材料物理性能总结.docx
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第一章（小括号内为页码） 1.原子间的键合类型有几种？（1） 原子间的键合类型有：金属键、离子键、共价键、分子键和氢键。 2.什么是微观粒子的波粒二象性？（2） 光子这种微观粒子表现出双重性质——波动性和粒子性，这种现象叫做波粒二象性。“二象性”并不只限于光而具有普遍意义。 3.什么是色散关系？什么是声子？声子的性质？（20、25） （1）频率和波矢的关系叫色散关系。色散关系形成晶格的振动谱。【定义波数|K|=，K即为波矢量，简称波矢。（4）】 （2）声子就是晶格振动中的独立简谐振子的能量量子。 （3）声子具有粒子性和准粒子性。粒子性：弹性声波可以认为是声子流，声子携带声波的能量和动量。准粒子性：声子的动量不确定，波矢改变一个周期（倒格矢量）或倍数，代表同一振动状态，所以不是真正的动量；系统中声子的数目不守恒，一般用统计方法进行计算。 4.声子概念的意义（25） 可以将格波与物质的相互作用过程理解为，声子和物质（如，电子、光子、声子等）的碰撞过程，使问题大大简化，得出的结论也正确。 5.高聚物分子运动的特点（28） 高聚物的结构是多层次的，这导致其分子运动的多重性和复杂性。与小分子相比，高分子的运动具有一些不同的特点。 （1）运动单元的多重性 按照运动单元的大小，可以把高分子的运动单元大致分为大尺寸和小尺寸两类运动单元，前者指整链，后者指链段、链节和侧基等。 （2）分子运动的时间依赖性 在一定的温度和外场（力场、电场、磁场）作用下，聚合物从一种平衡状态通过分子运动转变为与外场相适应的另一种平衡状态的过程，称为松弛过程。分子运动完成这个过程总是需要时间的，不可能瞬间完成，所需要的时间即称为松弛时间。运动单元越大，运动中所受到的阻力越大，松弛时间越长。 （3）分子运动的温度依赖性 高分子的运动强烈依赖于温度，升高温度能加速高分子的运动。这一方面是由于增加了分子热运动的能量，另一方面是使高聚物体积膨胀，增加了分子间的自由体积。对任何一种松弛过程，其温度依赖性都服从阿伦尼乌斯方程，松弛时间可表示为： e 式中，R为气体常数；T为热力学温度；H为松弛过程所需活化能；为一常数。 6.影响玻璃化温度的因素（33----35） 从玻璃化转变的实质看，玻璃化温度是高分子链段运动刚被冻结（或激发）的温度，因此，凡是有利于链段运动的因素都有利于降低玻璃化温度，凡是不利于链段运动的因素都会引起玻璃化温度的升高。 （1）分子链结构的影响 链段运动是通过主链上单键的内旋转来实现的。因此从化学结构上看，决定高聚物玻璃化温度的主要因素有两个：主链本身的柔性和高分子间的作用力。高分子链的柔性越高，分子间作用力越小，高聚物的玻璃化温度越低。 高分子链的柔性跟以下因素有关：主链结构；侧基、侧链；离子型高聚物；交联。 （2）分子量的影响 分子量的增加使Tg升高，特别是当分子量较低时，这种影响更为明显。 （3）增塑剂的影响 增塑剂对Tg的影响是非常显著的。（增塑剂一般为小分子的低挥发性物质，在工业中有着重要的实际意义。增塑剂的加入不仅使聚氯乙烯有良好的成型加工性，也使制品可以满足不同的性能要求，可以使聚氯乙烯从坚硬塑料，变化为柔软的薄膜材料。） （增塑剂的加入使玻璃化温度降低的原因可以归结为两个：一是增塑剂上的极性官能团与聚氯乙烯上的氯原子产生相互作用，减少了聚氯乙烯分子间的相互作用，相当于把氯原子屏蔽起来，结果使物理交联点减少；二是增塑剂分子比聚氯乙烯小很多，它们的活动比较容易，可以方便的为链段运动提供所需的空间。） （4）外界条件的影响 升温速度和外力作用时间 一般说来，升温速度降低10℃/min，Tg降低3℃。 外力 外力能促进链段沿外力作用方向运动，使Tg降低。应力越大，Tg越低。 流体静压力 如果高聚物受到流体静压力，则其内部的自由体积将被压缩，玻璃化温度会升高。