《材料物理性能》课程教学资源（试卷习题）2012-2013第2学期无机材料物理性能——试卷A及参考答案

2012-2013第2学期无机材料物理性能-试题A一答案 一、判断题：（在每小题题首的括号里填“√或×”表示“对或错”，每题2分，共30分） 1、(×)如果施加恒定应力，其应变随时间而增加，这种现象叫弛豫。1 2、(√)在玻璃转变区内，形成的玻璃液体的黏度与时间有关。1 3、 （√)当材料存在可以移动的电子和空穴时，它们有较高的迁移率。6 (×)无机材料的断裂强度和断裂韧性一样都是由原子或离子的理论结合强度决定的。3 5、 (√)氯化银晶体结构简单，室温下可以产生品格滑移。1 6、 (×)铁电体材料与铁磁休材料均含有铁元素。7、8 7、 (X)锐钛矿瓷是离子位移极化为主的电介质材料。7 8、 (×)爱因斯坦热熔模型是假定品体为连续介质，声频支的振动是连续的。4 9、 (√)同素异构材料，高温下稳定的品型折射率较低，低温下稳定的晶型折射率较高。5 10、(×)空间电荷层的多数载流子的浓度比内部不大，称为耗散层。6 (×)一般折射率小，结构紧密的电介质材料以电子松弛极化性为主。7 (×)陶瓷材料比金属材料有较低的热导率是因为陶瓷材料比金属材料有更多的缺陷。4 (√)自发磁化是铁磁物质的基本特征，是铁磁物质和顺磁物质的区别之处。8 14、 (√)本征裂纹指的是那些在材料制作过程中引进的缺陷，如，气孔，夹杂，分层等。2 (√)固体材料的热膨胀的本质是：点阵结构中的质点间平均距离随着温度升高而增大。4 名词解释： (每题4分，共20分) 1、 直接交换作用：8不同原子间的未被填满壳层上的电子发生特殊相互作用，在品体内 部，参入这种“相互作用”的电子，不再局限于原来的原子，而是“公有化”了。原子间好像在交 换电子，而由这种交换”作用所产生的交换能”丁与品格的原子间距有密切关系。当距离很大时， J接近于零。随着距离的诚小，相互作用有所增加，J为正值，就呈现出铁磁性 ,当原子间距a与 未被填满的电子壳层直径D之比大于3时，交换能为正值，当小于3时，交换能为负值，为反铁 磁性。 声子，4 如果振动着的质点中包含频率甚低的格波，质点彼此之间的相位差不大，称为“声频支振动” 振子的能量是不连续的，是量子化的，因此，把声频波的量子称为声子。 3、折射率的色散：5 材料的折射*随入射光频率的减少（或波长入的增加）而减少的性质，称为折射率的色散。 铁电体：7在一定温度范围内，含有能自发极化，并且自发极化方向可随外加电场 可逆转动的品体称为铁电体。 5、粘弹性：1一些非晶体和多品体在受到比较少的应力作用时可以同时表现为弹性和粘 性，这种现象称为粘弹性。 三、简答题：（每题6分，共30分） 1、影响材料透光性的主要因素是什么？5 (1)吸收系数(1分) (2)反射系数(1分) (3)散射系数①材料的宏观及显微缺陷②晶粒排列方向③气孔引起的散射(4分) 2、 无机材料的蠕变曲线分为哪几个阶段，分析各阶段的特点。1

1 2012-2013 第 2 学期 无机材料物理性能-试题 A-答案 一、判断题：（在每小题题首的括号里填“√或×”表示“对或错”，每题 2 分，共 30 分） 1、 （×）如果施加恒定应力，其应变随时间而增加，这种现象叫弛豫。1 2、 （√）在玻璃转变区内，形成的玻璃液体的黏度与时间有关。1 3、 （√）当材料存在可以移动的电子和空穴时，它们有较高的迁移率。6 4、 （×）无机材料的断裂强度和断裂韧性一样都是由原子或离子的理论结合强度决定的。3 5、 （√）氯化银晶体结构简单，室温下可以产生晶格滑移。1 6、 （×）铁电体材料与铁磁体材料均含有铁元素。7、8 7、 （×）锐钛矿瓷是离子位移极化为主的电介质材料。7 8、 （×）爱因斯坦热熔模型是假定晶体为连续介质，声频支的振动是连续的。4 9、 （√）同素异构材料，高温下稳定的晶型折射率较低，低温下稳定的晶型折射率较高。5 10、 （×）空间电荷层的多数载流子的浓度比内部不大，称为耗散层。6 11、 （×）一般折射率小，结构紧密的电介质材料以电子松弛极化性为主。