無機(jī)材料物理性能5講解

1、第五章第五章 材料的光學(xué)性能材料的光學(xué)性能 第一節(jié)第一節(jié) 光通過介質(zhì)的現(xiàn)象光通過介質(zhì)的現(xiàn)象 第二節(jié)第二節(jié) 材料的透光性材料的透光性 第三節(jié)第三節(jié) 界面反射和光澤界面反射和光澤 第四節(jié)第四節(jié) 不透明性（乳濁）和半透明性不透明性（乳濁）和半透明性 2 無機(jī)材料的光學(xué)性能 新型光學(xué)和光電子器件的各種應(yīng)用新型光學(xué)和光電子器件的各種應(yīng)用 3 4 光色 波長(zhǎng)(nm) 頻率(Hz) 中心波長(zhǎng) (nm) 紅 760622 660 橙 622597 610 黃 597577 570 綠 577492 540 青 492470 480 蘭 470455 460 紫 455400 430 1414 108 . 41

2、09 . 3 1414 100 . 5108 . 4 1414 104 . 5100 . 5 1414 101 . 6104 . 5 1414 104 . 6101 . 6 1414 106 . 6104 . 6 1414 105 . 7106 . 6 可見光七彩顏色的波長(zhǎng)和頻率范圍可見光七彩顏色的波長(zhǎng)和頻率范圍 人眼最為敏感的光是黃綠光，即人眼最為敏感的光是黃綠光，即 nm555 附近。附近。 5 光速與真空中的電導(dǎo)率光速與真空中的電導(dǎo)率 0和導(dǎo)磁率和導(dǎo)磁率0的關(guān)系的關(guān)系： 光速與波長(zhǎng)光速與波長(zhǎng)和頻和頻 率率的關(guān)系：的關(guān)系： 粒子的光子（粒子的光子（Photon） 的能量為的能量為 ： 00

3、 1 c hc hE c 第一節(jié)第一節(jié) 光通過介質(zhì)的現(xiàn)象光通過介質(zhì)的現(xiàn)象 一、折射一、折射 當(dāng)光從真空進(jìn)入較致密的材料時(shí)，其速度降低。光當(dāng)光從真空進(jìn)入較致密的材料時(shí)，其速度降低。光 在真空和材料中的速度之比即為材料的在真空和材料中的速度之比即為材料的折射率折射率。 如果光從材料如果光從材料1，通過界面?zhèn)魅氩牧?，通過界面?zhèn)魅氩牧?時(shí)，與界面法時(shí)，與界面法 向所形成的入射角向所形成的入射角i1，折射角，折射角i2與兩種材料的折射率與兩種材料的折射率n1和和 n2有下述關(guān)系：有下述關(guān)系： c n 材料 真空 式中： 和 分別表示光在材料1及2中的傳播速度， 為材料2相對(duì)于材料1的相對(duì)折射率。 介質(zhì)的

4、n總是大于1的正數(shù)，例如空氣 ，固 體氧化物n=1.32.7，硅酸鹽玻璃 。 2 1 21 1 2 2 1 sin sin n n n i i 1 2 21 n 0003. 1n 9 . 15 . 1n 影響影響 n 值的因素有：值的因素有： 1構(gòu)成材料元素的離子半徑構(gòu)成材料元素的離子半徑 馬克斯威爾電磁波理論認(rèn)為光在介質(zhì)中的傳播馬克斯威爾電磁波理論認(rèn)為光在介質(zhì)中的傳播 速度為：速度為： c 式中：式中：C真空中光速，真空中光速， 介質(zhì)介電常數(shù)，介質(zhì)介電常數(shù)， 介質(zhì)導(dǎo)磁率介質(zhì)導(dǎo)磁率 c n 對(duì)于無機(jī)材料電介質(zhì)對(duì)于無機(jī)材料電介質(zhì) ，故，故 當(dāng)離子半徑增大時(shí)，其當(dāng)離子半徑增大時(shí)，其增大，因而增大，

5、因而n也增大也增大。因。因 此，可以用大離子得到高此，可以用大離子得到高n的材料，的材料， ，用小離，用小離 子得到低子得到低n的材料，如的材料，如 。 2材料的結(jié)構(gòu)、晶型和非晶態(tài)材料的結(jié)構(gòu)、晶型和非晶態(tài) 象非晶態(tài)和立方晶體這些各向同性材料，當(dāng)光通象非晶態(tài)和立方晶體這些各向同性材料，當(dāng)光通 過時(shí)，光速不因傳播方向改變而變化，材料只有一個(gè)折過時(shí)，光速不因傳播方向改變而變化，材料只有一個(gè)折 射率，稱為射率，稱為均質(zhì)介質(zhì)均質(zhì)介質(zhì)。但是除立方晶體以外的其他晶型，。但是除立方晶體以外的其他晶型， 都都是非均質(zhì)介質(zhì)。是非均質(zhì)介質(zhì)。 1 , 1 2/1 n 912. 3 pbS n 412. 1 4 sic

