材料科学导论复习题.docx

1 熔化判据晶体融化的判据：当原子热振动的均方根位移与原子间距之比值超过一定限度后，晶体即产生熔化1.体心 的金属0.11面心 的金属0.07 2 V/V01.52 什么是玻璃化转变温度？实质是什么玻璃化转变温度：玻璃化过程的体积变化是连续的，但在体积连续变化过程中在温度Tg处斜率产生了明显的转折，这一转折称为玻璃化转变，对应于过冷液体转变为玻璃态，对应的温度Tg即为玻璃化转变温度。玻璃化转变的实质：玻璃化转变对应于液体原子非定域性的丧失，原子被冻结在无序结构中，这就是玻璃化转变的实质，即结构无序的液体变成了结构无序的固体。结晶曲线示意图：见书(上)P73页3 无机玻璃结构模型无规密堆模型：将液体视为均匀的、相干的而且基本上是无规的分子集合，其中并不包含晶态的区域，或在低温下存在大到足够容纳其他分子的空洞，为了回避分子位形所造成的复杂性只考虑了球形原子的堆集问题，只考虑了球形原子的堆积问题的球杆模型；空间占有率：63.66，平均面数;14.251，边数：5.158无规网络模型（硅玻璃）：结构的基本单元为4个氧原子构成的四面体，并与处于中心处的四价硅原子键合，而相邻的四面体是共顶点的，因而无限结构形成后，化学式保持为SiO2。这样可以形成一个无规网络结构，无线性的引入使Si-OSi键角可以对平均值产生偏离，键长也可以相应地予以伸缩，还可以沿SiO键来旋转四面体的方位。硫系玻璃: 是由硫、硒、砷、锗等元素构成的一类具有无规网络结构的玻璃，一般硒的晶体结构是由八个原子构成一个分子，进而再构成晶体；但是，如果在硒晶体中加入少量的砷和锗，则硒将形成无规网络结构，并呈现非晶态，这有点类似于无机聚合物。4 液晶、种类、结构一些物质的晶态结构受热熔融或被溶剂溶解后，变成具有流动性的液体，分子位置无序，但结构上仍然保持有序排列，即分子取向仍具有长程序，从而在物理性质上呈现各向异性，形成一种兼有部分晶和液体性质的过渡状态，这种中间状态称为液晶态，具有这种状态的物质称为液晶。热致液晶 1.向列相：长程方向性，按照特定方向排列，质心位置是杂乱的，长程位置无序； 2.胆甾相： 3.近晶相： 4.柱状相 溶致液晶液晶的结构单元：可分为四类：1）棒状分子； 2）盘状分子；3）友邦装货盘状分子连接而成的（柔性）长链聚合物； 4）有双亲分子自组装而成的膜。5 宏观和介观不均匀宏观不均匀性：这类材料如不同相的混合物，也包括一部分人工复合材料。介观不均匀性：在大于晶格常数的尺度内，晶粒生长、失衡分解和共析现象常造成这类静态的不均匀性，多晶陶瓷、玻璃陶瓷等复合材料常具有结构不均匀性，这类不均匀性也常被称为微结构、超微结构和纳米结构。6 复相不均匀研究结构包括那几方面确定材料中所有存在的相，以及每相的含量和性质特征确定各相的结构形貌特征，如尺寸、形状、晶粒取向和分布。确定材料中晶界和其他结构缺陷如位错、微裂纹和包裹物的特征。7 非均质材料实例蛋白石结构（P177）8 费米子、波色子费米子：粒子遵从泡利不相容原理，因而不能有2个粒子处于同一量子态Ei，系统的波函数必然是反对称的，满足这些要求的粒子称为费米子。（电子、质子、中子等）费米狄拉克分布：玻色子：粒子不受泡利不相容原理的约束，因此系统对于能够处于相同量子态Ei的粒子数目没有限制，描写粒子系统的波函数必然是对称的，满足这些要求的粒子称为玻色子。