无机材料物理性能 完美版.doc

/register.php?invitecode=7db8407acaii1hHt 名词解释【力学】牛顿流体：受力后极易变形，剪切力跟速度梯度成正比符合牛顿定律的的流体；粘性系数：粘性：液体在流动时，在其分子间产生摩擦的性质，粘性大小用粘度表示，是用来表征液体性质相关的阻力因子；热稳定系数：材料承受温度急剧变化而不致破坏的能力，又称抗热震性；热冲击断裂性：材料发生瞬间断裂，抵抗这类破坏的性能；抗热冲击损伤性：热冲击循环作用下，材料表面开裂、剥落并不断扩展，最终破裂或变质，抵抗这类破坏的性能；静态疲劳(亚临界生长)：裂纹在使用应力下，随着时间的推移而缓慢扩展，这种缓慢扩展也称亚临界生长或静态疲劳；动态疲劳：材料在循环应力或渐增应力作用下的延时破坏；Griffith微裂纹理论：实际材料中总存在许多的细小裂纹或缺陷，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，裂纹就开始扩展而导致断裂，故断裂不是两部分晶体同时沿整个界面拉断，而是裂纹扩展的结果；【热学】声子：晶格振动能量的量子化单元hw称为声子，h为普朗克常数，w为晶格振动的角频率，对应每一次晶格热振动，晶体内部产生或吸收一个声子，声子是虚拟粒子，是原子激发的形态之一；格波：晶格中的所有原子以相同频率振动而形成的波，或某一个原子在平衡位置附近的振动是以波的形式在晶体中传播形成的波；晶格热振动：晶体中原子以平衡位置为中心不停地振动，是产生热容、热膨胀等现象的物理基础；热膨胀系数：物体由于温度改变而有胀缩现象，其变化能力以等压下，单位温度所导致的体积变化来表示；能流密度：在一定空间范围内，单位面积所取得的或单位重量能源所产生的某种能源的能量或功率，是评价能源的主要指标；热导率(热导系数)：是指单位温度梯度下，单位时间内通过单位垂直面积的热量，单位是w/m2.k；【电学】电流密度：描述电路中某点电流强弱和流动方向的物理量，矢量，大小等于单位时间内通过垂直于电流方向单位面积的电量，正电荷流动方向为正方向；电导率：介质中该量与电场强度之积等于传导电流密度；即电阻率的倒数，物理意义表示物质导电性能；载流子 迁移率：载流子在单位电场作用下的平均漂移速率，即载流子在电场作用下运动速度的快慢量度，运动越快迁移率越大；半导体 施主能级：一个能级被电子占用时成中性，不被电子占据时带正电；受主能级：一个能级不被电子占据时成中性，被电子占据时带负电；西贝克效应(温差电动势效应)：由于两种不同的电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间电压差的热电现象，具体说：半导体材料的两端如果有温度差，则在较高温度区有更多的电子被激发到导带中去，但热电子趋向于扩散到较冷的区域，当这两种效应引起的化学势梯度和电场梯度相等其方向相反时，就达到稳定状态，多数载流子扩散到冷端，产生V/T，结果在半导体两端就产生温差电动势；【介介电性质】正温度系数效应 PTC：价控型BaTiO3半导体在居里点(正方相立方相相变点)附近，电阻率随温度而发生突变的现象，机理是几何半导体陶瓷晶界上具有表面能级，此表面能级可捕获载流子，从而在两边晶粒内产生一层电子损耗层，形成肖特基势垒，该势垒与介电常数有关，当温度高于居里点，介电常数剧减，势垒增加，电阻率增加；压敏效应：a.指对电压变化敏感的非线性电阻效应，即在某一临界电压以下，电阻值非常之高，几乎无电流通过，超过该临界电压，电阻迅速降低，让电流流过。