材料科学与工程基础作业讲评-9

4-62已知碲化锌的Eg=2.26eV，它对哪一部分可见光透明？第十四次作业中文λ=hc/Eg=0.55μmh=6.62*10-34J.s/1.6*10-19=4.13*10-15eV.sc=3*108m.s-1对波长0.55~0.7μm的可见光透明4-63、当可见光垂直入射并透过20mm厚的某种透明材料时，透射率为0.85，当该种透明材料的厚度增加到40mm时，透射率为多少？已知折射率为1.6。R=（n1-1）2/（n1+1）2=0.053T=（1-R）2e-βl；0.85=（1-0.053）2e-β*0.02；β=2.6T=（1-R）2e-βl=0.80819.9Computethevelocityoflightincalciumfluoride(CaF2),whichhasadielectricconstantrof2.056(atfrequencieswithinthevisiblerange)andamagneticsusceptibilityof-1.4310-5.μr=1+χm=1-0.0000143=0.9999757n=（εrμr）1/2=1.43v=c/n=2.10×108m/s另解：μr=μ/μ0,μ=μ0μrr=/0,μ=0r19.19Thefractionofnonreflectedradiationthatistransmittedthrougha10-mmthicknessofatransparentmaterialis0.90.Ifthethicknessisincreasedto20mm,whatfractionoflightwillbetransmitted?IT=I0（1-R）2e-βl=I0e-βl0.9=e-βl=e（-β×0.01）β=10.54IT=I0e（-β×0.02）=0.81I019.22Brieflyexplainwhatdeterminesthecharacteristiccolorof(a)ametaland(b)atransparentnonmetal.金属：吸收和再发射透明非金属：透射、部分吸收（选择性吸收）。19.24Theindexofrefractionofquartzisanisotropic.Supposethatvisiblelightispassingfromonegraintoanotherofdifferentcrystallographicorientationandatnormalincidencetothegrainboundary.Calculatethereflectivityattheboundaryiftheindicesofrefractionforthetwograinsare1.544and1.553.R=（n2-n1）2/（n2+n1）2=（1.553-1.544）2/（1.553+1.544）2=8.427×10-619.25Brieflyexplainwhyamorphouspolymersaretransparent,whilepredominantlycrystallinepolymersappearopaqueor,atbest,translucent.半晶聚合物，结晶与非晶区密度差异造成折射指数差异，当晶区尺寸大于可见光波长，造成光散射，造成不透明或半透明。4-59叙述下列概念：（1）反射、透射和吸收：（2）旋光性：（3）非线性光学性质：（4）光泽：（5）发光：（6）光敏性吸收：光穿过介质时，引起介质的价电子跃迁，或使原子振动而消耗能量，或因电子能量转变成分子的动能即热能，从而构成光能衰减。反射：光在两相交界面上返回入射相中透射：光在两相交界面上进入透射相中旋光性：偏振光的偏振面转过一定角度非线性光学性质：分子在强光场的作用会产生极化光泽：材料表面某一方向反射光较强发光：材料吸收高能辐射，然后发射可见光4-66为什么有些透明材料是带色的，有些是无色的？选择性吸收；内部折光指数不均匀4-70有哪些方法可以改善材料的透明性。增加聚合物材料透明性的方法加速成核或由熔体急剧冷却——减少球晶大小；拉伸——球晶转变为取向微丝19.4Distinguishbetweenmaterialsthatareopaque,translucent,andtransparentintermsoftheirappearanceandlighttransmittance.不透明，透过率接近0半透明透明，透过率接近119.7(a)Brieflyexplainwhymetalsareopaquetoelectromagneticradiationhavingphotonenergieswithinthevisibleregionofthespectrum.(b)Whyaremetalstransparenttohigh-frequencyx-rayandγ-rayradiation?高能级(价带）只部分填充电子，具有可见光频率的辐射，会激发电子到费米能级以上的空能级（吸收再发射光子）。