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文檔簡介

1、電力電力機械、交通機械、交通電子、微電子電子、微電子日常生活日常生活Electrical Properties of Materials交變電場交變電場介電性質弱電場弱電場 導電性質強電場強電場 擊穿現(xiàn)象 材料表面材料表面靜電現(xiàn)象4.3 材料的電學性能材料的電學性能 不同材料電學性能的差異及其與組成和結構不同材料電學性能的差異及其與組成和結構的關系的關系 電導率和電阻率的定義、電導率和電阻率的定義、電導機制、電導率電導機制、電導率的基本參數(shù)及影響因素的基本參數(shù)及影響因素 材料的電子能帶結構與電導性、光導性和材料的電子能帶結構與電導性、光導性和半導電性半導電性 超導電性的定義、超導體的超導電性的

2、定義、超導體的2 2種特性、種特性、3 3個個性能指標性能指標 介電常數(shù)的定義、介質極化的三種機制,介電常數(shù)的定義、介質極化的三種機制, 交變電場中的介電損耗的成因及影響因素交變電場中的介電損耗的成因及影響因素 擊穿強度的定義擊穿強度的定義 材料電性能與溫度的關系材料電性能與溫度的關系電導率電導率(electrical conductivity)和和電阻率電阻率 4.3.1 電導率和電阻率電導率和電阻率測定電阻率的裝置示意圖測定電阻率的裝置示意圖電阻率分電阻率分: 體積電阻率:體積電阻率: V , m表面電阻率表面電阻率: S , 電阻率電阻率S:西門子:西門子電導率電導率電導率電導率(ele

3、ctrical conductivity) (1) 表征表征材料導電性的大小材料導電性的大小。 單位:S/m, (.m)-1 根據(jù)電導率對材料根據(jù)電導率對材料分類分類表表4-19 材料的分類及其電導率、電阻率材料的分類及其電導率、電阻率材料材料電阻率電阻率 m電導率電導率S/m超導體超導體導體導體半導體半導體絕緣體絕緣體010-8-10-510-5-107107-1018105-10810-7-10510-18-10-7 不同材料的電導率不同材料的電導率 金屬金屬 自由電子自由電子 電導率高電導率高 導電性好導電性好 硅、鍺硅、鍺 半導體半導體 離子固體(無機非金屬)離子固體(無機非金屬) 室

4、溫絕緣體室溫絕緣體 T , 電導率電導率 高分子高分子 絕緣體,絕緣體,雜質致有導電性雜質致有導電性 各種材料在室溫的電導率各種材料在室溫的電導率決定電導率的基本參數(shù)決定電導率的基本參數(shù) parameters 載流子類型載流子類型 charge carrier 電子、空穴、正 離子、負離子 載流子數(shù)載流子數(shù) charge carrier density-n, 個個/m3 載流子遷移率載流子遷移率 electron mobility ( 物理意義為載流子在單位電場中的遷移速度) 平均漂移速度(平均漂移速度(drift velocity),m/s電流密度電流密度 單位時間(單位時間(1s)通過單位

5、截面積的電荷量)通過單位截面積的電荷量 Jnqv 單位:庫倫單位:庫倫/(m 2s) , J=I/A 根據(jù)歐姆定律,及根據(jù)歐姆定律,及R=L/A電導率電導率 =J/E=nqv/E =nq載流子的遷移率載流子的遷移率 =v/Eiiiinq影響電導率的因素影響電導率的因素(1)影響)影響離子電導率離子電導率的因素的因素 溫度溫度 T, 晶體結構晶體結構 結合力大結合力大 ,小小 晶格缺陷晶格缺陷 固體電解質固體電解質雜質離子電導與溫度的關系雜質離子電導與溫度的關系(2)影響影響電子電導率電子電導率的因素的因素u 溫度溫度 單質金屬:單質金屬:電導率的溫度關系為 半導體和絕緣體:半導體和絕緣體:電導

