03年试题答案.doc

四川大学期末考试（A卷）标准答案及评分标准（2004 2005 学年第 下 学期）课程号：30014530 课序号：0-3 课程名称：材料科学与工程基础 适用专业年级：高分子材料与工程2003级 学生人数：326 印题份数：340 一、名词解释（10分）共5个名词解释，每个2分。1. heat capacity：热容（翻译正确得1分），在没有相变或化学变化的条件下，将一摩尔材料的温度升高1C所需的能量（解释和说明得1分）。在解释和说明时如英文书所述，是材料吸收外界环境热量的性质，代表升高单位温度所需的能量，也得全分。解释和说明时把意思说清楚即可。2. insulator：绝缘体（翻译正确得1分），电阻率在107在W.m以上的材料，或电导率在10-7在（W.m）-1（或S m-1）以下的材料（解释和说明得1分）。直接说电阻率很大，或电导率很小也可得全分。解释和说明时把意思说清楚即可。3. creep：蠕变（翻译正确得1分），是指在一定温度、一定压力下，材料的形变随时间的延长而增加的现象（解释和说明得1分）。解释和说明时把意思说清楚即可。4. ductile fracture：延性断裂（翻译正确得1分），是指在断裂前产生明显的永久变形，并且经常有缩颈现象发生的断裂类型（解释和说明得1分）。解释和说明时把意思说清楚即可，即只要说明断裂前有永久变形或塑性变形即可。5. transmissivity：透过率（翻译正确得1分），是指光线通过某物体时，透射光强度与入射光强度之比（解释和说明得1分）。解释和说明时把意思说清楚即可。二、判断下列说法是否正确，如果你认为是正确的，请在括号内填（T），反之，则填（F）。（10分） 计分方法每题1分1. 聚丙烯比聚乙烯更容易老化。 ( T )2. 在同样的加热条件下，材料的热容量越大，材料的温度上升得越快。 ( F )3. 淬火方法可以提高结晶性聚合物的透明性。 ( T )4. 在现有的超导材料中，金属的超导转变温度比金属氧化物的超导转变温度更高。 ( F )5. 材料的刚性越大，材料就越脆。 ( F ) 本答案共 7 页，本页为第 1 页6. 面心立方晶格的金属没有韧-脆性转变温度 ( T )7. PE可以用作高频绝缘材料。 ( T )8. 材料的线膨胀系数在所有温度下都是常数。 ( F )9. 氯丁橡胶的介电常数比聚氯乙烯的介电常数大 ( T )10 P.型半导体的载流子是空穴。 ( T )三、填空（15分）1-8小题，10小题中每空0.5分；9小题每空1分。1. 按受力方式，材料的弹性模量分为三种类型，它们是 正弹性模量（E） 、 切弹性模量（G） 和 体积弹性模量（G） 。2. 按照粘附摩擦的机理，摩擦系数的大小取决于材料的 剪切 强度和 抗压 强度。3. 按照马克三角形，影响聚合物耐热性的三个主要因素是 交联、结晶、和 刚性链 。4. 决定材料电导率的三个基本参数是 载流子的类型、 载流子的密度、和 迁移率 。（注意这里只要提到载流子而未完全按要求填，应给分）5.随着温度的升高，高分子材料的下列性能值是升高还是降低：介电常数 升高 、拉伸强度 降低 、热导率 升高 。（注意，用符号表示也算对）6. 列出阻止金属塑性变形的三种增强方法 晶粒减小 、 固溶体 、和 应变硬化。7. 写出以下材料性能参数的量纲：模量 GPa (MPa也算对) 、断裂韧性 MPa.m1/2、比热容 J.kg-1.K-1 (或kJ.kg-1.K-1)、磁化强度 A.m-1 。8.写出按照压痕硬度法原理测试材料硬度的三种主要方法的名称 布氏 、 洛氏 、 维氏 。9. 写出以下各性能参数之间的关系式 渗透率（ 液体）J （ D、 L、c1、c2），J= D（c1-c2）/L （或D（c2-c1）/L，或前面加负号均算正确） 本征半导体的电导率（Eg、T）：=0 exp(-Eg/2kT) 10.写出两种无量纲性能参数的名称 相对介电常数 、 磁化率 。（注意该题只要写出的是无量纲的性能参数均正确） 本答案共 7 页，本页为第 2 页四、作图题（10分）1、 画出钢、铸铁、陶瓷、橡胶、聚乙烯、聚苯乙烯、固化的酚醛树脂（电木）、玻璃、Al2O3、碳纤维复合材料的应力-应变曲线示意图。（5分）碳纤维复合材料钢电木陶瓷、玻璃Al2O3铸铁聚苯乙烯橡胶聚乙烯该题每条曲线0.5分，只要能示意就可。关键是区分弹性和非弹性。 2、画出磁滞回线示意图 （5分）+BBr-Hc-H+H-B 该题共5分，画出曲线示意图得4分；标注再得1分。 本答案共 7 页，本页为第 3 页五、简述题（20分）1、 从高分子材料、金属材料和陶瓷材料在组成和结构方面的差别，解释它们在模量和强度、耐热性、导电和导热性、耐腐蚀性、热膨胀性方面的差别（15分）答案：金属材料由金属元素或主要由金属元素组成，键合方式金属键（1分），金属正离子和自由电子作用，易形成晶体，如立方结构、面心立方、密堆六方（1分）。无机非金属材料除有机物和金属以外，包括常见的陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料；组分：硅酸盐类、氧化物类，氮、碳（不含H）（1分）；结合键：离子键、共价键、混合键（1分）。高分子材料主要有C、H、O元素组成，链内由共价键组成，链间由范德华氏力构成（1.5分）；多层次结构（链结构、聚集态结构和微区结构等），聚集态包括无定形，取向，半晶等，分子链以特定构象进入晶胞，多种结晶形态（1分）。模量：金属材料和陶瓷材料模量高（1分）；高分子材料模量低（1分）。强度：金属材料和陶瓷材料强度大（0.5分）；高分子材料强度小（0.5分）耐热性：陶瓷材料最高，金属材料次之，高分子材料最低（1分）。导电性：金属材料最好，陶瓷材料和高分子材料均差（1分）。导热性：金属材料最好，陶瓷材料和高分子材料均差（1分）。耐腐蚀性：金属材料主要电化学腐蚀（0.5分）；陶瓷材料主要是化学腐蚀 （0.5分）；高分子材料物理腐蚀为主（0.5分）。热膨胀性：陶瓷材料和金属材料较小，高分子材料较大（1分）。