静压力越大，玻璃化温度越高。 7.影响高聚物流动温度的因素（39） 由于高聚物分子量的多分散性，一般高聚物都没有明确的流动温度，而只有一个较宽的软化温度范围。 影响流动温度的因素 （1）分子量 当分子量较低时，高聚物只有一种运动单元，其Tg与Tf重合。分子量超过某一限度后，高聚物出现高弹态，此时Tg与分子量基本无关，但Tf随分子量的增加而继续上升。 分子量越大，整链运动越困难，因而流动温度越高。 （2）分子间作用力 分子间作用力越大，分段位移越困难，流动温度越高。 （3）外力 增大外部应力能部分抵消分子链链段的无序热运动，从而促进分子链在力作用方向上的分段运动，因此流动温度随应力的增加而降低。延长外力作用时间，也有助于分子链的分段运动，使流动温度降低。 8.线型非晶高聚物的力学状态（29----30） 在一定的外场条件下，高聚物相应的分子运动状态称为高聚物的力学状态，也称为物理状态。 对线型非晶高聚物，其温度-形变曲线可以分为五个区域。 区域1，在较低的温度下，高聚物的形变很小，类似于坚硬的玻璃体，所以称为玻璃态。 区域2，随着温度的升高，链段的松弛过程表现得相当明显，高聚物的变形能力提高，是玻璃态向高弹态的转变区，也称为玻璃化转变区。 区域3，温度升高到一定值后，在此后的一个温度区间内，形变达到相对的稳定，此时高聚物成为柔软的固体，弹性形变值可达原长的5～10倍，外力除去后形变容易回复，这一力学状态称为高弹态。 区域4，进一步升高温度，高聚物开始产生不可回复的形变，开始向流体转变。这一力学状态是高弹态向黏流态的转变区。 区域5，此时温度很高，高聚物成为黏性液体，可以发生黏性流动，这一力学状态称为黏流态。 第二章 1.材料的热学性能包括热容、热膨胀、热传导、热稳定性、熔化和升华等。（41） 2.什么是热容？什么是杜隆-珀替定律和奈曼-柯普定律？（42） 热容是分子或原子热运动的能量随温度而变化的物理量，其定义是物体温度升高1K所需要增加的能量。 （元素的热容定律）杜隆-珀替定律：恒压下元素的原子热容为25J/(Kmol)； （化合物的热容定律）奈曼-柯普定律：化合物分子热容等于构成此化合物各元素原子热容之和。 3.试述线膨胀系数和体膨胀系数的关系（48） 线膨胀系数是温度升高1K时，物体的相对伸长，用表示；体膨胀系数是温度升高1K时物体体积相对增长值，用表示。 若物体是立方体，有如下近似关系：≈3 对于各向异性的晶体，各晶轴方向的线膨胀系数不同，假如分别为、、，则有： =++ 4.请分析热膨胀和其他性能的关系（49----50） （1）热膨胀和熔点的关系 当固态晶体温度升高至熔点时，原子热运动将突破原子间结合力，使原有的固态晶体结构被破坏，物体从固态变成液态，所以，固态晶体的膨胀有极限值。格律乃森给出了固体膨胀的极限方程为： Tm==C VT为熔点时的固态晶体体积；V0为0K时的固态晶体体积；Tm为熔点温度；C为常数。 线膨胀系数与熔点的关系有一个经验表达式：Tm=0.022 固态晶体的熔点愈高，其膨胀系数就愈低，这也间接反映了晶体原子间结合力大小的信息。 （2）热膨胀系数与热容的关系 热膨胀是固体材料受热以后晶格振动加剧而引起的容积膨胀，而晶格振动的激化就是热运动能量的增大，每升高单位温度时能量的增量也就是热容的定义。显然，热膨胀系数与热容密切相关。格律乃森根据晶格热振动理论导出了热膨胀系数与热容的关系为 =; = 式中，和分别为线膨胀系数和体膨胀系数；V为体积；cV为定容热容；r为格律乃森常数；K0为绝对零度时的体积弹性模量。对于一般材料，r值在1.5～2.5之间。 7.什么是热稳定性？无机材料受热损坏类型有几种？（60----62） 热稳定性是指材料承受温度的急剧变化而不致破坏的能力，所以又称为热抗震性。 