物理性能-W.docx

影响粘度的因素温度：温度决定材料的粘度，而粘度的值将决定材料的主要性能 时间：将影响粘度 组成：材料的主要本征因素.粘弹性：一些非晶体,有时甚至多晶体在比较小的应力时同时表现出粘性和弹性 滞弹性：材料和时间有关的弹性，即时间的滞后.什么是相变增韧利用ZrO2由四方转变成单斜相的相变过程可以改善陶瓷材料的断裂韧性，简述其机理。答：相变增韧是利用多晶多相陶瓷中某些相在不同温度下发生相变从而增韧的效果. ZrO2由四方转变成单斜相的相变过程中,体积增加3-5%，这体积效应使得材料内部产生应力或者微裂纹。当材料受到外力作用时，材料内部因为应力集中或者微裂纹可以部分或者全部抵抗外力作用，从而改善材料的断裂韧性介电损耗的形式由样品的几何电容充电引起电流.介质极化的建立引起电流：与极化松弛等有关； 介质的电导（漏导）造成的电流：与自由电荷有关。 能量损耗：松弛极化损耗、电导损耗、离子变形和振动损耗1）电导（漏导）损耗）2）极化损耗3）电离损耗4）结构损耗（1分）5）宏观结构不均匀的介质损耗。介质的击穿：外加电场强度超过某一临界值时，介质由介电状态变为导电状态的现象。热击穿的本质：处于电场中的介质，由于介质损耗而受热.当外加电压足够高时，散热和发热从平衡状态转入非平衡状态，介质的温度将越来越高，直至出现永久性破坏.铁电体：在一定温度范围内含有能自发极化，且自发极化方向可随外电场作可逆转动晶体。即具有铁电性晶体。铁电晶体的特点：极性晶体、特殊的晶体结构（自发极化改变方向时，晶体构造不发生大的畸变非晶态材料 特征（1）从原子排布结构看，为长程无序，短程有序：2）不存在位错及晶粒边界；3）加热具有结晶化倾向；4）电阻率比晶态高；5）机械强度高，硬度大 6）受放射性物质辐照，性能劣化不明显 7）作为磁性材料，磁导率高，矫顽力低。由于电阻率高，涡流损耗小。非晶态磁性具有优良的综合软磁性材料特性。裂纹的三种扩展方式或类型掰开型 张开或拉伸型，裂纹表面直接分开。错开型 滑开或面内剪切型，两个裂纹表面在垂直于裂纹前缘的方向上相对滑动撕开型 外剪切型，两个裂纹表面在平行于裂纹前缘的方向上相对滑动。请定性介绍陶瓷受球形压力作用时，压痕应力场下材料中裂纹的形成至材料断裂的过程。答：压痕裂纹可能起源于试样上原有的裂纹，也可能是在压头加载时产生的。陶瓷受球形压力作用，先产生弹性形变，抵抗部分外加应力；然后产生塑性变形。当弹性变形和塑性形变都不能够完全抵抗外加作用力时，材料形成诱发裂纹，首先是应力集中点成核。一个给定的裂纹能否充分发展成临界状态的裂纹，取决于其尺度、位置和其与张应力轴的相对取向，即在能量方面它应该具有足够克服阻碍裂纹发展的初级势垒的条件，满足Griffith裂纹扩展理论。裂纹扩展分成稳态的裂纹扩展过程（当应变能释放率足以支付断裂表面能增量，原子键的破坏就会发生）和动态的裂纹扩展过程（原子键的破坏过程呈分段的连续性），最后材料断裂。铁磁体: 主要特点:在较弱的磁场内,铁磁体也能够获得强的磁化强度,而且在外磁场移去,材料保留强的磁性.原因:强的内部交换作用,材料内部有强的内部交换场,原子的磁矩平行取向,在物质内部形成磁畴。什么是西贝克(Seeback)效应? 它是哪种材料的基础。(2)超导体二个基本性能指标“零电阻及其临界转变温度”和“完全抗磁性及临界磁场强度”是什么?答: (1)西贝克(Seeback)效应是温差电动势效应-广义地,在半导体材料中,温度和电动势可以互相产生.实际上是材料的热和电之间转化,可以指导人们在热电之间建立相互联系，是热电材料的基础。