无机材料物理性能题库综述

1、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

2、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

3、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：利用多品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

4、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大，格波类似于弹性体中的应变波，称为“声频支振动”。28 .光频支振动

5、：振动的质点中包含频率甚高的格波时，质点彼此间的位相差很大，临近质点的运动几乎相反，频率往往在红外光区，称为“光频支振动”。29 .杜隆-珀替定律：恒压下元素的原子热容为25J/（k-mol）;30 .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。31 .光的吸收：光透过介质时，会引起电子跃迁或者原子的振动，从而引起能量的损失，这种现象叫做光的吸收。32 .镜反射：反射光线具有明确的方向性。33 .漫反射：光照到粗糙不平的材料表面，发生各个方向的反射。34 .本征吸收：晶体受到光照射时，电子吸收光子能量，从价带跃迁到导带。35 .晶体的热缺陷：由于晶体中的原子（或离子）的热

6、运动而造成的缺陷。36 .双碱效应：碱金属离子总浓度相同的情况下，含两种碱金属离子比含一种碱金属离子的玻璃电导要低。37 .压碱效应：含碱玻璃种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。38 .n型半导体：主要依靠电子导电的半导体。39 .p型半导体：主要依靠空穴导电的半导体。40 .杂质电导：由固体较弱离子运动造成的电导，主要为杂质。41 .导带：只部分填充电子的能带，起导电作用。42.禁带：能带的空隙。43 .p-n结：指在同一半导体样品中，可以部分是n型，部分是p型，它们之间的交界区域。44 .电偶极子：由一个正电荷q和另一个符号相反、数量相等的负电荷-q由于某种原因而

7、坚固的互相束缚与不等于零的距离上所组成。45 .电偶极矩：负电荷到正电荷的矢量l与其电荷量的乘积。46 .电介质：在电场作用下，能建立极化的一切物质。47 .极化：介质内质点（原子、分子、离子）正负电荷重心分离，从而转变成偶极子。48 .位移极化：在外电场作用下，原子外围的电子云相对于原子核发生位移形成的极化。49 .松弛质点：材料中存在着弱联系的电子、离子和偶极子。50 .松弛极化：松弛质点由于热运动使之分布混乱，电场力使之按电场规律分布，在一定温度下发生极化。51 .转向极化：具有恒定偶极矩的极性分子在外加电场作用下，偶极子发生转向，趋于和外加电场方向一致，与极性分子的热运动达到统计平衡状

8、态，整体表现为宏观偶极矩。52 .介电损耗：电介质在电场作用下，引起介质发热，单位时间内损耗的能量。53 .结构损耗：在高频、低温下，一类与介质内部结构的紧密程度密切相关的介质称为结构损耗。54 .介电强度：发生介电击穿时的临界电场强度。55 .铁电体：在某个温度范围内可以自发极化，而且自发极化方向随外电场的反向而反向的介电材料。56 .压电性：某些晶体材料按所施加的机械应力成比例地产生电荷的能力。57 .磁场强度：指空间某处磁场的大小。58 .抗磁性物质：磁化率为非常小且为负值，几乎不随温度变化。59 .顺磁性物质：磁化率为非常小的正数。60 .铁磁性物质：磁化率为特别大的正数，随外磁场的增

9、大而减小。61 .磁畴：铁磁性或亚铁磁性材料内部可以分成许多磁矩排列相同的微小区域。磁畴壁：磁畴之间的过度边界层。62 .磁导率：表征磁性材料被磁化的容易程度，或者说是材料对外部磁场得敏感程度。计算题1、通常纯铁的乍=2J/m2,E=2X05MPa,ao=2.510-10m,试求其理论断裂强度。（8分）答：根据理想晶体脆性断裂理论强度公式:2义105乂10隈2-J02.5101/2=41010(Pa)=4104MPa2、已知TiO2陶瓷介质的体积密度为4.24g/cm3,分子量为79.9,该介质的化学分子式表达为AB2,aeA=0.272210-24cm3,aeB=2.76210-24cm3,

10、试用克一一莫方程计算该介质在可见光频率下的介电系数，实测60£=7.1,请对计算结果进行讨论。答：克莫方程为：（sr-1）/（sr+2）=£niod/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：（立-1）/3£+2）=4n（noteTi4+2nueO2-）/3n=（P/M）6.0221023通过计算可得：立=11.3与实测立=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、

11、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。3、有一材料E=2X101*/m2,七=8N/m,试计算在7M107N/m2的拉应力作用下，该材料的临界裂纹长度。（4分）2Es2210118c=r=1i710=0.208101m)则该临界裂纹长度为0.416mm.4、有一构件，实际使用应力°为1.30Gpa,有以下两种钢待选：甲钢：（ys=1.95GPa,Kc=45MPam1/2乙钢：（ys=1.56GPa,KIC=75MPam1/2试根据传统设计及断裂力学观点分析哪种钢更安全，并说明原因.（6分