（光子）波色爱因斯坦分布：9 能带理论；解释导体、绝缘体和半导体能带:N个近自由电子在周期性势场中运动，每一个原子态的能及都分裂成N个相距很近的能及，每一个能级都离域与晶体的所有原子，当N非常大时，各能级相距非常近，因此可以说它们形成一连续的能带。能带理论就是认为晶体中的电子是在整个晶体内运动的共有化电子，并且共有化电子是在晶体周期性的势场中运动；结果得到：共有化电子的本征态波函数是Bloch函数形式，能量是由准连续能级构成的许多能带。金属导体：金属能带结构特征为：最高占有带（价带）仅部分充满，在能带的费米能级附近的某些电子，在热激发或外电场作用下，能够获得附加的能量，而过度到该能带内的许多邻近的空能态中的任何一个，而不违背不相容原理。绝缘体：能带结构一个布里渊区（价带）是填满的，并且不与下一个全空的布里渊区（导带）重叠，由于价带的所有能级全部被占有，电子的能量被冻结，在价带中只有很少的电子具有足够的热能被激发到上面的空带上去，在一般外电场下，不能加速价带中的电子。半导体：能带结构和绝缘体类似，但在原子平衡间距处，价带和导带间的间隙要小得多，使得把价带中最上面的电子激发到导带中去要容易的多。10 经典电导理论 Na原子为例在一定温度下，电子作无规则的热运动，在电场力-qE的作用下，电子作加速运动，但电子与晶格原子的相互作用使得电子流动有阻力。假设电子所受阻力的大小正比于电子的漂移速度v，则 稳态时：v=v0 ；dv/dt=0 整理得； 11 量子电导理论；二者区别 区别1. 经典电导理论认为在外电场的作用下所有的自由电子都对电流有贡献；而量子力学理论认为只有费米能级附近的电子才对电流有贡献。 2.根据量子力学理论，在理想周期性排列的晶格对能带中，电子的能量状态形成能带，能带之间是禁带，能带中的电子可以在晶格中自由运动，因此理想周期性排列的晶格对能带中电子没有散射作用，这是与经典电导理论不相同的。12 热电效应及应用是当受热物体中的电子，因随着温度梯度由高温区往低温区移动时，所产生电流或电荷堆积的一种现象。包括塞贝克效应和珀尔帖效应。 应用 利用半导体的热电效应可以测定半导体材料的导电类型。热电制冷又称作温差电制冷，或半导体制冷，它是利用热电效应（帕尔帖效应）的一种制冷方法。 13 载流子导带中的电子和价带中的空穴具有相反的电荷，在电场的作用下沿着相反的方向运动，它们都能导电，称为载流子。14 载流子迁移率 载流子在单位电场作用下的漂移速度称为载流子的迁移率，只取正值，他描述了载流子的导电能力=|v/E|.。15 霍尔效应及应用 将一半导体放在磁场中，磁场沿Z方向，磁感应强度为BZ,如在半导体中沿x方向通以电流，电流密度为Jx，则沿y方向将产生一电厂，这称为霍尔效应。 制成磁场计，测量磁感应强度。霍尔器件：非接触开关和传感器。通过霍尔效应的测量，由霍尔系数的符号判断半导体的导电类型，由霍尔系数的绝对值确定载流子浓度n或p。16 P-n节 当p型半导体和n型半导体接触在一起是便形成了p-n结。 17 光伏效应 当光子能量大于禁带宽度的光照射到p-n结时，同样也会产生光生电子空穴。由于p-n结空间电荷层有自建电场存在，在该电场的作用下，光生电子被扫向n型区一边，光生空穴被扫向p型区一边，如此便产生光生电动势，这被称为光伏效应。18 孤子、极化子及分类反式聚乙炔有两个能量最低的二聚化状态A相和B相，这2个状态的结构对称，能量相同，如果A相和B相在同一反式聚乙炔分子链上共存，2者之间就会形成畴壁，畴壁处蛋、双键交替的结构被破坏，此畴壁被称为孤子。