无机材料物理性能考试要点及答案

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1、1. 略答3.答2. 在工程力学中讨论无机材料的弹性变形的时候，常涉及到一个重要的定律-虎克定律， 它表示了应力、应变之间的线性关系。对一各向同性体来说，假如它只在 x 方向受到拉伸应 力。，写出在这个方向上应力。、应变&的关系。x E什么是材料的弹性变形、塑性变形？简单说明晶体材料产生塑性变形的原因（机理）。（1）材料的弹性变形是指材料在受力作用下发生形变，清除应力后又能恢复原状。塑性 变形就是变形后不能恢复到原状态。（2）塑性变形机理：在剪应力作用下引起位错运动，导 致晶体晶格的滑移，产生塑性变形。4. 解释Griffith微裂纹理论，并说明其重要意义。已知晶格常数a、裂纹长度C、弹性模

2、量E、断裂表面能入，如何求理论结合强度、临界断裂应力？答：实际材料总是存在许多细小的裂纹或缺陷，在外力作用下这些裂纹或缺陷会产生应力集 中现象，当应力大到一定程度，裂纹开始扩展而导致材料断裂，即物体内储存的弹性应变能 降低大于或等于由于裂开形成两个新表面所需要的表面能，就会造成裂纹的扩展，反之，则 裂纹不会扩展。重要意义：建立工作应力、裂纹长度和材料性能常数之间的关系，并解释了 脆性材料强度远低于其理论强度的现象。,EXir2Exth ac xc5. 材料强度的本质是什么？裂纹扩展的动力和阻力是什么?由此可以看出，影响无机材料强度的主要参数有哪三个？答：材料强度的本质是内部质点间的结合力；裂纹

3、扩展的动力是由裂纹扩展单位面积所降低 的弹性应变能。三个参数是C：裂纹大小、Y：断裂表面能、E：弹性模量。6. 什么是材料的断裂韧性KIC?假设有一材料，为了确保其使用的安全性，从断裂强度理 论出发，那么其应力场强度因子KI与断裂韧性KIC之间应满足何种关系？答：KIC是反映材料具有抵抗裂纹扩展的能力；KVKIC7. 举出两种增强无机材料强度（或韧性）的方法，并简单说明其中的原因。答：Q弥散增韧：在基体中加入具有一定尺寸的微细粉体，可以吸收弹性应变能的释放量, 从而增加断裂表面能，改变韧性。Q相变增韧:在外界应力的作用下产生压应力，并在相变体积膨胀过程中消耗裂纹扩展能量, 从而起到增韧作用。8

4、. 杜隆-珀替定律（元素的热容定律）和柯普定律（化合物的热容定律）是描述晶态固体的两个重要的经验定律，分别解释这两个定律。答：杜隆-珀替定律（：恒定条件下元素的原子热容为25 J/Kmol 柯普定律：化合物分子热容等于构成此化合物各元素原子热容之和9. 写出温度为T时的物体的热容表达式。答：Ct(J/K)10. 什么是材料的热稳定性？第一、二热应力断裂抵抗因子表示什么意思？理解并写出它们 的表达式。答：材料的热稳定性是材料承受温度的急剧变化而不致破坏的能力。第一应力断裂抵抗因子：仅考虑最大热应力时：AT 二芈凹，材料的热稳定性 max 比R三史二也aE第二热应力断裂抵抗因子：考虑承受的最大温差

5、与最大热应力，材料的应力分布，产生的速 率和持续时间，材料的特性、裂纹、缺陷、散热等情况有关。R三1 丁九aE11. 材料中热量由高温区域向低温区域传递的现象称为热传导。对于气体来说，可由分子的 自由运动来传热，对于金属材料来说，可由大量的自由电子运动来传热，那么对于无机非金 属材料来说，主要是以什么来传递热量。答：无机非金属固态材料，主要以晶格振动的格波来传递热量。12. 在热膨胀中，是否可将质点的振动视为简谐振动？简单说明引起材料热膨胀的机理。答：不是；热膨胀时，引起晶格中质点非简谐振动而偏离平衡位置。13. 在相同的条件下，石英、石英玻璃的热膨胀能力哪个大？说明原因。比较NaCl、MgO