7 12、 （×）陶瓷材料比金属材料有较低的热导率是因为陶瓷材料比金属材料有更多的缺陷。4 13、 （√）自发磁化是铁磁物质的基本特征，是铁磁物质和顺磁物质的区别之处。8 14、 （√）本征裂纹指的是那些在材料制作过程中引进的缺陷，如，气孔，夹杂，分层等。2 15、 （√）固体材料的热膨胀的本质是：点阵结构中的质点间平均距离随着温度升高而增大。4 二、名词解释：（每题 4 分，共 20 分） 1、 直接交换作用：8 不同原子间的未被填满壳层上的电子发生特殊相互作用，在晶体内 部，参入这种“相互作用”的电子，不再局限于原来的原子，而是“公有化”了。原子间好像在交 换电子，而由这种“交换”作用所产生的“交换能”J 与晶格的原子间距有密切关系。当距离很大时， J 接近于零。随着距离的减小，相互作用有所增加，J 为正值，就呈现出铁磁性。当原子间距 a 与 未被填满的电子壳层直径 D 之比大于 3 时，交换能为正值，当小于 3 时，交换能为负值，为反铁 磁性。 2、 声子：4 如果振动着的质点中包含频率甚低的格波，质点彼此之间的相位差不大，称为“声频支振动”， 振子的能量是不连续的，是量子化的，因此，把声频波的量子称为声子。 3、 折射率的色散：5 材料的折射率随入射光频率的减少（或波长λ的增加）而减少的性质，称为折射率的色散。 4、 铁电体：7 在一定温度范围内，含有能自发极化，并且自发极化方向可随外加电场作 可逆转动的晶体称为铁电体。 5、 粘弹性：1 一些非晶体和多晶体在受到比较少的应力作用时可以同时表现为弹性和粘 性，这种现象称为粘弹性。 三、简答题：（每题 6 分，共 30 分） 1、 影响材料透光性的主要因素是什么？5 （1）吸收系数(1 分) （2）反射系数(1 分) （3）散射系数 ①材料的宏观及显微缺陷 ② 晶粒排列方向 ③气孔引起的散射(4 分) 2、 无机材料的蠕变曲线分为哪几个阶段，分析各阶段的特点。1

①.起始阶段，在外力作用下发生瞬时弹性形变：②.蠕变减速阶段，应变速率随时间递减，持续时 间较短，应变速率满足：d=Aa:③.稳定态蠕变，形变与时间呈线性关系：=K::④.加速蠕变阶段 该阶段是断裂之前的最后一个阶段，曲线较陡，蠕变速率随时间的增加而快速增加。（各1.5分）】 3、材料的折射率n有大有小，为什么？5 离子半径：材料的结构、品型、非晶态：材料所受的内应力：同素异构体。（各1分） 4、影响离子电导率的因素有哪些？6 温度：(1分) 晶体结构：(1分) 晶格缺陷①热激励生成晶格缺陷②不等价固溶掺杂形成晶格缺陷③离子晶体中正负离子计量比随气 氛的变化发生偏离，形成非化学计量比化合物，因而产生品格缺陷。(4分) 5、极化的种我有能高子他移极化3电子格地极化0离子松极化©转向极化©自发极各1 四、 论述题：（每题10分。共20分） 1、何为相变增韧？论述氧化锆增韧氧化铝陶瓷的机理3 相变增韧，陶瓷材料增韧方法之一，由应力诱导相变造成一种能量吸收机制，从而产生显著的 增韧效果。(2分) 氧化锆相变机理有三种：相变增韧：微裂纹增韧：应力诱导相变增韧。(2分) 相变增韧的典型范制是Z红02增韧。Z02品粒具有3种品型，即立方品相、四方品相和单斜品相。在通 常情况下，各相稳定 在的大致温度范围是：立方相大于2300C,四方相大于1100C,单斜相小于1100℃ 当202分散在氧化铝陶瓷基体中，在烧成温度下，Z02颗粒一般以四方相存在。当冷却到某一温度时，即 发生马氏体相变，转变成单斜Z02,并伴随者一定的体积膨胀和晶粒形状的变化。但是当Z02颗粒弥散在 其他陶瓷基体中，使它受到周围基体的束缚时，它的相变也受到抑制，使坛向低温方向移动。调整周围基体 的性质，有可能使四方Z02保持到室温。只有在基体受到外力作用，使基体对Z02颗粒的束缚作用松弛后 才触发了它向单斜相转变，从而达到相变增韧的效果， 采用202进行相变增韧的重要条件是保证材料中可相变的四方相有足够高的体积分数。还应考虑以下 几点：(1)四方Z02和基体间热膨胀系数之差尽可能小。