正电孤子，中性孤子和负点孤子 极化子：束缚在一起的孤子。正电极化子和负点极化子19 电介质及极化、分类 1.导电材料与介电材料导电材料：电荷迁移电介质：材料在电场作用下，产生电偶极矩或者电偶极矩的改变。这类材料称为电介质，这种现象称为电介质的极化。2.电介质分类：非极性电介质：正负电荷中心重合，不具有电偶极矩极性电介质：正负电荷不重和。3. 极化的基本过程：电子极化：材料中原子核外电子云畸变产生的电子极化离子极化：分子中正、负离子相对位移造成的离子极化转向极化：分子固有电矩在外电场作用下转到导致的转向极化20电偶极矩、电极化强度、电位移矢量 电偶极矩：p=ql电极化强度：单位体积内电偶极矩的矢量和 电位移矢量： 21 自发极化 自发极化：这种极化状态并非由外电场引起，而是由晶体的内部结构引起。在这类晶体中，每一个晶胞内存在有固有电矩，通常将这类晶体称为极性晶体。22 铁电、压电、热释电 铁电体：在一定温度范围内具有自发极化，在外电场作用下，自发极化能重新取向，电位移矢量与电场强度间的关系呈电滞回线特征。 （具有自发极化的晶体）该类材料具有压电、热释电特性。 压电效应：正压电效应：在极性晶体上施加压力、张力、切向力时，则发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两端将出现正负电荷。逆压电效应：在极性晶体上施加电场引起极化，则将产生与电场强度成比例的变形或机械应力。热释电性：电介质的电极化随温度变化。热释电表征：热释电系数 23 光纤分类和原理 1.光纤:低损耗材料制成的结构类似于同轴电缆的圆柱介质波导，内芯是高折射率的材料，周围是另一种较低折射率的材料。光纤传光依赖的物理基础是内全反射，在光纤中，若某一光线的传播路径位于同一平面内，此光线称为子午光线，包含子午光线的平面称为子午面。数值孔径.N.A.（n12n22）1/2 2. 分类按结构：阶跃型折射率光纤和梯度型折射率光纤 按材料：石英光纤、玻璃光纤、塑料光纤、红外光纤、紫外光纤和有源光纤24 色散和损耗及原因色散：影响光通信系统的传播容量和误码率 材料色散：材料本身的折射率随频率变化 波导色散：依赖光纤直径与波长的比值 模色散：光程的不同导致不同的导模到达输出端的时间不同。损耗：光波在传播过程中的衰减，影响传播距离。 吸收损耗：本征和杂质吸收，本征吸收是由于介质的原子或离子的电子跃迁所致的光吸收和分子振动所致的红外吸收；杂质吸收是由于某些杂质的存在所致的选择性吸收。 散射损耗：包括瑞利散射和缺陷对光的散射所致的损耗。25 光子晶体 光子晶体：介电常数被调制的人工微结构材料。其最根本的特征是具有光子禁带：光子带隙，频率位于禁带中的光波在光子晶体中不能传播，因此，光子晶体被称为光子带隙材料，为光信息技术提供一种全新的控制和操纵光的途径。26 通讯方面光子与电子对比有何优点 光子与电子相比优点：1）在介电材料中，光的传播速度远高于电子；2）光可以携带更多信息；3）光子间无相互作用。27 自发辐射和受激辐射？二者区别（P377） 自发辐射：处于激发态的原子中，电子在激发态能级上只能停留一段很短的时间，就自发地跃迁到较低能级中去，同时辐射出一个光子，这种辐射叫做自发辐射。自发辐射是不受外界辐射场影响的自发过程，各个原子在自发跃迁过程中是彼此无关的，不同原子产生的自发辐射光在频率、相位、偏振方向及传播方向都有一定的任意性。