2023年材料物理性能复习题.pdf

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1、材 料 物 理 健 惋 为 噩 易 解 冬材料的热学性能2-1 计算室温(2 98 K)及 高 温(1 2 7 3 K)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。(1)当 T=2 98 K,Cp=a+bT+c T2=8 7.5 5+1 4.96*1 0 3*2 98-2 6.6 8*1 05/2 982=8 7.5 5+4.4 6-3 0.0 4=6 1.97 *4.1 8 J/m o l.K(2)当 T=1 2 7 3 K,Cp=a+bT+c T-2=8 7.5 5+1 4.96*1 0-3*1 2 93-2 6.6 8*1 05/1 2 7 32=8 7.5 5+1 9

2、.3 4-1.6 5=1 0 5.2 4*4.1 8 J/m o l.KE3 8.9 J/m o l.K据杜隆-珀替定律：(3 Al2O3.2 S i O4)Cp=2 1*2 4o 94=5 2 3.7 4 J/m o l.K可 见，随 着 温 度 的 升 高，,趋近按。“/。叮-6 山定律所得的计算值。2-2 康 宁 1 7 2 3 玻璃(硅酸铝玻璃)具有下列性能参数：X=0.0 2 1 J/(c m.s.);a =4.6*1 0 7 ;。p=7.OKg/m m2.E=6 7 0 0 Kg/m m2,u=0.2 5.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：7*9.8*1 0 6

3、*0.7 5=1 7 0。aE 4.6*10-6*6700*9.8*106第二冲击断裂抵抗因子：-)=1 7 0*0.0 2 1=3.5 7 J/(c m.s)aE2-6 Na Cl 和 KC1 具有相同的晶体结构，它们在低温下的De bye 温度0 D 分别为3 1 0 K和 2 3 0 K,KC1 在 5 K 的定容摩尔热容为3.8*1 0-2 J/(K.m o l),试计算Na Cl 在 5 K 和 KC1 在 2 K 的定容摩尔热为 根据德拜模型的热容懿论，当温度 很 低(7 0)时有C aU/M t(工)3容。5%23对于KC7 有，C(2 A：)=x3.8 xl 0 2=2.4 3

4、 xl O-3J-W -Ar-23O3对于N ag,C：(5 K)=rX 3.8 x1 0-2 =1.5 5 x 1 0 1 J.加。尸,爪-i3 1 032-7 证明固体材料的热膨胀系数不由于含均匀分散的气孔而改变。对 于 复 合 材 料 有 耳=.次，(叱 S由 于 空 气 组 分 的 质 量 分 数 叱0,K,W,/q所 以 气 孔 不 影 响 耳，也 不 影 响 访。3材料的光学性能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(l-m)2解：%1 =M w =w，+w 匕/一 丫一”其折射光又从玻璃与空气的另一界面

5、射入空sin r w+气则 W，W/.v-=I-/M /.-=(I W)W w 73-2 光通过一块厚度为1m m 的透明AI2O3板后强度减少了 15%,试计算其吸取和散射系数的总和。解：I=Ioe(a+S)x 0.85=e-(a+s0 a +s=-10 In 0.85=1.625 cm-3-3 有一材料的吸取系数a=0.32cm-l,透明光强分别为入射的10%,20%,50%及 80%时，材料的厚度各为多少？解:/(步一小eax=-axx=In X.=72cm,I。I。032X?In 0.2 In 0.5 In 0.8 八-=5.03cm,X3=-=2.17 cmX 4=-=0.697cm

6、0.32 3 0.32 4 0.323-4 一玻璃对水银灯蓝、绿谱线入=4358A和 5461A 的折射率分别为1.6525和 1.6245,用此数据定出柯西Cauchy近似经验公式 =A+工 的常数A 和 B,然后计算对钠黄线九=5893A的折射率n 及色散率dn/d入值。A=1.5754 1 4643 xlO6A=589即力 2 =1.5754+,=1.61768=1.4643x1()6 58932n解：“B 6 5 2 5 M+砌1.6245=A+?54612色散率：=(比I*_28片=T.431 x IO3-7.一光纤的芯子折射率n尸1.62,包层折射率“2=1.52,试计算光发生全反

7、射的临界角0c.解：6 c=sin B=sin(寤)=1.218=6984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，经数学回归分析得出关系式为：lgcr=A+*(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,a 1 =1 O-9(Q.c/n)-1 T2=1000K,o 2=10-6(Q.C 2)T 计算电导活化能的值。解：(1)a =lO,A+B m ln a =(A+B/T)ln lO a=e(A+B/r),n=e,n,(,Ae(lna B m=A le(-w,kT)W=InlO.BA 式中 k=0.84*K)T(eV/K)(2)lglO