2)零电阻及其临界转变温度: 在超导体环路中感生一电流,在一段时间内电流下降是I=I0exp(-(R/L)2), R:环路电阻值,L:环路自感,I0:观察时间内感生电流,若R10-26?cm,可以认为是零电阻.这时候的温度是由正常导电态转变成超导体的温度-临界转变温度.完全抗磁性和临界磁场强度: 在超导体处在磁场中,超导体在表面形成屏蔽电流,使得外加的磁场被排斥在超导体之外.当屏蔽电流到达一定值,超导体就被破坏,成为导体。防止裂纹扩展的措施1）使作用应力不超过临界应力，裂纹就不会失稳扩展。2）.在材料中设置吸收能量的机构阻止裂纹扩展。提高这种氧化铝陶瓷抗热冲击断裂性能的措施：1）提高材料强度s，减少弹性模量E，提高s/E。实质是提高材料的柔韧性2）提高材料的热导率l，使得R提高3）减少材料的热膨胀系数a（4）减少表面热传递系数h（5）减少产品的有效厚度。以含有无气孔、5%玻璃相（该玻璃相从温度1000OC开始软化，1100OC完全变成液相）的氧化铝陶瓷为例子，说明：（1）该陶瓷分别在1050OC和1150OC时，受不断增加的应力作用时，陶瓷材料变形到断裂的变化过程。答：在1050OC，该陶瓷含有5%软化玻璃相。受不断增加的应力作用时，陶瓷材料先产生弹性形变，抵抗部分外加应力。由于材料有5%软化玻璃相；然后产生粘弹性的塑性变形。当弹性变形和塑性形变都不能够完全抵抗外加作用力时，材料形成诱发裂纹，直到裂纹扩展，材料断裂。在1150OC时，该陶瓷含有5%玻璃相转变成液相。受不断增加的应力作用时，陶瓷材料先产生弹性形变，抵抗部分外加应力。由于材料有5%液相，材料中有一定的塑性变形。当弹性变形和塑性形变都不能够完全抵抗外加作用力时，材料形成诱发裂纹，直到裂纹扩展，材料断裂。材料中液相之间的作用力比固相大，材料在固相部分断裂；材料中液相之间的作用力比固相小，材料在液相部分断裂。（2）在恒定应力作用（该应力在室温是陶瓷材料弹性变形的极限应力）下，在1050OC时，影响该氧化铝陶瓷高温蠕变的因素有那些?答：晶粒尺寸：不同的晶粒尺寸范围决定了不同的蠕变机理起控制速率的作用。当晶粒比较大，蠕变速率受晶格机理控制，当晶粒比较小，情况相对复杂，二种晶界机理和晶格机理都可能起作用.固溶合金原子：固溶合金原子对蠕变行为的影响首先取决于控制蠕变的机理，即受固溶原子分布状态的影响,其次也可能改变晶界的应力指数，改变材料蠕变的机理。固溶合金原子可以提高或者降低材料的蠕变速率（2分） 亚结构的形成：位错、晶界等不同亚结构的形成.晶界剪切：晶界的滑移.第二相物质：在材料的晶界上存在的第二相，其性质将决定材料高温蠕变的形式或者机。.塑性变形必须满足下列条件:1）有足够多的位错2）位错有一定的运动速度3）柏氏矢量大的材料大4）位错的形成需要能量，其位错形成能为E=aGb2。塑性形变速率对屈服强度的影响：塑性形变速率大，相应的剪应力最大值也大。表现在宏观上屈服强度点也越高。提高无机材料强度改进材料韧性的途径1).微晶、高密度与高纯度提高晶体的完整性，细、密、匀、纯是重要方面。2).提高抗裂能力与预加应力3).化学强化4).相变增韧5).弥散增韧。影响热导率的因素1)温度 声子平均自由程 l 随温度升高而降低2).显微结构的影响 3).化学组成的影响 降低声子的平均自由程，使热导率变小。 4).气孔的影响 气孔降低材料的热导率。影响离子电导率的因素温度 随着温度的升高，离子电导增加2）晶体结构 熔点高的晶体电导率越低3）晶格缺陷 晶格缺陷的生成及其浓度大小是决定离子电导的关键。