07082评分标准A、B

山东轻工业学院07/08学年第2学期《无机材料物理性能》期末考试（A卷）答案一、解释下列专业术语或符号的物理意义（20分）1、（强度的）尺寸效应同一材料，大试件强度偏低，小试件强度高的现象。2、弹性形变指在外力作用下产生形变，外力除去后可以瞬间恢复的形变。3、极化率单位电场强度下，质点电偶极矩的大小。E指局部电场。4、介电强度在外电场作用下，物体由介电状态变为导电状态，称为介质的破坏或介质的击穿，此临界电场强度称为物体的介电强度。5、亚铁磁性两种磁矩方向相反，大小不等产生的自发磁化现象。6、第一类超导体只有一个临界磁场，两种状态：超导态和正常态。或用图象表示。7、压电常数表示压电材料机电之间的耦合效应。8、应力弛豫如果施加恒定应变，则应力将随时间而减小。9、铁电性晶体具有自发极化，在外电场作用下自发极化能可逆转动的性质。10、本征电导指晶格中基本质点随着热振动离开平衡位置形成热缺陷，该缺陷的迁移称为本征电导。二、铁原子的原子序数是26，其未被抵消的自旋磁矩是多少？（一个电子的自旋磁矩近似等于一个玻尔磁子μB。）（10分）写出铁原子的核外电子排布，1s22s22p63s23p63d64s2，除3d子层外，各层均被电子添满，自旋磁矩被抵消。根据洪特规则，电子在3d子层中应尽可能填充到不同的轨道，并且自旋尽量在同一方向上。因此5个轨道除一个必须添入2个电子外，其余4个轨道均只有一个电子，且这些电子的自旋方向平行，因此总的自旋磁矩为4μB。要点：1.核外电子排布2.3D电子排布简图↑↑↑↑↑↓及其说明3.答案4μB。三、有一构件，实际使用应力为1.3GPa，现有以下两种钢材待选：甲钢，σys=1.95GPa，KIC=45MPa·m1/2；乙钢，σys=1.56，KIC=75MPa·m1/2。设几何形状因子Y=1.5，最大裂纹尺寸2C=2mm。试问应该选择哪种钢材？为什么？（15分）见教材51页例题。说明两种方法得出截然相反的结果。按照断裂力学的观点选材，既安全可靠，又能充分发挥材料的强度，合理使用材料。而按照传统观点，片面追求高强度，其结果不但不安全，而且还埋没了乙钢这种非常合用的材料。答案要点：1．传统方法计算；2.断裂力学计算；3.裂纹半长；4.强度高未必安全；5.两种方法对比讨论。四、在硅单晶中掺入极少量的砷(As)原子，可使硅的导电能力显著增加，请画出能结构简图，说明导电能力显著增加的原因、形成了何种半导体。若在材料表面产生氧气吸附反应，表面电导率如何变化？（本题满分15分）五价的砷与Si形成共价键时多余一个电子，即提供一个施主能级，此能级离导带底很近，只差0.05eV，比满带中的电子容易激发的多，形成电子导电，使导电能力大大增加。掺入施主杂质的半导体称为n-型半导体。在此材料表面产生氧气吸附反应，氧气得到电子，使半导体表面空间电荷层中的载流子浓度减小，形成耗尽层，因此表面电导率降低。答案要点：1.能带结构简图中附加能级正确；2.简要描述形成n-型半导体过程,；3.负电吸附，电导率降低。五、答案：临界淬冷温差表示在此淬冷温差下，材料中的热应力达到了材料的强度，材料产生断裂破坏。是材料可以承受的最大淬冷温差，可以表明材料抗热震性能的优劣。根据热应力大于等于材料强度时，材料发生热震破坏，假定Biot模数β→∞，可以由σC=EαΔTC计算出两种材料的淬冷温度差，氧化铝和石英玻璃出现差异的原因主要与膨胀系数有关系，得出低膨胀材料抗热震性能好的结论。（15分）要点：1.临界淬冷温差的概念；2.计算过程及其结果；3.低膨胀材料抗热震性能好。六、判断题（10分）1.正确2.错误3.正确4.正确5.错误6.正确7.正确8.错误9.错误10.正确。七、分析比较石英玻璃、石英陶瓷与石英晶体的透光性。