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?10-3?298-26.68?105/2982
=87.55+4.46-30.04
=61.97?4.18J/mol ?K=259.0346J/mol ?K
（2） 当T=1273K ，Cp=a+bT+cT -2=87.55+14.96?10-3?1273-26.68?105/12732
=87.55+19.04-1.65
=104.94?4.18J/mol ?K=438.65 J/mol ?K
据杜隆-珀替定律：(3Al 2O 3?2SiO 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=4.6?10?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(-==66679.8100.75
4.61067009.810
-???????=170℃ 第二冲击断裂抵抗因子：E
R f αμλσ)1(-='=170?0.021=3.57 J/(cm ?s)
2-3一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 2?s ?℃)，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
陷中将一个原子从晶格内移到晶体表面的能量0.48s E eV =，求在0℃产生的缺陷
比例（即
N
n
）是多少？ 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 -,
,!
ln ln[
]
()!!
[ln !ln()!ln !]
ln !ln ,[ln ()ln()ln ]
()0ln
0exp(),T P S N S K W K N n n F E T S E KT N N n n N N N N N F E KT N N N n N n n n F
n n
N n n E
E KT n N n KT
n n N n N ?==-??=?-?=?----=-?=?-----??=?-?-=?=---≈解：当很大时，将上式整理得平衡时，自由能具有最小值，由于热缺陷引起的自由焓的变化当不大时，则199
230.48 1.610exp() 1.4210
1.3810273.15
N ---??=-=???
2-5在室温中kT=0.024eV ，有一比费米能级高0.24eV 的状态，采用玻尔兹曼统计
分布函数计算时，相对于费米-狄拉克统计分布函数计算的误差有多少？
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 时的定容摩尔热容。
43
32311
332211
3
012()522 3.810 2.431052305 3.810 1.5510310h
V D
h V
h V
T T C Nk KCl C K J mol K
NaCl C K J mol K πθ--------→≈=??=???=??=???根据德拜模型的热容量理论，当温度很低（）时有:
对于有，（）对于有，（）
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。
/()/()/()/()/()/333
111
11
1
1
1
6.73810 6.693100.00670.67%6.69310
F F F F F E kT E E kT
E E kT E E kT
E E kT E E kT Boltzman f A e e f e e e e ---------=?=
-=
+-
++?-?===?根据分布有同时费米狄拉克统计分布函数为因而相对误差为
//0i
i
i i
V
i
i
i
i V l K W K W W αραρ
αα=
≈∑∑对于复合材料有由于空气组分的质量分数，所以气孔不影响，也不影响。
2-8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3mm ，声速500m/s ，密度为4000kg/m 3，德拜温度为1000K 。
329
2323
3291023328
2
11
2
43102/400010 4.2410
6.02104() 4.2410 4.331032
6.021******* 2.3610101 5.0910212()9.7/(5)
511
33
s h v A D h h t v s s Al O V d
d m
n m d n T
C Nk J K mol N N k C V πλππθλ----?==??=?∴=????==?==?==?===解
一个分子的体积为假设分子为球形，则分子数密度1189.7500 5.09108.2310/..J m s k
--????=?
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：r
i
n sin sin 21=
W = W' + W''m W
W W W m n n W W -=-=∴=???? ??+-=1'1"11'2
2121 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。
解:
1
1.0)()(0
)(0625.185.0ln 1085.0-?+-+-+-=-=+∴=∴=∴
=cm s e e I I
e I I s x s x s αααα
3-3 有一材料的吸收系数α=0.32cm -1，透明光强分别为入射的10%，20%，50%及80%时，材料的厚度各为多少？
解:
cm
X cm X cm X cm X I I xx I I e e I I x x 697.032
.08.0ln 17.232.05
.0ln ,03.532.02.0ln ,2.732.01.0ln ln 43210
0=-==-==-==-=
∴=-∴=∴=--ααα
3-4一玻璃对水银灯蓝、绿谱线λ=4358A 和5461A 的折射率分别为1.6525和1.6245，用此数据定出柯西Cauchy 近似经验公式2
λ
B
A n +
=的常数A 和B ，然后计算对钠
黄线λ=5893A 的折射率n 及色散率dn/dλ值。
解：
5
322
6
6
222
10431.12)'(:6176.15893
104643.15754.158********.15754
.154616245.143586525.1---?-=-===?+==????==∴???