b.是一种晶界效应，当电压低时，由于热激励电子，必须超过势垒而流过，电压加到一定程度，晶界面上捕获电子，由于隧道效应，通过势垒造成电流急剧增大，从而出现异常的非线性效应；正压电效应：某些电介质在一定方向上受到外力作用而变形时，内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反电荷，当外力去掉后，会恢复到不带电状态；逆压电效应：在电介质极化方向施加电场，这些电介质会发生形变，电场去掉后，电介质形变消失；铁电性：在一些介质晶体中，晶胞的结构使正负电荷中心不重合而出现电偶极矩，产生不等于零的电极化强度，使晶体具有自发极化；质点极化率：单位电场强度下，质点电偶极矩的大小称为质点极化率，=u/E，u电偶极矩，E为作用在微观质点的局部电场，表征材料计划能力，只与材料性质有关；极化强度：单位介质体积内的电偶极矩总和P，P=u/v；【光学】色散：材料的折射率随随入射光频率的减小或波长的增大而减小的现象；反射率：投射到物体上面被反射的辐射能与投射到物体上的总辐射能之比；透光性：是个综合指标，即光能通过陶瓷材料后剩余光能所占百分比；【磁学】磁化强度：表征物质被磁化的强度，其物理意义为单位体积的磁矩，设体积元V内磁矩矢量和为M，磁化强度M=M/V，单位A.m-1；磁化率：等于磁化强度M与磁场强度H之比，是反应磁介质性质有关的参数反应材料的磁化的能力，其正负取决于材料的磁性类别；顺磁性&铁磁性：两者都具有永久磁矩，有外电场时，前者表现极弱磁性，后者磁化强度大，当移去外磁场则前者不表现磁性，后者保留极强磁性；简答题【1】断裂强度本征参数：弹性模量E：弹性模量是材料发生单位形变时的应力，表征材料抵抗形变能力即刚度大小，单位N/m2，弹性模量越大，材料刚度越大，越不易变形；表面能r：表面上的质点受到不平衡的作用，要将内部质点迁移到表面时，要克服向内的引力而作用，所做的功为表面分子的位能，表面分子比内部分子高出的能量为表面能，表面能不指表面分子所含的能量；晶格常数a：指晶胞边长，是晶体物质的基本机构参数，与原子的结合能有直接关系，反映晶体内部成分、受力状态等变化；裂纹尺寸c：可控，从消除缺陷阻止其发展着手；【2】力学形为特征：绝大多数无机材料在受到外力时没有或只有很小的塑性形变，呈脆性，但高温时易发生蠕变；机理：在无机材料中起作用的主要是离子键和共价键，由于两键都具有明显的方向性，滑移系统少，不易发生塑性变形，以脆性为主；晶体塑性变形重要机理：位错运动，多晶陶瓷材料一般机构复杂且点阵常数较大，形成位错能量也较大不易形成位错，在多晶陶瓷材料中，位错不仅对塑性变形有贡献，而且位错的塞积引起的微裂纹成核会导致脆性断裂；多晶陶瓷的塑性不仅取决于塑性本身，而且受晶界影响，高温下，位错的运动加快晶界软化，促进晶粒间的滑移，使得高温下多晶陶瓷材料表现出一定塑性；常温下陶瓷的应变非常小，几乎不存在蠕变问题，但在高温下由于外力和热激活，形变克服一定的障碍，发生蠕变(蠕变机理：位错蠕变理论、扩散、晶界)；【3】Griffith 裂纹扩展 动力：应变能释放（裂纹扩展力）即裂纹扩展单位面积所降低的弹性应变能；阻力：形成新表面的表面能，即k=2Er（应力场强度因子）材料的本证系数，反映了具有裂纹的材料对外界作用的抵抗力，也是阻止裂纹扩展的能力；提韧性降脆方式：微晶、高密度、高纯度：消除缺陷，提高晶体完整性，采用热压工艺或制成纤维材料及晶须；提高抗裂能力与预加应力：a.