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1、四川大学期 末 考试试题（A）标准答案及评分标准（2005 2006 学年第 下 学期）课程号：30014530 课序号：0-4 课程名称：材料科学与工程基础 适用专业年级：高分子材料与工程2004级 学生人数：345 印题份数：360 一、判断下列说法是否正确，如果你认为是正确的，请在括号内填（T），反之，则填（F）。（15分）计分方法每题1分1. 聚丙烯比聚乙烯更容易老化。 ( T )2. 在同样的加热条件下，材料的热容量越大，材料的温度上升得越快。 ( F )3. 淬火方法可以提高结晶性聚合物的透明性。 (T )4. 在现有的超导材料中，金属的超导转变温度比金属氧化物的超导转变温度更高。
2、 ( F )5. 材料的刚性越大，材料就越脆。 ( F )6. 面心立方晶格的金属没有韧-脆性转变温度 ( T )7. PE可以用作高频绝缘材料。 ( T )8. 材料的线膨胀系数在所有温度下都是常数。 ( F)9. 氯丁橡胶的介电常数比聚氯乙烯的介电常数大 ( T )10 P.型半导体的载流子是空穴。 ( T )11. 自由电子在任何情况下都具有导电性 （ F ）12、塑性形变的滑移面是晶体结构中原子排列最密的晶面。 （ T ）13、半导体硅对可见光是透明的。 （ F ） 14、铁磁性来源于原子内部存在永久磁矩 （ F ） 15. The larger the inter-atomic bo
3、nding energy, the lower the coefficient of thermal expansion （ T ）二、多选题（15分） 计分方法每题1分1、矫顽力 （ B ）A Hysteresis loopB coercivityc C remanence2、下列哪个不适用于表征材料的延性大小（拉伸） （ B ）A. Percent elongation； B. Stain; C. Percent reduction in area3、对各向同性材料，应变的三种基本类型是（ A ）A tension, shear and compression；B tension, she
4、ar and torsional deformation；C. tension, shear and flexural deformation4、光通过材料的透射光的强度可用式（ C ）表示 A、IOR B、Io-x C、Io（1-R）2-x5、铁氧体Fe3O4属于反尖晶石结构（ B ） A、A2=B23+O4 B、B3+（A2+B3+）O44 6、从Fe原子的介电子轨道构型可知，Fe原子的波尔磁子数目为（ B ）个 A、6 B、4 C、57、电容介质材料应具有 的介电常数和 的介质损耗。（ B ） A、大、大、 B、大、小、 C、小、大、8、目前超导材料可达到的最高超导临界温度是 （ B ）
5、 A、100K B、140K C、160K9、超导体在超导临界温度Tc以下，具有（ A 、B ）A完全的导电性B完全的抗磁性10、影响金属导电性的三个外界因素是 （ A 、C 、D ） A、温度 B、湿度C、杂质D、塑性形变11、从原子的电子结构分析，铜、银和金属于下图中哪一种能带结构。 （ A ） A. B. C D12、添加阻燃剂和无机填料而提高高分子材料阻燃性的原理主要有三个方面：（ A、B、C ）A、隔离氧 B、降低温度 C、吸收热量 D、产生大量的水 E、降低聚合物的燃点13.材料的热失重曲线可测定材料的 ， 和 。（ B ）A. 马丁耐热温度，热变形温度，维卡软化温度 B. 起始分
6、解温度，半分解温度，残碳率 14、 按照粘附摩擦的机理，摩擦系数的大小取决于材料的（ C ）。 A. 剪切强度和拉伸强度； B. 剪切强度和断裂强度；C. 抗压强度和剪切强度；D. 硬度和断裂强度15、 金属材料的强化（抵抗永久形变）可以通过多种途径，以下哪一种是错误的。（ A ） A. 提高结晶度强化；B. 晶粒减小强化；C. 固溶体强化；D. 应变强化三、填空（10分） 共20空，10分。计分方法为每空0.5分1. 材料内热传导机制主要有 自由电子（的传导） 、 晶格振动（的传导） 和 分子（的传导） 等。 2. 按照马克三角形，影响聚合物耐热性的三个主要因素是 交联 、结晶 、和 刚性链
7、 。3. 随着温度的升高，高分子材料的下列性能值是升高还是降低：介电常数 升高 、拉伸强度 降低 、热导率 升高 。（注意，用符号表示也算对）4. 写出以下材料性能参数的量纲：模量 GPa (MPa也算对) 、冲击强度 KJ/m2 （或KJ.m-2 ）、比热容 J.kg-1.K-1 (或kJ.kg-1.K-1)、磁矩 A.m2 。5.写出按照压痕硬度法原理测试材料硬度的三种主要方法的名称 布氏 、 洛氏 、 维氏 。6. 写出以下各性能参数之间的关系式 渗透率（ 液体）J （ D、 L、c1、c2），J= D（c1-c2）/L （或=D（c2-c1）/L，或前面加负号均算正确） 本征半导体的电
