材料物理性能试题(研究生ZHONG)

材料物理性能A 试卷答案及评分标准一、是非题（1分×10=10分）1√；2×；3×；4√；5×；6√；7√；8√；9√；10×。

二、名词解释（3分×6=18分，任选6个名词。

注意：请在所选题前打“√”）1、磁后效应：处于外电场为H0的磁性材料，突然受到外磁场的跃迁变化到H1，则磁性材料的磁感应强度并不是立即全部达到稳定值，而是一部分瞬时到达，另一部分缓慢趋近稳定值，这种现象称为磁后效应。

2、塑性形变：是指在超过材料的屈服应力作用下产生形变，外应力移去后不能恢复的形变。

无机材料的塑性形变，远不如金属塑性变形容易。

3、未弛豫模量：测定滞弹性材料的形变时，如果测量时间小于τε、τσ，则由于随时间的形变还没有机会发生，测得的是应力和初始应变的关系，这时的弹性模量叫未驰豫模量。

4、介质损耗：由于导电或交变场中极化弛豫过程在电介质中引起的能量损耗，由电能转变为其他形式的能，统称为介质损耗。

5、光频支振动：光频支振动：格波中频率甚高的振动波，质点间的位相差很大，邻近质点的运动几乎相反时，频率往往在红外光区，称为“光频支振动”。

6、弹性散射：散射前后，光的波长（或光子能量）不发生变化的散射。

7、德拜T3定律：当温度很低时，即T<<θD，c v=1939.7(T/θD)3j.K-1.mol-1，即当T→0 K时，c v∝T3→0。

8、BaTiO3半导体的PTC现象：价控型BaTiO3半导体在晶型转变点附近，电阻率随温度上升发生突变，增大了3~4个数量级的现象。

三、简答题（5分×5=25分，任选5题。

注意：请在所选题前打“√”）1、（1）构成材料元素的离子半径；（2）材料的结构、晶型；（3）材料存在的内应力；（4）同质异构体。

2、（1）透过介质表面镀增透膜；（2）将多次透过的玻璃用折射率与之相近的胶将它们黏起来，以减少空气界面造成的损失。

)（E k →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？用电阻率ρ或电阻率σ评价材料的导电能力.按材料的导电能力（电阻率）,人们通常将材料划分为：）（）超导体（）（）导体（）（）半导体（）（）绝缘体（m .104m .10103m .10102m .1012728-828Ω〈Ω〈〈Ω〈〈Ω〈---ρρρρ2、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？金属导体中，其原子的所有价电子均脱离原子核的束缚成为自由电子，而原子核及内层束缚电子作为一个整体形成离子实。

所有离子实的库仑场构成一个平均值的等势电场，自由电子就像理想气体一样在这个等势电场中运动.如果没有外部电场或磁场的影响,一定温度下其中的离子实只能在定域作热振动，形成格波,自由电子则可以在较大范围内作随机运动,并不时与离子实发生碰撞或散射，此时定域的离子实不能定向运动，方向随机的自由电子也不能形成电流。

施加外电场后,自由电子的运动就会在随机热运动基础上叠加一个与电场反方向的平均分量，形成定向漂移，形成电流。

自由电子在定向漂移的过程中不断与离子实或其它缺陷碰撞或散射，从而产生电阻。

E J →→=σ，电导率σ= （其中μ= ，为电子的漂移迁移率，表示单位场强下电子的漂移速度）,它将外加电场强度和导体内的电流密度联系起来,表示了欧姆定律的微观形式.缺陷:该理论高估了自由电子对金属导电能力的贡献值，实际上并不是所有价电子都参与了导电。

（？把适用于宏观物体的牛顿定律应用到微观的电子运动中，并且承认能量的连续性)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？自由电子近似下，电子的本证波函数是一种等幅平面行波，即振幅保持为常数;电子本证能量E 随波矢量的变化曲线 是一条连续的抛物线.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.n 决定，并且其能量值也是不连续的，能级差与材料线度L ²成反比,材料的尺寸越大，其能级差越小，作为宏观尺度的材料,其能级差几乎趋于零，电子能量可以看成是准连续的。

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。

oIJIO0 200 400 600 800 1000 1200 1400T/K图1氧化铝单晶的热导率随温度的变化3、掺杂固溶体瓷与两相陶瓷的热导率随成分体积分数而变化的规律有何不同？请画图说明。

