2009年试题
1.一外受张应力载荷力500MPa的无机材料薄板(长15cm，宽10cm，厚0.1mm)，
其中心部位有一裂纹(C=20μm)。该材料的弹性模量为300GPa，(1Pa=1N/m2)断裂能为15J/m2(1J=1Nm)。
(Y=√π)
a)计算该裂纹尖端应力强度因子K
I
K I=yδ√C=√π×500×106×√20×10−6=3.96Mpa·√m
b)判断该材料是否安全？
K IC=√2Eγf=√2×300×109×15=3Mpa∙√m ,可知K I>K IC，即材料的裂纹尖端应力强度应子超过了材料的临界断裂应子，则材料不安全。
2.测定陶瓷材料的断裂韧性常用的方法有几种？并说明它们的优缺点。
答：
3.写出断裂强度和断裂韧性的定义，二者的区别和联系。
答：
4.写出无机材料的增韧原理。
答：增韧原理：一是在裂纹扩展过程中使之产生有其他能量消耗机构，从而使外加负载的一部分或大部分能量消耗掉，而不致集中于裂纹扩展上；二是在陶瓷体中设置能阻碍裂纹扩展的物质场合，使裂纹不能再进一步扩展。
根据断裂力学，抗弯强度δf=√2Eγf
，断裂韧性K IC=√2Eγf，可以看出要
C
提高陶瓷材料强度，必须提高断裂表面能和弹性模量以及减小裂纹尺寸；要提高断裂韧性，必须提高断裂表面能和弹性模量。
5.试比较以下材料的热导率，并按大小顺序排列，说明理由。氮化硅(Si3N4)
陶瓷、氧化镁(MgO)陶瓷、镁橄榄石(2MgO·SiO2)、纯银(Ag)、镍铬合金(NiCr)。答：热导率大小顺序：纯银>镍铬合金>氮化硅>氧化镁>镁橄榄石
理由：1)一般金属的热导率比非金属的热导率高，这是由于金属中存在大量的自由电子，电子质量轻，平均自由程很大，故可以快速的实现热传导；而非金属主要是通过声子来进行热传导的，声子的平均自由程要比自由电子的小很多，自由电子的热传导速率是声子的20倍，故纯银和镍铬合金的热导率高。2)单质的热导率要比混合物质的热导率高，故纯银大于镍铬合金。3)固溶体的热导率要比纯物质的小，故镁橄榄石的热导率小于氮化硅和氧化镁。4)共价键强的晶体热导率高，故氮化硅的热导率强于氧化镁。
6.对于组成范围为0-50%K2O，100-50%SiO2的玻璃，推断其膨胀系数的变化，
试通过玻璃的结构来解释所得的结果。
答：石英玻璃是硅氧四面体为结构单元的三维空间网络所组成，Si-O键的键强较
大，所以石英玻璃具有很小热膨胀系数，如果在熔融石英玻璃中加入K2O，桥氧变成非桥氧，随着K2O的增多，硅氧网络断裂增多，使玻璃结构减弱，疏松，热膨胀系数增大；且随着K2O量的增多，硅氧键被破坏的越来越多，键强越弱，膨胀系数越大。(碱金属和碱土金属的加入破坏玻璃网络，玻璃硅氧键断裂，键强下降，玻璃膨胀系数增大，而且膨胀系数随加入正离子与氧之间键力的减小（键长的增大）而增大。而再加入参与网络构造的B2O3，Al2O3等，可以使断裂的网络重新连接起来，增强网络结构，膨胀系数会下降；但加入太多这类物质，又会使网络断裂，反而增大膨胀系数。若加入高键力离子，如Zn，Zr，Th等，处于网络间隙，增加网络紧密性，促使玻璃膨胀系数下降。)
7.为什么选择Al2O3为透明陶瓷的原料？试举出除Al2O3外的透明陶瓷材料还
有什么？为什么说透明陶瓷的透光率是材料中残留气孔率的敏感指标。
答：1)选择Al2O3为透明陶瓷的原料的原因：首先Al2O3的n
0=1.760，n
e
=1.768
使其反射系数m很小；其次散射系数是影响陶瓷材料透光率的因数，n
0与n
e
的差
别很小，使散射因数K接近于0，散射系数S也接近于0，故散射损失很小；三是Al2O3透明陶瓷还具有宽范围的透光性，0.2-7um，所以常常选择Al2O3作为透明陶瓷的原料。
2)其他透明陶瓷原料：MgO,Y2O3,ZrO2,AlON,MgAl2O4,透明铁电体PLZT。
3)气孔的影响：气孔的折射率n1可视为1，与基体材料的折射率n2相差较大，所以相对折射率n21=n2也较大，由此引起的反射损失，散射损失，较杂质、不等向晶粒排列等因数引起的损失大，气孔由于双折射率的关系，其影响程度远大于杂质。
8.纯Al2O3陶瓷材料只能耐受100℃-200℃的热冲击，请提出材料设计方案提
高致密Al2O3陶瓷的热稳定性，并从理论上说明设计是可行的。
答：提高致密Al2O3陶瓷的热稳定性的措施：
1)提高材料强度σ，减小弹性模量E，使σ /E提高。提高材料的柔韧性，能吸收较多的弹性应变能而不致开裂，因而提高了热稳定性。
2)提高材料的热导率λ，使R’提高。λ大的材料传递热量快，使材料内外温差较大的得到缓解、平衡，因而降低了短时间热应力的聚集,故热稳定性更好。
3)减小材料的热膨胀系数α。热膨胀系数小的材料，在同样的温差下，产生的热
应力小，因而提高了材料的热稳定性。
4)减小表面热传递系数 h。材料表面向外散热快，材料内外的温差变大，热应力也大，故减小散射速度，可以减小内外温差，减小热应力，提高热稳定性；保持缓慢地散热降温是提高产品质量及成品率的重要措施。
5)减小产品的有效厚度。材料或制品的厚度越薄，其传热通道就短，容易很快使温度均匀。
9.从导热机理上讨论：
A）玻璃热导率通常比同组成的晶体低；
B）金属比大多数无机非金属材料热导率高；
C）杂质的存在使晶体材料的热导率降低。
答：A)玻璃可以当作只有几个晶格间距大小的极细晶粒组成的晶体处理，它的声子的平均自由程在不同温度下基本上是常数，其值近似等于几个晶格间距，比晶体的声子平均自由程要小，所以玻璃热导率比同组成的晶体低。
B)由于金属中存在大量的自由电子，电子质量轻，平均自由程很大，故可以快速的实现热传导；而非金属主要是通过晶格振动(声子)来进行热传导的，声子的平均自由程要比自由电子的小很多，自由电子的热传导速率是声子的20倍。
C)杂质的存在使声子产生散射，从而降低了声子的平均自由程，使晶体材料的热导率降低。
