《材料物理性能》测试题
1、利用热膨胀曲线确定组织转变临界点通常采取的两种方法是： 、
2、列举三种你所知道的热分析方法： 、 、
3、磁各向异性一般包括 、 、 等。
4、热电效应包括 效应、 效应、 效应，半导体制冷利用的是 效应。
5、产生非线性光学现象的三个条件是 、 、 。
6、激光材料由 和 组成，前者的主要作用是为后者提供一个合适的晶格场。
7、压电功能材料一般利用压电材料的 功能、 功能、 功能、 功能或 功能。
8、拉伸时弹性比功的计算式为 ，从该式看，提高弹性比功的途径有二： 或 ，作为减振或储能元件，应具有 弹性比功。
9、粘着磨损的形貌特征是 ，磨粒磨损的形貌特征是 。
10、材料在恒变形的条件下，随着时间的延长，弹性应力逐渐 的现象称为应力松弛，材料抵抗应力松弛的能力称为 。
1、导温系数反映的是温度变化过程中材料各部分温度趋于一致的能力。 （ ）
2、只有在高温且材料透明、半透明时，才有必要考虑光子热导的贡献。 （ ）
3、原子磁距不为零的必要条件是存在未排满的电子层。 （ ）
4、量子自由电子理论和能带理论均认为电子随能量的分布服从FD 分布。 （ ）
5、由于晶格热振动的加剧，金属和半导体的电阻率均随温度的升高而增大。 （ ）
6、直流电位差计法和四点探针法测量电阻率均可以消除接触电阻的影响。 （ ）
7、 由于严格的对应关系，材料的发射光谱等于其吸收光谱。 （ ）
8、 凡是铁电体一定同时具备压电效应和热释电效应。 （ ）
9、 硬度数值的物理意义取决于所采用的硬度实验方法。 （ ）
10、对于高温力学性能，所谓温度高低仅具有相对的意义。 （ ）
1、关于材料热容的影响因素，下列说法中不正确的是 （ ）
A 热容是一个与温度相关的物理量，因此需要用微分来精确定义。
B 实验证明，高温下化合物的热容可由柯普定律描述。
C 德拜热容模型已经能够精确描述材料热容随温度的变化。
D 材料热容与温度的精确关系一般由实验来确定。
2、 关于热膨胀，下列说法中不正确的是 （ ）
A 各向同性材料的体膨胀系数是线膨胀系数的三倍。
B 各向异性材料的体膨胀系数等于三个晶轴方向热膨胀系数的加和。
C 热膨胀的微观机理是由于温度升高，点缺陷密度增高引起晶格膨胀。
D 由于本质相同，热膨胀与热容随温度变化的趋势相同。
3、下面列举的磁性中属于强磁性的是 （ ）
A 顺磁性
B 亚铁磁性
C 反铁磁性
D 抗磁性
4、关于影响材料铁磁性的因素，下列说法中正确的是 （ ）
A 温度升高使得M S 、
B R 、H
C 均降低。 B 温度升高使得M S 、B R 降低，H C 升高。
C 冷塑性变形使得C H μ和均升高。
D 冷塑性变形使得C H μ和均降低。
5、下面哪种效应不属于半导体敏感效应。 （ ）
A 磁敏效应
B 热敏效应
C 巴克豪森效应
D 压敏效应
6、关于影响材料导电性的因素，下列说法中正确的是 （ ）
A 由于晶格振动加剧散射增大，金属和半导体电阻率均随温度上升而升高。
B 冷塑性变形对金属电阻率的影响没有一定规律。
C “热塑性变形＋退火态的电阻率”的电阻率高于“热塑性变形＋淬火态”
D 一般情况下，固溶体的电阻率高于组元的电阻率。
7、下面哪种器件利用了压电材料的热释电功能 （ ）
A 电控光闸
B 红外探测器
C 铁电显示器件
D 晶体振荡器
8、下关于铁磁性和铁电性，下面说法中不正确的是 （ ）
A 都以存在畴结构为必要条件
B 都存在矫顽场
C 都以存在畴结构为充分条件
D 都存在居里点
9、下列硬度实验方法中不属于静载压入法的是 （ ）
A 布氏硬度 B肖氏硬度 C 洛氏硬度 D显微硬度
10、关于高温蠕变性能，下列说法中不正确的是（）
A 蠕变发生的机理与应力水平无关。 B粗化晶粒是提高钢持久强度的途径之一。
C 松弛稳定性可以评价材料的高温预紧能力。
D 蠕变的热激活能与材料的化学成分有关。
四、简答题（每题6分，共30分）：
1、以杜隆－珀替定律为例，简要回答热容模型的推导步骤。
2、直接交换作用是如何解释自发磁化现象的？
3、什么是霍耳效应，简要回答其在电学性能中的应用。