????
+
=+=+
=λλλ
λλB B d dn n B A B A B A B
A n 色散率时
3-5．摄影者知道用橙黄滤色镜拍摄天空时，可增加蓝天和白云的对比，若相机镜头和胶卷底片的灵敏度将光谱范围限制在3900-6200A 之间，并反太阳光谱在此范围内视成常数，当色镜把波长在5500A 以后的光全部吸收时，天空的散射光波被它去掉百分之几呢？[瑞利Rayleugh 定律认为：散射光强与λ4成反比]
解：
%3.1462001
3900162001
5500111
3
333620039004
6200
55004
=--=??dx dx
λλ
3-6．设一个两能级系统的能级差eV E E 01.012=-
（1）分别求出T=102K ，103K ，105K ，108K 时粒子数之比值N 2/N 1 （2）N 2=N 1的状态相当于多高的温度？
（3）粒子数发生反转的状态相当于臬的温度？
解： 1）
999999884
.0,9194.0,8905.0,3134.0:01.01
201.01
2121
2
1
2的值分别为代入即可求出分别将N N
T e
N N
ev E E e N N kT
ev kT
E E ---=∴=-=
2）
8
01.001.01
21210,1→∴=∴==--T T e
e N N
N N kT
ev kT
ev 即为所求所得的时当度的状态相当于多高的温
3）已知当12N N >时粒子数会反转，所以当101.0>-kT
ev e 时，求得T<0K ，所以无法通过改变
温度来实现粒子反转
3-7．一光纤的芯子折射率n 1=1.62，包层折射率n 2=1.52，试计算光发生全反射的临界角θc.
解：
8.69218.162.152.1sin sin 1121==??? ??=?
??
?
??=--n n c θ
4材料的电导性能
4-1 实验测出离子型电导体的电导率与温度的相关数据，经数学回归分析得出关系式为：
T
B
A 1lg +=σ (1) 试求在测量温度范围内的电导活化能表达式。 (2) 若给定T 1=500K ，ζ1=10-9（1
).-Ωcm
T 2=1000K ，ζ2=10-6（1).-Ωcm
计算电导活化能的值。 解：（1）)/(10T B A +=σ
10ln )/(ln T B A +=σ
10ln )/(T B A e +=σ=)/.10(ln 10ln T B A e e =)/(1kT W e A -
W=k B ..10ln - 式中k=)/(10*84.04
K eV -
（2）500/10
lg 9
B A +=-
1000/10lg 6B A +=-
B=-3000
W=-ln10.(-3)?0.86?10-4?500=5.94?10-4?500=0.594eV
4-2. 根据缺陷化学原理推导 （1）ZnO 电导率与氧分压的关系。
（2）在具有阴离子空位TiO 2-x 非化学计量化合物中，其电导率与氧分压的关系。
（3）在具有阳离子空位Fe 1-x O 非化学计量化合物中，其电导率与氧分压的关系。
（4）讨论添加Al 2O 3对NiO 电导率的影响。
解：（1）间隙离子型：22
1
2O e Zn ZnO i +'+???[]6
/12
-∝'O P e
或22
1O e Zn ZnO i +'+??[]4
/12-∝'O P e
（2）阴离子空位TiO 2-x ：e Vo O Oo '++?
??22
1
2[]6/12
-∝'O P e （3）具有阳离子空位Fe 1-x O ：?+"+?h V Oo O Fe 22
1
2[]
6
/12O P h ∝?
（4）添加Al 2O 3对NiO ：
Oo V Al O Al i N i N 3232+"
+→?
