材料科学与工程基础作业讲评-9.pptx

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1、 =hc/Eg=0.55m h=6.62*10-34J.s/1.6*10-19=4.13*10-15eV.s c =3*108m.s-1 对波长对波长0.550.7 m的的可见光透明可见光透明 R=（n1-1）2/（n1+1）2=0.053 T=（1-R）2e- l； 0.85=（1-0.053）2e- *0.02； =2.6 T=（1-R）2e- l =0.80819.9 Compute the velocity of light in calcium fluoride (CaF2 ), which has a dielectric constant r of 2.056 (at frequ

2、encies within the visible range) and a magnetic susceptibility of-1.43 10-5.r r=1+=1+m m=1-0.0000143=0.9999757=1-0.0000143=0.9999757n=（r rr r）1/21/2=1.43=1.43v=c/n=2.10v=c/n=2.1010108 8m/sm/s另解：另解： r=/0, =0 r r= / 0, = 0 r19.19 The fraction of nonreflected radiation that is transmitted through a 10-

3、mm thickness of a transparent material is 0.90. If the thickness is increased to 20 mm, what fraction of light will be transmitted?I IT T=I=I0 0（1-R1-R）2 2e e-l-l=I=I0 0e e-l-l0.9=e0.9=e-l-l=e=e（-0.010.01） =10.54=10.54IT=I0e（-0.020.02）=0.81I=0.81I0 019.22 Briefly explain what determines the characte

4、ristic color of (a) a metal and (b) a transparent nonmetal.金属：吸收和再发射金属：吸收和再发射透明非金属：透射、透明非金属：透射、部分吸收（选择性吸部分吸收（选择性吸 收）。收）。 19.24 The index of refraction of quartz is anisotropic. Suppose that visible light is passing from one grain to another of different crystallographic orientation and at normal inc

5、idence to the grain boundary. Calculate the reflectivity at the boundary if the indices of refraction for the two grains are 1.544 and 1.553.R=（n2-n1）2/（n2+n1）2 =（1.553-1.544）2/（1.553+1.544）2 =8.42710-619.25 Briefly explain why amorphous polymers are transparent, while predominantly crystalline poly

6、mers appear opaque or, at best, translucent.半晶聚合物，结晶与非晶区密度差异造半晶聚合物，结晶与非晶区密度差异造成折射指数差异，成折射指数差异，当晶区尺寸大于可见当晶区尺寸大于可见光波长，造成光散射光波长，造成光散射，造成不透明或半造成不透明或半透明。透明。吸收吸收：光穿过介质时，引起介质的价电子跃迁，或：光穿过介质时，引起介质的价电子跃迁，或使原子振动而消耗能量，或因电子能量转变成分子的动使原子振动而消耗能量，或因电子能量转变成分子的动能即热能，从而构成光能衰减。能即热能，从而构成光能衰减。反射反射：光在两相交界面上返回入射相中：光在两相交界面上返

7、回入射相中透射透射：光在两相交界面上进入透射相中：光在两相交界面上进入透射相中旋光性旋光性：偏振光的偏振面转过一定角度：偏振光的偏振面转过一定角度非线性光学性质非线性光学性质：分子在强光场的作用会产生极化：分子在强光场的作用会产生极化光泽光泽：材料表面某一方向反射光较强：材料表面某一方向反射光较强发光发光：材料吸收高能辐射，然后发射可见光：材料吸收高能辐射，然后发射可见光19.7 (a) Briefly explain why metals are opaque to electromagnetic radiation having photon energies within the vis

8、ible region of the spectrum. (b) Why are metals transparent to high-frequency x-ray and -ray radiation? 高能级高能级(价带）只部分填充电子，具有可见光频价带）只部分填充电子，具有可见光频率的辐射，会激发电子到费米能级以上的空能级率的辐射，会激发电子到费米能级以上的空能级（吸收再发射光子）。（吸收再发射光子）。 对高频辐射无吸收对高频辐射无吸收(不会产生电子跃迁，因不会产生电子跃迁，因为没有合适的空轨道为没有合适的空轨道 )19.13 It is desired that the reflec

