《材料物理科學》課程復習題1簡述材料的分類和新材料的特點、要求和開展方向。工程上分：金屬材料，無機非金屬材料，有機高分子材料及復合材料按狀態分：單晶，多晶，非晶，準晶和液晶按化學角度分：無機材料與有機材料按應用分：信息材料，能源材料，生物材料，建筑材料，航空航天材料等按用途分：結構材料和功能材料商品化程度分：傳統材料和先進材料新材料的特點要求：結構和性能相結合,智能化,減少污染,可再生性,節省能源,長壽命新材料開展方向〔講義4-5頁〕納米材料,先進多相復合材料,高溫超導材料,智能材料,生物醫學材料2簡述材料的成分結構和性能的關系。(不全)材料的性質取決于材料的結構。材料的結構，是指材料的組元及其排列和運動方式。它包括形貌，化學成分，相組成，晶體結構和缺陷等內涵3簡述計算機模擬在材料物理學科中的作用。計算機模擬是一種根據實際體系設計，在計算機上進行的模型實驗。通常將模擬結果與實際體系的實驗數據進行比擬。可以檢驗出模型的準確性，也可以檢驗由模型導出的解析理論所作的近似是否成功。此外，在模型上獲得的微觀信息，常常比在實際體系上所作的實驗更為詳細。往往是在通常實驗條件下很難獲得的信息。此外，計算機模擬對于理論的開展也有重要的意義，它能為現實模型和實驗中無法實現的探索模型作詳細的預測，并提供方法。如材料在極端壓力或高溫下經歷相變的四維體系等計算機模擬由于有計算機圖形學的幫助，不但能使模擬易于觀察和易于理解，而且可進一步與計算機技術中剛開創的虛擬現實的新領域相結合。在虛擬現實中，計算機模擬的不結果不僅可用計算機圖形學表達，而且也能用五官來感受。用計算機輔助設計和模擬的專家系統進行材料設計，可以擺脫實驗先行的研究方法，用較少的實驗，較短的研制過程，就能獲得較為理想的材料。材料科學走計算機輔助設計和計算機模擬之路，從理論和實際兩個方面向人們提供了材料研究由必然到自由的可能。4簡述材料物理中各種鍵合的特點。鍵類型相應晶體的特點離子鍵具有明顯的空間取向性。形成的晶體高的熔點、強度和硬度，而熱膨脹系數較低．原子間結合力很強。離子晶體是絕緣體。但在熔化狀態，可借助于離子遷移導電共價鍵具有飽和性和明顯的空間取向。高熔點、硬度和強度。形成晶體是絕緣體，而且在液態也不能導電。金屬鍵沒有飽和性和方向性。具有導電性、導熱性和可塑性。范德華鍵沒有方向性和飽和性，晶體結構主要取決于幾何因素，因而趨于密堆結構。這種晶體也是絕緣體5魏德曼--弗朗茲定律說明了什么？K／σ＝3(k／e)2T式中k是玻爾茲曼常數,e是電子電荷，T是溫度；解釋了金屬的高電導(σ)和熱導(K)特性；也解釋了金屬的光學特性。這個理論的缺乏之處是從電子的總能量過高地估計了電子的比熱。電導和熱導的兩種輸運過程,如果T變化,會引起兩種輸運的變化6簡述電子化合物的特點？如果考慮K空間的電子狀態(稱做電子結構),那么可以從晶體結構的穩定性考察傳導性能等金屬各種性質。在最簡單的情形下，合金的電子結構特征用每個原子的平均價電了數(n)的函數表示。尤其是Cu和Cu合金中，由n產生穩定的晶體結構有規那么地變化，即n=1的純銅是面心立方相，而Cu—Zn合金中，Zn的濃度增加，當n到達1。