材料物理性能复习题 - 图文

一、名词解释

光矢量：即是光波的电场强度矢量。

双折射：当光束通过各向异性介质表面时，折射光会分成两束沿着不同的方向传播，这种由一束入射光折射后分成两束光的现象。

光轴：通过改变入射光的方向，可以发现，在晶体中存在一些特殊的方向，沿着这些方向传播的光不会发生双折射，这些特殊的方向称为晶体的光轴。 热膨胀：物质在加热或冷却时的热胀冷缩现象称为热膨胀。

朗伯特定律：I?I0e??l，在介质中光强随传播距离呈指数形式衰减的规律即称为朗伯特定律。

热稳定性：指材料承受高温的急剧变化而不致破坏的能力，也称为抗热震性。 滞弹性：指材料在交变载荷的情况下表现为应变对应力的滞后特性即称为滞弹性。

应力感生有序：溶解在固溶体中孤立的间隙原子，置换原子，在外加应力时，这些原子所处的位置的能量即出现差异，因而原子要发生重新分布，即产生有序排列，这种由于应力引起的原子偏离无序状态分布叫应力感生有序。

穆斯堡耳效应：固体中的无反冲核共振吸收即为穆斯堡尔效应。

高分子的分子结构：指除具有低分子化合物所具有的，如同分异构、几何异构、旋光异构等结构特征之外，还有高分子量，通常由103~105个结构单元组成的众多结构特点。 高分子的聚集态结构：是指大分子堆砌、排列的形式和结构。

均方末端距：是描述高分子链的形状和大小时采用末端距的2次方的平均值，用r2表示，称为均方末端距。

二、填空题

1、下图为聚合物的蠕变和回复曲线，可见一个聚合物材料的总形变是三种形变之和，其中 ε1为普弹形变、 ε2为高弹形变、 ε3为粘性流动。

2、从微观上分析，光子与固体材料相互作用的两种重要结果是：电子极化和电子能态转变 3、在光的非弹性散射光谱中，出现在瑞利线低频侧的散射线统称为斯托克斯线，而在瑞利线高频侧的散射线统称为反斯托克斯线。

4、掺杂在各种基质中的三价稀土离子，它们产生光学跃迁的是4f电子。 5、红宝石是历史上首先获得的激光材料，它的发光中心是Cr3+ 离子。

6、非稳态法测量材料的热导率是根据试样温度场随时间变化的情况来测量材料热传导性能的方法。

7、弹性模量的物理本质是标志原子间结合力的大小。

8、测量弹性模量的方法有两种：一种是静态测量法，另一种是动态测量法。 9、图中表示曲线（a）表示熔融石英玻璃（SiO2）、曲线（b）表示非晶态聚苯乙烯（PS）的热导率随温度的变化。

题9图 题10图

10、下图为铜单晶的对数减缩量与应变振幅的关系。其中Δ1是由位错被钉扎时阻尼振动引起的，ΔH是由位错脱钉过程引起的。

11、按照形成聚合物的元素种类通常把聚合物分为有机聚合物、无机聚合物和元素有机聚合物。

12、一光纤的芯子折射率n1=1.62，包层折射率n2=1.52，试计算光发生全反射的临界角θ

o

C=69.76。

13、光线波导的纤芯相是高折射率材料，而包层是低折射率材料。

三、简答题

1、简述固体吸收和发光的三种机制，并画出相应的示意图。 （140页） 答：固体吸收和发光的三种机制是：受激吸收、自发辐射、受激辐射。

受激吸收是固体吸收一个光子的过程，固体粒子由E1能级跃迁到E2，光子能量hv=E2-E1；自发辐射是固体发射一个光子的过程，固体中粒子由E2能级跃迁到E1，光子能量hv=E2-E1；受激辐射是当一个能量满足E2-E1=hv的光子趋近高能级E2的原子，有可能诱导高能级原子发射一个和自己性质完全相同的光子，此受激光子与入射光子具有相同频率、方向和偏振状态。示意图如下：

题1图 题2图

2、试用双原子模型说明固体热膨胀的物理本质。 （176页）

答：如图，U1（T1）、U2（T2）、U3（T3）为不同温度时的能量，当原子热振动通过平衡位置r0时，全部能量转化为动能，偏离平衡位置时，动能又逐渐转化为势能；到达振幅最大值时动能降为零，势能打到最大。由势能曲线的不对称可以看到，随温度升高，势能由

U1（T1）、U2（T2）向U3（T3）变化，振幅增加，振动中心就由r0'，r0''向r0'''右移，导致双原子间距增大，产生热膨胀。

3、聚乙烯在下列条件下缓慢结晶，各生成什么样的晶体？

（1）从极稀溶液中缓慢结晶：片晶 （2）从熔体中结晶：球晶

（3）极高压力下固体挤出：纤维状晶体 （4）在溶液中强烈搅拌下结晶：串晶

4、试说明滞弹性内耗的特征以及它与静滞后型内耗和阻尼共振型内耗的区别。 （271页） 答：滞弹性内耗的特征是：应变-应力滞后回线的出现是由于实验的动态性质所决定的。即回线的面积与振动频率相关，与振幅无关。静滞后型内耗与滞弹性内耗刚好相反，其回线面积与振动频率无关，而与振幅相关，但不是单纯的线性关系。阻尼共振型内耗与滞弹性内耗相似，与振幅无关，与频率密切相关，不同的是阻尼共振型内耗所对应的频率一般对温度不敏感，而前者的弛豫时间对温度却很敏感。

5、简述高分子链的构象的自由连接链模型。 （340页）

答：高分子链构象的自由连接链模型：一个高分子链是由很大数目的单链所组成，这些单链可以自由转动，即可在空间各个方向自由取向，形成无数而可区别的构象。

6、说明为什么橡胶急剧拉伸时，橡胶的温度上升，而缓慢拉伸时，橡胶发热。 答：（1）急剧拉伸时,绝热条件下，对于无熵变dS?0。吉布斯自由能的变化

?2G??S???f?dG??SdT?VdP?fdL ??????? ——（1）

?T?L??L?P,T??T?P,L∵ ?dS?P??CP,L??S???S???f?dT?dL?dT??????dL?0（2）

T??T?P,L??L?P,T??T?P,LT??f???dL ——（3） ∵ dL?0，CP,L?0，??f?T?P,L?0， CP,L??T?P,L∴ ?dT?S?∴ ?dT?S?0 ——（4） 此现象称为高夫－朱尔效应，是橡胶熵弹性的证明。

（2）缓慢拉伸时，由于等温条件，dT?0，利用（1）式，吸收的热量

?d?Q?T?TdS??T???f??dL ??T?P,L∵ T?0，dL?0，??f?T?P,L?0 ∴ ?d?Q?T?0

7、产生光吸收的原因是什么？ （121页）

答：当光穿过介质时，入射光子的能量与介质中某两个能态之间的能量差值相等时，引起介质的价电子跃迁或使原子振动而消耗能量，此外，介质中的价电子会吸收光子而激发，当尚未退激时，在运动中与其他分子碰撞，电子的能量转化为分子的动能即热能，从而构成光能的衰减，即产生光吸收。

