硕士研究生入学考试大纲-821材料物理性能.doc

目录I 考查目标2II 考试形式和试卷结构2III 考查内容2IV. 题型示例及参考答案3全国硕士研究生入学统一考试材料物理性能考试大纲I 考查目标目的是科学、公平、有效地测试考生是否具备攻读材料物理与化学专业硕士所必须的基本素质、一般能力和培养潜能，以利用选拔具有发展潜力的优秀人才入学，为国家的经济建设培养具有良好职业道德、法制观念和国际视野、具有较强分析与解决实际问题能力的高层次、应用型、复合型的材料专业人才。考试要求是测试考生是否理解材料物理性能的内涵、变化规律及其影响因素，是否掌握材料物理性能的测试原理、方法以及具体应用。具体来说。要求考生：1 掌握材料物理性能基本参数的物理意义、物理本质及相关的基本概念。2 理解掌握材料物理性能变化规律及其影响因素，为设计新材料和材料改性打基础。3 熟悉材料物理性能的测试原理、测试方法及相关仪器设备，培养科学实验的能力。4 了解物理性能的应用。II 考试形式和试卷结构一、 试卷满分及考试时间试卷满分为100分，考试时间120分钟。二、 答题方式答题方式为闭卷、笔试。允许使用计算器（仅仅具备四则运算和开方运算功能的计算器），但不得使用带有公式和文本存储功能的计算器。三、 试卷内容与题型结构有以下四种题型：1. 简答题 3题，每小题6分，共18分2. 计算题 2题，每小题6分，共12分3. 推导说明题 1题，每小题10分，共10分（或概念题 5题，每小题2分，共10分）4. 分析讨论题 5题，每小题12分，共60分III 考查内容一、 材料的热学性能1. 固体热容理论，无机材料和金属材料的热容变化规律；材料的热容和比热容的测量方法，热分析法的应用。2. 材料的热膨胀性能（热膨胀系数），热膨胀的物理本质；膨胀的因素、膨胀系数与其它物理性能的关系；热膨胀的测量方法及膨胀分析的应用。3. 热传导的基本概念，热传导的物理机制，影响热传导的因素和热传导的应用。4. 材料的热稳定性的基本概念，热应力断裂抵抗因子和抗热冲击损伤性；提高抗热冲击断裂性能的措施。二、 材料的电学性能1. 金属的导电理论，影响金属导电性的因素。2. 固溶体的导电性，化合物、中间相及多相混合物的导电性。3. 本征半导体和杂质半导体的电学性能。4. 绝缘体的电学性能（包括电介质的极化、电介质的介电常数、电介质的耐电强度以及介电损耗）。5. 超导体的基本概念，超导体的属性，超导现象的物理本质。6. 材料的热电效应、压电效应、热释电效应、光电效应、霍尔效应。7. 导电性的测量。8. 电阻分析的应用。三、 材料的磁学性能1. 表征磁性的参数以及磁性分类。2. 原子磁矩的概念，磁性的物理本质。3. 金属的抗磁性与顺磁性，影响金属的抗磁性与顺磁性的因素，磁化率的测量。4. 铁磁材料的自发磁化的过程；铁磁单晶体的各向异性和各向异性能；磁滞回线和基本磁化曲线的意义；磁轴的产生和结构；技术磁化和反磁化过程；铁磁体的磁致伸缩效应、铁磁体的形状各向异性和退磁能。5. 静态磁性和动态磁性的测量方法，磁性分析的应用领域。四、 材料的光学性质1. 材料对光的吸收和色散特性。2. 晶体的双折射现象和二向色性。3. 材料的光散射和材料的光发射特性。4. 材料光学性能的测量方法，光学性能的应用。五、 材料的弹性和内耗1. 材料弹性性能的物理本质。2. 材料弹性模量的测量方法及应用。3. 材料的滞弹性与内耗关系及内耗产生的机制。4. 内耗的量度和内耗的测量方法。5. 内耗分析的应用。IV. 题型示例及参考答案一、简答题（每题6分，共3题，总计18分）1、简要说明BaTiO3典型电介质中在居里点以下存在的四种极化机制。2、高分子在电场中的极化有哪几种形式？各有什么特点？3、次声有哪些特点？二、计算题（每题6分，共2题，总计12分）1、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。2、试分别画出应力松弛和应变蠕变与时间的关系示意图，并算出t = 0、t = 和t = 时的纵坐标表达式。