38時，保持面心立方結構(α-黃銅)，n超過1。38那么成為體心立方〔β〕相，即β—黃銅，當n在1。58~1。66之間，那么成為稍微復雜結構的γ—黃銅，n在1。78~1。87之間晶體取密排六方結構，不僅Zn元素如此，參加其他合金元素，這個經驗規律也成立，稱為休模—饒塞里規律。把服從這一規律的合金稱做電子化合物。7請羅列出材料中缺陷類型和特征。晶體缺陷大致分為兩類：化學缺陷和點陣缺陷(1)化學缺餡：置換型固溶洽原子，間隙型固溶原子，析出物(2)點陣缺陷：A點缺陷：原子空位，間隙原子B位錯：刃型位錯，螺型位錯，混合位錯C面缺陷：層錯，相界，晶界D體缺陷：空腔，氣泡點缺陷的特征：點缺陷是晶體在熱平衡狀態下存在的唯一點陣缺陷。能量越小點缺陷存在的越多。位錯的特征：位借是晶體中存在的唯一線缺陷，對晶體塑性變形起重要作用。位錯周圍產生長程應變場，應變能非常大，在晶體內部位錯位置移動，晶體的外形才變化。8就你的理解，給出相變的定義。一定條件下〔溫度，電，磁力等外場〕由一種凝聚態向另外一種凝聚態轉變的過程9簡述相變的分類。按熱力學分類分為一級相變,二級相變。按相變方式分為成核長大型和連續型相變。按質點遷移特征分為擴散型和非擴散型。非擴散相變中具有代表性的是馬氏體相變，它是原子相互之間不改變其位置關系，而是由協調運動發生的相變。相反，擴散相變是原子被熱激活離開原來的陣點位置，向鄰接的位置移動，即把擴散過程作媒介發生的相變。共析反響，磁鐵分解等各種析出反響(相別離過程)和有序無序轉變都是這種相變的例子。其它的轉變如同素異構轉變，許多情況下可以是擴散轉變。10表達一級相變與二級相變在物理圖象特征及差異。一次相變自由能一階導數不連續，有潛熱放出，體積變化，為非連續相變，新相產生明顯。二次相變自由能一階導數連續，二階導數不連續，比熱容，可壓縮性，熱膨脹系數等發生變化，為動態變化趨勢，一種趨勢掩蓋另一種趨勢。11有序-無序轉變與相別離說明了什么？不同原子無規那么地占有晶格，兩種原子或離子相互間呈隨機分布，沒有一定秩序，稱為無序;占據方式有規那么的，各種原子或離子都有使其周圍為異種原子或離子排列的趨勢，稱為有序。溫度變化引起有序相轉變到無序相(或者與之相反)的相變現象，稱為有序無序轉變。而相別離是由單一相分為兩個或以上相的現象。在公式Tc=-ZV／2k中,如果V>0,說明會出現相別離傾向,即同類原子作用時更穩定,出現同類相吸,異類相斥現象,而當V<0,會出現有序化傾向,即異類作用時更穩定,出現異類相吸,同類相斥現象。12簡述平均場的實質。所謂平均場理論,就是把所有其他粒子對一個粒子所有作用力看作是由一個平均場所產生的,即把粒子看作在其他粒子形成的平均場運動。平均場理論本質上是熱力學唯象理論。13什么是非平衡過程，材料制備過程中有哪些獲得非平衡組織的方法？一種材料發生相變，或者結構變化，需要改變它的溫度或者施加應力，外力。如果相變或結構變化在熱力學上從一種穩定狀態向另一種穩定狀態遷移時保持熱平衡，那么為平衡過程，否那么稱為非平衡過程。利用液體急冷法，氣相急冷法(真空蒸發沉積，化學蒸發沉積，濺射法)，機械合金化等方法，可以制備各非晶狀態等非平衡相，亞穩平衡相。