8、玻璃、陶瓷等大部分无机材料在电磁波谱的可见光区都有良好的透过性，这是为什么？

答：在电磁波谱的可见光区，电介质材料包括玻璃、陶瓷等大部分无机材料的价电子所处的能带是填满的，它不能吸收光子而自由运动，而光子能量又不足以使价电子跃迁到导带，所以在一定波长范围内，吸收系数很小，即可见光谱波长范围内，此时电介质就可在可见光谱区域有良好的透过性。

9、热应力主要来源于哪三个方面？ （231页）

答：热应力主要来源于下列三个方面：（1）因热胀冷缩受到限制而产生的热应力；（2）多相复合材料因各相膨胀系数不同而产生的热应力；（3）因温度梯度而产生热应力。

10、试述铁磁合金热膨胀反常现象及其应用。 （183页）

答：对于铁磁性金属铁、钴、镍膨胀系数随温度变化不符合一般规律，而是在正常的膨胀曲线上出现附加的膨胀峰，这就是铁磁金属的热膨胀反常现象。应用是：调整合金成分可以获得低膨胀合金或定膨胀合金。

11、画出恒应力下的应变弛豫和恒应变下的应力弛豫过程示意图。 （265页）

应变弛豫 应力弛豫

12、试说明产生弹性的铁磁性反常现象的物理本质及其应用。 （255页） 答：产生弹性的铁磁性反常现象的物理本质是由于铁磁体中磁致伸缩的存在引起附加应变所造成的。对于未被磁化到饱和的铁磁材料，所有磁畴并没有沿着同一个方向排列，在外力作用下发生弹性形变时，磁畴的磁矩将会转动，产生相应的磁致伸缩（力致伸缩）；在拉伸时，具有正的磁致伸缩的材料，其磁畴矢量将转向垂直于拉伸方向，同样在拉伸方向上产生附加拉伸。 应用是因瓦合金和艾林瓦合金，即弹性模量温度系数η接近于零的恒弹性合金。

13、何为穆斯堡尔效应？为什么只有利用固体发射源和吸收体才能实现穆斯堡尔效应？ 答：穆斯堡尔效应：固体中的原子核由于键合作用被牢牢的固定在点阵的晶位上，在发射和吸收y光子时都不能从晶位上偏离，这时受到反冲的不再是单个原子，而是整个晶体，这种无反冲核磁共振吸收即为穆斯堡尔效应。 因为实验证明，只有在固体尤其是一些合金、硅酸盐化合物中实现无反冲核共振吸收的原子核占的比例较大

14、请解释AL203单晶的热导率随温度变化的关系曲线。 答：（1）在很低温度下， l：已增大到晶粒的大小，达到了上限，因此l值基本上无多

3

大变化；Cv（热容）：在低温下与T3成正比；V：常数。所以λ也近似与T成比例的变化，随着温度升高，λ迅速增大。

（2）温度继续升高，Cv随温度T的变化不再与T3成比例，并在德拜温度以后，趋于一恒定值；l值因温度升高而减小，并成了主要影响因素。因此，λ值随温度升高而迅速减小。

（3）在更高的温度下，Cv已基本上无变化；l值也渐趋于下限。所以，λ随温度的变化变得缓和，在达到1600K的高温后，λ值又有少许回升。这是高温时辐射传热带来的影响。

四、计算题

1、今有分子量为1×104和5×104的两种高聚物，试计算：

（1）在分子数相同的情况下共混时数均分子量和重均分子量； （2）在重量相同的情况下共混时的数均分子量和重均分子量。

解：（1）当分子数相同时，设两种高聚物分子数为n，则：

nn?104??5?104?niMi22数均分子量Mn???3?104

nn?ni?22nn8?10??25?1082?niMi132重均分子量Mw??2??104

nn?niMi3?104??5?10422（2）当重量相同时，设两种高聚物重量均为m，则： 数均分子量Mn??niMi??ni?m?Mim?m5Mi???104 mmm3??Mi1045?104?niMi2?mMim?104?m?5?104???3?104 重均分子量Mw??niMi?mm?m

2、一玻璃对水银灯蓝、绿谱线λ=4358?和5461?的折射率分别为1.6525和1.6425，用次数据定出Cauchy近似经验公式n?A?射率n及色散率dn/dλ值。

解：对蓝谱线λ=4358?，有1.6525?A?B?2的常数A和B，然后计算对纳黄线λ=5893?的折

B 24358B 对绿谱线λ=5461?，有1.6425?A? 因此A=1.624964 B=522969.1 25461B当纳黄线λ=5893?时，n?A?2?1.6400

?由n?A?B?2 得 dn??2B?3d? 因此

dn2B??3??5.11?10?6 d??

3、一热机部件由氮化硅制成，热导率λ为18.4W·m-1·K-1，最大厚度rm=0.12m，表面热传导系数h1为500J/（m2·s·K），假定形状因子S=1，请估算能承受热冲击的最大允许温差ΔTmax。Si3N4有关参数为：ɑ=275×10-6/K；E=379GPa；σf=345MPa；μ=0.25。

解：Si3N4陶瓷能承受的热冲击的最大允许温差：

?Tmax?根据题中有关数据即可得：

S??f(1??)E?f?1

0.31rmh?Tmax?1?18.4?345?(1?0.25)?2.46K 3?6379?10?275?10?0.31?0.12?500

一、概念题

1.电畴：晶体中存在一些不同方向的自发极化区域(domain).在铁电体中，固有电极矩在一定的子区域内取向相同这些区域就称为电畴。（取向相同的固有电偶极矩）电畴的排列方式分为180度电畴（反平行）和90度电畴。因而不加电场时，整个晶体总电矩为零。 2.畴壁：两畴之间的界壁称为畴壁。

3.马基申等人把固溶体电阻率看成由金属基本电阻率ρ(T)和残余电阻ρ残组成。 即ρ＝ρ（T）＋ρ残 称为马基申定律。根据马基申定律，在高温时金属的电阻率基本上取决于ρ(T) ，而在低温时取决于ρ残。既然ρ残是电子在杂质和缺陷上的散射引起的，那么ρ残的大小就可以用来评定金属的电学纯度。

4.导体：可在电场作用流动自由电荷的物体，能传导电流的元件 5.绝缘体：不善于传导电流的物质

6.半导体：电阻率介于金属和绝缘体之间并且有负的电阻温度系数的材料 7.压电体：能产生压电效应的晶体材

8. 电介质的击穿，当施加在电介质上的电压增大到一定值时，使电介质失去绝缘性的现象称为击穿(breakdown)。击穿形式：1）电击穿， 是一电过程，仅有电子参与； 2）热击穿；3）化学击穿

9.介质损耗：.电介质在电场作用下，单位时间内因发热而消耗的能量称电介质的损耗功率。 介质损耗形式： 1）电导（或漏导）损耗，实际使用的电介质都不是理想的绝缘体，都或多或少地存在一些弱联系带电离子或空穴，在E 作用下产生漏导电流，发热，产生损耗。2）极化损耗