在材料表面造成一层压应力层，可提高抗拉强度，b.热韧化：通过加热冷却在表面层中人为地引入残余压应力；化学强化：改变材料的表面化学组成，使表面的摩尔体积比内部大，表面体积膨胀受到内部材料的限制产生两向状态的压应力；相变增韧：利用多晶多相陶瓷中某些相成分在不同温度下的相变，起到增韧效果；弥散增韧：在基体中渗入具有一定尺寸的微细粉料，达到增韧的效果，要求弥散分布，即具备粉体弥散相和基体之间的化学相容性和物理润湿性；【4】热应力：材料在未改变外力作用时，仅因热冲击导致材料的膨胀或收缩而在材料内部产生的内应力。如果该应力过大，就可以在复合体中引起微裂纹。高压输电线路在持续的雨雪作用下，裂纹逐渐扩展，达到一定程度将发生断裂；产生原因：a.热冲击循环作用，b.在复合体中，由于两种材料的热膨胀系数之间或结晶学方向有大的差别，c.温度梯度；提高抗热冲击措施：提高材料的强度f，减小弹性模量E；提高材料的热导率；减小材料的热膨胀系数；减小表面热传递系数h; 减小产品的有效厚度r；【5】(固体热容）爱因斯坦模型：假设条件：晶体中所有原子都以相同的频率振动，且各个振动相互独立；不足：低温与实验不符合，原因是忽略了各格波的频率差别，其假设过于简化；优点：模型简单，在高温时与经典公式一致；德拜模型：假设条件：把晶格近似为连续介质，晶格振动的频率在0wMax连续分布，低温下热容与温度(T3)成正比；不足：解释不了超导现象；优点：当T0时，和实际结果很符合；【6】热容c：是物体温度升高1k所需要增加的能量，其本质为晶格点阵的间谐振动。是分子热运动的能量随温度而变化的一个物理量，是反映材料从环境吸收能量的能力；元素热容定律：杜隆-珀替定律：恒压下元素的原子热容为25J/kmol；化合物热容定律：柯普定律：化合物分子热容等于构成此化合物的歌元素原子热容之和。不足之处：低温下，热容随T下降而下降，在接近绝对0度时按T的三次方趋于0，低温下c下降的现象需用量子理论解释；热容影响因素：键的强度，材料的弹性模量，熔点、气孔率、温度；【7】晶体导热机制：由晶格振动的格波传递，分声子热导、光子热导，其是非线性，晶格间有一定的耦合作用，声子间碰撞几率越大，相应平均自由程越小，热导率越低，另外晶体中的各种缺陷杂质以及晶粒都会使平均自由程减小，降低热导率，光子的平均自由程与介质透明度有关，对频率在可见光和红外光的光子其吸收和散射也很重要；非晶体导热：具有近程有序，远程无序的结构，近似把它作为由直径为几个晶格间距的极细晶粒组成的“晶体”，可用声子吸热的机制来描述，非晶体声子平均自由程在不同温度时基本是常数，近似等于几个晶格间距；两者差异：非晶体的导热系数在所有温度下都比晶体的小(原因：像玻璃这样一些非晶体的声子平均自由程在绝大多数温度范围内都比晶体小很多)；晶体和非晶体的导热系数在高温时比较接近(原因：当温度升高到一定点时，晶体声子平均自由程减小到下限值，等于几个晶格间距的大小，而晶体与非晶体的声子热容也都接近3R，光子导热无明显贡献，则在高温时比较接近)；非晶体导热系数曲线与晶体有重大区别：前者无导热系数峰值点(说明非晶态物质的声子平就能自由程在几乎所有温度范围内接近为一常数)；【8】热膨胀 本质：点阵结构中的质点间的平均距离随温度的升高而增大。在晶格振动中相邻质点间的作用为非线性的，即作用力并不与位移的大小成正比，质点在平衡位置r。两侧，合力曲线的斜率不等，当rr。时,斜率较小。所以rr。时，引力随位移的增大要慢一些。在这样的受力情况下，质点振动时平衡位置就不在r。