4、如何理解反射系数和折射率的关系？
5、以BaTiO3晶体为例，简要说明热运动引起的自发极化。
铁磁性材料的技术磁化过程分为哪几个阶段，请用简图表示并用文字简单说明各阶段的含义，指出如何从该图求得自发磁化强度。
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=E2-E1的光子趋近高能级E2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
因瓦效应：将与因瓦反常相关联的其它物理特性的反常行为
简答题
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。
硬磁材料与软磁材料各自的特点与区别。
软磁材料：磁滞回线瘦长，μ高、 Ms高、 Hc小、 Mr低，如变压器铁芯，常用材料如工业纯铁、硅铁、铁镍合金、铁钴合金等。
硬磁（永磁）材料：磁滞回线短粗，μ低、 Hc与 Mr高，常用材料如铁氧体、铝镍、稀土钴、稀土镍合金等，80年代发展的Nd-Fe-B
系合金
Mr/Ms接近于1的矩形回线材料即矩磁材料是理想的磁记录材料。
请简要回答热电性的三个基本热电效应。
电滞回线的各个物理量的名称和物理意义。
极化强度P，外加电场E，饱和极化强度Ps，剩余极化强度Pr，矫顽电场强度Ec
磁滞回线的各个物理量的名称和物理意义。
Hs称为使磁化强度达到饱和时的磁场强度，饱和磁感应强度Bs，Ms称为饱和磁化强度，Mr称为剩余磁化强度，要使M 降至0，必须施加一反向磁场－Hc， Hc称为磁矫顽力，
请基于磁化率给物质磁性分类，并说明各类的物质磁化难以程度。
简要回答物质磁性的来源
任何物质由原子组成，原子又有带正电的原子核（核子）和带负电的电子构成。核子和电子本身都在做自旋运动，电子又沿一定轨道绕核子做循规运动。它们的这些运动形成闭合电流，从而产生磁矩。
材料磁性的本源是：材料内部电子的循规运动和自旋运动。
为什么自发磁化要分很多的磁畴。
交换能力图使整个晶体自发磁化至饱和，磁化方向沿着晶体易磁化方向，就使交换能和各向异性能都达到最小值。但必然在端面处产生磁极，形成退磁化场，增加了退磁场能，从而将破坏已形成的自发磁化，相互作用的结果使大磁畴分割为小磁畴，即减少退磁能是分畴的基本动力。分畴后退磁能虽减小，但增加了畴壁能，使得不能无限制分畴。当畴壁能与退磁能之和最小时，分畴停止。（局部的退磁场作用下，出现三角形畴（副畴，塞漏畴），与主磁畴路闭合，减少了退磁能，但增加各向异性能、磁弹性能）
正常情况下，为什么半导体材料的电阻随着温度的升高而降低。
μυσρ22/1e n m **==载流子密度
正常情况下，为什么金属的电导率随着温度的升高而降低。 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。 影响金属导电性的因素有哪些。
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。
超导体为什么具有完全的抗磁性。
这是由于外磁场在试样表面感应产生一个感应电流，此电流由于所经路径电阻为0，故它所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。由于此感应电流能将外磁场从超导体内挤出，故称抗磁感应电流，又因其能起着屏蔽磁场的作用，又称屏蔽电流。
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。
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。
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。
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：
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。
低场强下，存在离子电导（本征电导和杂质电导）；高场强下，电子电导。