10．超导体：材料失去电阻的状态称为超导态，存在电阻的状态称为正常态，具有超导态的材料称为超导体。

11．接触电性：两种不同的材料接触，由于它们可以有不同的相、不同的晶体结构、电子结构，所以在它们的交界面上不可避免地要发生载流子的某种行为，由此而引起两种材料单独存在时所没有的新的电学效应，称为接触电性。

12、热电效应：电位差、温度差、电流、热流之间存在着的交叉联系构成了热点效应。 第一个热电效应——塞贝克效应：两种下同的导体组成一个闭合回路时，若在两接头处存在温度差，则回路中将有电势及电流产生，这种现象称为塞贝克效 第二个热电效应——玻尔贴效应：当有电流通过两个不同导体组成的回路时，除产生焦耳热外，在两接头处还分别出现吸收或放出热量Q的现象， Q称为玻尔帖热，此现象称为玻尔帖效应，

第三个热电效应——汤姆逊效应：当电流通过具有一定温度梯度的导体时，除产生焦耳热外，

另有一横向热流流入或流出导体（即吸热或放热），此种热电现象称为汤姆逊效应。 13、热释电效应：在某些绝缘物中，由于温度变化而引起电极化状态改变的现象。 14、磁畴：未加磁场时铁磁质内部已经磁化到饱和状态的若干个小区域。

15、磁致伸缩材料：铁磁体在磁场中磁化时，其尺寸或体积发生变化的现象称为磁致伸缩效应。具有磁致伸缩效应的材料称为磁致伸缩材料。

16、磁电阻效应：磁场对载流导体或半导体中的载流子起作用致使电阻值发生变化的现象 17、磁矫顽力：反磁化过程中，当反向磁畴扩大到同正向磁畴大小相相等时，它们的磁化对外对外部的效果相互抵消，有效磁化强度为零，这时的磁场强度称为磁矫顽力。

18、磁化率：即单位外磁场强度下材料的磁化强度。它的大小反映了物质磁化的难易程度，是材料的一个重要的磁参数。

19、磁导率:反应磁感应强度随外磁场的变化速率，单位与 相同，为亨/米 。其大小与磁介质和随外加磁场强度有关。

20、磁晶的各向异性：在单晶体的不同晶向上，磁性能不同的性质。

21、磁弹性能：当铁磁体存在应力时，磁致伸缩要与应力相互作用，与此有关的能量。

22、退磁能：：铁磁体与自身退磁场的相互作用能称为退磁场能。

（磁化饱和后，慢慢减少H，则M亦减小，此过程为退磁。）

23、光电效应：是指光线照射在金属表面时，金属中有电子逸出的现象，称为光电效应。（百度的）

24、一般吸收：在光学材料中，石英对所有可见光几乎都透明的，在紫外波段也有很好的透光性能，且吸收系数不变，这种现象为一般吸收。

25.选择吸收：在光学材料中，石英对于波长范围为3.5—5.0μm的红外光却是不透明的，且吸收系数随波长剧烈变化，这种现象为选择吸收。

26．折射率的色散：材料的折射率随入射光的频率的减小而减小，这种现象称为折射率的色散。

27.光生伏特效应：是指半导体在受到光照射时产生电动势的现象。（百度的）

28光的非弹性散射：当光通过介质时，从侧向接受到的散射光主要是波长（或频率）不发生变化的瑞利散射光，属于弹性散射。当使用高灵敏度和高分辨率的光谱仪，可以发现散射光中还有其它光谱成分，它们在频率坐标上对称地分布在弹性散射光的低频和高频侧，强度一般比弹性散射微弱得多。这些频率发生改变的光散射是入射光子与介质发生非弹性碰撞的结果，称为非弹性散射。 29发射光谱：发射光强 ? 发射光波长

指在一定的激发条件下发射光强按波长的分布。 其形状与材料的能量结构有关。

反映材料中从高能级始发的向下跃迁过程。

激发光谱：发光强度 ? 激发光波长

指材料发射某一特定谱线（或谱带）的发光强度随激发光的波长而变化的曲线

能够引起材料发光的激发波长也一定是材料可以吸收的波长，但激发光谱≠吸收光谱（因为有的材料吸收光后不一定会发射光，把吸收的光能转化为热能而耗散掉对发光没有贡献的吸收是不会在激发光谱上反映的）。

反映材料中从基态始发的向上跃迁过程。

30．发光寿命：发光寿命指发光体在激发停止之后持续发光时间的长短。 31. 发光效率：

量子效率ηq：

指发射光子数nout与吸收光子数（或输入的电子数） nin之比。

功率效率ηp：

表示发光功率Pout与吸收光功率（或输入的电功率）Pin之比。

光度效率ηl：

表示发射的光通量L与输入的光功率（或电功率）Pin之比。

32.受激辐射：对于物质中处于高能级上的原子，如果在它发生自发辐射以前，受到

频率的外来光子的作用，就有可能在外来光子的影响下，发射出一个同样的光子，而由高能级跃迁到低能级上。这种辐射不同于自发辐射，称为受激辐射。（百度的）

33.热阻：是材料对热传导的阻隔能力。

34.杜隆-柏替定律：元素的热容定律（杜隆－珀替定律）：

恒压下，元素的摩尔热容为25J/(K?mol)，轻元素例外。

35.热膨胀：物体的体积或长度随温度的升高而增大的现象称为热膨胀。

36.魏得曼-弗兰兹定律：在室温下许多金属的热导率与电导率之比几乎相同，而不随金属的不同而改变。 37.材料的热稳定性：热稳定性是指材料承受温度的急剧变化而不致破坏的能力，又称为抗热震性。

38.因瓦效应：材料在一定温度范围内所产生的膨胀系数值低于正常规律的膨胀系数值的现象。

二．简答题：

（1）电介质电导的概念，详细类别，来源

答：并不是所有的电介质都是理想的绝缘体，在外电场作用下，介质中都会有一个很小的电流。称为泄露电流。

导电方式有：电子与空穴（电子电导）；可移动的正负离子和离子空位。对于离子电导，必须需要指出的是：在较低场强下，存在离子电导；在高场强下，呈现电子电导。 晶体的离子电导分为两类：一类是源于晶体点阵中基本离子的运动，称为离子固有电导或本征电导，这种电导是热缺陷形成的，即是由离子自身随着热运动的加剧而离开晶格点阵形成。另一类是源于结合力较弱的杂质离子的运动造成的，称为杂质电导 （2）硬磁材料与软磁材料各自的特点与区别

答：软磁材料：磁滞回线瘦长，易于磁化，也易于退磁，μ高、 Ms高、 Hc小、 Mr低

硬磁（永磁）材料：磁滞回线短粗，磁化后不易退磁，μ低、 Hc与 Mr高

（3）请简要回答热电性的三个基本热电效应

答：第一个热电效应——塞贝克效应：两种下同的导体组成一个闭合回路时，若在两接头处存在温度差，则回路中将有电势及电流产生，这种现象称为塞贝克效应。

第二个热电效应——玻尔贴效应：当有电流通过两个不同导体组成的回路时，除产生焦耳热外，在两接头处还分别出现吸收或放出热量Q的现象， Q称为玻尔帖热，此现象称为玻尔帖效应。

