无机非金属材料性能

-.z.无机材料光学性能1、折射率定义，影响因素介质对光的折射性质光在真空和材料中的速度之比即为材料的绝对折射率。介质材料的折射率一般为大于1的正数。折射实质：介质密度不同光通过时速度不懂折射率的影响因素〔1〕构成材料元素的离子半径(离子半径+介电系数+折射率+)〔2〕材料的构造、晶型、非晶态〔3〕材料的内应力〔4〕同质异构体温度+折射率-2、散射本质：光波遇到不均匀构造产生次级波，与主波方向不一致，与主波合成出现干预现象，使光偏离原来的方向，引起散射。8、影响材料透光性的原因。影响材料散射的原因？晶体双折射对散射的影响？吸收系数:材料的性质相关。反射系数:相对折射率、外表粗糙度相关散射系数:影响透光性的主要因素。影响材料散射的原因：〔1〕材料的宏观及显微缺陷：材料中的缺陷与主晶相不同，于是与主晶相具有相对折射率，此值越大，反射系数越大，散射因子也越大，散射系数变大。〔2〕晶粒排列方向的影响：各向异性体，存在双折射。多晶无机材料，相邻晶粒之间的结晶取向不同,晶粒之间会产生折射率的差异，引起晶界处的反射与散射损失。影响多晶无机材料透光率的主要因素就是晶体的双折射率。左晶粒的寻常光折射率n0与右晶粒的非寻常光折射率ne两个晶粒相对折射率一样，n0/n0=1，无反射损失；n0/ne=1，S=0,K=0;n0/ne>1，S、K都较大〔S吸收系数K散射因子〕应用：a-Al2O3晶体的n0=1.76，ne=1.768，假设相邻晶粒的取向互相垂直，晶界面的反射系数为：m=(n0/ne-1)^2/(no/ne+1)^2材料厚2mm，晶粒平均直径为10mm，理论晶界为200个，由于晶界的反射损失，剩余光强：反射损失小d>>l时，S=3KV/4R,n21=n0/ne=1.768/1.76»1，K»0，S»0，折射损失小〔3〕气孔引起的散射损失：所以气孔引起的反射、散射损失比杂质、不等向晶粒排列等因素引起的损失大。气孔引起的散射损失与气孔的直径有关。应用：改善烧结工艺〔热等静压烧结、热压烧结〕，使气孔直径减小到0.01mm〔小于可见光波长的1/3)，气孔的含量0.63%，Al2O3陶瓷透光:材料厚3mm：9、材料吸收带边/带隙宽度的计算，光吸收的一般律及光散射的一般规律、公式计算？材料厚度计算：a取决于材料的性质和光的波长。一入射光以较小的入射角i和折射角r通过一透明玻璃板,假设玻璃对光的衰减可忽略不计,试证明：透过后的光强为(1-m)2、W，W´，W´´分别为单位间内通过单位面积的入射光、反射光和折射光的能量流。反射系数m=W´/W透射系数T：W´´/W=1-m=1-W´/W此紫外吸收端相应的波长可根据材料的禁带宽度求得：由于反射、吸收和散射引起的光剩余强度为：影响因素：散射质点大小、数量及与其他基体的相对散射率有关〔1〕质点大小d>l时，d>l时，R越小，V越大，S越大。N：单位体积内的散射质点数；R：散射质点的平均半径；K：散射因素，取决于基体与质点的相对折射率；V：散射质点的体积含量。d<l/3时d<l/3时，R越大，V越大，S越大。〔2〕散射质点与基体的相对折射率越大，散射越严重。5、解释材料吸光的物理本质。1、价电子激发——取决于能带构造。〔1〕金属能带构造特点：价带与导带之间没有禁带金属价电子未满带，吸收光子呈激发态，不用跃迁到导带即发生碰撞而发热。吸收各种频率光。