无机材料物理性能知识总结

第一章 物理基础知识与理论

物理性能本质：外界因素（作用物理量）作用于某一物体，如：外力、温度梯度、外加电场磁场、光照等，引起原子、分子或离子及电子的微观运动，在宏观上表现为感应物理量，感应物理量与作用物理量呈一定的关系，其中有一与材料本质有关的常数——材料的性能。

晶体结构：原子规则排列，主要体现是原子排列具有周期性，或者称长程有序。 非晶体结构：不具有长程有序。

点阵：晶体内部结构概括为是由一些相同点子在空间有规则作周期性无限分布，这些点子的总体称为点阵。

晶体由（基元）沿空间三个不同方向，各按一定的距离（周期性）地平移而构成，（基元）每一平移距离称为周期。

晶格的共同特点是具有周期性，可以用（原胞）和（基失）来描述。

分别求立方晶胞、面心晶胞和体心晶胞的原胞基失和原胞体积？

（1）立方晶胞：

（2）面心晶胞

（3）体心晶胞

晶体格子（简称晶格）：晶体中原子排列的具体形式。

晶列的特点：

（1）一族平行晶列把所有点 包括无遗。

（2）在一平面中，同族的相邻晶列之间的距离相等。

（3）通过一格点可以有无限 多个晶列，其中每一晶列都有一族平行的晶列与之对应。

（4 ）有无限多族平行晶列。

晶面的特点：

（1）通过任一格点，可以作全同的晶面与一晶面平行，构成一族平行晶面.

（2）所有的格点都在一族平行的晶面上而无遗漏；

（3）一族晶面平行且等距，各晶面上格点分布情况相同；

（4）晶格中有无限多族的平行晶面。

格波：晶体中的原子在平衡位置附近的微振动具有波的形式。

色散关系：晶格振动谱，即频率和波矢的关系。

声子：晶格振动的能量是量子化的，晶格振动的量子单元称作声子，声子具有能量ħ ，与光子的区别是不具有真正的动量，这是由格波的特性决定的。

声学波与光学波的区别：前者是相邻原子的振动方向相同，波长很长时，格波为晶胞中心在振动，可以看作连续介质的弹性波；后者是相邻原子的振动方向相反，波长很长时，晶胞中心不动，晶胞中的原子作相对振动。

德布罗意假设:一切微观粒子都具有波粒二象性。

第二章 无机材料的受力形变

简述正应力与剪切应力的定义? 正应力是作用于单位面积上的力。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2.5 mm、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。

解：根据题意可得下表

拉伸前后圆杆相关参数表

==995(MPa ) -6A 4. 524⨯10A 0l 12. 52真应变εT =ln =ln =ln =0. 0816l 0A 2. 42

F 4500名义应力σ===917(MPa ) A 04. 909⨯10-6

∆l A 0名义应变ε==-1=0. 0851l 0A 真应力σT =

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

3.5×109 N/m2，能伸长多少厘米?

解：

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）； ∆l =ε⋅l 0=σE ⋅l 0=F ⋅l 01000⨯40==0. 0114(cm ) -49A 0⋅E 1⨯10⨯10⨯3. 5⨯10

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 ？

σth =E γ(60~75) *109*1. 75==25. 62~28. 64GPa -10a 1. 6*10

2、融熔石英玻璃的性能参数为：E=73 Gpa；γ=1.56 J/m2；理论强度σth=28 Gpa。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=2μm c=1*10-6m

σc =2E γ2*73*109*1. 56==0. 269GPa πc 3. 14*1*10-6

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，K IC =45MPa· m1/2

乙钢 σys =1.56GPa，K IC =75MPa· m1/2

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K IC =Yσc C -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.m 2。讨论讲结果。已知此情况下零件的几何形状因子为1.98。 解：K I =Y σc

σ=K I

1. c =0. 818c -1/2

(1) c=2mm, σc =0. 818/2*10-3=18. 25MPa

(2) c=0.049mm, σc =0. 818/0. 049*10-3=116. 58MPa

(3) c=2μm, σc =0. 818/2*10-6=577. 04MPa

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C V 与T 3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。（自己总结）

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？ ①λ单晶 λ多晶 λ玻璃

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。 σf (1-μ) 第一冲击断裂抵抗因子：R = αE

7*9. 8*106*0. 75 = -664. 6*10*6700*9. 8*10

=170℃ λσf (1-μ) 第二冲击断裂抵抗因子：R '= αE

=170*0.021=3.57 J/(cm.s)

4-2、一根1m 长的Al2O3 炉管从室温 (25o C) 加热到1000o C 时，假使在此过程中，材料的热膨胀系数为8.8⨯10-6 mm/(mm•o C) ，计算管的膨胀量是多少？

解：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 I 0 ，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？

h 为普朗克常数=6.63⨯10-34J ⋅s ,

c 为光速=3⨯108m /s

一个电子伏特为1. 602⨯10-19J ∆l =αl 0∆T =(8. 8⨯10-6mm /(mm ∙o C )) ⨯(1m ) ⨯(1000-25) o C =8. 58mm

hc 6.624⨯10-34⨯3⨯108

-7λ===1.29⨯10m -19E g 9.6⨯1.602⨯10

λ=0.129μm

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 。

入射光为I 0,

⎛n -1⎫陶瓷左侧表面的反射光损失为L 1=mI 0= 21⎪I 0⎝n 21+1⎭

透进材料中的光强度为I 0(1-m )

光穿过厚度为x 的陶瓷后，

消耗了吸收损失I 0e -αx 和散射损失I 0e -Sx

光到达材料右侧表面时，光强度剩下I 0(1-m )e -(α+S )x 。

再经表面，一部分反射进材料中：I 0m (1-m )e -(α+S )x

22 另一部分传至右侧空间，光强为：I =I 0(1-m )e -(α+S )x

8、光通过一块厚度为1mm 的透明Al 2O 3板后强度降低了15%，试计算其吸收和散射系数的总和。

解:

