无机材料物理性能习题库

2 .材料的热学性能计算2-1室温(298K )和高温(1273K )下的莫来石瓷器的摩尔热容量值，并与杜隆巴蒂定律计算的结果进行比较。(T=298K，CP=ATB TCT-2=87.5514.9610-32598-26.68105/2982=87.55 4.46-30.04=61.974.18 j/mock=259.0346 j/mock(T=1273K，CP=ATB TCT-2=87.5514.9610-31273-26.68105/12732=87.55 19.04-1.65=104.944.18 J/molK=438.65 J/molK根据杜隆珀定律： (3Al2O32SiO4)Cp=21*24.94=523.74 J/molK2-2康化玻璃(硅酸铝玻璃)为=0.021J/(cms)； =4.610-6/； p=7. 0千克/毫米2，e=6700千克/毫米2，=0.25。 求出其第一及第二热冲击破坏阻力因子。第一冲击断裂阻力因子：=170第二冲击破坏阻力因子：=1700.021=3.57 J/(cms )2-3陶瓷部件由反应烧结氮化硅构成，热传导率=0.184J/(cms)，最大厚度=120mm。 如果表面热传递系数h=0.05 J/(cm2s)，则假定形状系数S=1，估计能够安全地应用的热冲击的最大允许温度差。=226*0.184=4472-4、系统自由能的增加量，另外，如果求出一个原子因肖特基缺陷从晶格内移动到结晶表面的能量，在0发生的缺陷的比例(即)是多少？2-5室温下kT=0.024 eV，比费米能级高0.24 eV，如果用玻尔兹曼统计分布函数计算，对费米-狄拉克统计分布函数计算的误差有多少？2-6 NaCl和KCl具有相同的结晶结构，低温下的Debye温度D分别为310K和230K，KCl在5K下的定容摩尔热容量为3.810-2J/(Kmol )，打算计算NaCl在5K和KCl在2K下的定容摩尔热容量。证明了2-7固体材料的热膨胀系数由于含有均匀分散的气孔而不变化。计算了2-8合成刚玉结晶Al2O3棒的1K热传导率，分子量为102，直径为3mm，音速为500m/s，密度为4000kg/m3，器件温度为1000K。3材料的光学性能3-1 .入射光以小入射角I和折射角r通过透明的玻璃板，可以忽略玻璃引起的光的衰减的情况下，证实了透射后的光强度为(1-m)2解：瓦=瓦那个折射光又从玻璃和空气的另一界面入射空气原则32光通过厚度1mm的透明Al2O3板后，强度下降了15%，试着计算了吸收和散射系数的合计。解：3-3材料的吸收系数=0.32cm-1，透明光强度分别为入射的10%、20%、50%、80%时，材料的厚度是多少？解：3-4玻璃对水银灯蓝、绿光谱=4358A和5461A的折射率分别为1.6525和1.6245，利用该数据确定了柯西Cauchy近似经验式的常数a和b，计算了钠黄线=5893A的折射率n和色散率dn/d的值。解：3-5 .摄影师知道，用橙色滤镜拍摄天空时，可以提高蓝天和白云的对比度。 如果相机镜头和胶卷的灵敏度将光谱范围限制在3900-6200A，反太阳光谱在该范围内看起来一定，则滤色器吸收波长5500A以后的所有光时，空的散射光的波会被去除几% 瑞利ra解：3-6 .设置两级系统的能量阶梯分别求出(T=102K、103K、105K、108K时粒子数的比N2/N1(2)N2=N1的状态相当于多高的温度？(3)粒子数逆转的状态相当于宿舍的温度吗？解：1)1)请参照2 )3 )已知当时的粒子数会逆转，所以为了求出T0K，不能通过改变温度来实现粒子反转3-7 .试着计算了光纤的芯折射率n1=1.62、包层折射率n2=1.52、光全反射的临界角c解：4材料的导电性实验测定了4-1离子型导电体的电导率和温度的相关数据，通过数学回归分析得到了关系式(1)求出测定温度范围内的导电活化能式。(T1=500K，1=10-9 (T2=1000K，2=10-6 (计算导电活化能的值。解： (1)=W=公式中k=(2)B=-3000w=-ln10.(-3 ) 0.8610-4500=5.9410-4500=0.594 ev4-2 .从缺陷化学原理导出(1)ZnO的电导率与氧分压的关系。(2)在具有阴离子空穴的TiO2-x非化学计量化合物中，其电导率和氧分压的关系。(3)在具有阳离子空穴Fe1-xO的非化学计量化合物中，其电导率和氧分压的关系。(研究了添加Al2O3对NiO电导率的影响。解： (1)间隙离子型：或者(2)阴离子空穴TiO2-x :(3)具有阳离子空孔Fe1-xO；(Al2O3对NiO的添加：添加Al2O3后，NiO中阳离子空穴增多，电导率提高。在4-3本征半导体中，从价带被导带激发的电子和从价带产生的空穴与导电有关。 被激发的电子数n可以近似为：式中，n是状态密度，k是玻尔兹曼常数，t是绝对温度。 让我们回答下面的问题吧(N=1023cm-3，k=8.6”*10-5eV.K-1时，Si(Eg=1.1eV )、TiO2(Eg=3.0eV )在室温(20)和500下激发的电子数(cm-3 )分别是多少？(2)半导体电导率(-1.cm-1 )为式中n为载流子浓度(cm-3 )，e为载流子电荷(电荷1.6*10-19C )，为迁移率(cm2.V-1.s-1 )电子(e )和空穴(h )同时为载流子的情况下假定Si的迁移率e=1450(cm2.V-1.s-1 )、h=500(cm2.V-1.s-1 )，与温度无关。 