从无机材料受热损坏的形式来看，可分成两种类型：一种是材料发生瞬时断裂，抵抗这类破坏的性能称为抗热冲击断裂性；另一种是在热冲击循环作用下，材料表面开裂、剥落，并不断发展，最终破裂或变质，抵抗这类破坏的性能称为抗热冲击损伤性。 8.高分子材料在受热过程中将发生的变化（61） 高分子材料在受热过程中将发生两类变化：一是物理变化，包括软化、熔融等；二是化学变化，包括交联、降解、环化、氧化、水解等。 9.简述高聚物的结构与耐热性的关系（61） 聚合物的结构对高分子材料的热稳定性有着重要影响，欲提高高聚物的耐热性，从高分子结构方面考虑，主要是加强分子链之间的相互作用力或强化高分子链本身，归结起来，主要有三个结构因素：增加高分子链的刚性、使高聚物结晶以及进行交联，这也即是所谓的马克三角定律。 （1）增加高分子链的刚性 要使分子链呈现刚性，可以采用使分子链带上庞大侧基的办法，如聚苯乙烯。 （2）提高高聚物的结晶能力 结晶是增加高分子链相互作用的有效方法。 （3）进行交联 交联高聚物由于分子链间化学键的存在阻碍了分子链的运动，从而提高了高聚物的耐热性。 10.高聚物的热分解与耐热性的关系（62） 在更高的温度下，高聚物可能发生两种相反的化学变化，即降解和交联。在许多高聚物中，降解和交联这两种反应在一定条件下几乎同时发生并达到平衡，这时在材料的宏观性能上观察不到什么变化。然而，如果其中某一反应占优势时，高聚物或因降解而破坏，或因交联过度而发硬、变脆。所以要提高聚合物的耐热性，还不能单纯的从提高玻璃化温度和熔点来考虑，还必须同时考虑高聚物在高温下的稳定性。 高聚物的热降解和交联与化学键的断裂和生成有关。因此，高分子中化学键的键能越大，材料就越稳定，耐热分解能力也就越强。通过对各种高聚物热分解的研究，发现高聚物的热稳定性与高分子链结构有紧密联系，在此基础上提出了一些提高聚合物热稳定性的措施。 在高分子链中避免弱键。主链中靠近叔碳原子和季碳原子的键容易断裂，如一些高聚物分解温度的顺序为：聚乙烯>支化聚乙烯>聚异丁烯>聚甲基丙烯酸甲酯。 在高分子主链中尽量避免一长串连接的亚甲基—CH2—，并尽量引入较大比例的环状结构。 合成“梯形”、“螺形”或“片状”高分子。所谓梯形和螺形分子结构是指高分子的主链不是一条单链，而是形成像“梯子”或“双股螺线”的结构。 11.什么是热应力？其计算公式怎样？（63） 由于材料热膨胀或收缩引起的内应力称为热应力。 计算公式： 12.非平面薄板状陶瓷限制骤冷时的最大温差表达式怎样？（64） ；为迁移率，S为形状因子（对薄板则有S=1） 13.材料所能经受的最大降温速率的计算公式（67） ； 定义第三热应力因子，则材料所能经受的最大降温速率可表示为 14.提高抗热冲击断裂性能的措施（69） 提高陶瓷材料抗热冲击断裂性能的措施，主要根据是抗热冲击断裂因子所涉及的各个性能参数对热稳定性的影响。 （1）提高材料强度，减少弹性模量E，使提高。 （2）提高材料的热导率，使提高。 （3）减少材料的热膨胀系数，小的材料，在同样的温差下，产生的热应力小。 （4）减少表面热传递系数h。 （5）减少产品的有效厚度。 15.热分析方法有几种？它们的定义？（70----71） 热分析方法有：普通热分析、差热分析（DTA）、示差扫描量热法（DSC）、热重分析（TG）和热膨胀分析等。 （1）普通热分析法是测量材料在加热或冷却过程中热效应所产生的温度和时间的关系的一种分析方法。 （2）差热分析是在程序控制温度下，将被测材料与参比物在相同条件下加热或冷却，测量试样与参比物之间温差（）随温度（T）时间（t）的变化关系。 （3）差示扫描量热法是在程序温度控制下用差动方法测量加热或冷却过程中，在试样和标样的温度差保持为零时，所要补充的热量与温度和时间的关系的分析技术，一般分为功率补偿差示扫描量热法和热流式差示扫描量热法。 （4）热重法就是在程序控制温度下测量材料的质量与温度关系的一种分析技术，把试样的质量作为时间或温度的函数记录分析，得到的曲线称为热重曲线。 