9、tivity of light at normal incidence to the surface of a transparent medium be less than 5.0%. Which of the following materials in Table 19.1 are likely candidates: sodalime （石灰钠）（石灰钠）glass, Pyrex glass, periclase（方镁石）（方镁石）, spinel（尖晶石）（尖晶石）, polystyrene, and polypropylene? Justify your selections.R=

10、R=（ns-1ns-1）2 2/ /（ns+1ns+1）2 2soda-lime glasssoda-lime glass：R=R=（ns-1ns-1）2 2/ /（ns+1ns+1）2 2= =（1.458-11.458-1）2 2/ /（1.458+11.458+1）2 2=0.0347=0.0347Pyrex glassPyrex glass：R=R=（ns-1ns-1）2 2/ /（ns+1ns+1）2 2=(1.47-1)=(1.47-1)2 2/(1.47+1)/(1.47+1)2 2=0.03615=0.03615periclasepericlase：R=R=（ns-1ns-1）

11、2 2/ /（ns+1ns+1）2 2=(1.74-1)=(1.74-1)2 2/(1.74+1)/(1.74+1)2 2=0.0729=0.0729spinolspinol：R=R=（ns-1ns-1）2 2/ /（ns+1ns+1）2 2=(1.72-1)=(1.72-1)2 2/(1.72+1)/(1.72+1)2 2=0.07=0.07PSPS：R=R=（ns-1ns-1）2 2/ /（ns+1ns+1）2 2= =（1.60-11.60-1）2 2/ /（1.60+11.60+1）2 2=0.05325=0.05325PPPP：R=R=（ns-1ns-1）2 2/ /（ns+1ns+

12、1）2 2=(1.49-1)=(1.49-1)2 2/(1.49+1)/(1.49+1)2 2=0.03873=0.03873soda-lime glasssoda-lime glass、 Pyrex glassPyrex glass、 PP PP are likely candidates19.26 (a) In your own words describe briefly the phenomenon of luminescence. (b) What is the distinction between fluorescence and phosphorescence? （a）吸收能量

13、后发出可见光叫发光吸收能量后发出可见光叫发光 （b）延迟发射延迟发射 10-8 s， 荧光荧光 延迟发射延迟发射 10-2 s 10s，磷光磷光4-71 化学腐蚀、电化学腐蚀和物理腐蚀有哪些区别？试举例化学腐蚀、电化学腐蚀和物理腐蚀有哪些区别？试举例 说明。说明。化学腐蚀化学腐蚀：材料（包括金属材料、无机非金属材料和高分子材：材料（包括金属材料、无机非金属材料和高分子材料）在接触酸、碱、盐、大气、有机溶剂等环境介质时，受到料）在接触酸、碱、盐、大气、有机溶剂等环境介质时，受到环境介质的化学侵蚀作用，引起材料不可逆的化学变化，导致环境介质的化学侵蚀作用，引起材料不可逆的化学变化，导致材料的破坏。

14、材料的破坏。例如例如某些金属在酸性条件下，置换酸中的氢离子某些金属在酸性条件下，置换酸中的氢离子而发生腐蚀。而发生腐蚀。电化学腐蚀电化学腐蚀：金属材料在发生化学腐蚀的同时，伴随有电子的：金属材料在发生化学腐蚀的同时，伴随有电子的迁移，同时金属以离子的形式溶解而发生的腐蚀破坏类型。迁移，同时金属以离子的形式溶解而发生的腐蚀破坏类型。例例如如工业纯的锌放入稀硫酸中工业纯的锌放入稀硫酸中,在杂质和锌晶粒之间有电流流动，在杂质和锌晶粒之间有电流流动，而锌以离子形式溶解的腐蚀。而锌以离子形式溶解的腐蚀。物理腐蚀物理腐蚀：是材料在环境介质作用下，没有化学变化，而是以：是材料在环境介质作用下，没有化学变化，

15、而是以物理变化发生破坏的腐蚀类型。主要是高分子材料。物理变化发生破坏的腐蚀类型。主要是高分子材料。例如例如溶剂溶剂分子渗入到体型高聚物发生溶胀、软化，是强度降低。分子渗入到体型高聚物发生溶胀、软化，是强度降低。 4-74 在一块单向玻纤增强不饱和聚酯单面板中，若纤在一块单向玻纤增强不饱和聚酯单面板中，若纤维直径是维直径是20m，纤维体积分数是纤维体积分数是0.45，Ef=4Gp，Em=80MPa。求（求（a）单位体积界面的面积；（单位体积界面的面积；（b）当该当该复合材料沿纤维方向受到复合材料沿纤维方向受到200MPa拉应力时，玻纤和基拉应力时，玻纤和基体各承受的拉应力是多少？体各承受的拉应力

