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剪切应力是作用于平面内的力。
正应力引起材料的伸长或缩短,剪应力引起材料的畸变,并使材料发生转动。
塑性:
使固体产生变形的力,在超过该固体的屈服应力后,出现能使该固体长期保持其变形后的形状或尺寸,即非可逆性能。
晶体塑性形变的机理是什么?
原子尺度变化解释塑性形变:
当构成晶体的一部分原子相对于另一部分原子转移到新平衡位置时,晶体出现永久形变,晶体体积没有变化,仅是形状发生变化。
影响塑性形变的因素有哪些?
并对其进行说明。
影响塑性形变的因素主要有晶体结构和键型。
(1)本征因素:
晶粒内部的滑移系统相互交截、晶界处的应力集中、晶粒大小和分布;
(2)外来因素:
杂质在晶界的弥散、晶界处的第二相、晶界处的气孔。
屈服应力:
当外力超过物体弹性极限,达到某一点后,在外力几乎不增加的情况下,变形骤然加快,此点为屈服点,达到屈服点的应力。
滑移:
晶体的一部分相对另一部分平移滑动。
产生滑移的条件:
(1)面间距大;
(2)每个面上是同一种电荷的原子,相对滑动面上的电荷相反;
(3)滑移矢量(柏格斯矢量)小。
滑移系统包括(滑移方向)和(滑移面),即滑移按一定的晶面和方向进行。
滑移方向与原子最密堆积的方向一致,滑移面是(原子最密堆积面)。
蠕变机理分为两大类:
(1)(晶界机理)---多晶体的蠕变;
(2)(晶格机理)---单晶蠕变,但也可能控制着多晶的蠕变过程。
影响蠕变的因素:
外界环境中的温度和应力、晶体的组成、显微结构中的气孔、晶粒和玻璃相。
键结合的材料中,哪一种材料的弹性模量大?
为什么?
共价键、离子键结合的材料中,结合力很强,故弹性模量就较大。
而分子键结合力弱,由此键和的材料弹性模量就很低。
2-1.一圆杆的直径为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。
拉伸前后圆杆相关参数表
体积V/mm3
直径d/mm
圆面积S/mm2
拉伸前
1227.2
2.5
4.909
拉伸后
2.4
4.524
解:
根据题意可得下表
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。
2-2.一试样长40cm,宽10cm,厚1cm,受到应力为1000N拉力,其杨氏模量为3.5×
109N/m2,能伸长多少厘米?
第三章无机材料的脆性断裂
强度:
材料的强度是抵抗外加负荷的能力。
屈服极限:
在外力作用下,材料发生弹性形变;
当应力足够大,材料便开始发生塑性形变,产生塑性形变的最小应力称为屈服应力(屈服极限)。
脆性断裂:
材料受力后,将在低于其本身结合强度的情况下作应力再分配;
当外加应力的速度超过应力再分配的速率时,发生断裂。
解决材料强度的理论:
1.位错理论:
微观上抓住位错缺陷,阐明塑性形变的微观机理。
2.断裂力学:
宏观上抓住微裂纹缺陷(脆性断裂的主要根源)。
位错运动对材料有哪两方面的作用?
引起塑性形变,导致应力松弛和抑制裂纹扩展;
位错运动受阻,导致应力集中和裂纹成核。
理论断裂强度的推导过程?
格里菲斯微裂纹理论:
格里菲斯认为实际材料中总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就产生应力集中现象,当应力达到一定程度时,裂纹就开始扩展而导致断裂。
影响强度的因素有哪些?