6、l n 光進(jìn)入非均質(zhì)介質(zhì)時(shí)，一般都要分為振動(dòng)方向相互光進(jìn)入非均質(zhì)介質(zhì)時(shí)，一般都要分為振動(dòng)方向相互 垂直、傳播速度不等的兩個(gè)波，它們分別構(gòu)成兩條折射垂直、傳播速度不等的兩個(gè)波，它們分別構(gòu)成兩條折射 光線，這個(gè)現(xiàn)象稱為光線，這個(gè)現(xiàn)象稱為雙折射雙折射。雙折射是非均質(zhì)晶體的特。雙折射是非均質(zhì)晶體的特 性，這類晶體的所有光學(xué)性能都和雙折射有關(guān)。性，這類晶體的所有光學(xué)性能都和雙折射有關(guān)。 上述兩條折射光線，平行于入射面的光線的折射率，上述兩條折射光線，平行于入射面的光線的折射率， 稱為稱為常光折射率常光折射率n0，不論入射光的入射角如何變化，不論入射光的入射角如何變化，n0 始終為一常數(shù)，因而常光折射率嚴(yán)

7、格服從折射定律。另始終為一常數(shù)，因而常光折射率嚴(yán)格服從折射定律。另 一條與之垂直的光線所構(gòu)成的折射率，則隨入射線一條與之垂直的光線所構(gòu)成的折射率，則隨入射線 方向的改變而變化，稱為方向的改變而變化，稱為非常光折射率非常光折射率ne，它不遵守折，它不遵守折 射定律，隨入射光的方向而變化。當(dāng)光沿晶體光軸方向入射定律，隨入射光的方向而變化。當(dāng)光沿晶體光軸方向入 射時(shí)，只有射時(shí)，只有n0存在，與光軸方向垂直入射時(shí)，存在，與光軸方向垂直入射時(shí)，ne達(dá)最大達(dá)最大 值，此值是材料的特性。值，此值是材料的特性。 3材料所受的內(nèi)應(yīng)力材料所受的內(nèi)應(yīng)力 有內(nèi)應(yīng)力的透明材料，有內(nèi)應(yīng)力的透明材料，垂直于受拉主應(yīng)力方向垂

8、直于受拉主應(yīng)力方向的的n大，大， 平行于受拉主應(yīng)力方向的平行于受拉主應(yīng)力方向的n小。小。 4同質(zhì)異構(gòu)體同質(zhì)異構(gòu)體 在同質(zhì)異構(gòu)材料中，在同質(zhì)異構(gòu)材料中，高溫時(shí)的晶型高溫時(shí)的晶型折射率折射率n較低，低較低，低 溫時(shí)存在的晶型折射率溫時(shí)存在的晶型折射率n較高。較高。 表表4.1列出了部分玻璃和晶體的折射率。列出了部分玻璃和晶體的折射率。 材 料 平 均 折 射 率 雙 折 射 由正長(zhǎng)石（KalSi3O8）組成的玻璃 1.51 由鈉長(zhǎng)石（NalSi3O8）組成的玻璃 1.49 由霞石正長(zhǎng)巖組成的玻璃 1.50 氧化硅玻璃 1.458 硼硅酸玻璃 1.47 硫化鉀玻璃 2.66 四氯化硅晶體 1.412

9、 氟化鋰晶體 1.392 氟化鈉晶體 1.326 氟化鈣晶體 1.434 鋯英石 ZnSiO4 1.95 0.055 正長(zhǎng)石 KalSi3O8 1.525 0.007 鈉長(zhǎng)石 NaAlSi3O8 1.529 0.008 鈣長(zhǎng)石 CaAl2Si2O8 1.585 0.008 硅線石 Al2O3SiO2 1.65 0.021 莫來石 3Al2O32SiO2 1.64 0.010 表表4.1 各種玻璃和晶體的折射率各種玻璃和晶體的折射率 二、色散二、色散 材料的折射率材料的折射率n隨入射光的頻率的減?。ɑ虿ㄩL(zhǎng)的隨入射光的頻率的減?。ɑ虿ㄩL(zhǎng)的 增加）而減小的性質(zhì)，稱為折射率的增加）而減小的性質(zhì)，稱為折