第三个热电效应——汤姆逊效应：当电流通过具有一定温度梯度的导体时，除产生焦耳热外，另有一横向热流流入或流出导体（即吸热或放热），此种热电现象称为汤姆逊效应。

（4）电滞回线的各个物理量的名称及物理意义 答：

P：电极化强度

Pr：剩余电极化强度 Ps：饱和电极化强度 E： 外电场强度 Eo：矫顽电场强度

（5）磁滞回线的各个物理量的名称及物理意义 答：

CD段：退磁曲线

MS：饱和磁化强度 BS：饱和磁感强度 Mr：剩余磁化强度 Br：剩余磁感强度 HC：矫顽力

Hs: 饱和外加磁场强度

Hr: 剩余磁场强度

（6）请基于磁化率大小给物质磁性分类，并说明各类的物质磁化难易程度 答：

χ称为物质的磁化率, 它的大小反映了物质磁化

的难易程度

1)抗磁性材料：χ为甚小负常数 2)反铁磁性材料：χ是甚小的正常数 3)顺磁磁性材料：χ为正常数

4）亚铁磁性材料：类似铁磁体，但χ值没有铁磁体大 5）铁磁性材料：χ为很大的正常数

7) 简要回答物质磁性的本源

答: 任何物质由原子组成，原子又有带正电的原子核（核子）和带负电的电子构成。核子和电子本身都在做自旋运动，电子又沿一定轨道绕核子做循规运动。它们的这些运动形成闭合电流，从而产生磁矩。材料磁性的本源是：材料内部电子的循规运动和自旋运动。

8) 为什么自发磁化要分很多磁畴。

答;从能量的观点，这种磁畴的形成是能量最小原则的必然结果，形成磁畴是为了降低系统的能量。由于交换作用力图使整个晶体自发磁化至饱和，磁化显然沿晶体的易磁化方向，这样才能使交换能和慈晶能都处于最小值。但是晶体都有一定的形状和尺寸，整个晶体均匀磁化的结果必然产生磁极，有磁极急必然产生退磁能，从而给系统增加了退磁能，退磁能将要破坏已经形成的自发磁化。这两个矛盾的相互作用结果将使大磁畴分割为小磁畴

9) 正常情况下，为什么半导体的电阻率随温度的升高而降低。

答：正常情况下，为什么半导体的电阻率随温度的升高而降低。自由电子

，由公式知，自由电子与温度近似成正比， 故温度升高，自由电子增大，所以半导体的电阻率随温度的升高而降低。

10.金属电阻随温度升高而升高原因：

金属材料随温度升高，离子热振动的振幅增大，电子就愈易受到散射，可认为μ与温度成正比，则ρ也与温度成正比 11.影响金属导电性的因素

主要因素：温度，受力情况，冷加工，晶体缺陷，热处理，几何尺寸效应，电阻率各向异性。 12.当形成化合物时，合金的导电性变化激烈，其电阻率要比各组元的电阻率高很多。

原因在于原子键合的方式发生了变化，其中至少一部分由金属键变为共价键获离子键，使导电电子减少。若两组元给出的价电子的能力相同（即两个组元的电离势几乎没差别），则所形成化合物的电阻值就低，若两个组元的电离势相差较大，即一组元的给出

电子被两个组元吸收，则化合物的电阻就大，接近半导体的性质.

13) 超导体为什么具有完全的抗磁性：外磁场在试样表面感应产生一个磁感应电流。此电流所经路径的电阻为零，所以它产生的附加磁场总是与外磁场大小相等，方向相反，因而使超导体内的合成磁场为零。于是表现出完全的抗磁性。

14.本征硅的导电机理：在热、光等外界条件的影响下，满带上的价电子获得足够的能量，跃过禁带跃迁至空带而成为自由电子，同时在满带中留下电子空穴，自由电子和电子空穴在外加电场的作用下定向移动形成电流。

15.硼掺杂Si的导电机制：在本征半导体中，掺入3价硼元素的杂质（硼，铝，镓，铟），就可以使晶体中空穴浓度大大增加。因为3价元素的原子只有3个价电子，当它顶替晶格中的一个4价元素原子，并与周围的4个硅（或锗）原子组成4个共价键时，缺少一个价电子，形成一个空位。因为，3价元素形成的空位能级非常靠近价带顶的能量，在价电子共有化运动中，相邻的原子上的价电子就很容易来填补这个空位（较跃迁至禁带以上的空带容易的多），从而产生一个空穴。所以每一个三价杂质元素的原子都能接受一个价电子，而在价带中产生一个空穴。

16.砷掺杂Si的导电机理：本征半导体中掺入5价元素（磷，砷，锑）就可使晶体中的自由电子的浓度极大地增加。因为5价元素的原子有5个价电子，当它顶替晶格中的一个4价元素的原子时，余下了1个价电子变成多余的，此电子的能级非常靠近导带底，非常容易进入导带成为自由电子，因而导带中的自由电子较本征半导体显著增多，导电性能大幅度提高。

17．介质损耗的形式及造成这几种损耗的原因： 1）电导（或漏导）损耗

实际使用的电介质都不是理想的绝缘体，都或多或少地存在一些弱联系带电离子或空穴，在E 作用下产生漏导电流，发热，产生损耗。 低场强下，存在离子电导；高场强下，电子电导。 离子电导：本征电导和杂质电导。

2）极化损耗：介质极化时,有些极化形式可引起损耗。

一方面：极化过程中离子要在E作用下克服热运动消耗能量，引起损耗。

另一方面：松弛极化建立时间较长，极化跟不上外E的变化（特别是交流频率较高时），所造成的电矩往往滞后于E，即E达最大时，极化引起的极化电荷未达最大，当E开始减小时，极化仍继续增至最大值后才开始减小，当E为0时，极化尚未完全消除，当外E反向时，极板上遗留的部分电荷中和了电源对极板充电的部分电荷，并以热的形式散发，产生损耗。

3）电离损耗

又称游离损耗，是气体引起的，含气孔的固体电介质，外E大于气体电离所需的E时，气体发生电离吸收能量，造成损耗。

电离损耗可使电介质膨胀，可导致介质热破坏和促使化学破坏，因此必须降低电介质中的气孔。

另外还有结构损耗和宏观结构不均匀造成的损耗。

（18）电畴转向时引起较大内应力，这种转向不稳定。当外加电场撤去后，则有小部分电畴偏离极化方向，恢复原位，而大部分电畴则停留在新转向的极化方向上，也就形成了剩余极化。

（19）电畴的运动

在外电场的推动下，电畴会随外电场方向出现转向运动。其运动过程分为新畴成核、发展和畴壁移动来实现。 １８０°畴：

反向电场——（边沿，缺陷处即成核）新畴——尖劈状的新畴向前端发展（因１８０°畴前移速度快几个 数量级）,１８０°畴不产生应力（因自发极化反平行），一般需耗较大电场能。