8、导率（Eg、T）：= 0 exp(-Eg/2kT) 或0 e(-Eg/2kT)7. 写出两种无量纲性能参数的名称 相对介电常数 、 磁化率 。（注意该题只要写出的是无量纲的性能参数均正确）。四、作图题（10分）1、 画出钢、铸铁、陶瓷、橡胶、聚乙烯、聚苯乙烯、固化的酚醛树脂（电木）、玻璃、Al2O3、碳纤维复合材料的应力-应变曲线示意图。（5分）铸铁钢陶瓷、玻璃Al2O3碳纤维复合材料电木聚乙烯橡胶聚苯乙烯该题每条曲线0.5分，只要能示意就可。关键是区分弹性和非弹性。2、画出磁滞回线示意图 （5分）+H+B-H-B-HcBr该题共5分，画出曲线示意图得4分；标注再得1分。五、简述题（15分）1
9、、 从高分子材料、金属材料和陶瓷材料在组成和结构方面的差别，解释它们在模量和强度、导电和导热性、耐腐蚀性、热膨胀性方面的差别（10分）答案：金属材料由金属元素或主要由金属元素组成，键合方式为金属键（1分），金属正离子和自由电子作用，易形成晶体，如立方结构、面心立方、密堆六方 （ 0.5分）。无机非金属材料除有机物和金属以外，包括常见的陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料；组分：硅酸盐类、氧化物类，氮、碳（不含H）（1分）；结合键：离子键、共价键、混合键（0.5分）。高分子材料主要有C、H、O元素组成，链内由共价键组成，链间由范德华氏力构成（1分）；多层次结构（链结构、聚集态结构和微区结构等），聚集态包括
10、无定形，取向，半晶等，分子链以特定构象进入晶胞，多种结晶形态（0.5分）。模量：金属材料和陶瓷材料模量高，高分子材料模量低（1分）。强度：金属材料和陶瓷材料强度大；高分子材料强度小（0.5分）导电性：金属材料最好，陶瓷材料和高分子材料均差（1分）。导热性：金属材料最好，陶瓷材料和高分子材料均差（1分）。耐腐蚀性：金属材料主要电化学腐蚀；陶瓷材料主要是化学腐蚀 ；高分子材料物理腐蚀为主（1分）。热膨胀性：陶瓷材料和金属材料较小，高分子材料较大（1分）。注意只要将意思表达即可得到相应的分数。(若能简要说明原因最好,如原子或分子间键合类型和强度的影响,自由电子的影响等)2、(a) Briefly e
11、xplain why metals are opaque to electromagnetic radiation having photon energies within the visible region of the spectrum.(b) Why are metals transparent to high-frequency x-ray and -ray radiation? （5分）答案：(a) 高能级(价带）只部分填充电子，具有可见光频率的辐射，会激发电子到费米能级以上的空能级（吸收再发射光子）（3分）。(b 对高频辐射无吸收，故透明（2分）。六、计算题（35分）1、At
12、room temperature the electrical conductivity and the electron mobility for copper are 6.0 107 (m)-1 and 0.0030 m2/Vs, respectively. (a) Compute the number of free electrons per cubic meter for copper at room temperature. (b) What is the number of free electrons per copper atom? Assume a density of 8
13、.9 g/cm3. （atomic weight of copper is 63.5g/mol ）（10分）解： （a） s = n |e| me ，所以 n =s /|e| me （写出公式得2分，公式转换得1分）=(6.0 107-1m-1) (1.610-19C) (0.0030 m2/V-s)=1.251029（个/m3） （代入数据得1分，计算正确再得1分）（b） 每立方米铜原子数，N= (r/M)NA （写出公式得2分）= 8.9106(g/m3) 63.5(g/mol) 6.021023 =8.441028个/m3 （代入数据得1分，计算正确再得1分） 每个铜原子的自由电子数：1