（10分）石英玻璃的透光性大于石英晶体的透光性大于石英陶瓷的透光性。材料的透光性取决于材料对光的吸收、散射及表面反射。由于三种材料属于同一材质，可以认为吸收系数相等，因此透光性的大小只要比较对光的反射和散射损失的能量即可。玻璃是无定形结构，折射率比晶体小，反射系数22121)11(nnR，由此造成的反射损失比晶体小，透光性最好；晶体因折射率大造成反射系数R大，透光性次之；石英陶瓷属于多晶体，除了因反射系数大造成反射损失大以外，还存在晶界反射损失，由于晶界数量巨大，造成了光的散射，其透光性最差。要点：1.透光顺序；2.讨论折射率对反射的影响；3.散射的影响八、超导元素同位素定律(5分)：CMTC，超导元素的临界温度T与元素的平均原子量M的乘积，为一常数。T表示电子的性质，而M则代表了晶格振动的性质，即声子的性质。超导元素同位素定律反映了电子与声子的相互作用决定了临界温度的高低。要点：1.公式正确；2.T表示电子的性质；3.M则代表了晶格振动的性质；4.电子与声子的相互作用。山东轻工业学院07/08学年第2学期《无机材料物理性能》期末考试（B卷）一、解释下列专业术语或符号的物理意义（30分）1、塑性形变指在外力作用下产生形变，外力除去后不能恢复的形变。2、热电性极性晶体由于温度变化引起极化强度的改变，导致产生电荷的现象。3、抗热冲击断裂性材料承受温度的剧烈变化时，抵抗瞬时断裂的性能。4、亚铁磁性磁矩排列方向相反，大小不等，两种磁矩之差产生的自发磁化。5、霍尔效应在1方向输入电流，2方向施加一磁场，则在3方向会产生一电场的现象。6、极化强度单位体积中电偶极矩的矢量和。7、PTC效应价控型半导体钛酸钡在特定温度附近，电阻率发生显著变化的现象。8、机电耦合系数表征压电元件机械能与电能之间偶合效应的参数，不是能量转换率。9、强度的尺寸效应指同一种材料尺寸大时强度低，尺寸小时强度大的现象，与微裂纹的随机分布有关系。10、迈斯纳（Meissner）效应处于超导态的金属，不管其经历如何，内部磁感应强度始终为零，即完全抗磁性，又称为迈斯纳（Meissner）效应。二、镍原子的原子序数是28，其未被抵消的自旋磁矩是多少？（一个电子的自旋磁矩近似等于一个玻尔磁子μB。）（10分）写出镍原子的核外电子排布，1s22s22p63s23p63d84s2，除3d子层外，各层均被电子添满，自旋磁矩被抵消。根据洪特规则，电子在3d子层中应尽可能填充到不同的轨道，并且自旋尽量在同一方向上。因此5个轨道有三个必须添入2个电子外，其余2个轨道均只有一个电子，且这些电子的自旋方向平行，因此总的自旋磁矩为2μB。要点：1.核外电子排布2.3D电子排布简图↑↑↑↓↑↓↑↓及其说明3.答案2μB。三、分析比较应力场强度因子KI和断裂韧性KIC的概念及意义。（10分）KI和断裂韧性KIC是两个不同的概念，KI是一个力学参量，表示裂纹体中裂纹尖端的应力场强度的大小，它决定于外加应力、试样尺寸和裂纹类型，而和材料无关。但KIC是材料性能指标，是材料常数，它决定于材料的成分、组织结构等内在因素，而与外加应力及试样尺寸无关，KIC表示材料抵抗裂纹扩展的能力。KIC大，材料不易断裂。要点：1.力学参数；2.材料性能；3.KIC表示材料抵抗裂纹扩展的能力。四、在硅单晶中渗入十万分之一的硼原子，可使硅的导电能力大幅度增加，请画出能结构简图，说明形成了何种半导体。（15分）三价的硼B与Si形成共价键时缺少一个电子，即提供一个空穴能级，此能级离价带顶很近，只差0.05eV，大约为硅禁带宽度的5%.价带中的电子激发到空穴能级比激发到导带容易的多，形成空穴导电，使导电能力大大增加。掺入受主杂质的半导体称为p-型半导体。答案要点：1.能带结构简图中附加能级正确；2.p-型半导体；3.简要描述过程。