无机材料物理性能考试试题及答案.doc

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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sf，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。

4.产生晶面滑移的条件是什么？

并简述其原因。

答：

产生滑移的条件：

面间距大；（面间作用力弱）·每个面上是同一种电荷的原子，相对滑动面上的电荷相反；（滑移时，没有静电斥力的作用）·滑移矢量（柏格斯矢量）小。

（消耗能量小，容易滑动）

5.为什么常温下大多数陶瓷材料不能产生塑性变形、而呈现脆性断裂？

答：

陶瓷多晶体的塑性形变不仅取决于构成材料的晶体本身，而且在很大程度上受晶界物质的控制。

因此多晶塑性形变包括以下内容：

晶体中的位错运动引起塑变；晶粒与晶粒间晶界的相对滑动；空位的扩散；粘性流动。

在常温下，由于非金属晶体及晶界的结构特点，使塑性形变难以实现。

又由于在材料中往往存在微裂纹，当外应力尚未使塑变以足够的速度运动时，此应力可能已超过微裂纹扩展所需的临界应力，最终导致材料的脆断。

四、分析题（30）

1.多晶多相无机材料中裂纹产生和快速扩展的原因是什么？

有哪些防止裂纹扩展的措施？

答：

裂纹产生的原因

（1）由于晶体微观结构中存在缺陷，当受到外力作用时，在这些缺陷处就引起应力集中，导致裂纹成核，例如位错在材料中运动会受到各种阻碍：

（2）材料表面的机械损伤与化学腐蚀形成表面型纹，—这种表面裂纹最危险，裂纹的扩展常常由表面裂纹开始。

（3）由于热应力而形成裂纹。

大多数陶瓷是多晶多相体，晶粒在材料内部取向不同，不同相的热膨膨系数也不同，这样就会因各方向膨胀（或收缩）不同而在晶界或相界出现应力集中，导致裂纹生成。

（4）由于晶体的各向异性引起，如弹性模量的各向异性导致晶粒间存在一应力，如果该应力超过材料的强度则出现微裂纹。

快速扩展的原因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（临界裂纹尺寸）决定材料的断裂强度，一旦裂纹超过临界尺寸，裂纹就迅速扩展而断裂。

因为裂纹扩展的动力，当C增加时，G也变大，而是常数，因此，断裂一旦达到临界尺寸而起始扩展，G就愈来愈大于4γ，直到破坏。

所以对于脆性材料，裂纹的起始扩展就是破坏过程的临界阶段，因为脆性材料基本上没有吸收大量能量的塑性形变。

防止裂纹扩展的措施微晶、高密度与高纯度、预加应力、化学强化、相变增韧、韧性相（如金属粒子）弥散于材料中增韧、纤维增强复合材料等

2.比较同一组成的单晶、多晶、非晶态无机材料的热导率随温度的变化。

答：

无机材料的热导主要为低温下的声子传导和高温下的光子传导.

（1）影响热传导性质的声子散射主要机构有：

声子间的碰撞过程；点缺陷的散射；晶界散射；位错的散射。

（2）对于晶体，在低温下，仅考虑声子间的碰撞，碰撞的几率正比于exp（-qD/2T），而声子平均自由程正比exp（qD/2T），即温度越高，平均自由程越小，同时热容又与温度的三次方呈正比，因此晶体的热导率于温度在低温时有一峰值，随着温度的升高，平均自由程小到原子的大小数量级，不能再小，而热容在高温为一常数，因此在高温晶体的热导率不随温度发生变化。