内在因素:
材料的物性,如:
弹性模量、热膨胀系数、导热性、断裂能;
显微结构:
相组成、气孔、晶界(晶相、玻璃相、微晶相)、微裂纹(长度、尖端的曲率大小);
外界因素:
温度、应力、气氛环境、式样的形状大小、表面;
工艺因素:
原料的纯度、降温速率。
晶体微观结构中存在缺陷:
(a)位错组合;
(b)晶界障碍;
(c)位错交截。
蠕变断裂:
多晶材料在高温和恒定应力作用下,由于形变不断增加而导致断裂。
蠕变断裂的理论:
1.黏性流动理论:
高温下晶界发生粘性流动,在晶界交界处产生应力集中,并且使晶界交界处产生裂纹,导致断裂。
2.空位聚积理论:
在应力及热波动作用下,晶界上空位浓度增加,空位大量聚积,形成裂纹,导致断裂。
裂纹有三种扩展方式:
(I)张开型、(II)错开型、(III)撕开型。
什么是亚临界裂纹扩展?
在使用应力的作用下,不是发生快速失稳扩展,而是随着时间的推移缓慢扩展。
材料的脆性有哪些特点?
脆性是无机材料的特征。
它间接地反映材料较低的抗机械冲击强度和较差的抗温度聚变性。
脆性直接表现在:
一旦受到临界的外加负荷,材料的断裂则具有爆发性的特征和灾难性的后果。
脆性的本质是缺少五个独立的滑移系统,在受力状态下难于发生滑移使应力松弛。
显微结构的脆性根源是材料内部存在裂纹,易于导致高度的应力集中。
维氏硬度:
(公式及各个物理量的含义)?
(自己总结)
1、求融熔石英的理论结合强度,设估计的表面能力为1.75J/m2;
Si-O的平衡原子间距为1.6*10-8cm;
弹性模量从60到75Gpa?
=
2、融熔石英玻璃的性能参数为:
E=73Gpa;
γ=1.56J/m2;
理论强度σth=28Gpa。
如材料中存在最大长度为2μm的内裂,且此内裂垂直于作用力方向,计算由此导致的临界断裂强度。
2c=2μmc=1*10-6m
3、有一构件,实际使用应力为1.30GPa,有两种钢待选:
甲钢σys=1.95GPa,KIC=45MPa·
m1/2
乙钢σys=1.56GPa,KIC=75MPa·
待选钢的几何形状因子Y=1.5,最大裂纹尺寸为1mm。
试根据经典强度理论(安全系数n=σys/σ)与断裂强度理论KIC=YσcC-1/2进行选择,并对结果进行说明。
(书上例题自己总结)
4、一陶瓷零件上有一垂直于拉应力的边裂,如边裂长度为:
(1)2mm;
(2)0.049mm;
(3)2μm,分别求上述三种情况下的临界应力。
设此材料的断裂韧性为1.62MPa.m2。
讨论讲结果。
已知此情况下零件的几何形状因子为1.98。
(1)c=2mm,
(2)c=0.049mm,
(3)c=2μm,
第四章无机材料的热性能
如原子在高能级和低能级间满足辐射跃迁选择定则,则对于大量的这种原子来说,将同时存在光的自发辐射、受激吸收和受激辐射。
热振动:
实际上晶体点阵中的质点(离子、原子)总是围绕着各自的平衡位置附近作微小振动。
热容:
物体在温度升高1K时所吸收的热量称作该物体的热容。
杜隆-珀替定律:
恒压下元素的原子热容等于25J/(K·
mol)。
杜隆-珀替定律在高温时与实验结果符合得很好,但在低温时,热容的实验值并不是一个恒量,随温度降低而减小,在接近绝对零度时,热容值按T3的规律趋于零。
徳拜定律:
表明当温度T趋于0K时,热容CV与T3成比例地趋于零。
在低温下,德拜模型与实验结果符合很好。
热膨胀:
物体的体积或长度随着温度的升高而增大的现象。
6、线膨胀系数α与体膨胀系数β有何关系?
