07082评分标准A、B课件.docx

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1、山东轻工业学院07/08学年第2学期无机材料物理性能期末考试（A卷）答案一、解释下列专业术语或者符号的物理意义（20分）1、（强度的）尺寸效应同一材料，大试件强度偏低，小试件强度高的现象。2、弹性形变指在外力作用下产生形变，外力除去后可以瞬间恢复的形变。3、 极化率 单位电场强度下，质点电偶极矩的大小。E指局部电场。4、介电强度 在外电场作用下，物体由介电状态变为导电状态，称为介质的 破坏或者介质的击穿，此临界电场强度称为物体的介电强度。5、亚铁磁性两种磁矩方向相反，大小不等产生的自发磁化现象。6、第一类超导体 惟独一个临界磁场，两种状态：超导态和正常态。或者用 图象表不。7、压电常数表示压电

2、材料机电之间的耦合效应。8、应力弛豫如果施加恒定应变，则应力将随时间而减小。9、铁电性晶体具有自发极化， 在外电场作用下自发极化能可逆转动的性质。10、本征电导指晶格中基本质点随着热振动离开平衡位置形成热缺陷，该缺陷的迁移称为本征电导。二、铁原子的原子序数是26,其未被抵消的自旋磁矩是多少？（一个电子的 自旋磁矩近似等于一个玻尔磁子|Jo ） （10分） B22s22P63s23P63d64s2,除 3d 子层外,各层写出铁原子的核外电子排布，1s均被电子添满，自旋磁矩被抵消。 根据洪特规则，电子在3d子层中应尽可能填充到不同的轨道，并且自旋尽量在同一方向上。因此5个轨道除一个必须添入2个电子

3、外，其余4个轨道均惟独一个电子，且这些电子的自旋方向平行，因此总的自旋磁矩为4|j o D要点：1.核外电子排布2.3D电子排布简图T T t T 以及其说明3.答案4 |J 口。 D三、有一构件，实际使用应力为1.3GPa,现有以下两种钢材待选：甲钢， 。 1/21/2ys= 1.95GPa , K|c=45MPa m ；乙钢，“$=1.56, K lc =75 MPam 。设几何形状因子丫=15 最大裂纹尺寸2c=2 mm。试问应该选择哪种钢材？为什么？（ 15分）见教材51页例题。说明两种方法得出截然相反的结果。按照断裂力学 的观点选材，既安全可靠，又能充分发挥材料的强度，合理使用材料。

4、而按 照传统观点，片面追求高强度，其结果非但不安全，而且还埋没了乙钢这种 非常合用的材料。答案要点：1 .传统方法计算；2.断裂力学计算；3.裂纹半长；4.强度高未必 安全；5.两种方法对照讨论。四、在硅单晶中掺入极少量的碑（As）原子，可使硅的导电能力显著增加，请画 出能结构简图，说明导电能力显著增加的原因、形成为了何种半导体。若在材料 表面产生氧气吸附反应，表面电导率如何变化？（本题满分 15分）五价的确与Si形成共价键时多余一个电子，即提供一个施主能级，此能级离导带底很近，只差0.05eV,比满带中的电子容易激发的多，形成电子导电， 使导电能力大大增加。掺入施主杂质的半导体称为 n-型半

5、导体。在此材料表面产生氧气吸附反应，氧气得到电子，使半导体表面空间电荷 层中的载流子浓度减小，形成耗尽层，因此表面电导率降低。答案要点：1 .能带结构简图中附加能级正确；2.简要描述形成n-型半导体过程,；3.负电吸附，电导率降低。五、答案：临界淬冷温差表示在此淬冷温差下，材料中的热应力达到了材料 的强度，材料产生断裂破坏。是材料可以承受的最大淬冷温差，可以表明材 料抗热震性能的优劣。根据热应力大于等于材料强度时，材料发生热震破坏， 假定Biot模数p-8,可以由。=E a AT。计算出两种材料的淬冷温度差，氧化铝和石英玻璃浮现差异的原因主要与膨胀系数有关系，得出低膨胀材料抗热震性能好的 结论