6、、 ZrO2固体的热膨胀能力，并说明原因。答：石英热膨胀能力大于石英玻璃；因为玻璃结构松弛，结构内部的空隙较多，所以T升 高，院子间距增加，导致部分地被结构内部空隙所容纳，热膨胀能力下降。 NaClMgOZrO2 因为NaCl、MgO、ZrO2的离子键性依次减小，而热膨胀系数随离子键性增强而增加。14. 光的全反射原理是什么？如何求临界入射角？ 答：当光从光密介质射向光疏介质，折射角大于或等于90时，折射光消失，发生全反射。nn由i2=90sini 2 ni sint 2，即为临界入射角21n 1n1115. 是否可以说晶体都具有双折射？什么是晶体的双折射现象？答：不是所有晶体都具有双折射现象

7、。双折射是非均质晶体的特性，这类晶体的所有光学性 能都和双折射有关。一束自然光穿过各向异性的晶体时分成两束偏振光的现象称为晶体的双折射现象。16. 设有一块玻璃的折射率为n,当光从空气中照射在其界面上时，那么反射系数（反射损 失）等于多少？透射系数等于多少？n -1答：反射系数m - （ 21）2投射系数1-m。n +12117. 试说明氧化铝为什么可以制成透光性很好的陶瓷，而金红石瓷则不能。由此我们可以总 结出，影响陶瓷材料透光性的主要因素是什么？答：玻璃中加入一些无机颗粒，对光的折射性能与玻璃相不同，因而在不均匀界面处形成相 对折射率，此值越大，则反射系数越大，因而散射系数变大，从而影响透

8、光性。18. 半导体材料的载流子是什么？若在半导体硅中掺入有三个价电子的元素，形成何种类型 半导体？五价？答：半导体材料的载流子是电子和空穴；在半导体硅中掺入三价电子的元素，新成P型半 导体，五价则形成n型半导体。19. 什么是PN结？通过PN结可以获得直流电，这是利用了 PN结的什么特性？解释其中 原因。答：当 p 型半导体和 n 型半导体结合在一起时，由于界面处存在载流子浓度的差异而形成一 层很薄的空间电荷区，这是PN结；单向导电性；PN结的空间电荷区中形成一个内电场， 当加入正偏压时，空间电荷区变薄，载流子扩散增强，使电流通过，当加入负偏压时，空间 电荷区变厚，载流子扩散受阻，电流无法通

9、过，所以PN结有单向导电性。20. 对于有碱玻璃来说，电导主要是离子电导还是电子电导？有碱的硼酸钾玻璃中，加入适 量的Li+,对其电导可能有何影响？加入Pb2+又如何?该效应称为？答：对于有碱玻璃（K+）,导电主要是离子电导，加入适量Li+电导率增大。（因为钾离子半 径大于锂离子半径，在外加电场作用下，K+移动时留下的空位比Li+的空位大，可以使K+、 Li+都能通过，所以电导增加。）加入Pb2+电导率降低（铅离子半径大于钾离子）。21简单说明如何使BaTiO3半导体化（价控半导体）。答：BaTiO3的半导体化通过添加微量的稀土元素，其禁带间形成杂质能级来实现半导化。22. 压敏效应是一种对电

10、压变化敏感的非线性电阻效应。掺杂ZnO是一种非常好的压敏电 阻，画出ZnO的电压-电流特性曲线图。据此说明什么是压敏效应？产生压敏效应的原因是 什么？答：电压在一定范围内，电阻大，达到某一值，电阻变小，原因：掺杂，形成局部电子 能级，电压小则少量电子在ZnO2晶格间迁移，电压变大，形成电子隧道效应，电子穿过晶 界在晶格内迁移。23. 铁电体不同于一般的电介质，是一种非线性介质（极化强度与外电场的关系是非线性 的）。当极化强度达到饱和的时候，此时的电畴在铁电体中的分布有何特点？答：电偶极矩在同一方向上排布。24. 钛酸钡（BaTiO3）晶体在居里点以下是否具有铁电性，为什么？简单说明该材料铁电性