添加Al 2O 3对NiO 后形成阳离子空位多，提高了电导率。
4-3本征半导体中，从价带激发至导带的电子和价带产生的空穴参与电导。激发的电子数n 可近似表示为：
)2/exp(kT E N n g -=
式中N 为状态密度，k 为波尔兹曼常数，T 为绝对温度。试回答以下问题： （1）设N=1023cm -3，k=8.6”*10-5eV .K -1时，Si(Eg=1.1eV)，TiO 2(Eg=3.0eV)在室温（20℃）和500℃时所激发的电子数（cm -3）各是多少：
（2）半导体的电导率ζ（Ω-1.cm -1）可表示为 μσne =
式中n 为载流子浓度（cm -3），e 为载流子电荷（电荷1.6*10-19C ），μ为迁移率（cm 2.V -1.s -1
）当电子（e ）和空穴（h ）同时为载流子时，
h h e e e n e n μμσ+=
假定Si 的迁移率μe =1450（cm 2.V -1.s -1），μh =500（cm 2.V -1.s -1），且不随温度变化。求Si 在室温（20℃）和500℃时的电导率
解：（1） Si
20℃)298*10*6.8*2/(1.1exp(10
523
--=n
=1023*e -21.83=3.32*1013cm -3 500℃)773*10*6.8*2/(1.1exp(10
523
--=n
=1023*e -8=2.55*1019 cm -3 TiO 2
20℃)298*10*6.8*2/(0.3exp(10
523
--=n
=1.4*10-3 cm -3
500℃)773*10*6.8*2/(0.3exp(10
523
--=n
=1.6*1013 cm -3
(2) 20 ℃h h e e e n e n μμσ+=
=3.32*1013*1.6*10-19(1450+500) =1.03*10-2（Ω-1.cm -1） 500℃h h e e e n e n μμσ+=
=2.55*1019*1.6*10-19(1450+500) =7956 （Ω-1.cm -1）
4-5一块n 型硅半导体，其施主浓度3
15
/10cm N D =，本征费米能级E i 在禁带正中，费米能级E F 在E i 之上0.29eV 处，设施主电离能eV E D 05.0=?.试计算在T=300K 时施主能级上的电子浓度
4-6 一块n 型硅材料，掺有施主浓度315/105.1cm N D
?=，在室温（T=300K ）
时本征载流浓度3
12
/103.1cm n i ?=，求此时该块半导体的多数载流子浓度和少数载
流子浓度。
1530293
0 1.510/()1.1310/()D i D i D n N cm n N n p cm N ?==????∴?==??? 解：
多子；
少子。
4-7 一硅半导体含有施主杂质浓度315/109cm N D ?=和受主杂质浓度
1631.110/A N cm =?，求在T=300K 时（310/103.1cm n i ?=）的电子空穴浓度以及费
米载流子浓度。
3
1123
19
15
/)(/1006.4)3001038.1106.122.0exp(21110211)(22.005.029.02
12
.1)(,12.1cm e N E f N n eV E E E E E E E E E E E E eV E Si kT E E D D D D F D i F D i c F D D c D g F D ?=????+=+=?==-=
-∴--?--=--=?=---的查解：
E C
0.29eV
0.05eV E D E F E i
E V
E g =1.12eV
1615153
2102431519315320, 1.110910210/(1.310)8.4510/210ln 1.010/210/3.53100.22D A A D i V
F V A V A F V N N P N T p N N cm n n cm p N
P E E kT N N cm N cm E E J eV
-?∴∴?=-=?-?=?????===????
-=??-=?= 解：
补偿后型半导体
又较少且在室温，杂质几乎完全电离对于型半导体，有取，取代入可得
4-8 设锗中施主杂质的电离能eV E D 01.0=?，在室温下导带底有效状态密度
319/1004.1cm N c ?=，若以施主杂质电离90%作为电离的标准，试计算在室温
（T=300K ）时保持杂质饱和电离的施主杂质浓度范围。 0/1/2
183
183281(
)0.9 1.3210/1.3210/D D
D E kT D C
D D D D N n n N e N n N N cm N cm +
?+==
+?≥?????解：
低温区，忽略本征激发，仅考虑杂质电离有令则有时可保持强电离。
4-9 设硅中施主杂质电离能eV E D 04.0=?，施主杂质浓度3
16/10cm N D =，以施主杂质电离90%作为达到强电离的最低标准，试计算保持饱和杂质电离的温度范围。
0000003/20,exp()111exp()
22exp()ln 2(
)exp(/),_2()exp(/)_,_2(2)/1)()D D F
D D F D F
D D D
F c c
D D D D D D c c
D D c dn D N
E E n E E k T k T
E E n N k T
N E E k T N N N
n N E k T D E k T N N n D N D N m kT E k T π-=
->>-+--=-
∴=+∴≈?=?∴≈=?= 解：当时
杂质饱和电离代入上式令为未电离的施主杂质占总数的百分比将代入
（3/2
03
(2)_(3/2)ln ln()125dn D k m D T T K
N π+∴≈
4-10 300K 时，锗的本征电阻率为47Ω?cm ，如电子空求本征锗的载流子浓度分别为39002/cm V s ?和19002/cm V s ?.求本征锗的载流子浓度.