6、率隨溫度變化以指數(shù)函數(shù)增大 =0exp(-Ec/kT) u雜質及缺陷雜質及缺陷 半導體摻雜使電導率增大。T-1Structures and Conductivity 材料的材料的電子結構與導電性電子結構與導電性 能帶能帶 electron energy band4.3.2 材料的結構與導電性材料的結構與導電性N個原子,個原子,N個能級個能級能帶間存在能隙(禁帶)能帶間存在能隙(禁帶)Section 12.5(a) (b)金屬,金屬,(c)絕緣體,絕緣體,(d)半導體半導體固體在固體在0K時各種可能的電子能帶結構時各種可能的電子能帶結構(1)導體導體 conductor 堿金屬堿金屬 鋰、鈉、鉀

7、鋰、鈉、鉀 鈉鈉(1S1S2 22S2S2 22P2P6 63S3S1 1) 堿土金屬堿土金屬 鈹、鎂、鈣鈹、鎂、鈣 鎂(鎂(1S1S2 22S2S2 22P2P6 63S3S2 2) 3S與與3P重迭重迭 貴金屬貴金屬 銅、銀、金銅、銀、金 銅(銅(1S1S2 22S2S2 22P2P6 63S3S2 23P3P6 63d3d10104S4S1 1) 過渡金屬過渡金屬 鐵、鎳、鈷鐵、鎳、鈷 鐵鐵(1S1S2 22S2S2 22P2P6 63S3S2 23P3P6 63d3d7 74S4S2 2)重迭重迭金屬中的自由電子都能導電嗎?金屬中的自由電子都能導電嗎?費米能級理論費米能級理論激發(fā)前激發(fā)

8、前激發(fā)后激發(fā)后影響金屬導電性的因素影響金屬導電性的因素電阻率電阻率 溫度溫度: thermal vibration雜質雜質: solid solution塑性形變塑性形變: dislocation散射散射(2)絕緣體絕緣體 insulator13種典型非金屬材料的室溫電導率種典型非金屬材料的室溫電導率離子固體的電導性離子固體的電導性離子性晶格缺陷的濃度離子性晶格缺陷的濃度溫度溫度晶體結構晶體結構聚合物的電導性聚合物的電導性添加型添加型結構型結構型 Alan J. HeegerUSAUniversity of Californiaanta Barbara, CA, USAb. 1936發(fā)現(xiàn)并發(fā)展

9、了導電聚合物發(fā)現(xiàn)并發(fā)展了導電聚合物 諾貝爾化學獎獲得者諾貝爾化學獎獲得者 2000年年白白川川英英樹樹Hideki Shirakawa Japan University of Tsukuba Tokyo, Japan b. 1936Alan G. MacDiarmidUSAUniversity of PennsylvaniaPhiladelphia, PA, USAb. 19271974年,白川英樹等年,白川英樹等聚乙炔薄膜聚乙炔薄膜銅色(銅色(cis-,電導率,電導率108107 Scm1)銀色(銀色(trans-,電導率,電導率103102 Scm1)1977年,年, Heeger 、Ma

10、cDiarmid 和白和白川英樹,發(fā)現(xiàn)當聚乙炔薄膜用川英樹,發(fā)現(xiàn)當聚乙炔薄膜用Cl2、Br2或或I2蒸氣氧化后,其電導率可提高幾個蒸氣氧化后,其電導率可提高幾個數(shù)量級。通過改變催化劑的制備方法數(shù)量級。通過改變催化劑的制備方法和取向,和取向,電導率可達電導率可達105 Scm1。圖 3 三維、二維和一維碳化合物材料共軛共軛能帶間隙隨聚合能帶間隙隨聚合物長度的增加而物長度的增加而減小減小摻雜摻雜:在聚合物上在聚合物上去掉或增加去掉或增加電子。電子。 氧化摻雜氧化摻雜(也稱(也稱P型摻雜)用鹵素摻雜型摻雜)用鹵素摻雜 還原摻雜還原摻雜(也稱(也稱n型摻雜)用堿金屬進行型摻雜)用堿金屬進行載流子載流子

11、在共軛聚合物材料中的在共軛聚合物材料中的躍遷躍遷包含:包含: 沿單一共軛體系沿單一共軛體系的運動:阻力小或無的運動:阻力小或無 在在共軛體系之間共軛體系之間的躍遷:阻力大的躍遷:阻力大聚乙炔,其聚乙炔,其摻雜摻雜的電導率大幅度提高,的電導率大幅度提高,摻雜到摻雜到6.67%時,能隙將消失。時,能隙將消失。導電聚合物電導率與溫度的關系導電聚合物電導率與溫度的關系v 導電聚合物具有金屬導電性,且重量輕、易加工、導電聚合物具有金屬導電性,且重量輕、易加工、材料來源廣等特點材料來源廣等特點v 用作用作電極、電磁波屏蔽、抗靜電電極、電磁波屏蔽、抗靜電材料等材料等v 半導體器件和發(fā)光器件方面的應用半導體器

