无机材料物理性能(1).doc

一辨析1. 铁电体与铁磁体的定义和异同铁电体铁磁体自发极化自发磁化不含铁含铁电畴磁畴电滞回线磁滞回线 答：铁电体是指在一定温度范围内具有自发极化，并且自发极化方向可随外加电场作可逆转动的晶体。铁磁体是指具有铁磁性的物质。 2. 本征（固有离子）电导与杂质离子电导 答：本征电导是源于晶体点阵的基本离子的运动。这种离子自身随着热振动离开晶体形成热缺陷。这种热缺陷无论是离子或者空位都是带电的，因而都可作为离子电导载流子。显然固有电导在高温下特别显著；第二类是由固定较弱的离子的运动造成的，主要是杂质离子。杂质离子是弱联系离子，所以在较低温度下杂质电导表现显著。相同点：二者的离子迁移率 和电导率 表达形式相同不同点：a.本征离子电导载流子浓度与温度有关，而杂质离子电导载流子浓度与温度无关，仅决定于杂质的含量 B.由于杂质载流子的生成不需要提供额外的活化能，即他的活化能比在正常晶格上的活化能要低得多，因此其系数B比本征电导低一些 C.低温部分有杂质电导决定，高温部分由本征电导决定，杂质越多，转折点越高3. 离子电导和电子电导 答：携带电荷进行定向输送形成电流的带点质点称为载流子。载流子为离子或离子空位的为离子电导；载流子是电子或空穴的为电子电导 不同点：a.离子电导是载流子接力式移动，电子电导是载流子直达式移动 B.离子电导是一个电解过程，符合法拉第电解定律，会发生氧化还原反应，时间长了会对介质内部造成大量缺陷及破坏；而电子电导不会对材料造成破坏 C.离子电导产生很困难，但若有热缺陷则会容易很多；一般材料不会产生电子电导，一般通过掺杂形式形成能量上的自由电子 D.电子电导的电导率远大于离子电导（原因：1.当温度升高时，晶体内的离子振动加剧，对电子产生散射，自由电子或电子空穴的数量大大增加，总的效应还是使电子电导非线性地大大增加；2.在弱电场作用下，电子电导和温度成指数式关系，因此电导率的对数也和温度的倒数成直线关系；3.在强电场作用下，晶体的电子电导率与电场强度之间不符合欧姆定律，而是随场强增大，电导率有指数式增加4. 铁电体与反铁电体 答：铁电体是指在一定温度范围内具有自发极化，并且自发极化方向可随外加电场作可逆转动的晶体；反铁电体是指晶体中相邻的离子沿反平行方向发生自发极化，宏观上自发极化为零且无电滞回线的材料不同点：1.在反铁电体的晶格中，离子有自发极化，以偶极子形式存在，偶极子成对的按反平行方向排列，这两部分偶极子的偶极矩大小相等，方向相反；而在铁电体的晶格中，偶极子的极性是相同的，为平行排列 2.反铁电体具有双电滞回线，铁电体具有电滞回线 3.当外电场降至零时，反铁电体无剩余极化，铁电体存在剩余计5. 声频支与光频支的异同 答：相同点：声频支与光频支都是由于一维双原子点阵的振动引起的，且都是独立的格波，频率都与元胞振动频率相同 不同点：1.声频支是相邻原子具有相同的振动方向，表示了元胞的质量中心的振动；光频支是相邻两种原子振动方向相反，表示了元胞的质量中心维持不同，因而引起了一个范围很小，频率很高的振动 2.声频支是低温下的格波，频率小影响范围广，是同一类原子不同晶胞之间相互振动引起的；光频支是晶体熔融温度下的格波，频率高，影响范围小，是不同类原子同一晶胞之间相互振动引起的。6. 抗热震断裂性与抗热震损伤性 答：材料发生瞬时断裂，抵抗这类破坏的性能称为抗热冲击断裂性能 在热冲击循环作用下，材料表面开裂，剥落，并不断发展，最终碎裂或变质，抵抗这类破坏的性能称为抗热冲击损伤性能。7. 