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1、2009 年试题 1.一外受张应力载荷力 500MPa 的无机材料薄板(长 15cm，宽 10cm，厚，其中心部位有一裂纹(C=20m)。该材料的弹性模量为 300GPa，(1Pa=1N/m2)断裂能为 15J/m2(1J=1Nm)。a)计算该裂纹尖端应力强度因子 KI(Y=)b)判断该材料是否安全 ,可知，即材料的裂纹尖端应力强度应子超过了材料的临界断裂应子，则材料不安全。2.测定陶瓷材料的断裂韧性常用的方法有几种并说明它们的优缺点。答：方法 优点 缺点 单边切口梁法(SENB)简单、快捷 测试精度受切口宽度的影响，且过分要求窄的切口；切口容易钝化而变宽，比较适合粗晶陶瓷，而对细晶体陶瓷测试
2、值会偏大。Vickers 压痕弯曲梁法(SEPB)测试精度高，结果较准确，即比较接近真实值 预制裂纹的成功率低；控制裂纹的深度尺寸较困难。直接压痕法(IM)无需特别制样；可利用很小的样品；测定 HV的同时获得KIC，简单易行。试样表面要求高，无划痕和缺陷；由于压痕周围应力应变场较复杂，没有获得断裂力学的精确解；随材料性质不同会产生较大误差；四角裂纹长度由于压痕周围残余应力的作用会发生变化；产生压痕裂纹后若放置不同时间，裂纹长度也会发生变化，影响测试精度。3.写出断裂强度和断裂韧性的定义，二者的区别和联系。答：断裂强度 r 断裂韧性 KIC 定义 材料单位截面承受应力而不发生断裂的能力 材料抵抗
3、裂纹失稳扩展或断裂能力 联系 都表征材料抵抗外力作用的能力；都受到 E、的影响，提高 E、既可提高断裂强度，也可提高断裂韧性；在一定的裂纹尺寸下，提高 KIC也会提高 r，即增韧的同时也会增强。区别 除了与材料本身的性质有关外，还与裂纹尺寸、形状、分布及缺陷等有关 是材料的固有属性，是材料的结构和显微结构的函数，与外力、裂纹尺寸等无关 4.写出无机材料的增韧原理。答：增韧原理：一是在裂纹扩展过程中使之产生有其他能量消耗机构，从而使外加负载的一部分或大部分能量消耗掉，而不致集中于裂纹扩展上；二是在陶瓷体中设置能阻碍裂纹扩展的物质场合，使裂纹不能再进一步扩展。根据断裂力学，抗弯强度，断裂韧性，可以
4、看出要提高陶瓷材料强度，必须提高断裂表面能和弹性模量以及减小裂纹尺寸；要提高断裂韧性，必须提高断裂表面能和弹性模量。5.试比较以下材料的热导率，并按大小顺序排列，说明理由。氮化硅(Si3N4)陶瓷、氧化镁(MgO)陶瓷、镁橄榄石(2MgOSiO2)、纯银(Ag)、镍铬合金(NiCr)。答：热导率大小顺序：纯银镍铬合金氮化硅氧化镁镁橄榄石 理由：1)一般金属的热导率比非金属的热导率高，这是由于金属中存在大量的自由电子，电子质量轻，平均自由程很大，故可以快速的实现热传导；而非金属主要是通过声子来进行热传导的，声子的平均自由程要比自由电子的小很多，自由电子的热传导速率是声子的 20 倍，故纯银和镍铬
5、合金的热导率高。2)单质的热导率要比混合物质的热导率高，故纯银大于镍铬合金。3)固溶体的热导率要比纯物质的小，故镁橄榄石的热导率小于氮化硅和氧化镁。4)共价键强的晶体热导率高，故氮化硅的热导率强于氧化镁。6.对于组成范围为 0-50%K2O，100-50%SiO2 的玻璃，推断其膨胀系数的变化，试通过玻璃的结构来解释所得的结果。答：石英玻璃是硅氧四面体为结构单元的三维空间网络所组成，Si-O键的键强较大，所以石英玻璃具有很小热膨胀系数，如果在熔融石英玻璃中加入K2O，桥氧变成非桥氧，随着K2O的增多，硅氧网络断裂增多，使玻璃结构减弱，疏松，热膨胀系数增大；且随着K2O量的增多，硅氧键被破坏的越
6、来越多，键强越弱，膨胀系数越大。(碱金属和碱土金属的加入破坏玻璃网络，玻璃硅氧键断裂，键强下降，玻璃膨胀系数增大，而且膨胀系数随加入正离子与氧之间键力的减小（键长的增大）而增大。而再加入参与网络构造的B2O3，Al2O3等，可以使断裂的网络重新连接起来，增强网络结构，膨胀系数会下降；但加入太多这类物质，又会使网络断裂，反而增大膨胀系数。若加入高键力离子，如Zn，Zr，Th等，处于网络间隙，增加网络紧密性，促使玻璃膨胀系数下降。)7.为什么选择 Al2O3 为透明陶瓷的原料试举出除 Al2O3 外的透明陶瓷材料还有什么为什么说透明陶瓷的透光率是材料中残留气孔率的敏感指标。答：1)选择 Al2O3