8、-9=A+B/500 lgl()F=A +8/1000 B-3000W-ln0.(-3)*0.86*ia4*5005.94*10-4*5000.594eV4-3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 可近似表达为：=N e x p(-E J2 Z 为 式 中 N 为状态密度，k 为波尔兹曼常数，T 为绝对温度。试回答以下问题：(1)设 N=10 2 3 c m-3,k=8.6 *l()-5 e V.K 时，S i(E g=l.le V),T i C)2(E g=3.0 e V)在 室 温(2 0)和 5 0 0 时所激发的电子数(c m b 各是多少：(2

9、)半导体的电导率。(Q 1.c m-1)可表达为b=e 式中n 为载流子浓度(c m),e为载流子电荷(电荷1.6*1流子)，U为迁移率(c m2 V L s )当 电 子(e)和 空 穴(h)同时为载流子时，o-=nee/Je+/4 假定 S i 的迁移率 u e=14 5 0(c m2 v L s ),u h O O C c m V .s1),且不随温度变化。求 S i 在 室 温(2 0 )和 5 0 0 时的电导率解：(1)S i 2 0 C n=102 3e x p(-l.l/(2 *8.6*10-5*2 9 8)=10：*e 2 L 8 3=3.3 2*10；lc m 5 0 0

10、n=I O2 3 e x p(-1.1/(2 *8.6 *I O-5*7 7 3)=102 3*e-8=2.5 5*1019 c m 3T i O2 2 0 n=102 e x p(-3.0/(2*8.6*10-5*2 9 8)=1.4*10 ：，c m 35 0 0 =10”e W-3 O/(2*8.6*K)T *7 7 3)=1.6*10 c m 3(2)2 0 a=nee/ae+nhenh=3.3 2*10,3*l.6*10 19(14 5 0+5 0 0)=1.0 3*10 2(Q-.c m1)5 0 0 =nee/de+=2.5 5*10l9*l.6*10H 9(14 5 0+5 0

11、 0)=7 9 5 6 (Q-.c m1)4-6 一 块 n 型硅材料，掺 有 施 主 浓 度=1.5 x 10 /W,在 室 温(T=3 0 0 K)时本征载流浓度n,.=1.3 x 10 陞/)枣 将 瞥 甥 漕 喇 簪 咯 肉 子 浓 度 和 少 数 载 流 子 浓 度。解二J P o =去=1.13 x 1 0 9 /加(少子)。4-10 3 0 0 K 时，错 的 本 征 电 阻 率 为 4 7 C.c m,如电子空求本征错的载流子浓度分别为3 9 0 0 cm2/V.s和 19 0 0 cm2/V.5 .求本征错的载流子浓度.解:6=“+)P-,n.=-?-=-2-=2.2 9 x

12、 lOl3/c/n3 8 4(“+/)4 7 x 1.6 x l0-19x (3 9 0 0+19 0 0)4-11本征硅在室温时电子和空穴迁移分别为13 5 0。?？/V.s 和 5 0 0 c7 2/V.S,当掺入百万分之一的A s 后，设杂质所有电离，试计算其电导率.比本征硅的电导率增大了多少倍？解:3 0 0 K H寸 S i 的=1.3 x 10 /cm35 =鹏 皿+/p)=1.3 x l0 x l.6 x l 0-19 x (13 5 0 +5 0 0)=3.8 5 x 10-6Q -cm又 .本征S i的密度T V,=5 x 102 2/cm3,!i!l J nD=5 x 10

13、16/cm3c r nDqjHn=5 x 1016 x 1.6 x 10-19 x 13 5 0=10.8 Q-1-cm-A =10.8/3.8 5 x 10-6=2.8 x 1065材料的磁学性能5-6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互换互相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)充足条件:互换积分A 05-7超互换作用有哪些类型？为什么A-B型的作用最强？答：具有三种超互换类型:A-A,B-B和A-B由于金属分布在A位和B位，且A位和B位上的离子磁矩取向是反平行排列的.超

14、互换作用的强弱取决于两个重要的因素：1)两离子之间的距离以及金属离子之间通过氧离子所组成的键角弧2)金属离子3 d电子数目及轨道组态.A-B 型 垢=1 2 5 9 ;2=1 5 0 3 4 A-A 型。3=7 9 3 8 B-B 型+4=9 0 ;4 5=1 2 5 2 由于弧越大，超互换作用就越强，所以A-B型的互换作用最强.5-8论述各类磁性x -T的互相关系5-1 4.比较静态磁化与动态磁化的特点材料受磁场作用磁滞回归线包围面积磁损耗静态磁化静态磁场大静态磁滞损耗动态磁化动态磁场小磁滞损耗，涡流损耗，剩余损耗6-1金 红 石(T i O2)的介电常数是1 0 0,求气孔率为1 0%的一