计算:
⑴假如是立方体;
⑵各项异性的晶体。
略去线膨胀系数α与体膨胀系数β的高次项。
固体材料热膨胀机理:
晶格振动中质点间的作用力,是非线性的。
即作用力并不简单的与位移成正比。
温度越高,平衡位置向右移动越多,晶体膨胀。
热传导:
当固体材料一端的温度比另一端高时,热量就会从热端自动地传向冷端的现象。
固体的传热机理:
固体中质点只在平衡位置附近做微振动,固体的导热主要是晶格振动的格波和自由电子的运动实现的。
⑴金属主要靠自由电子来传热;
⑵非金属材料,自由电子很少,主要靠晶格振动来传递热量。
将声频波的量子称为声子;
把格波的传播看成是质点-声子的运动;
格波与物质的相互作用,则理解为声子和物质的碰撞;
格波在晶体中传播时遇到的散射,则理解为声子同晶体质点的碰撞;
理想晶体中的热阻,则理解为声子与声子的碰撞。
影响热导率的因素:
温度、晶体机构、气孔。
热稳定性(抗热震性):
是指材料承受温度的急剧变化而抵抗破坏的能力。
包括抗热震断裂性和抗热震损伤性两种类型:
材料在热冲击下发生瞬时断裂,抵抗这类破坏的性能为抗热震断裂性;
在热冲击循环作用下,材料表面开裂、剥落,并不断发展,以致最终碎裂或变质而损坏,抵抗这类破坏的性能称为抗热震损伤性。
试比较石英玻璃、石英多晶体和石英单晶热导率的大小,解释产生差异的原因?
①
②与单晶相比,多晶体中晶粒尺寸小,晶界多,晶界处杂质多,声子容易受到散射,其平均自由程小得多,故其热导率比单晶的小;
与晶体相比,玻璃中声子平均自由程由于玻璃远程无序使之较小,因而,玻璃的热导率比晶体的小。
4-1、康宁1723玻璃(硅酸铝玻璃)具有下列性能参数:
λ=0.021J/(cm.s.℃);
α=4.6*10-6/℃;
σp=7.0Kg/mm2;
E=6700Kg/mm2;
μ=0.25.求第一及第二热冲击断裂抵抗因子。
第一冲击断裂抵抗因子:
=
=170℃
第二冲击断裂抵抗因子:
=170*0.021=3.57J/(cm.s)
4-2、一根1m长的Al2O3炉管从室温(25oC)加热到1000oC时,假使在此过程中,材料的热膨胀系数为8.8⨯10-6mm/(mm•oC),计算管的膨胀量是多少?
根据公式,有:
第五章无机材料的光性能
可见光是电磁辐射波谱的波长在400nm到700nm范围的一个波段。
光从材料1传入材料2时的折射定律?
折射率的色散:
材料的折射率n随入射光频率v的减小(或波长的增加)而减小的性质。
玻璃、陶瓷、非均相高聚物等电介质材料,对可见光具有良好的透过性。
其原因是它们的价电子所处的价带是填满的,除非电子吸收光子跃迁到导带,否则不能自由运动。
5、设有一块厚度为x的平板材料(如图),入射光的强度为I0,通过此材料后光强度为I’。
试分析其光的吸收规律?
6、例:
已知NaCl的Eg=9.6eV,试求其吸收峰波长?
7、光通过一个透明陶瓷片时,其发生在左侧和右侧界面时光强的变化?
设反射系数为m、吸收系数为α与散射系数为S。
8、光通过一块厚度为1mm的透明Al2O3板后强度降低了15%,试计算其吸收和散射系数的总和。
解:
9、一入射光以较小的入射角i和折射角r通过一透明明玻璃板,若玻璃对光的衰减可忽略不计,试证明明透过后的光强为(1-m)2。
W=W’+W’’
其折射光又从玻璃与空气的另一界面射入空气
则
影响材料透光性的因素主要有:
反射系数、吸收系数、散射系数。
无机材料的颜色着色剂有:
分子着色剂、胶态着色剂、着色化合物。
配制陶瓷乳浊釉时,需要选择乳浊剂,有PbO、TiO2和ZrSiO4三种氧化物可供选择,它们的折射率n依次分别为2.61、2.50和1.94,你将选择哪一种?