I =I 0e -(α+s ) x

∴I =e -(α+s ) x ∴0. 85=e -(α+s ) ⨯0. 1 I 0

∴α+s =-10ln 0. 85=1. 625cm -1

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。 解：n 21=sin i sin r

2W ' ⎛n 21-1⎫⎪= =m ⎪W = W’ + W’’ W ⎝n 21+1⎭

W " W ' ∴=1-=1-m 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 、TiO 2和ZrSiO 4三种氧化物可供选择，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？为什W " ' W " ' 2=1-m ∴=(1-m ) W " W

么？

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Na 2O-SiO 2玻璃中，采取什么办法降低其电导率？答：（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。

解：铜的价数为1，因此价电子数等于材料中的铜原子数。铜的点阵常数为

3.615×10-8cm 。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=1.6×10-19 cm

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：

n =N exp(-E g /2kT )

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), TiO 2 (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

σ=ne μ

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（cm 2.V -1.s -1）当电子（e ）和空穴（h ）同时为载流子时，

σ=n e e μe +n h e μh

假定Si 的迁移率μe =1450（cm 2.V -1.s -1），μh =500（cm 2.V -1.s -1），且不随温度变化。求Si 在室温（25℃）和500℃时的电导率？

解：（1） Si

20℃ n =1023exp(-1. 1/(2*8. 6*10-5*298)

=1023*e-21.83=3.32*1013cm -3

500℃ n =1023exp(-1. 1/(2*8. 6*10-5*773)

=1023*e-8=2.55*1019 cm-3

TiO 2

20℃ n =1023exp(-3. 0/(2*8. 6*10-5*298)

=1.4*10-3 cm-3

500℃ n =1023exp(-3. 0/(2*8. 6*10-5*773)

=1.6*1013 cm-3

(2) 20℃ σ=n e e μe +n h e μh

=3.32*1013*1.6*10-19(1450+500)

=1.03*10-2（Ω-1.cm -1）

500℃ σ=n e e μe +n h e μh

=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3900cm 2/V . s 和1900cm 2/V . s . 求本征锗的载流子浓度？

解： σi =∴n i =1ρi =n i q (μn +μp ) 1=1133=2. 29⨯10/cm 47⨯1. 6⨯10-19⨯(3900+1900) ρi q (μn +μp )

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

解： n d =(1电子/Sb 原子)(10-8S b 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？

答：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械应力时，在晶体的两端表面上会出现数量相等、符号相反的束缚电荷；作用力反向时，表面荷电性质亦反号，而且在一定范围内电荷密度与作用力成正比。

陶瓷材料的损耗主要来源于哪些方面？如何降低陶瓷材料的介质损耗？

陶瓷材料的损耗主要来源于电导损耗、松弛质点的极化损耗及结构损耗。降低材料的损耗应从降低材料的电导损耗和极化损耗着手：选择结构紧密的晶体作为主晶相；在改善主晶相性能时，最好形成连续固熔体；尽量减少玻璃相；防止产生多晶转变；控制好最终烧成温度，防止过烧与生烧。

第八章 无机材料的磁性能

磁化现象：在磁场中，由于受到磁场作用而呈现一定磁性的现象。

电子绕原子核运动，产生电子轨道磁矩；电子本身自旋，产生电子自旋磁矩；以上两种微观磁矩是物质具有磁性的根源。

磁性的分类：抗磁性（或逆磁体）、顺磁性、铁磁性、反铁磁性。

磁畴：物质内部自发磁化方向相同的小区域。

磁滞回线：将一未经磁化的或退磁状态的铁磁体，放入外磁场H 中，其磁体内部的磁感应强度B 随外磁场H 的变化是非线性的。如果外磁场H 为0时，铁磁体会有剩余磁感应强度Br (剩磁) 。为了消除剩磁，需加反向磁场-Hc 。Hc 称为矫顽磁场强度，亦称“矫顽力”。加反向磁场-Hc 后，磁体内磁感应强度B=0。磁滞回线表示铁磁材料的一个基本特征。

1、在陶瓷材料中，滞弹性弛豫最主要的根源是（ B ）。

A ．结晶相 B ．玻璃相 C ．气孔

2、可作为玻璃乳浊剂应具有的条件之—是其折射率与玻璃的折射率（ A ）。

A ．差值大 B ．相等 C ．差值小

3、要使乳浊剂的散射效应强，其散射粒子的直径大小与入射光波长的关系是（ C ）。

A ．d>>λ B. d

4、在下列极化形式中，不产生能量消耗的是（ A ）。

A ．电子位移极化 B ．离子松弛极化 C ．空间电荷极化 D. 自发极化

5、同种材料当晶粒大小为下列三种情况时，其中抗断裂强度大的是（ C ），抗蠕变能力大的是（ A ）。

A. 晶粒尺寸约为1mm B. 晶粒尺寸约为100μm C. 晶粒尺寸约为1μm

6、在较高的温度下，晶体的导热系数随温度的升高而下降的主要原因是（ B ）。

A. 声子的运动速度降低 B. 声子的平均自由程减少 C. 热容的贡献减小

9、少量ZrO2微粉加入Al2O3中可提高Al2O3瓷的韧性，其原因是（ B ）。

A ．增加了Al 2O 3瓷的密度 B ．在Al 2O 3瓷中形成了微裂纹 C ．形成了固溶体

9、玻璃的电导可采用压抑效应来降低，即可在玻璃中引进（ A ）。

A. MgO+BaO B. Na2O+MgO C. Na2O+K2O