（②）Z2在室温下保持四方相的临界晶粒尺寸随基 质性质而变化。(3)高的相变驱动力（四方相一单斜相），如加入H02可以实现。(4)使颗粒尺寸分布变窄， 颗粒间隔均匀。（⑤）基体有高的本征断裂韧性和高的弹性模量。(6分) 2、举例分析如何提高无机材料的抗热冲击性能。4 材料的抗热冲击性能包括两方面，一是抗热冲击损伤性能：二是抗热冲击断裂性能。(2分) 抗热冲击损伤性能在耐火材料中的应用较为普端，通常是采用题粒级配、含有一定气孔率签手段，从抗热应 力损伤因子R“和R”“可知，材料的弹性模量越大，屈服强度越高，材料的抗热冲击损伤性能越高：(3分) 在抗热冲击断裂性能方面，(1)提高材料屈服强度，减少弹性模量：(2)提高材料的导热率：(3)减少材 料的热膨胀系数：(4)减少材料的表面热传导系数：(5)减少产品的有效厚度。(5分)

2 ①.起始阶段，在外力作用下发生瞬时弹性形变；②.蠕变减速阶段，应变速率随时间递减，持续时 间较短，应变速率满足：dε/dt=At-n ；③.稳定态蠕变，形变与时间呈线性关系：ε=Kt ；④.加速蠕变阶段， 该阶段是断裂之前的最后一个阶段，曲线较陡，蠕变速率随时间的增加而快速增加。(各 1.5 分) 3、 材料的折射率 n 有大有小，为什么？5 离子半径；材料的结构、晶型、非晶态；材料所受的内应力；同素异构体。(各 1 分) 4、 影响离子电导率的因素有哪些？6 温度；(1 分) 晶体结构；(1 分) 晶格缺陷 ①热激励生成晶格缺陷 ②不等价固溶掺杂形成晶格缺陷 ③ 离子晶体中正负离子计量比随气 氛的变化发生偏离，形成非化学计量比化合物，因而产生晶格缺陷。(4 分) 5、 极化的种类有哪些？7 ① 电子位移极化②离子位移极化③电子松弛极化④离子松弛极化⑤转向极化⑥自发极化(各 1 分) 四、 论述题：（每题 10 分。共 20 分） 1、 何为相变增韧？论述氧化锆增韧氧化铝陶瓷的机理 3 相变增韧，陶瓷材料增韧方法之一，由应力诱导相变造成一种能量吸收机制，从而产生显著的 增韧效果。(2 分) 氧化锆相变机理有三种：相变增韧；微裂纹增韧；应力诱导相变增韧。(2 分) 相变增韧的典型范例是 ZrO2 增韧。ZrO2 晶粒具有 3 种晶型，即立方晶相、四方晶相和单斜晶相。在通 常情况下，各相稳定存在的大致温度范围是：立方相大于 2300℃，四方相大于 1100℃，单斜相小于 1100℃。 当 ZrO2 分散在氧化铝陶瓷基体中，在烧成温度下，ZrO2 颗粒一般以四方相存在。当冷却到某一温度时，即 发生马氏体相变，转变成单斜 Zr02，并伴随着一定的体积膨胀和晶粒形状的变化。但是当 ZrO2 颗粒弥散在 其他陶瓷基体中，使它受到周围基体的束缚时，它的相变也受到抑制，使坛向低温方向移动。调整周围基体 的性质，有可能使四方 ZrO2 保持到室温。只有在基体受到外力作用，使基体对 ZrO2 颗粒的束缚作用松弛后， 才触发了它向单斜相转变，从而达到相变增韧的效果。 采用 ZrO2 进行相变增韧的重要条件是保证材料中可相变的四方相有足够高的体积分数。还应考虑以下 几点：(1)四方 ZrO2 和基体间热膨胀系数之差尽可能小。(2)ZrO2 在室温下保持四方相的临界晶粒尺寸随基 质性质而变化。(3)高的相变驱动力(四方相一单斜相)，如加入 HfO2 可以实现。(4)使颗粒尺寸分布变窄， 颗粒间隔均匀。(5)基体有高的本征断裂韧性和高的弹性模量。(6 分) 2、 举例分析如何提高无机材料的抗热冲击性能。4 材料的抗热冲击性能包括两方面，一是抗热冲击损伤性能；二是抗热冲击断裂性能。(2 分) 抗热冲击损伤性能在耐火材料中的应用较为普遍，通常是采用颗粒级配、含有一定气孔率等手段，从抗热应 力损伤因子 R"´和 R""可知，材料的弹性模量越大，屈服强度越高，材料的抗热冲击损伤性能越高；(3 分) 在抗热冲击断裂性能方面，（1）提高材料屈服强度，减少弹性模量；（2）提高材料的导热率；（3）减少材 料的热膨胀系数；（4）减少材料的表面热传导系数；（5）减少产品的有效厚度。(5 分)