选择硅酸锆作乳浊剂。
因为氧化铅会熔解,氧化钛因膨胀系数太大与陶瓷釉不适应,故只能选硅酸锆。
第六章无机材料的电导
载流子:
具有电荷的自由粒子,在电场作用下可产生电流。
金属导体中的载流子是自由电子。
无机材料载流子可以是电子(负电子、空穴),称为电子电导;
也可以是离子(正、负离子、空位),称为离子电导。
离子电导分类和玻璃导电机理?
离子电导可分为两类:
本征电导和杂质电导。
玻璃的离子电导是由于某些离子在结构中的可动性所至。
霍尔效应:
电子电导的特征是具有霍尔效应。
沿试样x轴方向通入电流,Z轴方向加一磁场,那么在y轴方向将产生一电场,这一现象称为霍尔效应。
利用霍尔效应可检查材料是否存在电子电导。
为什么利用霍尔效应可以检验材料是否是存在电子电导?
霍尔效应的产生是由于电子在磁场作用下,产生横向移动的结果,离子的质量比电子大的多,磁场作用力不足以使离子产生横向位移,因而纯离子电导不呈霍尔效应。
利用霍尔效应可检验材料是否存在电子电导。
试述随温度的上升,玻璃电导率迅速增加的原因。
答:
(1)玻璃体的结构比晶体疏松,碱金属离子能够穿过大于其原子大小的距离而迁移,同时克服一些势垒。
(2)玻璃与晶体不同,玻璃中碱金属离子的能阱不是单一的数值,通常有一些相邻的低能位置,其间只有小的能垒,而大的势垒则发生在偶然出现的相邻位置之间,这与玻璃的结构的随机性质是一致的,故有高有低:
这些位垒的体积平均值就是载流子的活化能。
电解效应:
离子电导的特征是存在电解效应。
离子的迁移伴随着一定的质量变化,离子在电极附近发生电子得失,产生新的物质,这就是电解现象。
可以检验陶瓷材料是否存在离子电导,并且可以判定载流子是正离子还是负离子。
影响电导率的因素:
(1)温度;
(2)晶体结构;
(3)晶体缺陷。
固体电解质:
具有离子电导的固体物质称为固体电解质。
电子电导的导电机制是:
电子和空穴。
本征电导:
导带中的电子导电和价带中的空穴导电同时存在,载流子电子和空穴的浓度是相等的。
它们是由半导体晶格本身提供,是由热激发产生的,其浓度与温度呈指数关系。
本征半导体是具有本征电导特性的半导体。
在Na2O-SiO2玻璃中,采取什么办法降低其电导率?
(1)通过添加另外碱金属,并调节外加碱金属和氧化钠的比例
(2)通过添加二价金属氧化物,特别是重金属氧化物。
掺入施主杂质的半导体称为n型半导体;
掺入受主杂质的半导体称为p型半导体。
解释pn结中的空间电荷区的形成过程?
当p型半导体与n型半导体形成p-n结时,由于n型半导体的多数载流子是电子,少数载流子为空穴,相反p型半导体的多数载流子是空穴,少数载流子为电子,因此在p-n结处存在载流子空穴或电子的浓度梯度,导致了空穴从p区到n区、电子从n区到p区的扩散运动。
对于p区:
没有电离的中性原子,空穴离开后,留下了不可动的带负电的电离受主,没有正电荷与之保持电中性,因此在p-n结附近p区一侧出现了一个负电荷区(负离子阻止n区电子靠近)。
同理,由于n区电子走后,留下带正电的电离施主,电离的正离子阻止p区空穴靠近,所以聚集p-n结近n区一侧,在p-n结附近n区的一侧出现了一个正电荷区,把在p-n结附近的这些电离施主和电离受主所带电荷称为空间电荷。
它们所在的区域称为空间电荷区。
半导体中杂质能级和能带中的能级的区别?
