无机材料物理性能考试试题及答案

1、无机材料物理性能试题和答案一、填补(18 )1 .声子的准粒子性表示声子的运动量不确定，系统中的声子数不存储。2 .在施加电场e的作用下，偶极矩具有p点的双极子的势能U=-pE表示，在偶极矩的方向与外电场相同时，能量最低，在反向时，能量最高。3. TC为正的温度补偿材料具有开放结构，内部结构单位发生大的旋转。4 .钙钛矿型结构是由1个Ti、1个Ca和3个氧的简单立方晶格组合购买的5 .弹性系数ks的大小实质上反映了原子间势能曲线的极小值的峰度的大小。6 .根据格里菲斯的微裂纹理论，材料的破坏强度是由裂纹的大小(即最危险的裂纹尺寸或临界裂纹尺寸)来确定的，而不是由裂纹的数量来确定的。7 .制造微

2、晶、高密度和高纯度材料的依据是材料脆性破坏的影响因素，有晶粒尺寸、气孔率、杂质等。8 .粒子强化材料的机制是，粒子可以防止基体内的变位运动，通过粒子的塑性变形吸收一部分能量，达到强化的目的。9 .复合体产生热膨胀滞后的原因是，在不同的相间或晶粒的不同方向上膨胀系数的差异大，产生大的内部应力，在基体上产生了微裂纹。10 .裂缝有开放型、滑动型、裂开型三种扩张方式11 .格波：晶格中的所有原子以相同频率振动而形成的波，或某原子以在平衡位置附近振动的波的形式在结晶中传播而形成的波二、名词解释(12 )自发极化：极化不是由外电场所引起的，而是由极性结晶的内部结构特征引起的，结晶中的各个单位晶格存在固有

3、的偶极矩，该极化机构为自发极化。破坏能：一种组织敏感参数，能在破坏过程中起到抵抗作用，不仅受到成分、结构的影响，还受到微观缺陷、微观结构的影响。 包括热力学表面能、塑性变形能、微裂纹形成能、相变弹性能等。电子的共有化运动：原子构成结晶后，由于电子壳层的重叠，电子不完全受某个原子约束，可以从某个原子的电子壳层移动到相邻原子的相似壳层，因此电子可以在结晶中移动。 这种运动被称为电子共享运动。平衡载流子和非平衡载流子：在一定温度下，在半导体中由热激励产生的载流子成为平衡载流子。 通过施加外界条件(施加电压、光)，人为地增加载波数，将比热平衡载波数多的载波称为非平衡载波。三、简单解答(13 )1 .玻

4、璃是无序的网络结构，有滑动系统，并不呈脆性，为什么能在高温下变形？a :因为很长的路没有秩序，很多原子不在势曲线的山谷里。高温下，几个原子键很弱，在小的应力下可以切断这些原子间的键的原子迁移附近的空隙的位置，会引起原子的位移和变位。 不需要初期屈服应力就能使粘性流动变形。 因此，玻璃在高温下变形。2 .媒体损失的记述方法是什么？ 其本质一致吗？a :损耗角正切、损耗系数、损耗角正切的倒数、损耗功率、等效电导率、复介电常数的复项。 很多方法对材料来说都关系到同样的现象。 也就是说，实际介质的电流相位延迟到理想介质的电流相位。 因此，它们的本质是一致的。3 .简述提高陶瓷材料耐热冲击破坏性能的措施

5、。a:(1)提高材料的强度sf，减小弹性模量e。 (2)提高材料的热传导率c。 (3)减小材料的热膨胀系数a。 (4)减小表面的传热系数h。 (5)减小产品的有效厚度rm。4 .晶面发生滑动的条件是什么？简要叙述其原因。a :发生滑动的条件：面间隔大(面间力弱)各面为相同电荷的原子，与折动面的电荷相反(滑动时，没有静电排斥力的作用)滑动矢量(佩斯矢量)小。 (消耗能量小，容易滑动)5 .为什么常温下很多陶瓷材料不能发生塑性变形，显示脆性破坏？a :陶瓷多晶体的塑性变形不仅受构成材料的晶体本身的控制，还受晶界物质的很大控制。 因此，在多晶塑性变形中，结晶中的变位运动发生塑性变形，晶粒和晶粒间的晶

6、界的相对折射； 空位的扩展粘性流动。 在常温下，由于非金属结晶和晶界的结构特征难以实现塑性变形。 另外，由于材料中经常存在微裂纹，如果外部应力没有使塑性以足够的速度运动，该应力可能超过微裂纹发展所需的临界应力，最终导致材料的脆性破坏。四、分析问题(30 )1 .多晶多相无机材料中裂纹的产生和快速发展的原因是什么？防止裂纹发展的措施是什么？a :裂纹产生的原因(1)由于结晶微观结构有缺陷，外力作用时，这些缺陷会引起应力集中，裂纹成为核，例如位错在材料中在运动会上受到各种障碍： (2)材料表面的机械损伤和化学腐蚀形成表面型的图案这样的表面裂纹(3)因热应力而形成裂纹。 许多陶瓷是多晶多相体，晶粒在

