《无机材料物理性能》课后习题答案

TH112TH1122《材料物理性能第一章材的力学性能1-1一圆杆的直径为2.5mm、长度为25cm并受到4500N的轴向拉力，若直径拉细至，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：真应力

F45004.524

MPa)lA2.52变lnlnln0.0816lA2.42F4500名义力MPa)变l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AlO(E=380GPa)和的玻璃相(E=84GPa)，23试计算其上限和下限弹性模量该陶瓷含有5的气孔估算其上限和下限弹性模量。解：令E=380GPa,E=84GPa,V=0.95,V。则有1212上限性模量E365.2()0.95量)))380当该陶瓷含有5%的气孔时，将代入经验计算公E=E2)可得，其上、下限弹性0模量分别变为331.3GPa和293.1GPa。

)/t)/t()/t)/t(1-11一圆柱形AlO晶体受轴向拉力F临界抗剪强度23τ为135MPa,求沿图中所示之方向的滑移系统产生滑移时f

F需要的最小拉力值，并求滑移面的法向应力。

τ

53

°

60

°

N解意图方滑系的切度表为

F

Fmin

0.00152f

()

Ф3mm此力的向力：

3.17cos0.0015cos

1.12

8

(Pa)112()试别画出应力松弛和变蠕与时的关示意0,t=和t=

时的坐标达式解：Maxwell模可以较好地模拟应力松弛过程：为：：(0)/e

模型可以较好地模拟应变蠕变过程：其蠕变曲线方程为：

t

/

)

()(1

/

)则有：；

；

).

1.00.80(σ)(σ

∞0.6(ε)0.4ε0.2

0134应松弛曲线

t/τ

0.0

025应蠕变曲线

t/τ以上两种模型所描述的是最简单的情况，事实上由于材料力学性能的复杂性，我们会用到用多个弹簧和多个黏壶通过串并联组合而成的复杂模型。如采用四元件模型来表示线性高聚物的蠕变过程等。

第二章脆性断裂和度2-12;Si-O平衡原子间距为1.6*10cm;弹性模量从60到75Gpa

*10*10

*1.75

~2-2融熔石英玻璃的性能参数为：Gpa；J/m2；理论强度σGpa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-6

E2*73*10*1.56*1*10

0.269GPa2-5一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，计算塑性区尺寸及其裂0缝半长c的比值。讨论用此试件来求K值的可能性。K

c=

1/2r

()ys

0.125r/c40.031

1

用此试件来求K值的不可能。2-6一陶瓷零件上有一垂直于拉应力的边裂，如边裂长度为2。讨论讲结果。解：KcI

Ic2Ic2

KI1.98

=0.818c

/2(1)c=2mm,0.818/2c

(2)c=,0.049c

116.58(3)（3）

c=2um,0.818/2577.04MPac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，μ=0.24，求K值，设极限荷载达50Kg。计算此材料的断裂表面能。解,B=10,，代入下式：K

IC

PcBW3

[2.9(c/)

1/2

/)

21.8(c/)

37.6(/W)

/2

38.7(c)

/

]

50*9.8*4010*0.010/21/2

[2.9*/*0.13/*0.15/2*0.138.7*0.1/2]）K

2E1

K(12E

)

(1.63*10

6

)

2

*/(2*380

9

)3.28J/m

2第三章料的热学性能2-3一热机部件由反应烧结氮化硅制成，其热导率λ，最大厚度=120mm.果表面热传递系数h=0.05J/(cm℃),假定形状因子S=1应用的热冲击最大允许温差。解m1

0.31rm6*==447℃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。

2424（1）T=298K，

=87.55+14.96*10-3

*298-26.68*10

/298

2（2），

=87.55+14.96*10-3

*1293-26.68*10

2据杜隆-珀替定律：(3Al)可见，随着温度的升

P

趋近按Petit定律所得的计算值。2-2康宁1723玻璃（硅酸铝玻璃）具有下列性能参数：λ℃);α=4.6*10/℃;σp=/mm2.E=6700Kg/mm2,μ=0.25.求第一及第二热冲击断裂抵抗因子。第一冲击断裂抵抗因子R=

(1f*6*0.754.6*10*6700*

6=170℃第二冲击断裂抵抗因子：

f=170*0.021=3.57J/(cm.s)第四章料的光学性能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)解：

n

sinisinr

W’+W’

WW

21"W'W其折射光又从玻璃与空气的另一界面射入空气则

""m1m"W3-2光通过一块厚度为1mm的透明AlO板后强度降低了15%，试计算其吸收和23散射系数的总和。解IIII

10ln1.625

第五章材料的电导性能4-1实验测出离子型电导体的电导率与温度的相关数据回归分析得出关系式为：lgB

1T(1)试求在测量温度范围内的电导活化能表达式。(2)若给定T1=500K，-9（

cm

T2=1000K，（计算电导活化能的值。解1(/T)lnln10

cm

A/)ln10

e

ln10A

e

(ln10./)

e

)W=ln10.（2）lg10B

式中

(/K)lg10A/1000

22B=-3000W=-ln10.(-3)*0.86*10-4*500=5.94*104-3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：n/kT)g曼常数，T为绝对温度。试回答以下问题：