９０°畴：

对于９０°畴的“转向”虽然也产生针状电畴，但是主要是通过９０°畴的侧向运动来实现。但因晶轴的长缩方向不一致，而产生应力并引起近邻晶胞承受压力。

（20）实际的铁电体中，必然同时存在９０°畴和１８０°畴，并且相互影响，相互牵制。尤其多晶陶瓷中杂质，缺陷，晶粒间界，空间电荷的存在将给电畴的转向带来电的或机械应力方面的影响，故铁电陶瓷在外电场作用下的定向移动率，通常比铁电单晶的定向率低的多（这也是为什么铁电单晶Ps值比铁电陶瓷高的原因）。

二、 综合题

3引起电介质击穿的形式及其物理机制：电击穿是因电场使电介质中积聚起足够数量和能量的带电电质点而导致电介质失去绝缘性能。 热击穿是在电场作用下，电介质内部热量积累，温度过高而导致失去绝缘性能。 电化学击穿是在电场，温度等因素作用，电介质发生缓慢的化学变化，性能逐渐劣化，最后失去绝缘性能。

4超导现象的物理机制是什么：BCS理论。认为，超导现象产生的原因是超导体中的电子在超导态时，电子间存在着特殊的吸引力，而不是正常态时的静电斥力。这种吸引力使电子双双结成电子对。它是超导态电子与晶格点阵间相互作用产生的结果。使动量和自旋方向相反的两个电子el、e2结成了电子对，称为库柏电子对。

5阐明P209页图。4.19的物理特征（不确定）在电磁波谱的可见光区，金属和半导体的吸收系数都很大，但是电介质材料，包括玻璃、陶瓷等无机材料的大部分在这个波谱区都有良好透过性，也就是说吸收洗漱很小。

在紫外区出现了紫外吸收端，因为波长越短，能量越大。

红外区的吸收峰是因为离子弹性振动与光子辐射发生谐振消耗能量所致。 6铁磁性产生的两个条件：原子有未被抵消的自旋磁矩（必要条件），可发生自发磁化（充分条件）。

自发磁化的产生机理与条件：据键合理论，原子相互接近形成分子时，电子云要相互重叠，电子要相互交换位置。对过渡族金属，原子的3d与4s态能量接近，它们电子云重叠时引起了3d、4S态电子的交换。交换所产生的静电作用力称为交换力，交换力的作用迫使相邻原子的自旋磁矩产生有序的排列。

7要获得一束高能激光如何实现为了产生激光，必须选择增益系数超过一定的阈值的激光介质，在激光谐振的配合下，使沿腔轴（镜面法线）方向传播的光波不断增强，并成为色彩极单纯（特定模式）、方向性极好、能量密度极高的激光束。 （8）金属-半导体接触时，请基于溢出功大小阐述接触电效应

? 答假定金属的逸出功φM大于半导体的逸出功φ S ，当形成MS结时，半导体中

的电子会向金属中扩散，使金属表面带负电，半导体表面带正电，能带发生移动，形成新的费米能而达到平衡，不在有静电子的流动，形成了接触电位差，VMS = (φ

M - φ S)/e. 并在接触界面出现一个由半导体指向金属的内电场，阻碍载流子的继续扩散。也形成了耗尽层，能带向上弯曲，在金属与半导体两侧形成势垒高度稍有不同的肖特基势垒。这种MS结具有整流作用。

?

当φM < φ S时，电子将有金属扩散流向半导体，在半导体一侧形成堆积层，这个是高导电区，成为反阻挡层（黑板图示）。能带向下弯曲，成为欧姆结。通常半导体器件采用金属电极时就需要良好的欧姆接触。

（9）阐明热传导的物理机制 答：同（1）

（10）退磁的方法有哪些，同时请说明每一种方法的退磁机制 答：

磁滞回线的起点不是饱和点，而在饱和点以下时，H减小时，Mr和Hc减小，即磁滞回线变得短而窄，若施加的交变磁场幅值H趋于0时，则回线将成为趋于坐标原点的螺线，直至交变磁场的H ＝0，铁磁体将完全退磁。

热退磁：将试样加热到居里点以上，然后在无外电场的条件下缓慢冷却到室温。该方法操作复杂，可能导致试样结构变化，但能获得完全的退磁效果。

交流退磁：在试样上加一低频交变磁场，并使其振幅由某一最大值均匀减小到零。

（11）PN结的发光机制是什么 答：

（12）为什么所有物质都具有抗磁性，请阐明原因 答：

（13）请阐明材料出现热膨胀的物理机制

实际上物体温度升高，由于质点振动的加剧，将引起质点平均距离增大，从而导致物体热膨胀。

. 对于简谐振动，位能曲线对称，升高温度只能增大振幅，并不会改变平衡位置，因此质点间的平均距离不会因温度升高而改变。

对于非简谐振动，位能曲线不对称，质点向外振动的距离大于向内振动的距离，随着温度升高，动能增大，振动剧烈，质点间的平均距离不断增大，形成宏观的热膨胀现象。

用双原子模型解释

rr0时，表现为引力，但引力随位移的增大较慢。 因此，合力曲线和势能曲线均不对称

引力与斥力都与质点间的距离有关：引力与斥力都随质点间距离减小而增大，但两个作用力都是非线性的，即不简单地与位移成正比。随间距的减小增大速度不同，斥力增加的快，其合力曲线的斜率不等（平衡位置左侧大，右侧小），所以质点振动时其平均位置不在原平衡位置，而是靠右。温度升高，振幅增大，其平均位置偏离原平衡位置靠右的距离越大，两质点间的距离增大，使晶胞参数增大，整个物体膨胀。

用势能曲线解释

任一温度下，质点在其平衡位置动能最大，势能为零；在左右最远距离势能最大，动能为零。随温度升高，质点振幅增大，左右侧最大势能都增加，但由于斥力增加的快，左侧势能增加较右侧快，形成了势能曲线的不对称。因此，随温度的升高，质点的中心位置右移，质点间的距离最大，物体膨胀。

14．铁电体自发极化的物理机制：1）非铁电态到铁电态过渡总是伴随着晶格结构的改变。2）晶体由立方晶系转变为四方晶系，晶体的对称性降低。3）自发极化主要是由于某些离子偏离了平衡位置而造成的。偏离导致单位晶胞中出现电矩，电矩之间的相互作用使偏离离子在新的位置上稳定下来。与此同时，晶体结构发生畸变。 15．（右图为N沟道晶体管示意图，在P型衬底的MOS系统中增加两个N型扩散区，分别称为源区（S表示）和漏区（D表示））。

通过控制栅压G的极性和数值，可以使MOS晶体管分别处于导通或截止的状态：源、漏之间的电流将受到栅压的调制，这就是MOS晶体管工作原理的基础。

16.基于伏特效应设计的太阳能电池吸收光能及产生电能的示意图并阐明其运作过程。 利用扩散掺杂的方法，在P型半导体的表面形成一个薄的N型层，在光的照射下，在PN结及其附近表面产生大量的电子和空穴对，在PN结附近一个扩散长度内，电子-空穴对还没有复合就有可能通过扩散达到PN结的强电场区域（PN结自建电场），电子将运动到N型区，空穴将运动到P型区，使N区带负电、P区带正电，上下电极产生电压——