14說明晶體、非晶體、液晶和準晶的特點。晶體:有規那么的外形,短,長程有序,各向異性,有固定的熔點。非晶體:各向同性,沒有規那么的外形和固定的熔點,長程無序,短程有序。液晶:有流動性,具有晶體的某些各向異性,往往具有一維或二維取向有長程有序。準晶:有旋轉對稱無平移對稱,難以塑性變形,硬而脆。15說明組織與結構的差異以及怎樣通過控制它們來改善材料的性能。組織是在顯微鏡下看到的對象,而結構是指晶體原子組態的微觀對象,跟原子排列組態有關,主要是通過淬火,回火,退火,時效等熱處理方法來改善材料的性質。16簡述回復與再結晶的區別，二次再結晶有何特點。將加工后的材料加熱，由于位錯等晶體缺陷的消失和重新排列產生穩定化，稱之為回復。從消除缺陷意義上說，再結晶也是一種回復，但再結晶是晶界移動引起晶體缺陷被急劇吸收的過程。回復是位錯緩慢減少的連續過程，與此相對應的，再結晶是由于晶界移動，回復還沒充分進行之前，位錯被一舉消除的不連續過程。再結晶具有和加工組織不同的晶粒位向，而在回復過程中的加工組織里生成幾乎沒有缺陷的新晶粒。二次再結晶晶粒組織大，容易觀察。二次再結晶是—種一次再結晶后的晶粒長大，它的驅動力是再結晶組織中存在的晶界能。和晶粒正常長大不同，二次再結晶指周圍少數較大晶粒選擇性地急劇增大。17簡述影響材料變形能力的關鍵因素。滑移系的多少：滑移系多的材料變形能力好，反之變形能力不好。派爾斯勢的大小：如h/b越小，派爾斯勢就越大，所以就難滑移，材料很難變形。應力應變場雜質原子析出相18什么是硬球模型?對于非晶體，表征其特征的微觀分析手段是什么？全稱為無序密堆積硬球模型，把原子看作是具有一定直徑的不可壓縮的剛球，“無序”，在這種堆積中不存在晶格那樣的長程有序，“密堆”那么是指這樣一種排列中不存在足以容納一個硬球那樣大的空隙。可用X射線、電子或中子衍射等方法，來測定材料的徑向分布函數(RDF)或原子對相關函數(PCF)。19簡述第一類和第二類超導體的特點和差異。圖中I的情形稱為第1類超導體，像II那種具有下臨界磁場強度Hc1和上臨界磁場強度Hc2兩個臨界磁場的情形稱做第II類超導體。對于第一類超導體,當磁場增強到一定程度，超導將被破壞，變成正常傳導狀態，即在臨界磁場以上邁斯納效應消失，抗磁性完全消失，在臨界磁場Hc時抗磁性急劇消失變成正常傳導。而對于第二類超導體,Hc1時試樣中磁通開始進入渦旋線狀態，超導狀態開始局部地破壞，因此反磁性開始減少，但仍處于電阻為零的超導狀態。磁場進一步增大變成Hc2，那么整個試樣完全變成正常傳導狀態，試樣的電阻變成有限值,Hc1和Hc2之間的磁場是試樣內部正常傳導和超導兩種狀態混合存在，稱為混合狀態。對于第一類超導體,臨界磁場Hc的值隨溫度升高而減少;對于第二類超導體,電流流過引起渦流運動并發生能量損失使超導性破壞。20簡述抗磁性、順磁性、鐵磁性、反鐵磁性、亞鐵磁性、螺旋鐵磁性的特點。以磁化率χ為磁體分類的基準，Χ>0的物質被磁場吸引，Χ<0的物質被磁場排斥。鋁之類的物質，Χ>0稱為順磁性，銅之類的物質Χ<0，稱為反磁性或者抗磁性。所有原子自旋同向排列的狀態稱為鐵磁性，與此相反，原子自旋相互反向排列的狀態稱為反鐵磁性。