10、射率的色散色散。色散。色散= ， 幾種材料的色散見圖幾種材料的色散見圖5.1（a） 和和5.1（b）。）。 色散值可以直接由圖色散值可以直接由圖4.1確定。常用的色散系數(shù)為確定。常用的色散系數(shù)為 式中式中 nD 、nF 和和nC 分別為以鈉的分別為以鈉的D譜線，氫的譜線，氫的F譜線和譜線和 C譜線（譜線（5893、4861和和6563）為光源，測(cè)得的拆射）為光源，測(cè)得的拆射 率。率。 d dn CF D nn n 1 三、反射三、反射 當(dāng)光線當(dāng)光線由介質(zhì)由介質(zhì)1入射到介質(zhì)入射到介質(zhì)2時(shí)，時(shí)， 光在介質(zhì)面上分成了反射光和折射光在介質(zhì)面上分成了反射光和折射 光，所圖光，所圖4.3所示。所示。 設(shè)光

11、的設(shè)光的總能量流總能量流W為為 式中式中W、 、 分別為單位時(shí)間通過分別為單位時(shí)間通過 單位面積的入射光、反射光和折射光單位面積的入射光、反射光和折射光 的能量流，根據(jù)波動(dòng)理論的能量流，根據(jù)波動(dòng)理論 由于反射波的傳播速度及橫截由于反射波的傳播速度及橫截 面積都與入射波相同，所以面積都與入射波相同，所以 WWW W W SAW 2 式中式中 與與A分別為反射波與入射波的振幅。分別為反射波與入射波的振幅。 把光波振動(dòng)分為垂直于入射面的振動(dòng)和平行于入射面把光波振動(dòng)分為垂直于入射面的振動(dòng)和平行于入射面 的振動(dòng)，的振動(dòng)，F(xiàn)resnel 推導(dǎo)出推導(dǎo)出 自然光在各方向振動(dòng)的機(jī)會(huì)均等，可以認(rèn)為一半能量自然光在

12、各方向振動(dòng)的機(jī)會(huì)均等，可以認(rèn)為一半能量 屬于同入射面平行的振動(dòng)，另一半屬于同入射面垂直的屬于同入射面平行的振動(dòng)，另一半屬于同入射面垂直的 2 )( A A W W A )(tg )(tg )()( )(Sin )(Sin )()( 2 2 2 / 2 2 2 ri ri A A W W ri ri A A W W p p S S 振動(dòng)，所以總的能量流之比為：振動(dòng)，所以總的能量流之比為： 當(dāng)角度很小時(shí)，即垂直入射當(dāng)角度很小時(shí)，即垂直入射 因介質(zhì)因介質(zhì)2對(duì)于介質(zhì)對(duì)于介質(zhì)1的相對(duì)折射率的相對(duì)折射率 ，故，故 )(tg )(tg )(Sin )(Sin 2 1 2 2 2 2 ri ri ri ri

13、W W 2 2 2 2 2 2 2 2 ) 1( ) 1( )( )( )(tg )(tg )(sin )(sin r i r i ri ri ri ri ri ri r i n sin sin 21 r i n 21 m n n W W 2 21 21 1 1 m反射系數(shù)反射系數(shù)， 根據(jù)能量守恒定律根據(jù)能量守恒定律 （1-m）稱為）稱為透射系數(shù)透射系數(shù)。由上式可知，在垂直入射的情。由上式可知，在垂直入射的情 況下，光在界面上的反射的多少取決于兩種介質(zhì)的相對(duì)況下，光在界面上的反射的多少取決于兩種介質(zhì)的相對(duì) 折射率折射率 。 m W W W W WWW 11 21 n 20 l注意：注意： l1

14、）n21=n2/n1; l2）若光線從介質(zhì)2進(jìn)入介質(zhì)1，該式是否 仍然成立？ 21 l討論：討論： l1）光在界面的反射取決兩種介質(zhì)的相對(duì)光在界面的反射取決兩種介質(zhì)的相對(duì) 折射率；折射率； l2） n1和和n2相差越大，相差越大， m愈大，反射損愈大，反射損 失愈大。無論失愈大。無論n211或或n211； l3）如果介質(zhì)為空氣，可以認(rèn)為）如果介質(zhì)為空氣，可以認(rèn)為n1=1, 則則n21=n2。 l4）如果）如果n1=n2，則，則m=0，因此，在垂直，因此，在垂直 入射的情況下，幾乎沒有反射損失。入射的情況下，幾乎沒有反射損失。 22 l一、某平板玻璃折射率為n，反射系數(shù)為 m，則強(qiáng)度為I的光線連