133
191
()1
1 2.2910/()
47 1.610(39001900)
i i n p i
i i n p n q n cm
q σμμρρμμ-==+∴=
=
=?+???+ 解：
4-11本征硅在室温时电子和空穴迁移分别为1350s V cm ./2和500s V cm ./2，当掺入百万分之一的As 后，设杂质全部电离，试计算其电导率.比本征硅的电导率增大了多少倍?
103
1019611
223163
16191166
300 1.310/() 1.310 1.610(1350500) 3.8510510/,510/510 1.610135010.810.8/3.8510 2.810i i i n p i D n D n n i
K Si n cm n q cm Si N cm n cm n q cm σμμσμσ
σ--------=?=+=????+=?Ω?=?=?≈=????=Ω?∴=?=? 解：
时的又本征的密度则
4-12在500g 的硅单晶中掺有4.5?10-5g 的硼，设杂质全部电离，求该材料的电阻率(设s V cm P
./4002=μ)，硅单密度为3/33.2cm g ，硼的原子量为10.8).
5231631619
4.510500
6.0210/() 1.1710/10.8 2.3311
1.341.1710 1.610400
A p p N cm cm pq ρμ--?≈=??=?∴===Ω????? 解：
4-13 设电子迁移率为20.1/cm V S ?，硅的电子有效质量026.0m m cn =，如加以强度
为104V/m 的电场，试求平均自由时间和平均自由程。
31
1319
413100.10.269.110 1.48101.610
0.110 1.4810 1.4810n n n n n n s d n n n q m s m q E m
τμμτλυτμτ*
--*---???=∴===??=?=??=???=? 解：
4-14
一截面为
0.6cm 2，长为
1cm
的
n
型
GaAs
样品，设
21538000/,10n cm V s n cm μ=?=，试求该样品的电阻。
1519
111
0.78110 1.6108000
10.781 1.30.6
n cm nq l R S ρσμρ-=
=
==Ω????=?=?=Ω
解：
4-15分别计算有下列杂质的硅，在室温时的载流子浓度和电阻率； （1）15103?硼原子/cm 3
（2）16103.1?硼原子/cm 3+16100.1?磷原子/cm 3
（3）16103.1?磷原子/cm 3+16100.1?硼原子/cm 3+17100.1?砷原子/cm 3
153211
11519116161631161911617(1),310/480()(310 1.610480) 4.34(2) 1.310 1.0100.310/()(0.310 1.610480) 4.34(3) 1.310110i A A p A D n n p N cm cm V s pq cm p N N cm pq cm n μρμρμ--------??∴≈=?=??∴==????=Ω?=-=?-?=?∴==????=Ω?=?+? 解：
又查得16163211
1161911.01010.310/1350()(10.310 1.6101350)0.045n cm cm V s pq cm
μρμ------?=?=??∴==????=Ω? 又
4-16（1）证明,P n μμ≠且电子浓度/i P n n n μμ=，空穴浓度/i P n p n μμ=时，
材料的电导率ζ最小，并求出ζmin 的表达式。
（2）试求300K 时，InSb 的最小电导率和最大电导率，什么导电类型的材料电阻率可达最大？
（T=300K 时，InSb 的22163
7.8/,780/, 1.610/n p i m V s cm V s n cm μμ=?=?=?）。
222
222222min min (1)(/,/)00/0/00.//2(2)2i i p n i n p i i n p n p n p
i n p i p n
i n p
i p n i n p i p n
n np n n p n n n nq pq nq q q pq n p n d q q n n dn n d p n dp
d d n n p n dn dp n q μμμμσμμμμμμσ
μμμμσμμσσ
μμμμσσμμσ===∴=+=+=+=?-=?==?=??∴====? 解：
证：由题中可知令令又，当及时，有最小值。
且161911