，式中N为状态密度，为波尔兹（1）设N=1023cm,k=-5-1,Si(Eg=1.1eV),TiO(Eg=3.0eV)室温2和500℃时所激发的电子数（cm）各是多少：（2）半导体的电导率σ（Ω-1.cm）可表示ne式中n为载流子浓度（cm为载流子电荷（电荷1.6*10μ为迁移率cm2.V-1.s-1）当电子（e和空穴（）同时为载流子时，ee假定Si的迁移率μe=1450eeh（cm2.V.s-12.V-1.s-1变化Si在室℃500℃时的电导率解）Si20℃

23

1.1/(2*8.6

*298)

23

*e=3.32*10

13

cm

-3500℃

23

1.1/(2*8.6

*773)23

-8=2.55*10

cm

-3TiO20℃23exp(*8.6*10*=1.4*10500℃=1.6*10

-32313

-3cm-3/(2cm

*(2)20eeeeh

h=3.32*10

13

*1.6*10

-19

(1450+500)=1.03*10-2（Ω-1）

23•22323•223500℃eeee

h*1.6*101450+500)=7956（Ω-1

.cm

）4-2.根据缺陷化学原理推导（1）ZnO电导率氧分压的关系。（4）讨论添加Al对NiO电导率的影响。解1）间隙离子型ZnOZn

i

••

e

O

2

1/ZnOZni

O

O

/4（4）添加AlO对NiO：AlAl23

i

•

i

Oo添加AlO对NiO后形成阳离子空位多，提高了电导率。第六章材料的功能转换性能6-1金红石（TiO）的介电常数是100求气孔率为10%的一块金红石陶瓷介质的2介电常数。解：

m

0.9;m

0.1

mm

2()33m2()3m

2100)33002)0.13300

85.926-2一块1cm*4cm*μF,损耗因子tgδ为0.02求：①相对介电常数；②损耗因素。(1)相

r

12.48.8540

0.5

损耗

''

2.41

0.026.0F6-3镁橄榄石(MgSiO)的组成为45%SiO,5%AlO和50%MgO,烧成并急24223

冷（保留玻璃相εr=5.4。由于MgSiO的介电常数是6.2估算玻璃的介24电常数体积浓度为MgSiO的1/224ln

xln

ln

21ln33

4.0964.1

如果A原子原子半径的两倍那么其它件都是相同的情况下，子A的电子极化率约的多倍？解：电极化率4,eB

0

3

R

3

,RRA

为什碳化的电光焕发率与其折射率的平等解：麦克斯韦电磁场理论

C

,折射率

C

由于属于非铁磁性物质

1

,

第七章材料的磁学性能1自发磁化的物理本质是什么?材料具有铁磁性的充要条件是什么答:铁磁体自发磁化的本质是电子间的静电交换相互作用材料具有铁磁性的充要条件为:1)必要条件:材料原子中具有未充满的电子壳层即原子磁矩2)充分条件:交换积分A>0答:据热力学定律,稳定的状态一定是对应于铁磁材料内总自由能极小值的状态磁畴的形成和稳定的结构状态,也是对应于满足总的自由能为极小值的条件.于铁材料来说，分成磁畴后比分成磁畴前能量缩小,故铁磁材料自发磁化后必然分成小区域的磁,总自由能为最,而满足能量最低原.可见,退磁场能是形成磁畴的原因

222232高23242222232高23242232322243教

案课题：四章第一

授课班无机非属材料的主------硅(一知识、了解硅在自然界中的含量、存在、用途

课

时教学目的

与技能过程与方法情感态度价值观

、了解二氧化硅的物理性质，掌握二氧化硅的化学性质、自主学习，培养学生自学的能力。、活动探究，通过硅与碳、二氧化硅与二氧化碳的比较，培养学生的归纳能力、比较能力。通过了解材料发展的历史与前景生识化学在材料科学中的重要地位，体会化学的创造性和实用性，激发对化学科学的兴趣。重点难点知识结构与板书设计

二氧化硅的性质尤其是作为酸性氧化物的性)二氧化硅的存在等注的拓展性学习内容第四章第节无机非金材料的角------硅一)一、二化硅和硅酸1、氧化硅)<silicondioxide>(1)存在(2)用途(3)物理性：熔点，硬度大的体、不于水，纯净晶体无色透(4)结构：间网状构(5)化学性：稳定不活泼eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(○,)具有酸性化物的性质(不溶于水不和水应)与强碱应：+2NaOH==NaSiO+HO与碱性化物反应：CaSiOeq\o\ac(○,2)eq\o\ac(○,)与HF的反应：↑+2HO2、酸(H)硅酸是种弱酸，它溶于水不能使指示变色，一种白色粉末状的体。Na+2HCl==2NaCl+H↓NaSO↓