〔2〕半导体、绝缘体对光的吸收：绝缘体材料的禁带宽度一般大于3.1eV，不吸收可见光。对于禁带宽度小于1.8eV的材料，吸收可见光。很多半导体材料的禁带宽度小于1.8eV，2、晶格振动——取决于材料的振动特性：光子的能量转化为晶格振动能7、物体产生颜色的原因由于光吸收的选择性，导致物体吸收一定波长范围的光，而反射或透射其他波长范围的光，从而使物体显现出不同的颜色。物质呈现的颜色，是光和物体相互作用所引起的，或是物质内部电子在不同能级间跃迁的结果。颜色的起因可归结为光在物质中传播时由于反射、透射、散射等物理过程所引起。10、提高无机材料透光性的措施？提高原材料纯度，降低杂质含量掺加外加剂、降低气孔率工艺措施，降低气孔率，使晶粒定向排列1、载流子定义，种类载流子是指物质内部运载电荷的自由粒子。导电：载流子电场下定向移动电子、空穴——电子电导——霍尔效应离子〔正离子、负离子及其空位〕——离子电导——电解效应2、离子电导、电子电导、本征电导、固体电解质、压敏效应、正温度系数效应定义本征电导：晶格点阵上的离子定向运动以热缺陷〔空位、离子〕作为载流子离子电导：载流子为离子的电导。电子电导：载流子是电子或者空穴。固体电解质：具有离子电导性质的固体物质。压敏效应：对电压变化敏感的非线性电阻效应。临界电压VC以下电阻高无电流通过；当电压大于VC时，电阻迅速降低，让电流通过。PTC效应：电阻率随温度升高发生突变，增大了3个以上数量级。电阻率突变温度在相变〔四方相与立方相转变〕温度或居里点。3、电解效应、霍尔效应定义及应用电解效应：离子电导的特征。离子的迁移伴随着一定的质量变化，离子在电极附近发生电子得失，产生新的物质，这就是电解现象。霍尔效应：电子电导的特征是具有霍尔效应。沿试样*轴方向通入电流I〔电流效应J*〕，Z轴方向加一磁场Hz，则在y轴方向将产生一电场Ey，这一现象称为霍尔效应。利用霍尔效应可检验材料是否存在电子电导。4、n型、p型半导体及金属、本征半导体和绝缘体的能带构造图，及带隙大小。n型半导体：在半导体基体中掺入施主掺杂离子、取代基体原子，与基体原子形成共价后，还多出电子，这个"多余〞的电子能级离导带很近〔如图〕，比满带中的电子容易激发。P型半导体：在半导体基体中掺入受主掺杂离子、取代基体原子，与基体原子形成共价后，还少了电子、出现了空穴，其能级离价带很近〔如图〕。价带中的电子激发到空穴能级比越过整个禁带容易得多。导体的能带构造有三种：〔a〕未满带+重带+空带；〔b〕满带+空带；〔c〕未满带+禁带+空带。5、钛酸钡价控半导体及反响方程式和缺陷方程式书写，解释？La3+占据晶格中Ba2+的位置，没加一个La3+晶体中多于1个正电荷，为保持电中性，Ti4+每虏获一个电子形成Ti3+这个被虏获电子处于半束缚状态，易激发参与导电，此过程提供施主能级BaTiO3形成N型半导体。6、离子电导、电子电导的影响因素1、电子电导的影响因素：[1]温度的影响：温度对对迁移率和载流子浓度〔主要〕的影响。本质是对载流子散射的影响[2]缺陷的影响：杂质缺陷〔形成新局部能级〕组分缺陷〔阳离子缺陷阴离子空位：非化学计量比的化合物中由于晶体化学组成的偏离形成离子空位或间隙离子的晶格〕间隙离子缺陷2、离子电导影响因素[1]温度：根据离子电导率的公式s=Ae*p[-B/T]可以看出，电导率随温度按指数形式增加。导电率对数与温度倒数呈线性关系。