第4章-材料的性能-第13次(45光學性能-46-耐腐蝕性)課件

4.5材料的光學性能(opticalproperties)

折射散射反射吸收光澤發(fā)光14.5材料的光學性能(opticalproperties——取決于物質電磁性質的基本參數，如：電導率、介電常數和磁導率。光波：是指波長在特定范圍內的電磁輻射。電磁波譜：所包括的電磁波，其波長范圍從低頻端的超過103m直到高頻端的小于10-12m，波譜的可見光部分只占波長范圍的小部分。在短波方面為紫外區(qū)，長波方面為紅外區(qū)。4.5.1電磁輻射及其與原子的相互作用

（Interactionsofelectromagneticradiationandatoms）4.5.1.1光和物質的相互作用2——取決于物質電磁性質的基本參數，如：電導率、介電常數和磁導

——給定波長的電磁輻射，可以認為是由一些光子構成的，每個光子的能量為：4.5.1電磁輻射及其與原子的相互作用4.5.1.2光子能量（E，energyofaphoton）3——給定波長的電磁輻射，可以認為是由一些光子構成圖4-83自由原子的能級示意圖

——是通過電子躍遷和極化效應實現的。4.5.1電磁輻射及其與原子的相互作用4.5.1.3電磁輻射與物質的相互作用4圖4-83自由原子的能級示意圖——是通過電子躍遷和極化效——取決于電磁輻射與材料表面、近表面以及材料內部的電子、原子、缺陷之間的相互作用。

光子晶體、雙光子晶體（納米線ZnO，GaN)。4.5.1電磁輻射及其與原子的相互作用4.5.1.4固體材料的光學性質5——取決于電磁輻射與材料表面、近表面以及材料內部的電子、原子4.5.2吸收、反射和透射圖4-84光的吸收與透射64.5.2吸收、反射和透射圖4-84光的吸收與透射6（1）光吸收的一般規(guī)律——朗伯特定律

光強度隨材料的厚度的變化符合指數衰減規(guī)律。I：透過光強度；

：物資對光的吸收系數，單位：cm-1，其值取決于材料的性質和光的波長?？諝?

≈10-5cm-1玻璃:

＝10-2cm-1金屬:

達幾萬～幾十萬。圖4-85光通過材料時的衰減規(guī)律4.5.2吸收、反射和透射4.5.2.1光的吸收(photonabsorption)7（1）光吸收的一般規(guī)律——朗伯特定律I：透過光強度；圖4-（2）光吸收與光波長的關系（radiationabsorptionandwavelength）

在電磁波譜的可見光區(qū)：金屬和半導體材料的吸收系數很大；電介質材料吸收系數小。在紫外吸收端：當光子能量達到禁帶寬度時，電子就會吸收光子能量從滿帶躍遷到導帶，吸收系數將驟然增大。禁帶寬度大的材料，紫外吸收端的波長較小。在紅外區(qū)的吸收：是由于離子的彈性振動與光子輻射發(fā)生諧振消耗能量所致。4.5.2吸收、反射和透射4.5.2.1光的吸收(photonabsorption)8（2）光吸收與光波長的關系4.5.2吸收、反射和透射4.圖4-86金屬、半導體和電介質的吸收率隨波長的變化4.5.2吸收、反射和透射選擇吸收&均勻吸收4.5.2.1光的吸收(photonabsorption)9圖4-86金屬、半導體和電介質的吸收率隨波長的變化4.5.4.5.2.2光的反射(reflection)

介質2對于介質1的相對折射率：圖4-87光通過透明介質分界面時的反射與透射單位時間通過單位面積的反射光與入射光的能量流之比即為反射系數(m)，則（1-m），稱為透射系數

。4.5.2吸收、反射和透射104.5.2.2光的反射(reflection)介質2對于鏡反射——在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。

鏡反射性能的應用：裝飾器具，如雕花玻璃器皿等，寶石的高折射率使之具有強折射和高反射性能。漫反射——當光照射到陶瓷粗糙不平的材料表面上時，總的反射能量分散在各個方向上，形成漫反射。材料表面越粗糙，鏡反射所占的能量分數越小。

4.5.2吸收、反射和透射圖4-88粗糙度增加的鏡反射、漫反射能量圖4.5.2.2光的反射(reflection)

11鏡反射——在材料表面光潔度非常高的情況下的反射，反射光線具有

——光的透射強度與入射強度之比稱為透射率T。而當光線垂直射向固體（或液體）表面時，入射線強度中有一定分數R（反射率）被反射掉。根據朗伯定律得到：

(4-157)