11、的 形成机理。答：局里点一下有铁电性，四方晶系对称的降低自身电偶极矩大于居里点，长方晶系无 静电偶极矩。25. 压电效应与晶体的对称性有关，具有什么对称性的晶体具有压电性？为什么？对于正压 电效应，已知其压电常为d,作用力为T,则产生的电位移D如何计算？答：没有反演对称、带有离子键的晶体具有压电性。26. 压电效应与晶体的对称性有关，具有对称面的晶体，它在什么方向上可以存在不等于0 的电偶极矩？具有C3对称性的晶体呢？答：在对称面方向上存在电偶极矩，在三次旋转轴上具有不等于0 的压电性。27. 简述电介质、压电体、热电体、铁电体的关系。答：电介质包含压电性、热释电性、铁电性。28. 原子磁矩由

12、电子自旋磁矩、电子轨道磁矩及原子核自旋磁矩组成，请问物质的磁性主要由上述哪一磁矩决定？ MnO的磁矩是多少（以玻尔磁子数卩B表示）？答：由电子的自旋磁矩决定。MnO, Mn2+lS22S22P63S23P6，不成对电子数为5 个,所以，MnO 的磁矩为n （n + 2） = 5,92 卩B。29. 磁化率表示什么意思？材料的磁化率与温度有关，随着温度的升高，铁磁性可转化为顺磁性，写出此时磁化率与温度之间的关系（居里-威斯定律）。如何根据 1/c-T 关系，求出居 里常数和居里温度？答：磁化率表示物质能够被磁化的程度，X（磁化率）=c（居里常数）/T,由公式知T=c/x,斜率 为常数，与T交点为

13、居里温度。30. 如何理解铁磁性材料的磁滞回线？ 答：磁滞回线为铁磁性材料在外加交变磁场作用下产生的磁感应强度与磁场强度的关系曲 线是一条闭合线。31. 铁氧体和铁磁性、亚铁磁性之间有何关系？其原子磁矩的分布各有什么特点？ 答：铁磁性包括亚铁磁性。铁氧体磁性与铁磁性都具有磁化强度和磁畴。铁氧体磁性又称 为亚铁磁性。铁磁性原子磁矩：磁矩方向相同。亚铁磁性：产生自发极化。无机材料科学基础习题三问答与计算1、简述扩散、相变、固相反应与烧结推动力的具体表现形式。 2、简述非计量化合物与固溶体的异同。3、Al2O3+SiO2-3Al2O3 2SiO2为扩散控制的固相反应，若活化能 E=210kJ/mol

14、, 1400C 下反应1h反应完成10%,求1500C反应4h反应速度（已知1（l G）i/32=kt, k=Aexp（ E/RT）。4、简述硅酸晶体的结构分类特点，并写出O/Si的值。5、以晶体与玻璃为例,说明无机材料的组成、结构与硅酸之间的简要关系。6、已知熔体的密度d=2200kg/m3m1X105Pa。求在熔体深处20cm，形成=5X10-8m的小气 泡时,气泡内的最小压力值。7、比较高岭石与蒙脱石结构与特性异同。（7分）8、写出形成连续固溶体的条件。 （8分）9、写出Fick定律的表达式，并说明什么是非稳定扩散。（10分）10、解释下列现象：在H+ 粘土中引入Ca（OH），开始在水系

15、统中出现絮凝，随着Ca（OH）22 引入量的增加，相继又解凝和再次絮凝。（10分）1 1 、比较无规则网络学说和晶子学说的异同。 （ 1 0分）12、计算Na OCaO Al O2Si0和Na 0Al O2Si0的玻璃结构参数。（10分）22 32223213、在 CaF23，测得晶胞参数 a=0.55nm，固溶体密度 d=/cm3；已知 MY=88.90, MCa=40.08, Mf=19.00。试计算说明形成固溶体的类型。（10分）14、讨论烧结助剂对材料烧结的作用。（10分）15、分析液-固相变的推动力。（ 5 分）16、（10、 11中选做一题） （20分） 图例说明低共熔点与转熔点的