在能带中的能级可以容纳自旋方向相反的两个电子;
而对于施主杂质能级只能是被一个有任一自旋方向的电子所占据,或者不接受电子。
载流子的散射:
电子与晶体中的声子、杂质离子、缺陷等发生碰撞的过程。
载流子发生散射的原因是周期性势场被破坏。
在低掺杂半导体中,载流子迁移率随温度升高而大幅度下降的原因?
由于晶格振动引起的散射叫晶格散射,温度越高,晶格振动越强,对载流子的晶格散射也将增强。
双碱效应:
当玻璃中碱金属离子总浓度较大时(占玻璃组成25—30%),总浓度不变,含两种碱金属离子比一种碱金属离子的玻璃电导率小,当比例适当时,电导率可降低很低。
位错增殖是在剪应力作用下,晶体中位错数量大量增加的现象。
1.计算铜的电子迁移率,假定全部价电子都对电流有贡献。
提示:
铜的点阵常数为3.615×
10-8cm,铜属于面心立方晶体。
铜的价数为1,因此价电子数等于材料中的铜原子数。
10-8cm。
由于铜属于面心立方晶体,单位晶胞中有四个电子(切开后单元体所包含的原子数)。
金属载流子浓度:
n=(4个电子/晶胞)(1个电子/原子)/(3.615×
10-8cm)3=8.467×
1022电子/cm3
q=1.6×
10-19cm
μ=σ/nq=1/ρnq=1/(1.67×
10-6)(8.467×
1022)(1.6×
10-19)
=44.2cm2/Ω·
c=44.2cm2/V·
S
2、本征半导体中,从价带激发至导带的电子和价带产生的空穴参与电导。
激发的电子数n可近似表示为:
式中N为状态密度,k为波尔兹曼常数,T为绝对温度。
试回答以下问题:
(1)设N=1023cm-3,k=8.6*10-5eV.K-1时,Si(Eg=1.1eV),TiO2(Eg=3.0eV)在室温(25℃)和500℃时所激发的电子数(cm-3)各是多少?
(2)半导体的电导率σ(Ω-1.cm-1)可表示为
式中n为载流子浓度(cm-3),e为载流子电荷(电荷1.6*10-19C),μ为迁移率(cm2.V-1.s-1)当电子(e)和空穴(h)同时为载流子时,
假定Si的迁移率μe=1450(cm2.V-1.s-1),μh=500(cm2.V-1.s-1),且不随温度变化。
求Si在室温(25℃)和500℃时的电导率?
(1)Si
20℃
=1023*e-21.83=3.32*1013cm-3
500℃
=1023*e-8=2.55*1019cm-3
TiO2
=1.4*10-3cm-3
500℃
=1.6*1013cm-3
(2)20℃
=3.32*1013*1.6*10-19(1450+500)
=1.03*10-2(Ω-1.cm-1)
=2.55*1019*1.6*10-19(1450+500)
=7956(Ω-1.cm-1)
3、300K时,锗的本征电阻率为47Ω.cm,如电子和空穴的载流子迁移率分别为3900
和1900
.求本征锗的载流子浓度?
4、当每1000000个硅原子中有一个原子为锑原子所置换时,试计算n-型半导体中每立方厘米所含的非本证电荷载流子数?
金刚石立方晶型硅的点阵常数是5.4307×
10-3
nd=(1电子/Sb原子)(10-8Sb原子/Si原子)(Si原子/晶胞)/(5.4307×
10-8)3
=5×
106电子/cm3
σ=nqμe=(5×
1016)(1.6×
10-19)(1900)
=15.2Ω-1.cm-1
试述光生伏特效应产生电流的过程?