4、裂纹形成原因有哪些？哪些措施可防止裂纹扩展?五、计算、分析题（14分）得分评分人1、（l）BaTiO3的半导化常通过添加微量的稀土元素形成价控半导体。

材料物理性能考试重点、复习题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。

《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。

材料物理性能试题2014.5.一、阐述下列概念(每题6分，共30分)(1)电介质的极化在外电场作用下，电介质的表面上出现束缚电荷的现象叫做电介质极化。

(2)声子声子就是''晶格振动的简正模能量量子。

"英文是phonon(3)软磁材料和硬磁材料硬磁材料是指磁化后不易退磁而能长期保留磁性的一种铁氧体材料，也称为永磁材料或恒磁材料。

软磁材料是具有低矫顽力和高磁导率的磁性材料。

(4)晶体的特征(1)晶体拥有整齐规则的几何外形，即晶体的自范性。

(2)晶体拥有固定的熔点，在熔化过程中，温度始终保持不变。

(3)晶体有各向异性的特点。

(4)晶体可以使X光发生有规律的衍射。

宏观上能否产生X光衍射现象，是实验上判定某物质是不是晶体的主要方法。

[1](5)晶体相对应的晶面角相等，称为晶面角守恒。

[2](5)画出体心立方晶体结构，原胞，并写出基矢体心立方结构(右)M W ■其体积为；配位原胞（右）晶胞基矢a \ R I并且&£■』；芭■我，其惯用原胞基矢由从一顶点指向另外三个体心点的矢量构成，二、解答题（共70分）1.影响无机非金属材料（晶体）导热率的因素有哪些？（10分）%1晶体中热量传递速度很迟缓，因为晶格热振动并非线性的，格波间有着一定的耦合作用，？^子间会产生碰撞，使声子的平均自由程减小。

格波间相互作用愈强，也即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。

因此，声子间碰撞引起的散射是晶体中热阻的主要来源。

%1晶体中的各种缺陷、杂质以及晶界都会引起格波的散射，等效于声子平均自由程的减小，从而降低X.O %1平均自由程还与声子的振动频率V有关。

振动V不同，波长不同。

波长长的格波易绕过缺陷，使自由程加大，散射小，因此热导率入大。

%1平均自由程1还与温度T有关。

温度升高，振动能量加大，振动频率v加快，声子间的碰撞增多，故平均自由1减小。

但其减小有一定的限度，在高温下，最小的平均自由程等于几个晶格间距；反之，在低温时，最长的平均自由程长达晶粒的尺度。

1、金刚石的爱因斯坦温度K Θ1320E =，德拜温度K Θ1860D =。

试分别用爱因斯坦热容公式和德拜热容公式计算在温度T 1=2000K 和T 2=0.2K 时金刚石的摩尔热容。

提示：f D (0.93)≈0.9606.2、NaCl 和KCl 具有相同的晶体结构，它们在低温下Debye 温度ΘD 分别为310K 和230K ，KCl 在5K 的定容摩尔热容为3.8×10-2/J(K.mol),试计算NaCl 在5K 和KCl 在2K 的定容摩尔热容。

3、试计算一条合成刚玉晶体（Al 2O 3）棒在1K 的热导率。

它的分子量为102，直径为4mm ，声速υ为480 m /s ，密度为4000 kg /m 3，德拜温度为1000K 。

提示：l c υλ31=；34512)(DV T Nk C Θ≈π . 4、将一根铁棒两端固定住之后，开始加热，请计算温度升高500℃时，铁棒中的热应力。

假设弹性模量E 保持190Gpa ，而铁棒保持弹性状态不变。

提示：铁的热膨胀系数为11×10-6/K.第二章作业：1.以n 型半导体为例推导霍尔系数公式，解释霍尔系数揭示的物理含义是什么?并说明如何利用霍尔效应测量半导体的载流子浓度、电导率和迁移率？2.光照和升温均能改变半导体的电导率，它们之间有何区别？并说明半导体电阻率随温度变化规律。

3.硅半导体含有施主杂质浓度315/103cm N D ⨯=和受主杂质浓度315/101cm N A ⨯=，求在T=300K 时的电子和空穴浓度以及费米能级位置。