为什么说所有的物质都是磁介质？答：材料磁性的本源是材料内部电子的循轨和自旋运动。而物质的磁性是由电子的运动产生的。任何物质都是由电子和原子核组成的，所以说所有的物质都是磁介质。影响塑性形变的因素有哪些？并对其进行说明。答：晶体结构和键型.本征因素：晶粒内部的滑移系统相互交截、晶界处的应力集中、晶粒大小和分布；外来因素：晶界作为点缺陷的源和阱，易于富积杂质，沉淀有第二相。特别当含有低熔点物质时，多晶材料的高温塑性滑移首先发生在晶界。（杂质在晶界的弥散、晶界处的第二相、晶界处的气孔。材料的弹性模数主要取决于什么因素？答1、键合方式和原子结构；2、晶体结构；3、化学成分；4、微观组织；(影响最严重。)5、温度；6、加载条件和负载持续时间。分析提高抗热冲击断裂性能的措施。答1）、提高材料强度，减小弹性模量E，使/E提高-提高材料的柔韧性，能吸收较多的弹性应变能而不致开裂，提高了热稳定性。2）、提高材料的热导率；3）、减小材料的热膨胀系数；4）、减小材料的表面热传递系数h；5）、减小产品的有效厚度。化学击穿有哪两种机理？答：一种是在在直流和低频交变电压下，由于离子式电导引起电解过程，材料中发生电还原作用，使材料的电导损耗急剧上升，最后由于强烈发热成为热化学击穿；另一种化学击穿是当材料中存在封闭气孔时，由于气体的游离放出的热量使器件温度迅速上升，变价金属在高温下氧化物还原，使材料电子式电导大大增加，电导的增加反过来又使器件强烈发热，导致最终击穿。阐述温度对电击穿、热击穿和化学击穿各有什么影响？及三种击穿答：温度对电击穿影响不大，因为在电击穿过程中，电子的运动速度、粒子的电离能力等均与温度无关，因此在电击穿的范围内温度的变化对E穿没有什么影响。温度对热击穿影响较大，首先温度升高使材料的漏导电流增大，这使材料的损耗增大，发热量增加，促进了热击穿的产生（1分）。此外，环境的温度升高使元器件内部的热量不容易散发，进一步加大了热击穿的倾向；温度使材料的化学反应加速，促使材料老化，从而加快了化学击穿的进程。电击穿：材料的电击穿是一个“电过程”，即仅有电子参加。是在强电场作用下，原来处于热运动状态的少数“自由电子”的定向运动加速而产生“雪崩”现象，导致介质击穿，电击穿是瞬间完成的。热击穿：绝缘材料在电场下工作，由于各种形式的损耗，部分电能转变成热能，使材料被加热，当温度超过一定限度时，材料出现烧裂、熔融等现象，丧失绝缘能力。化学击穿：绝缘材料在高温、潮湿、高电压或腐蚀性环境下工作，由于电解、腐蚀、氧化、还原等原因而导致丧失绝缘能力。影响材料蠕变的因素：1）温度.温度升，稳态蠕变速率增2）应力，正比3）微结构影响，气孔，晶粒尺寸，玻璃相对蠕变有影响4）组成，5）晶体结构，共价键结构程度增加，扩散及错位运动降低，抗蠕变性能好。何谓塞贝克效应？其实质及产生的原因是什么?答: 当两种不同的金属或合金A、B联成闭合回路，且两接点处温度不同，则回路中将产生电流，这种现象称塞贝克效应。其实质在于两种金属接触时会产生接触电势差。这种接触电势差是由于两种金属中电子逸出功不同及两种金属中电子浓度不同所造成的。2、为什么在常温下，大多数无机非金属材料不具备明显的塑性？