三、推导说明题（10分）1、推导居里-外斯定律，并说明磁化率与温度的关系。四、分析讨论题（每题12分，共5题，总计60分）1、细晶粒金红石陶瓷样品在20、100Hz时，相对介电常数为100。这种陶瓷相对介电常数高的原因是什么？如何用实验来鉴别各种起作用的机制？2、画出典型铁电体的电滞回线示意图，并用有关机制解释引起非线性关系的原因。3、试讨论影响聚合物电容率和介电损耗的因素。4、讨论动态磁化过程中，磁损耗与频率的关系。5、试从数学表达式、来源和物理意义、对磁矩取向的作用三个方面比较铁磁体中的五种能量。参考答案一、简答题1、（1）电子极化：指在外电场作用下，构成原子外围的电子云相对原子核发生位移形成的极化，建立或消除电子极化时间极短，约10-1510-16s。（2）离子极化：指在外电场的作用下，构成分子的离子发生相对位移而形成的极化，离子极化建立核消除时间很短，与离子在晶格振动的周期有相同数量级，约为10-1210-13s。（3）偶极子转向极化：指极性介电体的分子偶极矩在外电场作用下，沿外施电场方向而产生宏观偶极矩的极化。（4） 位移型自发极化：是由于晶体内离子的位移而产生了极化偶极矩，形成了自发极化。2、（1）电子极化：指在外电场中每个原子的价电子云相对于原子核发生位移，极化过程所需时间极短，约为10-510-13s。（2）原子极化：指在外电场中不同的原子核之间发生相对位移，极化时间约在10-13 s以上。（3）取向极化：极性分子自身带有固有偶极子，在电场中，将沿电场方向择优排列，取向过程要克服偶极子本身的惯性与旋转阻力，故所需时间比位移极化长的多，约为10-9s。（4）发生在非均相介质界面处的极化，它时在电场作用下，介质中的电子或离子在界面处堆积造成的，称为界面极化。所需时间很长，从几分之一秒至几分钟，甚至更长。3、（1）频率低于25Hz，人耳听不到；（2）次声在大气中因气体的黏滞性和导热性引起的声能吸收比一般声波小得多；（3）吸收系数与周期T和大气压力的关系：；（4）次声受水汽以及障碍物的散射影响更小，可忽略不计；（5）次声是一种平面波，沿着地球表面平行的方向传播，次声对人体有影响，会使人产生不舒服的感觉；（6）频率小于7 Hz的次声与大脑的节律频率相同，因此对大脑的影响特别大，功率强大的次声还可能严重损坏人体的内部器官。二、计算题1、令E1 = 380 GPa，E2 = 84 GPa，V1 = 0.95，V2 = 0.05。则有当该陶瓷含有5%的气孔时，将P = 0.05代入经验计算公式E = E0 (1 - 1.9P + 0.9 P2 )可得，其上、下限弹性模量分别变为331.3 GPa和293.1 GPa。2、Maxwell模型可以较好地模拟应力松弛过程：Voigt模型可以较好地模拟应变蠕变过程：以上两种模型所描述的是最简单的情况，事实上由于材料力学性能的复杂性，我们会用到用多个弹簧和多个黏壶通过串并联组合而成的复杂模型。如采用四元件模型来表示线性高聚物的蠕变过程等。三、推导说明题1、铁磁体中作用于本征磁矩的有效磁感应场其中M为磁化强度，则为内场，顺磁体磁化强度表达式：把B0用Beff代替，则得到铁磁体磁化强度：(1)当TTc时，自发磁化强度消失，只有在外磁场B0作用下产生磁化强度，当TTc时，可令，则(1)式变为：.(2)又，代入(2)式有： 解得，令，则得 当T时，为铁磁性当T Tc时，为顺磁性四、分析讨论题1、金红石离子间作用较强，其离子与电子极化率有相同数量级，由于存在离子极化，产生与外电场方向一致的附加电场，强烈地增加了电子极化强度，使得电容率大大增加（100）。实验鉴别起作用的机制：可由结构系数来计算，结构系数表示被考察离子周围晶格内其它离子的影响。如果离子A周围处于B位置上的离子占优势，则感应电矩作用在离子A上附加内电场与外电场的方向相同，此时附加电场与外电场加强了外电场的作用，结构系数机就是正的；反之，结构系数就是负的。