則，透射率：

（4-158）

顯然，透射率T(transmissivity)、反射率R(reflectivity)、吸收率A

(absorptivity)三者之和應為1，即：4.5.2吸收、反射和透射4.5.2.3光的透射(transmission)T+R+A=112——光的透射強度與入射強度之比稱為透射率T。而圖4-89固體（或液體）的反射、吸收和透射4.5.2吸收、反射和透射4.5.2.3光的透射(transmission)13圖4-89固體（或液體）的反射、吸收和透射4.5.2光的折射來源于光線通過透明材料時，由于介質的電子極化使得光速降低，光線在界面彎曲的現象。折射指數（折射率n）的大小與介質的性質（原子或離子的尺寸、介電常數、磁導率等）和波長相關。在真空或空氣中，光學透明材料對于垂直射向材料表面可見輻射的反射率為：n：材料的折射率4.5.2吸收、反射和透射4.5.2.4折射指數（RefractionIndex,n)14光的折射來源于光線通過透明材料時，由于介質的電子極化使得光速

表4-33各種材料在室溫對可見光的折射率物質n（折射率）物質n（折射率）空氣Al2O3

CaF2

Cl2（氣體）Cl2（液體）金剛石H2O（水）H2O（冰）聚四氟乙烯醋酸纖維素聚甲基丙烯酸甲酯聚丙烯酚醛樹脂環(huán)氧樹脂低密度聚乙烯聚碳酸酯1.0002771.63-1.681.431.0007681.3852.4171.331.301.351.48-1.501.491.491.50-1.701.5-1.61.511.59玻璃（重燧石）玻璃（鋅牌）KClKFNaCl石英熔融石英SrO聚丙烯腈天然橡膠聚酰胺高密度聚乙烯聚氯乙烯氯丁橡膠聚苯乙烯1.651.521.491.361.541.541.471.871.511.521.53-1.551.541.54-1.561.551.594.5.2.4折射指數（RefractionIndex,n)15表4-33各種材料在室溫對可見光的折射率物金屬材料的光學特征如下：（1）各種入射輻射被吸收；由于金屬導帶中已填充的能級上方緊接著就有許多空的電子能態(tài)，也即：頻率分布范圍很寬的各種入射輻射都可以激發(fā)電子到能量較高的未填充態(tài)從而被吸收；（2）金屬的反射，是由吸收再反射綜合造成的；（3）對于紅外輻射則為透明的；（4）反射率具有頻率依賴性。4.5.2吸收、反射和透射4.5.2.5金屬材料的光學性質

16金屬材料的光學特征如下：4.5.2吸收、反射和透射4.圖4-90銅、銀、金、鎳的反射率對波長和頻率的依賴性4.5.2吸收、反射和透射4.5.2.5金屬材料的光學性質

17圖4-90銅、銀、金、鎳的反射率對波長和頻率的依賴性4.54.5.2.6無機非金屬材料的光學性質無機非金屬材料的光學特征如下：（1）大多數都對紅外線有一定程度的吸收；（2）吸收可見輻射，且不透明（半導體）；（3）絕緣體傾向于對可見輻射透明，因為其Eg較大；（4）漫透射——由多次內反射造成，常常使材料由透明

半透明；（5）由于在加工過程中留下孔洞而變得不透明，比如燒結陶瓷材料，只要大約有1%的空洞就足以造成不透明。4.5.2吸收、反射和透射184.5.2.6無機非金屬材料的光學性質無機非金屬材料的光學聚合物多數是無色的，包括從高透明(transparent)的到不透明的。透明度的損失源于材料內部折射指數(refractionindex)不均勻性產生的光散射。聚合物透明帶色，由于折射指數的不均勻性，選擇性吸收。結晶聚合物通常是半透明(translucent)或不透明(opaque)的。

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

使球晶轉變?yōu)槿∠蛭⒔z。4.5.2吸收、反射和透射4.5.2.7高分子材料的光學性質19聚合物多數是無色的，包括從高透明(transparent)凡是能使偏振光的偏振面旋轉的性質，稱為旋光性；具有旋光性的物質，稱為旋光性物質。

旋光性物質的特點：含有不對稱碳原子——手性分子。

4.5.3旋光性及非線性光學4.5.3.1旋光性20凡是能使偏振光的偏振面旋轉的性質，稱為旋光性；具有旋光性的物含有一個不對稱碳原子的分子是具有手性的分子。具有手性的分子存在對映體，是與自己的鏡面不能疊合的分子，有旋光性。而存在對稱因素（面、軸、對稱中心）的分子，是都能與自己的鏡像相疊合的，則不具有手性，不顯旋光性。4.5.3旋光性及非線性光學性4.5.3.1旋光性21含有一個不對稱碳原子的分子是具有手性的分子。具有手性的分子存（1）非線性光學效應——分子（介質）受強光場（如：激光）作用時會產生極化，其誘導極化強度為。則：

