材料科學(xué)與技術(shù)講義材料的光性質(zhì),材料的力學(xué)性質(zhì)

三、非金屬的光學(xué)性質(zhì)1、折射對(duì)可見(jiàn)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(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)方向改變的現(xiàn)象折射率：光在介質(zhì)中的傳播速度與光波波長(zhǎng)有關(guān)：棱鏡的色散介質(zhì)中的光速度：第四節(jié)材料的光學(xué)性質(zhì)一、光的屬性、光與物質(zhì)的作用二、金屬的光學(xué)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(cè)折射率相對(duì)介電常數(shù)：光電場(chǎng)（高頻）下:介質(zhì)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(zhì)的介電性、光速在介質(zhì)中的減小主要由電子位移極化引起介質(zhì)折射率與組成原子或離子的大小有關(guān)：普通玻璃：摻Ba或Pb離子玻璃:材料結(jié)構(gòu)的各相異性導(dǎo)致光學(xué)性質(zhì)的各相異性，立方晶體各向同性反射率：反射強(qiáng)度與入射強(qiáng)度之比2、反射光從一種介質(zhì)入射到折射率不同的另一種介質(zhì)時(shí)，兩介質(zhì)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(zhǎng)有關(guān)折射率與波長(zhǎng)有關(guān)3、吸收（1）電子位移極化對(duì)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(jī)理：才有顯著的吸收—共振吸收（2）本征吸收價(jià)帶電子吸收光子越過(guò)禁帶直接到導(dǎo)帶本征吸收本征吸收的實(shí)現(xiàn)條件：光子能量：可見(jiàn)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(jī)理吸收光子的高純度材料應(yīng)無(wú)色透明的材料：對(duì)可見(jiàn)光不透明可見(jiàn)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(jiàn)光子的材料：部分吸收可見(jiàn)光、帶色透明非金屬材料的不透明波長(zhǎng)：紅線(xiàn)金剛石：紅線(xiàn)雜質(zhì)能級(jí)（3）雜質(zhì)吸收（禁帶中的吸收）價(jià)電子吸收光子進(jìn)入禁帶中的雜質(zhì)或缺陷能級(jí)；雜質(zhì)或缺陷能級(jí)上的電子吸收光子到導(dǎo)帶雜質(zhì)或缺陷能級(jí)起到從價(jià)帶向?qū)мD(zhuǎn)移電子的中轉(zhuǎn)站

禁帶中雜質(zhì)或缺陷能級(jí)的存在使價(jià)電子能吸收更小能量的光子禁帶中的吸收只有當(dāng)材料中含有較多雜質(zhì)時(shí)才顯著導(dǎo)帶電子可直接躍遷到價(jià)帶與空穴復(fù)合、也可經(jīng)雜質(zhì)能級(jí)再到價(jià)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(shí)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(zhì)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(xiàn)的散射(晶體折射率各向異性)間的界面上存在更強(qiáng)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(jié)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(qiáng)1、發(fā)光現(xiàn)象四、其它光學(xué)現(xiàn)象光可見(jiàn)光發(fā)光：產(chǎn)生的電磁輻射光子為可見(jiàn)光子的過(guò)程可見(jiàn)光子的能量：如：聚乙烯、全同立構(gòu)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(xué)能等實(shí)現(xiàn)持續(xù)發(fā)光的條件：可見(jiàn)光冷光可見(jiàn)光的發(fā)光冷光發(fā)光冷光發(fā)光分為二類(lèi)：熒光和磷光熒光的延遲時(shí)間：磷光的延遲時(shí)間：發(fā)光延遲時(shí)間：材料從受激到發(fā)光的延遲時(shí)間熒光發(fā)光過(guò)程：導(dǎo)帶中的電子直接躍遷到價(jià)帶、與空穴復(fù)合的過(guò)程磷光發(fā)光過(guò)程：磷光體中的雜質(zhì)、在禁帶中產(chǎn)生雜質(zhì)能級(jí)導(dǎo)帶電子雜質(zhì)能級(jí)、被捕獲價(jià)帶、與空穴復(fù)合逸出捕獲阱發(fā)光的延遲時(shí)間長(zhǎng)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(xiàn)激發(fā)熒光劑熒光劑的發(fā)光弛豫時(shí)間越小越好熒光劑的基質(zhì)：鹵代磷酸鈣，熒光劑的活化劑：銻、錳磷光發(fā)光電視機(jī)熒光屏常用磷光劑基質(zhì)：