注意只要将意思表达即可得到相应的分数。(若能简要说明原因最好,如原子或分子间键合类型和强度的影响,自由电子的影响等)2、(a) Briefly explain why metals are opaque to electromagnetic radiation having photon energies within the visible region of the spectrum.(b) Why are metals transparent to high-frequency x-ray and -ray radiation?（5分）答案：(a) 高能级(价带）只部分填充电子，具有可见光频率的辐射，会激发电子到费米能级以上的空能级（吸收再发射光子）（3分）。(b对高频辐射无吸收，故透明（2分）。 本答案共 7 页，本页为第 4 页六、计算题（35分）1、At room temperature the electrical conductivity and the electron mobility for copper are 6.0 107 (m)-1 and 0.0030 m2/Vs, respectively. (a) Compute the number of free electrons per cubic meter for copper at room temperature. (b) What is the number of free electrons per copper atom? Assume a density of 8.9 g/cm3. （atomic weight of copper is 63.5g/mol ）（10分）解： （a） s = n |e| me ，所以 n =s /|e| me （写出公式得2分，公式转换再得1分）=(6.0 107-1m-1) (1.610-19C) (0.0030 m2/V-s)=1.251029（个/m3） （代入数据得1分，计算正确再得1分）（b） 每立方米铜原子数，N= (r/M)NA （写出公式得2分）= 8.9106(g/m3) 63.5(g/mol) 6.021023 =8.441028个/m3 （代入数据得1分，计算正确再得1分） 每个铜原子的自由电子数：1.251029（个/m3）/8.441028（个/m3）=1.48（代入数据计算正确得1分）说明：如未按照上述步骤写出公式代入数据，而在计算中遵循公式和步骤，直接代入数据计算，且计算正确也可以得到全分。2、A cylindrical rod 380 mm long, having a diameter of 10.0 mm, is to be subjected to a tensile load. If the rod is to experience neither plastic deformation nor an elongation of more than 0.9 mm when the applied load is 24,500 N, which of the four metals or alloys listed below are possible candidates? （10分）解：s=F/A0=F/(pd02/4) （写出公式得2分）=24500N /(3.14102 mm2/4)=312 MPa （代入数据计算正确再得1分）因此从屈服强度来看，只有Steel alloy and Brass alloy才有可能。（说明得1分）另外：e= Dl /l 0=0.9mm/380mm=0.00237 （写出公式得1分，计算正确再得1分）由s =E e，得E=s/e（写出公式及转换得1分，或直接写出转化公式） =315MPa/0.00237=133MPa, （代入数据计算正确再得1分）因此，Dl 0.9mm，E必须大于133MPa，因此Steel alloy合适。（说明，只有Steel alloy合适再得2分）。说明：如未按照上述步骤写出公式代入数据，而在计算中遵循公式和步骤，直接代入数据计算，且计算正确也可以得到全分。3、已知某种透明材料的折射率为1.6, 当可见光垂直入射并透过40mm厚的该透明材料时，透射率为0.80，当该种透明材料的厚度减少到20mm时，透射率为多少？。（7分）解：反射率R= (n1-1)2/(n1+1)2 = (1.6-1)2/(1.6+1)2=0.053 （写出公式1分，代入数据计算正确再得1分）； T= (1-R)2 e -b l ；或写成 I = I0 (1-R)2 e -b l （写出公式2分） 0.80=(1-0.053)2 e -b 0.04 ；=2.86（代入数据得1分；计算正确再得1分，注意R的数值取0.0533或0.05325，得到的的数值相应有变化） 材料厚度减少到20mm时，T= (1-R)2 e -b l = (1-0.053)2 e -2.86 0.02 =0.847代入数据得并计算正确再得1分。 说明：如未按照上述步骤写出公式代入数据，而在计算中遵循公式和步骤，直接代入数据计算，且计算正确也可以得到全分。4、一高为30.5mm的长方体由面积为2525mm2薄铝板和硫化橡胶（厚度分别为0.5mm和0.75mm）交替层压制成。问该复合板的热导率为多少？（a）平行板的方向；（b）垂直板的方向。（Al=0.22，R=0.00012，单位JS-1m-1K-1）（8分）解：铝板和橡胶板的层数：30.5mm /（1.25mm）= 24.4层 ，即24层多0.5mm；因此该复合材料为25层薄铝板和24层橡胶板，即两边为薄铝板，中间交替层压。（只要得到层数分别为25和24，即可得1分）体积分数分别为：VA1=（250.5）/30.5=0.41 VR =（240.75）/30.5=0.59（或=1-0.41=0.59） （知道计算体积分数得1分，体积分数计算正确得1分。）（a）平行板方向：L=V A1A1 +VRR （写出公式得2分。）=