ = i i i i i q nμ σ σ 。其各参数n i、q i和μi的含义分别 是载流子的浓度、载流子的电荷量、载流子的迁移率。 11. 晶体结构愈复杂,晶格振动的非线性程度愈大。格波受到的 散射大,因此声子的平均自由程小,热导率低。 12、波矢和频率之间的关系为色散关系。 13、对于热射线高度透明的材料,它们的光子传导效应较大,但是在有微小气孔存在时,由于气孔与固体间折射率有很大的差异,使这些微气孔形成了散射中心,导致透明度强烈降低。 14、大多数烧结陶瓷材料的光子传导率要比单晶和玻璃小1~3数量级,其原因是前者有微量的气孔存在,从而显著地降低射线的传播,导致光子自由程显著减小。 15、当光照射到光滑材料表面时,发生镜面反射;当光照射到粗糙的材料表面时,发生漫反射。 16、作为乳浊剂必须满足:具有与基体显著不同的折射率,能够形成小颗粒。 用高反射率,厚釉层和高的散射系数,可以得到良好的乳浊效果。 17、材料的折射随着入射光的频率的减少(或波长的增加)而减少的性质,称为折射率的色散。 1. 影响弹性模量的因素包括:原子结构、温度、相变。 2. 随有温度升高弹性模量不一定会下降。如低碳钢温度一直升到铁素体转变为 奥氏体相变点,弹性模量单调下降,但超过相变点,弹性校模量会突然上升,然后又呈单调下降趋势。这是在由于在相变点因为相变的发生,膨胀系数急剧减小,使得弹性模量突然降低所致。 3. 不同材料的弹性模量差别很大,主要是因为材料具有不同的结合键和键能。 4. 弹性系数Ks 的大小实质上代表了对原子间弹性位移的抵抗力,即原子结合 力。对于一定的材料它是个常数。 弹性系数Ks 和弹性模量E 之间的关系:它们都代表原子之间的结合力。因为建立的模型不同,没有定量关系。(☆) 5. 材料的断裂强度:a E th /γσ= 材料断裂强度的粗略估计:10/E th =σ 6. 杜隆-珀替定律局限性:不能说明低温下,热容随温度的降低而减小,在接近 绝对零度时,热容按T 的三次方趋近与零的试验结果。 7. 德拜温度意义: ① 原子热振动的特征在两个温度区域存在着本质差别,就是由德拜温 度θD 来划分这两个温度区域: 在低θD 的温度区间,电阻率与温度的5次方成正比。 在高于θD 的温度区间,电阻率与温度成正比。 ② 德拜温度------晶体具有的固定特征值。 ③ 德拜理论表明:当把热容视为(T/θD )的两数时,对所有的物质都具有 相同的关系曲线。德拜温度表征了热容对温度的依赖性。本质上, 徳拜温度反应物质内部原子间结合力的物理量。 8. 固体材料热膨胀机理: (1) 固体材料的热膨胀本质,归结为点阵结构中质点间平均距离随温度升 高而增大。 (2) 晶体中各种热缺陷的形成造成局部点阵的畸变和膨胀。随着温度升 高,热缺陷浓度呈指数增加,这方面影响较重要。 9. 导热系数与导温系数的含义: 材料最终稳定的温度梯度分布取决于热导率,热导率越高,温度梯度越小;而趋向于稳定的速度,则取决于热扩散率,热扩散率越高,趋向于稳定的速度越快。 即:热导率大,稳定后的温度梯度小,热扩散率大,更快的达到“稳定后的温度梯度”(☆) 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,故又称为抗热震 性。 热稳定性破坏(即抗热振性)的类型有两种:抗热冲击断裂性和抗热冲击损伤性。 11. 提高材料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 ,σ/E 增大,即提高了材料柔韧性,这样可吸收较多的应变能而不致于开裂。晶粒较细,晶界缺陷小,气孔少且分散者,强度较高,抗热冲击断裂性较好。 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 材料无机材料物理性能考试及答案 ————————————————————————————————作者:————————————————————————————————日期: 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, 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 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 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》课程教学大纲 一、课程名称(中英文) 中文名称:材料物理性能 英文名称:Properties of Material Physics 二、课程代码及性质 课程代码: 0801151 课程性质:学科专业基础课程, 必修课 三、学时与学分 总学时:32(理论学时:32学时;实践学时:0学时) 学分:2 四、先修课程 大学物理、材料科学基础、热处理原理与工艺 五、授课对象 本课程面向材料科学与工程专业、功能材料专业开设 六、课程教学目的(对学生知识、能力、素质培养的贡献和作用) 本课程的教学目的: 1. 系统掌握材料物理性能方向的专业知识,具备应用这些知识分析、解决材料科学与工程专业中的功能材料选择和应用技术复杂问题的能力; 2. 掌握各种物理性能的本质,具备独立进行物理性能分析和测量的能力; 3. 理解不同类型物理性能与材料的不同层次的结构和组织之间的对应关系,具备基于材料成分、结构设计开发新型功能材料的能力;同时,具备基于材料物理性能的研究,实现对材料结构和相变(结构变化)的表征的能力; 4.了解功能材料及制备和应用技术的发展前沿,掌握其发展特点与动向。 七、教学重点与难点: 教学重点: 材料物理性能中的电学性能、介电性能、热学性能、光学性能和磁学性能基于材料成分、结构和组织微观本质。 教学难点: 材料物理性能中的电学性能、介电性能、热学性能、光学性能和磁学性能的微观机理和宏观性能内在联系的定量描述,以及各种性能之间的逻辑关系。 八、教学方法与手段: 教学方法: (1)以课堂讲授为主,阐述该课程的基本内容,保证主要教学内容的完成; (2)安排适量的课堂讨论环节,使学生通过课下的资料查阅而掌握基本的专业资料获取方法、途径、整理归纳和讲演能力。 教学手段: (1)运用现代教学工具,在课堂上通过PPT讲授方式,实现图文并茂,形象直观; (2)收集典型功能材料应用实物,在课堂上进行针对性讲授。 九、教学内容与学时安排 (1)总体安排 教学内容与学时的总体安排,如表2所示。 (2)具体内容 各章节的具体内容如下: 第一章材料物理性能概论(2学时) 1.1材料的分类 1.2材料物理性能本构关系 1.3材料物理性能的研究方法及描述 1.4数值分析方法在材料物理性能研究中的应用 1.5功能材料的性能、应用与发展 第二章材料的电学性能(6学时) 2.1 概念和原理 2.2 导体、绝缘体和半导体的能带 2.3 金属的导电性 2.4 离子导体 2.5 半导体的电学性能 2.6 超导电性 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。 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,称为材料 的色散 18.透光性:材料可以使光透过的性能称为透光性 19.镜反射:是指光照射在光洁度非常高的材料表面时,反射光线具有明确的方向性,这种材料物理性能复习重点
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