7、材料内部取向不同，热膨胀系数因相而异，因此各种方向的膨胀(或收缩)导致晶界或相边界出现应力集中，产生裂纹。 (4)由于晶体的各向异性，弹性模量的各向异性导致晶粒间存在应力，该应力超过材料的强度时会产生微裂纹。 快速发展的原因根据格里菲斯的微裂纹理论，材料的破坏强度不是由裂纹的数量，而是由裂纹的大小，即最危险的裂纹尺寸(临界裂纹尺寸)决定，当裂纹超过临界尺寸时，裂纹迅速发展并破裂裂纹扩展的动力，随着c增加，g也变大，因为是常数，所以断裂达到临界尺寸开始扩展时，g逐渐大于4而被破坏。 相对于脆性材料，龟裂的最初发展是破坏过程的临界阶段，因为脆性材料几乎吸收大量的能量，没有塑性变形。 防止裂纹扩展的

8、措施微晶、高密度和高纯度、预应力、化学强化、相变强化、韧性相(金属粒子等)分散强化在材料中、纤维强化复合材料等2 .比较同一组成的单晶、多晶、非晶无机材料的热传导率的温度变化。a :无机材料的热传导主要是低温下的声子传导和高温下的声子传导，点缺陷的散射晶界散射； 重排散射。 (2)相对于结晶，在低温下，仅考虑声子间的碰撞，碰撞的概率与exp(-qD/2T )成比例，但声子平均自由行程比例exp(qD/2T )即温度越高，平均自由行程越小，并且热容量与温度的三次方成比例，因此，结晶的热传导率在低温下随着温度的提高，平均自由程必须按原子大小级变小，热容量在高温下是一定的，所以在高温下结晶的热传导率

9、不会随温度变化。 但是，随着温度的持续上升，光子的热传导不可忽视，但光子的热传导率与温度的三次方成比例，所以热传导率随着温度的上升而增大。 同组成的多晶体，晶粒尺寸小，晶界多，缺陷多，晶界杂质多，声子散射大，因此多晶和单晶的同一物质多晶体的热传导率比全单晶小。 关于无定形相，可以看作是由直径数晶格间距的极细晶粒构成的多晶体。 因此，其平均自由行程小，并且几乎不随温度变化，所以热传导率仅随热容量变化。 (3)单晶和非晶质的热传导率随温度变化的关系图(省略图示)非晶质的声子热传导率在所有温度下比结晶小，两者在高温下比较接近的两者的曲线的较大差异是，结晶有峰值。 由于非晶材料特有的无序结构，声子的平

10、均自由程被限制在几个单位晶格间距的水平上，所以成分的影响很小。3 .分析了各种电极化微观机制对介电常数的影响。a :构成物质的带正负电的粒子，例如电子、离子等在外电场的作用下位移，形成偶极矩，通过方向转换表现宏观极化强度，这些过程的完成分为两种：第一种，弹性的，瞬间完成的，消耗能量其次，涉及热运动，其完成需要一定的时间，不弹性，需要消耗一定能量的缓和极化。 因此，电极化微观机制有电子位移极化、离子位移极化、电子、离子缓和极化、空间电荷极化、转向极化等。 材料的极化率c、极化强度p与介电常数er的关系：从P=e0(er-1)E、P=e0cE的分析来看，容易极化的材料的介电常数也大，因此材料的极化

11、能够提高介电常数。 但是，由于各种极化现象所需的时间不同，是否发生极化与该极化机制和施加电场的频率有关，电子位移的激化时间短，其极化范围在直流和光频率之间，即比光频率高的电场不能使电子位移极化，比光频率小的电场使电子位移量同样，离子位移极化、弛豫极化、空间电荷极化分别在直流和红外线之间、直流和超高频之间、直流和高频之间影响介电常数。 其影响是位移极化比缓和极化小。分析固体材料热膨胀的本质a :来源于材料内部的质点间的相互作用关于质点的平衡位置是不对称的。五、计算问题(27 )1 .根据标准线性固体模型，推导应力s和应变e的关系式的双曲正切值。这里，=，=答案：根据串联并联条件：(1)= =(2

12、) s3=h(3)(4) s=s1 s2(5) s1=E1e1(6) s1=s3(7) s2=E2e2(8)=E2=E2(9)=E1解方程式得到2 .实际使用应力为1.30GPa，甲钢： sf=1.95GPa，K1c=45Mpam 12乙钢： sf=1.56GPa，K1c=75Mpam 12根据经典的强度理论和破坏强度理论进行选择，并说明结果。 (最大裂纹尺寸为1mm，几何形状因子Y=1.5 )a :经典强度理论的破坏标准： ssf/n应用传统强度理论的传统设计：得到：钢铁安全系数： 1.5，钢铁安全系数1.21.5。 因此，甲钢选择比乙钢安全。 断裂强度理论的断裂标准： KI=s(pc)1/

13、2KIC :钢铁的断裂应力： 1.0GPa1.30GPa； 由于乙钢的破坏应力为1.57GPa1.30GPa，甲钢的不安整体引起低应力破坏，乙钢安全可靠。 通过上述分析，两种设计方法得到了完全相反的结果。 由于断裂力学考虑了材料中裂纹尖端引起的应力集中，因此从断裂力学的角度设计材料安全可靠，能充分发挥材料的强度，合理使用材料。 传统材料的设计观点是，单方面追求高强度，结果不仅不安全，而且还埋没了非常合适的材料。已知金红石陶瓷介质的体积密度为4.24g/cm3，分子量为79.9，aeTi4=0.27210-24cm3，aeO2-=2.7610-24cm3，用克方程式计算该介质在光频率下的介电常数，实测e=7.3a :克方程式是(er-1)/(er 2)=SniaI/3e0光频率，只有