max min
max 1.610 1.6107800078039.941
0.025n p cm cm
P ρσμμρ---?????=Ω?=
=Ω??∴ 又型半导体的为最大。
4-17假定硅中电子的平均动能为T k 02
3，试求室外温时电子热运动的均方根速度，如将硅臵于10V/cm 的电场中，证明电子的平均漂移速度小于热运动速度，设电子迁移率为1500cm 2/V ?S 。如仍设迁移率为上述数值，计算电场为104V/cm 时的平均漂移速度，并与热运动速度作一比较，这时电子的实际平均漂移速度和迁移率为多少？
20235171
03141()4471()1322
33 1.38110300 2.2910 2.29100.269.110
10/150010 1.51010/'150010 1.510,4432n d d d d n m k T k T m s cm s m E V cm E cm s E V cm cm s ql m kT υυυμυυυυυμπ*---*---*=???===??=????==?=?=??∴??==?=??≈== 热热漂热漂热
解：
时，时，强场时2342
31
211211
471
32()
4323
23
2 1.38110300
4410100.269.1100.24882488248810 2.48810n n n n d n m kT
q E qE m kT
q kT m E m m v s cm v s E cm s πτμτπτππμυμ*
*-**
------?=
???==
=????=??=??==?=??
4-18轻掺杂的硅样品在室外温下，外加电压使电子的漂移速度是它的热运动速度的十分之一，一个电子由于漂移而通过1μm 区域中的平均碰撞次数和此时加在这个区域的电压为多少？ 23261
31
44
116
101
11313 1.3811030010 2.29101010100.269.1101 1.0101.010 4.363102.2910
1
2.29102.2d n d d d n
d n kT cm s m l m cm
l
s P s m E q m l U E l q υυμτυτ
υυμτ
υτ--*-----*
*???===?=????==??===??=
=??==?
??=?==热解：
平均自由程平均自由时间平均碰撞次数电场强度电压4316
41911
9100.269.110107.761101.610 4.36310
V -----?????=????
5 材料的介电性能
6-1 金红石（TiO 2）的介电常数是100，求气孔率为10%的一块金红石陶瓷介质的介电常数。
100,0.9;1,0.1
221()0.9100()0.11
33330085.92
2120.9()0.1()330033m m d d d
m m d d m d
m d
m
εχεεχχεχεχεεεεχχε======++??++?=
==++++气气解：
6-2 一块1cm ?4cm ?0.5cm 的陶瓷介质，其电容为2.4μF ，损耗因子tgδ为0.02。
求：(1)相对介电常数；(2)损耗因子。
122
124
0122131
4
1 2.4100.510(1) 3.398.854101410
2.4100.510(2)'''tan 0.02 6.0101410r C d A F m
εεεεδ---------????=?==???????==?=????解：
相对电容率损耗因子
损耗由复介电常数的虚部''ε引起，电容由实部'ε引起，'ε相当于测得的介电常数ε。
6-3 镁橄榄石(Mg 2SiO 4)瓷的组成为45%SiO 2，5%Al 2O 3和50%MgO ，在1400℃烧成并急冷（保留玻璃相），陶瓷的εr =5.4。由于Mg 2SiO 4的介电常数是6.2，估算玻璃的介电常数εr 。（设玻璃体积浓度为Mg 2SiO 4的1/2）
11222221
ln ln ln ln 5.4ln 6.2ln 4.096 4.133
x x εεεεε=+∴=
+?=≈
6-4 如果A 原子的原子半径为B 的两倍，那么在其它条件都是相同的情况下，原子A 的电子极化率大约是B 的多少倍？
330,,4,28e A B e A e B
R R R R απεαα=∝=?= 解：
电子极化率
ε
εμεμεμ
==∴∴=∴=
=2,1,
n n SiC n V
C
n C
V ＝属于非铁磁性物质由于折射率麦克斯韦电磁场理论
6-5 为什么碳化硅的介电常数与其折射率的平方n 2相等。 解：
6-6 从结构上解释 为什么含碱土金属的玻璃适用于介电绝缘?