2）极化损耗 一方面：极化过程中离子要在E 作用下克服热运动消耗能量，引起损耗。
另一方面：松弛极化建立时间较长，极化跟不上外E 的变化（特别是交流频率较高时），所造成的电矩往往滞后于E ，即E 达最大时，极化引起的极化电荷未达最大，当E 开始减小时，极化仍继续增至最大值后才开始减小，当E 为0时，极化尚未完全消除，当外E 反向时，极板上遗留的部分电荷中和了电源对极板充电的部分电荷，并以热的形式散发，产生损耗。
3）电离损耗 又称游离损耗，是气体引起的，含气孔的固体电介质，外E 大于气体电离所需的E 时，气体发生电离吸收能量，造成损耗。 剩余极化的形成过程。
铁电畴在外电场作用下，总是要趋于与外电场方向一致，这称为电畴的“转向”。实际上电畴运动是通过在外电场作用下新畴的出现、发展以及畴壁的移动来实现的，而且由于转向时引起较大内应力，所以这种转向不稳定。当外加电场撤去后，则有小部分电畴偏离极化方向，恢复原位，而大部分电畴则停留在新转向的极化方向上，这叫剩余极化。
铁电畴转向过程，包括在畴壁附近的作用过程。
在外电场的推动下，电畴会随外电场方向出现转向运动。其运动过程分为新畴成核、发展和畴壁移动来实现。
１８０°畴：反向电场——（边沿，缺陷处即成核）新畴——尖劈状的新畴向前端发展（因１８０°畴前移速度快几个 数量级）,１８０°畴不产生应力（因自发极化反平行），一般需耗较大电场能。
９０°畴：对于９０°畴的“转向”虽然也产生针状电畴，但是主要是通过９０°畴的侧向运动来实现。但因晶轴的长缩方向不一致，而产生应力并引起近邻晶胞承受压力。
为什么铁电单晶剩余极化值比铁电陶瓷高。
实际的铁电体中，必然同时存在９０°畴和１８０°畴，并且相互影响，相互牵制。尤其多晶陶瓷中杂质，缺陷，晶粒间界，空间电荷的存在将给电畴的转向带来电的或机械应力方面的影响，故铁电陶瓷在外电场作用下的定向移动率，通常比铁电单晶的定向率低的多 压电体产生压电效应的机制是什么,请简要画出压电效应的机理示意图。
因为机械作用（应力与应变）引起了晶体介质的极化，从而导致介质两端表面内出现符号相反的束缚电荷。 ???? ??-==kT E T K p n g i i 2exp 23
1
综合题
引起电介质击穿的形式及其对应物理机制。
击穿形式： 1）电击穿是一电过程，仅有电子参与。过程：强电场作用下，少数能量高的“自由电子”，沿反电场方向运动，形成电流（漏电流），其运动过程中不断碰撞介质内的离子，并将其部分能量传递给离子。当外电压足够高时，“自由电子”速度超过某一临界值，就使被撞击的离子电离出一些新电子，即成为“次级电子”，原自由电子与次级电子又从电场中获得能量而加速，又撞击出三级电子，这样连锁反应，造成大量自由电子，形成“电子潮”，使贯串介质的电流迅速增大，导致介质击穿。
2）热击穿绝缘材料在电场作用下出现各种消耗，部分电能转换为热能，外电压足够高时，产生的热量大于散发热量，温度升高，产生热量进一步增加，这样恶性循环，使材料不断升温，超过一定限度，介质被烧裂，熔融等，丧失绝缘能力，称介质的“热击穿”。
3）化学击穿长期运行在高温、潮湿、高压或腐蚀性气体环境中的绝缘材料，内部发生电解、腐蚀、氧化、还原、气孔中气体电离等不可逆的化学过程，经一定时间，材料老化，丧失绝缘性能，导致击穿。如氧化物还原出金属离子。
超导现象的物理机制是什么。
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、
电子对
请阐明P209页图4.19的物理特征。
、可见光中波长最短的是紫光，波长最长的是红光：
、所以，Eg<1.8eV
、Eg=1.8~3.1的非金属材料，是带色透明的，因为只有部分可见光通过激发价带电子向导带转移而被材料吸收。
铁磁性物质产生铁磁性的充分条件及自发磁化的物理机制。
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具有较大的正值（或说可发生自发磁化）。前者是指原子的本征磁矩，后者指的是要有一定的晶体点阵结构。机理：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。因交换作用而产生的附加能量称为交换能：
