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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 =2.04×10-10m ）的布拉格衍射角。
（P5）12341311921111o '(2)6.610 =(29.1105400 1.610)=1.67102K 3.7610sin sin 2182hh pmE m d dλπλθλλθθ----=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=⨯==⇒=解：（1）=（2）波数=（3）22. 有两种原子，基态电子壳层是这样填充的;;s s s s s s s 2262322626102610（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[]11ln[1]()()1/4ln 3()3/4ln 3FF 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8.5×103kg/m 3，计算其E 0F 。
（P16）2203234262333118(3/8)2(6.6310)8.510 =(3 6.0210/8)291063.5=1.0910 6.83Fh E n m J eVππ---=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=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）220323426233311900(3/8)2(6.6310) 1.01310 =(3 6.0210/8)291022.99=5.2110 3.253 1.085FF h E n mJ eVE E eVππ---=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯===解：由由 6. 若自由电子矢量K 满足以为晶格周期性边界条件x x L ψψ+()=()和定态薛定谔方程。
材料物理与化学考试题库一、选择题（每题2分，共20分）1. 材料的微观结构主要包括哪些类型？A. 晶体结构B. 非晶体结构C. 纳米结构D. 所有以上2. 下列哪个不是材料的力学性能指标？A. 硬度B. 弹性模量C. 断裂韧性D. 导热系数3. 材料的热膨胀系数是指什么？A. 材料在受热时体积变化的比率B. 材料在受热时长度变化的比率C. 材料在受冷时体积变化的比率D. 材料在受冷时长度变化的比率4. 材料的导电性能通常由哪个因素决定？A. 材料的化学成分B. 材料的晶体结构C. 材料的电子结构D. 所有以上5. 以下哪个是半导体材料的主要特性？A. 导电性高于绝缘体B. 导电性低于导体C. 导电性随温度升高而降低D. 导电性随温度升高而增加6. 材料的疲劳寿命是指什么？A. 材料在持续加载下破坏的时间B. 材料在持续加载下不破坏的时间C. 材料在单次加载下破坏的时间D. 材料在单次加载下不破坏的时间7. 材料的化学稳定性是指什么？A. 材料对环境的适应性B. 材料在化学作用下的稳定性C. 材料在物理作用下的稳定性D. 材料在生物作用下的稳定性8. 材料的光学性质通常由哪些因素决定？A. 材料的折射率B. 材料的反射率C. 材料的透光性D. 所有以上9. 以下哪个是金属材料的主要特性？A. 良好的导电性B. 良好的延展性C. 良好的热导性D. 所有以上10. 材料的腐蚀是指什么？A. 材料在化学作用下的破坏B. 材料在物理作用下的破坏C. 材料在生物作用下的破坏D. 材料在热作用下的破坏二、填空题（每题2分，共20分）11. 材料的微观结构通常包括________、________和________。
12. 材料的力学性能指标主要包括硬度、弹性模量、断裂韧性和________。
13. 材料的热膨胀系数是指材料在________时长度或体积变化的比率。
14. 材料的导电性能通常由材料的________和________决定。
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xxxx 波长；（2）计算它的波数；（3）计算它对Ni 晶体（111）面（面间距d=2.04×10-10m ）的布拉格衍射角。
