【完成】材料考试题目

1、 试述材料的能带结构与电学性能之间的关系。

能带理论认为： 晶体中原子结合时由于原子之间的相互作用使简并能级分裂为一系列能量不同的能级。晶体中电子能级的间隙很小能级分布是准连续的称为能带价电子是公有化的和量子化的金属中离子的势场是不均匀的是周期排列的。由于周期性起伏的势场影响金属中的能带发生分裂某些能态不能取值称为禁带。在每个能级中只能允许有两个自旋反向的电子存在。在外电场作用下电子没有余地。

对于金属，其价带部分被电子填充或导带重叠。在外电场

作用下

有这种能带结构的材料是导体。所有金属都是导体。

如果价带全部填充而上面的导带全部是空的价带与导带有带隙。在外电场作用下电子很难跳过禁带电子不能趋向一个方向运动即不能产生电流。有这种能带结构称为绝缘体。

半导体和绝缘体的区别在于禁带宽度不同。但在外界作用

下例如热

同时价带留下空穴这样价带的空穴和导带的电子在外电场作用下都可以参与导电具有这种能带结构的材料称为半导体。

这种导电称为本征导电如果掺杂实现导电称为杂质导电

2、 写出材料结构的7种晶系与14个空间点阵。

等轴晶系（立方晶系）：有三个等长且互相垂直的结晶轴，4个立方体对角线方向的三重轴；

六方晶系：晶体有四个结晶轴，唯一高次轴方向的六重轴或六重反轴；(hexagonal system)，有一个6次对称轴或者6次倒转轴，该轴是晶体的直立结晶轴C轴。另外三个水平结晶轴正端互成120度夹角。轴角α=β=90度，γ=120度，轴单位a=b≠c。

四方晶系：三个互相垂直的结晶轴，唯一高次轴方向的四重轴或四重反轴；

三方晶系：和六方晶系一样具有四个结晶轴，唯一高次轴方向的三重轴或三重反轴；

斜方晶系：(正交晶系)三个互相垂直但是互不相等的结晶轴，三个结晶轴分别相当于三个互相垂直的二次轴。

单斜晶系：三个互不相等的结晶轴

三斜晶系：三个互不相等且互相斜交的结晶轴。

14个空间点阵：简立方(cP)、体心立方(cI)、面心立方(cF)、简六方(hP)、简四方(tP)、体心四方(tI)、R心六方(hR)、简正交(oP)、C心正交(oC)、体心正交(oI)、面心正交(oF)、简单斜(mP)、C心单斜(mC)和简三斜(aP)

3、 什么是液晶及其物理性能？

液晶，是一种在一定温度范围内呈现既不同于固态、液态，又不同于气态的特殊物质态，它既具有各向异性的晶体所特有的双折射性，又具有液体的流动性。一般可分热致液晶和溶致液晶两类。因为其特殊的物理、化学、光学特性，20世纪中叶开始被广泛应用在轻薄型的显示技术上。液晶的组成物质是一种有机化合物，也就是以碳为中心所构成的化合物。 同时具有两种物质的液晶，是以分子间力量组合的，它们的特殊光学性质，又对电磁场敏感，极有实用价值。

物理性能：当通电时导通，排列变的有秩序，使光线容易通过；不通电时排列混乱，阻止光线通过。让液晶如闸门般地阻隔或让光线穿透。从技术上简单地说，液晶面板包含了两片相当精致的无钠玻璃素材，称为Substrates，中间夹着一层液晶。当光束通过这层液晶时，液晶本身会排排站立或扭转呈不规则状，因而阻隔或使光束顺利通过。大多数液晶都属于有机复合物，由长棒状的分子构成。在自然状态下，这些棒状分子的长轴大致平行。将液晶倒入一个经精良加工的开槽平面，液晶分子会顺着槽排列，所以假如那些槽非常平行，则各分子也是完全平行的。

4、 简述马氏体组织的形成及其对性能的影响.

形成：马氏体由奥氏体急速冷却（淬火）形成，这种情况下奥氏体中固溶的碳原子没有时间扩散出晶胞。当奥氏体到达马氏体转变温度（Ms）时，马氏体转变开始产生，母相奥氏体组织开始不稳定。在Ms以下某温度保持不变时，少部分的奥氏体组织迅速转变，但不会继续。只有当温度进一步降低，更多的奥氏体才转变为马氏体。最后，温度到达马氏体转变结束温度Mf，马氏体转变结束。马氏体还可以在压力作用下形成，这种方法通常用在硬化陶瓷上（氧化钇、氧化锆）和特殊的钢种（高强度、高延展性的钢）。因此，马氏体转变可以通过热量

