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山东轻工业学院09/10学年第2学期《材料性能》期末考试 (A 卷) 评分标准
一、解释下列专业术语(10分)
1、是指一种外力除去后不能恢复的形变。
2、离子的本征电导是指晶体点阵基本离子的运动。
3、极化强度 单位体积中电偶极矩的矢量和。
4、介质损耗 电介质在电场作用下,单位时间内消耗的电能。
5、色散 材料折射率随入射光的频率减小而减小的性质。
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 =75 MPa·m1/2。设几何形状因子Y=1.5,最大裂纹尺寸2C=2 mm。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、.在硅单晶中渗入十万分之一的砷原子,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。有何应用?(15分)
五价的砷与硅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。4.气敏元件
五、计算石英玻璃和Al2O3 陶瓷能够承受的临界淬冷温差(假定Biot 模数β→∞)。讨论临界淬冷温差△Tc的意义及△Tc出现差异的主要原因。(本题满分15分)
根据热应力大于等于材料强度时,材料发生热震破坏原则,由于假定Biot 模数β→∞,可以由σC=E α ΔTC计算出两种材料的临界淬冷温度差。临界淬冷温差表示在此温差下,材料中产生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。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。
可以进一步拓展讨论导热系数的作用。
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. 正确 9. 正确 10.正确。
七、分析比较金属材料与石英玻璃、石英陶瓷的透光性。(10分)
金属材料不透光,石英玻璃的透光性大于石英陶瓷的透光性。
由于金属材料对光的吸收系数达到几万甚至几十万,实际上金属材料是不透明的;无机材料的吸收系数仅为很小的数量级10-2。吸收系数的差异可以用禁带宽度的大小来讨论。同一种材料的透光性取决于材料对光的散射及表面反射。
石英陶瓷和玻璃属于同一材质,可以认为吸收系数相等,因此两者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,由此造成的反射损失比晶体小,透光性最好;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,其透光性比玻璃差。
要点:1.金属材料没有禁带,无机材料禁带宽度大,是造成吸收系数产生巨大差异的原因;1.透光顺序;2.讨论折射率对反射的影响;3.散射的影响
八、概念、原理清楚,有创新设计或者提出的主要改进措施合理,了解该性能的一种应用。(15分)
山东轻工业学院10/11学年第2学期《材料性能》期末考试 (B卷 ) 评分标准
一、解释下列专业术语
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