答：（1）、对于单晶体的陶瓷材料而言，原则上讲可以通过滑移和孪晶实现塑性形变，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，同号离子相斥，只有个别滑移系统能满足位错运动的几何条件和静电作用，所以单晶陶瓷材料只有少数具有简单晶体结构的晶体，如MgO、AgCl在室温下具有塑性，而其它复杂晶体结构的材料在室温下不能进行塑性变形；（2）、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，位错不易向周围晶体传播，更易在晶界处塞积而产生应力集中，形成裂纹引起断裂，所以陶瓷材料很难进行塑性变形；3）、非晶态玻璃材料，由于不存在晶体中的滑移和孪生的变形机制，其永久变形是通过分子位置的热激活交换来进行的，属于粘性流动变形机制，塑性变形需要在一定的温度下进行，所以普通的无机玻璃在室温下没有塑性。综上所述，在常温下大多数无机非金属材料不具备明显的塑性。请阐述PTC现象的机理。答: PTC现象发现以来，有各种各样的理论试图说明这种现象。其中，Heywang理论能较好地说明PTC现象。该理论认为n型半导体陶瓷的晶界上具有表面能级，此表面能级可以捕获载流子，从而在两边晶粒内产生一层电子耗损层，形成肖特基势垒。这种肖特基势垒的高度与介电常数有关。在铁电相范围内，介电系数大，势垒低。当温度超过居里点，根据居里-外斯定律，材料的介电系数急剧减少，势垒增高，从而引起电阻率的急剧增加24、表征超导体性能的三个主要指标是什么？答：临界转变温度TC，即成为超导态的最高温度；临界磁场HC，即能破坏超导态的最小磁场，HC的大小与超导材料的性质有关；临界电流密度JC，即材料保持超导状态的最大输入电流。金属半导体的电阻随温度的升高如何变化答：金属的电阻随温度的升高而增大，半导体的电阻随温度的升高而减小。对金属材料，尽管温度对有效电子数和电子平均速率几乎没有影响，然而温度升高会使离子振动加剧，热振动振幅加大，原子的无序度增加，周期势场的涨落也加大。这些因素都使电子运动的自由称减小，散射几率增加而导致电阻率增大。而对半导体当温度升高时，满带中有少量电子有可能被激发到上面的空带中去，在外电场作用下，这些电子将参与导电。同时，满带中由于少了一些电子，在满带顶部附近出现了一些空的量子态，满带变成了部分占满的能带，在外电场作用下，仍留在满带中的电子也能够起导电作用。电子位移极化(形变极化) 在外电场作用下，原子外围的电子云相对于原子核发生位移形成的极化叫电子位移极化，也叫形变极化。离子位移极化 离子晶体在电场作用下离子间的键合被拉长，导致电偶极矩的增加, 被称为离子位移极化。松弛极化当材料中存在着弱联系电子、离子和偶极子等松弛质点时，热运动使这些松弛质点分布混乱，而电场力图使这些质点按电场规律分布，最后在一定温度下，电场的作用占主导，发生极化。这种极化具有统计性质，叫作松驰极化。松驰极化是一种不可逆的过程，多发生在晶体缺陷处或玻璃体内、电介质极化在外电场作用下，电介质中带电质点的弹性位移引起正负电荷中心分离或极性分子按电场方向转动的现象。1、试述韧性断裂与脆性断裂的区别，为什么说脆性断裂最危险？答：韧性断裂和脆性断裂的区别在于：前者在断裂前及断裂过程中产生明显宏观塑性变形，后者无宏观塑性变形；前者断裂过程缓慢，而后者为快速断裂过程；前者断口呈暗灰色，纤维状，后者齐平光亮，呈放射状或结晶状。脆性断裂的危险性在于断裂前不产生明显的宏观塑性变形，无明显前兆。4、试从晶体的势能曲线分析在外力作用下塑性形变的位错运动理论。答：理想中的原子处于周期性势场中，一维单原子链的势能，如果在晶体中存在位错，则在位错处的原子处于亚稳定状态，即原子仍处于势阱中，但其能量高于格点上原子的能量，有位错的一维单原子链的势能，位错运动所需的能量要小于格点上原子的运动，如果有外力的作用，则使位错运动的能量进一步降低，更有利于位错。什么是裂纹的快速扩展？