材料科學與技術講義材料的光性質,材料的力學性質

三、非金屬的光學性質1、折射對可見光可能透明或不透明；存在反射、折射、吸收、散射折射：光從一種介質進入另一種介質時方向改變的現(xiàn)象折射率：光在介質中的傳播速度與光波波長有關：棱鏡的色散介質中的光速度：第四節(jié)材料的光學性質一、光的屬性、光與物質的作用二、金屬的光學特性組成原子或離子越大，電子極化愈高、折射率越大大多數(shù)非金屬測折射率相對介電常數(shù)：光電場（高頻）下:介質極化由電子位移極化決定，離子極化、偶極取向極化幾乎不起作用介質的介電性、光速在介質中的減小主要由電子位移極化引起介質折射率與組成原子或離子的大小有關：普通玻璃：摻Ba或Pb離子玻璃:材料結構的各相異性導致光學性質的各相異性，立方晶體各向同性反射率：反射強度與入射強度之比2、反射光從一種介質入射到折射率不同的另一種介質時，兩介質的界面上產(chǎn)生反射反射定律、能量守恒定律垂直入射、反射率真空或空氣：反射率與波長有關折射率與波長有關3、吸收（1）電子位移極化對所有材料都存在、只有在色散區(qū)非金屬材料光吸收三種機理：才有顯著的吸收—共振吸收（2）本征吸收價帶電子吸收光子越過禁帶直接到導帶本征吸收本征吸收的實現(xiàn)條件：光子能量：可見光可激發(fā)的最大禁帶寬度：禁帶寬度大于3.1eV的非金屬不可能以這種機理吸收光子的高純度材料應無色透明的材料：對可見光不透明可見光能量最小的光子：紅光子禁帶寬度小于1.8eV的材料可吸收各種可見光子的材料：部分吸收可見光、帶色透明非金屬材料的不透明波長：紅線金剛石：紅線雜質能級（3）雜質吸收（禁帶中的吸收）價電子吸收光子進入禁帶中的雜質或缺陷能級；雜質或缺陷能級上的電子吸收光子到導帶雜質或缺陷能級起到從價帶向導帶轉移電子的中轉站

禁帶中雜質或缺陷能級的存在使價電子能吸收更小能量的光子禁帶中的吸收只有當材料中含有較多雜質時才顯著導帶電子可直接躍遷到價帶與空穴復合、也可經(jīng)雜質能級再到價帶，產(chǎn)生能量不同的光子4、絕緣體的半透明和不透明性絕緣單晶體：大、光透明實際陶瓷材料：不僅不是單晶體、而且是多相體晶相、非晶相、氣相（氣孔）組成上：除基本成分外、還有添加劑、填料、雜質多晶材料(即使僅晶相)：也可能是半透、甚至不透明多相材料：不僅存在晶界上的散射，晶相、非晶相、氣相多相體：原因：各微晶取向不同，晶界上的反射和折射引起光線的散射(晶體折射率各向異性)間的界面上存在更強的散射（折射率差異更大)透光性較多晶材料差高分子聚合物純非晶、均相：透明（折射率各處相同）結晶性聚合物：半透、甚至不透明晶相組成：晶區(qū)和非晶區(qū)折射率差異大、界面散射強1、發(fā)光現(xiàn)象四、其它光學現(xiàn)象光可見光發(fā)光：產(chǎn)生的電磁輻射光子為可見光子的過程可見光子的能量：如：聚乙烯、全同立構聚丙烯、聚四氟乙烯、尼龍等提供發(fā)光體能量—電能、熱能、電磁輻射能、化學能等實現(xiàn)持續(xù)發(fā)光的條件：可見光冷光可見光的發(fā)光冷光發(fā)光冷光發(fā)光分為二類：熒光和磷光熒光的延遲時間：磷光的延遲時間：發(fā)光延遲時間：材料從受激到發(fā)光的延遲時間熒光發(fā)光過程：導帶中的電子直接躍遷到價帶、與空穴復合的過程磷光發(fā)光過程：磷光體中的雜質、在禁帶中產(chǎn)生雜質能級導帶電子雜質能級、被捕獲價帶、與空穴復合逸出捕獲阱發(fā)光的延遲時間長熒光發(fā)光熒光燈水銀和惰性氣體的混合氣體輝光放電紫外線激發(fā)熒光劑熒光劑的發(fā)光弛豫時間越小越好熒光劑的基質：鹵代磷酸鈣，熒光劑的活化劑：銻、錳磷光發(fā)光電視機熒光屏常用磷光劑基質：