光生电子伏特效应。

17. PN结在正、反向电压施加作用下的导电过程： A、PN结的构成：PN结的两边由于存在载流子分布的浓度差而引起载流子的扩散运动。P区中的空穴扩散到了N区，N区中的电子扩散到了P区，随着扩散的进行在交界面处形成了一层的空间电荷区，同时也有一定值的内电场Ei和内建电位差VD,如右图所示。 B、外加正向电压的情况 由于外加正向电压U与内电位差VD方向相反，因而使阻挡层两端的电位差减小到（VD-U），空间电荷量减少，以至内电场减小，结果产生了从P区流向N区的正

向电流。该电流是由多子扩散形成的，故较大。

C、由于外加电压U与内电位差VD方向相同，阻挡层加宽，科技电荷量增多，以至内电场加强，形成了从N区流向P区的反向电流。该电流是由少子漂移形成的，故很微弱，且几乎不随U的增大而变化。

18.介质极化的五种基本形式及概念、基本特点 1）。电子式极化（电子位移极化）：在E作用下，原子外围的电子云中心相对于原子核发生位移，形成感应电矩而使介质极化的现象。特点：形成很快（10-14～10-16 s),是弹性可逆的，极化过程不消耗能量。在所有电介质中都存在，但只存在此种极化的电介质只有中性的气体、液体和少数非极性固体。 2）。2）离子式极化(离子位移极化）:离子晶体中，除离子中的电子产生位移极化外，正负离子也在E作用下发生相对位移而引起的极化。又分为：A.离子弹性位移极化：在离子键构成的晶体中，离子间约束力很强，离子位移有限，极化过程很快（ 10-12～10-13s），不消耗能量，可逆。 B、热离子极化（离子松弛式位移极化）：在有些离子晶体和无定形体中，存在一些约束力较弱的离子，无E时作无规则热运动，宏观无电矩；有E时，正负离子反向迁移，形成正负离子分离而产生介质极化。极化建立时间较长（ 10-2～10-5s），有极化滞后现象，需消耗一定能量，不可逆。

3）偶极子极化(固有电矩的转向极化）:有E时，偶极子有沿电场方向排列的趋势，而形成宏观电矩，形成的极化。所需时间较长（10-2～10-10s），不可逆，需消耗能量。

4）空间电荷极化：有些电介质中，存在可移动的离子，在E作用下，正负离子分离所形成的极化。所需时间最长（10-2s）。

19、BaTiO3单晶体在外电场作用下的极化反转过程：

（20）金属Fe具有磁性原因

答：铁磁质的磁性是自发产生的，磁化过程只不过是把铁磁质本身的磁性显示了出来，而不是由外界向铁磁质提供磁性。铁磁性产生的充分条件：原子内部要有未填满的电子壳层（或说存在固有磁矩），且A（交换能积分常数）为正值（或说可发生自发磁化）。

据键合理论，原子相互接近形成分子时，电子云要相互重叠，电子要相互交换位置。对Fe过渡族金属，原子的3d与4s态能量接近，它们电子云重叠时引起了3d、4S态电子的交换。交换力的作用迫使相邻原子的自旋磁矩产生有序的排列。铁磁质产生自发磁化

期末复习题

一、填空（20）

1.一长30cm的圆杆，直径4mm，承受5000N的轴向拉力。如直径拉成3.8 mm，且体积保持不变，在此拉力下名义应力值为 ，名义应变值为 。

2.克劳修斯—莫索蒂方程建立了宏观量 介电常数 与微观量 极化率 之间的关系。

3．固体材料的热膨胀本质是 点阵结构中质点间平均距离随温度升高而增大 。 4．格波间相互作用力愈强，也就是声子间碰撞几率愈大，相应的平均自由程愈 小 ，热导率也就愈 低 。 5．电介质材料中的压电性、铁电性与热释电性是由于相应压电体、铁电体和热释电体都是 不具有对称中心 的晶体。 6．复介电常数由实部和虚部这两部分组成，实部与通常应用的 介电常数 一致，虚部表示了电介质中 能量损耗 的大小。

．当磁化强度M为 负 值时，固体表现为抗磁性。8．电子磁矩由电子的 轨道磁矩 和 自旋磁矩 组成。

9．无机非金属材料中的载流子主要是 电子 和 离子 。 10．广义虎克定律适用于 各向异性的非均匀 材料。

11．设某一玻璃的光反射损失为m，如果连续透过x块平板玻璃，则透过部分应为 I0?（1-m）2x 。

12．对于中心穿透裂纹的大而薄的板，其几何形状因子Y= ? 。

13．设电介质中带电质点的电荷量q，在电场作用下极化后，正电荷与负电荷的位移矢量为l， 则此偶极矩为 ql 。 14．裂纹扩展的动力是物体内储存的 弹性应变能 的降低大于等于由于开裂形成两个新表面所需的 表面能 。

15.Griffith微裂纹理论认为，断裂并不是两部分晶体同时沿整个界面拉断，而是 裂纹扩展 的结果。 16．考虑散热的影响，材料允许承受的最大温度差可用 第二 热应力因子表示。 17．当温度不太高时，固体材料中的热导形式主要是 声子热导 。

18．在应力分量的表示方法中，应力分量σ,τ的下标第一个字母表示方向，第二个字母表示 应力作用 的方向。

19． 电滞回线 的存在是判定晶体为铁电体的重要根据。

20．原子磁矩的来源是电子的轨道磁矩、自旋磁矩和原子核的磁矩。而物质的磁性主要由 电子的自旋磁矩 引起。 21. 按照格里菲斯微裂纹理论，材料的断裂强度不是取决于裂纹的 数量 ，而是决定于裂纹的 大小 ，即是由最危险的裂纹尺寸或临界裂纹尺寸决定材料的 断裂强度。

22. 复合体中热膨胀滞后现象产生的原因是由于不同相间或晶粒的不同方向上膨胀系数差别很大，产生很大的内应力，使坯体产生微裂纹。 23.晶体发生塑性变形的方式主要有 滑移 和 孪生 。

24.铁电体是具有 自发极化 且在外电场作用下具有 电滞回线 的晶体。 25.自发磁化的本质是 电子间的静电交换相互作用 。 二、名词解释(20)

自发极化：极化并非由外电场所引起，而是由极性晶体内部结构特点所引起，使

晶体中的每个晶胞内存在固有电偶极矩，这种极化机制为自发极化。

断裂能：是一种织构敏感参数,起着断裂过程的阻力作用，不仅取决于组分、结

构，在很大程度上受到微观缺陷、显微结构的影响。包括热力学表面能、塑性形变能、微裂纹形成能、相变弹性能等。

滞弹性：当应力作用于实际固体时，固体形变的产生与消除需要一定的时间，这

种与时间有关的弹性称为滞弹性。

格波：处于格点上的原子的热振动可描述成类似于机械波传播的结果，这种波称

为格波，格波的一个特点是，其传播介质并非连接介质，而是由原子、离子等形成的晶格。

电介质：指在电场作用下能建立极化的一切物质。

电偶极子：是指相距很近但有一距离的两个符号相反而量值相等的电荷。 蠕变（creep）(缓慢变形)：固体材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延