反鐵磁體中不發生自發磁化，而且反向原子自旋的大小不同時，稱為亞鐵磁性。除此之外，有的物質，原子自旋之間有兩個以上磁的相互作用，呈現相互傾斜成一定角度的自旋排列，稱為螺旋磁性。對反鐵磁體和亞鐵磁體施加一個強磁場，那么有的物質顛倒反向自旋，變成鐵磁體，這種現象稱為變磁性。21說明結構有序與磁有序〔或電激化有序〕的區別。結構有序是指原子的占據方式是有規那么的,晶體點陣為有序點陣。磁有序是指磁矩排列的有序，而不是通常意義上的原子排列有序或者無序22簡述軟磁材料與硬磁材料在磁性參量方面的要求和這兩類材料的用途。軟磁材料:在軟磁材料中因磁場小，磁化必須急劇升高，起始磁導率必須大。分為弱電用變壓器、磁頭所要求的高磁導率材料和電力用變壓器電源變壓器，電磁鐵磁極所要求的高磁通密度材料。后者在施加大磁場狀態下進行變電，因此要求剩余磁通密度大，矯頑力小。磁滯回線的面積表示變壓器每個周期的能量損失(稱為鐵損)。為使鐵損減少，矯頑力必須小。剩磁和矯頑力都很小。用途:硅鋼片,低碳物,制作電機,變壓器,電磁鐵等電器的鐵心。硬磁:Hc具有大值、高矯頑力,除去外場后仍然保持高的的剩余磁化強度。用途:常用來制造各種永磁體,揚聲器的磁鋼和電子電路中的記憶元件,硬盤。23什么是局域磁性？什么是巡游磁性？鐵磁性材料根本上都有假設干未滿的d殼層電子，而且由于d殼層電子比擬局域化，所以每個原子的磁性就比擬強，所以相鄰原子容易互相感覺到其他原子的磁性，從而取得相同取向形成介觀到宏觀磁疇〔在居里溫度以下〕；在外場下，這些磁疇排列有序，顯示出宏觀強磁性，鐵，鈷，鎳等均屬此類。這就是局域磁性。而其他一些金屬，比方鋁，銅，堿金屬之類，由于沒有局域未成對電子，這些電子巡游在整個晶體里。巡游電子的既具有抗磁性，又具有順磁性。計算說明，巡游電子的順磁性是抗磁性的3倍，所以凈效應為順磁性。像鋁，銅，鈉這樣的金屬，是可以被磁鐵吸引的，只是常溫下很弱不容易覺察，但在低溫下這個效應會大大加強。這就是巡游磁性。24簡述磁疇存在的原因，軟硬磁材料對磁疇和疇界有何要求？〔不明〕磁疇存在的原因：為了使外部不產生N，S磁極，即降低由于自發磁化所產生的靜磁能。軟磁要求疇界容易移動。硬磁要求疇界很難移動。25。比擬fcc,bcc何hcp三種晶體結構的磁各向異性。畫一個磁滯回線〔包括磁化曲線〕，并標出有關磁性參數。對晶體結構為bcc的α-Fe來說，在(100)方向上施加一個磁場時最容易被磁化，與此相反，在(111)方向上最難被磁化。晶體結構為fcc的鎳那么和α-Fe相反。它們分別稱為易磁化方向和難磁化方向,室溫下為hcp的鈷，c軸是易磁化方向，c面內是難磁化方向。26簡述因瓦合金熱膨脹系數為零或極小的物理實質。熱膨脹引起的晶格延伸和磁性消失引起的晶格收縮到達平衡。27簡述吸附的原因和分類。吸附的根本原因是界面處晶體結構有嚴重畸變或有殘留的未配對鍵。吸附使這種畸變減小或使鍵飽和降低系統的自由能。吸附分為物理吸附和化學吸附兩類。發生物理吸附時，襯底外表與被吸附原子之間主要是范德華色散力的作用，它是一種電矩間的相互作用，此時不發生原子間的電荷轉移。