15、續(xù)穿x塊該平板玻 璃，其剩余強(qiáng)度為多少？（假設(shè)只考慮 反射損失） 23 l二、為了減少反射損失，可以采取那些 措施？ l1）將多次透過的玻璃用折射率與之相近 的膠粘起來，以減少空氣界面造成的損 失。 l2）在透過介質(zhì)表面鍍?cè)鐾改ぁ?24 l三、思考： l1）單面透視玻璃是何原理？ l2）如何設(shè)計(jì)防炫目眼鏡？ 由于陶瓷，玻璃等材料的折射率較空氣大，所以由于陶瓷，玻璃等材料的折射率較空氣大，所以 反射損失嚴(yán)重。如果透鏡系統(tǒng)由許多塊玻璃組成，則反射損失嚴(yán)重。如果透鏡系統(tǒng)由許多塊玻璃組成，則 反射損失更可觀，為了減少這種界面損失，常常采用反射損失更可觀，為了減少這種界面損失，常常采用 折射率和玻璃相近

16、的膠將它們粘起來，這樣，除了最折射率和玻璃相近的膠將它們粘起來，這樣，除了最 外和最內(nèi)的表面是玻璃和空氣的相對(duì)折射率外，內(nèi)部外和最內(nèi)的表面是玻璃和空氣的相對(duì)折射率外，內(nèi)部 各界面都是和膠的較小的相對(duì)折射率，從而大大減少各界面都是和膠的較小的相對(duì)折射率，從而大大減少 界面的反射損失。界面的反射損失。 第二節(jié)第二節(jié) 材料的透光性材料的透光性 一、介質(zhì)對(duì)光的吸收一、介質(zhì)對(duì)光的吸收 1吸收的一般規(guī)律吸收的一般規(guī)律 設(shè)有一塊厚度為設(shè)有一塊厚度為x的平板材料，如圖的平板材料，如圖4.4，入射光，入射光 的強(qiáng)度為的強(qiáng)度為I0，通過此材料后光強(qiáng)度為，通過此材料后光強(qiáng)度為 。選取其中一。選取其中一 薄層薄層 ，

17、并認(rèn)為光通過此層的吸收損失，并認(rèn)為光通過此層的吸收損失 正比正比 于在此處的光強(qiáng)度于在此處的光強(qiáng)度 I 和薄層的厚度和薄層的厚度 ， I dxdI dx 上式表明光強(qiáng)度隨厚度的變化符合上式表明光強(qiáng)度隨厚度的變化符合指數(shù)衰減規(guī)律指數(shù)衰減規(guī)律， 即即朗伯特定律朗伯特定律。 式中式中為物質(zhì)對(duì)光的為物質(zhì)對(duì)光的吸收系數(shù)吸收系數(shù)，其單位為，其單位為cm-1。 取決于材料的性質(zhì)和光的波長(zhǎng)。取決于材料的性質(zhì)和光的波長(zhǎng)。 IdxdI dx I dI xI I0 0 x I I 0 ln x II e 0 即即: 29 l光吸收的主要機(jī)理： l1）電子吸收光子而越過禁帶； l2）電子受激進(jìn)入位于禁帶中的雜質(zhì)或缺

18、陷能級(jí)而吸收光子。 1）可見光區(qū)分析）可見光區(qū)分析 圖圖4.5所示在電磁波譜的可見光區(qū)，金屬和半導(dǎo)體的所示在電磁波譜的可見光區(qū)，金屬和半導(dǎo)體的 吸收系數(shù)都是很大的，但是電介質(zhì)材料，包括玻璃、吸收系數(shù)都是很大的，但是電介質(zhì)材料，包括玻璃、 陶瓷等無機(jī)材料的大部分在這個(gè)波譜區(qū)內(nèi)都有良好陶瓷等無機(jī)材料的大部分在這個(gè)波譜區(qū)內(nèi)都有良好 的透過性，即吸收系數(shù)很小。這是因?yàn)殡娊橘|(zhì)材料的透過性，即吸收系數(shù)很小。這是因?yàn)殡娊橘|(zhì)材料 的價(jià)電子所處的能帶是填滿了的的價(jià)電子所處的能帶是填滿了的,它不能吸收光子而它不能吸收光子而 自由運(yùn)動(dòng)，而光子的能量又不足以使電子躍遷到導(dǎo)自由運(yùn)動(dòng)，而光子的能量又不足以使電子躍遷到導(dǎo)