16.简述热分析的应用（71----72） 差热分析、热重、差示扫描量热和热机械分析是热分析的四大支柱，用于研究物质的物理现象（结晶性质的变化、融化、升华、吸附等）和化学现象（脱水、分解、氧化、还原等），几乎在所有自然科学中得到应用。 （1）物质的鉴定 热分析谱图可作为物质的指纹图，这早已被地质学家、陶瓷学家和冶金学家所证实。其特点是多种混合物不经分离很快获得各个特征扫描图谱。 （2）进行热力学研究 用热分析方法可测定各种热力学函数，如各种潜热、比热容、生成热、反应热、爆燃热等。以及对各种合金，浓溶液相图的研究。 （3）动力学研究 研究物质在程序温度过程中的反应速度、反应活化能和反应级数等。 （4）结构与物理性能关系的研究 例如络合物稳定性与其结构关系、高分子的物理性能与一般结构和超分子结构的关系，生物大分子的结构与生物功能的关系等，都可以采用热分析方法进行研究。 第三章 1.什么是折射率？（76） 当光从真空进入较致密的材料时，光的传播速度会降低。介质对光的折射性质用材料的折射率n表示，光在真空中的传播速度与在致密材料中传播速度的比值就称为材料的绝对折射率，即 2.试述影响折射率的因素（77----78） （1）离子半径 物质分子由于产生极化作用引起折射，极化是有方向性的，所以材料的折射率n与材料的极化有关，一般情况下离子的极化率愈大，材料的折射率也愈大。 （2）材料的结构 折射率除与离子半径有关外，还和离子的排列密切相关。 （3）材料所受的应力 对各向同性的材料施加拉应力时，垂直于拉应力方向的n大，平行于拉应力方向的n小，单向压缩具有相反的效果，而且折射率的变化与施加的拉应力成比例，所以，不同方向折射率的差别可以用来作为测量应力的方法。 3.什么是透射系数？反射系数？色散？全反射？（79-----80、85） 若入射光的单位能量流为W时，、分别为单位时间内通过单位面积的反射光和折射光的能量流。有 反射系数R=；透射系数1—R。 材料的折射率随入射光的频率的减小（或波长的增加）而减小的性质，称为材料的色散。对于所考虑的任何入射光波长，材料的色散为 色散 光线由光密介质进入到光疏介质中，折射角恒大于入射角，所以可实现在小于90的前提下使90，这时的光线完全不能透出，这种现象称作全反射。 令=90，由折射率的定义得到全反射的临界条件为： 4.什么是散射定律与吸收定律？色散系数？（80----85） 吸收定律：，是物质的吸收系数，，是材料的特征量。该式也称为朗伯特定律，表明光强度随厚度的变化符合指数衰减规律。 散射定律：，s为散射系数，与散射（质点）的大小、数量以及散射质点与基体的相对折射率等因素有关。 色散系数：，、和分别是以钠的D谱线（5893）、氢的F谱线（4861）和C谱线（6563）为光源，测得的折射率。 5.提高无机材料透光性的措施（87----88） （1）提高原材料的纯度 为提高材料透光性，材料纯度应尽可能高。 （2）掺加外加剂 表面看起来，掺加主成份以外的其他成分，似乎会影响材料的透光率，但是，这里掺加外加剂的目的是降低材料的气孔率，特别是降低材料烧成时的闭孔。 （3）工艺措施 一般，采取热压法要比普通烧结法更便于排除气孔，因而是获得透明陶瓷较为有效的工艺，热等静压法效果更好。 6.请列出三种常用的乳浊剂（89----90） 乳浊剂是在熔制时形成的惰性产物，或者是在冷却或再加热时从熔体中结晶出来的。常用的乳浊剂有：TiO2、Sb2O5、ZnS、SnO2 7.着色剂有几种？试述着色机理（92） 着色剂有分子着色剂和胶态着色剂两种。着色的基本原理是着色剂对光的选择性吸收而引起选择性反射或选择性透射，从而显现颜色。在分子着色剂中，主要起作用的是本身可着色的简单离子，或是通过复合着色的复合离子。胶态着色剂最常见的有胶体金（红）、银（黄）、铜（红）以及硫硒化镉等几种。