15、块金红石陶瓷介质的介电常数。解:%，=1 0 0,Xm=0.9；,七=4.0 9 6 4.16-4假如A原子的原子半径为B的两倍，那么在其它条件都是相同的情况下，原子A的电子极化率大约是B的多少倍？解:.电子极化率%=4在oR XR RA=2RB=8%,.B6-5 为什么碳化硅的电容光焕发率与其折射率的平方n2相等解：麦克斯韦电磁场理仑丫 =三,折射率=c，=向w v由于SiC属于非铁磁性物质=1 n=-Js,n2-题库一、填空题14、杜隆一伯替定律的内容是：恒压下元素的原子热容为 25J/Kmol。15、在垂直入射的情况下，光在界面上的反射的多少取决于两种介质的相对折射率。18、导电材料中载

16、流子是离 子、电子 和空位。19、金属材料电导的载流子是自由电子,而无机非金属材料电导的载流子可以是曳壬、也生空穴,或 离 子、离子空位。20、晶体的离子电导可以分为离子固有电导/或本征电导和 质电导两大类。21、电子电导的特性是具有霍尔效应 效应,离子电导的特性是具有电解效应。22、晶体中热阻的重要来源是声 子 间碰撞引起的散射.2 3.在半导体材料中，载流子散射重要有两方面的因素：电离杂质散射和 晶格振动散射。27、本征半导体硅的禁带宽度是1.14eV,它能吸取的辐射的最大波长为1087.6 nm。（普朗克 恒 量 h=6.63xl0-34Js,leV=1.6x10*）23、超导体的两个基

17、本特性是完 全 导 电 性 和完 全 抗 磁 性。24、介质的极化有两种基本形式：松弛极化和 位移式极化。25、BaTiOi电介质在居里点以下存在电子位移极化、离子位移极化、离子松弛极化和 自发极丝四种极化机制.17、热击穿的本质是介质在电场中生,介质损耗发热，当热量在材料内积累，材料温度升高，当出现永久性损坏。26、电介质的击穿形式有电 击 穿,热击穿和 化学击穿 三种形式。29、对介质损耗的重要影响因素是频 率 和 温 度。29、物 质 的 磁 性 是 由 电 子 的运动产生的.30、材料磁性的本源是材料内部电子的循 轨 和自旋运动。31、材料的抗磁性来源于 电子循轨运动 时受外加磁场作用

18、所产生的抗磁矩。二、选择题1 0.下列极化形式中不消耗能量的是（B）.（A）.转向极化（B）.电子位移式极化12、下列叙述对的的是（A）（A）一条形磁介质在外磁场中被磁化,（B）一条形磁介质在外磁场中被磁化,（C）一条形磁介质在外磁场中被磁化,（C）.离子松弛极化（D）.电子松弛极化该介质一定为顺磁质；该介质一定为抗磁质；该介质一定为铁磁质；（D）顺磁质，抗磁质，铁磁质在外磁场中都会被磁化。1 3、一种磁介质的磁化率K =-9.8 x 1 ,则 它 是（B ）（A）铁磁质；（B）抗磁质；（C）顺磁质：（D）无法判断，若要判断，还须此外条件。三、名词解释7、压电性某些晶体材料按所施加的机械应力成

19、比例地产生电荷的能力。8、电解效应离子的迁移随着着一定的质量变化，离子在电极附近发生电子得失，产生新的物质。9、逆压电效应某些晶体在一定方向的电场作用下，则会产生外形尺寸的变化，在一定范围内，其形变与电场强度成正比。1 5、电介质在外电场作用下，能产生极化的物质。1 6、极化介质在电场作用下产生感应电荷的现象。1 7、电介质极化在外电场作用下，电介质中带电质点的弹性位移引起正负电荷中心分离或极性分子按电场方向转动的现象。1 8、电子位移极化（也叫形变极化）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叫电子位移极化，也叫形变极化。1 9、离子位移极化离子晶体在电场作用下离子间的