但随着温度继续升高，光子传热不可忽略，而光子的热导率与温度的三次方呈正比，因此热导率随温度提高而增大。

对于同组成的多晶体由于晶粒尺寸小、晶界多、缺陷多、晶界处杂质多，对声子散射大，因此多晶体与单晶体同一种物质多晶体的热导率总比单晶小。

对于非晶态相，可以把其看作直径为几个晶格间距的极细晶粒组成的多晶体。

因此其平均自由程很小，而且几乎不随温度发生变化，因此热导率仅随热容发生变化。

（3）单晶和非晶态的热导率随温度变化的关系如图所示（图略）非晶体的声子导热系数在所有温度下都比晶体小；两者在高温下比较接近；两者曲线的重大区别在于晶体有一峰值。

由于非晶体材料特有的无序结构，声子平均自由程都被限制在几个晶胞间距的量级，因而组分对其影响小。

3.分析各种电极化微观机制对介电常数的影响。

答：

组成物质的带正、负电的粒子，如电子、离子等都会在外电场的作用下，发生位移，形成偶极矩，或通过转向表现出宏观极化强度，这些过程的完成可以分为两种：

第一种，弹性的、瞬间完成的、不消耗能量的位移式极化；第二种，与热运动有关，其完成需要一定的时间，且是非弹性的，需要消耗一定能量的的松弛极化。

因此电极化微观机制有电子位移极化、离子位移极化、电子、离子松弛极化、空间电荷极化、转向极化等。

通过材料的极化率c、极化强度P和介电常数er间的关系：

P=e0（er-1）E，P=e0cE分析可知，容易极化的材料其介电常数也大，因此材料的极化都会提高其介电常数。

但是由于各种极化现象所需的时间不同，是否能发生极化与该极化机制和外加电场的频率有关，电子位移激化时间短，其极化范围在直流与光频间，即高于光频的电场不能使电子发生位移极化，小于光频的电场可以使电子发生位移极化，因此其对介电常数的影响主要在直流与光频间。

同样，离子位移极化、松弛极化、空间电荷极化分别在直流和红外间、直流和超高频间、直流和高频间对介电常数影响。

其影响位移极化小于松弛极化。

分析固体材料热膨胀本质

答：

源于材料内部的质点之间相互作用关于质点平衡位置不对称性。

五、计算题（27）

1.根据标准线性固体模型，推导应力s和应变e的关系式：

。

其中：

=，=

答案：

由串并联条件得：

（1）=+=

（2）s3=h

（3）

（4）s=s1+s2

（5）s1=E1e1

（6）s1=s3

（7）s2=E2e2

（8）=E2×=E2×

（9）=E1

解方程

得

2.有一构件，实际使用应力为1.30GPa,有下列两种钢供选：

甲钢：

sf=1.95GPa,K1c=45Mpa·m1\2乙钢：

sf=1.56GPa,K1c=75Mpa·m1\2试根据经典强度理论与断裂强度理论进行选择，并对结果进行说明。

（设：

最大裂纹尺寸为1mm，几何形状因子Y=1.5）

答：

经典强度理论断裂准则：

s£sf/n运用经典强度理论的传统设计：

得：

甲钢的安全系数:

1.5，乙钢的安全系数1.2<1.5。

因此选择甲钢比乙钢安全。

断裂强度理论的断裂准则：

KI=s（pc）1/2£KIC得：

甲钢的断裂应力为：

1.0GPa<1.30GPa；乙钢的断裂应力为：

1.57GPa>1.30GPa因此甲钢不安全会导致低应力断裂，而乙钢是安全可靠的。

通过上述分析，两种设计方法得到截然相反的结果。

由于断裂力学考虑了材料中裂纹尖端引起的应力集中，因此按照断裂力学观点设计材料即安全可靠，又能充分发挥材料的强度，合理使用材料。

而传统材料的设计观点是一味的片面追求高强度，其结果不但不安全，而且还埋没了非常合适的材料。

3.已知金红石瓷介质的体积密度为4.24g/cm3，分子量为79.9，aeTi4+=0.272´10-24cm3，aeO2-=2.76´10-24cm3，试用克——莫方程计算该介质在光频下的介电系数，实测e¥=7.3，请对计算结果进行讨论。

答：

克——莫方程为：

（er-1）/（er+2）=SniaI/3e0在光频下，仅有电子位移对介电常数有影响，在金红石晶体中有两种原子，其中一个钛原子、两个氧原子，并由国际单位制换算成厘米克秒制单位，此时克——莫方程可写为：

（e¥-1）/（e¥+2）=4p（naeTi4++2naeO2-）/3n=（r/M）6.02´1023通过计算可得：

e¥=11.3与实测e¥=7.3进行比较，有较大的差别，其原因主要是在推导克——莫方程时，忽略了影响局部电场中的E3，而E3=0，仅适用于分子间作用很弱的气体、非极性液体、非极性固体、具有适当对称性的立方型结构固体。

而金红石为四方型结构，由于其结构与组成的特点，其E3对局部电场的贡献不能被忽略。