热容与热膨胀 答：热容是描述材料中分子热运动的能量随温度而变化的一个物理量，定义为使物体温度升高1K所需外界提供的能量 热膨胀是指物体的体积或长度随温度的升高而增大的现象 相同点：热膨胀系数与热容密切相关且有着相似的规律，两者曲线近于平行，变化趋势相同，即两者比值接近于恒值 不同点：热容具有可加性，与材料结构关系不大，气孔率大，热容小 热膨胀不具可加性，与材料结构密切联系，气孔率对其影响不大8. 裂纹快速发展与静态疲劳 答：裂纹快速发展-按照格里菲斯微裂纹理论，裂纹的快速发展，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（临界裂纹尺寸）决定材料的强度，一旦裂纹超过临界尺寸，裂纹就迅速扩展而断裂 静态疲劳是指裂纹在使用应力下，随着时间的推移而缓慢扩展，也称亚临界扩展。裂纹缓慢扩展的结果是裂纹尺寸逐渐加大，一旦达到临界尺寸就会失稳扩展而破坏2. 简答1. 格里菲斯微裂纹理论 答：实际材料中总是存在许多细小的裂纹或缺陷；在外力作用下，这些裂纹和缺陷附近产生应力集中现象；当应力达到一定程度时，裂纹的扩展导致了材料断裂。换句话说，断裂并不是晶体同时沿整个原子面拉断，而是裂纹严重某一存在有缺陷的原子面发生扩展的结果。材料内部储存的弹性应变能的降低大于由于开裂形成两个新表面所的表面时，裂纹将发生扩展；反之，裂纹将不会扩展2. 裂纹来源 答：1.由于晶体微观结构中存在缺陷，当受到外力作用时，在这些缺陷处就引起应力集中，导致裂纹结核 2.材料表面的机械损伤与化学腐蚀形成表面裂纹，此种裂纹最危险，裂纹的扩展常常由表面裂纹开始 3.由于热应力而形成裂纹3. 提高陶瓷材料强度的方法 答：1.利用显微结构增韧和热压烧结，使晶粒超细化，以减少气孔，裂纹尺寸和数量 2.预加压应力-材料加热后急剧冷却，进行热韧化，表面冷却速度高于内部，因而使材料表面引入残余压力3.化学强化-通过改变表面的化学组成，消除表面缺陷，使表面的摩尔体积比内部的大，并使表面残余压应力更高4.将表面抛光或化学处理，消除表面缺陷5.复合强化：纤维增强，晶粒增强4热膨胀微观机理 答：固体材料热膨胀的物理本质可以归结为点阵结构中质点间平均距离随温度升高而增大。在热振动过程中，在质点平衡位置r0的两侧合力曲线的斜率是不等的。温度越高，振幅越大，质点在r0两侧受力不对称情况越显著，平衡位置向右移动越多，相邻质点间平均距离就增加得越多，以致晶胞参数增大，宏观上便表现为晶体的热膨胀。 次要机理：随温度升高热缺陷浓度按指数关系增加，热缺陷的形成将造成局部晶格膨胀和畸变5. 热传导随温度如何变化 答：热传导是指当固体材料一端的温度比另一端高时，热量从热端自动的传向冷端的现象。 在温度不太高的范围内，无机材料中的热传导主要是声子传导。但是在温度较高时，介质由于结构松弛而产生蠕变，导致介质的弹性模量迅速下降，v则呈现出随温度增大而减小的趋势6. 爱因斯坦模型（92） 答：爱因斯坦提出的假设是：每一个原子都是一个独立的振子原子之间彼此无关，并且都以相同的角频率w振动 当温度很高时， 在低温时， 在低温区域，按按爱因斯坦模型计算出的Cv值与实验值相比下降太多。导致这一偏差的原因在于爱因斯坦模型中的基本假设有问题。实际固体中各原子的振动并不是彼此独立地以同样频率振动，原子振动间有耦合作用，温度较低时这一效应尤为明显。忽略振动之间频率的差别是爱因斯坦模型在低温不准的原因7. 德拜的比热模型 答：德拜模型认为：晶格中对热容的主要贡献是特性波的振动，也就是波长较长的声频支在低温下的振动占主导地位，而声频波的波长远大于晶体的晶格常数，因此可以把晶体近似为连续介质，而声频支的振动也可以近似的看做是连续的。 当温度较高时，由于T 当温度很低时，由于T8. 电导的次级现象 答：1.空间电荷效应 在介质内部，离子减少，在电极附近离子增加，或在某个地方积聚，这样形成自由电荷的积累，称空间电荷，也叫容积电荷。