（P5）12341311921111o '(2)6.610 =(29.1105400 1.610) =1.67102K 3.7610sin sin 2182h h p mE m d d λπλθλλθθ----=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=⨯==⇒=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，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kT ？（P15）4. 已知Cu 的密度为8.5×103kg/m3，计算其（P16）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，）（P16）6. 若自由电子矢量K 满足以为晶格周期性边界条件和定态xx 方程。
试证明下式成立：eiKL=17.d h r K K cos r /2θϕ=*hkl *hkl 已知晶面间距为，晶面指数为（ k l ）的平行晶面的倒易矢量为，一电子波与该晶面系成角入射，试证明产生布拉格反射的临界波矢量的轨迹满足方程。
8. 试用布拉格反射定律说明晶体电子能谱中禁带产生的原因。
（P20）9. 试用晶体能带理论说明元素的导体、半导体、绝缘体的导电性质。
答： （画出典型的能带结构图，然后分别说明）10. 过渡族金属物理性质的特殊性与电子能带结构有何联系？（P28）答：过渡族金属的d 带不满，且能级低而密，可xx 较多的电子，夺取较高的s 带中的电子，降低费米能级。
补充习题1. 为什么镜子颠倒了左右而没有颠倒上下？2.只考虑xx 力学，试计算在不损害人体安全的情况下，加速到光速需要多少时间？ 3. 已知下列条件，试计算空间两个电子的电斥力和万有引力的比值4. 画出原子间引力、斥力、能量随原子间距变化的关系图。
《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。
材料物理期末试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1. 材料的弹性模量E与材料的屈服强度σy之间的关系是（）。
A. E与σy成正比B. E与σy成反比C. E与σy没有直接关系D. E与σy的关系取决于材料的种类2. 以下哪种材料不属于晶体材料？（）A. 单晶硅B. 多晶硅C. 玻璃D. 金刚石3. 材料的断裂韧性KIC的单位是（）。
A. PaB. Pa·m^1/2C. Pa·m^1/2D. Pa·m^3/24. 材料的硬度H与材料的弹性模量E之间通常存在以下关系（）。
A. H与E成正比B. H与E成反比C. H与E没有直接关系D. H与E的关系取决于材料的种类5. 以下哪种材料的导热性能最好？（）A. 铜B. 铝C. 铁D. 塑料6. 材料的疲劳寿命Nf与应力水平σ之间的关系是（）。
A. Nf与σ成正比B. Nf与σ成反比C. Nf与σ没有直接关系D. Nf与σ的关系取决于材料的种类7. 材料的蠕变行为与以下哪个因素无关？（）A. 温度B. 应力C. 材料种类D. 材料的密度8. 材料的热膨胀系数α与材料的热导率λ之间的关系是（）。
A. α与λ成正比B. α与λ成反比C. α与λ没有直接关系D. α与λ的关系取决于材料的种类9. 材料的塑性变形通常发生在（）。
A. 弹性阶段B. 屈服点之后C. 断裂点之前D. 任何应力水平下10. 材料的断裂韧性KIC与材料的硬度H之间的关系是（）。
A. KIC与H成正比B. KIC与H成反比C. KIC与H没有直接关系D. KIC与H的关系取决于材料的种类二、填空题（每空1分，共20分）1. 材料的弹性模量E是材料在______阶段抵抗形变的能力的度量。
2. 材料的屈服强度σy是指材料在______应力作用下开始发生塑性变形的应力值。
3. 材料的断裂韧性KIC是材料抵抗______裂纹扩展的能力的度量。
4. 材料的硬度H是指材料抵抗______的能力。
工程实践报告项目名称：NiZn铁氧体材料制备与性能研究项目编号: D4指导教师：李乐中专业: 材料物理年级：2011级团队成员: 谢霞霞、孙小婷、钟戈、田敏江浩、杨禄昌、蒲志勇、李诗坤二〇一三年七月工程实践报告一、NiZn 铁氧体薄膜的制备原理1.1、溶胶-凝胶法原理Ni-Zn 铁氧体薄膜材料的制备方法有许多，我们采用了溶胶-凝胶法来镀膜。
溶胶-凝胶法（Sol-gel）是一种高效的制膜技术，它可以分为2种：浸涂(dip-coating)法和旋涂(spin-coating)法，本次实验中采用旋涂法。
