物理性能问答

1.Q不同材料在外力作用时的变形特征？脆性材料:在弹性变形后没有塑性形变或塑性形变很小，接着就断裂，总弹性应变能非常小。延性材料:开始表现为弹性形变，接着有一段弹塑性形变，然后才断裂，总变形能很大。弹性材料:具极大的弹性形变。Q:宏观塑性形变的必要条件1、有足够多的位错。2、位错有一定的运动速度。3、要有足够小的柏氏矢量b，易发生位错Q:为什么陶瓷材料具有脆性而金属材料具有塑性（滑移条件）：金属易于滑移而产生塑性形变，就是因为金属滑移系统很多而无机材料的滑移系统却非常少。原因是金属键没有方向性，而大多数无机材料的原子结构是离子键、共价键或是二者的混合型，具有明显的方向性。Q:影响粘度的因素:温度（温度升高粘度下降），时间（粘度随时间而增加），组成（组成对无机氧化物黏度的影响也很大）Q:影响蠕变的因素:温度（温度升高，位错运动和晶界滑移加快，扩散系数增大，稳态蠕变速率增大），应力（稳态蠕变速率随应力增加而增大），显微结构的影响（气孔、晶粒尺寸、玻璃相等），组成（不同的材料蠕变行为不同），晶体结构（共价键结构程度增加，扩散及位错运动降低）Q:高位蠕变分为哪几个阶段？各阶段有何特点？（1）起始段oa在外力作用下发生塑性弹性形变，且为瞬时发生，与时间无关（2）第一阶段蠕变ab（蠕变减速阶段）应变速度随时间减速（3）第二阶段蠕变bc（稳态蠕变阶段）蠕变速率保持不遍（4）第三阶段蠕变cd（蠕变加速阶段）应变速率随时间递增，即曲线变陡，最后到d点断裂。Q:格里菲斯微裂纹理论（Griffith认为实际材料中总是存在许多细小的裂纹或缺陷，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，裂纹扩展而导致断裂，所以断裂并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。）Q显微结构对材料脆性断裂的影响：（1）晶粒尺寸：晶粒愈小愈细，强度愈高。（2）气孔的影响：无机材料的弹性模量和强度都随气孔率的增加而降低。Q提高强度，增强韧性的关键是：减缓应力集中效应——减少裂纹及其尺寸；提高抗裂纹扩展的能力——提高断裂功；Q显微结构对断裂韧性的影响:无机材料的增韧设计，实际上就是通过调整材料的显微结构，以进一步提高材料的裂纹扩展阻力。裂纹偏转与裂纹偏转增韧，裂纹桥接与裂纹桥接增韧，微裂纹增韧与相变增韧，裂纹扩展阻力曲线Q阻止裂纹扩展:1.微晶、致密、均匀（结构均匀，应力分布均匀）、高纯（杂质少，位错塞积少，减少裂纹形成的机会）2,预加应力（热韧化）3.化学强化（又称表面化学处理或称表面离子交4.相变增韧5.弥散增韧（纤维增强——复合材料、颗粒增韧）.A、使用应力不超过临界应力σc。B、在材料中设置吸收能量的机构，阻止裂纹扩展。C、人为地在材料中造成大量极微细的小于临界尺寸的裂纹，也可吸收能量，阻止裂纹的扩展。4.Q固体材料热膨胀机理、热膨胀与其他性能的关系。（热膨胀的机理：固体材料的热膨胀本质，可归结为点阵结构中的质点间平均距离随温度升高而增大。质点在r0两侧受力不对称情况越显著，平衡位置向右移动越多，相邻质点间平均距离就增加就越多，以致晶胞参数增大，晶体膨胀）。（热膨胀和结合能、熔点的关系:熔点越高，质点间结合力越大，材料热膨胀系数越小；热膨胀与温度、热容的关系：随温度（热容）升高，热膨胀系数升高；热膨胀与结构的关系：由于玻璃的结构较疏松，内部的空隙较多，所以当温度升高，原子振幅加大，原子间距增大时，部分地被结构内部的空隙所容纳，而整个物体宏观的膨胀量就少些。）5.Q影响材料热导率的因素（1、温度影响2、显微结构影响（晶体结构、各向异性晶体的热导率、多晶体与单晶体的热导率、非晶体的热导率）3、化学组成影响4、复相陶瓷的热导率5、气孔的影响。）Q试比较石英玻璃、石英多晶体和石英单晶热导率的大小，并解释产生差异的原因。答：石英单晶体热导率最大，其次是石英多晶体，最后是石英玻璃。