材料物理性能复习题

一、名词解释光矢量：即是光波的电场强度矢量。双折射：当光束通过各向异性介质表面时，折射光会分成两束沿着不同的方向传播，这种由一束入射光折射后分成两束光的现象。光轴：通过改变入射光的方向，可以发现，在晶体中存在一些特殊的方向，沿着这些方向传播的光不会发生双折射，这些特殊的方向称为晶体的光轴。热膨胀：物质在加热或冷却时的热胀冷缩现象称为热膨胀。朗伯特定律：leII0，在介质中光强随传播距离呈指数形式衰减的规律即称为朗伯特定律。热稳定性：指材料承受高温的急剧变化而不致破坏的能力，也称为抗热震性。滞弹性：指材料在交变载荷的情况下表现为应变对应力的滞后特性即称为滞弹性。应力感生有序：溶解在固溶体中孤立的间隙原子，置换原子，在外加应力时，这些原子所处的位置的能量即出现差异，因而原子要发生重新分布，即产生有序排列，这种由于应力引起的原子偏离无序状态分布叫应力感生有序。穆斯堡耳效应：固体中的无反冲核共振吸收即为穆斯堡尔效应。高分子的分子结构：指除具有低分子化合物所具有的，如同分异构、几何异构、旋光异构等结构特征之外，还有高分子量，通常由103~105个结构单元组成的众多结构特点。高分子的聚集态结构：是指大分子堆砌、排列的形式和结构。均方末端距：是描述高分子链的形状和大小时采用末端距的2次方的平均值，用r2表示，称为均方末端距。二、填空题1、下图为聚合物的蠕变和回复曲线，可见一个聚合物材料的总形变是三种形变之和，其中ε1为普弹形变、ε2为高弹形变、ε3为粘性流动。2、从微观上分析，光子与固体材料相互作用的两种重要结果是：电子极化和电子能态转变3、在光的非弹性散射光谱中，出现在瑞利线低频侧的散射线统称为斯托克斯线，而在瑞利线高频侧的散射线统称为反斯托克斯线。4、掺杂在各种基质中的三价稀土离子，它们产生光学跃迁的是4f电子。5、红宝石是历史上首先获得的激光材料，它的发光中心是Cr3+离子。6、非稳态法测量材料的热导率是根据试样温度场随时间变化的情况来测量材料热传导性能的方法。7、弹性模量的物理本质是标志原子间结合力的大小。8、测量弹性模量的方法有两种：一种是静态测量法，另一种是动态测量法。9、图中表示曲线（a）表示熔融石英玻璃（SiO2）、曲线（b）表示非晶态聚苯乙烯（PS）的热导率随温度的变化。题9图题10图10、下图为铜单晶的对数减缩量与应变振幅的关系。其中Δ1是由位错被钉扎时阻尼振动引起的，ΔH是由位错脱钉过程引起的。11、按照形成聚合物的元素种类通常把聚合物分为有机聚合物、无机聚合物和元素有机聚合物。12、一光纤的芯子折射率n1=1.62，包层折射率n2=1.52，试计算光发生全反射的临界角θC=69.76o。13、光线波导的纤芯相是高折射率材料，而包层是低折射率材料。三、简答题1、简述固体吸收和发光的三种机制，并画出相应的示意图。（140页）答：固体吸收和发光的三种机制是：受激吸收、自发辐射、受激辐射。受激吸收是固体吸收一个光子的过程，固体粒子由E1能级跃迁到E2，光子能量hv=E2-E1；自发辐射是固体发射一个光子的过程，固体中粒子由E2能级跃迁到E1，光子能量hv=E2-E1；受激辐射是当一个能量满足E2-E1=hv的光子趋近高能级E2的原子，有可能诱导高能级原子发射一个和自己性质完全相同的光子，此受激光子与入射光子具有相同频率、方向和偏振状态。示意图如下：题1图题2图2、试用双原子模型说明固体热膨胀的物理本质。（176页）答：如图，U1（T1）、U2（T2）、U3（T3）为不同温度时的能量，当原子热振动通过平衡位置r0时，全部能量转化为动能，偏离平衡位置时，动能又逐渐转化为势能；到达振幅最大值时动能降为零，势能打到最大。由势能曲线的不对称可以看到，随温度升高，势能由U1（T1）、U2（T2）向U3（T3）变化，振幅增加，振动中心就由r0'，r0''向r0'''右移，导致双原子间距增大，产生热膨胀。