19、帶，所以在一定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，吸收系數(shù)很小。帶，所以在一定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，吸收系數(shù)很小。 2光吸收與光波長(zhǎng)的關(guān)系光吸收與光波長(zhǎng)的關(guān)系 2）紫外光區(qū)分析）紫外光區(qū)分析 在紫外區(qū)出現(xiàn)紫外吸收端，當(dāng)光子能量達(dá)到禁帶在紫外區(qū)出現(xiàn)紫外吸收端，當(dāng)光子能量達(dá)到禁帶 寬度時(shí)，電子就會(huì)吸收光子能量從滿帶躍遷到導(dǎo)帶，寬度時(shí)，電子就會(huì)吸收光子能量從滿帶躍遷到導(dǎo)帶， 此時(shí)吸收系數(shù)將驟然增大。此紫外吸收端相應(yīng)的波長(zhǎng)此時(shí)吸收系數(shù)將驟然增大。此紫外吸收端相應(yīng)的波長(zhǎng) 可根據(jù)材料的禁帶寬度可根據(jù)材料的禁帶寬度 求得：求得： c hhrE g g E hc SJh 34 1063. 6 g E 式中，普朗克常數(shù)式中，普朗克常數(shù) ，C

20、光速。光速。 3）紅外光區(qū)分析）紅外光區(qū)分析 另外，在紅外區(qū)的吸收峰是因?yàn)殡x子的彈性振動(dòng)與另外，在紅外區(qū)的吸收峰是因?yàn)殡x子的彈性振動(dòng)與 光子輻射發(fā)生諧振消耗能量所致。要使諧振點(diǎn)波長(zhǎng)盡可光子輻射發(fā)生諧振消耗能量所致。要使諧振點(diǎn)波長(zhǎng)盡可 能遠(yuǎn)離可見光區(qū)，即吸收峰的頻率盡可能小，則需選擇能遠(yuǎn)離可見光區(qū)，即吸收峰的頻率盡可能小，則需選擇 較小的材料熱振頻率較小的材料熱振頻率 。 式中式中 與力有關(guān)的常數(shù)，由離子間結(jié)合力決定，與力有關(guān)的常數(shù)，由離子間結(jié)合力決定， Mc和和Ma分別為陽離子和陰離子質(zhì)量。分別為陽離子和陰離子質(zhì)量。 ) 11 (2 2 ac MM 34 l材料擁有較寬透明頻率范圍的條件： l

21、1）高電子能隙值（大的禁帶寬度，提高 紫外端吸收頻率）； l2）弱的離子間結(jié)合力及大的離子質(zhì)量 （降低紅外端吸收頻率）。 二、介質(zhì)對(duì)光的散射二、介質(zhì)對(duì)光的散射 光波遇到不均勻結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的次級(jí)波，與主波方向光波遇到不均勻結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的次級(jí)波，與主波方向 不一致，與主波合成出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，使光偏離原來的方不一致，與主波合成出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，使光偏離原來的方 向，從而引起向，從而引起散射散射。 對(duì)于相分布均勻的材料，由于散射而光強(qiáng)度減弱的對(duì)于相分布均勻的材料，由于散射而光強(qiáng)度減弱的 規(guī)律與吸收規(guī)律具有相同的形式：規(guī)律與吸收規(guī)律具有相同的形式： 式中式中 I0為光的原始強(qiáng)度，為光的原始強(qiáng)度， sx II e 0

22、I 為光束通過厚度為為光束通過厚度為x的試件后，由于散射在光的試件后，由于散射在光 前進(jìn)方向上的剩余強(qiáng)度，前進(jìn)方向上的剩余強(qiáng)度， S 散射系數(shù)，與散射質(zhì)點(diǎn)的大小、數(shù)量以及散射散射系數(shù)，與散射質(zhì)點(diǎn)的大小、數(shù)量以及散射 質(zhì)點(diǎn)與基體的相對(duì)折射率等因素有關(guān)，見圖質(zhì)點(diǎn)與基體的相對(duì)折射率等因素有關(guān)，見圖4.6。其單位。其單位 為為 。 1 cm 當(dāng)光的波長(zhǎng)約等于散射質(zhì)點(diǎn)的直徑時(shí)，出現(xiàn)散射當(dāng)光的波長(zhǎng)約等于散射質(zhì)點(diǎn)的直徑時(shí)，出現(xiàn)散射 的峰值。的峰值。 如果將吸收定律與散射規(guī)律的式子統(tǒng)一起來，如果將吸收定律與散射規(guī)律的式子統(tǒng)一起來， 則則: xs II )( 0e 從圖從圖4.6中可以看出，曲線由左右兩條不同形