16、是多少？解（解（a）设该单向板为设该单向板为 1cm1cm1cm = 1cm3正立方体正立方体 单根纤维的体积单根纤维的体积V1 = （0.002cm / 2）21cm = 3.1410-6cm3 单根纤维的界面面积单根纤维的界面面积S1=0.002cm1cm = 0.00628 cm2 则则该该1cm3正立方体单向板复合材料界面面积正立方体单向板复合材料界面面积： Sc = (1 cm3 0.45S1)/V1 = 900cm2b） Ff/Fm = VfEf/(1-Vf)Em = 0.454000MPa / (0.5580MPa) = 40.90 = F/A （假定假定Ac=1m2) F=20

17、0 106N Fc = Ff + Fm = 40.90 Fm + Fm = 200 106N Fm = 4.77 106N Ff =200-4.77=195.23 106N m=4.77 106N /0.55m2=8.68MPa f=195.23 106N /0.45m2=433MPa4-78 一边长为一边长为25mm的立方体用薄铝板和硫化橡胶（厚的立方体用薄铝板和硫化橡胶（厚度分别为度分别为0.5mm和和0.75mm）交替层压制成。问该复合交替层压制成。问该复合板的热导率为多少？（板的热导率为多少？（a）平行板方向平行板方向 （b）垂直板的垂直板的方向方向 （Al=0.22 R=0.0001

18、2 单位单位Js-1m-1K-1）解（解（a a）model:model: 铝板和橡胶板分别都为铝板和橡胶板分别都为25mm /25mm /（1.25mm1.25mm）= 20= 20层层 T2 T1 qAlqRQQ V VA1A1=10/25=0.4=10/25=0.4 V VR R=15/25=0.6=15/25=0.6 l l =V =V A1A1 A1A1 + +V VR RR R =0.4 =0.4* *0.22+0.60.22+0.6* *0.000120.00012 =0.088+0.000072 =0.088+0.000072 =0.088 ( =0.088 ( Js-1m-1

19、K-1 ) (b) Solution: (b) Solution: 因为：因为： 1/1/t t=V =V A1A1 / /A1A1 + +V Vr r/r r =0.4/0.22 +0.6/0.0012=1.82+5000=5001.82=0.4/0.22 +0.6/0.0012=1.82+5000=5001.82t t=1/5001.82=2.0=1/5001.82=2.0* *1010-4 -4 ( Js-1m-1K-1 )qT130.5mm30.75mmT2T3T4115.11 A continuous and aligned fiber-reinforced composite is

20、 to be produced consisting of 30 vol% aramid fibers and 70 vol% of a polycarbonate matrix; mechanical characteristics of these two materials are as follows: Also, the stress on the polycarbonate matrix when the aramid fibers fail is 45 Mpa. For this composite, compute (a) the longitudinal tensile st

21、rength, and (b) the longitudinal modulus of elasticity.(a(a） the longitudinal tensile strength the longitudinal tensile strength clcl= 45 = 45 * * 0.7+ 3600 0.7+ 3600 * * 0.3 0.3 = 31.5+1080 =1111.5(Mpa) = 31.5+1080 =1111.5(Mpa)(b) in terms of Equation :(b) in terms of Equation : E Eclcl=E=Em m(1-V(

22、1-Vf f)+ )+ E Ef f * * V Vf f E Eclcl=2.4=2.4* *0.70.7+131+131* *0.30.3=1.68+39.3 =40.98 =1.68+39.3 =40.98 GPaGPa(15.17)?15.15 (a) Verify that Equation 15.11, the expression for the fiber loadmatrix load ratio (Ff /Fm), is valid.(a)m = f m /Em =f /Ef Fm/Am/Em = Fm/(Am*Em) =Ff/Af/Ef)=Ff/(Af*Ef) Ff/Fm=(Af*Ef)/(Am*Em)=(Ef*Vf)/(Em*Vm) =(Ef*Vf)/Em(1-Vf)Vf=Af*l, Vm=Am*l