对高频辐射无吸收(不会产生电子跃迁，因为没有合适的空轨道)19.13Itisdesiredthatthereflectivityoflightatnormalincidencetothesurfaceofatransparentmediumbelessthan5.0%.WhichofthefollowingmaterialsinTable19.1arelikelycandidates:soda–lime（石灰钠）glass,Pyrexglass,periclase（方镁石）,spinel（尖晶石）,polystyrene,andpolypropylene?Justifyyourselections.R=（ns-1）2/（ns+1）2soda-limeglass：R=（ns-1）2/（ns+1）2=（1.458-1）2/（1.458+1）2=0.0347Pyrexglass：R=（ns-1）2/（ns+1）2=(1.47-1)2/(1.47+1)2=0.03615periclase：R=（ns-1）2/（ns+1）2=(1.74-1)2/(1.74+1)2=0.0729spinol：R=（ns-1）2/（ns+1）2=(1.72-1)2/(1.72+1)2=0.07PS：R=（ns-1）2/（ns+1）2=（1.60-1）2/（1.60+1）2=0.05325PP：R=（ns-1）2/（ns+1）2=(1.49-1)2/(1.49+1)2=0.03873soda-limeglass、Pyrexglass、PParelikelycandidates19.26(a)Inyourownwordsdescribebrieflythephenomenonofluminescence.(b)Whatisthedistinctionbetweenfluorescenceandphosphorescence?（a）吸收能量后发出可见光叫发光（b）延迟发射10-8s，荧光延迟发射10-2s~10s，磷光4-71化学腐蚀、电化学腐蚀和物理腐蚀有哪些区别？试举例说明。化学腐蚀：材料（包括金属材料、无机非金属材料和高分子材料）在接触酸、碱、盐、大气、有机溶剂等环境介质时，受到环境介质的化学侵蚀作用，引起材料不可逆的化学变化，导致材料的破坏。例如某些金属在酸性条件下，置换酸中的氢离子而发生腐蚀。电化学腐蚀：金属材料在发生化学腐蚀的同时，伴随有电子的迁移，同时金属以离子的形式溶解而发生的腐蚀破坏类型。例如工业纯的锌放入稀硫酸中,在杂质和锌晶粒之间有电流流动，而锌以离子形式溶解的腐蚀。物理腐蚀：是材料在环境介质作用下，没有化学变化，而是以物理变化发生破坏的腐蚀类型。主要是高分子材料。例如溶剂分子渗入到体型高聚物发生溶胀、软化，是强度降低。4-74在一块单向玻纤增强不饱和聚酯单面板中，若纤维直径是20μm，纤维体积分数是0.45，Ef=4Gp，Em=80MPa。求（a）单位体积界面的面积；（b）当该复合材料沿纤维方向受到200MPa拉应力时，玻纤和基体各承受的拉应力是多少？解（a）设该单向板为1cm×1cm×1cm=1cm3正立方体单根纤维的体积V1=π×（0.002cm/2）2×1cm=3.14×10-6cm3单根纤维的界面面积S1=π×0.002cm×1cm=0.00628cm2则该1cm3正立方体单向板复合材料界面面积：Sc=(1cm3×0.45×S1)/V1=900cm2b）Ff/Fm=VfEf/[(1-Vf)Em]=0.45×4000MPa/(0.55×80MPa)=40.90σ=F/A（假定Ac=1m2)F=200×106NFc=Ff+Fm=40.90Fm+Fm=200×106NFm=4.77×106NFf=200-4.77=195.23×106Nσm=4.77×106N/0.55m2=8.68MPaσf=195.23×106N/0.45m2=433MPa4-78一边长为25mm的立方体用薄铝板和硫化橡胶（厚度分别为0.5mm和0.75mm）交替层压制成。问该复合板的热导率为多少？（a）平行板方向（b）垂直板的方向（λAl=0.22λR=0.00012单位J·s-1m-1K-1）解（a）model:铝板和橡胶板分别都为25mm/（1.25mm）=20层T2T1qAlqRQQVA1=10/25=0.4VR=15/25=0.6λl=VA1λA1+VRλR=0.4*0.22+0.6*0.00012=0.088+0.000072=0.088(J·s-1m-1K-1)(b)Solution:因为：1/λt=VA1/λA1+Vr/λr=0.4/0.22+0.6/0.0012=1.82+5000=5001.82λt=1/5001.82=2.0*10-4(J·s-1m-1K-1)qT130.5mm30.75mmT2T3T4115.11Acontinuousandalignedfiber-reinforcedcompositeistobeproducedconsistingof30vol%aramidfibersand70vol%ofapolycarbonatematrix;mechanicalcharacteristicsofthesetwomaterialsareasfollows:Also,thestressonthepolycarbonatematrixwhenthearamidfibersfailis45Mpa.Forthiscomposite,compute(a)thelongitudinaltensilestrength,and(b)thelongitudinalmodulusofelasticity.(a）thelongitudinaltensilestrengthσcl=45*0.7+3600*0.3=31.5+1080=1111.5(Mpa)(b)intermsofEquation:Ecl=Em(1-Vf)+Ef*VfEcl=2.4*0.7+131*0.3=1.68+39.3=40.98GPa(15.17)?15.15(a)VerifythatEquation15.11,theexpressionforthefiberload–matrixloadratio(Ff/Fm),isvalid.(a)εm=εfσm/Em=σf/EfFm/Am/Em=Fm/(Am*Em)=Ff/Af/Ef)=Ff/(Af*Ef)Ff/Fm=(Af*Ef)/(Am*Em)=(Ef*Vf)/(Em*Vm)=(Ef*Vf)/[Em(1-Vf)]Vf=Af*l,Vm=Am*l15.20Itisdesiredtoproduceanalignedcarbonfiber-epoxymatrixcompositehavingalongitudinaltensilestre