长而增加的现象。它与塑性变形不同，塑性变形通常在应力超过弹性极限之后才出现，而蠕变只要应力的作用时间相当长，它在应力小于弹性极限时也能出现。 突发性断裂：断裂源处的裂纹尖端所受的横向拉应力正好等于结合强度时，裂纹

产生突发性扩展。一旦扩展，引起周围应力的再分配，导致裂纹的加速扩展，这种断裂称为突发性断裂。

压电效应：不具有对称中心的晶体在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其

内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当对不具有对称中心晶体的极化方向上施加电场，晶体也会发生变形，电场去掉后，晶体的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。

电致伸缩：当在不具有对称中心晶体的极化方向上施加电场时，晶体会发生变形，

电场去掉后，晶体的变形随之消失，这种现象称为电致伸缩现象，或称为逆压电效应。

铁电体：具有自发极化且在外电场作用下具有电滞回线的晶体。 三、问答题（每题5分，共20分） 1．简述KI和KIC的区别。

答：KI应力场强度因子：反映裂纹尖端应力场强度的参量。

KIC断裂韧度：当应力场强度因子增大到一临界值时，带裂纹的材料发生断裂，该临界值称为断裂韧性。

KI是力学度量，它不仅随外加应力和裂纹长度的变化而变化，也和裂纹的形状类型，以及加载方式有关，但它和材料本身的固有性能无关。而断裂韧性KIC则是反映材料阻止裂纹扩展的能力，因此是材料的固有性质。 2.简述位移极化和松驰极化的特点。

答：位移式极化是一种弹性的、瞬时完成的极化，不消耗能量；松弛极化与热运动有关，完成这种极化需要一定的时间，并且是非弹性的，因而消耗一定的能量。

3.铁磁性与铁电性的本质差别是什么？

答：⑴ 铁电性由离子位移引起，铁磁性由原子取向引起。

⑵ 铁电性在非对称性的晶体中发生，铁磁性发生在次价电子的非平衡自旋中。

⑶ 铁电体的居里点是由于晶体相变引起的，铁磁性的居里点是原子的无规

则振动破坏了原子间的“交换”作用，从而使自发磁化消失引起的。

用此试件来求KIC值的不可能。

7.一陶瓷零件上有一垂直于拉应力的边裂，如边裂长度为：（1）2mm；(2)0.049mm；(3)2μm；分别求上述三种情况下的临界应力。设此材料的断裂韧性为1.62MPa.m2。讨论讲结果。

KI?Y?c

Y=1.12?=1.98

??KI1.98c=0.818c?1/2

(1)c=2mm, ?c?0.818/2?10?3?18.25MPa

(2)c=0.049mm, ?c?0.818/0.049?10?3?116.58MPa c=2um, ?c?0.818/2?10?6?577.04MPa

8．康宁1723玻璃（硅酸铝玻璃）具有下列性能参数：λ=0.021J/( cm﹒s﹒℃)；

α=4.6×10-6/℃；σp=7.0Kg/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??f(1??) ?E7?9.8?106?0.75= ?664.6?10?6700?9.8?10=170℃

第二冲击断裂抵抗因子：R????f(1??)

?E=170×0.021=3.57 J/(cm﹒s)

9.一热机部件由反应烧结氮化硅制成，其热导率λ=0.184J/(cm.s.℃)，最大厚度=120mm.如果表面热传递系数h=0.05 J/(cm2.s.℃),假定形状因子S=1，估算可兹应用的热冲击最大允许温差。 解：

?Tm?R?S?1

0.31rmh=226×0.184=447℃

1

0.31?6?0.0510.光通过一块厚度为1mm的透明Al2O3板后强度降低了15%，试计算其吸收和散射系数的总和。

解:

I?I0e?(??s)x?I?e?(??s)x?0.85?e?(??s)?0.1 I0???s??10ln0.85?1.625cm?111.一截面为0.6cm2，长为1cm的n型GaAs样品，设?n?8000cm2/V?s3，

n?1015cm，试求该样品的电阻。

解：???1??11?15?0.781??cmnq?n10?1.6?10?19?8000R???l1?0.781??1.3?S0.6

4.为什么金属材料有较大的热导率，而非金属材料的导热不如金属材料好？

答：固体中导热主要是由晶格振动的格波和自由电子运动来实现的。在金属中由于有大量的自由电子，而且电子的质量很轻，所以能迅速地实现热量的传递。虽然晶格振动对金属导热也有贡献，但只是很次要的。在非金属晶体，如一般离子晶体的晶格中，自由电子是很少的，晶格振动是它们的主要导热机构。因此，金属一般都具有较非金属材料更大的热导率。 5．说明图中三条应力-应变曲线的特点，并举例说明其对应的材料。

答：受力情况下，绝大多数无机材料的变形行为如图中曲线(a)所示，即在弹性变形后没有塑性形变(或塑性形变很小)，接着就是断裂，总弹性应变能非常小，这是所有脆性材料的特征，包括离子晶体和共价晶体等。在短期承受逐渐增加的外力时，有些固体的变形分为两个阶段，在屈服点以前是弹性变形阶段，在屈服点后是塑性变形阶段。包括大多数金属结构材料如图中曲线(b)所示。橡皮这类高分子材料具有极大的弹性形变，如图中曲线(c)所示，是没有残余形变的材料，称为弹性材料。

6．如果要减少由多块玻璃组成的透镜系统的光反射损失，通常可以采取什么方法？为什么？

答：有多块玻璃组成的透镜系统，常常用折射率和玻璃相近的胶粘起来，这样除了最外和最内的两个表面是玻璃和空气的相对折射率外，内部各界面均是玻璃和胶的较小的相对折射率，从而大大减少了界面的反射损失。 7．阐述大多数无机晶态固体的热容随温度的变化规律。

答：根据德拜热容理论，在高于德拜温度θD时，热容趋于常数(25J／(K·mo1)，低于θD时与T3成正比。因此，不同材料的θD是不同的。无机材料的热容与材料结构的关系是不大的，绝大多数氧化物、碳化物，热容都是从低温时的一个低的数值增加到1273K左右的近似于25J／K·mol的数值。温度进一步增加，热容基本上没有什么变化。 8.有关介质损耗描述的方法有哪些？其本质是否一致？

答：损耗角正切、损耗因子、损耗角正切倒数、损耗功率、等效电导率、复介电常数的复项。多种方法对材料来说都涉及同一现象。即实际电介质的电流位相滞后理想电介质的电流位相。因此它们的本质是一致的。 9.简述提高陶瓷材料抗热冲击断裂性能的措施。

答：(1) 提高材料的强度?f，减小弹性模量E。(2) 提高材料的热导率。(3) 减小材料的热膨胀系数。(4) 减小表面热传递系数h。(5) 减小产品的有效厚度rm。