五、实验测出离子型电导体的电导率与温度的相关数据，经数学回归分析得出关系式为：lgσ=A+B/T(1)试求在测量温度范围内的电导活化能表达式。(2)若给出T1=500K,σ1=10-9(Ω•cm)-1T2=1000K,σ2=10-6(Ω•cm)-1计算电导活化能Ws的值：说明Ws的物理意义。K=0.86*10-4eV/K.答案要点：1.电导活化能表达式Ws=-BKln10;2.计算结果B=3000，Ws=0.58eV；3.物理意义包括缺陷形成能和迁移能。六、简述金红石晶体具有高介电常数（ε=110）的原因？（15分）与晶体结构造成的附加内电场有关系，可以用内电场结构系数的大小来描述。C11和C22均为负值，表明同种离子之间有削弱外电场的作用；而表示钛离子和氧离子之间相互作用的内电场结构系数C12和C21是相当大的正值，强化了外电场的作用，而且这种加强远远超过了同种离子削弱外电场的作用，造成金红石晶体具有很大的介电常数。七、判断题（10分）1.错误2.错误3.错误4.正确5.正确6.错误7.正确8.正确9.正确10.正确。八、简述薄膜介质具有较高场强的原因。（本题满分10分）1.知道使用四十代理论进行解释，2分；2.正确叙述四十代理论，在碰撞电离过程中，电子数以2n增加，当n=40，2n=1012,即在1cm内电离次数达到40次，介质便击穿。4分；3.当介质很薄时，碰撞电离不足以发展到四十代，电子崩已进入阳极复合，此时介质不能击穿，即这时的介质击穿场强将要提高，4分。四、平面应变断裂韧性KIC=YσCC1/2，据此公式认为强度越高，断裂韧性越大？试讨论此问题。（10分）根据Griffith断裂强度，σC与C存在对应关系，一个增加另一个必然减小，但两者的乘积为常数，因此不能从公式表面的数学关系讨论此问题。如果保持C不变的情况下提高强度，断裂韧性必然提高，这必然是由于对材料结构进行了改进的结果。要点：1.KIC物理意义；2.σCC双曲线关系；3.材料改性，C不变可提高断裂韧性KIC。答案要点：1.离子位移极化是在平衡位置附近的移动；2.松弛极化离子移动几个晶格间距，位移距离较大；3.离子电导是长距离迁移应力弛豫恒应变时，应力随时间的延长而降低，弹性模量也降低。由于是空穴型半导体，必须掺入受主杂质，3价的硼B缺少一个电子，提供空穴能级，此能级离价带顶很近，容易接受价带电子，形成价带空穴导电。五价的砷为施主杂质，形成电子型半导体，与题意不符。画出能带简图。三、磁铁矿Fe3O4属于反尖晶石结构，试估计一个晶胞中含有的波尔磁子数。磁铁矿Fe3O4的磁性是称为铁磁性还是称为亚铁磁性？（10分）一个晶胞中含有8个Fe3O4立方体，首先应计算一个Fe3O4立方体中的波尔磁子数。由于是反尖晶石结构，8个Fe+2占据8个B位，16个Fe+3中有8个占A位，另有8个Fe+3占B位。对于一个Fe3O4，两个Fe+3分别处于A位及B位，是反平行自旋，磁矩相互抵消。但在B位的Fe+2离子的磁矩依然存在，有4个波尔磁子。所以一个晶胞中总共应该有32个波尔磁子。为亚铁磁性，磁矩大小不等，方向相反。三、KI和断裂韧性KIC是两个不同的概念，KI是一个力学参量，表示裂纹体中裂纹尖端的应力场强度的大小，它决定于外加应力、试样尺寸和裂纹类型，而和材料无关。但KIC是材料性能指标，是材料常数，它决定于材料的成分、组织结构等内在因素，而与外加应力及试样尺寸无关，KIC表示材料抵抗裂纹扩展的能力。KIC大，材料不易断裂。画出简图，说明反射、吸收、散射及第二次反射造成的光损失。得到透光率，考虑多次反射的作用，得出实际透光率稍高的原因。简述产生非线性光学效应的条件？（10分）1.入射光为强光，强光中的光频电场强度接近原子的内电场；2.晶体的对称性要求，没有对称中心的压电晶体；3.位相匹配，倍频光的折射率等于基频光的折射率。