空间电荷的形成和电位分布改变了外电场在瓷体的电位分布，因此引起电流变化。空间电荷形成主要是因为陶瓷内部具有微观不均匀结构，因为各部分的电导率不一样。电流吸收现象主要发生在离子电导为主的陶瓷材料中。电子电导为主的陶瓷材料，因电子迁移率很高，所以不存在空间电荷和吸收电流现象。2. 电化学老化是指在电场作用下，由于化学变化引起材料电性能不可逆的恶化。一般电化学老化的原因主要是离子在电极附近发生氧化还原过程，使材料性能发生较大变化3. 含钛陶瓷的高温蠕变9.介质损耗形式 答：介质损耗指电解质在电场作用下，在单位时间内因发热而消耗的能量 1.漏导损耗：在外电场作用下，一些带电质点会发生移动而引起漏导电流，漏导电流流经介质时使介质发热而损耗了电流 2.极化损耗：发生在偶极式结构电介质和离子晶格不紧密的离子结构电介质中，是由于质点在电场作用下克服热运动引起的 （铁电体的介质损耗）3.电离损耗：由材料气孔内气体的电离吸收能量而损耗4.结构损耗：同介质内部结构的紧密程度密切相关5.宏观结构不均匀的介质损耗：各相的介电性质不同10.陶瓷材料敏感成因 答：通过人为掺杂造成晶粒表面组分偏离，在晶粒表层产生固溶偏析及晶格缺陷，在晶界处产生异质相的析出，杂质的聚集晶格缺陷及晶格各向异性等。总之，从宏观上调节化学组分气孔率，从微观上控制微区组分（主要为晶界组分）和微观结构（晶粒，晶界）通过上述各种因素的组合产生一系列特殊功能，应用特性虽然与晶粒本身性质有关，更主要是利用晶界及陶瓷表面特性。4. 综述题1. 为什么室温下大多数陶瓷无塑性？ 答：从宏观上讲，单晶陶瓷材料为离子键和共价键具有方向性，因而滑移系统少，不容易发生滑移，只有少数简单单晶滑移系统较多，能产生塑性变形。多晶陶瓷材料易形成塞积，更不容易滑移 从微观上讲，滑移的主要原因是位错移动，陶瓷材料位错运动难以实现，当滑移面上的分剪应力尚未使位错以足够速度运动时，此应力可能已超过微裂纹扩展所需的临界应力，最终导致材料的脆断。压峰效应：在铁导陶瓷中添加某种添加剂使居里点展宽，介电常数峰值平坦化，作用范围变 宽，从而使介电常数随温度变化较平缓移峰效应：在铁电体中引入某种添加剂生成固溶体，改变原来的晶胞参数和离子间的相互作 用，使居里点向低温或高温方向移动热释电效应：当温度变化时所吸附的多余屏蔽电荷被释放出来压电效应：没有中心反演对称的一些带有离子键的晶体，按所施加的机械应力成正比例地产 生电荷的能力硬度的测量方法：划痕法，布氏硬度法，静载压入法：在一个指定的静态载荷下，将一个具有规则形状的硬物压入材料表面，以压头的压入深度或材料表面压入凹面上所承受的平均载荷表示材料的硬度矿物，晶体和无机材料的硬度取决于其组成和结构。一般说来，离子半径越小，离子电价越高，离子配位数越小，结合能就越大，材料的硬度相应就较高。双碱效应：当玻璃何总碱金属离子浓度比较大时，若碱离子总浓度不变，含两种碱离子的玻 璃电导率比只含一种碱离子的玻璃电导率要小，当两种碱离子浓度比例适当的情 况下，电导率甚至可降至45个数量级压碱效应：含碱金属玻璃中加入一种碱土金属氧化物，能使电导率降低，相应的二价阳离子 体积愈大，这种效应愈强。电击穿：介质在电场作用下，介质中电子载流子迅速增加，当外加电场足够高时，这种电子 载流子的迅速增加使贯穿介质的电流迅速增长导致介质击穿热击穿：非瞬时完成；除和材料的特性有关外，还与器件几何形状，散热情况，周围媒介温 度因素有关化学击穿：需要相当长的时间，材料被“老化”，逐渐丧失绝缘性能其中热击穿和化学击穿会对材料产生破坏介质的击穿：介质在电场的作用下，当电场超过某一临界值的介质由介电态变为导电态的现 象。光与介质之间相互作用的基本原理：光和物质相互作用的过程可以看作是物质的原子或分子 体系在入射光波电