金属—半导体接触时，请基于逸出功大小阐述接触电效应。
假定金属的逸出功φM大于半导体的逸出功φ S ，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，VMS = (φM - φ S)/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 < φ S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。
退磁的方法有哪些，同时请说明每一种方法退磁机制。
磁滞回线的起点不是饱和点，而在饱和点以下时，H减小时，Mr和Hc减小，即磁滞回线变得短而窄，若施加的交变磁场幅值H趋于0时，则回线将成为趋于坐标原点的螺线，直至交变磁场的H ＝0，铁磁体将完全退磁。
另外的方法：（1）加热法（2）敲击法（3）反向加磁场法
PN结的发光机理是什么？
如果我们设法使一块完整的半导体一边是N型，而另一边是P型，则在接合处形成 P－N结。未加电场时，由于电子和空穴的扩散作用，在P－N 结的交界面两侧形成空间电荷区，生产自建场，其电场方向自N区指向P区。引起漂移运动，当扩散运动和漂移运动达到热平衡时， P区和N区的费米能级必然达到同一水平。
这时，在P区和N区分别出现P型简并区和N型简并区， P区的价带顶充满了空穴，N区的导带底充满了电子。在结区造成了能带的弯曲。自建场的作用，形成了接触电位差VD叫做P－N 结的势垒高度。P区所有能级上的电子都有了附加位能，它等于势垒高度VD 乘以电子电荷e（VDe）
当给P－N 结加以正向电压V时，如图（5-27）所示，原来的自建场将被削弱，势垒降低，破坏了原来的平衡，引起多数载流子流入对方，使得两边的少数载流子比平衡时增加了，这些增加的少数载流子称为“非平衡载流子”。这种现象叫做“载流子注入”。此时结区的统一费米能级不复存在，形成结区的两个费米能级EF+和EF-，称为准费米能级。它们分别描述空穴和电子的分布。在结区的一个很薄的作用区，形成了双简并能带结构。
?
χ
cos
A
E
C
-
∝
如何控制下图栅压G的极性和数值，使n沟道晶体管分别处于导通或者截止的状态，请详细说明控制的过程与原理。
在P型衬底的MOS系统中增加两个N型扩散区，分别称为源区（S表示）和漏区（D表示）。通过控制栅压
G的极性和数值，可以使MOS晶体管分别处于导通或截止的状态：源、漏之间的电流将受到栅压的调制，这就是MOS晶体管工作原理的基础，利用这一性质做成的MOS集成电路是大规模集成电路中最重要的类型之一。
画出基于光生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。
请阐述铁电体产生自发极化的物理机理。
具有自发极化的晶体（极性）由于结构内正负电荷中心不相重合而存在固有电矩，当晶体温度变化时，发生热膨胀使晶体的自发极化的固有电矩发生改变,
PN结在正、反向电压施加作用下的导电过程（做出示意图辅助解释）
（1）外加正向电压的情况(PN结正向注入）（2）外加反向电压（PN结的反向抽取）
介质极化的五个基本形式、概念及基本特点。
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。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）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。
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）。
阐述BaTiO3单晶在外电场作用下的极化反转过程。
1）、一般在外电场作用下（人工极化），180°畴转向比较充分；同时由于“转向”时结构畸变小，内应力小，因而这种转向比较稳定。2）、而90°畴的转向时不充分的，对BaTiO3陶瓷， 90°畴只有13%；而且，由于转向时引起较大内应力，所以这种转向不稳定。当外加电场撤去后，则有小部分90°畴电畴偏离极化方向，恢复原位。