化學吸附又分為離子吸附和共價吸附。發生離子吸附時，吸附的原子或分子會捕獲或釋放出載流子或空穴。共價吸附是外表與吸附物之間產生局部鍵合，電子被局部定域在襯底外表。共價吸附時，沒有自由載流子轉移，不形成空間電荷區。28簡述薄膜材料的形成過程，什么是分子束外延？什么是超晶格？薄膜形成過程：一般分為凝結過程，島形成與結合生長過程。大多數薄膜都是以島狀形式形成和長大，即在基體外表上吸附原子凝結后，在外表上擴散遷移形成晶核，晶核再結合其它吸附原子逐漸長大形成小島，島再結合其他氣相原子便形成薄膜，因此薄膜形成是由形核開始的。形核首先經歷吸附與凝結過程，原子相互碰撞結合成原子對或小原子團并凝結在基體外表上；這種原子團和其他吸附原子碰撞結合或釋放出一個單原子，這個過程反復進行，使原子團中的原子數超過某一臨界值，成為臨界核，臨界核繼續與其他原子碰撞結合，只向長大方向開展形成穩定的原子團，稱為穩定核；穩定核再捕獲其他吸附原子，或者入射原子束中的氣相原子直接碰撞在穩定核上被粘附，使穩定核進一步長大成為小島。通過上述討論可知，薄膜形成經歷了吸附，凝結，臨界核形成與長大，穩定核形成長大，最后成為小島的物理過程。實際上形核長大只是薄膜形成的開始，薄膜形成的過程是指形成穩定核之后的過程；同樣，薄膜生長模式是指薄膜形成的宏觀方式。在穩定膜形成之后，島狀薄膜的形成過程，分為島狀、聯并、溝道和連續膜四個階段。島狀階段是指在核長大變成小島的過程中，平行基體表而方向的長大速度明顯大于垂直方向的長大速度，說明基體外表上吸附原子的擴散遷移碰撞結合是主要的。聯并階段是指島在不斷長大過程中，島間距離逐漸縮小，最后相鄰小島相互聯接合并成一個大島。溝道階段是在島聯并后，新島繼續長大，當島的分布到達臨界值時，小島相互聚結形成網狀結構。網狀結構中不規那么地分布著5—20nm寬的溝渠。連續膜階段是在溝渠和孔洞消失之后，入射的氣相原子直接吸附在薄膜上，通過聯并作用形成不同結構的薄膜。分子束外延：是一種在晶體基片上生長高質量的晶體薄膜的新技術。在超高真空條件下，由裝有各種所需組分的爐子加熱而產生的蒸氣，經小孔準直后形成的分子束或原子束，直接噴射到適當溫度的單晶基片上，同時控制分子束對襯底掃描，就可使分子或原子按晶體排列一層層地“長”在基片上形成薄膜。該技術的優點是：使用的襯底溫度低，膜層生長速率慢，束流強度易于精確控制，膜層組分和摻雜濃度可隨源的變化而迅速調整。用這種技術已能制備薄到幾十個原子層的單晶薄膜，以及交替生長不同組分、不同摻雜的薄膜而形成的超薄層量子阱微結構材料。超晶格：由兩種或以上不同、厚度d極小的薄層材料交替生長在一起而得到的一種多周期結構材料。薄層厚度d遠大于材料的晶格常數a，但接近或小于電子的自由程。29簡述熱蒸鍍〔真空蒸發〕膜與離子濺射膜的區別和優缺點。粒子具有的動能不同：蒸鍍膜所沉積的粒子有較低的動能，而濺射出來的粒子有很高的動能，比蒸發高1～2個數量級。粒子飛向基體外表的分布規律不同：對于小面積蒸發源，氣相原子飛向基體外表時按余弦定律分布。對于陰極濺射，靶是多晶材料且入射氬離子較大時符合余弦分布規律，但對單晶靶材，那么產生擇優濺射效應，不同晶面的濺射強度不同。