23、狀的中可以看出，曲線由左右兩條不同形狀的 曲線所組成，各自有著不同的規(guī)律。當(dāng)曲線所組成，各自有著不同的規(guī)律。當(dāng) 時(shí)，則隨時(shí)，則隨 著著d的增加，散射系數(shù)的增加，散射系數(shù)S也隨之增大；當(dāng)也隨之增大；當(dāng) 時(shí)，則隨時(shí)，則隨 著著d的增加，的增加，s 反而減小，當(dāng)反而減小，當(dāng) 時(shí)，時(shí)，s 達(dá)最大值。達(dá)最大值。 d d d 對(duì)于散射，可以認(rèn)為散射系數(shù)正比于散射質(zhì)點(diǎn)的投對(duì)于散射，可以認(rèn)為散射系數(shù)正比于散射質(zhì)點(diǎn)的投 影面積：影面積： 式中：式中： N單位體積內(nèi)的散射質(zhì)點(diǎn)數(shù)；單位體積內(nèi)的散射質(zhì)點(diǎn)數(shù)； R 散射質(zhì)點(diǎn)的散射質(zhì)點(diǎn)的平均半徑平均半徑； K散射因素散射因素，取決于基體與質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)折射率。，取決于基體與質(zhì)

24、點(diǎn)的相對(duì)折射率。 設(shè)設(shè)散射質(zhì)點(diǎn)體積散射質(zhì)點(diǎn)體積 ，則，則 2 RKNS NRV 3 3 4 R KV S 4 3 故故 由上式可知，由上式可知， 時(shí)，時(shí)，R越小，越小，V越大，則越大，則S愈大，這愈大，這 符合實(shí)驗(yàn)規(guī)律。當(dāng)符合實(shí)驗(yàn)規(guī)律。當(dāng) 時(shí)，此時(shí)散射系數(shù)。時(shí)，此時(shí)散射系數(shù)。 總之，不管在上述哪種情況下，散射質(zhì)點(diǎn)的折射率與總之，不管在上述哪種情況下，散射質(zhì)點(diǎn)的折射率與 基體的折射率相差越大，將產(chǎn)生越嚴(yán)重的散射?；w的折射率相差越大，將產(chǎn)生越嚴(yán)重的散射。 R x KV sx II 4 3 0 ee/ d 3 1 d 2 2 2 4 34 2 132 n nVR S 三、材料的透光性三、材料的透光

25、性 光通過厚度為光通過厚度為x的透明陶瓷片時(shí)，各種光能的損失的透明陶瓷片時(shí)，各種光能的損失 見圖見圖4.7所示。強(qiáng)度為所示。強(qiáng)度為I0的光束垂直地入射到陶瓷左表的光束垂直地入射到陶瓷左表 面，由于陶瓷片與左側(cè)介質(zhì)之間存在相對(duì)折射面，由于陶瓷片與左側(cè)介質(zhì)之間存在相對(duì)折射 ， 因而在表面上有反射損失因而在表面上有反射損失: L = 透進(jìn)材料中的光強(qiáng)度為透進(jìn)材料中的光強(qiáng)度為: 0 2 0 1 1 I n n mI )1 ( 0 mI 21 n 這一部分光能穿過厚度為這一部分光能穿過厚度為x的材料后，又消耗于吸收的材料后，又消耗于吸收 損失損失和散射損失和散射損失。到達(dá)材料后表面時(shí)，光強(qiáng)度剩下。到達(dá)材

26、料后表面時(shí)，光強(qiáng)度剩下 。 再經(jīng)過表面，一部分光能反射進(jìn)材料內(nèi)部，其數(shù)量為再經(jīng)過表面，一部分光能反射進(jìn)材料內(nèi)部，其數(shù)量為 L = 另一部分傳至右側(cè)空間，其光強(qiáng)度為另一部分傳至右側(cè)空間，其光強(qiáng)度為 顯然顯然 才是真正的透光率。才是真正的透光率。 影響材料透過率的因素有：影響材料透過率的因素有： s)x-( mI e )1 ( 0 xs mmI )( 0 e )1 ( xs mII )(2 0 e)1 ( 0 / II 1吸收系數(shù)吸收系數(shù) 對(duì)于陶瓷、玻璃等電介質(zhì)材料，其吸收率或吸收系對(duì)于陶瓷、玻璃等電介質(zhì)材料，其吸收率或吸收系 數(shù)數(shù)在可見光范圍內(nèi)是比較低的，見圖在可見光范圍內(nèi)是比較低的，見圖4.4