已知室温下导带、价带有效状态密度分别为319/108.0cm N Ce ⨯=、319/100.1cm N Vh ⨯=，硅的本征载流子浓度为310/105.1cm n i ⨯=4.已知硅半导体的电子和空穴迁移率分别为s V cm n ⋅=/13502μ和s V cm p ⋅=/4802μ，问在室温下为了把电阻率为cm ⋅Ω2.0的p 型硅片变成:1)电阻率为cm ⋅Ω1.0的p 型硅片2)电阻率为cm ⋅Ω1.0的n 型硅片各需要掺入何种类型杂质,其密度是多少?5.已知室温下(27℃)硅半导体本征载流子浓度310/105.1cm n i ⨯=，电子和空穴的迁移率分别为s V cm n ⋅=21350μ和s V cm p ⋅=2480μ；分别对掺有下列杂质的三个硅样品判断导电类型，并计算室温下的载流子浓度和电阻率：（1）3⨯1015cm -3的磷（2）1.3⨯1016cm -3的硼和1.0⨯1016cm -3的磷（3）1.3⨯1016cm -3的磷、2.3⨯1016cm -3的硼和3.1⨯1017cm -3的砷（4）讨论在上述(1)、(3)情况下，当温度为350℃时的电子和空穴浓度为多少？并求出相应电阻率。

一、名词解释：
牛顿流体比热容粘性系数静态疲劳动态疲劳声子格波介电强度
电导率载流子迁移率色散离子电导和电子电导本征电导和杂质电导光电效应介质损耗
二、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
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BaTiO
晶体为例，简要说明热运动引起的自发极化。

3
6. 什么是滑移系统？举例说明
7. 影响粘度的因素有哪些？
8. 假定硬度特征和塑性及键强度有关，你预期SiC的六边形立体比立方变体硬还是软？为什么？
9. 试用弹簧加粘壶的模型解释高分子的松弛时间（画出模型图、写出表达式）
1. 简述固体材料热膨胀的物理本质
2. 简述导热系数与导温系数的物理含义
3. 试分析材料导热机理。

金属、陶瓷和透明材料的导热机制有何区别？
4. 试述频率、温度、湿度等因素对介质损耗的影响
5. 影响材料击穿强度的因素有哪些？
1.介质结构不均匀；
2.材料中有气泡；
3.材料表面状态及边缘电场；
4.固体表面击穿电压常低于没有固体介质时的空气击穿电压。

6. 为什么金属的电阻温度系数为正的？
7. 讨论动态磁化过程中，磁损耗与频率的关系。

材料物理性能习题与解答材料的热学性能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*10-3*298—26.68*105/2982=87.55+4.46-30。

04=61.97 *4。

18J/mol.K（2） 当T=1273K,Cp=a+bT+cT -2=87。

55+14.96＊10-3*1293—26.68＊105/12732=87.55+19。

34-1。

65=105.24*4。

18J/mol 。

K=438.9 J/mol 。

K据杜隆—珀替定律：（3Al 2O 3.2SiO 4)Cp=21*24。

94=523。

74 J/mol.K2—2 康宁1723玻璃（硅酸铝玻璃）具有下列性能参数：λ=0.021J/(cm.s.℃）； α=4。

6＊10-6/℃;σp=7.0Kg/mm 2.E=6700Kg/mm 2，μ=0.25。

求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(-= =66610*8.9*6700*10*6.475.0*10*8.9*7-=170℃ 第二冲击断裂抵抗因子：E R f αμλσ)1(-='=170＊0.021=3.57 J/(cm 。

s)2-6 NaCl 和KCl 具有相同的晶体结构,它们在低温下的Debye 温度θD 分别为310K 和230K ，KCl 在5K 的定容摩尔热容为3。

8＊10-2J/(K 。

mol ）,试计算NaCl 在5K 和KCl 在2K 的定容摩尔热容。

2-7 证明固体材料的热膨胀系数不因为含均匀分散的气孔而改变.3 材料的光学性能3—1．一入射光以较小的入射角i 和折射角r 通过一透明明玻璃板,若玻璃对光的衰减可忽略不计，试证明明透过后的光强为（1-m)2解：ri n sin sin 21=W = W’ + W'’ m WW W W m n n W W -=-=∴=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=1'1"11'22121其折射光又从玻璃与空气的另一界面射入空气则()21'"1"'"m W W m W W -=∴-= 3-2 光通过一块厚度为1mm 的透明Al 2O 3板后强度降低了15％,试计算其吸收和散射系数的总和。