低温杂质电导高温固有电导[2]晶体构造：根据离子电导率的公式s=Ae*p[-B/T]=ae*p[-U/kT]，电导率随活化能U按指数规律变化。活化能反映离子的固定程度，它与晶体构造有关。熔点高的晶体，晶体结合力大，活化能也高，电导率就相对较低。活化能影响因素：1离子电荷：低价离子比高价离子的活化能小,电导率大。晶体构造状态：构造越严密，可供移动的间隙小，离子迁移活化能高。[3]晶格缺陷：离子导电是可移动离子的定向迁移，是离子与周围缺陷交换位置的结果。根据离子电导率的公式s=nqm可以看出，电导率与离子浓度成正比。离子性晶格缺陷的生成及其浓度是决定离子导电的关键。晶格缺陷的生成与浓度的主要影响因素：[1]温度：热激活生成晶格缺陷；[2]掺杂：不等价固溶掺杂形成晶格缺陷；[3]偏离化学计量：随气氛变化偏离7、离子电导需要具备的条件〔1〕电子载流子的浓度大小〔2〕离子晶体缺陷浓度大，并参与导电。因此离子性晶格缺陷的生成及浓度大小是决定离子电导的关键。8、离子电导、电子电导的迁移率和载流子浓度离子电导：对于本征电导，载流子有晶体本身热缺陷提供载流子浓度：热缺陷浓度：取决于温度和离解能杂质离子浓度：杂志数量和种类。迁移率：m=v/E=(a2noq/6kT)e*p(-U0/kT)a——晶格距离，no——间隙离子的振动频率，q——间隙离子的电荷数，k——0.86×10-4ev/k，U0——无外电场时间隙离子的势垒。电子电导：半导体和绝缘体的电子能态量子化，采用有效质量m*来表示迁移率。有效质量决定于晶格，电子与空穴的有效质量的大小与半导体材料的性质有关。τ与晶格缺陷和温度有关。温度越高，晶体缺陷越多，电子散射几率越大，τ越小。迁移率大小由载流子的散射强弱决定。散射越弱，τ越长，迁移率μe越高。影响散射的因素：1晶格散射：晶格中的原子在其平衡位置作微振动，原子振动的具体表现形式为声子，晶格振动的散射可以看作声子与电子的碰撞；2电离杂质散射：电离杂质产生的正负电中心对载流子有吸引和排斥作用，当载流子经过带电中心附近就会产生散射〔影响因素：掺杂浓度和温度〕。3、磁性的分类：抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性、亚铁磁性1〕抗磁性物质的原子〔离子〕磁矩为0，不存在永久磁矩，外加磁场使电子轨道改变感生与外加磁场方向相反的磁矩2〕顺磁性〔弱磁性〕顺磁性主要来源于无论外加是否存在都有的电子〔离子〕的固有磁矩。无外加磁场时，原子的固有磁矩呈无序状态，原子宏观上不呈现磁性，外加磁场作用下，原子磁矩比拟规则的取向，物质显示极弱的磁性。3〕铁磁性〔强磁性〕在较弱磁场内也可得到极高磁化强度，当外磁场移去，仍保存强磁性，磁化率为正值且很大，当外加磁场继续增加磁化强度包和磁化率下降4〕反铁磁性〔弱磁性〕交换能J为负值，使相邻原子间的自旋趋于反向平行排列，原子磁矩相互抵消，不能形成自发磁化区域。5〕亚铁磁性由于铁氧体含有两种或两种以上的阳离子，各具有大小不等的磁矩，占据AB位的离子数目不同，因此由于磁矩反平行取向而导致抵消作用通常不一定使磁性全消成为反铁磁而是保存剩余磁矩表现一定的铁磁性4、铁磁性物质的居里温度和相应的磁性转变，以及居里-外斯定律。居里温度：是指材料可以在铁磁体和顺磁体之间改变的温度，即铁电体从铁电相转变成顺电相引的相变温度。由于物质内部热骚动破坏了电子自旋磁矩平行取向，自发磁化强度为0，铁磁性消失。