27、所示。所示。 2反射系數(shù)反射系數(shù) 材料對(duì)周圍環(huán)境的相對(duì)折射率大，反射損失也大。材料對(duì)周圍環(huán)境的相對(duì)折射率大，反射損失也大。 3散射系數(shù)散射系數(shù) 這一因素最影響陶瓷材料的透光率。這一因素最影響陶瓷材料的透光率。 材料宏觀及顯微缺陷材料宏觀及顯微缺陷 晶粒排列方向晶粒排列方向 氣孔引起的散射損失氣孔引起的散射損失 四、提高材料透光性的措施四、提高材料透光性的措施 1提高原材料純度提高原材料純度 2摻加外加劑摻加外加劑 目的是降低材料的氣孔率，氣孔由于相對(duì)折射率的目的是降低材料的氣孔率，氣孔由于相對(duì)折射率的 關(guān)系，其影響程度遠(yuǎn)大于雜質(zhì)等其它結(jié)構(gòu)因素。關(guān)系，其影響程度遠(yuǎn)大于雜質(zhì)等其它結(jié)構(gòu)因素。 3工藝

28、措施工藝措施 采取熱壓法比普通燒結(jié)法更便于排除氣孔，因而是采取熱壓法比普通燒結(jié)法更便于排除氣孔，因而是 獲得透明陶瓷較為有效的工藝，熱等靜壓法效果更好。獲得透明陶瓷較為有效的工藝，熱等靜壓法效果更好。 第三節(jié)第三節(jié) 界面反射和光澤界面反射和光澤 一、鏡反射和漫反射一、鏡反射和漫反射 當(dāng)光的反射是指材料表面光潔度非常高的情況下的當(dāng)光的反射是指材料表面光潔度非常高的情況下的 反射，反射光線具有明確的方向性，一般稱之為反射，反射光線具有明確的方向性，一般稱之為鏡反射鏡反射。 陶瓷中大多數(shù)表面并不是十分光滑的，因此當(dāng)光照陶瓷中大多數(shù)表面并不是十分光滑的，因此當(dāng)光照 射到粗糙不平的材料表面上時(shí)，發(fā)生相當(dāng)

29、的射到粗糙不平的材料表面上時(shí)，發(fā)生相當(dāng)?shù)穆瓷渎瓷?，其，?原因是材料表面粗糙，在局部地方的入射角參差不一，原因是材料表面粗糙，在局部地方的入射角參差不一， 反射光的方向也各式各樣。材料表面愈粗糙，鏡反射所反射光的方向也各式各樣。材料表面愈粗糙，鏡反射所 占的能量分?jǐn)?shù)愈小。如圖占的能量分?jǐn)?shù)愈小。如圖4.8 二、光澤二、光澤 要對(duì)光澤下個(gè)精確定義是很困難的，但它與鏡反射要對(duì)光澤下個(gè)精確定義是很困難的，但它與鏡反射 和漫反射的相對(duì)含量密切相關(guān)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)表面光澤與鏡和漫反射的相對(duì)含量密切相關(guān)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)表面光澤與鏡 反射光帶的寬度和它的強(qiáng)度有密切關(guān)系。這些因素主要反射光帶的寬度和它的強(qiáng)度有密切關(guān)系。

30、這些因素主要 由折射率和表面光潔度決定。由折射率和表面光潔度決定。 為了獲得高的表面光澤，需要材料表面形成完整的為了獲得高的表面光澤，需要材料表面形成完整的 光滑表面。為了減少表面光澤，可以采取低折射率的玻光滑表面。為了減少表面光澤，可以采取低折射率的玻 璃相或增加表面粗糙度，例如采用研磨或噴砂的方法，璃相或增加表面粗糙度，例如采用研磨或噴砂的方法， 表面化學(xué)腐蝕的方法以及由懸浮液或氣相沉淀一層細(xì)粒表面化學(xué)腐蝕的方法以及由懸浮液或氣相沉淀一層細(xì)粒 材料的方法產(chǎn)生粗糙表面。材料的方法產(chǎn)生粗糙表面。 第四節(jié)第四節(jié) 不透明性（乳濁）和半透明性不透明性（乳濁）和半透明性 一、不透明性一、不透明性 圖圖

