无机材料物理性能复习题

1.影响无机材料强度的因素有哪些？

答：在晶体结构既定的情况下,影响材料强度的主要因素有三个:弹性模量E,断裂功γ和裂纹尺寸C。还与其他因素有关，如：内在因素：材料的物性，如：弹性模量、热膨胀系数、导热性、断裂能；显微结构：相组成、气孔、晶界（晶相、玻璃相、微晶相）、微裂纹（长度、尖端的曲率大小）；外界因素：温度、应力、气氛环境、式样的形状大小、表面；工艺因素：原料的纯度、降温速率。

2.请对氧化铝单晶的λ-T曲线分析说明。

答：在很低温度时，主要是热容Cv对热导率λ的贡献，Cv与T^3成正比，因而λ也近似随T^3而变化。随温度升高热导率迅速增大，然而温度继续升高，平均自由程l要减小，这时热导率随温度T升高而缓慢增大，并在德拜温度θd左右趋于一定值，这时平均自由程l成了影响热容的主要因素，因而，热导率λ随温度T升高而迅速减小。在低温（40K），热导率出现极大值，在高温区，变化趋于缓和，在1600K，由于光子热导的贡献是热导率有所回升。

3.试比较石英玻璃、石英多晶体和石英单晶热导率的大小，并解释产生差异的原因。

答：石英单晶体热导率最大，其次是石英多晶体，最后是石英玻璃。原因：多晶体中晶粒尺寸小，晶界多，缺陷多，晶界处杂质也多 ，声子更易受到散射，因而它的平均自由程度小的多，所以多晶体的热导率比单晶体小。玻璃属于非晶体，在不考虑光子导热的温度下，非晶体声子的平均自由程度比晶体的平均自由程度小的多，所以非晶体的热导率小于晶体的热导率。

4..裂纹形成原因有哪些？裂纹扩展的方式有哪些？哪些措施可防止裂纹扩展？

答：裂纹形成的原因：1晶体微观结构中的缺陷受外力引起应力集中会形成裂纹2.材料表面的机械损伤与化学腐蚀形成表面裂纹3.热应力形成裂纹4.由于晶体的各向异性引起

扩展方式：张开型，划开型，撕开型

阻止裂纹的扩展：1.作用力不超过临界应力2.加入吸收能量的机构3.在材料中造成大量极细微的裂纹。

5.热压Al2O3（晶粒尺寸小于1m，气孔率约为0）、烧结Al2O3（晶粒尺寸约15m，气孔率约为1.3%）以及Al2O3单晶（气孔率为0）等三种材料中，哪一种强度最高？哪一种强度最低？为什么？

答：强度最高的是Al2O3单晶，强度最低的是烧结Al2O3。因为晶粒越小，强度越高；气孔率的增加也会降低强度，根据这可以初步判断它们的强度大小。

6.简述固体材料热容的两个经验规律的内容。

答：①元素的热容定律——杜隆—珀替定律：恒压下元素的原子热容等于25J／(K·mol)

②化合物热容定律——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 。

7.举例说明预加应力可以提高无机材料强度的原因。(微晶、高密度与高纯度，预加应力，化学强度，陶瓷材料的增韧)

答：如制造安全玻璃（钢化玻璃），将玻璃加热到转变温度以上但低于熔点，然后淬冷，表面立即冷却变成刚性的，而内部仍处于软化状态，不存在应力。在以后继续冷却中，内部将比表面以更大的速率收缩，此时是表面受力，内部受拉，结果在表面形成残留压应力。此过程便提高了玻璃的强度。

8.写出 Einstein 与 Debye 热容量理论各自的假设条件, 以及在两个温度极端( T >> 0 和 T → 0 ) 时摩尔热容量 Cv 与温度 T 的关系式。

答：爱因斯坦假设：每个原子都是独立的振子，原子间彼此无关，每个振子震动的角频率相同。德拜模型假设：晶体对热容的贡献主要是弹性波的震动，即波长较长的声频支在低温下的震动。爱因斯坦模型：当温度很高时，Cv=3Nk；当温度很低时，Cv=3Nk(θe/T)^2*e^(-θe/T)。德拜模型：当温度很高时，Cv=3Nk，当温度很低时，Cv=12Π^4Nk/5*(T/θd)^3,CV与T3成正比并趋于0.

9.材料高温蠕变曲张规律如何？

答：1. 弹性形变阶段 起始段，在外力作用下，发生瞬时弹性形变，即应力和应变同步。2.第一阶段蠕变（蠕变减速阶段或过渡阶段）其特点是应变速率随时间递减，持续时间较短。3.第二阶段蠕变—稳定蠕变 此阶段的形变速率最小，且恒定，也为稳定态蠕变。4.第三阶段蠕变（加速蠕变）此阶段是断裂即将来临之前的最后一个阶段。特点：曲线较陡，说明蠕变速率随时间增加而快速增加。

10．晶体产生滑移的条件是什么？

答：1.有于晶面指数小的面，原子的面密度大，因此面间距越大，原子间作用力越小，易产生相对滑动；2.柏氏矢量小；3.静电因素，同号离子存在巨大斥力的影响。晶体的滑动总是发生在主要晶面和主要晶向上。

11. 影响无机材料热导率的因素有哪些？ 答：1.温度2.化学组成的影响3.显微结构

12. 影响无机材料弹性模量的因素有哪些？ 答：1.原子结构的影响2温度3.相变的影响。

13. 什么是材料的乳浊？如何选择乳浊剂？

答：本应是透明的，但由于各种原因或认为造成的不透明称为乳浊。考虑乳浊剂与釉玻璃折射率的差值、乳浊剂在釉中的溶解和析晶情况、乳浊剂受釉烧条件的影响等。选择的目的在于挑选乳浊剂懂得种类，确定乳浊剂的用量。