14、.251029（个/m3）/8.441028（个/m3）=1.48（代入数据计算正确得1分）说明：如未按照上述步骤写出公式代入数据，而在计算中遵循公式和步骤，直接代入数据计算，且计算正确也可以得到全分。 2. The fraction of nonreflected radiation that is transmitted through a 20-mm thickness of a transparent material is 0.80. If the thickness is decreased to 10 mm, what fraction of light will be tran
15、smitted? （8分） 解： IT=I0（1-R）2e-l，无反射则 IT=I0 e- l （写出公式得1分，写出变换再得1分，如直接写出变换后正确的无反射的公式，也可得全分）； IT / I0 =e - l 0.80= e- 0.02 计算 =11.16 （代入数据得1分；计算正确再得1分） 厚度减少为10mm时： T= e - l = e - 0.01 =0.894 （代入数据正确计算再得3分，或IT =0.894 I0 ） 如果厚度减少为10mm，则透过分数为0.894。正确说明得1分）3、一高为30.5mm的长方体由面积为2525mm2薄铝板和硫化橡胶（厚度分别为0.5mm和.75
16、mm）交替层压制成。问该复合板的热导率为多少？（a）平行板的方向；（b）垂直板的方向。（Al=0.22，R=0.00012，单位JS-1m-1K-1）（7分）解：铝板和橡胶板的层数：30.5mm /（1.25mm）= 24.4层 ，即24层多0.5mm；因此该复合材料为25层薄铝板和24层橡胶板，即两边为薄铝板，中间交替层压。（只要得到层数分别为25和24，即可得1分）体积分数分别为：VA1=（250.5）/30.5=0.41 VR =（240.75）/30.5=0.59（或=1-0.41=0.59） （知道计算体积分数得1分，体积分数计算正确得1分。）（a）平行板方向：L=V A1A1 +V
17、RR （写出公式得1.5分。）=0.41*0.22+0.59*0.00012=0.090（JS-1m-1K-1）（代入数据，并计算正确再得0.5分。）（b）垂直板方向：1/T=V A1 /A1 +VR/R （写出公式得1.5分。） =0.41/0.22 +0.59/0.0012=1.82+5000=4918.53，T=1/4918.53=2.010-4 （JS-1m-1K-1） （代入数据，并计算正确再得0.5分。）说明：如未按照上述步骤写出公式代入数据，而在计算中遵循公式和步骤，直接代入数据计算，且计算正确也可以得到全分。4、A cylindrical rod 100 mm long and
18、 having a diameter of 10.0 mm is to be deformed using a tensile load of 27,500 N. It must not experience either plastic deformation or a diameter reduction of more than 7.5 10-3 mm. Of the materials listed as follows, which are possible candidates? Justify your choice(s). （10分） 解：s=F/A0=F/(pd02/4) （
19、写出公式得1分）=27500N /(3.14102 mm2/4)=350 MPa （代入数据计算正确再得1分）因此若没有塑性变形，从屈服强度来看，只有Steel alloy and Titanium alloy才有可能。（说明得1分）另外：直径减少不大于7.510-3mm ，则在直径方向的应变ey= Dd /d 0=7.510-3mm/10mm=7.510-4 （写出公式计算正确再得1分）对于Steel alloy而言：v =-e y/e x , e x=-e y/v =7.510-4/0.27=0.00278 （写出公式计算正确得1分）s =E e，E=s/e =350MPa/0.00278
20、=126GPa, （写出公式计算正确得1分）因此若Dd 0.0075mm, E 必须大于126GPa，Steel alloy的E=207GPa，因此选择该合金材料合适。（进行说明得1分）对于Titanium alloy而言：v =-e y/e x , e x=-e y/v =7.510-4/0.36=0.00208 （写出公式计算正确得1分）s =E e，E=s/e =350MPa/0.00208=168GPa，（写出公式计算正确得1分）因此若Dd 0.0075mm,，E 必须大于168MPa，而该合金的E为107MPa，因此不合适。（进行说明得1分）说明：该题在计算时，还可以通过弹性模量和应力计算出纵向的应变，和直径方向（横向应变）得到泊松比，通过泊松比判断哪种材料合适，公式类似，只要计算正确也可以得到全分。