3、聚乙烯在下列条件下缓慢结晶，各生成什么样的晶体？（1）从极稀溶液中缓慢结晶：片晶（2）从熔体中结晶：球晶（3）极高压力下固体挤出：纤维状晶体（4）在溶液中强烈搅拌下结晶：串晶4、试说明滞弹性内耗的特征以及它与静滞后型内耗和阻尼共振型内耗的区别。（271页）答：滞弹性内耗的特征是：应变-应力滞后回线的出现是由于实验的动态性质所决定的。即回线的面积与振动频率相关，与振幅无关。静滞后型内耗与滞弹性内耗刚好相反，其回线面积与振动频率无关，而与振幅相关，但不是单纯的线性关系。阻尼共振型内耗与滞弹性内耗相似，与振幅无关，与频率密切相关，不同的是阻尼共振型内耗所对应的频率一般对温度不敏感，而前者的弛豫时间对温度却很敏感。5、简述高分子链的构象的自由连接链模型。（340页）答：高分子链构象的自由连接链模型：一个高分子链是由很大数目的单链所组成，这些单链可以自由转动，即可在空间各个方向自由取向，形成无数而可区别的构象。6、说明为什么橡胶急剧拉伸时，橡胶的温度上升，而缓慢拉伸时，橡胶发热。答：（1）急剧拉伸时,绝热条件下，对于无熵变0dS。吉布斯自由能的变化dGSdTVdPfdL2,,PTPLGSfTLLT——（1）∵,,PPLPTSSdSdTdLTL,,0PLPLCfdTdLTT（2）∴,,SPLPLTfdTdLCT——（3）∵0dL，,0PLC，,0PLfT，∴0SdT——（4）此现象称为高夫－朱尔效应，是橡胶熵弹性的证明。（2）缓慢拉伸时，由于等温条件，0dT，利用（1）式，吸收的热量,TPLfdQTdSTdLT∵0T，0dL，,0PLfT∴0TdQ7、产生光吸收的原因是什么？（121页）答：当光穿过介质时，入射光子的能量与介质中某两个能态之间的能量差值相等时，引起介质的价电子跃迁或使原子振动而消耗能量，此外，介质中的价电子会吸收光子而激发，当尚未退激时，在运动中与其他分子碰撞，电子的能量转化为分子的动能即热能，从而构成光能的衰减，即产生光吸收。8、玻璃、陶瓷等大部分无机材料在电磁波谱的可见光区都有良好的透过性，这是为什么？答：在电磁波谱的可见光区，电介质材料包括玻璃、陶瓷等大部分无机材料的价电子所处的能带是填满的，它不能吸收光子而自由运动，而光子能量又不足以使价电子跃迁到导带，所以在一定波长范围内，吸收系数很小，即可见光谱波长范围内，此时电介质就可在可见光谱区域有良好的透过性。9、热应力主要来源于哪三个方面？（231页）答：热应力主要来源于下列三个方面：（1）因热胀冷缩受到限制而产生的热应力；（2）多相复合材料因各相膨胀系数不同而产生的热应力；（3）因温度梯度而产生热应力。10、试述铁磁合金热膨胀反常现象及其应用。（183页）答：对于铁磁性金属铁、钴、镍膨胀系数随温度变化不符合一般规律，而是在正常的膨胀曲线上出现附加的膨胀峰，这就是铁磁金属的热膨胀反常现象。应用是：调整合金成分可以获得低膨胀合金或定膨胀合金。11、画出恒应力下的应变弛豫和恒应变下的应力弛豫过程示意图。（265页）应变弛豫应力弛豫12、试说明产生弹性的铁磁性反常现象的物理本质及其应用。（255页）答：产生弹性的铁磁性反常现象的物理本质是由于铁磁体中磁致伸缩的存在引起附加应变所造成的。对于未被磁化到饱和的铁磁材料，所有磁畴并没有沿着同一个方向排列，在外力作用下发生弹性形变时，磁畴的磁矩将会转动，产生相应的磁致伸缩（力致伸缩）；在拉伸时，具有正的磁致伸缩的材料，其磁畴矢量将转向垂直于拉伸方向，同样在拉伸方向上产生附加拉伸。应用是因瓦合金和艾林瓦合金，即弹性模量温度系数η接近于零的恒弹性合金。13、何为穆斯堡尔效应？为什么只有利用固体发射源和吸收体才能实现穆斯堡尔效应？