14. 弹性散射的种类有哪些？ 答：1.延德尔散射2.米氏散射3.瑞利散射。

15. 载流子的种类有哪些？什么是本征半导体？什么是杂质半导体？举例说明掺后半导体导电能力提高的原因。

答：金属导体中的载流子是自由电子，无机材料中的载流子可以是电子（负电子e`、电子空穴h·）、离子（正电子、负电子、空位）。载流子只有半导体晶格本身提供是本征半导体。掺入杂质的本征半导体是杂质半导体。在半导体中渗入杂质后，多出电子（如在四价的Si单晶中掺入五价的砷后，砷原子外层有5个电子，其中4个同邻的4个Si原子形成共价后，多余一个电子）这个多余的电子能级离导带很近，比起满带中的电子容易激发，从而导电能力提高。

16. 什么是双折射现象？

答：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。

17. 影响无机材料热膨胀系数大小的因素有哪些？

答：1.与温度、热容有关2.与结合能、熔点有关3.和材料结构有关，包括结构致密程度、相变。(选择釉的膨胀系数适当的小于胚体的膨胀系数)

18. 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

应变，用来表征材料受力是内部个质点之间的相对位移。

滞弹性：弹性模量依赖时间的现象。

影响蠕变的因素：温度、应力、晶体的组成、显微结构（气孔率、晶粒尺寸、玻璃相）怎样分析？

当光束通过介质时，一部分光的能量被材料所吸收，其强度将被减弱，即为光吸收；材料的折射率岁入射光的波长而变化，这种现象称为光的色散。 电子电导的特征：霍尔效应 提高半透明性的主要方法是增加玻璃含量，减少莫来石的量，提高长石对黏土的比例。

19.材料的实际强度比理论低的原因？

因为理论强度计算的是理想晶体，而实际的金属或合金材料是非理想晶体，有各种各样的缺陷，这些缺陷降低了材料的强度，如点缺陷：空位、间隙原子、置换原子，线缺陷如螺位错、刃位错、混合位错、不全位错等，面缺陷如晶界、亚晶界，体缺陷如非金属夹杂物、硅酸盐、氧化物、氮化物、第二相等，都使材料的强度降低，如果制作没有缺陷的晶体如须晶就已经达到其理论强度了。

电子电导率的影响因素：温度的影响、杂质及缺陷的影响包括杂质缺陷、组分缺陷（阳离子空位、阴离子空位、间隙离子）离子导电率的影响因素：温度的影响、离子性质及晶体结构的影响、晶格缺陷。

光通过固体现象：电子极化、电子能态转变

18.（补充）请解释晴天早晨的太阳为何呈红色而中午却变成白色。

当散射中心的限度远小于入射光的波长时发生的散射称为瑞利散射，此时散射强度与波长的四次方成反比，即微小粒子对长波的散射不如短波有效。 由于大气及尘埃对光谱上蓝紫色的散射比红橙色强，一天内不同时刻阳光到达观察者所通过的大气层厚度不同：阳光透过大气层越厚，蓝紫色成分损失越多，因此到达观察者的阳光中蓝紫色的比例就越少，呈现红色。

早晨起来的时候，我们看到的太阳光是斜入射，阳光要穿透很厚的大气层，使得蓝紫光被大量地散射，但是红光因为散射程度不如蓝紫光多(瑞利散射)，所以保留了下来。

中午的时候太阳光直射，红光和蓝紫光被散射的差距不是太大，所以基本上是白色。

5.电流是电荷的定向移动，电荷的载体成为载流子。载流子可以是电子、空穴、离子。

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 б真应力=F/A=4500/Π/(2.4/2*10^-3)^2=9.95*10^8Pa б名义应力=F/A=4500/Π/(2.5/2*10^-3)^2=9.17*10^8Pa

受拉力后长度l=V/s=Π*(2.5/2)^2*25/Π/(2.4/2)^2=27.1cm ε真应变=Ln27.1/25=0.081 ε名义应变=ΔL/Lo=0.084 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Al2O3 (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E1=380GPa,E2=84GPa,V1=0.95,V2=0.05。则有

)(2.36505.08495.03802211GPaVEVEEH上限弹性模量)(1.323)8405.038095.0()(112211GPaEVEVEL下限弹性模量

当该陶瓷含有5%的气孔时，将P=0.05代入经验计算公式E=E0(1-1.9P+0.39P2)可得，其上、下限弹性模量分别变为330.9 GPa和292.7 GPa。

1-11一圆柱形Al2O3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。

解：

1-18 融熔石英玻璃的性能参数为：E=73 Gpa；γ=1.56 J/m2；理论强度σth=28 Gpa。如材料中存在最大长度为2μm的内裂，且此内裂垂直于作用力方向，计算由此导致的强度折减系数。

2c=2μm c=1*10-6m

cEc2=GPa269.010*1*14.356.1*10*73*269 强度折减系数=1-0.269/28=0.99

1-20 一陶瓷三点弯曲试件，在受拉面上于跨度中间有一竖向切口如图。如果E=380 Gpa，μ=0.24，求KIc值，设极限荷载达50Kg。计算此材料的断裂表面能。

解 c/W=0.1, Pc=50*9.8N ,B=10, W=10，S=40 代入下式：