*=C/T-TcC为居里常数，Tc居里点5、磁滞回线、磁畴铁磁性物质中自发磁化方向一致的微小区域，称为磁畴。相邻畴壁间的过渡层称为磁畴壁。磁畴首尾相接，形成闭合回路：保证体系能量最低磁滞曲线是关于外磁场和感性磁场两者的变化关系的曲线6、软磁材料、硬磁材料、巨磁材料软磁材料：对于磁感应强度以及磁极化强度具有低矫顽性的磁性材料。1)高磁导率，饱和磁感应强度大；2〕电阻高，损耗低；3〕矫顽力Hc小；4)稳定性好。硬磁材料:是指磁化后不易退磁而能长期保存磁性的一种铁氧体材料，也称为永磁材料或恒磁材料。1)剩磁Br大，储存磁能大；2)矫顽力Hc大，不容易退磁。矩磁材料：具有矩形磁滞回线、剩余磁感强度Br和工作时最大磁感应强度Bm的比值，即Br/Bm接近于1和矫顽力较小的铁氧体材料。1〕磁滞回线近似矩形；2〕高的剩磁比Br/Bm；3〕矫顽力Hc小；4〕开关系数小；5〕低损耗；6〕稳定性好7、自发磁化概念及产生的原因百科：磁有序物质在无外加磁场的情况下，由于近邻原子间电子的交换作用或其他相互作用，使物质中各原子的磁矩在一定空间范围内呈现有序排列而到达的磁化，称为自发磁化。1固体材料的热膨胀与材料的其它性能〔结合能、熔点；温度、热容；构造〕的关系。1、热膨胀和结合能、熔点的关系：结合能+熔点+热膨胀技术-2、热膨胀与温度、热容的关系：温度低，热膨胀系数小，温度愈高，热膨胀系数愈大。在低温下热膨胀系数也随温度的三次方〔T³〕变化，在高温下趋于一个极限值。比热容+热膨胀系数+热膨胀与构造的关系：越严密，热膨胀系数+2光/声频支振动光频支振动：振动的质点中包含频率甚高的格波时，质点彼此间的位相差很大，临近质点的运动几乎相反，频率往往在红外光区，称为"光频支振动〞。声频支振动：振动的质点中包含频率甚低的格波时，质点彼此间的位相差不大，格波类似于弹性体中的应变波，称为"声频支振动〞。相邻原子具有一样的振动方向。3影响德拜温度的因素是什么？：键的强度，材料的弹性模量，熔点等。热导率物理意义？影响热导率的因素有哪些？在单位温度梯度下，单位时间内通过单位截面积的热量。1．温度的影响：物质的种类不同，导热系数随温度的变化规律不同。2．显微构造的影响：〔1〕结晶构造的影响：声子传导与晶格振动的非谐性有关。复杂+非谐性+散射+声子平均自由程+热导率—〔2〕各向异性晶体的热导率：非等轴晶系的晶体热导率呈各向异性，膨胀系数低的方向，热导率大。温度升高时，不同方向的热导率差异减小。因为温度升高，晶体构造的对称性提高。〔3〕多晶体与单晶体的热导率：对于同一种物质，多晶体的热导率总是比单晶体小。因为多晶体中，晶粒尺寸小，晶界多，缺陷多，晶界处杂质也多，声子更易受到散射，其平均自由程要小得多，所以热导率小。〔4〕非晶体的热导率：非晶体具有"近程有序，远程无序〞的构造。低温下，其声子平均自由程在不同温度上根本为常数，其值近似等于几个晶格的间距。较高温度下，玻璃的导热主要由热容与温度的关系决定；较高温度以上则需考虑光子导热的奉献。3.化学组成的影响：构成晶体的质点的大小、性质不同，其晶格振动状态不同，导致其热导率不同。一般而言，质点的原子量愈小，密度愈小，杨氏模量愈大，德拜温度愈高，则热导率愈大。杂质、固溶体的形成使热导率降低，取代元素的质量和大小与基体元素相差越大，取代后结合力改变越大，对热导率的影响越大。4.复相陶瓷的热导率：常见陶瓷材料典型微观构造是分散相均匀分散在连续相中。