原因：多晶体与单晶体的热导率，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，因而它的平均自由程度小的多，所以多晶体的热导率比单晶体小。玻璃属于非晶体，非晶体的热导率，在不考虑光子导热的温度下，非晶体声子的平均自由程度比晶体的平均自由程度小的多，所以非晶体的热导率小于晶体的热导率。Q材料热传导的宏观规律（当固体材料一端的温度比另一端高时，热量会从热端自动的传向冷端，这个现象就称为热传导）和微观机理（固体中的导热主要是由晶格振动的格波和自由电子的运动来实现的，声子和声子热导、光子热导）Q固体材料热传导的微观机理：（1）把声子当作质点（2）格波的传播当作声子的运动（3）格波与物质的作用理解为声子与物质的碰撞（4）格波遇到的散射理解为声子与质点的碰撞，（5）理想晶体的热阻来源于声子与声子的碰撞Q抗热冲击断裂性能：是材料发生瞬时断裂，抵抗这类破坏的性能.抗热冲击损伤性能：在热冲击循环作用下，材料表面开裂、剥落，并不断发展，最终碎裂或变质。抵抗这类破坏的性能称为抗热冲击损伤性Q提高材料抗热冲击断裂性的措施（（1）提高材料强度，减小弹性模量（2）提高材料的热导率（3）减小材料的热膨胀系数（4）减小表面热传递系数（5）减小产品的有效厚度。5.【折射率】影响折射率因素:构成材料元素的离子半径，材料的结构、晶型和非晶型，材料所受内应力，同质异构体。提高折射率的有效措施:掺入铅和钡的氧化物。【透光性】Q提高材料透光性措施。.提高原材料纯度、掺加外加剂（降低气孔率）、工艺措施（热压法、热锻法，降低气孔率，使晶粒定向排列）Q透明陶瓷的特点？（1）高纯、高密、无气孔（2）晶粒尺寸小于入射光波长（3）无第二相或第二相的折射率与基质的折射率相差小（4）晶粒大小均匀Q影响透光性的因素有哪些？吸收系数、反射系数、散射系数（材料的宏观及显微缺陷、晶粒排列方向的影响、气孔引起的散射损失）Q影响不透明性（高度乳浊）的光学特性:镜反射光的分数，直接透射光的分数，入射光漫反射的分数，透射光漫反射的分数。Q影响半透明性的因素有哪些？散射（乳白玻璃、半透明陶瓷）、气孔的含量（单相氧化物陶瓷）、晶粒尺寸、折射率.【乳浊】.Q影响乳浊的主要因素:颗粒尺寸，相对折射率，第二相颗粒的体积百分比Q乳浊机理（入射光被反射、吸收和透射所占的分数取决于釉层的厚度、釉的散射和吸收特性）Q乳浊剂的选择原则（1）颗粒及基体材料的折射率数值应当有较大的差别（2）颗粒尺寸应当和入射波长约略相等（3)颗粒的体积分数要高）Q改善乳浊性能工艺:1.乳浊釉浆制备2.保证乳浊剂粒子绝大部分是从熔体中析出的微小颗粒3.乳浊釉的烧成制度【颜色】Q陶瓷颜料呈色机理;陶瓷颜料分为分子（离子）着色剂，胶态着色剂。显色原因是由于着色剂对光的选择性吸收而引起选择性反射或选择性投射，从而显现颜色。Q材料对光的选择性吸收与材料颜色之间的关系：从本质上说，某种物质对光的选择性吸收，是吸收了连续光谱中特定波长的光量子，以激发吸收物质本身原子的电子跃迁。Q影响无机颜料呈色的因素。高温下形成的着色化合物的颜色，加入的某些无色化合物如ZnO、Al2O3等，烧成温度的高低特别是气氛的影响。【离子、电子电导】材料的电导类型（特性）及其影响因素。载流子为离子的电导为离子电导，载流子为电子的电导为电子电导。电解效应检验材料是否存在离子电导，霍尔效应检验材料是否存在电子电导。影响离子电导率:温度，晶体结构，晶格缺陷。影响电子电导率:温度，杂质及缺陷。【玻璃态电导】玻璃态电导的双碱效应与压碱效应：双碱（中和）:当玻璃中碱金属离子总浓度较大时，碱离子总浓度相同的情况下，含两种碱金属离子比含一种碱金属离子的玻璃电导率要小。压碱效应：含碱玻璃中加入二价金属氧化物，特别是重金属氧化物，可使玻璃电导率降低。改善无机材料绝缘电阻的措施：提高晶体温度、结构的改变、晶格缺陷、杂质的影响Q介质的总极化一般分三部分:电子极化、离子极化、偶极子转向极化Q极化的基本形式:1.