名词解释:1. 应力：材料单位面积上所受的附加内力，其值等于单位面积上所受的外力。

б=F/A P62. 应变：用来表征材料受力是内部个质点之间的相对位移。

P73. 塑性形变：是指在超过材料的屈服应力作用下产生形变，外应力移去后不能恢复的形变。

P164.滞弹性：在弹性范围内，应变落后于应力的行为称为滞弹性(弹性模量依赖时间的现象。

) P225,.蠕变：是在恒定的应力σ作用下材料的应变随时间而逐渐增大的现象。

P266.热容：材料温度每升高1K时所需要的热量称为材料的热容 P647.弛豫：原子核从激发的状态回复到平衡排列状态的过程叫弛豫过程。

P258.延展性：材料经受塑性形变而不破坏的能力叫延展性 P169.双折射：当光束通过各异性介质表面时，折射光会分成两束沿着不同方向传播，这种由一束入射光折射后分成两束光的现象称为双折射。

P10710.色散：材料的折射率随入射光的波长而变化的现象称为光的色散 P10911.全反射：指光由光密介质射到光疏介质的界面时，全部被反射回原介质内的现象。

12.散射：光通过气体、液体、固体等介质时，遇到烟尘、为零或结构成分不均匀的微小区域，都有一部分能量偏离原来的传播方向而向四面八方弥散开来的现象13. 折射：光从一种透明介质射入另一种透明介质时，传播方向一般会发生变化，这种现象叫光的折射填空题：1. .固体材料热容的两个经验规律答：①杜隆—珀替定律——元素的热容定律：恒压下元素的原子热容等于25J／(K·mol)②柯普定律——化合物热容定律：化合物分子热容等于构成此化合物各元素原子热容之和。

2. 抗热震性（热稳定性）的两种类型：抗热震断裂性和抗热震损伤性3. 塑性形变的两种形式：滑移和孪晶 P174. 晶体的滑动总是发生在主要晶面和主要晶相上 P175.位错也是一种缺陷实际晶体的滑移是位错运动的结构 P196.位错在垂直滑移面上的运动称为位错的攀移运动 P287.蠕变的三种理论：位错蠕变理论、扩散蠕变理论、晶界蠕变理论 P288. 无机材料弹性模量的因素：1.原子结构的影响2温度的影响3.相变的影响。

材料物理性能试题1从物理本质上叙述晶体中电子能量结构的导带、价带和禁带产生的原因，并利用能带理论的初步知识说明材料的一些物理性质(举一例即可)2 表征超导体性能的三个主要指标是什么?目前氧化物超导体应用的主要弱点是什么?答：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。

三个基本临界参量是超导体的临界转变温度Tc ，临界磁场强度Bc ，临界电流密度。

主要弱点是临界电流密度低。

3 铂线300 K 时电阻率为1×10-7Ω·m ，假设铂线成分为理想纯。

试求1000 K 时的电阻率。

T 0772*******(1)1+T 1+T 5110 2.27101+1+ 2.2T m T T ρραρααρρραα--=+=⇒==⨯⨯=⨯Ω解：4 试说明压电体、热释电体、铁电体各自在晶体结构上的特点。

压电晶体的结构是不具有对称中心。

铁电晶体也具有压电性，它的晶体结构也不具有对称中心；铁电体一定是离子性晶体，是具有自发极化的一种压电体，但并不是所有的压电体都是铁电体。

热释电体也是一种压电体，晶体结构同样不具有对称中心；温度变化可以引起极化强度改变，但不一定所有的压电体都是热释电体，有的铁电体也是热释电体。

总之，压电体、铁电体和热释电体都是不具有对称中心的晶体。

5 工厂中发生“混料”现象。

假如某钢的淬火试样，又经不同回火后混在一起了。

可用何法将每个不同温度回火、淬火试样区分开来（不能损伤试样）。

答：磁性能分析：淬火钢在回火过程中，马氏体和残余奥氏体都要发生分解而引起饱和磁化强度的变化。

在回火过程中残余奥氏体分解的产物都是铁磁相，会引起饱和磁化强度的升高，而马氏体分解析出的碳化物是弱铁磁相，会引起饱和磁化强度的降低。

回火第一阶段（20～200℃），从马氏体中析出了碳化物，饱和磁化强度较淬火态低；回火第二阶段（200～300℃），残余奥氏体分解的回火贝氏体是强铁磁相，引起饱和磁化强度的剧烈升高，超出了θ相和γ相由于临近居里点造成的饱和磁化强度下降；回火第三阶段（300～350℃），θ相和γ相转变为顺磁相，饱和磁化强度降低；回火第四阶段（350～500℃），由于γ相与铁作用生成Fe3C ，饱和磁化强度较淬火态低。