光學(xué)性能及腐蝕性能(材料科學(xué)基礎(chǔ)) (2)課件

4-5材料的光學(xué)性能(opticalproperties)4-5-1電磁輻射及其與原子的相互作用

Interactionsofelectromagneticradiationandatoms1、光波是指波長(zhǎng)在特定范圍內(nèi)的電磁輻射。因此，光和物質(zhì)的相互作用——取決于物質(zhì)電磁性質(zhì)的基本參數(shù),即電導(dǎo)率、介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。2、光子能量energyEofaphoton

E＝hc／λ＝hνh為普朗克常數(shù)；ν為光的頻率；c為光速；λ為波長(zhǎng)4、固體材料的光學(xué)性質(zhì)，取決于電磁輻射與材料表面、近表面以及材料內(nèi)部的電子、原子、缺陷之間的相互作用3、電磁輻射與物質(zhì)的相互作用是由電子躍遷和極化效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的只有能量hν

＝

⊿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(shí)，將產(chǎn)生光的反射與折射、光的吸收與透射。（2）光吸收與光波長(zhǎng)radiationabsorptionandwavelength在電磁波譜的可見(jiàn)光區(qū)：金屬和半導(dǎo)體的吸收系數(shù)很大（價(jià)電子處于未滿(mǎn)帶）

電介質(zhì)材料吸收系數(shù)小（價(jià)電子所處能帶是填滿(mǎn)的）在紫外吸收端：禁帶寬度大的材料，紫外吸收端的波長(zhǎng)較小在紅外區(qū)：離子的彈性振動(dòng)與光子輻射發(fā)生諧振消耗能量所致紫外吸收端相應(yīng)的波長(zhǎng)可根據(jù)材料的禁帶寬度Eg求得：λ=hc/EgEg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(xiàn)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＝（1－R）2e－αl上式適用的條件是，材料的正面和背面要處于同一介質(zhì)中。透射、反射、吸收這三部分光線(xiàn)的強(qiáng)度之和當(dāng)然等于入射線(xiàn)強(qiáng)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1I＝I0e－αxα和R是材料的基本參數(shù)，對(duì)于給定的材料，α和R都與入射線(xiàn)的頻率有關(guān)。6、無(wú)機(jī)非金屬材料的光學(xué)性質(zhì)非金屬是否透明取決于能帶結(jié)構(gòu)。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(jié)果。其光學(xué)性質(zhì)有如下幾點(diǎn)：（1）對(duì)紅外線(xiàn)有一定程度的吸收（因?yàn)榧t外光子頻率與原子振動(dòng)頻率相近，發(fā)生諧振）（2）半導(dǎo)體：吸收可見(jiàn)輻射，且不透明（因?yàn)榭梢?jiàn)光的頻率已足以使電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶）（3）絕緣體傾向于對(duì)可見(jiàn)輻射透明（因?yàn)槟芟断喈?dāng)寬，以至于可見(jiàn)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(xiàn)由多次內(nèi)反射造成（5）本質(zhì)透明的材料由于加工過(guò)程中留下孔洞也可不透明7、高分子材料的光學(xué)性質(zhì)聚合物多數(shù)無(wú)色,包括高透明(transparent)到不透明。透明度的損失起源于材料內(nèi)部折射指數(shù)不均勻性產(chǎn)生的光散射

散射程度強(qiáng)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——減少球晶大小；拉伸——球晶轉(zhuǎn)變?yōu)槿∠蛭⒔z，散射光線(xiàn)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(jiàn)光范圍向外發(fā)射，這稱(chēng)為發(fā)光。

熒光(fluorescence)：延遲發(fā)射10-8s

磷光(phosphorescence)：延遲發(fā)射>

10-8s含有雜質(zhì)，產(chǎn)生摻雜能級(jí)價(jià)帶與導(dǎo)帶重疊沒(méi)有能隙，發(fā)射光波長(zhǎng)長(zhǎng)于可見(jiàn)光，沒(méi)有發(fā)光