12、）（已知：Y=1.5,最大裂纹尺寸为1mm）。答：根据传统设计观点：（7安全系数服强度甲钢的安全系数：n=（rys/（7=1.95/1.30=1.5乙钢的安全系数：n=（Tys/（7=1.56/1.30=1.2可见，选择甲钢比乙钢安全。（2分）但是，根据，构件的脆性断裂是裂纹扩展的结果，所以应I计算KI是否超过KIC据计算，Y=1.5,设最大裂纹尺寸为1mm,则由ki二论我算出：（1分）甲钢的断裂应力：（TCJ4520=1.34GPa（1分）1.5,0.001/2乙钢的断裂应力：（Tc=75*10.=2.24GPa（1分）1.5,0.001/2可见，甲钢不安全，会导致低应力脆性断裂；乙钢安全可

13、靠。可见，两种设计方法得出截然相反的结果。按断裂力学观点设计，既安全可靠，又能充分发挥材料的强度，合理使用材料。而按传统观点，片面地追求高强度，其结果不但不安全，而且还埋没了乙钢这种非常合用的材料。（1分）5.光通过一块厚度为1mmi勺透明Al2Q板后强度降低了15%试计算其吸收和散射系数的总和。I=I0es)x0.85=e«不为）0.11(:产s)x一二e101二s=-10ln0.85=1.625cm6.一截面为0.6cm2,长为1cm的n型GaAs样品，设也=8000cm2/V.s3,n=1015cm,试求该样品的电阻。r111一一=1=T-=Fy9=0.781cm二nq，101

14、.6108000_l1R=0.781=13S0.68.一钢板受有长向拉应力350MPa如在材料中有一垂直于拉应力方向的中心穿透缺陷，长8mm（=2c）此钢材的屈服强度为1400MPa计算塑性区尺寸口及其裂缝半长c的比值。讨论用此试件来求Kc值的可能性。K=丫。Jc=Oo.Vc=39.23Mpa.m/2r0=(-K-)2=0.125mm2二二并1r0/c=0.125/4=0.031>=>0.021用此试件来求Kc值的不可能15二简答题1、试分析应如何选择陶瓷制品表面釉层的热膨胀系数，可以使制品的力学强度得以提高。（6分）答：一般陶瓷用品，选择釉的膨胀系数适当地小于坯体的膨胀系数时，制

15、品的力学强度得以提高。原因：（1）釉的膨胀系数比坯小，烧成后的制品在冷却过程中表面釉层的收缩比坯体小，使釉层中存在压应力，均匀分布的预压应力能明显地提高脆性材料的力学强度。同时，这一压应力也抑制釉层微裂纹的发生，并阻碍其发展，因而使强度提高；（2）当釉层的膨胀系数比坯体大，则在釉层中形成张应力，对强度不利，而且过大的张应力还会使釉层龟裂。另：釉层的膨胀系数不能比坯体小太多，否则会使釉层剥落，造成缺陷。2、下图为典型的低碳钢拉伸时的力-伸长曲线。试根据该图回答以下问题：（12分）（1）整个拉伸过程中的变形可分为哪四个阶段？（2）如该曲线的横坐标为应变£,纵坐标为应力d则从曲线中可读出：

16、比例极限，弹性极限，屈服点，抗拉强度，分别将各参数在图中标出。（3）弹性比功如何计算，如何提高材料的弹性比功。答：（1）整个拉伸过程中的变形可分为哪四个阶段：弹性变形、屈服变形、均匀塑性变形和不均匀集中塑性变形。（4分）（2）见图（4分）（3）定义：材料在弹性变形过程中吸收变形功的能力，又称为弹性比能或应变比能，表示材料的弹性好坏。（2分）提高材料的弹性比功的途径：提高bq降低E（2分）3、试从晶体的势能曲线分析在外力作用下塑性形变的位错运动理论。答：理想中的原子处于周期性势场中，一维单原子链的势能曲线如图，如果在晶体中存在位错，则在位错处的原子处于亚稳定状态，即原子仍处于势阱中，但其能量高于

17、格点上原子的能量，有位错的一维单原子链的势能曲线如图，位错运动所需的能量要小于格点上原子的运动，如果有外力的作用，则使位错运动的能量进一步降低，更有利于位错的运动。4、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；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。5、影响塑性形变的因素有哪些？并对其进行说明。答：晶体结构和键型。本征因素：晶粒内部的滑移系统相互交截、晶界处的应力集中、晶粒大小和分布；外来因素：晶界作为点缺陷的