3）、大部分（主要是180°畴）则会停留在新转向的极化方向上（剩余极化）。
金属Fe具有磁性的原因。
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，这样的磁体称顺磁体。
铁磁体：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。原因是强的内部交换作用，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，这样的磁体称铁磁体。
金属热膨胀：物质的体积或长度随温度的升高而增大的现象。
内耗：对固体材料内在的能量损耗称为内耗。
磁致伸缩效应：铁磁体在磁场中被磁化时，其形状和尺寸都会发生变化的现象。
磁畴：指在未加磁场时铁磁体内部已经磁化到饱和状态的小区域。
软磁材料：软铁被磁化后，磁性容易消失，称为软磁材料。
亚铁磁体：磁体中存在大小不等反平行的自旋磁矩，磁矩大小部分抵消，因而磁体仍然可以自发磁化，类似于铁磁体。这种磁体称为亚铁磁体。
磁畴结构：磁畴的形状、尺寸、磁壁的类型与厚度的总称。
磁滞回线：当磁化磁场作周期的变化时，表示铁磁体中的磁感应强度与磁场强度关系的一条闭合曲线。
对于一根具体的导线而言，影响它的导电因素有哪些？
答：对于一根具体的导线而言，导电过程分两部分，包括最外电子脱离正离子实和之后的在晶格中运行，所以，影响导电性包括这两部分的影响因素。
(1) 从导电定律关系式中可以看出一个电子的电荷是固定的数值，n有效决定于金属的晶体结构及能带结构，而电子自由运行时间或电子平均自由程则决定于在外电场作用下，电子运动过程中所受到的散射。
(2) 电子在金属中所受到的散射可用散射系数μ来表述。μ的来源有两方面，一是温度引起离子振动造成的μT，二是各种缺陷及杂质引起晶格畸变造成的μn。
μ=μT+μn
相应地电阻为：ρ=ρT+ρn
(3) 由温度造成的晶格动畸变和由缺陷造成的晶格静畸变，两者都会引起金属电阻率增大。
什么是西贝克（Seeback）效应？它是哪种材料的基础？
答：西贝克效应是由于温差产生的热电现象，即温差电动势效应——广义地，在半导体材料中，温度和电动势可以互相产生。实际上是材料的热和电之间转化，可以指导人们在热电之间建立相互联系，是热电材料的基础。
简述导温系数（又称热扩散系数）α的物理意义及其量纲？
答：物理意义：表示温度变化的速率。
量纲：m2/s。
技术磁化过程分为哪几个阶段？各个技术磁化阶段的特点是什么？
答：第一部分（OA）是可逆磁化过程：可逆是指磁场减少到零时，M沿原曲线减少到零，在可逆磁化阶段，磁化曲线是线性的，没有剩磁和磁滞。在金属软磁材料中，此阶段以可逆壁移为主。
第二部分（AB）是不可逆磁化阶段：此阶段内，M随磁化场急剧地增加，M与H曲线不再是线性。此阶段中，若把磁场减少到零，M不再沿原曲线减少到零，而出现剩磁，这种现象成为磁滞，巴克豪森指出，这一阶段由许多M的跳跃性变化组成，是畴壁的不可逆跳跃引起的。
第三部分（BC）是磁化矢量的转动过程：第二阶段结束后，畴壁消失，整个铁磁体成为一个单畴体，但其内部磁化强度方向还与外磁场方向不一致。在这一阶段内随磁化场进一步增大，磁矩逐渐转动到与外磁场一致的方向，当磁化到S点时，磁体已磁化到技术饱和，这时的磁化强度称饱和磁化强度Ms。
第四部分自C点以后，M-H曲线已近似于水平线，而M-H曲线大体上成为直线，自C点继续增大外磁，Ms还稍有增加，这一过程称为顺磁磁化过程。
分子场的本质是什么？在铁磁体中起什么作用？
答：分子场的本质：分子场的性质不是磁场，量子力学告诉我们，分子场来源于相邻原子中电子间的交换作用，它导致了磁有序。从本质上讲，这是属于静电作用。
在铁磁体中的作用：铁磁物质内部存在很强的“分子场”，它使原子磁矩同向平行排列，即自发磁化到饱和；铁磁体的自发磁化分成若干磁畴，由于磁体中各磁畴的磁化方向不一致，所以大块磁体对外不显示磁性。
简述经典自由电子气模型和量子自由电子气模型的特点？