和压力两种方法进行。

马氏体和奥氏体的不同在于，马氏体是体心正方结构，奥氏体是面心立方结构。奥氏体向马氏体转变仅需很少的能量，因为这种转变是无扩散位移型的，仅仅是迅速和微小的原子重排。马氏体的密度低于奥氏体，所以转变后体积会膨胀。相对于转变带来的体积改变，这种变化引起的切应力、拉应力更需要重视。

马氏体在Fe-C相图中没有出现，因为它不是一种平衡组织。平衡组织的形成需要很慢的冷却速度和足够时间的扩散，而马氏体是在非常快的冷却速度下形成的。由于化学反应（向平衡态转变）温度高时会加快，马氏体在加热情况下很容易分解。这个过程叫做回火。在某些合金中，加入合金元素会减少这种马氏体分解。比如，加入合金元素钨，形成碳化物强化机体。由于淬火过程难以控制，很多淬火工艺通过淬火后获得过量的马氏体，然后通过回火去减少马氏体含量，直到获得合适的组织，从而达到性能要求。马氏体太多将使钢变脆，马氏体太少会使钢变软。

性能：众所周知，马氏体是强化钢件的重要手段，而且一般认为，马氏体是一种硬而脆的组织，尤其是高碳片状马氏体。要想提高淬火钢的塑性和韧性，必须用提高回火温度的方法，牺牲部分强度而换取韧性，就是说强度和塑性很难兼得。但是近年来的研究工作表明，这种观点只是适用于片状马氏体，而板条状马氏体不是这样，板条状马氏体不但具有很高的强度而且具有良好的塑性和韧性，同时还具有低的脆性转变温度，其缺口敏感性和过载敏感性都较低。

5、 镁合金的组织特点及对性能的影响。

镁合金是以镁为基础加入其他元素组成的合金。其特点是：密度小，比强度高，弹性模量大，消震性好，承受冲击载荷能力比铝合金大，耐腐蚀性能好。主要合金元素有铝、锌、锰、铈、钍以及少量锆或镉等。目前使用最广的是镁铝合金，其次是镁锰合金和镁锌锆合金。

性能：镁合金比重在所有结构用合金中属于最轻者，因此，在不减少零部件的强度下，可减轻铝或铁的零部件的重量。镁合金的比强度明显高于铝合金和钢，比刚度与铝合金和钢相当。在弹性范围内，镁合金受到冲击载荷时，吸收的能量比铝合金

件大，所以镁合金具有良好的抗震减噪性能。在相同载荷下，减振性是铝的100倍，钛合金的300～500倍。电磁屏蔽性佳，3C产品的外壳（手机及电脑）要能够提供优越的抗电磁保护作用，而镁合金外壳能够完全吸收频率超过100db的电磁干扰。质感佳，镁合金的外观及触摸质感极佳，使产品更具豪华感，而且，在空气中更不容易腐蚀。镁合金的散热相对与合金来说有绝对的优势。

6、 试述铁磁体的磁化过程。

铁磁体在磁场作用下的磁化过程主要分为二种；畴壁位移和磁化向量转动过程；铁磁体受到磁场作用时，磁化向量靠近磁场方向的磁畴体积扩大；发生畴壁位移。此过程使大部分磁畴的磁化向量都较接近磁场方向，磁场再增大时，磁畴内的磁化向量开始转向磁场方向（转动过程）。直到磁体的磁化向量与磁场方向一致。此时称磁体达到饱和磁化。由于铁磁体有自发磁化强度，因此铁磁体的磁导率比顺磁物质的约要大10的六次方。

由于晶体铁磁体的原子排列是规则的，所以每一种晶体就有自己的晶体各向异性，即自发磁化向量沿不同方向时的能量不同，磁晶各向异性大的铁磁体，要更大的磁场才能使它的自发磁化向量转动。这样的铁磁体适合用作硬磁材料。相反，用作软磁材料。

7、 与传统合金相比，非晶合金在性能上有哪些优点？

和普通晶态金属与合金相比，非晶态金属与合金具有较高的强度、良好的磁学性能和抗腐蚀性能等，通常又称之为金属玻璃或玻璃态合金。可部分替代硅钢、玻莫合金和铁氧体等软磁材料，且综合性能高于这些材料。

高强韧性：明显高于传统的钢铁材料，可以作复合增强材料，如钓鱼杆等。国外已经把块状非晶合金应用于高尔夫球击球拍头和微型齿轮。非晶合金丝材可能用在结构零件中，起强化作用。另外，非晶合金具有优良的耐磨性，再加上它们的磁性，可以制造各种磁头。