5.气孔的影响：在不改变构造状态的情况下，气孔率增大，总是使λ降低。4解释热膨胀的机理。影响热膨胀的因素有哪些？本质：点阵构造中质点的平均距离随温度的升高而增大在平衡位置两侧，合力曲线的斜率不对称r<r0时，曲线的斜率较大；斥力随位移增大得很快。r>r0时，曲线的斜率较小；引力随位移的增大较慢。温度+振幅+不对称性+平衡位置右移平均质点距离+晶胞参数+晶胞膨胀影响因素：晶体缺陷，晶体各向异性，温度，工艺因素。5影响材料散热的因素有哪些？〔1〕材料的热导率越大，传热越快，热应力持续一段时间后很快缓解。〔2〕传热的途径，即材料或制成品的薄厚，薄的传热通道短，容易使温度均匀。〔3〕材料外表散热速率。6固体材料声子热导机理及其对晶体构造影响热导的解释。固体导热：由晶格振动的格波和自由电子运动实现〔金属自由陶瓷格波〕声子间碰撞引起的散射是晶格中热阻的主要来源；1声子间碰撞几率越大，平均自由程越小，热导率越低。2晶体中的缺陷、杂质、晶界等引起格波的散射，声子平均自由程-，l-。3平均自由程与声子振动频率有关，波长长的格波容易绕过缺陷，自由程+，l+。4平均自由程与温度有关，温度升高，声子的振动能量加大，频率加快，碰撞增多，自由程减小。在高温时，最小平均自由程等于几个晶格间距；在低温时，最长平均自由程长达晶粒的尺度。7如何表示陶瓷材料的抗热震性，影响其抗热震性的因素是什么？日用瓷：则以产生龟裂的前一次加热温度来表征其热稳定性。高温陶瓷材料：其抗弯强度的损失率来评定其热稳定性。普通耐火材料：始终20%的操作次数。提高抗热冲击;1提高材料强度，减小弹性模量2提高热导率使R’提高3减小材料热膨胀系数4减小外表热传递系数5减小产品有效厚度8请简述固体热容的德拜模型，以及在高温和低温下的结果。晶格中对热容的主要奉献是弹性波的振动也就是波长较长的声频支在低温下振动占主导，由于l声>晶格常熟，把晶体看做连续介质，振动也近似看做连续，有0-wma*谱带大于wma*在光频支奉献不急，wma*由分子密度及声速决定9氧化铝单晶的λ-T曲线分析说明。在很低温度下声子的平均自由程l增大到晶粒的大小，大刀了上限，因此，l值根本上无多大变化。热熔Cr在低温下与温度的三次方成正比，因此λ也近似与T³成正比例变化。随着温度的升高，λ迅速增大，然而温度继续升高，l值要减小，Cv随温度T的变化也不再与T³成比例，并在德拜温度以后，趋于一恒定值。而l值因温度升高而减小，成了主要影响因素。因此，λ值随温度升高而迅速减小。这样，在*个低温处〔~40K〕,λ值出现极大值。在更高温度，由于Cv已根本上无变化，l值也逐渐趋于下限，所以随温度的变化λ又变得缓和了。在到达1600K的高温后，λ值又有少许上升。极化、电子位移极化、离子极化、偶极转向极化、空间电荷极化、自发极化等定义极化：介质内质点〔原子、分子、离子〕正负电荷重心的别离，从而转变成偶极子。电子位移极化：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做电子位移极化。离子极化：电介质中的正负离子在电场作用下发生可逆的弹性位移。正离子沿电场方向移动，负离子沿反电场方向移动。由此形成的极化称为离子位移极化。偶极转向极化：在无外加电场时，这些极性分子的取向在各个方向的几率是相等的，因此就介质整体来看，偶极矩等于零。当极性分子受到外电场作用时，偶极子发生转向，趋于和外加电场方向一致。