價(jià)帶與導(dǎo)帶間有能隙為Eg

紅寶石激光器中的Cr的能級(jí)最初平衡態(tài)時(shí)各能級(jí)的粒子數(shù)n1>n2>n3

波長(zhǎng)為5500埃的黃綠光照射后鉻原子吸收這一波長(zhǎng)的光子，從能級(jí)1躍遷到能級(jí)3，但隨后立即自發(fā)躍遷到能級(jí)2，并能在這一能級(jí)上維持較長(zhǎng)時(shí)間，這樣，便可不斷地把低能級(jí)（E1)的粒子“搬運(yùn)”到能級(jí)2上來(lái)，最后達(dá)到n2>n1，產(chǎn)生了激光。有些元素具有特殊的亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)，也就是原子可在這種高能級(jí)上駐留較長(zhǎng)的時(shí)間而不發(fā)生自發(fā)躍遷，這為實(shí)現(xiàn)粒子反轉(zhuǎn)提供了可能。當(dāng)然，最后還要經(jīng)過(guò)光諧振器，使光子不斷增殖，最后產(chǎn)生很強(qiáng)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(xué)介質(zhì)、濕、氣、光、氧、熱等環(huán)境因素作用下發(fā)生惡化變質(zhì)的現(xiàn)象腐蝕分類(lèi)：(1)腐蝕作用性質(zhì)：物理、化學(xué)、電化學(xué)(2)腐蝕環(huán)境和過(guò)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(xué)、化學(xué)（氧化）腐蝕無(wú)機(jī)：化學(xué)高分子：化學(xué)、物理腐蝕4-5-1物理腐蝕physicaldeterioration

環(huán)境介質(zhì)作用，以物理變化發(fā)生破壞的腐蝕高分子材料為主

類(lèi)型：

溶脹和溶解應(yīng)力開(kāi)裂滲透破壞影響因素：

介質(zhì)濃度溫度溫度變化液體流動(dòng)應(yīng)力大小作用周期復(fù)合材料：界面引起腐蝕

看課本p397(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(cè)擴(kuò)散到較低濃度一側(cè)的現(xiàn)象

q=-D(dc/dx)·A·t

穩(wěn)態(tài)時(shí)，滲透率（液體）

J=q/A·t=D/L（c1-c2）

（c1>c2）

A、t、D分別為面積、時(shí)間及擴(kuò)散系數(shù)膜厚度為L(zhǎng)，膜兩側(cè)濃度差為（c1-c2）

對(duì)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(jié)構(gòu)和物理狀態(tài)對(duì)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(yùn)動(dòng)擴(kuò)散耐溶劑性

溫度柔性耐溶劑性

結(jié)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(yīng)力開(kāi)裂在應(yīng)力（外加的或內(nèi)部的殘余應(yīng)力）與某些介質(zhì)（如活性物質(zhì)）共同作用下，高分子材料出現(xiàn)銀紋，并進(jìn)一步生長(zhǎng)成裂縫，直至發(fā)生脆性斷裂介質(zhì)的影響，只有溶解度參數(shù)差值在某一范圍內(nèi)時(shí)，才易引起局部溶脹，導(dǎo)致環(huán)境應(yīng)力開(kāi)裂。4.5.2化學(xué)腐蝕(chemicalcorrosion)1、環(huán)境介質(zhì)(media)的化學(xué)腐蝕作用(1)酸(acid)、堿(base)、鹽(salt)腐蝕作用①酸、堿、鹽對(duì)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(duì)鋁、鋅、錫、鉛等兩性金屬有顯著的腐蝕性

鹽影響極為錯(cuò)綜復(fù)雜使pH值發(fā)生變化的鹽氧化性鹽②酸、堿、鹽對(duì)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(xué)介質(zhì)老化，水解(2)大氣腐蝕大氣中水和氧等物質(zhì)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(zhì)①大氣腐蝕的特征大氣是組分復(fù)雜的混合物

非金屬材料，如高分子材料——化學(xué)腐蝕

金屬材料——單純化學(xué)腐蝕——緩慢，如氧化電化學(xué)腐蝕——水汽在金屬表面形成液層，構(gòu)成電解質(zhì)液膜層②金屬材料在大氣中的耐蝕性及防護(hù)防護(hù)：研制和選用耐蝕材料，如低合金鋼；涂層和鍍層保護(hù)，如油漆和金屬鍍層；降低大氣濕度③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?zhǔn)椒磻?yīng)。

臭氧(ozone)：開(kāi)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(xiàn)溫度濕氣活性氣體其它如風(fēng)、雪等

耐侯性提高方法：a紫外線(xiàn)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