南京工业大学无机材料物理性能

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1、1. 热容的本质是什么？定压热容与定容热容的区别与联系。1）物体在温度升高1K时所吸收的热量称作该物体的热容。2）物体的热容还与它的热过程性质有关，假如加热过程是恒压条件下进 行的，所测定的热容称为恒压热容（Cp）；加热过程是在保持物体容积不 变的条件下进行的，则所测定的热容称为恒容热容（Cv）。3）根据热力学第二定律，定压加热时，材料要对外界作功，所以一般有 Cp Cv，它们间的关系为：4）对于物质的凝聚态，Cp、Cv相差很小，但高温时有较大的差别。3. 影响热容的因素有哪些？1、温度对热容的影响：在德拜温度以上，热容为常数或随温度只有微小 的变化，Cv变化很小，接近常数3R。在低温条件下，

2、Cv - T3。在高 温与低温之间，情况比较复杂，德拜温度可以看作是两者间的转折点。2、键强度，弹性模量和熔点的影响：德拜温度取决于材料的键强度，弹 性模量和熔点。通常为熔点的0. 20. 5倍。3、无机材料的热容对材料的结构不敏感，相变时，由于热量不连续变化， 热容出现突变4. 试用原子势能曲线的不对称性解释热膨胀是晶格振动非简谐效应所引起1、晶格振动中相邻质点间的作用力，实际上是非线性的，即作用力并 不简单地与位移成正比。2、质点在平衡位置两侧时受力的情况并不对称，在质点平衡位置r0的 两侧，合力曲线的斜率是不等的，3、当rr0时，斜率较小，所以rr0时，引力随位移的增大要慢些，在这样 的

3、受力情况下，质点振动时的平均位置就不在r0处而要向右移，因此 相邻质点间平均距离增加，温度越高，振幅越大，质点在r0两侧受力 不对称情况越显著，平衡位置向右移动得越多，相邻质点间平均距离 也就增加得越多，以致晶胞参数增大，晶体膨胀。4、从位能曲线的非对称性同样可以得到较具体的解释，温度愈高，平 均位置移得愈远，晶体就愈膨胀。6. 声子产生热阻的本质是什么？格波在晶体中传播时遇到的散射，即声子同晶体中质点的碰撞；理想 晶体中热阻的来源，主要是声子同声子的碰撞引起的。声子间的碰撞 引起的散射是晶格中热阻的主要来源。弓起散射的其它原因还有：缺 陷、杂质、晶粒界面等。7. 影响热导率的因素有哪些？1、

4、温度的影响：低温：主要是声子传导。自由程则有随温度的升高而迅 速降低的特点，低温时，上限为晶粒的距离，在高温时，下限为晶格的间 距。高温下热辐射显著，光子传导占优势；在低温时，热导率入与T3成 比例。高温时，入则迅速降低。2、晶体结构（显微结构）的影响 结晶构造的影响：声子传导与晶格振 动的非谐和有关。晶体结构越复杂，晶格振动的非谐和越大，自由行程则 趋于变小，从而声子的散射大，入低。各向异性晶体的热导率：也呈各 向异性，膨胀系数低的方向热导率最大。温度升高，不同方向的入的差 异减小，与热膨胀类似。多晶体与单晶体的热导率：同一种物质，多晶 体的热导率总比单晶体小，但在低温下，多晶热导率与单晶的

5、平均热导率 一致。温度升高，差异迅速变大。这是因为：多晶体中晶粒尺寸小、晶界 多，缺陷多，晶界处杂质也多，声子容易散射，故平均自由行程小，从而 入小。温度增高，这种阻碍作用更为明显。3化学组成的影响质点的原子量愈小，密度愈小，杨氏模量愈大，德拜 温度愈高，入则升高。缺陷和杂质会导致声子散射，降低声子的自由行 程；固溶体的形成也是如此。取代元素的质量大小与基质元素相差愈大， 取代后结合力改变愈大，对入影响也愈大。4、多相材料：如气孔的影响：在不改变结构状态的情况下，气孔率的增 大，总是使导热系数降低，多孔/泡沫硅酸盐/纤维制品/粉末和空心球 状轻质陶瓷制品的保温原理，最好是均匀/分散的封闭气孔。