所以介质整体出现宏观偶极矩。这种极化现象称为偶极子转向极化。空间电荷极化：在电场作用下，不均匀介质内部的正、负离子分别向负、正极移动，引起介质内各点离子的密度发生变化，即出现电偶极矩。这种极化即称为空间电荷极化。自发极化：自发极化的极化状态并非由外电场所造成，而是由晶体的内部构造特点造成的，晶体中每一个晶胞里存在固有电偶极矩，这类晶体通常称为极性晶体。2、介质损耗的定义电介质在电场作用下单位时间消耗的电能叫介质损耗3、影响介质损耗的因素〔1〕频率的影响：ω→0时，此时不存在极化损耗,主要由电导损耗引起。tgδ=δ/ωε，则当ω→0时，tgδ→∞。随着ω升高，tgδ↓。随ω↑，松弛极化在*一频率开场跟不上外电场的变化，松弛极化对介电常数的奉献逐渐减小，因而εr随ω↑而↓。在这一频率范围内，由于ωτ<<1，故tgδ随ω↑而↑。当ω很高时，εr→ε∞，介电常数仅由位移极化决定，εr趋于最小值。由于ωτ>>1，此时tgδ随ω↑而↓。ω→∞时，tgδ→0。tgδ的最大值主要由松弛过程决定。如果介质电导显著变大，则tgδ的最大值变得平坦，最后在很大的电导下，tgδ无最大值，主要表现为电导损耗特征：tgδ与ω成反。〔2〕温度的影响：当温度很低时,τ较大，由德拜关系式可知，εr较小，tgδ也较小。此时，由于ω2τ2>>1,由德拜可得：tgδ∝1/ωε。随温度↑，τ↓，所以εr、tgδ↑。当温度较高时，τ较小，此时ω2τ2<<1随温度↑，τ↓，所以tgδ↓。这时电导上升并不明显，主要决定于极化过程。当温度继续升高，到达很大值时，离子热运动能量很大，离子在电场作用下的定向迁移受到热运动的阻碍，因而极化减弱，εr↓。此时电导损耗剧烈↑，tgδ也随温度↑而急剧上升↑。〔3〕湿度的影响：介质吸潮后，介电常数会增加，但比电导的增加要慢，由于电导损耗增大以及松弛极化损耗增加，而使tgδ增大。对于极性电介质或多孔材料来说，这种影响特别突出4、降低材料的介质损耗的方法〔1〕选择适宜的主晶相：构造严密〔2〕改善主晶相性能时，形成连续固溶体。(3)尽量减少玻璃相。采用"中和效应〞和"压抑效应〞，以降低玻璃相的损耗。(4〕防止产生多晶转变，多晶转变时晶格缺陷多，电性能下降，损耗增加。(5〕注意焙烧气氛。升温速度要适宜，防止产品急冷急热。(6)控制好最终烧结温度，使产品"正烧〞，防止"生烧〞和"过烧〞以减少气孔率。此外，在工艺过程中应防止杂质的混入，坯体要致密。5、介质的击穿、热击穿、电击穿概念介质的击穿:当电场强度超过*一临界值时，介质由介电状态变为导电状态。这种现象称介电强度的破坏，或叫介质的击穿。热击穿：处于电场中的介质由于其中的介质损耗而受热当外加电压足够高时，散热与发热的平衡状态被破坏，假设发热比散热大，介质温度升高，出现永久破坏电击穿：电子从电场中获得的能量大于传递给晶格振动的能量电子的动能增加至一定的值电子与晶格振动相互作用导致新电子，使自由电子数增多，电导不稳定发生击穿。这种击穿开展速度很快，约在10-8-10-7秒内骤然击穿。6、铁电体、铁电畴、压电体、压电效应概念铁电体：铁电体是在一定温度范围内含有能自发极化，并且发极化方向可随外电场作可逆转动的晶体。铁电畴：铁电体自发极化方向一样的小区域压电体：具有压电效应的物体。压电效应：机械作用引起晶体介质的极化导致介质两端外表内出现符号相反束缚电荷正压电效应