答：玻璃中加入二价金属氧化物，特别是重金属氧化物，使玻璃的电导率降低。相应的阳离子半径越大 这种效应越强。这是由于二价离子与玻璃中氧离子结合比较牢固，能镶入玻璃网络结构，以致堵住迁移通道，使碱金属离子移动困难，因而电导率降低。
6-7、叙述BaTiO 3典型电介质中在居里点以下存在的四种极化机制。 答：
（1）电子极化：指在外电场作用下，构成原子外围的电子云相对原子核发生位移形成的极化。建立或消除电子极化时间极短，约10-15～10-16
（2）离子极化：指在外电场的作用下，构成分子的离子发生相对位移而形成的极化，离子极化建立核消除时间很短，与离子在晶格振动的周期有相同数量级，约为10-12～10-13
（3）偶极子转向极化：指极性介电体的分子偶极矩在外电场作用下，沿外施电场方向而产生宏观偶极矩的极化。
（4）位移型自发极化：是由于晶体内离子的位移而产生了极化偶极矩，形成了自发极化。
6-8、画出典型铁电体的电滞回线示意图，并用有关机制解释引起非线性关系的原因。
答：
铁电体晶体在整体上呈现自发极化，这意味着在正负端分别有一层正的和负的束缚电荷。束缚电荷产生的电场在晶体内部与极化反向（称为退极化场），使静电能升高。在受机械约束时，伴随着自发极化的应变还能使应变能增加。所以均匀极化的状态是不稳定的，晶体将分成若干个小区域，每个小区域内部电偶极子沿同一方向，但各个小区域中电偶极子方向不同。这些小区域称为电畴或畴。畴的间界叫畴壁。
铁电体的极化随电场的变化而变化。但电场较强时，极化与电场之间呈非线性关系。在电场作用下，新畴成核长大，畴壁移动，导致极化转向。在电场很弱时，极化线性地依赖于电场，此时可逆地畴壁移动占主导地位。当电场增强时，新畴成核，畴壁运动成为不可逆的，极化随电场的增加比线性段快，当电场达到相应于B点的值时，晶体成为单畴，极化趋于饱和。
这有答案，大家尽量出有答案的题材料物理性能 习题与解答 吴其胜 盐城工学院材料工程学院 2007，3
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，其杨氏模量为3.5×109 N/m 2，能伸长多少厘米? 解： 拉伸前后圆杆相关参数表 ) (0114.010 5.310101401000940000cm E A l F l E l l =?????=??= ?=?=?-σ ε0816.04.25 .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 524.44500 6 MPa A F T =?= = -σ真应力
1-3一材料在室温时的杨氏模量为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： V oigt 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(210 5.3) 1(28 8 MPa Pa E G ≈?=+?= += μ剪切模量) (390)(109.3) 7.01(310 5.3) 21(38 8 MPa Pa E B ≈?=-?= -=μ体积模量. ,. ,112 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 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εε εε εε εσεσεσ) (2.36505.08495.03802211GPa V E V E E H =?+?=+=上限弹性模量 ) (1.323)84 05.038095.0()(11 2211GPa E V E V E L =+=+=--下限弹性模量 ). 1()()(0)0() 1)(()1()(1 //0 ----= = ∞=-∞=-= 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
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。
无机材料物理性能试题及答案