232232232222Na+CO+HO==NaCO↓H

△HO教学过教学步、内容

教学方、手段、师活动［入我们生成的地球，它坚硬地壳是由什么构成的？岩石，构成岩石的主要成分是硅盐及硅的氧化物。［］提到硅，同学们又能想到什么呢？硅谷：美国新兴的高技术产业开区,电子技术研究中心计机生产的重要基地位加利福尼亚州圣弗朗西斯科南.半导体单晶硅是半导体器材的心材,硅半导体是集成电路的主要材料估计在世纪硅仍然会占半导体材料的95%以上.沙子、石英、水晶：主要成分是的氧化物光导纤维从石英玻璃熔融体中,拉出直径为微米的丝.把千百根光导纤维组合并增强处理,就成成光缆,其优点:质,体积小,输距离长保密性,成本低［入从古至今，在无机非金属材料中，硅一直都在扮演着主要的角色。今天，就让我们一同来研究一下硅的氧化------氧化硅及硅酸和硅酸盐的性质。［板书第四章第一节无机非属材料的主------硅(一［］在地壳中含量丰富，仅次于氧，排在第二位，约占。［影元素周期表［］于周期表中的第四长列上的是碳族，这一族可谓是豪门族。其中具有代表性的是其中的两位兄长。碳，形成了无数种构成人类和其它地球生物等的有机物，统了有机界。构成的煤、石油等有机化产品和材料是现代化的基石。而它的弟-硅地壳质量的约，构成了地壳大部分岩石沙和壤，统治了地”而当今硅酸盐工业的陶瓷、玻璃、水泥等使人类生活日新月异。［考交］出CSi的子结构简图，并由此分析：硅的化学性质活不活泼，为什么？硅的化合价主要是多少？

配以多媒体图片从感性上让学生接触要学习的内容学学习的兴趣。［］Si原最外层有四个电,不易失电子也不易得电子,以,的化学性质不活泼。主要形成四价的化合物。硅是一种亲氧元素，在自然界它总是与氧相互化合。所以在氧化气氛包围的地球上，硅主要以熔点很高的

2222222222222222222222222222氧化物及硅酸盐的形式存在。［考常温下，单质碳、硅的化学性质都不活泼，为什么碳在自然界中有稳定的单质（金刚石）存在，而硅却没有，说明了什么？单质硅的化学性质虽然稳定，但是一种亲氧元素，硅原子和氧原子的结合非常牢固，形成的二化硅或硅酸盐中的硅氧化学键非常牢固，硅氧键一旦形成就很难被破，所以，自然界中硅都是以二氧化硅或硅酸盐的形式存在，没有游离的硅。［］面我们首先来研究一下二氧化硅的性质和用途。［板书一、二氧化和硅酸1、氧化硅)<silicondioxide>(1)存在［］是的重要合物球上存在的天然二氧化硅约占地壳质量的12，其存在形态有结晶形和无定形两大类，通称硅石。［影并展示水晶、玛瑙、石英埚、一段光缆［］晶是自然界中六方柱状的透明晶体，玛瑙的成分也iO，它们除了一些常见的可作饰物等用途外在业上用途也非学广泛，例如，以石英为材料而制成的纤维在电信行业的应用等。［板书(2)用途结晶形玛瑙、石英水晶硅石无定形硅藻土［影结①、制光导纤维②、石英玻璃制化学仪器③、石英表、石英钟④、水晶制光学仪器和工艺品⑤、玛瑙制精密轴承和装饰品［］合已有的关于水晶、沙子主要成分也是的识，思一下，SiO的理性质有哪些，注意与CO进比较研究［板书(3)物理性：熔点高，度大的体、不溶于，纯净的SiO晶体无透明［考为什么SiO与CO的性质上有着这么大的差别呢？［］要取决于结构的不同CO是C与O

联系生活求知欲。图片呈现，直观、深刻，加深认识。抽象思维建立空立体结构视频呈现生对的结构的理解更深刻。通过化学键所连接的分子结构，而—O四体结构

SiO是［影硅氧四面体结构

[SiO]

教学回顾

：

2442442教

案课题：四章第一

授课班无机非属材料的主------硅(二)

课

时教学目的

知识与技能过程与方法情感态度价值观

、了解硅酸盐、硅的主要性质、认识硅酸盐、硅等在生产、信息技术、材料科学等领域的应用通过硅与碳的比较学习，引导学生学会运用对比的方法来认识物质。通过对硅酸盐材料及硅的用途学习，使学生了解新型无机非金属材料，培养学生热爱科学的情感。重点难点知识结构