答：经典自由电子气模型：金属（已结晶的）由原子点阵（晶格）构成，价电子（最外层电子）是完全自由的，可以在整个金属中自由运动，就像气体分子能在一个容器内自由运动一样，故可以把价电子看成“自由电子气”，这些自由电子在晶格中的运动就像气体在容器中的运动一样（但不能脱离“容器”，即晶格）。
自由电子的运动遵循经典力学的运动规律，遵循气体分子运动论。这些电子在一般情况下（没有外场的作用下）可沿所有方向运动，但在电场作用下由于静电相互作用，将逆着电场方向运动，从而使金属中产生电流（即：电子的定向运动）。
电子与带正电的离子（由于价电子脱离原来的原子）的碰撞（也叫散射）妨碍电子的被无限加速，从而形成电阻。
量子自由电子论：
量子自由电子论用量子力学观点来研究在金属的大量原子集合体中的价电子分布问题。
量子自由电子论的基本观点是：金属正离子（离子实）所形成的势场各处都是均价的；价电子是共有化的，他们不束缚于某个原子上，可以在整个金属内自由地运动，电子之间没有相互作用，电子运动服从量子力学原理。
量子自由电子论与经典自由电子论的主要区别在于电子运动服从量子力学原理。
简述非过渡族金属的电阻—温度关系，并说明原因。
答：理想晶体
温度对金属电阻的影响是由于温度引起离子晶格热振动造成电子波的散射，而使电阻率随温度的升高而增加。在绝对零度下，纯净又无缺陷的金属（完整的晶格），其电阻率等于零。随温度的升高金属的电阻率也在增加。
有缺陷的晶体
实验表明，对于普遍非过渡金属θD一般不超过500K，当T>2/3θD时，线性关系已足够正确，即在室温和更高一些温度都可写成：ρT= ρ0(1+αT)，α为电阻温度系数。
在低温下决定于“电子-电子”散射的电阻可能占优势，这是由于在此低温下决定于声子散射的电阻大大减弱的缘故（低温下晶格振动大大减弱），这时的电阻与温度的平方成正比，即ρ电-电∝αT2，普通非过渡金属的电阻与温度的关系示于右图。
即：存在如下关系：
1－ρ电－声∝ T（T>>θD）
2－ρ电－声∝ T5（T<<θD）
3－ρ电－电∝ T2（T≈2K）
说明物质的抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性及亚铁磁性之间的异同点？
答：在五种磁性物质中，只有抗磁性物质没有永久性的离子（或原子）磁矩，其他四种都有永久性的离子（或原子）磁矩，但它们的磁性行为又不相同。除了磁化率不相同以外，最主要的是它们的磁结构各不相同：
(1) 顺磁性物质的原子磁矩混乱取向，处于磁无序状态；
(2) 铁磁性物质由于静电交换作用，在一定范围内相邻原子磁矩平行取向；
(3) 在反铁磁性物质内部，相邻原子磁矩反平行排列，反铁磁性物质仅在某一临界温度下存在，此临界温度称为奈耳温度TN，加热到TN以上，反铁磁性转变为顺磁性或其它磁性；
(4) 亚铁磁性仅在化合物或合金中存在，它由磁矩大小不同的两套方向相反的铁磁性交错排列组成，即μA≠μB，相同磁性的离子磁矩同向平行排列，而不同磁性的离子磁矩是另一个相反方向的平行排列。
分析物质的抗磁性、顺磁性、反铁磁性及亚铁磁性与温度之间的关系？
答：(1) 抗磁性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，与
温度无关，或随温度变化很小。
(2) 根据顺磁磁化率与温度的关系，可以把顺磁体分为三类，一是正常顺磁体，
其原子磁化率与温度成反比；二是磁化率与温度无关的顺磁体；三是存在反铁
磁体转变的顺磁体，当温度高于一定的转变温度TN时，它们和正常顺磁体一样服从局里-外斯定律，当温度低于TN时，它们的原子磁化率随着温度下降而减小，当T→0K时，磁化率趋于常数。
(3) 反铁磁性物质的原子磁化率在温度很高时很小，随着温度逐渐降低，磁化率逐渐增大，温度降至某一温度TN时，磁化率升至最大值；再降低温度，磁化率又减小。
(4 ) 亚铁磁性物质的原子磁化率随温度的升高而逐渐降低。
简述热性能的物理本质和热稳定性。
答：热性能的物理本质：晶格的热震动即质点围绕平衡位置作微小震动。
热稳定性：材料在温度急剧变化而不被破坏的能力，也被称为抗热震性。