经典的溶胶-凝胶法是以金属有机醇盐为原料，配以有机溶剂和定量的水，使醇盐发生水解、缩聚反应胶化形成有一定粘度的溶胶，再采用甩胶法利用高速旋转将滴在基片上的溶胶铺展在基片上成膜。
即用含高化学活性组分的化合物作前驱体，在液相下将这些原料均匀混合，并进行水解、缩合化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络结构的凝胶，凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂，形成凝胶，凝胶经过干燥、烧结固化制备出分子乃至纳米亚结构的材料。
不论所用的前驱物为无机盐或金属醇盐，其主要反应步骤是前驱物溶于溶剂中（水或有机溶剂)形成均匀的溶液，溶质与溶剂产生水解或醇解反应，反应生成物聚集成1nm 左右的粒子并组成溶胶，后者经蒸发干燥转变为凝胶.因此更全面地看，此法应称为SSG 法，即溶液一溶胶一凝胶法。
金属盐、溶剂、水以及催化剂组成均相溶液，由水解缩聚而形成均相溶胶；进一步陈化成为湿凝胶①经过蒸发除去溶剂或蒸发分别得到气凝胶②或干凝胶③，后者经烧结得到致密的陶瓷体④。
同时，均相溶胶可以在不同衬底上涂膜⑤，经过退火等热处理得到均匀致密的薄膜⑥；也可以拉丝，得到玻璃纤维⑦；以及均相溶胶经不同方式处理得到粉体⑧。
金属化合物经溶液、溶胶、凝胶而固化，再经低温热处理而生成纳米粒子。
其特点反应物种多，产物颗粒均一，过程易控制，适于氧化物和Ⅱ～Ⅵ族化合物的制备。
溶胶一凝胶法作为低温或温和条件下合成无机化合物或无机材料的重要方法，在软化学合成中占有重要地位。
在制备玻璃、陶瓷、薄膜、纤维、复合材料等方面获得重要应用，更广泛用于制备纳米粒子。
1.2、基本反应溶胶－凝胶法的化学过程首先是将原料分散在溶剂中，然后经过水解反应生成活性单体，活性单体进行聚合，开始成为溶胶，进而生成具有一定空间结构的凝胶，经过干燥和热处理制备出纳米粒子和所需要材料。
其最基本的反应是：(l) 水解反应：M(OR)n + xH2O → M (OH) x (OR) n－x + xROH(2) 聚合反应：－M－OH + HO－M－→ －M－O－M－+H2O－M－OR + HO－M －→ －M－O－M－+ROH.1.3、NiZn 铁氧体薄膜磁性能来源NiZn铁氧体晶体结构属尖晶石型，单位晶胞由氧离子面心立方密堆而成，具有立方对称性，使其具有不同的性能。
NiZn 铁氧体是一种亚铁磁性材料，亚铁磁性是未被抵消的反铁磁性，铁氧体磁性来源于两次晶格反向排列的没有抵消的离子磁矩，因此可以根据铁氧体总金属离子的分布和各种磁性离子的磁矩数，就可以大致计算出各种铁氧体分子的饱和磁矩（即最大磁矩）。
饱和磁矩是铁氧体磁性材料各种物理特性的基础，饱和磁矩的大小取决于铁氧体的结构特征。
所以，NiZn 铁氧体的分子磁矩为A、B两次晶格中离子的自旋反平行耦合的净磁矩。
二、NiZn 铁氧体薄膜工艺2.1 溶胶的配制根据实验配方表中的数据，称取对应质量的乙酸镍,乙酸锌,硝酸锌,乙酸镁，硝酸铁与粉末溶于冰乙酸和乙二醇甲醚(体积比按1:2)中，最后配成50mL溶液，同时加入聚乙二醇2000为2.0000克。
配置好溶液之后静止十分钟，在盛装溶液的烧杯中加入小磁块。
置于磁力搅拌器中，在磁力搅拌器中恒温80℃搅拌3小时，经充分搅拌后，形成均匀溶胶。
2.2陈化将均匀溶胶在室温中静置36小时，静置过程初始溶胶经扩散，最后形成粘稠度增加的均匀、稳定的溶胶。
2.3基片的清洗本实验所用的衬底为单晶（111）硅片，普通载物玻璃基片和石英片。
衬底表面的清洁过程是至关重要的，其目的是去除衬底表面的灰尘和油脂等，增强薄膜与衬底之间的附着。
清洗过程如下：（1）将玻璃基片放入盛装一定量无水乙醇的烧杯中，放在超声波清洗仪中清洗15分钟；（2）将第一步洗好的玻璃基片放入另一个烧杯中，用去离子水在超声波清洗仪中清洗15分钟；（3）重复第一步，第二步两遍；（4）将洗好的硅片和玻璃基片放入乙醇中保存，镀膜时用氮气口吹干或者医用脱脂棉擦拭基片。
使表面干净无痕再进行镀膜。
2.4 镀膜及预热处理本实验采用旋涂法镀膜。
旋涂法是在匀胶机上进行的，将清洗干净的硅基片水平固定在旋转台中央，将要涂覆的溶胶滴1-2滴在基片上，以一定的旋转速度旋转，低速（500转18秒），高速（4000转30秒）。
由旋转运动产生的离心力使溶液由圆心向周边扩展形成均匀溶膜，然后再进行预热处理形成凝胶膜。
预热处理工艺在制备薄膜的过程中是很重要的一个环节。