12、件和發(fā)光器件方面的應用 聚合物電池(高分子鋰電池)、聚合物電池(高分子鋰電池)、 電致變色顯示器、電致變色顯示器、 電化學傳感器、場效應管、電化學傳感器、場效應管、 聚合物發(fā)光二極管聚合物發(fā)光二極管(LED) 導電聚合物的應用導電聚合物的應用(3)半導體)半導體 Semiconductors 本征半導體本征半導體 Intrinsic semiconductors室溫下幾種半導體材料的能隙、電導率、遷移率室溫下幾種半導體材料的能隙、電導率、遷移率載流子載流子:自由電子,自由電子,n, 負電荷負電荷 空穴,空穴,hole p, 正電正電荷荷carrierhe雜質半導體雜質半導體 extrinsic

13、 semiconductorn n型半導體型半導體 在在SiSi、GeGe等四價元素等四價元素中摻入少量中摻入少量五價元素五價元素P P、SbSb、BiBi、AsAs 在導帶附近形成摻雜的能級在導帶附近形成摻雜的能級 電子型導電電子型導電 p型半導體型半導體 在SiSi、GeGe等四價元素等四價元素中摻入中摻入B B、AlAl等三價元素等三價元素,在四價帶附近形成摻雜的能級 空穴型導電空穴型導電 半導體的半導體的電導率電導率與與溫度溫度的關系的關系T本征本征T-1分子軌道理論分子軌道理論受激態(tài)受激態(tài)可能的形式 ,* 狀態(tài) n,* 狀態(tài), 含有N N、O O或或S S CT 狀態(tài)電荷轉移受激態(tài)電

14、子給體基團(如一電子給體基團(如一NHNH2 2,一,一0H0H)及受體)及受體基(基(C=0C=0,一,一N0N02 2)之間發(fā)生電荷轉移)之間發(fā)生電荷轉移 材料的電子結構與光電導性材料的電子結構與光電導性 光電導效應光電導效應(photo-electrical):由光照而使?jié)M帶中):由光照而使?jié)M帶中 的電子激發(fā)到導帶的現(xiàn)象。的電子激發(fā)到導帶的現(xiàn)象。(1)分子受激過程與能量交換分子受激過程與能量交換光電流激活能光電流激活能 EEJEIhv兩種構型構型: 單重態(tài)、三重態(tài)2光生載流子機理光生載流子機理機理A:直接帶-帶轉變。機理B:單重態(tài)激子。機理C:光學退陷阱。機理D:光注射電子或空穴4.3.

15、4 材料的超導電性材料的超導電性1、 超導電性超導電性- (superconductivity)在一定低溫下材料突然失去在一定低溫下材料突然失去電阻的現(xiàn)象。電阻的現(xiàn)象。 (小于(小于10-25cm)液氦,超導現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)液氦,超導現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)諾貝爾物理獎獲得者諾貝爾物理獎獲得者1913年年 Heike Kamerlingh Onnes the Netherlands Leiden University Leiden, the Netherlands b. 1853d. 1926汞,汞,4.2 K J. Georg Bednorz Federal Republic of Germany IBM Rese

16、arch Laboratoryb. 1950在陶瓷(金屬氧化物)中發(fā)現(xiàn)超導現(xiàn)象,超導研究取得重大突在陶瓷(金屬氧化物)中發(fā)現(xiàn)超導現(xiàn)象,超導研究取得重大突破破, 諾貝爾物理獎獲得者諾貝爾物理獎獲得者 1987年年K. Alexander Muller Switzerland R chlikon,Switzerland b. 1927超導電性的金屬和合金超導電性的金屬和合金 Tc 30 K 鈦、釩、鋯、鈮、鉬、鉭、鎢、錸、鉍、鋁、錫、鎘鈦、釩、鋯、鈮、鉬、鉭、鎢、錸、鉍、鋁、錫、鎘等等28種。種。 二元合金二元合金NbTi,Tc810K; NbZr,Tc1011K。三元系合金有鈮三元系合金有鈮-鈦