答：按照微裂纹脆断理论，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，即由最危险的裂纹尺寸（临界裂纹尺寸）决定材料的断裂强度。当裂纹由成核生长和亚临界扩展发展到临界尺寸，此时K1的数值也随着裂纹的扩展增长到K1c的数值。至此裂纹的扩展从稳态转入动态，出现快速断裂。或裂纹尖端屈服区附近足够大的内应力达到了足以撕开原子间键，导致固体沿着原子面发生解理。克服材料脆性和改善其强度的关键是什么？答：提高材料的断裂能，便于提高抵抗裂纹扩展的能力；减小材料内部所含裂纹缺陷的尺寸，以减缓裂纹尖端的应力集中效应。为什么常温下大多数陶瓷材料不能产生塑性变形、而呈现脆性断裂？答：陶瓷多晶体的塑性形变不仅取决于构成材料的晶体本身，而且在很大程度上受晶界物质的控制。因此多晶塑性形变包括以下内容：晶体中的位错运动引起塑变；晶粒与晶粒间晶界的相对滑动；空位的扩散；粘性流动。在常温下，由于非金属晶体及晶界的结构特点，使塑性形变难以实现。又由于在材料中往往存在微裂纹，当外应力尚未使塑变以足够的速度运动时，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 应力场强度因子有如下的特性：a)应力场强度因子仅与荷载与裂纹几何尺寸有关，而与坐标无关。b)裂纹顶端附近的应力和位移分布，完全由应力场强度因子来确定。c)应力场强度因子是裂纹顶端应力场大小的比例因子，因为应力分量正比于应力强度因子。各向异性：作用力对不同方向正应变的影响 各种弹性常数随方向而不同，在不受外力的情况下，tga就反映了弹性模量 E的大小，改变原子间距离将影响弹性模量在两相系统中，总弹性模量在高弹性模量成分与低弹性模量成分的数值之间。晶体中的塑性形变有两种基本方式：滑移和孪晶。晶体受力时，晶体的一部分相对另一部分发生平移滑动，叫做滑移。影响蠕变的因素1.温度 温度升高，蠕变大。因为t升高，位错运动和晶界错动加快2.应力蠕变随应力增加而增大. 若对材料施加压应力，则增加了蠕变的阻力。.显微结构的影响 多孔率增加，蠕变率增大。 晶粒越小，蠕变率越大。 玻璃相含量高, 蠕变率增大。 玻璃相对蠕变的影响取于玻璃相对晶相的湿润程度，不湿润完全湿润。4.组成 组成不同的材料其蠕变行为不同。 即使组成相同，单独存在和形成化合物，其蠕变行为不一样5.晶体结构 共价键结构程度增加，扩散及位错运动降低抗 蠕变性能就较好。影响粘度的因素 1温度 温度升高，粘度下降。2时间 高温低温 ， 液体体积减少，自由体积也减少。增大，而预先加热一定时间，则使热膨胀加大，下降。3组成硅酸盐材料的粘度随着不同阳离子的加入而变化。在氧化物玻璃中，改性阳离子的加入在任何给定温度下总会使粘度降低。裂纹的起源 形成原因 由于晶体微观结构中存在缺陷，当受到外力作用时，在这些缺陷处就会引起应力集中，导致裂纹成核。如：位错运动中的塞积，位错组合，交截等。 材料表面的机械损伤与化学腐蚀形成表面裂纹。这种表面裂纹最危险，裂纹的扩展常常由表面裂纹开始。【3】由于热应力形成裂纹晶粒在材料内部取向不同，热膨胀系数不同，在晶界或相界出现 应力集中。高温迅速冷却，内外温度差引起热应力。 温度变化发生晶型转变，体积发生变化。裂纹除快速失稳扩展外，还会在使用应力下，随时间的推移而缓慢扩展。这种缓慢扩展也叫亚临界生长，或称静态疲劳。多晶材料一般在高温环境中，在恒定应力作用下，由于形变不断增加而断裂，称为蠕变断裂。