每沉积一层凝胶膜都要在一定温度下进行一次预热处理，使薄膜基本定型并固化，从而利于下一次镀膜，即将镀了膜的基片放在电热板上的培养皿中，先缓慢升温至设定好的预热处理温度100℃直接在电热板上预热五分钟。
再继续升温至300℃将基片放在电热板上的培养皿中进行预热处理5分钟过后，将膜取出，待其冷却到室温后再进行下一次旋涂镀膜。
如此重复十次，同时在镀两层、六层和十层之后分别要在精益炉中高温退火处理。
采用旋涂法时，薄膜厚度除了受到溶胶性质的影响外，旋涂机的是决定薄膜厚度的另一个重要因素。
如果转速不高，获得的膜层不均匀，如果转速过高，一次成膜的厚度过薄，需进行多次旋涂。
2.5退火处理将制得的凝胶膜在管式炉中高温退火，只有在适当的退火温度下，才能得到结晶性能好、c轴取向一致的薄膜。
首先调制精益管，并设置精益管的退火程序。
首先升温到250℃，2小时5分钟；再恒温250℃保持20分钟，在升温到750℃烧结，4小时10分钟；然后在750℃保温1小时，最后降温直到0℃，6小时15分钟。
将度好膜的硅基片和玻璃基片放在管式炉中，启动管式炉开始烧结，第二天，再取出凝胶膜。
图1 NiZn 铁氧体薄膜烧结曲线图2 是溶胶-凝胶法制备NiZn 铁氧体薄膜的流程图，主要包括配胶、湿膜的涂覆、干燥以及后期的退火处理。
三、项目设计内容3.1、原料成分的改变这次实验中乙酸镍的量为零，以硝酸铁为不变量，硝酸钴与硝酸锌为变量，其他原料不变，来制备薄膜。
3.2、制备工艺改变方案一第一层在200℃下干燥10min，接着镀第二层再在在200℃下干燥10min，镀完两层后，在管式炉中按NiZn 铁氧体薄膜烧结曲线设置温度烧结。
取出后接着做相同的步骤直到镀完10层。
方案二第一步，第一层在200℃下干燥10min，接着镀第二层再在在200℃下干燥10min，镀完两层后，在管式炉中按NiZn 铁氧体薄膜烧结曲线设置温度烧结。
取出后进行第二步，第三层在200℃下干燥10min，接着镀第四层再在在200℃下干燥10min，镀完后，按NiZn 铁氧体薄膜烧结曲线设置温度烧结，重复第二步一次，烧结。
取出后进行第三步，第七层在200℃下干燥10min，接着镀第八层再在在200℃下干燥10min，镀完后，按NiZn 铁氧体薄膜烧结曲线设置温度烧结，重复第三步一次，在管式炉中按NiZn 铁氧体薄膜烧结曲线设置温度烧结。
方案三第一层在100℃下干燥5min，接着镀第二层再在在300℃下干燥5min，重复进行，镀完10层后，在管式炉中按NiZn 铁氧体薄膜烧结曲线设置温度烧结。
四、设计阶段性成果与存在的问题4.1、设计成果全体组员学会了实验中涉及的实验仪器，比如，管式炉数据的设置，匀胶机的操作等。
制备得到现有实验条件下的样品与数据。
如下图所示：磁力搅拌器制备的溶胶镀膜样品4.2、存在的问题4.2.1、外界因素(1)时间分散，晚上与周末实验室开放时间有限制，安心做实验有点难。
(2)我们实验是否应该重换一台电子称，实验室现有的称，反应慢，称一组质量，药品都潮解了，它还没有稳定下来，反应也慢。
4.2.2、研究项目(1)我们做一次实验的周期较长（七天），尝试设计方案一、二，行不通。
最后迫于我们选择设计方案三。
(2)设计实验中基片的清洗的难度大，反复多次，还不一定将硅片清洗干净。
若洗不干净，不仅浪费硅片，还镀不上膜。
怎样在现有的条件下将基片洗干净？(3)膜镀的均匀，检测到的性能更好。
如何在现有的实验条件下将膜镀得较均匀？五、工程实践体会我们听说要在各自的项目中做出像科学一样的产品，十分的期待能够实现。
找到李老师开始我们的课题，开始我们心怀向往，充满激情，认真地做好课题的每一步，严格要求自己。
经过多次的实验，步骤很简单，就是不能做出满意的成果。
想别人用相同的方法能做到，我们就不能？我们的问题出在哪里？虽然我们的积极性，受到了挫折，但我们依然坚持，相信我们的每一步都是按要求做的，不可能不出成果。
看做出的结果不理想，我们就默默的重复。
将这种情况向李老师诉说了，李老师说“现在不能简单的判断你们做得好与坏，要做成一个完整的成品来检测才能判断”。
终于，我们做出了自己的产品，有满意的也有不满意的。
但是我们看到了希望，就有信心的将实验做下去。
相信一份耕耘，一份收获。
经过实验，发现我们开始想得太简单，在遇到问题时又想得有点难。
工程实践让我们明白“纸上得来终觉浅，要知此事须躬行”的道理。
六、总结熟悉NiZn 铁氧体薄膜的制备流程与制备是这学期的主要任务，即溶胶-凝胶法制备NiZn铁氧体薄膜。
在实验过程中，我们熟悉了溶胶配制、甩胶工艺、退火处理的相关工艺细节，很好的完成了这学期的任务。