17、鈦-鋯,鋯,Tc=10 K;鈮;鈮-鈦鈦-鉭,鉭,Tc=910K。超導化合物超導化合物 Nb3Sn,Tc=1818.5K; Nb3Ge,Tc23.2K, Nb3(AlGe),),Tc20.7K等等 超導電性的金屬氧化物超導電性的金屬氧化物 1960s Ba-Y-Cu-O系,系,35K, 1986, Bednorz, Muller Ba-Y-Cu-O系系, 100 K, 1987, 朱經武朱經武、我國我國趙忠賢趙忠賢等等 Hg-Ba-Cu-O系,系,140 K2 超導體的兩種特性:超導體的兩種特性: 完全導電性完全導電性 完全抗磁性完全抗磁性 磁感應強度始終為零磁感應強度始終為零三個性能指標三個

18、性能指標超導轉變溫度超導轉變溫度 Tc 愈高愈好愈高愈好 臨界磁場臨界磁場Hc 破壞超導態(tài)的最小磁場。破壞超導態(tài)的最小磁場。 隨溫度降低,隨溫度降低,Hc將增加;將增加; 當當TTc時時, Hc=Hc,01-(T/Tc)2 臨界電流密度臨界電流密度Jc 保持超導狀態(tài)的最大輸入電流保持超導狀態(tài)的最大輸入電流 (與與Hc相關相關) 4.3.4 材料的介電性材料的介電性材料極化材料極化 1電容及介電常數(shù)電容及介電常數(shù)真空電容真空電容 C0=Q0/V 0 A/ l 介質中電容介質中電容 CQ/V=A/l 0真空電容率(或真空介電常數(shù)),8.85xl0-12 Fm 介質的電容率(或介電常數(shù)) permi

19、ttivity(dielectric property)原因原因:材料極化極化 極化原因 電子極化電子極化 電子云 偏離中心 離子極化離子極化 取向極化取向極化 介電常數(shù)介電常數(shù) dielectric constant, 電介質在電場作用下極化程度電介質在電場作用下極化程度的宏觀物理量。 介質的相對介電常數(shù)相對介電常數(shù) r = C / C0 = /0 相對電容量,無量綱常數(shù)無量綱常數(shù)一些材料的一些材料的r 數(shù)值數(shù)值: 石英石英3.8; 絕緣陶瓷絕緣陶瓷6.0; PE2.3; PVC3.8高高分子材料的分子材料的r 由主鏈結構中的鍵的由主鏈結構中的鍵的性能和排列所決定的。性能和排列所決定的。 表

20、表4-24 某些材料的某些材料的相對介電常數(shù)相對介電常數(shù)r( T=25, =106Hz) 塑料和有機物塑料和有機物 玻玻 璃璃 無機晶態(tài)材料無機晶態(tài)材料聚四氟乙烯(聚四氟乙烯(Tefton)2.1石英玻璃石英玻璃 3.8 氧化鋇氧化鋇 3.4聚異丁烯聚異丁烯 2.23 耐熱玻璃耐熱玻璃 3.8-3.9 云母云母 3.6聚乙烯聚乙烯 2.35 派勒克斯玻璃派勒克斯玻璃 4.0-6.0 氯化鉀氯化鉀 4.75聚苯乙烯聚苯乙烯 2.55 堿堿-石灰石灰-硅石玻璃硅石玻璃6.9 溴化鉀溴化鉀 4.9丁基橡膠丁基橡膠 2.56 高鉛玻璃高鉛玻璃 19.0 青石陶瓷青石陶瓷 4.5-5.4有機玻璃有機玻璃

21、 2.63 (2MgO2Al2O3 3SiO4為基)為基)聚氯乙烯聚氯乙烯 3.3 金剛石金剛石 5.5聚酰胺聚酰胺66 3.33 鎂橄欖石鎂橄欖石 6.22 (Mg2SiO4) 聚酯聚酯 3.1-4.0 多鋁紅柱石多鋁紅柱石3Al2O3 2SiO2 6.6 酚甲醛酚甲醛 4.75 氟化鎳氟化鎳 9.0氯丁橡膠氯丁橡膠 6.26 氧化鎂氧化鎂 9.65 紙紙 7.0乙酸乙烯酯的介電常數(shù)乙酸乙烯酯的介電常數(shù)-溫度曲線溫度曲線頻率對介電常數(shù)和介電損耗的影響頻率對介電常數(shù)和介電損耗的影響電介質電介質在在交變電場交變電場作用下作用下,電能轉變成熱能電能轉變成熱能而而損耗損耗 漏導電電流、極化電流損耗漏