6、8. 影响热膨胀的因素有哪些？影响因素有：化学键型：化学键的键强越大，膨胀系数越小。与结合能 和熔点：结合力强，势能曲线深而狭窄，升高同样的温度，质点振幅增加 的较少，热膨胀系数小。温度和热容：温度T越低，tg。越小，则a越小； 反之，温度T愈高，a愈大。结构：结构紧密的固体，膨胀系数大；固体 结构疏松，内部空隙较多，当温度升高，原子振幅加大，原子间距离增加 时，部分的被结构内部空隙所容纳，宏观膨胀就小。9. 证明固体材料的热膨胀系数不因内含均匀分散的气孔而改变1、对于内含均匀分散气孔的固体材料，可视为固相与气相组成的复合材 料，其热膨胀系数为：2、由于空气组分的质量分数Wi0,所以气孔对热膨

7、胀系数没有贡献。 11比较同一组成的单晶、多晶、非晶态物质的热导率。1、无机材料的热导主要为低温下的声子传导和高温下的光子传导。影响 热传导性质的声子散射主要机构有：声子间的碰撞过程；点缺陷的散 射；晶界散射；位错的散射。2、对于晶体，在低温下，仅考虑声子间的碰撞，碰撞的几率正比于 exp（-D/2T），而声子平均自由程正比exp（D/2T），即温度越高，平均 自由程越小，同时热容又与温度的三次方呈正比，因此晶体的热导率 于温度在低温时有一峰值，随着温度的升高，平均自由程小到原子的 大小数量级，不能再小，而热容在高温为一常数，因此高温晶体的热 导率不随温度发生变化。但随着温度升高，光子传热不可

8、忽略，而光 子的热导率与温度的三次方呈正比，因此热导率随温度提高而增大。3、对于同组成的多晶体，由于晶粒尺寸小、晶界多、缺陷多、晶界处杂 质多，对声子散射大，因此多晶体与单晶体相比，同一种物质多晶体 的热导率总比单晶小。4、对于非晶态相，可以把其看作直径为几个晶格间距的极细晶粒组成的 多晶体。因此其平均自由程很小，而且几乎不随温度发生变化，因此 热导率仅随热容发生变化。5、非晶体的声子导热系数在所有温度下都比晶体小；两者在高温下比较 接近；两者曲线的重大区别在于晶体有一峰值。由于非晶体材料特有 的无序结构，声子平均自由程都被限制在几个晶胞间距的量级，因而 组分对其影响小。12. 固体材料声子热

9、导机理及其对晶体结构影响热导的解释1、当把格波的传播看成是质点-声子的运动以后，就可把格波与物质的 相互作用，理解为声子和物质的碰撞，把格波在晶体中传播时遇到的 散射，看作是声子同晶体中质点的碰撞，把理想晶体中热阻的来源， 看成是声子同声子的碰撞。晶体热传导是声子碰撞的结果。2、声子传导与晶格振动的非谐性有关，晶体结构愈复杂，晶格振动的非 谐性程度愈大，格波受到的散射愈大，因此声子平均自由程较小，热 导率较低。14. 简述影响抗热震损伤性的因素材料中微裂纹的扩展、蔓延的程度，积存的弹性应变能、裂纹扩展的 断裂表面能等是影响材料的抗热损伤性的主要因素。材料内部积存的 弹性应变能越小，材料的扩展就

10、小；裂纹扩展的断裂表面能越大，裂 纹的蔓延程度越小。强度高的材料原有裂纹在热应力的作用下容易扩 展蔓延，对热稳定性不利。15. 如何表示陶瓷材料的抗热震性，影响其抗热震性的因素是什么？1、陶瓷材料的抗热震性主要指陶瓷材料承受一定程度的温度急剧变化而 结构不致被破坏的性能。2、抗热震性能的表述和测试方法主要有以下三种：材料升至不同的温度 后，淬冷（风冷或水冷），测得试样表面产生开裂的最大温差。材料 升至预定温度后，淬冷，完成规定次数后，试样残余抗弯强度与常温 热震前抗弯强度的比值，测得强度保持率。材料升至预定温度后，淬 冷，反复测试直至材料产生宏观裂纹的次数。3、影响抗热震性的主要因素有材料特性