但金属与非金属胶体粒子有完全不同的表现，金属胶体粒子的吸收光谱或者说呈现的色调，取决于粒子的大小，而非金属胶体粒子则主要取决于它的化学组成，粒子尺寸的影响很小。 8.怎样提高着色剂的稳定度？（92） 通常为使高温色料（如釉下彩料等）的颜色稳定，一般都先将显色离子合成到人造矿物中去。最常见的是形成尖晶石形式AOB2O3，这里A是二价离子，B是三价离子。因此只要离子的尺寸合适，则二价、三价离子均可固溶进去。由于堆积紧密，结构稳定，所制成的色料稳定度高。此外，也有以钙钛矿型矿物为载体，把发色离子固溶进去而制成陶瓷高温色料的。 10.电光效应和磁光效应？声光效应？它们的应用？（101----102） （1）材料在电场作用下其光学特性发生变化的现象称为电光效应，其中材料的折射率与电场强度成直线关系变化的电光效应为波克尔效应，与电场强度平方成直线关系变化的电光效应为克尔效应。 由于折射率随电场而变，电光晶体可以应用在光学振荡器、频率倍增器、激光频振腔中的电压控制开关以及用在光学通信系统中的调制器。 （2）材料在磁场作用下其光学特性发生变化的现象称为磁光效应，其中材料的偏振光面发生偏转的称为磁光法拉第效应，偏振光面偏转角随磁场强度而变化的称为磁光克尔效应。 利用材料的磁光效应可制成许多磁光器件，如调制器、隔离器、旋转器、相移器、Q开关等快速控制激光参数的器件，也可用于激光雷达测距光通信激光放大等系统中的光路中。 （3）材料在声波作用下其光学特性发生变化的现象称为声光效应，超声波引起的声光效应尤为显著，这是因为超声波能够引起物质密度的周期性密疏变化，从而使在该物质中传输的光改变行进方向。 声光材料可以分为玻璃材料和晶体材料两大类。玻璃材料一般只适于声频低于100MHz的声光器件。单晶介质是最重要的声光材料，适宜制造声频高于100MHz的高效声光器件。 声光介质材料被广泛用于声光偏转器、声光调制器和声光可谐滤波器等各类声光器件。 第四章 1.怎样判断离子电导和电子电导？什么是霍尔效应？电解现象？（106----107） 载流子为离子或离子空穴的电导称为离子式电导，载流子为电子或电子空穴的电导称为电子式电导。电子电导和离子电导具有不同的物理效应，由此可以确定材料的导电性质。电子电导的特征是具有霍尔效应；离子电导的特征是存在电解效应。 沿试样x轴方向通入电流I（电流密度jx），z轴方向加一磁场Hz，那么在y轴方向将产生一电场Ey，这一现象称为霍尔效应。 离子的迁移率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。 2.载流子的迁移率的物理意义？电导率的一般表达式？（107----108） 定义载流子的迁移率为，其物理意义为载流子在单位电场中的迁移速度。 电导率的一般表达式：（n为微观载流子的浓度） 3.简述影响离子电导率的因素，对图4—5进行解释。（112） （1）温度 随着温度的升高，电导按指数规律增加。 （2）晶体结构 电导率随活化能按指数规律变化，而活化能反映离子的固定程度，它与晶体结构有关。 （3）晶格缺陷 具有离子电导的固体物质称为固体电解质。实际上只有离子晶体才能成为固体电解质，共价键晶体和分子晶体都不能成为固体电解质。离子晶体要具有离子电导的特性，必须具备以下两个条件：电子载流子的浓度小；离子晶格缺陷浓度大并参与电导。因此，离子性晶格缺陷的生成及其浓度大小是决定离子电导的关键。 4.导电高聚物有哪两类？（113） 一种是本征型高聚物导体；另一种为复合型高聚物导体，它是由电绝缘的普通高聚物与导电填料复合而成的体系。 5.超导体的三个重要性能指数及其定义。（115—116） （1）临界转变温度Tc ：材料有电阻的状态为正常态，失去电阻的状态为超导态，材料由正常状态转变为超导状态的温度称为临界温度，以Tc表示。 （2）临界磁场强度Hc ：在T
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