18、源和阱，易于富积杂质，沉淀有第二相。特别当含有低熔点物质时，多晶材料的高温塑性滑移首先发生在晶界。（杂质在品界的弥散、晶界处的第二相、晶界处的气孔。6、断裂能包括哪些内容？答：热力学表面能：固体内部新生单位原子面所吸收的能量。塑性形变能：发生塑变所需的能量。相变弹性能：晶粒弹性各向异性、第二弥散质点的可逆相变等特性，在一定的温度下，引起体内应变和相应的内应力。结果在材料内部储存了弹性应变能。微裂纹形成能：在非立方结构的多晶材料中，由于弹性和热膨胀各向异性，产生失配应变，在晶界处引起内应力。当应变能大于微裂纹形成所需的表面能，在晶粒边界处形成微裂纹。7、克服材料脆性和改善其强度的关键是什么？答：

19、提高材料的断裂能，便于提高抵抗裂纹扩展的能力；减小材料内部所含裂纹缺陷的尺寸，以减缓裂纹尖端的应力集中效应。8、简述提高无机材料强度，改进材料韧性的措施。（10分）答：a、微晶、高密度与高纯度b、提高抗裂能力与预加应力c、化学强化d、相变增韧f、弥散增韧9、根据抗热冲击断裂因子对热稳定性的影响，分析提高抗热冲击断裂性能的措施。（10分）答：提高抗热冲击断裂性能的措施：a、提高材料强度仿减小弹性模量E,使”或高-提高材料的柔韧性，能吸收较多的弹性应变能而不致开裂，提高了热稳定性。b、提高材料的热导率Nc减小材料的热膨胀系数a;d、减小材料的表面热传递系数h；e、减小产品的有效厚度。10、什么是相

20、变增韧？RJ用ZrO2由四方转变成单斜相的相变过程可以改善陶瓷材料的断裂韧性，简述其机理。答：相变增韧是利用多品多相陶瓷中某些相在不同温度下发生相变从而增韧的效果.（4分）ZrO2由四方转变成单斜相的相变过程中，体积增加3-5%,（2分）这体积效应使得材料内部产生应力或者微裂纹。（2分）当材料受到外力作用时，材料内部因为应力集中或者微裂纹可以部分或者全部抵抗外力作用，从而改善材料的断裂韧性。（2分）11、请定性介绍陶瓷受球形压力作用时，压痕应力场下材料中裂纹的形成至材料断裂的过程。答：压痕裂纹可能起源于试样上原有的裂纹，也可能是在压头加载时产生的。（2分）陶瓷受球形压力作用，先产生弹性形变，抵

21、抗部分外加应力；然后产生塑性变形。（2分）当弹性变形和塑性形变都不能够完全抵抗外加作用力时，材料形成诱发裂纹，首先是应力集中点成核。（2分）一个给定的裂纹能否充分发展成临界状态的裂纹，取决于其尺度、位置和其与张应力轴的相对取向，即在能量方面它应该具有足够克服阻碍裂纹发展的初级势垒的条件，满足Griffith裂纹扩展理论。（2分）裂纹扩展分成稳态的裂纹扩展过程（当应变能释放率足以支付断裂表面能增量，原子键的破坏就会发生）和动态的裂纹扩展过程（原子键的破坏过程呈分段的连续性），最后材料断裂。（2分）12、提高无机材料透光性的措施有哪些？答：a提高原料的纯度b添加外加剂：一方面这些质点将降低材料的透

22、光率，但由于添加这些外加剂将可以降低材料的气孔，从而提高材料的透光率c工艺措施:采用热压法比普通烧结法更容易排除气孔，即降低气孔，将晶粒定向排列将可以提高材料的透光率.13、TiO2广泛应用于不透明搪瓷釉。其中的光散射颗粒是什么？颗粒的什么特性使这些釉获得高度不透明的品质？（5分）答：其中的光散射颗粒是TiO2（2分），该颗粒不与玻璃相互作用，且颗粒与基体材料的相对折射率很大，再加上颗粒尺寸与光的波长基本相等，则使釉获得高度不透明的品质（3分）。14、（1）铁氧体按结构分有哪六种主要结构？（2）半导体激光器中，与激光辐射相关的三个能级跃迁过程是什么？答：（1）6种：尖晶石型、石榴石型、磁铅石型

23、、钙钛矿型、钛铁矿型和鸨青铜型。（2）和激光发射有关的跃迁过程是：吸收，自发辐射和受激辐射。Ei是基态，E2是激发态，电子在这二个能级中跃迁有能量变化。在自发辐射时，hvi2的能量相同，但其位相和传播方向等各不相同，而在受激辐射时，h2的所有特性如能量，位相和传播方向等都相同。15、金属、半导体的电阻随温度的升高如何变化？说明原因。答：金属的电阻随温度的升高而增大，半导体的电阻随温度的升高而减小。对金属材料，尽管温度对有效电子数和电子平均速率几乎没有影响，然而温度升高会使离子振动加剧，热振动振幅加大，原子的无序度增加，周期势场的涨落也加大（2分）。这些因素都使电子运动的自由称减小，散射几率增加