位移式极化（电子位移极化，离子位移极化），弹性的、瞬间完成的极化，不消耗能量，2.松弛极化（电子松弛极化，离子松弛极化），与热运动有关，需要一定的时间，而且是非弹性的，需要消耗能量。Q自发极化的原理，铁电体改性的目的：自发极化并非由外加电场所造成的，而是由晶体的内部结构特点造成的。在自发极化改变方向时，晶体结构不发生大的畸变，才能产生以上的反向转动。钛酸钡自发极化的微观机理(氧八面体空腔体积大于钛离子体积，给钛离子位移的余地。较高温度时，热振动能比较大，钛离子难于在偏离中心的某一个位置上固定下来，接近六个氧离子的几率相等，晶体保持高的对称性，自发极化为零。温度降低，钛离子平均热振动能降低，因热涨落，热振动能特别低的离子占很大比例，其能量不足以克服氧离子电场作用，有可能向某一个氧离子靠近，在新平衡位置上固定下来，并使这一氧离子出现强烈极化，发生自发极化，使晶体顺着这个方向(c轴)延长，晶胞发生轻微畸变，由立方变为四方晶体)Q正压电效应、负压电效应:因为机械作用（应力与应变）引起了晶体介质的极化，从而导致介质两端表面内出现符号相反的束缚电荷。逆:如果将一块压电晶体置于外电场中，由于电场作用，晶体内部正、负电荷重心产生位移，这一位移又导致晶体发生形变，这个效应即逆压电效应。【磁性】铁磁性与反铁磁性（铁磁性是具有强磁性物质（铁）的磁性；反铁磁性是由于“交换”作用为负值，电子自旋反向平行排列）尖晶石型铁氧体（铁氧体亚铁磁性氧化物通式：M2+O∙（Fe3+）2O3，M2+为二价金属离子，如Fe2+，Ni2+，Mg2+等，M2+可以是几种离子的混合物，属于尖晶石型结构。Q无极材料(电介质)哪几种极化形式与特点，：极化形式极化介质与温度关系能’耗电子位移极化一切陶瓷介质中无关没有离子位移极化离子结构介质温度升高，极化增强很微弱离子松弛极化离子结构的玻璃、结构不紧密的晶体及陶瓷随温度变化有极大值有电子松弛极化钛质瓷，以高价金属氧化物为基的陶瓷随温度变化有极大值有转向极化有机材料随温度变化有极大值有空间电荷极化结构不均匀的陶瓷介质随温度升高而减弱有自发极化温度低于居里点的铁电材料随温度变化有显著极大值很大一圆杆的直径为2.5mm、长度为25cm并受到4500N的轴向拉力，若直径拉细至2.4mm，且拉伸变形后圆杆的体积不变,求在此拉力下的真应力、真应变、名义应力和名义应变，并比较讨论这些计算结果。体积V/mm3直径d/mm圆面积S/mm2拉伸前12272.54.909拉伸后12272.44.524由计算结果可知：真应力大于名义应力，真应变小于名义应变。一陶瓷含体积百分比为95%的Al2O3(E=380GPa)和5%的玻璃相(E=84GPa)，试计算其上限和下限弹性模量。若该陶瓷含有5%的气孔，再估算其上限EH和下限EL弹性模量。解：令E1=380GPa,E2=84GPa,V1=0.95,V2=0.05。则有当该陶瓷含有5%的气孔时，将P=0.05代入经验计算公式E=E0(1-1.9P+0.9P2)可得，其上、下限弹性模量分别变为331.3GPa和293.1GPa。0816.04.25.2lnlnln22001AAllT真应变)(91710909.4450060MPaAF名义应力0851.0100AAll名义应变)(99510524.445006MPaAFT真应力)(2.36505.08495.03802211GPaVEVEEH上限弹性模量)(1.323)8405.038095.0()(112211GPaEVEVEL下限弹性模量试分别画出应力松弛和应变蠕变与时间的关系示意图，并算出t=0,t=和t=时的纵坐标表达式。解：Maxwell模型可以较好地模拟应力松弛过程：Voigt模型可以较好地模拟应变蠕变过程:以上两种模型所描述的是最简单的情况，事实上由于材料力学性能的复杂性，我们会用到用多个弹簧和多个黏壶通过串并联组合而成的复杂模型。如采用四元件模型来表示线性高聚物的蠕变过程等一圆柱形Al2O3晶体受轴向拉力F，若其临界抗剪强度τf为130MPa,求