求出Si在室温(20)和500下的电导率解： (1) Si20=1023*e-21.83=3.32*1013cm-3500=1023*e-8=2.55*1019 cm-3TiO220=1.4 * 10-3厘米- 3500=1.6 * 1013厘米- 3(2) 20 =3.32*1013*1.6*10-19(1450 500 )=1.03*10-2(-1.cm-1 )500=2.55*1019*1.6*10-19(1450 500 )=7956 (-1.cm-1 )4-5片n型硅半导体，其施主浓度，本征费米能级Ei在禁带中央，费米能级EF在Ei上0.29eV，设施主电能。 用T=300K估算了施主能级的电子浓度欧盟0.29eV0.05eVPS欧盟PSEVEg=1.12eV向46片n型硅材料中加入施主浓度，求出室温(T=300K )下的本征载流子浓度，求出了此时的大块半导体的多数载流子浓度和少数载流子浓度。4-7硅半导体包含施主杂质浓度和受主杂质浓度，求出了T=300K时()的电子空穴浓度和费米载流子浓度。设置4-8锗中的施主杂质的电离能，以施主杂质电离90%为电离基准，在室温(T=300K )下计算了杂质饱和电离的施主杂质浓度范围。设定4-9硅中的施主杂质的离子化能、施主杂质浓度，以施主杂质的离子化的90%作为实现强离子化的最低基准，计算了维持饱和杂质离子化的温度范围。在4-10 300K情况下，锗的固有电阻率为47cm，例如电子空求固有锗的载流子浓度为3900和1900 .求出固有锗的载流子浓度.4-11本征硅在室温下的电子和空穴迁移分别为1350和500，添加百万分之一的As后，使杂质全部电离，并计算其电导率。 比本征硅的电导率大了几倍？在4-12500g单晶硅中掺杂硼4.510-5g，使杂质全部电离，求出其材料的电阻率，使单晶硅密度为硼的原子量为10.8 .将4-13电子迁移率作为硅的电子有效质量，施加强度104V/m的电场，求出平均自由时间和平均自由行程。设置4-14截面0.6 cm2、长度1cm的n型GaAs样品，求出该样品的电阻。4-15分别计算含有以下杂质的硅、室温下的载流子浓度和电阻率(1)硼原子/cm3(2)硼原子/cm3磷原子/cm3(3)磷原子/cm3硼原子/cm3砷原子/cm3在4-16 (1)电子浓度、空穴浓度被证明的情况下，材料的电导率最小，求出min的式。(求出300K时，InSb的最小电导率和最大电导率是什么样的导电型材料的电阻率最大？(T=300K时为InSb的)。利用4-17硅中电子的平均动能，求出室外温度下电子热运动的均方速度，并将硅置于10V/cm的电场中，从而证明电子的平均漂移速度小于热运动速度，电子迁移率为1500cm2/VS。 把迁移率设为上述数值，计算电场为104V/cm时的平均漂移速度，与热运动速度相比，电子的实际平均漂移速度和迁移率是多少？4-18轻掺杂硅的样品在室外温度下，施加电压使电子的漂移速度为热运动速度的十分之一，一个电子因漂移通过1m区域的平均碰撞次数和施加于该区域的电压是多少？5材料的介电性能求出了61金红石(TiO2)的介电常数为100，气孔率为10%的金红石陶瓷介质的介电常数。是621cm4cm0.5cm的陶瓷介质，其容量为2.4F，损耗系数tg为0.02。 (1)求出相对介电常数(2)损耗系数。损耗由复介电常数的虚部引起，容量由实部引起，相当于测定的介电常数。63镁橄榄石(Mg2SiO4)瓷器的组成为45%SiO2、5%al2o3和50%MgO，在1400下烧成后骤冷(残留玻璃相)，陶瓷的r=5.4。 因为Mg2SiO4的介电常数为6.2，所以我们来估计玻璃的介电常数r。 (使玻璃体积浓度为Mg2SiO4的1/2 )6-4如果a原子的原子半径是b的2倍，那么在其他条件相同的情况下，原子a的电子极化率约为b的几倍？65为什么碳化硅的介电常数等于折射率的平方n2？解：6-6结构上； 为什么含有碱土金属的玻璃适合介电绝缘？a :玻璃中加入二价金属氧化物，特别是重金属氧化物的话，玻璃的电导率会降低。 对应的阳离子半径越大，该效果越强。 这是因为二价离子和玻璃中的氧离子的结合比较牢固，嵌入玻璃的网络结构，堵塞移动路径，碱金属离子的移动变得困难，所以电导率降低。叙述了在6-7、BaTiO3的典型介质中存在居里点以下的4种极化机结构。答案：(1)电子极化：通过外电场，构成原子周围的电子云相对于原子核位移形成的极化。 建立或去除电子极化的时间极短，约为10-1510-16(2)离子极化：通过外电场构成分子的离子相对位移而形成的极化，离子极化消灭核的时间短，与离子晶格振动的周期相同的数级，约为10-1210-13(3)偶极子的转向极化：指极性介质的分子偶极矩在外电场的作用下沿外电场方向产生宏偶极矩的极化。(4)位移型自发极化：晶体内离子的位移产生偶极矩，形成自发极化。6-8、描绘典型铁电体的电滞后线的示意图，说明在相关机制中引起非线性关系的原因。答案：铁电晶体整体显示自发极化，这意味着正负端分别有正和负束缚电荷。 束缚电荷而产生的电场在结晶内部与极化相反(称为极化解除场)，使静电能上升。 受机器约束时，伴随自发极化的应变会增加应变能。 因此，均匀极化状态不稳定，晶体