光學性能及腐蝕性能材料科學基礎.ppt

4-5 材料的光學性能(optical properties),4-5-1 電磁輻射及其與原子的相互作用 Interactions of electromagnetic radiation and atoms 1、光波是指波長在特定范圍內的電磁輻射。因此，光和物質的相互作用取決于物質電磁性質的基本參數(shù), 即電導率、介電常數(shù)和磁導率。 2、光子能量 energy E of a photon Ehch h為普朗克常數(shù)；為光的頻率；c為光速；為波長 可以認為輻射的強度I就是單位時間射到單位面積上的光子數(shù)目,4、固體材料的光學性質，取決于電磁輻射與材料表 面、近表面以及材料內部的電子、原子、缺陷之間 的相互作用,3、電磁輻射與物質的相互作用是由電子躍遷和極化效應實現(xiàn)的,只有能量h E的光子可以被吸收,4-5-2 吸收、反射和透射 光照射到某種材料上時，將產生光的反射與折射、光的吸收與透射。,1、光的吸收( photon absorption) （1）光吸收的一般規(guī)律朗伯特定律 II0ex,空氣: 10-5cm-1 玻璃: 10-2cm-1 金屬: 則達幾萬到幾十萬,-吸收系數(shù)，cm-1 取決于材料的性質和光的波長。 越大材料越厚，光就被吸收得越多，因而透過后的光強度就越小。,Section 19.7,（2）光吸收與光波長radiation absorption and wave length 在電磁波譜的可見光區(qū)：金屬和半導體的吸收系數(shù)很大（價電子處于未滿帶） 電介質材料吸收系數(shù)小（價電子所處能帶是填滿的） 在紫外吸收端：禁帶寬度大的材料，紫外吸收端的波長較小 在紅外區(qū)：離子的彈性振動與光子輻射發(fā)生諧振消耗能量所致 紫外吸收端相應的波長可 根據(jù)材料的禁帶寬度Eg求得：, = hc/Eg Eg為材料的禁帶寬度,2、光的反射(reflection) 鏡反射、漫反射 折射,n21=sini/sinr,W: 反射光能量 W: 入射光能量 m :反射系數(shù),鏡反射：反射光線具有明確的方向性 漫反射：反射光的方向各式各樣,3、光的透射(transmission) 透射率：T（1R）2 el 上式適用的條件是，材料的正面和背面要處于同一介質中。 透射、反射、吸收這三部分光線的強度之和當然等于入射線強度，即： I0 = IT + IR + IA, 因此， 透射率T (transmissivity)、反射率R (reflectivity)、吸收率A (absorptivity) 三者之和為1,II0ex,和R是材料的基本參數(shù)，對于給定的材料，和R都與入射線的頻率有關。,5、金屬材料的光學性質 （1）各種入射輻射被吸收 金屬導帶中已填充的能級上方有許多空的電子能態(tài)頻率分布范圍很寬的各種入射輻射都可以激發(fā)電子到能量較高的未填充態(tài)從而被吸收。結果是光線射進金屬表明不深即被完全吸收，只有非常薄的金屬膜才顯得有些透明。 （2）金屬的反射是由吸收再反射綜合造成的 電子一旦被激發(fā)后，又會衰減到較低的能級，從而在金屬表明發(fā)生光線的再反射。 反射過程的效率與入射線的頻率有關，金屬在白色光線下所表現(xiàn)的顏色，就是來源于反射率的頻率依賴性。 銀 銅和金 分別顯示出不同的顏色，請看課本p386387 鎳、鐵、鎢,6、無機非金屬材料的光學性質,非金屬是否透明取決于能帶結構。非金屬可能是澄清的，也可能帶有顏色，這是選擇吸收、選擇反射的結果。其光學性質有如下幾點： （1）對紅外線有一定程度的吸收（因為紅外光子頻率與原子振動頻率相近，發(fā)生諧振） （2）半導體：吸收可見輻射，且不透明（因為可見光的頻率已足以使電子從價帶激發(fā)到導帶） （3）絕緣體傾向于對可見輻射透明（因為能隙相當寬，以至于可見光不足以引起電子激發(fā)） （4）散射在多相材料中，由于折射率在相界的變化，光線由多次內反射造成 （5）本質透明的材料由于加工過程中留下孔洞也可不透明,7、高分子材料的光學性質 聚合物多數(shù)無色,包括高透明(transparent)到不透明。透明度的損失起源于材料內部折射指數(shù)不均勻性產生的光散射 散射程度強烈地取決于折射指數(shù)的變化和不均勻的程度 增加聚合物材料透明性的方法 加速成核或由熔體急劇冷卻減少球晶大??； 拉伸球晶轉變?yōu)槿∠蛭⒔z，散射光線就不太有效了,4-5-5 發(fā)光 luminescence 發(fā)光：材料吸收外界能量后，其中部分能量以頻率在可見光范圍向外發(fā)射，這稱為發(fā)光。 