（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(shí)間要適當(dāng)過(guò)短或過(guò)長(zhǎng)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(dǎo)率的變化光電材料半導(dǎo)體材料光半導(dǎo)體價(jià)電子激發(fā)或產(chǎn)生電流的現(xiàn)象導(dǎo)帶電子、價(jià)帶空穴增加電導(dǎo)率增大一定范圍內(nèi)：（光強(qiáng)）光電導(dǎo)：光電流：太陽(yáng)能電池工作原理PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)太陽(yáng)能電池工作原理太陽(yáng)光照射PN結(jié)P區(qū)和N區(qū)產(chǎn)生電子和空穴PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)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(nèi)電場(chǎng)作用）太陽(yáng)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(fù)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(wú)關(guān)性B、光波由一段段的短波列組成C、相干性差、相干長(zhǎng)度短（子波列的長(zhǎng)度）、（波列的長(zhǎng)度，子波的頻率、位相、偏振方向一般不同）方向性差、強(qiáng)度低激光:光子誘發(fā)式電子能態(tài)轉(zhuǎn)變，電子的輻射躍遷與誘發(fā)光子具有相關(guān)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(zhǎng)、相干長(zhǎng)度大、相干性好紅寶石組成：藍(lán)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(guò)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(guò)程：兩個(gè)途徑：（1）直接從激發(fā)態(tài)返回基態(tài)、同時(shí)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(zhǎng)的時(shí)間亞穩(wěn)態(tài)上聚集大量電子亞穩(wěn)態(tài)到基態(tài)的個(gè)別躍遷誘發(fā)雪崩式連鎖躍遷高度準(zhǔn)直、高強(qiáng)度的出射激光兩端面間的激光子來(lái)回反射、準(zhǔn)直紅寶石激光波長(zhǎng)：激光工作物質(zhì)：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(qiáng)度強(qiáng)、譜線(xiàn)窄、波長(zhǎng)范圍大、激光器機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性好常用固體激光器的工作物質(zhì)：激光的應(yīng)用機(jī)械激光切割、表面處理，醫(yī)療激光手術(shù)刀、激光碎石，通訊及軍事（激光武器）等第五節(jié)材料的力學(xué)性能一、彈性1、彈性模量E彈性：物體具有恢復(fù)形變前的形狀和尺寸的性質(zhì)彈性形變：可立即恢復(fù)變形應(yīng)力（T）：材料單位橫截面積力，橫截面積應(yīng)變：應(yīng)力作用下材料的相對(duì)線(xiàn)變化量上所承受的力原長(zhǎng)，長(zhǎng)度變化量沿應(yīng)力方向：?jiǎn)蜗蚶鞂?shí)驗(yàn)表明：各向同性的物體，應(yīng)力與應(yīng)變之間具有線(xiàn)性關(guān)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(yīng)變與受力方向的縱向應(yīng)變的比值橫縱金屬材料的泊松比：無(wú)機(jī)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(yīng)力作用下，切應(yīng)力與切應(yīng)變間有線(xiàn)性關(guān)系切應(yīng)力：?jiǎn)挝幻娣e上受的剪切力上、下表面面積切應(yīng)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(gè)方向上所受壓強(qiáng)—應(yīng)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(yīng)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(gè)彈性模量只有兩個(gè)獨(dú)立其間關(guān)系：（材料