粒子電性不同：蒸發出來的氣相原子幾乎都是不帶電的中性粒子，但濺射出來的粒子，除中性原子或原子團外，還可能有正離子、負離子、二次電子和光子等多種粒子。真空度不同：蒸發鍍時，真空度較高，氣體分子平均自由程大于蒸發源到基體間的距離，氣相原子在飛向基體的過程中，氣相原子間或與剩余氣體分子間碰撞時機很少，它們根本上保持原有的能量，能量分布及直線飛行軌跡。陰極濺射時真空度較低，氣體分子平均自由程小于靶材和基體之間的距離，濺射原子飛行過程中，相互間碰撞，原子及其他剩余氣體分子相互碰撞，改變了濺射原子方向，到達基體外表的粒子可來自基體正前方整個半球面空間的所有方向，因此較容易制備厚度均勻的薄膜。粘合力不同：蒸發鍍所形成的膜容易從基體剝落，而陰極濺射所形成的膜由于形成了過渡層，能很好的跟基體結合，不易剝落。優缺點：蒸鍍膜：薄膜成分與蒸發合金組分有偏離，薄膜含雜質少，基體和薄膜溫度變化不大。濺射膜：薄膜成分與靶材一致，含較多雜質，基體和薄膜溫度變化很大。30試舉例說明擴散、隨機行走和自回避隨機行走現象。擴散是一種遷移的過程,有定向遷移和隨機遷移兩種。隨機遷移也是隨機行走的一種。隨機行走是一種無定向遷移,如布朗運動。自回避隨機行走是一種有記憶性的行走,運動時會避開以前走過的位置,如高分子聚合物的原子排列。31就有序--無序轉變中的位置無序〔化學無序〕、拓撲無序、方向無序、電子和核自旋狀態的無序〔代位無序〕和振動無序進行一般說明或圖示。無序結構有拓撲(幾何)和化學鍵無序兩種。如圖1。1。1所示的玻璃中原子排列(排布)從幾何(拓撲)角度上看，晶格的概念，即周期性與對稱性是沒有了，但從近鄰范圍來看，最近鄰的原子數是比擬確定的(配位數不變)，這是一種拓撲無序。非晶態缺乏長程有序，所以原子間的化學鍵長、鍵角和鍵的極性等不會一樣，這就是鍵的無序無序系統中還有一種叫代位無序，這主要發生在晶態材料中，這時晶格的概念仍然保存，但等同晶格位置上原子類別或自旋狀態卻不同。對于原子磁距(自旋)取向無序(隨機凍結)的系統稱“自旋”玻璃。一般的所謂非晶態固體指的大都是結構無序32簡述量子小尺寸效應、尺寸效應和宏觀隧道效應。小尺寸效應:隨著顆粒尺寸的量變，在一定條件下會引起顆粒性質的質變。由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質的變化稱為小尺寸效應。對超微顆粒而言，尺寸變小，同時其比外表積亦顯著增加，從而產生如下一系列新奇的性質。尺寸效應:由無數的原子構成固體時，單獨原子的能級就并合成能帶，由于電子數目很多，能帶中能級的間距很小，因此可以看作是連續的，從能帶理論出發成功地解釋了大塊金屬、半導體、絕緣體之間的聯系與區別，對介于原子、分子與大塊固體之間的超微顆粒而言，大塊材料中連續的能帶將分裂為分立的能級；能級間的間距隨顆粒尺寸減小而增大。當熱能、電場能或者磁場能比平均的能級間距還小時，就會呈現一系列與宏觀物體截然不同的反常特性，稱之為量子尺寸效應。宏觀隧道效應：是根本的量子現象之一，即當微觀粒子的總能量小于勢壘高度時，該粒子仍能穿越這一勢壘。近年來，人們發現一些宏觀量，例如微顆粒的磁