导电材料中的载流子有哪些？
答：电子；离子；空位。
有哪些缺陷均会使金属电阻率增加？
答：空位；位错；间隙原子以及它们的组合。
原子核外电子排布的规则是什么？
答：泡里不相容原理；能量最低原理；洪特规则。
磁畴形成的两个条件有哪些？
答：(1) 原子中必须有未填满电子的内层，因而存在未被抵消的自旋磁矩。
(2) 相邻原子间距a与未填满的内电子层半径r之比大于3，即a/r＞3。
影响金属材料热导率的因素？
答：温度，原子结构，合金的成分和晶体结构，气孔率。
影响金属材料的弹性模量的主要因素？
答：金属材料原子结构；金属的点阵结构。
引起金属内耗的因素？
答：
\
1、有电子壳层参加的原子现象范围内只有两种类型的力：磁力和静电力。（）
2、半导体的能带结构不取决于晶体点阵和组成元素的性质，而载流子的有效质量则是反应能带结构的重要参量
3、直流电位差计是比较测量法测量电动势（或电压)的一种仪器
4、电阻率和电导率是对材料成分、组织和结构极敏感的电参数，能灵敏地反映材料内部的微弱变化。
5、铁磁材料从退磁状态被磁化到技术饱和的过程中存在不可逆过程。（）
6、矫顽力很小而磁化率很大的材料称为“软磁材料”，将矫顽力很小而磁化率也小的材料称为“硬磁材料”，磁滞回线为矩型的材料称为“矩磁材料”。（）
7、抗磁体的磁化率或者与温度无关，或者随温度变化产生大变化。（）
8、当合金融化、凝固以及发生同素异构转变时，磁化率不发生突变。
简答题
1、位移型铁电体及其应用？
2、反磁化过程和磁矫顽力的描述？
3、用外斯假说描述的
铁磁性的物理本质。
三、计算题
1、固溶体有限溶解度的电阻测定分析原理为何？已知Cu-Mg2Sn合金中，200oC 时Mg2Sn的溶解度为1.5wt%、400oC为1.6wt%、470oC为1.7wt%、
520oC为2.0wt%、600oC为2.85%、650oC为5.1wt%，完成右图中Mg2Sn的溶解度曲线，并估算500oC时的溶解度数值。
四、论述题
为何GaAs 在某些方面比硅或锗更具优越性。
15、简述简述电介质的四大电极化机制？
五、分析题
1、利用右图分析气孔率对材料导系数及热传导的影响，20、19、举例说明图为金属粉末导热率与气孔率的关系曲线。粉末银粉和热压银粉的实验点说明什么。
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
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 -,
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。
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，
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
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
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。
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）
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.镍铬丝电阻率300K为1×10-6Ω·m加热到4000K时电阻率增加5%假定在此温度区间内马西森定则成立。试计算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到上面的空带中去，在外电场作用下，这些电子将参与导电。同时，满带中由于少了一些电子，在满带顶部附近出现了一些空的量子状态，满带变成了部分占满的能带，在外电场作用下，仍留在满带中的电子也能够起导电作用。 3.表征超导体性能的3个主要指标是什么?(P80) （表征超导体的两个基本特性完全的导电性和完全的抗磁性） 1)，临界转变温度TC，即成为超导态的最高温度 2)。临界磁场HC，即能破坏超导态的最小磁场，HC的大小与超导材料的性质有关 3)，临界电流密度JC，即材料保持超导状态的最大输入电流 第三章 1.什么是自发磁化？（P142) 在铁磁质内部存在着很强的“分子场”,在这种“分子场”的作用下，原