22、導電電流、極化電流損耗 介電常數(shù)介電常數(shù) 可用復數(shù)表示:可用復數(shù)表示: = - i 式中式中 為與電容電流相關的介電常數(shù),實數(shù)部分;為與電容電流相關的介電常數(shù),實數(shù)部分; 與電阻電流相關的分量,虛數(shù)部分,與電阻電流相關的分量,虛數(shù)部分,2 dielectric loss.介電損耗介電損耗介電損耗因子介電損耗因子 滯后位相角滯后位相角 損耗角損耗角 損耗角損耗角 的正切:的正切: tg = / 介電損耗介電損耗影響影響tg 的因素的因素(1) 分子結構分子結構 極性大極性大 tg 大大 基團數(shù)目多基團數(shù)目多 tg 大大 (2) 小分子及小分子及雜質雜質(3) 多相多相體系(界面極化)體系(界面極

23、化)(4) 交變電場交變電場頻率(介電損耗峰)頻率(介電損耗峰)(5) 溫度溫度高聚物的介電性能高聚物的介電性能高聚物v體積電阻率體積電阻率(.m)擊穿強度擊穿強度(MV/m)介電常數(shù)介電常數(shù)(60Hz)介電損耗角正切介電損耗角正切值值(60Hz)聚乙烯(高密度)聚丙烯聚苯乙烯聚氯乙烯尼龍6尼龍66滌綸聚甲醛聚碳酸酯聚四氟乙烯聚砜丁苯橡膠1014101410141012-10151012-101510121012-10161012101410161014101326-28302415-252215-1918-617-2225-4016-20202.2-2.4 (1016Hz)2.0-2.6 (

24、1016Hz)2.5 (1016Hz)3.2-3.6 (1016Hz)4.14.03.43.73.02.0-2.22.9-3.12.2 0.05 0.001 0.005 0.04-0.08 (1016 Hz) 0.01 0.014 0.021 0.005 0.006 0.0002 0.01-0.006 0.004陶瓷電介質的性能陶瓷電介質的性能材料體積電阻率V .m擊穿強度MV/m介電常數(shù)介電損耗角正切值tg60Hz105Hz60Hz105Hz絕緣瓷絕緣瓷塊滑石塊滑石鋯英石鋯英石氧化鋁氧化鋁鈉鈣玻璃鈉鈣玻璃電氣玻璃電氣玻璃熔融石英熔融石英1 01 1-10131012約101310121012

25、1015約101220-8080-150100-1501010-1066669-7-4-689743.8 0.01 0.005 0.035 - 0.1 - 0.001-0.0030.0010.00050.010.00060.0001 tg 大,損耗大,材料發(fā)熱。大,損耗大,材料發(fā)熱。 電容介質電容介質 大,大,tg 小小 高頻焊接:薄膜封口,高頻焊接:薄膜封口,tg 大大 高頻電纜高頻電纜用用PE,而不用,而不用PVC 非極性非極性 極性極性3 介電性的應用介電性的應用強電場中材料破壞。強電場中材料破壞。高分子材料,絕緣材料高分子材料,絕緣材料 重要指標。重要指標。電壓升高,超過臨界值,電阻率

26、急劇下降,電流升高,電壓升高,超過臨界值,電阻率急劇下降,電流升高, 材料由絕緣體材料由絕緣體 導體導體擊穿強度擊穿強度 E穿穿=V穿穿/h V穿穿擊穿電壓;擊穿電壓;h 材料厚度。材料厚度。 E穿穿的單位:的單位:MV/m 或或V/cm。介電擊穿分類:特征擊穿、熱擊穿、電機械擊穿、介電擊穿分類:特征擊穿、熱擊穿、電機械擊穿、 放電擊穿放電擊穿4dielectric strength擊穿強度擊穿強度4.5 材料的光學性能材料的光學性能4.5.1 電磁輻射及其與原子的相互作用4.5.2 反射、吸收和透射4.5.3 材料的光學性質4.5.4 旋光性及非光學性4.5.5 光澤4.5.6 發(fā)光4.5.