硅、硅酸盐的丰富性和多样性通过学习，掌握研究非金属元素单质及化合物的一般方法二、硅盐(silicate)1、义：硅盐是由硅、、金属组成的化合的总称2、酸钠(1)物理性：白色体，易溶于，水溶俗称水玻璃泡花碱是一种泡碱(2)化学性：相对定，不能燃，不易腐蚀，热稳定强3、示方法原则：属氧化物（活泼------较不活）与板

方法：eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(○,)找组成素eq\o\ac(○,3)eq\o\ac(○,)原子个比不变

eq\o\ac(○,2)eq\o\ac(○,)写成氧化的形式eq\o\ac(○,4)eq\o\ac(○,)检查有无漏书设计

三、硅单质1、在形态有晶体硅和定形硅种同素异形2、体结构正四面体形3、理性质灰黑色具有属光泽固体、熔点、硬度、质脆、导电性于导体和绝体之间是好的半导材料。4、学性质(1)常温下反应：

↑+2H↑

222224222232232232222242222322322322222422223223Si+2NaOHO==+2H↑(2)高温下反应：

2

高

2

高

45、的制备(1)工业上粗硅+2C

高

Si+2CO↑石英砂

焦炭

电炉中

粗硅(2)由粗硅纯硅

2

高

4

+2H

高

Si+4HCl教学过教学步、内容［考SiO与CO在理、化学性质方面有哪些相似性和不同之处［影顾

教学方、手段、生活动CO

2

SiO

2物理性质

无色无味气体，熔沸点都很低，微溶于水，存在于空气中

灰黑色固体，熔沸点都很高，不溶于水，存在于岩石中，俗名硅石、石英、水晶，纤维、玻璃、硅藻土中都大量含有化学

和碱+CaO==CaCO性氧

SiO

高

CaSiO性质

化物和碱

CO+2NaOH==NaCOO+2NaOH==NaSiO+H和酸和水

--------CO+HO===H

SiO↑--------［顾上节课我们提到，用可溶性硅酸盐NSiO来备HSiO。实上，在自然界中，硅酸盐是构成地壳岩石的主要成分，大多数硅酸盐是不溶于水的。自然界中存在的各种天然硅酸盐矿物约占地壳总质量的。［板书二、硅酸盐(silicate)1、义：硅盐是由硅、、金属组成的化合的总称［］酸盐结构复杂，一般不溶于水，性质很稳定。最简单的硅盐是硅酸钠，下面我们主要研究一下硅酸钠的性质［板书2、硅酸钠(1)物理性：白色体，易溶于，水溶俗称水玻璃泡花

22222224碱，是种泡花碱［影验P77实验4-2、放入蒸馏水

放入NaSiO饱溶液现象

当水分蒸发后燃烧

当水分蒸发后不易燃烧结论

用水玻璃浸泡过的木材或织物可防火［板书(2)化学性质：对稳定不能燃烧，易被腐，热稳定强［］酸盐的种类很多，结构复杂，为了方便记忆和计算，常用化物的形式表示硅酸盐的组成［板书3、表示方法：原则：属氧化物（活泼------较不泼）方法：eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(○,)找组成素eq\o\ac(○,3)eq\o\ac(○,)原子个数不变

eq\o\ac(○,2)eq\o\ac(○,)写成氧化的形式eq\o\ac(○,4)eq\o\ac(○,)检查有无漏［影例、请用氧化物的形式表下列硅酸盐的组成：硅酸钠（Na

SiO）—————————镁橄榄石（Mg）——————————高岭土{Al(SiO}——————————［］酸盐材料具有很多优良的性能，为我们的生活、为人类的技进步作出了很大的贡献。受传统陶瓷某些特殊性能的启发，科技工作者在此基础上进行了一次又一次的创新，又研制出了许多种组成不同、性能更特殊的新型陶瓷。请大家阅读教材上的科学视野。［影传统硅酸盐材料：陶瓷：日用器皿、建筑饰材、卫生洁具玻璃：水泥：以黏土和石灰石为主要原料具有特殊功能的含硅物质：碳化硅（金刚砂）硅钢：导磁性良好，用作变压器铁芯硅橡胶分子筛：具有均匀微孔结构的铝硅酸盐生物陶瓷：人造骨［］然硅的化合物很多，随处可见，而且从远古时期人类就已学会加工和使用陶瓷，但是硅的单质却到很------18世纪上半叶才制出来。硅别看起来灰溜溜的它己及化合物的作用却大得很大到高科技领域，小到我们的周围，到处都有Si其化合物的踪影，当今电子工业的飞速发展是人们对Si的质的认识息息相节我们就来学习及化合物的有关知识。［板书三、硅(silicon)单

2244222