处，要向右移，因此质点间平衡距离增加，温度越高，振幅越大。质点在r。两侧手里不对称情况越显著，平衡位置向右移动越多，相邻质点间的平均距离就增加的越多，以致晶胞参数增大，晶体膨胀；与结合能的关系：质点间结合力很强，则位阱深而狭窄，升高同样的温度差，质点振幅增加得较少，故平衡位置的位移量增加得较少，因此热膨胀系数小；【9】电导类型：离子电导：载流子为离子的电导为离子电导，特征：电解效应；电子电导：载流子为电子的电导为电子电导，特征：霍尔效应；离子电导：本征电导：浓度取决于温度T和离解能Ns=Nexp(-Es/2kT），常温下KTE只有高温下才显著，EsEf，只有结构很松，离子半径很小才形成弗伦克缺陷；杂质电导：载流子浓度取决于杂质数量和种类，杂质离子增加电流载体数，且使点阵发出畸变，杂质离解活化能下降；电子电导：本征半导体：与温度成指数关系，n=Nexp(-Eg/2KT)，禁带宽度Eg(N等效状态密度）杂质半导体：电离能Ei,温度T，杂质浓度NAOrND；【11】P-N节形成机理：对于由p型半导体和n型半导体构成的材料，在p型半导体和n型半导体相互接触的区域，电子自发地往p区运动，空穴自发地往n区运动，热激活产生的平衡载流子自发地在p型半导体和n型半导体接触区构建了一个由n区指向p区的电场，即形成了一个空间电荷区。这样，半导体材料就由p型逐渐过渡到n型；光伏特效应：用能量等于或大于禁带宽度的光子照射p-n结；p、n区都产生电子空穴对，产生非平衡载流子；非平衡载流子破坏原来的热平衡；非平衡载流子在内建电场作用下，n区空穴向p区扩散，p区电子向n区扩散；若p-n结开路，在结的两边积累电子空穴对，产生开路电压；提高转化效率：提高光电流的收集效率，制得高效率太阳能、提高入射光的吸收，减少电子空穴的猝灭产生的热量；【12】 有效质量M*，F=m*a,m*与me区别：对自由电子，m*=me，对晶体中的电子m*于me不同，m*决定于能态。晶格中的电子的有效质量与自由电子真空质量不同的地方在于：有效质量已将晶格场对电子的作用包括在内了，使得外力电子加速度之间的关系可以简化为F=m*a的形式; m*影响因素：晶格缺陷、温度、材料性质；【13】介质常数&折射率 关系：n=(em)1/2 ；光速变慢理论：光与原子的电子体系（极化电场）发生相互作用，即光的电磁辐射作用到介质上时，介质原子受到外加电场作用而极化，正电荷沿电场方向一定，负电荷相反，正负电荷中心发生相对位移，电磁辐射和原子电子体系相互作用，光波被减速了；由折射率与介电常数的关系式 n=(em)1/2知，介电常数越大的介质，其折射率越大，光速在这种介质中的速度越慢；折射率n影响因素：元素 离子半径：n=(em)1/2，e与介质的极化现象有关，由于电磁波辐射和原子的电子体系的相互作用，光被减速了，离子半径增大，e增大，n增大；材料的结构：晶型和非晶态，沿着晶体密积程度大的方向ne较大，常光折射率n0不随入射方向而改变，非常光折射率ne会随之改变；材料所受的内应力；同质异构体；折射率n与透光性的关系：材料对周围环境的相对折射率越大，发射损失也大，透光率下降；【14】电介质 极化类型：电子位移极化、离子位移极化、松弛极化、转向极化、高介晶体极化、空间电荷极化、自发极化、多晶多相无机材料的极化；极化机理：介质内质点正负电荷重心的分离，从而转变成偶极子，在电场作用下，构成质点的正负电荷沿电场方向在有限范围内短程运动，组成偶极子；能量损耗：极化损耗(由各种介质极化的建立造成的电流引起的损耗)；电导损耗(介质的漏导造