优良的磁性：与传统的金属磁性材料相比，由于非晶

合金原子排列无序，没有晶体的各向异性，而且电阻率高，因此具有高的导磁率、低的损耗，是优良的软磁材料，代替硅钢、坡莫合金和铁氧体等作为变压器铁芯、互感器、传感器等，可以大大提高变压器效率、缩小体积、减轻重量、降低能耗。非晶合金的磁性能实际上是迄今为止非晶合金最主要的应用领域。和其它磁性材料相比，非晶合金具有很宽的化学成分范围，而且即使同一种材料，通过不同的后续处理能够很容易地获得所需要的磁性。所以非晶合金的磁性能是非常灵活的，选择余地很大，为电力电子元器件的选材提供了方便。

简单的制造工艺，节能、环保。以传统的薄钢板为例，从炼钢、浇铸、钢锭开坯、初轧、退火、热轧、退火、酸洗、精轧、剪切到薄板成品，需要若干工艺环节、数十道工序。由于环节多，工艺繁杂，传统的钢铁企业都是耗能大户和污染大户，有"水老虎"和"电老虎"之称。而非晶合金的制造是在炼钢之后直接喷带，只需一步就制造出了薄带成品，工艺大大简化，节约了大量宝贵的能源，同时无污染物排放，对环境保护非常有利。

8、 试述陶瓷材料的微观组织。

1陶瓷材料的相组成特点：晶相，玻璃相和气相。晶相是陶瓷材料中主要的组成相，决定陶瓷材料物理化学性质的主要是晶相；玻璃相的作用是填充晶粒间隙、粘结晶粒、提高材料致密度、降低烧结温度和抑制晶粒长大；气相是在工艺过程中形成并保留下来的。

晶相：晶相又可分为主晶相、次晶相、析出相和夹杂相，晶相对陶瓷材料的物理性能有直接影响。例如氧化铝陶瓷的性能与其主晶相刚玉(α-Al2O3)含量关系极大。

晶粒的尺寸也是影响陶瓷材料性能的重要因素，一般细晶粒可以阻止裂纹的扩展，进步材料的导热系数，使材料尽缘性能下降。

玻璃相：普通陶瓷的玻璃相的成分大都为二氧化硅(20~80%)和其他氧化物。其组织在反光显微镜明场照明方式观察时为暗玄色，量少时分布在晶粒交界处的三角地带，量多时连成网络结构。

气相：气相是陶瓷材料内部尥的气体形成的孔洞。普通陶瓷含

有5~10%的气孔，特种陶瓷则要求气孔率在5%以下。

2 陶瓷材料的主要成分是氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等，因而其结合键以离子键（如AL2O3）、共价键（如Si3N4）及两者的混合键为主

9、 对两类超导体进行区别描述。

第一类超导体（typeⅠsuperconductor）

GL参量`K<1//sqrt2`的超导体称第一类超导体，也称软超导体，它具有正的界面能（参见“GL参量K”和“界面能”）。对处于外磁场H中的这类大样品超导体，其所处的状态与退磁因子D（可由不同形状样品逆磁性质计算给出，D可取从0到1）有关。若退磁因子D=0，则在H＜Hc时样品处于排斥磁场到体外的迈斯纳态。H＞Hc则处于正常态。若D≠0，则在(1-D)Hc＜H＜Hc的范围，样品可处在有正常相和超导相两种相多个区域共存的中间态。H＞Hc时处在正常态，H＜(1-D)Hc时处在迈斯纳态。实际上在Hc＜H＜Hc3时，按样品形状和磁场方向的不同，样品可处在有表面超导相的态（见“表面超导电性”）。这里Hc3是第三临界磁场。对平行磁场中的长圆柱体和无限大平板D=0，此时就不存在中间态。对球体D=1/3，对横向磁场中的长圆柱体D=1/2，在垂直磁场中的无限大平板D=1，则它在0＜H＜Hc区间均处于中间态。这类超导体在零磁场下的正常-超导相变属二级相变，存在磁场下的相变属一级相变。

第二类超导体（typeⅡsuperconductor）

GL参量`K>1//sqrt2`的超导体称第二类超导体，它具有负的界面能。对大样品，磁场H对其状态的磁结构变化有特别的影响，可用第一临界磁场Hc1(T)（也称下临界磁场），第二临界磁场Hc2(T)（也称上临界磁场）和第三临界磁场Hc3(T)（也称表面成核磁场）来划分，它们都是与温度T有关。（1）H＜Hc1时，磁通被排出体外，样品处于完全迈斯纳效应的超导相（态）；（2）Hc1＜H＜Hc2时，磁通分区穿透样品，形成正常-超导两相混合相（态），磁通穿透区以一个磁通量子涡旋线为单元区，故也称涡旋态（相）；（3）Hc2H＜Hc3时，对样品形状和磁场方向有关条件下还可具有表面超导电性，形成表面超导相（态）；（4）H＞Hc2时，对无表面超导相的样品进入完全正常态，对有表

面超导电性的样品则在H＞Hc3时进入完全正常态。

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