答：穆斯堡尔效应：固体中的原子核由于键合作用被牢牢的固定在点阵的晶位上，在发射和吸收y光子时都不能从晶位上偏离，这时受到反冲的不再是单个原子，而是整个晶体，这种无反冲核磁共振吸收即为穆斯堡尔效应。因为实验证明，只有在固体尤其是一些合金、硅酸盐化合物中实现无反冲核共振吸收的原子核占的比例较大14、请解释AL203单晶的热导率随温度变化的关系曲线。答：（1）在很低温度下，l：已增大到晶粒的大小，达到了上限，因此l值基本上无多大变化；Cv（热容）：在低温下与T3成正比；V：常数。所以λ也近似与T3成比例的变化，随着温度升高，λ迅速增大。（2）温度继续升高，Cv随温度T的变化不再与T3成比例，并在德拜温度以后，趋于一恒定值；l值因温度升高而减小，并成了主要影响因素。因此，λ值随温度升高而迅速减小。（3）在更高的温度下，Cv已基本上无变化；l值也渐趋于下限。所以，λ随温度的变化变得缓和，在达到1600K的高温后，λ值又有少许回升。这是高温时辐射传热带来的影响。四、计算题1、今有分子量为1×104和5×104的两种高聚物，试计算：（1）在分子数相同的情况下共混时数均分子量和重均分子量；（2）在重量相同的情况下共混时的数均分子量和重均分子量。解：（1）当分子数相同时，设两种高聚物分子数为n，则：数均分子量444103221052102nnnnnMnMniii重均分子量44488210313105210210252102nnnnMnMnMwiiii（2）当重量相同时，设两种高聚物重量均为m，则：数均分子量444103510510mmmmMmMMmnMnMniiiiii重均分子量444210310510mmmmmmMMnMnMwiiiii2、一玻璃对水银灯蓝、绿谱线λ=4358Å和5461Å的折射率分别为1.6525和1.6425，用次数据定出Cauchy近似经验公式2BAn的常数A和B，然后计算对纳黄线λ=5893Å的折射率n及色散率dn/dλ值。解：对蓝谱线λ=4358Å，有243586525.1BA对绿谱线λ=5461Å，有254616425.1BA因此A=1.624964B=522969.1当纳黄线λ=5893Å时，6400.12BAn由2BAn得dBdn32因此631011.52Bddn3、一热机部件由氮化硅制成，热导率λ为18.4W·m-1·K-1，最大厚度rm=0.12m，表面热传导系数h1为500J/（m2·s·K），假定形状因子S=1，请估算能承受热冲击的最大允许温差ΔTmax。Si3N4有关参数为：ɑ=275×10-6/K；E=379GPa；σf=345MPa；μ=0.25。解：Si3N4陶瓷能承受的热冲击的最大允许温差：hrESTmff31.01)1(max根据题中有关数据即可得：KT46.250012.031.01027510379)25.01(3454.18163max一、概念题1.电畴：晶体中存在一些不同方向的自发极化区域(domain).在铁电体中，固有电极矩在一定的子区域内取向相同这些区域就称为电畴。（取向相同的固有电偶极矩）电畴的排列方式分为180度电畴（反平行）和90度电畴。因而不加电场时，整个晶体总电矩为零。2.畴壁：两畴之间的界壁称为畴壁。3.马基申等人把固溶体电阻率看成由金属基本电阻率ρ(T)和残余电阻ρ残组成。即ρ＝ρ（T）＋ρ残称为马基申定律。根据马基申定律，在高温时金属的电阻率基本上取决于ρ(T)，而在低温时取决于ρ残。既然ρ残是电子在杂质和缺陷上的散射引起的，那么ρ残的大小就可以用来评定金属的电学纯度。4.导体：可在电场作用流动自由电荷的物体，能传导电流的元件5.绝缘体：不善于传导电流的物质6.半导体：电阻率介于金属和绝缘体之间并且有负的电阻温度系数的材料7.压电体：能产生压电效应的晶体材8.电介质的击穿，当施加在电介质上的电压增大到一定值时，使电介质失去绝缘性的现象