16、异同。17、如右图示的三元相图：（1）说明化合物D1、D2、D3、D4的性质。（2）分析E、F、G与H点的性质并写出相平衡方程。(3) 分析熔体I的析晶过程。18、试简述形成连续置换型固溶体的条件是什么？19、已知某晶体的多晶转变式为a相B相，a-B转变的 GV= 418J/mol, 900C时为一2090J/mol,并假设AG与温度之间呈线性关系。试计算(a) 1025C(b) 850CV时的临界半径r和AG。kV20、为了促进Al O材料的致密化，当加入0.0020.005molMg0作烧结助剂，其作用机理有23三种观点：(a) MgO-Al O 形成固溶体(写出固溶式)23(b) MgO

17、-Al O 形成化合物(写出固相反应式)23(c) MgO-Al O 出现液相(读出温度)23(1) 请你根据MgO-Al2O3相图判断这3种观点是否正确，并说明这三种机理促进烧结的原 因。(2)画出1700C时的自由焓一组成曲线。21、有一个三元相图 A-B-C。(a) 标明各条界线的性质(共熔用单箭头，转熔用双箭头表示)。(b) 写出E、F、G、H点的性质及相变式。(c) 分析M点的析晶路程，写出刚达析晶结束点时各相含量。(d) 如果冷却速率非常快，M点析晶路程将如何变化。答案1、扩散：化学位梯度，F= 5 口i/5xi相变：GWO,分温度条件，压力条件及浓度条件烧结：Y Y ，即表面能与

18、界面能之差SVGB2、非化学计量：形成与气氛及压力条件相关；可视为一种等价置换固溶体同一元素的不同价态间置换。固溶体：有间隙与置换两种(概念)；溶解度影响因素。二者均是结构缺陷，为均相体系。则:k=1 (1 G) 1/32/1二a(2) k=A exp (-E/RT)k/k =exp竺(丄丄)12R T T214、(1)按S： O的连接方式分类，分成5类4(2)岛状：O/Si=4/1组群：O/Si=7/2、3/1链状：O/Si=3/1、11/4层状：O/Si=1O/4架状：O/Si=2/15、(1)玻璃的通性(2) 晶体的通性(3) 结构决定性质(4) 成份与工艺决定微观结构( 5 )材料结构

19、设计的概念6、解：(1)熔体静压p =hPg=0.2X2200X(2) 附加压力Ap=2 Y/r=2XX10-8X107Pa(3) 总压(min)p =P + Ap1X105Pa7、(1)二、三八面体(2)层间结合力及其水化作用，层间取代( 3)层内取代8、(1)尺寸；(2)结构；(3)电价关系；(4)电负性及极化(各 2pts)9、(1) J=-DV C=-D (iac/a +jac/ay+kac/ay)10、匚一电位降f升f降的过程变性11、（1）无规则网络：（a）似晶体的三维；（b）只是三维多面体的无规则重复2)晶子说：（a）“晶子”的组成变化；（b）“晶子”是晶格变形的，近序而远无序（

20、c）“晶子”在无定形介质P的逐步连续分布3)前者：微不匀和近序后者：均匀性，连续性和无序4)共性：玻璃的近序与远无序无定形结构特征。12 、解1 ) Na2、 CaO、 Al2O3、 SiO2R=2X=0Y=4Z=4(2) Na2O CaO A12O3 2SiO2R2O+RO/A12O3=2门1 +1/33 + 46小R = 22 +13X=2RZ=2X2 4=0Y=4Z=413、解：(1) Ca Y F : Ca Y1x x 2+x3x(2) Ca YxV -F : Ca1x2Ca 2 2得：P =3.6591P =3.346 (g/cm3)214(2)Liquid(3) compound(

21、4) preventing recrystallization5)enlarge sintering temperature range15、(1)温度条件：AG = AH一 T过冷过热讨论，使 GV。TO2)浓度条件：AG = RTenc / c ,oGVofC=c eV, cc。O16、Solid： M - L A_ m -a T R(L + A + B S)li a - L l Z l s E(L T S + C + B)Solid: A aib h T i a S sic n M17、E点：ADDD交叉位，单转熔 123L+D D +D2 1 3F点：AADD内，重心位，低共熔13LA+D +D13G点：AABD重心位，低共熔1LA+B+D1H点：ABDD共转位，双转熔12L+B+D D21