6、。（15 分）要点：1 .临界淬冷温差的概念；2.计算过程及其结果；3.低膨胀材料抗热震 性能好。六、判断题（10分）1 .正确2 .错误 3 ,正确 4 .正确 5 .错误 6 .正确 7 ,正确8 ,错误9 .错误10.正确。七、分析比较石英玻璃、石英陶瓷与石英晶体的透光性。（10分）石英玻璃的透光性大于石英晶体的透光性 大于石英陶瓷的透光性。材料的透光性取决于材料对光的吸收、散射及表面反射。由于三种材料 属于同一材质，可以认为吸收系数相等，因此透光性的大小只要比较对光的 反射和散射损失的能量即可。玻璃是无定形结构，折射率比晶体小，反射系粉 n 1数21） 2R （，由此造成的反射损失比晶

7、体小，透光性最好；晶体因折射n 121率大造成反射系数R大，透光性次之；石英陶瓷属于多晶体，除了因反射系 数大造成反射损失大以外，还存在晶界反射损失，由于晶界数量巨大，造成 了光的散射，其透光性最差。要点：1 .透光顺序；2.讨论折射率对反射的影响；3 .散射的影响八、超导元素同位素定律（5分）：T M Cc，超导元素的临界温度T与元素的平均原子量M的乘积，为一常数。T表示电子的性质，而 M则代表了晶 格振动的性质，即声子的性质。超导元素同位素定律反映了电子与声子的相 互作用决定了临界温度的高低。要点：1 .公式正确；2.T表示电子的性质；3.M则代表了晶格振动的性质；4.电子与声子的相互作用

8、。山东轻工业学院07/08学年第2学期无机材料物理性能 期末考试（B卷）一、解释下列专业术语或者符号的物理意义（30分）1、塑性形变指在外力作用下产生形变，外力除去后不能恢复的形变。2、热电性 极性晶体由于温度变化引起极化强度的改变，导致产生电荷的现 象。3、抗热冲击断裂性材料承受温度的剧烈变化时，反抗瞬时断裂的性能。4、亚铁磁性磁矩罗列方向相反， 大小不等，两种磁矩之差产生的自发磁化。5、霍尔效应 在1方向输入电流，2方向施加一磁场，则在3方向会产生一 电场的现象。6、极化强度单位体积中电偶极矩的矢量和。7、PTC效应价控型半导体钛酸钢在特定温度附近，电阻率发生显著变化的 现象。8、机电耦合

9、系数表征压电元件机械能与电能之间偶合效应的参数，不是能 量转换率。9、强度的尺寸效应指同一种材料尺寸大时强度低，尺寸小时强度大的现象，与微裂纹的随机分布有关系。10、迈斯纳（Meissner）效应处于超导态的金属，不管其经历如何，内部磁感应强度始终为零，即彻底抗磁性，又称为迈斯纳（Meissner）效应。二、银原子的原子序数是28,其未被抵消的自旋磁矩是多少？（一个电子的 自旋磁矩近似等于一个玻尔磁子 p o ） （10分）B22s22P63s23P63d84s2,除 3d 子层外，各层写出银原子的核外电子排布，1s均被电子添满，自旋磁矩被抵消。 根据洪特规则， 电子在3d子层中应尽可能填充到

10、不同的轨道，并且自旋尽量在同一方向上。因此5个轨道有三个必须添入2个电子外，其余2个轨道均惟独一个电子，且这些电子的自旋方向平 行，因此总的自旋磁矩为2口0。B要点：1.核外电子排布2.3D电子排布简图t t tl tl tl及其说明3.答案2p oB三、分析比较应力场强度因子 L和断裂韧性K|C的概念及意义。（10分） IIkyK 和断裂韧性K |C是两个不同的概念，K 是一个力学参量，表示裂纹 体中裂纹尖端的应力场强度的大小，它决定于外加应力、试样尺寸和裂纹类 型，而和材料无关。但K是材料性能指标，是材料常数，它决定丁材料的 成份、组织结构等内在因素， 而与外加应力及试样尺寸无关，Klc表

11、示材料抵抗裂纹扩展的能力。Kg大，材料不易断裂。要点：1.力学参数；2.材料性能；3.%表示材料反抗裂纹扩展的能力。四、在硅单晶中渗入十万分之一的硼原子，可使硅的导电能力大幅度增加， 请画出能结构简图，说明形成为了何种半导体。（15分）三价的硼B与Si形成共价键时缺少一个电子，即提供一个空穴能级,此能级离价带顶很近，只差0.05eV,大约为硅禁带宽度的5%.价带中的电子 激发到空穴能级比激发到导带容易的多，形成空穴导电，使导电能力大大增 加。掺入受主杂质的半导体称为P-型半导体。答案要点：1.能带结构简图中附加能级正确；2p型半导体；3.简要描述过程。五、实验测出离子型电导体的电导率与温度的相