无机材料物理性能试题及答案 一、填空题（每题2分，共36分） 1、电子电导时，载流子的主要散射机构有中性杂质的散射、位错散射、电离杂质的散射、晶格振动的散射。 2、无机材料的热容与材料结构的关系不大，CaO和SiO2的混合物与CaSiO3 的 热容-温度曲线基本一致。 3、离子晶体中的电导主要为离子电导。可以分为两类：固有离子电导（本征 电导）和杂质电导。在高温下本征电导特别显著，在低温下杂质电导最为显著。 4、固体材料质点间结合力越强，热膨胀系数越小。 5、电流吸收现象主要发生在离子电导为主的陶瓷材料中。电子电导为主的陶瓷材料，因 电子迁移率很高，所以不存在空间电荷和吸收电流现象。 6、导电材料中载流子是离子、电子和空位。 7. 电子电导具有霍尔效应，离子电导具有电解效应，从而可以通过这两种效应检查材料 中载流子的类型。 8. 非晶体的导热率（不考虑光子导热的贡献）在所有温度下都比晶体的 小。在高温下，二者的导热率比较接近。 9. 固体材料的热膨胀的本质为：点阵结构中的质点间平均距离随着温度升高而增 大。 10. 电导率的一般表达式为 ∑ = ∑ = i i i i i q nμ σ σ 。其各参数n i、q i和μi的含义分别 是载流子的浓度、载流子的电荷量、载流子的迁移率。 11. 晶体结构愈复杂，晶格振动的非线性程度愈大。格波受到的 散射大，因此声子的平均自由程小，热导率低。 12、波矢和频率之间的关系为色散关系。 13、对于热射线高度透明的材料，它们的光子传导效应较大，但是在有微小气孔存在时，由于气孔与固体间折射率有很大的差异，使这些微气孔形成了散射中心，导致透明度强烈降低。 14、大多数烧结陶瓷材料的光子传导率要比单晶和玻璃小1～3数量级，其原因是前者有微量的气孔存在，从而显著地降低射线的传播，导致光子自由程显著减小。 15、当光照射到光滑材料表面时，发生镜面反射；当光照射到粗糙的材料表面时，发生漫反射。 16、作为乳浊剂必须满足：具有与基体显著不同的折射率，能够形成小颗粒。 用高反射率，厚釉层和高的散射系数，可以得到良好的乳浊效果。 17、材料的折射随着入射光的频率的减少（或波长的增加）而减少的性质，称为折射率的色散。
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，
《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
材料物理性能复习题 第一章 1、C v 、C p 和c 的定义。C pm 和C vm 的关系，实际测量得到的是何种量？Cvm 与温度（包括ΘD ）的关系。自由电子对金属热容的贡献。合金热容的计算。 2、哪些相变属于一级相变和二级相变？其热容等的变化有何特点？ 3、撒克斯法测量热容的原理。何谓DTA 和DSC ？DTA 测量对标样有何要求？如何根据DTA 曲线及热容变化曲线判断相变的发生及热效应（吸热或放热）？ 4、线膨胀系数和体膨胀系数的表达式及两者的关系。证明c b a v αααα++=（采用与教材不同的方法） 5、金属热膨胀的物理本质。热膨胀和热容与温度（包括ΘD ）的关系有何类似之处？为何金属熔点越高其膨胀系数越小？为何化合物和有序固溶体的膨胀系数比固溶体低？奥氏体转变为铁素体时体积的变化及机理。膨胀测量时对标样有何要求？ 6、比容的定义（单位重量的体积，为密度的倒数）。奥氏体、珠光体、马氏体和渗碳体的比容相对大小。 7、钢在共析转变时热膨胀曲线的特点及机理。如何根据冷却膨胀曲线计算转变产物的相对量？ 8、傅里叶定律和热导率、热量迁移率。导温系数的表达式及物理意义。 9、金属、半导体和绝缘体导热的物理机制。魏德曼－弗兰兹定律。 10、何谓抗热冲击断裂性和抗热冲击损伤性？热应力是如何产生的，与哪些因素有关？提高材料的抗热冲击断裂性可采取哪些措施？ 第二章 1、电阻、电阻率、电导率及电阻温度系数的定义及相互关系。 2、电阻的物理意义。为何温度升高、冷塑性变形和形成固溶体使金属的电阻率增加，形成有序固溶体使电阻率下降？马基申定律的表达式及各项意义。为何纯金属的电阻温度系数较其合金大？如何获得电阻温度系数很低的精密电阻合金？ 3、对层片状组织，证明教材中的关系式（2.25）和（2.26）。 4、双电桥较单电桥有何优点？用电位差计测量电阻的原理。用电阻分析法测定铝铜合金时效和固溶体的溶解度的原理。 5、何谓本征半导体？其载流子为何？证明关系式J=qnv 和ρ＝E/J （J 和E 分别为电流密度和电场强度）。 6、为何掺杂后半导体的导电性大大增强？为何有电子型和空穴型两种半导体。N 型和P 型半导体中的多子和少子。为何PN 结有单向导电性？ 7、温差电势和接触电势的物理本质，热电偶的原理。 8、何谓压电效应？电偶极矩的概念。压电性产生的机理。 9、何谓霍尔效应和霍尔系数？推导出教材中的关系式（2.83）～（2.85）。如何根据霍尔效应判断半导体中载流子是电子还是空穴？ 第三章 1、M 、P m 的关系。M 、H 的关系。μ0，μ，χ的概念。B 、H 的关系。磁化曲线
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