27、7 光敏性4.5.1 電磁輻射及其與原子的相互作用電磁輻射及其與原子的相互作用hhcE光子的能量光子的能量4.5.2 反射、吸收和透射反射、吸收和透射光的折射光的折射由于介質的電子極化使光速降低由于介質的電子極化使光速降低折射率:折射率:n=c/v相對折射率:相對折射率: rnsin/sin21nr:相對介電常數(shù)相對介電常數(shù)光的反射光的反射鏡反射:光潔表面;漫反射:粗糙表面。反射率反射率R R=IR/I0 212212)/()(nnnnR若介質1為空氣,n1=122) 1/() 1(nnR垂直入射光的吸收光的吸收(1) 光吸收的一般規(guī)律光吸收的一般規(guī)律 朗伯特定律朗伯特定律 不同材料對光的吸收

28、系數(shù)吸收系數(shù)差別很大。 空氣 10-5cm-1 玻璃 10-2cm-1 金屬的很大,不透明。axeII0IdxdI(2)光吸收與光波長)光吸收與光波長在可見光區(qū),金屬和半導體的吸收系數(shù)都很大,但電介質材料吸收系數(shù)很小,其在紫外區(qū)、紅外區(qū)出現(xiàn)吸收峰。透明材料的選擇性吸收使其呈現(xiàn)不同的顏色。大多數(shù)金屬的反射率反射率R在0.900.95之間。光的透射光的透射透射率透射率TleRT2)1 (I0=IT+IR+IA和R與入射光的頻率有關。4.5.3 材料的光學性質材料的光學性質金屬的光學性質金屬的光學性質 不透明、高反射率, 值和R值都很大,反射率與入射光的頻率有關。非金屬材料的光學性質非金屬材料的光學

29、性質大多數(shù)非金屬對紅外光線有一定程度的吸收。紅外光譜紅外光譜IR非金屬材料是否具有顏色或透明取決于材料的能帶結構以及光線在材料內部的散射。許多半導體吸收可見光輻射,不透明。電介質材料一般對可見輻射是透明的,沒有顏色。影響透明性的因素:孔洞; 折射率不同產生光散射。 例:已知碲化鋅的Eg=2.26eV,它對哪一部分 可見光透明?解:Eg=hc/ 其中 h=6.6210-34J s;C=3108m/s; 1eV=1.610-19J mmJsmJsEhcg549. 01049. 5106 . 126. 2/1031062. 6719834碲化鋅不能吸收波長在0.549m以上的可見光,它對橙紅光是透明

30、的。4.5.4 旋光性及非線性光學性旋光性及非線性光學性旋光性旋光性(optical activity) 偏振光、偏振面偏振光、偏振面 旋光性:旋光性:使偏振光的偏振面旋轉的性質。 旋光性物質旋光性物質非線性光學性質非線性光學性質激光對介質的極化作用: 誘導極化強度 極化強度 能產生大的二階或三階非線性光學效應的物質稱二階或三階非線性光學材料。應用:具有變頻、增幅、開關、記憶等功能,用于調制器、重現(xiàn)器、放大器、光學信號處理等。3203)3(2)2()1(EEEP4.5.5 光澤光澤光澤是物體表面定向選擇反射的性質,體現(xiàn)在表面上呈現(xiàn)不同的亮斑或形成重疊于表面的物體的像。光澤度是物體受光照射時表面對光的反射能力。光澤與折射率、表面光潔度有關。 鏡面:玻璃表面的光澤度為90%100% 光面:物體表面的光澤度為70%90%; 半光澤表面:物體表面的光澤度為30%70%; 亞光表面(蛋殼光澤表面):表面的光澤度為10%30%; 無光面:表面的光澤度為2%15%。4.5.6 發(fā)光發(fā)光發(fā)光發(fā)光:材料吸收外界能量后,在可見光范圍內以一定頻率向外發(fā)射光子。陶瓷、半導體、共軛聚合物陶瓷、半導體、共軛聚合物可能發(fā)光熒光、磷光。熒光、磷光。應用:

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