熒光(fluorescence)：延遲發(fā)射 10-8 s 磷光(phosphorescence)：延遲發(fā)射 10-8 s,含有雜質，產生摻雜能級,價帶與導帶重疊沒有能隙，發(fā)射光波長長于可見光，沒有發(fā)光,價帶與導帶間有能隙為Eg,激光(laser)-材料發(fā)光性能的重要應用 必要條件 維持連續(xù)不斷的受激輻射， 粒子數(shù)反轉：高能級的原子數(shù)大于低能級的原子數(shù),紅寶石激光器中的Cr的能級,最初平衡態(tài)時各能級的粒子數(shù)n1n2n3 波長為5500埃的黃綠光照射 后 鉻原子吸收這一波長的光子，從能級1躍遷到能級3，但隨后立即自發(fā)躍遷到能級2，并能在這一能級上維持較長時間，這樣，便可不斷地把低能級（E1)的粒子“搬運”到能級2上來，最后達到 n2n1 ，產生了激光。,有些元素具有特殊的亞穩(wěn)態(tài)能級，也就是原子可在這種高能級上駐留較長的時間而不發(fā)生自發(fā)躍遷，這為實現(xiàn)粒子反轉提供了可能。,當然，最后還要經(jīng)過光諧振器，使光子不斷增殖，最后產生很強的位相相同的單色光。,4-5 耐腐蝕性(anti-corrosion),腐蝕-材料在遭受化學介質、濕、氣、光、氧、熱等 環(huán)境因素作用下發(fā)生惡化變質的現(xiàn)象 腐蝕分類： (1) 腐蝕作用性質：物理、化學、電化學 (2) 腐蝕環(huán)境和過程：高溫、大氣、溶劑腐蝕等 (3) 腐蝕形態(tài)：全面、局部 金屬： 電化學、化學（氧化）腐蝕 無機： 化學 高分子：化學、物理腐蝕,4-5-1物理腐蝕 physical deterioration 環(huán)境介質作用，以物理變化發(fā)生破壞的腐蝕 高分子材料為主 類型： 溶脹和溶解 應力開裂 滲透破壞,影響因素： 介質濃度 溫度 溫度變化 液體流動 應力大小 作用周期,復合材料：界面引起腐蝕 看課本 p397,1、高分子材料的耐溶劑性 溶劑分子滲入材料內部 破壞大分子間的次價鍵 與大分子發(fā)生溶劑化作用 （1）溶解性 溶解度參數(shù) =（CED）1/2 內聚能密度 Gm=Hm - TSm Gm0時，溶解過程才能進行,(2)滲透性(permeability)與滲透破壞 滲透-液體分子或氣體分子可從聚合物膜高濃度側擴散到較低濃度一側的現(xiàn)象 q = -D (dc/dx)At 穩(wěn)態(tài)時，滲透率（ 液體） J = q / At = D / L（c1-c2） （c1c2） A、t、D分別為面積、時間及擴散系數(shù) 膜厚度為L，膜兩側濃度差為（c1-c2） 對于氣體，C=Sp，（p-蒸汽壓） 滲透系數(shù) P=DS 式中S為溶解度系數(shù) J = DS (p1-p2) / L = P (p1-p2) / L 聚合物的結構和物理狀態(tài)對滲透性影響甚大,(3)影響高分子材料耐溶劑性的因素 溶解熵Sm 放熱量 Gm 耐溶劑性 大分子熱運動 擴散 耐溶劑性 溫度 柔性 耐溶劑性 結晶、取向、交聯(lián)，M 耐溶劑性 滲透性影響高分子材料耐溶劑性的因素 2、環(huán)境應力開裂 在應力（外加的或內部的殘余應力）與某些介質（如活性物質）共同作用下，高分子材料出現(xiàn)銀紋，并進一步生長成裂縫，直至發(fā)生脆性斷裂 介質的影響，只有溶解度參數(shù)差值在某一范圍內時，才易引起局部溶脹，導致環(huán)境應力開裂。,4.5.2 化學腐蝕(chemical corrosion) 1、環(huán)境介質(media)的化學腐蝕作用 (1)酸(acid)、堿(base)、鹽(salt)腐蝕作用 酸、堿、鹽對金屬腐蝕 酸 氫離子的濃度 酸的陰離子的氧化還原性 堿 腐蝕性一般比酸小，對鋁、鋅、錫、鉛等兩性 金屬有顯著的腐蝕性 鹽 影響極為錯綜復雜 使pH值發(fā)生變化的鹽 氧化性鹽 酸、堿、鹽對高分子的腐蝕 多數(shù)高分子材料都具有良好的耐腐蝕性 雜鏈高分子-化學介質老化 ，水解, 無機非金屬材料的耐腐蝕性 硅酸鹽陶瓷 SiO2+2NaOH Na2SiO3 + H2O 易溶于水及堿液中。 SiO2與氫氟酸反應。 與磷酸反應。 耐腐蝕性與礦物組成有關。 耐腐蝕性與結構相關 結晶SiO2 耐酸、堿 無定形SiO2 溶于堿 孔隙(poros)耐腐蝕性降低。,(2)大氣腐蝕 大氣中水和氧等物質的作用而引起的腐蝕 如，鐵：在空氣中生銹 高分子：氧氣、臭氧、光照射等引起迅速的老化變質 大氣腐蝕的特征 大氣是組分復雜的混合物 非金屬材料，如高分子材料化學腐蝕 金屬材料單純化學腐蝕緩慢，如氧化 電化學腐蝕水汽在金屬表面形成液層， 構成電解質液膜層 金屬材料在大氣中的耐蝕性及防護 防護： 研制和選用耐蝕材料，如低合金鋼； 涂層和鍍層保護，如油漆和金屬鍍層； 降低大氣濕度, 高分子材料在大氣中的耐腐蝕性 氧化(oxidation)： 如PE，中溫，與氧作用自由基鏈式反應。 臭氧(ozone)：開裂。如天然橡膠和合成彈性體 耐侯性(weathering)：抵抗室外天氣條件的能力 主要有： 紫外線 溫度 濕氣 活性氣體 其它如風、雪等,耐侯性提高方法： a紫外線吸收劑 b抗氧劑 c選材 d化工大氣 耐輻射性 輻射交聯(lián) 硬度 耐熱性 分子量 耐溶劑性 影響性能,高能幅照,多種高分子材料的耐輻射性能,其中，耐熱性優(yōu)越，化學穩(wěn)定性最好的氟塑料耐輻射性能卻不好。,4.5.3 電化學腐蝕 electroch