20、键合被拉长，导致电偶极矩的增长，被称为离子位移极化。20、松弛极化当材料中存在着弱联系电子、离子和偶极子等松弛质点时，热运动使这些松弛质点分布混乱，而电场力图使这些质点按电场规律分布，最后在一定温度下，电场的作用占主导，发生极化。这种极化具有记录性质，叫作松驰极化。松驰极化是一种不可逆的过程，多发生在晶体缺陷处或玻璃体内。21、电介质的击穿电介质只能在一定的电场强度以内保持绝缘的特性。当电场强度超过某一临界值时，电介质变成了导体，这种现象称为电介质的击穿，相应的临界电场强度称为介电强度或击穿电场强度。22、偶 极 子（电偶极子）正负电荷的平均中心不相重合的带电系统23、介质损耗将电介质在电场作

21、用下，单位时间消耗的电能叫介质损耗。24、顺磁体原子内部存在永久磁矩，无外磁场，材料无规则的热运动使得材料没有磁性.当外磁场作用，每个原子的磁矩比较规则取向，物质显示弱磁场。25、铁磁体重要特点:在较弱的磁场内，铁磁体也可以获得强的磁化强度，并且在外磁场移去,材料保存强的磁性.因素:强的内部互换作用，材料内部有强的内部互换场，原子的磁矩平行取向,在物质内部形成磁畴27、铁电体可以自己极化的非线性介电材料，其电滞回路和铁磁体的磁滞回路形状相近似。30、霍尔效应沿试样x 轴方向通入电流I（电流密度JX）,Z 轴方向加一磁场H Z,那么在y 轴方向上将产生一电场Ey。31、固体电解质固体电解质是具有

22、离子导电性的固态物质。这些物质或因其晶体中的点缺陷或因其特殊结构而为离子提供快速迂移的通道,在某些温度下具有高的电导率（I106西门子/厘米），故又称为快离子导体。四、简答题14、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：（】）、提高材料强度c,减小弹性模量E,使 M E提高一一提高材料的柔韧性，能吸取较多的弹性应变能而不致开裂，提高了热稳定性。（2）、提高材料的热导率Q（3）、减小材料的热膨胀系数a;（4）、减小材料的表面热传递系数h;（5）、减小产品的有效厚度。17、提高无机材料透光性的措施有哪些？答：（1）提高原料的纯

23、度（2）添加外加剂:一方面这些质点将减少材料的透光率,但由于添加这些外加剂将可以减少材料的气孔，从而提高材料的透光率（3）工艺措施:采用热压法比普通烧结法更容易排除气孔，即减少气孔，将晶粒定向排列将可以提高材料的透光率22、何谓双碱效应？以 K2O,Li?。氧化物为例解释产生这种现象的因素。答：双碱效应是指当玻璃中碱金属离子总浓度较大时（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,U2O氧化物中，K+和 Li+占据的空间与其半径有关，由于（n?n/）,在外电

24、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+只能通过自身的空位。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，迁移率也减少。23、何谓压碱效应？解释产生这种现象的因素。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，使玻璃的电导率减少，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

25、减少。如用二价离子取代碱金属离子，也得到同样效果。2 9、介质损耗的形式有哪些？答：（1）电 导（漏导）损 耗（1分）（2）极 化 损 耗（1分）（3）电 离 损 耗Q分）（4）结 构 损 耗（1分）（5）宏观结构不均匀的介质损耗（1分）3 3、为什么说所有的物质都是磁介质？（5分）答：材料磁性的本源是材料内部电子的循枕和自旋运动（2分）。而物质的磁性是由电子的运动 产 生 的（1分）。任何物质都是由电子和原子核组成的，所以说所有的物质都是磁介质（2分）。3 4、下图为铁磁性材料的典型磁滞回线，试根据该图回答以下问题：（1 3分）（1）从图中分别读出饱和磁感应强度、矫顽力、剩余磁感应强度；（3

26、分）（2）什么是磁滞效应？应如何计算磁滞损耗？（4分）（3）根据磁滞回线的形状，可将磁性材料分为哪两种材.料，并分别说明这些材料的重要性能标志。（6分）答：（1）饱和磁感应强度为B s,矫顽力为H e,剩余磁感应强度为B r;（3分）（2）磁滞效应是指铁磁材料的磁感应强度的变化总是落后于磁场强度的变化，是铁磁材料的重要特性之一。（2分）磁滞损耗的计算：磁滞回线所包围的面积即为磁化一周所产生的能量损耗，亦为磁滞损耗。（2分）（3）根据磁滞回线的形状，可将磁性材料分为软磁材料和硬磁材料。（2分）软磁材料的重要性能标志：磁滞回线细小，高导磁率、高的磁感应强度、小的剩余磁感应强度、低的矫顽力、低的磁滞损耗。（2分）硬磁材料的重要性能标志：磁滞回线宽肥，具有高的矫顽力、高的剩余磁感应强度、高的磁能积等。（2分）