用能量等于或大于禁带宽度的光子照射p-n结;
p、n区都产生电子空穴对,产生非平衡载流子,非平衡载流于破坏原来的热平衡;
非平衡载流子在内建电场作用下,n区空穴向p区扩散(同号相斥,异号相吸的原因),p区电子向n区扩散;
若p-n结开路,在p-n结的两边积累电子-空穴对,产生开路电压。
第七章无机材料的介电性能
何谓电介质:
凡是能在电场作用下产生极化的物质称为电介质,俗称绝缘材料。
极化强度:
单位体积内的电偶极矩总和称为极化强度。
极化类型包括:
(1)电子位移极化、
(2)离子式极化、(3)松弛极化、(4)转向极化、(5)空间电荷极化、(6)自发极化。
电子位移极化:
没有受电场作用时,组成电介质的分子或原子所带正负电荷中心重合,对外呈中性。
受电场作用时,正、负电荷中心产生相对位移(电子云发生了变化而使正、负电荷中心分离的物理过程),中性分子则转化为偶极子,从而产生了电子位移极化。
离子式极化:
离子晶体中,无电场作用时,离子处在正常结点位置并对外保持电中性,但在电场作用下,正、负离子产生相对位移,破坏了原先呈电中性分布的状态,电荷重新分布,相当于从中性分子转变为偶极子产生离子位移极化。
离子位移极化与电子位移极化有何异同?
共同点:
它们都属于弹性位移极化(无损耗);
不同点:
(a)离子位移极化是整个离子的相对位移,极化结果——使正负离子间平衡距离缩短;
(b)电子位移极化是电子云变形,电子云偏离原子核,而原子核不动;
(c)离子位移极化中包含有电子位移极化,离子位移极化只产生在离子晶体中;
而电子位移极化则存在于一切介质中。
介质损耗:
在电场的作用下,单位时间内电介质因发热而损耗的电能称为介质损耗功率,简称介质损耗。
介质损耗产生的原因:
主要来自二个方面——电导和极化(慢极化)。
击穿:
电介质在强电场中工作时,当所承受的电压超过某一临界值时而丧失绝缘性能(由介电状态变为导电状态)的现象。
电击穿理论(雪崩理论):
在强电场的作用下,少数电子被加速从负极向正极运动。
在运动中电子不断撞击介质中的离子或原子,同时将其部分能量传给离子或原子,使之激发打出电子(次级电子)。
这些次级电子也会从电场中获取能量,而加速运动,撞击其他原子或离子从而又激发第三级电子,如此下去产生连锁反应。
造成介质中存在有大量自由电子,形成“电子潮”或“电子崩”,使介质中瞬间通过的电流增大,使绝缘体成为导体。
这种现象也叫“雪崩”。
热击穿及其产生的原因:
因介质发热而导致烧裂、熔融的现象。
原因:
由于电导和极化损耗,使部分电能转换成热能而使介质本身的温度升高。
当外电场很高而且在单位时间内的发热量大于散热量时,介质中有热量的积蓄,使元器件的温度不断升高,最终使局部出现烧裂出现熔洞,导致破坏。
铁电体的概念:
指在一定的温度范围内具有自发极化,而且极化强度可因外电场反向而可逆转向的晶体,或者说存在电滞回线的晶体称之为铁电体。
自发极化:
晶体在无外电场作用下,当T<Tc即在某一临界温度以下,晶胞中自发产生正、负电荷中心不重合而存在偶极矩的现象。
电滞回线:
它是铁电体的自发极化强度P随外电场强度E的变化轨迹(说明极化强度滞后于电场强度的变化)。
电滞回线是铁电性的宏观反映,是铁电体的一个特征(它反映了铁电体中的电畴随外电场而转向的特征)。
电畴:
晶体中自发极化方向相同的小区域。
之所以有不同方向电畴的存在,是由于晶体中有不同的自发极化轴(极化方向),因而存在不同的电畴。
畴壁:
不同极化方向的相邻电畴的交界处称之畴壁。
压电效应:
当在某些各向异性的晶体材料上施加机
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