（Ca,Sr,Ba,Zn,Cd

等）金屬硫化物活化劑：金屬Ag,Cu,Mn,Al等熒光屏的磷光劑的弛豫時間要適當過短或過長缺影或重影2、光電性光電性：光照到材料上引起材料的電導率的變化光電材料半導體材料光半導體價電子激發(fā)或產(chǎn)生電流的現(xiàn)象導帶電子、價帶空穴增加電導率增大一定范圍內：（光強）光電導：光電流：太陽能電池工作原理PN結內電場太陽能電池工作原理太陽光照射PN結P區(qū)和N區(qū)產(chǎn)生電子和空穴PN結內電場的形成P區(qū)電子和N區(qū)空穴（少數(shù)載流子）形成光電流（內電場作用）太陽能電池工作原理與發(fā)光二極管相反發(fā)光二極管N區(qū)多數(shù)載流子—電子與P區(qū)多數(shù)載流子—空穴復合發(fā)光3、激光普通光源的光：A、激發(fā)態(tài)電子的輻射躍遷具有隨即性、無關性B、光波由一段段的短波列組成C、相干性差、相干長度短（子波列的長度）、（波列的長度，子波的頻率、位相、偏振方向一般不同）方向性差、強度低激光:光子誘發(fā)式電子能態(tài)轉變，電子的輻射躍遷與誘發(fā)光子具有相關性、與誘發(fā)光子的頻率、位相、偏振態(tài)、傳播方向相同子波列很長、相干長度大、相干性好紅寶石組成：藍寶石單晶離子紅寶石激光器離子產(chǎn)生激光所需的能態(tài)紅寶石加工：柱狀、兩端面高度拋光、相互平行一端面：部分鍍銀、能部分透光，另一端面：充分鍍銀、完全反射基態(tài)入射光子（氬氣燈）能量激發(fā)態(tài)自發(fā)輻射自發(fā)與受激輻射激光亞穩(wěn)態(tài)氬氣燈紅寶石基態(tài)到激發(fā)態(tài)激發(fā)過程：基態(tài)入射光子（氬氣燈）能量激發(fā)態(tài)自發(fā)輻射自發(fā)與受激輻射激光亞穩(wěn)態(tài)發(fā)光過程：兩個途徑：（1）直接從激發(fā)態(tài)返回基態(tài)、同時發(fā)出光子，產(chǎn)生的光不是激光；（2）激發(fā)態(tài)電子首先躍遷到“亞穩(wěn)態(tài)”，停留3ms后返回基態(tài)、發(fā)出光子3ms：微觀上很長的時間亞穩(wěn)態(tài)上聚集大量電子亞穩(wěn)態(tài)到基態(tài)的個別躍遷誘發(fā)雪崩式連鎖躍遷高度準直、高強度的出射激光兩端面間的激光子來回反射、準直紅寶石激光波長：激光工作物質：固體、液體和氣體氣體有：離子，激光器晶體和玻璃體、人工晶體占多數(shù)固體激光器：激活離子的密度大、激光強度強、譜線窄、波長范圍大、激光器機械強度和化學穩(wěn)定性好常用固體激光器的工作物質：激光的應用機械激光切割、表面處理，醫(yī)療激光手術刀、激光碎石，通訊及軍事（激光武器）等第五節(jié)材料的力學性能一、彈性1、彈性模量E彈性：物體具有恢復形變前的形狀和尺寸的性質彈性形變：可立即恢復變形應力（T）：材料單位橫截面積力，橫截面積應變：應力作用下材料的相對線變化量上所承受的力原長，長度變化量沿應力方向：單向拉伸實驗表明：各向同性的物體，應力與應變之間具有線性關系彈性模量或楊氏模量2、泊松比單向受力狀態(tài)下材料橫向應變與受力方向的縱向應變的比值橫縱金屬材料的泊松比：無機材料的泊松比：理想材料的泊松比：（理論值）橫縱3、切變模量在單向切應力作用下，切應力與切應變間有線性關系切應力：單位面積上受的剪切力上、下表面面積切應變：畸變角度剪切模量或剛性模量4、壓縮模量B材料受液體靜壓作用（各個方向上所受壓強—應力相同）表征材料抗壓縮作用的彈性模量體積變化率與靜壓（應力）成正比：比例系數(shù)：壓縮模量壓縮模量的倒數(shù)壓縮系數(shù)材料的可壓縮性各向同性的材料上述四個彈性模量只有兩個獨立其間關系：（材料