金红石晶体的C11，C12 ，C21 C22 ，分别为Ti4+与Ti4+、Ti4+与O2- 、O2- Ti4+、O2-与O2- 间的内电场结构系数，它们仅决定于晶胞参数，由于中心离子周围离子Ti4+O2-Ti4+C11-0.8/a3C12+36.3/a3O2-C21+18.15/a3C22-12.0/a3从表中看出，表示钛离子和氧离子本身相互作用的内电场结构系数C11与C22均为负数，这表明同种离子之间都有削弱外电场的作用。反之，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相当大，并且都是正值，这表明异种离子之间都有加强外电场的作用。其结果使氧离子和钛离子的极化加强，而且这种加强远远超过了同种离子削弱外电场的作用，这就使得晶体得介电常数和大。2、图略。铁电体晶体在整体上呈现自发极化，这意味着在正负端分别有一层正的和负的束缚电荷。束缚电荷产生的电场在晶体内部与极化反向（称为退极化场），使静电能升高。在受机械约束时，伴随着自发极化的应变还能使应变能增加。所以均匀极化的状态是不稳定的，晶体将分成若干个小区域，每个小区域内部电偶极子沿同一方向，但各个小区域中电偶极子方向不同。这些小区域称为电畴或畴。畴的间界叫畴壁。铁电体的极化随电场的变化而变化。但电场较强时，极化与电场之间呈非线性关系。在电场作用下，新畴成核长大，畴壁移动，导致极化转向。在电场很弱时，极化线性地依赖于电场，此时可逆地畴壁移动占主导地位。当电场增强时，新畴成核，畴壁运动成为不可逆的，极化随电场的增加比线性段快，当电场达到相应于B点的值时，晶体成为单畴，极化趋于饱和。3、（1）影响电容率的因素：聚合物的极性大小决定其电容率的大小，极性大小与化学键的极性有关；受分子结构对称限制，分子结构对称的聚合物其极性不大，电容率较低；主链有不对称碳原子聚合物，其立体构型会影响电容率；对同一聚合物而言全同立构聚合物的电容率大于无规立构大于间同立构；电容率的大小还同偶极子取向难度有关，主链上极性基团以及同主链刚性连接的极性侧基的活动性较小，而柔性侧基活动性较大，后者对电容率有较大贡献；从整个分子链的活动性考虑，橡胶态与粘流态的聚合物比玻璃态的电容率大；另外，支化使分子间相互作用降低，电容率升高；而交链限制分子运动，电容率下降。（2）介电损耗影响因素分子极性越大，取向极化度就越大，损耗越大，极性聚合物通常有较大的损耗因子；柔性侧基上的极性基团取向过程阻力较小，损耗也要小一些；增塑剂：非极性增塑剂降低体系粘度，使极化容易进行，使极性高分子介电损耗峰移向低温，对于极性增塑剂，不但增加高分子链的活动性，而使原来极化过程加快，而且本身作为新偶极子而附加高介电损耗；导电性极性杂质，是损耗因子增大；另外，频率、温度、电压都会影响其损耗因子。4、参考铁氧体材料的磁性频谱图，分为以下五个区域讨论：（1）低频区域（f 104 Hz）： 较高、 较低，且 和 随频率f的变化较小，引起损耗 的机理主要是由于不可逆磁化过程产生的磁滞和磁化状态滞后于磁场变化的磁后效；（2）中频区域（f = 104106 Hz）：与低频区域类似，但有时损耗 会出现峰值，这是由于样品的横向尺寸与交变磁场的半波长相近时产生的尺寸共振和交变频率与样品磁致伸缩引起机械振动的固有频率一致时的磁力共振引起的能量吸收；（3）高频区域（f = 106108 Hz）： 急剧下降， 迅速增加，原因是交变磁场的频率与畴壁振动的本征频率或弛豫频率相同时，发生畴壁共振或畴壁弛豫而吸收量大引起损耗增大；（4）超高频区域（f = 1081010 Hz）： 继续下降， -1可能出现负值，而 出现自然共振引起的峰值，这是由于外加磁场频率与磁矩进动固有频率相等时产生共振现象引起的；（5）极高频区域（f 1010 Hz）：对应为自然交换共振区域。5、铁磁材料的五种相互作用能分别为：交换能Fex、磁晶各向异性能Fk、磁弹性能F、退磁场能Fd和外磁场能FH。相邻原子电子自旋的单位体积内的交换能为：A0时，电子自旋不平行，则会引起系统交换能的增加，Fex0，只有当不考虑自旋轨道耦合时，交换能Fex是各向同性的。磁晶各向异性能Fk是饱和磁化强度矢量在铁磁材料中取不同方向时随时间而改变的能量，仅与磁化强