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
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。
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。
西 安 科 技 大 学 2011—2012学 年 第 2 学 期 考 试 试 题（卷） 学院：材料科学与工程学院 班级： 姓名： 学号：
—2012 学 年 第 2 学 期 考 试 试 题（卷） 学院：材料科学与工程学院 班级： 姓名： 学号：
材料物理性能 A卷答案 一、填空题（每空1分，共25分）： 1、电子运动服从量子力学原理周期性势场 2、导电性能介电性能 3、电子极化原子（离子）极化取向极化 4、完全导电性（零电阻）完全抗磁性 5、电子轨道磁矩电子自旋磁矩原子核自旋磁矩 6、越大越小 7、电子导热声子导热声子导热 8、示差热分析仪（DTA）、示差扫描热分析（DSC）、热重分析（TG） 9、弹性后效降低（减小） 10、机械能频率静滞后型内耗 二、是非题（每题2分，共20分）： 1、√ 2、× 3、× 4、√ 5、× 6、√ 7、× 8、× 9、× 10、√ 三、名词解释（每题3分，共15分）： 1、费米能：按自由电子近似，电子的等能面在k空间是关于原点对称的球面。特别有意义的是E=E F的等能面，它被称为费米面，相应的能量成为费米能。 2、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，这样的磁体称顺磁体。 3、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。 4、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。
5、弛豫模量：教材P200 四、简答题（每题6分，共30分）： 1、阐述导体、半导体和绝缘体的能带结构特点。 答：①导体中含有未满带，在外场的作用下，未满带上的电子分布发生偏移，从而改变了原来的中心堆成状态，占据不同状态的电子所形成的运动电流不能完全抵消，未抵消的部分就形成了宏观电流；②绝缘体不含未满带，满带中的电子不会受外场的作用而产生偏离平衡态的分布，而一些含有空带的绝缘体，也因为禁带间隙过大，下层满带的电子无法跃迁到空带上来形成可以导电的未满带，所以绝缘体不能导电；③本征半导体的情况和绝缘体类似，区别是其禁带能隙比较小，当受到热激发或外场作用时，满带中的电子比较容易越过能隙，进入上方空的允带，从而使材料具有一定的导电能力；④掺杂半导体则是通过掺入异质元素，从而提供额外的自由电子或者额外的空穴以供下层电子向上跨越，使得跨越禁带的能量变低，电子更加容易进入上层的空带中，从而具有导电能力。 2、简述温度对金属电阻影响的一般规律及原因。 答：无缺陷理想晶体的电阻是温度的单值函数，如果在晶体中存在少量杂质和结构缺陷，那么电阻与温度的关系曲线将要变化。 在低温下，电子-电子散射对电阻的贡献显著，其他温度电阻取决于电子-声子散射。 3、何谓材料的热膨胀？其物理本质是什么？ 答：①热膨胀：材料在加热和冷却过程中，其宏观尺寸随温度发生变化的现象。 ②物理本质：在非简谐近似下，随温度增加，原子热振动不仅振幅和频率增加，其平衡位置距平均尺寸也增加，即导致振动中心右移，原子间距增大，宏观上变现为热膨胀。 4、物质的铁磁性产生的充要条件是什么？ 答：(1) 原子中必须有未填满电子的内层，因而存在未被抵消的自旋磁矩。 (2) 相邻原子间距a与未填满的内电子层半径r之比大于3，即a/r＞3。 5、内耗法测定α-Fe中碳的扩散（迁移）激活能H的方法和原理。 答：参考教材P-211 五、论述题（每题10分，共10分）：