12、关数据，经数学回归分析得出关系式为： lgo=A+B试求在测量温度范围内的电导活化能表达式。-9 （ Q?cm）-i（2）若给出Ti=500K,a1=10-6 （ Q?cm）-iT2=1000K, o2=10计算电导活化能W的值：说明w的物理意义。K=0.86*10-4eV/K. SS答案要点：1.电导活化能表达式W=-BKIn10; 2.计算结果B=3000, Ow s=0.58 eV；3.物理意义包括缺陷形成能和迁移能。六、简述金红石晶体具有高介电常数（=110）的原因？（ 15分）与晶体结构造成的附加内电场有关系，可以用内电场结构系数的大小来描述。C11和C22均为负值，表明同种离子之间

13、有削弱外电场的作用；而表示 钛离子和氧离子之间相互作用的内电场结构系数 C12和C21是相当大的正 值，强化了外电场的作用，而且这种加强远远超过了同种离子削弱外电场的 作用，造成金红石晶体具有很大的介电常数。七、判断题（10分）1 .错误2.错误3.错误 4.正确 5.正确6.错误 7.正确8.正确 9.正确10.正确。八、简述薄膜介质具有较高场强的原因。（本题满分10分）1 .知道使用四十代理论进行解释，2分；n增加，当n=40, 2n 2.正确叙述四十代理论，在碰撞电离过程中，电子数以2=1012,即在1cm内电离次数达到40次，介质便击穿。4分；3.当介质很薄时，碰撞电离不足以发展到四十

14、代，电子崩已进入阳极复合， 此时介质不能击穿，即这时的介质击穿场强将要提高，4分。四、平面应变断裂韧性葭=丫。2 ,据此公式认为强度越高,断裂韧性越大？试讨论此问题。（10分）根据Griffith断裂强度，。与C存在对应关系，一个增加另一个必然减小，但两者的乘积为常数，因此不能从公式表面的数学关系讨论此问题。如果保持C不变的情况下提高强度，断裂韧性必然提高，这必然是由于对材料结构进行了改进的结果。要点：1. K|C物理意义；2.OcC双曲线关系；3.材料改性，C不变可提高断裂韧性K ._o答案要点：1 .离子位移极化是在平衡位置附近的挪移； 2.松弛极化离子挪移几个晶格间距，位移距离较大；3.

15、离子电导是长距离迁移应力弛豫 恒应变时，应力随时间的延长而降低，弹性模量也降低。由于是空穴型半导体，必须掺入受主杂质，3价的硼B缺少一个电子，提供空穴能级，此能级离价带顶很近，容易接受价带电子，形成价带空穴导电。五价的碑为施主杂质，形成电子型半导体，与题意不符。画出能带简图。三、磁铁矿F2C4属于反尖晶石结构，试估计一个晶胞中含有的波尔磁子数。磁铁矿Fap4的磁性是称为铁磁性还是称为亚铁磁性？（1。分）一个晶胞中含有8个Fe O立方体，首先应计算一个Fe O立方体中的波尔磁子数。由于是反尖晶石结构，8个Fe+2占领8个B位,16个Fe+3中有8个占+3占B位。对于一个FjQ,两个Fe+3分别处

16、于A位及BA位，另有8个Fe位，是反平行自旋，磁矩相互抵消。但在 B位的Fe+2离子的磁矩依然存在，有4个波尔磁子。所以一个晶胞中总共应该有 32个波尔磁子。为亚铁磁性，磁矩大小不等，方向相反。三、K利断裂韧性K是两个不同的概念， 匕是一个力学参量，表示裂纹体中裂纹尖端的应力场强度的大小，它决定于外加应力、 试样尺寸和裂纹类型，而和材料无关。但 K是材料性能指标，是材料常数,它决定于材料的成份、 组织结构等内在因素， 而与外加应力及试样尺寸 无关，K表示材料反抗裂纹扩展的能力。Kq大，材料不易断裂。画出简图，说明反射、吸收、散射及第二次反射造成的光损失。得到透光率, 考虑多次反射的作用，得出实际透光率稍高的原因。简述产生非线性光学效应的条件？（10分）1 .入射光为强光，强光中的光频电场强度接近原子的内电场；2 .晶体的对称性要求，没有对称中心的压电晶体；3 .位相匹配，倍频光的折射率等于基频光的折射率。