24、而导致电阻率增大。而对半导体当温度升高时，满带中有少量电子有可能被激发到上面的空带中去（1分），在外电场作用下，这些电子将参与导电（1分）。同时，满带中由于少了一些电子，在满带顶部附近出现了一些空的量子状态，满带变成了部分占满的能带（2分），在外电场作用下，仍留在满带中的电子也能够起导电作用（1分）。16、杂质原子使纯金属的电导率如何变化？说明原因。答：杂质原子使纯金属的电导率下降（2分），其原因是：溶质原子溶入后，在固溶体内造成不规则的势场变化（1分），严重影响自由电子的运动（2分）。17、何谓双碱效应？以K2O,Li2O氧化物为例解释产生这种现象的原因。答:双碱效应是指当玻璃中碱金属离子总

25、浓度较大时（占玻璃组成2530%）,碱金属离子总浓度相同的情况下，含两种碱金属离子比含一种碱金属离子的玻璃电导率要小。当两种碱金属浓度比例适当时，电导率可以降到很低。这种现象的解释如下：K2O,Li2O氧化物中，K+和Li+占据的空间与其半径有关，因为（*+>2+）,在外电场作用下，一价金属离子移动时，Li+离子留下的空位比K+留下的空位小，这样K+只能通过本身的空位。Li+进入体积大的K+空位中，产生应力，不稳定，因而也是进入同种离子空位较为稳定。这样互相干扰的结果使电导率大大下降。此外由于大离子K+不能进入小空位，使通路堵塞，妨碍小离子的运动，迁移率也降低。18、何谓压碱效应？解释产

26、生这种现象的原因。答：压碱效应是指在含碱破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。压碱效应现象的解释：这是由于二价离子与玻璃中氧离子结合比较牢固，能嵌入玻璃网络结构，以致堵住了迁移通道，使碱金属离子移动困难，因而电导率降低。如用二价离子取代碱金属离子，也得到同样效果。19、表征超导体性能的三个主要指标是什么？（6分）答：超导体性能的三个主要指标为：临界转变温度Tc,即成为超导态的最高温度；（2分）临界磁场He,即能破坏超导态的最小磁场，He的大小与超导材料的性质有关；（2分）（2分）临界电流密度Jo,即材料保持超导状态的最大输入电流2

27、0、何谓塞贝克效应？其实质及产生的原因是什么？答：当两种不同的金属或合金A、B联成闭合回路，且两接点处温度不同，则回路中将产生电流，这种现象称塞贝克效应。其实质在于两种金属接触时会产生接触电势差。这种接触电势差是由于两种金属中电子逸出功不同及两种金属中电子浓度不同所造成的。21、（1）什么是西贝克（Seeback漱应？它是哪种材料的基础。（2）超导体二个基本性能指标“零电阻及其临界转变温度”和“完全抗磁性及临界磁场强度”是什么？答：（1）西贝克（Seeback激应是温差电动势效应-广义地，在半导体材料中，温度和电动势可以互相产生.实际上是材料的热和电之间转化，可以指导人们在热电之间建立相互联系

28、，是热电材料的基础。（2）零电阻及其临界转变温度：在超导体环路中感生一电流，在一段时间内电流下降是I=Ioexp（-（R/L）2）,R:环路电阻值，L:环路自感，Io:观察时间内感生电流，若R<10-26Q?cm,可以认为是零电阻.这时候的温度是由正常导电态转变成超导体的温度-临界转变温度.完全抗磁性和临界磁场强度：在超导体处在磁场中，超导体在表面形成屏蔽电流，使得外加的磁场被排斥在超导体之外.当屏蔽电流到达一定值，超导体就被破坏成为导体.22、请阐述PTC现象的机理。答：PTC现象发现以来，有各种各样的理论试图说明这种现象。其中，Heywang理论能较好地说明PTC现象。该理论认为n型半导体陶瓷的晶界上具有表面能级，此表面能级可以捕获载流子，从而在两边晶粒内产生一层电子耗损层，形成肖特基势垒。这种肖特基势垒的高度与介电常数有关。在铁电相范围内，介电系数大，势垒低。当温度超过店里点，根据居里-外斯定律，材料的介电系数急剧减少，势垒增高，从而引起电阻率的急剧增加。23、何谓空间电荷？陶瓷中产生空间电荷的原因有哪些？答：在电场作用下，不均匀介质的正负间隙离子分别向负正极移动，引起瓷体内各点离子密度变化，即出现电偶极矩，在电极附近积聚的离子电荷就是空间电荷。实际上，除了介质的不均匀性以外