受激辐射：当原子处于激发态E2时，如果恰好有能量 （这里E2 ）E1）的光子射来，在入射光子的影响下，原子会发出一个同样的光子而跃迂到低能级E1上去，这种辐射叫做受激辐射。区别：1.从|2|1和|1|2的受激跃迁几率相等，而|12的自发跃迁几率为零；2.受激跃迁几率与外辐射场成正比，而自发跃迁与此无关。28 激光产生的原理 将已处于布居反转的物质系统（将可以实现布居反转的物质系统称为激光增益介质）置于由两个平行反射镜构成的谐振腔内，增益介质所发出的传播方向平行于两个反射镜轴线的自发辐射光在谐振腔内来回反射多次往返穿过激光增益介质时会被不断放大，如果放大超过了所有损耗，谐振腔内存储的能量将随时而增加，直至单程饱和增益恰好等于损耗时，达到稳态自振荡，产生激光。29 扩散第二和第一定律；应用条件 1. 流体：随机的、各向同性2.固体：各向异性、速率低扩散第一方程（条件：浓度分布不随时间变化的稳定扩散问题）菲克定律1.内容：扩散流量密度与浓度梯度成正比。2.表达式：3.说明：D：扩散系数，负号“-”：不表示大小，只表示方向扩散第二方程：（条件：浓度分布随时间变化的不稳定扩散问题）30 克肯达尔效应克肯达尔效应：扩散速率不同，导致，扩散快的区域收缩，扩散慢的区域膨胀。 互扩散系数（D、V本征扩散系数及其浓度分数）31 质点迁移的微观机制1)空位机制：晶体中由于本征热缺陷或杂质离子的不等价取代而存在空位。2）间隙机制：处于间隙位置的质点从一间隙位移入另一间隙位的过程引起周围晶格的变形。32 固相反应特点？泰曼温度 固相反应特点1.非均相反应2.反应温度低于熔点或低共熔点3.反应速度慢 反应开始的温度称为泰曼温度或烧结温度。33 固相反应动力学（P523） 34 什么是相和相变 相：物质以一种与外界条件相适应的聚集状态或结构存在的形式。相变：指当外界条件如温度、压力等发生变化时，物相在某一特定条件下发生的突变。 相变表现为：1）从一种结构转变为另一种结构。2）化学成分的不连续变化。3）物质物理性能的突变（更深层次结构变化）35 重构和位移相变、分类 1.重构相变：相变过程中结构单元间发生化学键的断裂和重组，石墨金刚石；固体液体气体2.位移相变:相变过程中不涉及母相晶体结构化学键的断裂和重组，只涉及原子或者离子位置的微小位移，或键角的微小转动； 按原子迁移情况分类，可将固态相变分为扩散型相变和非扩散型相变 （1）扩散型相变 依靠原子（或离子）的扩散的相变，例如脱溶沉淀、调幅分解、共析转变等；（2）非扩散型相变 原子（或离子）尽作有规律的迁移使点阵发生改组的相变。 按相变方式分类可将固态相变分为有核相变和无核相变： （1）有核相变：通过形核长大两个阶段进行的相变； （2）无核相变：通过扩散偏聚方式进行的相变。 成分保持不变的相变一、多型性转变 多型性转变即同素异构转变，转变前后无成分变化，是通过形核、长大方式进行的，新相优先在过冷或过热母相的晶界等缺陷处形核 ；二、块状转变 固溶体及纯金属可在快速冷却过程中以很快的速率转变成与母相成分相同面结构相异的块状新相； 三、有序无序转变 某些合金随温度的变化由无序状态变到有序状态的一个原子交换位置过程。36 马氏体相变 马氏体最初是在钢中发现的：将钢加热到一定温度后经迅速冷却，得到的能使钢变硬、增强的一种淬火组织。把这种组织命名为马氏体。人们最早只把钢中由奥氏体转变为马氏体的相变称为马氏体相变，又相继发现在某些纯金属和合金中也具有马氏体相变，目前广泛地把基本