主要的形变：晶界滑动主要断裂形式：沿晶界断裂机理 粘性流动理论 高温下晶界玻璃相粘度降低，在剪应力作用下发生粘性流动，如果在晶界处应力集中使相邻晶粒发生塑性形变而滑移，则将使应力驰豫，宏观上表现为高温蠕变。如果不能使邻近晶粒发生塑性形变，则应力集中将使晶界处产生裂纹，这种裂纹逐步扩展导致断裂。 空位聚集理论 在应力及热振动作用下，受拉的晶界上空位浓度大大增加，空位大量聚集，形成可观的真空空腔并发展成微裂纹，这种微裂纹逐步扩展联通导致断裂。3.蠕变断裂取决于温度和外应力。温度越低应力越小，蠕变断裂所需时间越长。 蠕变断裂是一种高温下，较低应力水平的亚临界裂纹扩展控制强度的主要参数有三个，即弹性模量E，断裂功（断裂表面能）g 和裂纹尺寸C。其中E是非结构敏感的， g 与微观结构有关，但影响不大。唯一可以控制的是材料中的微裂纹，因此，提高无机材料强度，改进材料韧性，从消除缺陷和阻止其发展着手。声频支可以看成是相邻原子具有相同的振动方向。由于两种原子的质量不同，振幅也不同，所以两原子间会有相对运动。光频支可以看成相邻原子振动方向相反，形成一个范围很小，频率很高的振动。 热容是物体温度升高1K所需要增加的能量。 柯普定律： 化合物分子热容等于构成该化合物各元素原子热容之和。即在高温时，爱因斯坦的简化模型与杜隆珀替公式相一致。但在低温时，即 即说明CV值按指数规律随温度T而变化，而不是从实验中得出的按T3变化的规律。这样在低温区域，爱斯斯坦模型与实验值相差较大，这是因为原子振动间有耦合作用的结果。 物体的体积或长度随温度升高而增大的现象叫做热膨胀。线性振动是指质点间的作用力与距离成正比，即微观弹性模量为常数。非线性振动是指作用力并不简单地与位移成正比，热振动不是左右对称的线性振动而是非线性振动当固体材料一端的温度比另一端高时，热量会从热端自动地传向冷端，这个现象称为热传导。影响热导率的因素：温度 在温度不太高的范围内，主要是声子传导 热容C在低温下与T3成正比，所以也近似与T3成正比。温度较高，介质结构松弛而蠕变，使减小，热容c在低温下与T3成正比，超过德拜温度便趋于一恒定的值。声子的平均自由程L随温度的升高而降低，低温下L值得上限为晶粒的线度，高温下值的下限为晶格间距。 声子平均自由程 l 随温度升高而降低。 例如Al2O3在低温40k处，值出现极大值，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。热冲击损坏类型：1一种是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。2一种是材料发生瞬时断裂，抵抗这类破坏的性能称为抗热冲击断裂性。 由于材料热膨胀或收缩引起的内应力称为热应力抗热冲击损伤性 抗热冲击断裂性，以强度应力理论为判据，认为材料中热应力达到抗张强度极限后，材料产生开裂、破坏。这适应于玻璃、陶瓷等无机材料。 抗热冲击损伤性，以应变能断裂能为判据，认为在热应力作用下，裂纹产生，扩展以及蔓延的程度与材料积存有弹性应变能和裂纹扩展的断裂表面能有关。无机材料中的载流子可以是电子（负电子，空穴），离子（正、负离子，空位）。载流子为离子的电导为离子电导 。载流子为电子的电导为电子电导。电子电导的特性是具有霍尔效应。沿试样x轴方向通入电流I（电流密度Jx），Z轴方向加一磁场Hz，那么在y轴方向上将产生一电场Ey，这一现象称为霍尔效应。 霍尔效应的产生是由于电子在磁场作用下，产生横向移动的结果，离子的质量比电子大得多，磁场作用力不足以使它产生横向位移，因而纯离子电导不呈现霍尔效应。利用霍尔效应可检验材料是否存在电子电导。影响离