11、和陶瓷结构。材料特性，如材料 的热膨胀系数、导热系数、弹性模量、材料固有强度、断裂韧性等。 一般地讲，热膨胀系数越小，材料因温度变化而引起的体积变化小， 相应产生的温度应力小，抗热震性越好；热导率大，材料内部的温差 越小，由温差引起的应力差越小，抗热震性越好；材料固有强度越高， 承受热应力而不致破坏的强度越大，抗热震性好；弹性模量越大，材 料产生弹性变形而缓解和释放热应力的能力越强，抗热震性越好。陶瓷结构，如材料的内部组织结构和几何形状等。一般地讲，材料组 织相对疏松，有一定气孔率，有适当的微裂纹存在，都可以提高断裂 能，使材料在热冲击下不致被破坏。另外，形状相对简单、外形相对 均匀的构件抗热

12、震性能要好于形状复杂、结构不均匀的构件。2、提高无机材料强度改进材料韧性的途径有哪些？为什么？ 材料强度的本质是内部质点间的结合力。控制强度的主要参数有三个， 弹性模量E、断裂表面能 和裂纹尺寸c。E是非结构敏感的。单相材料的微观结构对 的影响不大。因此，唯一可以 控制的是材料中的微裂纹。1微晶、高密度和高纯度2人为地在表面预加一层压应力3化学强化即离子 交换通过改变表面化学组成，使表面的摩尔体积比内部大。4相变增韧 一些成分发生相变时在基体中引起微裂纹，吸收主裂纹扩展的能量。5 弥散增韧在基体中加入（或原位生成）具有一定颗粒尺寸的微细粉料，达 到增韧的效果，称为弥散增韧。金属粉末利用其塑性变

13、形来吸收弹性应 变能的释放，增加了断裂表面能，陶瓷粉末存在于基体的晶界中，以高 弹性模量和高温强度增加复合材料的断裂表面能。1. 试述光与固体材料的作用机理在固体材料中出现的光学现象是电磁辐射与固体材料中的原子、离子 或电子之间相互作用的结果。一般存在两种作用机理：一是电子极化, 即在可见光范围内，电场分量与传播过程中遇到的每一个原子都发生 相互作用，引起电子极化，即造成电子云和原子核的电荷中心发生相 互位移，所以当光通过介质时，一部分能量被吸收同时光速减小，后 者导致折射。二是电子能态转变：即电磁波的吸收和发射包含电子从 一种能态向另一种能态转变的过程。材料的原子吸收了光子的能量之 后可将较

14、低能级的电子激发到较高能级上去，电子发生的能级变化与 电磁波频率有关。3. 材料显示颜色的原因是什么？讨论当材料的禁带宽度分别小于1.8eV、在1. 8-3.1eV间，以及大于3.1eV时其吸收特性如何？颜色与透明性如何Eg3.1eV的无机材 料，是无色透明的，因为所有可见光都不被吸收，电子不能被光子激 发到价带，故此类材料不吸收可见光，是透明和无色的。4. 简述光的全反射现象当光从光密介质（如玻璃）入射到光疏介质（如空气）时，即i1n2， 贝折射角大于入射角，因此，入射角达到某一角度时，折射角等于90， 此时有一条很弱的折射光线沿界面传播。如果折射角大于90，就不 再有折射光线，入射光的能量

15、全部回到光密介质中，这种现象叫做光 的全反射。典型应用：光纤5. 什么叫散射？什么是瑞利散射？当光束通过不均匀的透明介质时，则从各个方向都可以看到光，这是 介质中的不均匀性使光线朝四面八方散射的结果，这种现象称为光的 散射。当a0X时，。=4即当散射中心的线度远小于入射光的波长时，散射 强度与波长的4次方成反比，通常我们把线度小于光的波长的微粒对 入射光的散射，称为瑞利散射。瑞利散射不改变原入射光的频率。6. 拉曼散射与布里渊区散射的异同拉曼散射与布里渊区散射均为非弹性散射，即在散射前后，光的波长 和能量发生变化。拉曼散射是分子或点阵振动的光学声子（光学模） 对光波的散射，在谱图上距离瑞利线较远；布里渊散射是分子或点阵 振动的声学声子（声学模）对光波的散射，是点阵振动引起的密度起 伏或超声波对广播的非弹性散射。由于其能量低于光学声子，频移较 小,在谱图上紧靠在瑞利线旁，只能用高分辨率的双单色仪等光谱仪 才能分辨出来。10. 提高无机材料透光性的措施，影响材料透光性的主要因素是什么？主要因素：1、吸收系数可见光范围内吸收系数低2、反射系数材料对 周围环境的相对折射率大，