31、4.9所示為釉和玻璃板中小顆粒散射的總效果圖。所示為釉和玻璃板中小顆粒散射的總效果圖。 影響該效果的光學(xué)特性有：影響該效果的光學(xué)特性有： a鏡反射光的分?jǐn)?shù)（它決定光澤）；鏡反射光的分?jǐn)?shù)（它決定光澤）； b直接透射光的分?jǐn)?shù)；直接透射光的分?jǐn)?shù)； c入射光漫反射的分?jǐn)?shù)；入射光漫反射的分?jǐn)?shù)； d入射光漫透射的分?jǐn)?shù)。入射光漫透射的分?jǐn)?shù)。 要獲得高度乳濁（不透要獲得高度乳濁（不透 明性），就要求光在達(dá)到具明性），就要求光在達(dá)到具 有不同光學(xué)特性底層之前被有不同光學(xué)特性底層之前被 漫反射掉。為了有高的半透漫反射掉。為了有高的半透 明性，光應(yīng)該被散射掉。決明性，光應(yīng)該被散射掉。決 定總散射系數(shù)從而影響兩相定總

32、散射系數(shù)從而影響兩相 系統(tǒng)乳濁度的主要因素有：系統(tǒng)乳濁度的主要因素有： 顆粒尺寸，相對(duì)折射率以及顆粒尺寸，相對(duì)折射率以及 第二相顆粒的體積含量。第二相顆粒的體積含量。 二、乳濁劑的成分和常用乳濁劑二、乳濁劑的成分和常用乳濁劑 構(gòu)成釉的主要成分的硅酸鹽玻璃，其構(gòu)成釉的主要成分的硅酸鹽玻璃，其 。 作為一種有效的散射劑，加進(jìn)玻璃內(nèi)的乳濁劑必須滿足以作為一種有效的散射劑，加進(jìn)玻璃內(nèi)的乳濁劑必須滿足以 下條件：下條件： a具有與玻璃顯著不同的折射率；具有與玻璃顯著不同的折射率； b能夠在玻璃基體中形成小顆粒。能夠在玻璃基體中形成小顆粒。 65. 149. 1 玻璃 n 因此，滿足以上條件的最有效的乳濁

33、劑有因此，滿足以上條件的最有效的乳濁劑有TiO2、 ZrO2和和SnO2。TiO2的的n雖很高，但在釉和玻璃中都沒有雖很高，但在釉和玻璃中都沒有 用作乳濁劑，這是由于高溫，特別是在還原氣氛下，會(huì)用作乳濁劑，這是由于高溫，特別是在還原氣氛下，會(huì) 使釉著色。使釉著色。 SnO2是另一種優(yōu)質(zhì)乳濁劑，其特點(diǎn)是燒成是另一種優(yōu)質(zhì)乳濁劑，其特點(diǎn)是燒成 時(shí)，如遇還原氣氛，還原成時(shí)，如遇還原氣氛，還原成SnO而溶于釉中，乳濁效果而溶于釉中，乳濁效果 消失，并且資源稀少、價(jià)格昂貴。消失，并且資源稀少、價(jià)格昂貴。ZrO2或或ZrSiO4不僅不僅 乳濁效果穩(wěn)定，不受氣氛影響，而且乳濁效果穩(wěn)定，不受氣氛影響，而且ZrS

34、iO4易得且價(jià)格易得且價(jià)格 低。因此常用乳濁劑是天然鋯英石（低。因此常用乳濁劑是天然鋯英石（ZrSiO4）。）。 三、乳濁機(jī)理三、乳濁機(jī)理 入射光被反射、吸收和透射所占的分?jǐn)?shù)取決于釉層入射光被反射、吸收和透射所占的分?jǐn)?shù)取決于釉層 的厚度、釉的散射和吸收特性。對(duì)于無限厚的釉層，其的厚度、釉的散射和吸收特性。對(duì)于無限厚的釉層，其 反射率反射率m等于釉層的總反射（入射光被漫反射和鏡面反等于釉層的總反射（入射光被漫反射和鏡面反 射）的分?jǐn)?shù)。射）的分?jǐn)?shù)。m取決于吸收系數(shù)和散射系數(shù)之比取決于吸收系數(shù)和散射系數(shù)之比: 2 1 2 2 2 1 SSS m 但是實(shí)際上釉層厚度是有限的，釉層底部與基底材料的但是實(shí)際上釉層厚度是有限的，釉層底部與基底材料的 界面，也會(huì)有反射上來的光線增加到總反射率中去。下面界面，也會(huì)有反射上來的光線增加到總反射率中去。下面 分兩種情況分析：分兩種情況分析： （1）設(shè)釉層與底材之間的反射率）設(shè)釉層與底材之間的反射率m=0（底材為一種完（底材為一種完 全吸收或完全透過入射光的材料），則釉層表面的反射為全吸收或完全透過入射光的材料），則釉層表面的反射為 m0； （2）與反射率為）與反射率為 的底材相接觸的釉層的表面光反射的底材相接觸的釉層的表面光反射 率率 ，釉層的覆蓋能力和，釉層的覆蓋能力和