7、 为透明陶瓷的原料的原因：首先 Al2O3 的 n0=，ne=使其反射系数 m 很小；其次散射系数是影响陶瓷材料透光率的因数，n0与 ne的差别很小，使散射因数 K 接近于 0，散射系数 S 也接近于 0，故散射损失很小；三是 Al2O3透明陶瓷还具有宽范围的透光性，所以常常选择 Al2O3 作为透明陶瓷的原料。2)其他透明陶瓷原料：MgO,Y2O3,ZrO2,AlON,MgAl2O4,透明铁电体 PLZT。3)气孔的影响：气孔的折射率 n1 可视为 1，与基体材料的折射率 n2 相差较大，所以相对折射率 n21=n2 也较大，由此引起的反射损失，散射损失，较杂质、不等向晶粒排列等因数引起的损
8、失大，气孔由于双折射率的关系，其影响程度远大于杂质。8.纯 Al2O3 陶瓷材料只能耐受 100-200的热冲击，请提出材料设计方案提高致密 Al2O3 陶瓷的热稳定性，并从理论上说明设计是可行的。答：提高致密 Al2O3 陶瓷的热稳定性的措施：1)提高材料强度，减小弹性模量 E，使 /E 提高。提高材料的柔韧性，能吸收较多的弹性应变能而不致开裂，因而提高了热稳定性。2)提高材料的热导率，使 R提高。大的材料传递热量快，使材料内外温差较大的得到缓解、平衡，因而降低了短时间热应力的聚集,故热稳定性更好。3)减小材料的热膨胀系数。热膨胀系数小的材料，在同样的温差下，产生的热应力小，因而提高了材料的
9、热稳定性。4)减小表面热传递系数 h。材料表面向外散热快，材料内外的温差变大，热应力也大，故减小散射速度，可以减小内外温差，减小热应力，提高热稳定性；保持缓慢地散热降温是提高产品质量及成品率的重要措施。5)减小产品的有效厚度。材料或制品的厚度越薄，其传热通道就短，容易很快使温度均匀。9.从导热机理上讨论：A）玻璃热导率通常比同组成的晶体低；B）金属比大多数无机非金属材料热导率高；C）杂质的存在使晶体材料的热导率降低。答：A)玻璃可以当作只有几个晶格间距大小的极细晶粒组成的晶体处理，它的声子的平均自由程在不同温度下基本上是常数，其值近似等于几个晶格间距，比晶体的声子平均自由程要小，所以玻璃热导率
10、比同组成的晶体低。B)由于金属中存在大量的自由电子，电子质量轻，平均自由程很大，故可以快速的实现热传导；而非金属主要是通过晶格振动(声子)来进行热传导的，声子的平均自由程要比自由电子的小很多，自由电子的热传导速率是声子的 20 倍。C)杂质的存在使声子产生散射，从而降低了声子的平均自由程，使晶体材料的热导率降低。2011 年试题 1.在 Al2O3 中添加 30vol%SiC 片晶，用机械方法混合，烧结体中片晶尺寸大约是 Al2O3 晶体平均尺寸的 5 倍，片晶分布不均匀，复合材料的断裂韧性提高50%，抗弯强度却下降 20%，分析原因。答：SiC 片晶是高弹性模量材料，加入到 Al2O3 中，
11、作为高弹性模量值的第二相与 Al2O3 组成复合相材料，提高了复合材料的弹性模量，由于断裂韧性与 E 成正比知，也提高了其断裂韧性；但又由于抗弯强度 与裂纹尺寸 C 有关，且成反比，虽然弹性模量 E 提高了许多，但裂纹尺寸 C 是原来的几倍，故反而使得抗弯强度下降。2.KIC 一定，跟 c 的关系 答：同上。3.无机材料常常出现低应力下的脆性断裂，为什么以陶瓷或混泥土为例说明材料中微细裂纹昌盛的原因，并且举出你熟悉的避免裂纹产生或减小裂纹尺寸的工艺措施。答：脆性断裂的原因:由于无机材料中总是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产生应力集中现象。当应力达到一定程度时，裂纹开
12、始扩展而导致脆性断裂，因此常会出现即使在小的应力下也会发生脆性断裂。无机材料微裂纹昌盛的原因：以陶瓷为例，由于陶瓷材料一般都是多晶多相体，并且含有微量的气孔、大量的晶界，甚至还有一些杂质，当受到外力作用时，在这些缺陷处就会引起应力集中而导致裂纹成核，从而形成微裂纹。而材料受热不均匀、晶粒异常长大及各种缺陷等都会产生内应力，故易形成微裂纹。减小裂纹尺寸的措施：（1）减少和避免工艺缺陷；（2）减少和避免表面损伤；（3）晶粒细化；（4）排除气孔，实现全致密；（5）避免晶粒异常长大（6）选择适当的组成，避免因热膨胀系数相差过大或发生不需要的相变而产生危险裂纹。4.无机材料的增韧机理。答：同上。5.试说