10.为什么含有未满壳层的原子组成的物质中只有一部分具有铁磁性？

含有未满壳层原子组成的物质包括顺磁性物质和有序磁性物质。由于顺磁性物质中原子做无规则热振动，原子磁矩排列杂乱无章，宏观上不表现磁性；有序磁性物质包括反铁磁性、亚铁磁性和铁磁性物质，由于在反铁磁性或亚铁磁性物质中磁性有序的原子排列形成的磁矩平行和反平行相间排列，其磁矩完全或部分抵消，故只有部分磁矩（或自旋电子）方向相同的有序磁性物质具有铁磁性。 四、论述题：（本题共两题，共20分）

1．何为相变增韧？论述氧化锆增韧陶瓷的机理。

答：利用多晶多相陶瓷中某些成分在不同温度的相变，从而增韧的效果，这统称为相变增韧。

第二相颗粒相变韧化（transformation toughening）是指将亚稳的四方ZrO2颗粒引入到陶瓷基体中，当裂纹扩展进入含有t-ZrO2晶粒的区域时，在裂纹尖端应力场的作用下，将会导致t-ZrO2发生t?m相变，因而除了产生新的断裂表面而吸收能量外，还因相变时的体积效应（膨胀）而吸收能量，可见，应力诱发的这种组织转变消耗了外加应力。同时由于相变粒子的体积膨胀而对裂纹产生压应力，阻碍裂纹扩展。结果这种相变韧化作用使在该应力水平下在无相变粒子的基体中可以扩展的裂纹在含有氧化锆 t?m相变粒子的复合材料中停止扩展，如要使其继续扩展，必须提高外加应力水平，具体体现在提高了材料的断裂韧性。

2．说明下图中各个参量，数字及曲线所代表的含义。

答：Bs——饱和磁感应强度，当外加磁场H增加到一定程度时，B值就不再上升，也就是这块材料磁化的极限。

Br——剩余磁感应强度，当外加磁场降为0时，材料依然保留着磁性，其强度为Br。

Hc——矫顽力（矫顽磁场强度），表示材料保持磁化、反抗退磁的能力。据此大小可以区分软磁和硬磁。 μ——磁导率（=B/H），表示材料能够传导和通过磁力线的能力。

Oabc段表示材料从宏观无磁性到有磁性的磁化过程；cdefghc段表示物质在外加磁场中磁化、退磁再磁化的过程，因为退磁的过程滞后于磁化曲线，故又称此曲线为磁滞回线。由该曲线围成的空间有明确的物理意义，即曲线围起的面积越大，矫顽力（Hc）越大，要求的矫顽场强越大，磁化所需的能量越大，磁性材料就越“硬”；反之，曲线围起的面积越小，磁性材料就越“软”。

d

μ

e

g

h

3.论述大多数无机非金属材料在常温下不能产生塑性形变的原因。

答：无机非金属材料的组成主要是晶体材料，原则上讲可以通过位错的滑移实现塑性变形。但是由于陶瓷晶体多为离子键或共价键，具有明显的方向性。同号离子相遇，斥力极大，只有个别滑移系能满足位错运动的几何条件和静电作用条件。晶体结构愈复杂，满足这种条件就愈困难。另外，陶瓷材料一般呈多晶状态，而且还存在气孔、微裂纹、玻璃相等。其晶粒在空间随机分布，不同方向的晶粒，其滑移面上的剪应力差别很大。即使个别晶粒已达临界剪应力而发生滑移，也会受到周围晶粒的制约，使滑移受到阻碍而终止。所以多晶材料更不容易产生滑移。所以大多数无机非金属材料在常温下不能进行塑性变形。

2.用固体能带理论说明什么是导体、半导体、绝缘体，并予以图示。

答：根据能带理论，晶体中并非所有电子，也并非所有的价电子都参与导电，只有导带中的电子或价带顶部的空穴才能参与导电。从下图可以看出，导体中导带和价带之间没有禁区，电子进入导带不需要能量，因而导电电子的浓度很大。在绝缘体中价带和导期隔着一个宽的禁带Eg，电子由价带到导带需要外界供给能量，使电子激发，实现电子由价带到导带的跃迁，因而通常导带中导电电子浓度很小。

半导体和绝缘体有相类似的能带结构，只是半导体的禁带较窄(Eg小)，电

子跃迁比较容易。

五、计算题（每题5分，共20分）

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2.4mm，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：根据题意可得下表

拉伸前 拉伸后 拉伸前后圆杆相关参数表 体积V/mm1227.2 1227.2 3 直径d/mm 圆面积S/mm2.5 2.4 4.909 4.524 2 F4500??995(MPa)?6A4.524?10A0l12.52真应变?T?ln?ln?ln?0.08162l0A2.4F4500名义应力????917(MPa)A04.909?10?6?lA0名义应变????1?0.0851l0A真应力?T?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。

2.一材料在室温时的杨氏模量为3.5×108 N/m2,泊松比为0.35，计算其剪切模量和体积模量。

E?2G(1??)?3B(1?2?)可知： 解：根据

E3.5?108剪切模量G???1.3?108(Pa)?130(MPa)2(1??)2(1?0.35)E3.5?108体积模量B???3.9?108(Pa)?390(MPa)3(1?2?)3(1?0.7)

3.一陶瓷含体积百分比为95%的Al2O3 (E = 380 GPa)和5%的玻璃相(E = 84 GPa)，试计算其上限和下限弹性模量。若该陶瓷含有5%的气孔，再估算其上限和下限弹性模量。

解：令E1=380GPa,E2=84GPa,V1=0.95,V2=0.05。则有

上限弹性模量EH?E1V1?E2V2?380?0.95?84?0.05?365.2(GPa)VV0.950.05?1下限弹性模量EL?(1?2)?1?(?)?323.1(GPa)E1E238084当该陶瓷含有5%的气孔时，将P=0.05代入经验计算公式E=E0(1-1.9P+0.9P2)可得，其上、下限弹性模量分别变为331.3 GPa和293.1 GPa。

4.一圆柱形Al2O3晶体受轴向拉力F，若其临界抗剪强度τf为135MPa,求沿图 中所示之方向的滑移系统产生滑移时需要的最小拉力值，并求滑移面的法向应力。

Fτ 53° 60° N解： 由题意得图示方向滑移系统的剪切强度可表示为：

??

Fcos53??cos60?20.0015??f?0.00152??Fmin??3.17?103(N)cos53??cos60?3.17?103?cos60?此拉力下的法向应力为：???1.12?108(Pa)?112(MPa)20.0015?/cos60?Ф3mm 5.融熔石英玻璃的性能参数为：E=73Gpa；γ=1.56J/m2；理论强度σth=28Gpa。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。 解：2c=2μm c=1×10-6m

?c?2E?2?73?109?1.56=?0.269GPa ?c3.14?1?10?6强度折减系数=1-0.269/28=0.99

6.一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r0及其裂缝半长c的比值。讨论用此试件来求KIC值的可能性。

K??Y?c=??.c=39.23Mpa.m1/2

r0?1K?2()?0.125mm 2??ys1?>0.021 15?r0/c?0.125/4?0.031?

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