μυσρ22/1e n m **==材料物理性能复习题 一． 概念题 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 =E 2-E 1的光子趋近高能级E 2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 二、 简答题 (1) 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。 (2) 正常情况下，为什么金属的电导率随着温度的升高而降低(电阻升高)。 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。 (3) 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。 (4) 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。 (5) 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。 (6) 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。 (7) 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：
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。
一、名词解释 光矢量：即是光波的电场强度矢量。 双折射：当光束通过各向异性介质表面时，折射光会分成两束沿着不同的方向传播，这种由一束入射光折射后分成两束光的现象。 光轴：通过改变入射光的方向，可以发现，在晶体中存在一些特殊的方向，沿着这些方向传播的光不会发生双折射，这些特殊的方向称为晶体的光轴。 热膨胀：物质在加热或冷却时的热胀冷缩现象称为热膨胀。 朗伯特定律：l e I I α-=0，在介质中光强随传播距离呈指数形式衰减的规律即称为朗伯特定律。 热稳定性：指材料承受高温的急剧变化而不致破坏的能力，也称为抗热震性。 滞弹性：指材料在交变载荷的情况下表现为应变对应力的滞后特性即称为滞弹性。 应力感生有序：溶解在固溶体中孤立的间隙原子，置换原子，在外加应力时，这些原子所处的位置的能量即出现差异，因而原子要发生重新分布，即产生有序排列，这种由于应力引起的原子偏离无序状态分布叫应力感生有序。 穆斯堡耳效应：固体中的无反冲核共振吸收即为穆斯堡尔效应。 高分子的分子结构：指除具有低分子化合物所具有的，如同分异构、几何异构、旋光异构等结构特征之外，还有高分子量，通常由103~105个结构单元组成的众多结构特点。 高分子的聚集态结构：是指大分子堆砌、排列的形式和结构。 均方末端距：是描述高分子链的形状和大小时采用末端距的2次方的平均值，用r 2表示，称为均方末端距。 二、填空题 1、下图为聚合物的蠕变和回复曲线，可见一个聚合物材料的总形变是三种形变之和，其中 ε1为普弹形变、 ε2为高弹形变、 ε3为粘性流动。 2、从微观上分析，光子与固体材料相互作用的两种重要结果是：电子极化和电子能态转变 3、在光的非弹性散射光谱中，出现在瑞利线低频侧的散射线统称为斯托克斯线，而在瑞利线高频侧的散射线统称为反斯托克斯线。 4、掺杂在各种基质中的三价稀土离子，它们产生光学跃迁的是4f 电子。 5、红宝石是历史上首先获得的激光材料，它的发光中心是C r 3+ 离子。 6、非稳态法测量材料的热导率是根据试样温度场随时间变化的情况来测量材料热传导性能的方法。 7、弹性模量的物理本质是标志原子间结合力的大小。 8、测量弹性模量的方法有两种：一种是静态测量法，另一种是动态测量法。 9、图中表示曲线（a ）表示熔融石英玻璃（SiO 2）、曲线（b ）表示非晶态聚苯乙烯（PS ）的热导率随温度的变化。
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）：
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．判断正误。（２×１０=２０分） １．正应力正负号规定是拉应力为负，压应力正。（） ２．Ａl2Ｏ3结构简单，室温下易产生滑动。（） ３．断裂表面能比自由表面能大。（） ４．一般折射率小，结构紧密的电介质材料以电子松弛极化性为主。（）５．金红石瓷是离子位移极化为主的电介质材料。（） ６．自发磁化是铁磁物质的基本特征，是铁磁物质和顺磁物质的区别之处。 （） ７．随着频率的升高，击穿电压也升高。（） ８．磁滞回线可以说明晶体磁学各向异性。（） ９．材料弹性模量越大越不易发生应变松弛。（） １０．大多数陶瓷材料的强度和弹性模量都随气孔率的减小而增加。（） 三.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 四.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。