13、明氧化铝为什么可以制成透光性很好的陶瓷，而金红石瓷则不能。由此我们可以总结出，影响陶瓷材料透光性的主要因素是什么 答：氧化铝透光性好的原因：Al2O3 晶体的相对折射率，所以散射因子 K，因而散射系数 S，则散射损失很小，故可制成透光性很好的陶瓷；而金红石晶体由于相对折射率 n21较大，则 K 较大，S 较大，散射损失较大，故金红石制成的陶瓷不透光。影响陶瓷材料透光性的主要因素有：（1）多相性。对于多相结构陶瓷，不同相的光学折射率不同，且晶界上容易产生散射，因此材料的相成分越多，其透光性就越差。例如在 Al2O3透明陶瓷中，MgO 含量高于%时会生成镁铝尖晶石第二相，从而导致透光率显著降低；（
14、2）各向异性。多晶陶瓷材料中各晶粒的取向是任意的，而折射率的改变取决于晶体结晶轴方向。因此，对于高对称性的材料，它在整个波普范围内可能具有较高的透光性；（3）晶粒大小。当入射光波长和晶粒直径接近时，会产生最大的光吸收。因此，要提高陶瓷的透光率，材料的晶粒大小应该在透光波长范围的极限之外；（4）气孔率和杂质。气孔特别是闭口气孔会对光线产生散射或强烈的反射，而杂质会形成与基体不一致的第二相，成为散射中心，降低了陶瓷的透明度；（5）表面光洁度。材料表面越光洁，光散射等损失就越少，材料的透光性就越高。（补充）要使陶瓷材料具有很好的透光性，应消除造成光散射的各种因素，即应具备如下性质:(l)致密度高(理
15、论密度的%以上)；(2)晶界上不存在空隙，如有，其尺寸应比波长小；(3)晶界上没有杂质及玻璃相，或晶界的光学性质与微晶体之间差别很小；(4)晶粒小而且均匀，气孔率低；(5)晶体对入射光的选择吸收很小；(6)无光学各向异性，晶体结构最好是立方晶系；(7)表面光洁度高。6.元素周期表上班部分和下板部分，热学几个参数的变化 7.NiO 与 MgO 混合形成的固溶体。（固溶体的热导率、复相陶瓷的热导率）答：固溶体的热导率小于纯物质。影响热导率的因数：1.微观结构影响：1)原子键的影响 根据晶格振动理论，及固体热传导的物理本质，晶格振动简谐性强的热导率大。原子量小，密度小，弹性模量大，德拜温度高，热导率
16、大。单质的热导率比化合物大组成化合物的原子种类越少，热导率越大组成化合物的原子间原子量的差别越小，热导率越大 2)晶体结构影响 结构影响格波的非简谐性，决定声子的平均自由程，从而极大地影响材料的热导率。同是晶体，结构简单的热导率大于结构复杂的；同质异构体，高温型晶体热导率大于低温型；各相异性晶体，不同方向热导率不同。质点堆积紧密，键强大的方向，格波振动更近似与简谐振动，声子散射小。3）结构缺陷影响 杂质和缺陷都增加声子的散热，降低声子平均自由程，从而降低热导率。Eg.固溶体的热导率小于纯物质。杂质越多，杂质散射的平均自由程减少越多，与温度无关。温度越低，杂质对热导率的降低作用越明显。4）非晶体
17、热导率 晶体与非晶体相比，非晶体的“晶粒”更小，平均自由程始终处于低限，非晶体的热导率在各个温度下都比晶体低。2.显微结构影响：多晶材料热导率 多晶体与单晶体比较，晶体完整性下降，通常平均自由程小，故单晶体热导率大于多晶体；复相材料的热导率:复相材料是由几个相(包括气孔的气相)复合而成的。这类材料的导热系数不仅与组成的导热系数有关，而且与每个相的相对含量及它的分布状态、排列取向有关 3.温度的影响 l 随温度变化，因为l受声子的数目影响，声子数越多，越易发生声子散射，l 越小。除ZrO2外的大多数无机晶体热导率在室温以上与温度呈反比（声子热导随温度的变化规律）；非晶体材料，在室温以上，热导率随
18、温度增大近似正比增大。（光子热导作用）8.单多晶氧化铝 2008 年试题 1.在 Al2O3 中添加 30vol%SiC 片晶，用机械方法混合，烧结体中片晶尺寸大约是Al2O3 晶体平均尺寸的 5 倍，片晶分布不均匀，复合材料的断裂韧性提高 50%，抗弯强度却下降 20%，分析原因。答：同上。2.无机材料常常出现低应力下的脆性断裂，为什么以陶瓷或混泥土为例说明材料中微细裂纹昌盛的原因，并且举出你熟悉的避免裂纹产生或减少裂纹尺寸飞工艺措施。答：同上。3.测定陶瓷材料的断裂韧性常用的方法有几种并说明它们的优缺点。答：同上。4.写出断裂强度和断裂韧性的定义，二者的区别和联系。答：同上。5.请写出玻璃陶瓷等无机非金属材料的膨胀系数的大致范围，调整材料