=

0+

+

2+

3+…

0：分子永久偶極矩；

：為局域電場強度；

：分子線性極化率；

&

：二階和三階分子超極化率。4.5.3旋光性及非線性光學性4.5.3.2非線性光學性質22（1）非線性光學效應——分子（介質）受強光場（如：激光）作用

對于宏觀物質，若極化強度為P，則：

P=

（1）E十

（2）E2十

（3）E3十···

E——入射光電場強度；

（1）——物質的線性極化率；

（2）和

（3）——物質的二階和三階非線性極化率。

因此，把能產生大的二階或三階非線性光學效應的介質，分別稱為二階或三階非線性光學材料。4.5.3旋光性及非線性光學性4.5.3.2非線性光學性質23對于宏觀物質，若極化強度為P，則：4.5.3旋光性及非（2）非線性光學材料的功能具有變頻、增幅、開關、記憶等元件功能。（3）非線性光學材料的結構特點（有機材料）二階：具有A-π-D結構。其中，A：拉電子基；D：供電子基；

：共軛結構。三階：具有容易移動的非定域電子體系。4.5.3旋光性及非線性光學性4.5.3.2非線性光學性質24（2）非線性光學材料的功能4.5.3旋光性及非線性光學性4（1）熒光(fluorescence)：延遲發(fā)光時間小于10-8s。（2）磷光(phosphorescence)：延遲發(fā)射光在10-2s~10s之間。4.5.5發(fā)光(luminescence)

（3）激光(laser)：是材料發(fā)光性能的重要應用。

激光產生的必要條件:

a.維持連續(xù)不斷的受激輻射；b.粒子數反轉：高能級的原子數大于低能級的原子數。25（1）熒光(fluorescence)：延遲發(fā)光時間小于1——在光的作用下，材料的某些性能發(fā)生可逆變化的性質（具有光敏性的材料屬于智能材料）。光致變色器：由在光的作用下能可逆地發(fā)生顏色變化的化合物所制造的器件。具有這種性能的化合物稱為光致變色化合物，如光致變色高分子。4.5.6光敏性(photosensitivity)

（?T舉出一個光致變色高分子化合物）

4.5.6.1光敏性26——在光的作用下，材料的某些性能發(fā)生可逆變化的性質（具有——在一定的溫度和壓力下，隨著光照，樣品長度有明顯的收縮，而停止光照則長度恢復，其收縮與伸長是完全可逆的。4.5.6光敏性(photosensitivity)

4.5.6.2光力學現象End27——在一定的溫度和壓力下，隨著光照，樣品長度有明顯的收縮，而4.6耐腐蝕性(anti-corrosion)什么是腐蝕？物理腐蝕的類型有哪些？物理腐蝕、化學腐蝕、電化學腐蝕各有什么特點？

284.6耐腐蝕性(anti-corrosion)什么是4.6耐腐蝕性(anti-corrosion)腐蝕——材料在遭受化學介質、濕、氣、光、氧、熱等環(huán)境因素作用下發(fā)生惡化變質的現象。

腐蝕分類：

(1)腐蝕作用性質：物理、化學、電化學；(2)腐蝕環(huán)境和過程：高溫、大氣、溶質腐蝕等；(3)腐蝕形態(tài)：全面、局部。

金屬：電化學、化學（氧化）腐蝕；無機：化學腐蝕；高分子：化學、物理腐蝕。294.6耐腐蝕性(anti-corrosion)腐蝕——物理腐蝕：在環(huán)境介質作用下，沒有化學變化，而是以物理變化發(fā)生破壞的腐蝕(主要是高分子材料)。物理腐蝕的類型溶脹、溶解應力開裂滲透破壞4.6.1物理腐蝕(physicaldeterioration)

30物理腐蝕：在環(huán)境介質作用下，沒有化學變化，而是以物理變化發(fā)

物理腐蝕的影響因素

介質濃度溫度溫度變化液體流動應力大小作用周期復合材料：界面引起腐蝕

4.6.1物理腐蝕31物理腐蝕的影響因素復合材料：界面引起腐蝕4.6.1物溶劑分子滲入材料內部；破壞大分子間的次價鍵；與大分子發(fā)生溶劑化作用。

（1）溶解性

溶解度參數

=（CED）1/2，CED為內聚能密度。

Gm=

Hm-T

Sm

Gm<0時，溶解過程才能進行。4.6.1物理腐蝕4.6.1.1高分子材料的耐溶劑性

32溶劑分子滲入材料內部；4.6.1物理腐蝕4.6.1.1(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一側擴散到較低濃度一側的現象。

q=-D(dc/dx)·A·t

（4-166）穩(wěn)態(tài)時，滲透率J（液體）可表示為：

J=q/A·t=D/L（c1-c2）（c1>c2）（4-167）

式中，A、t、D分別為面積、時間及擴散系數；

膜厚度為L；膜兩側濃度差為（c1-c2）。

4.6.1物理腐蝕4.6.1.1高分子材料的耐溶劑性

33(2)滲透性(permeability)與滲透破壞4.6.對于氣體，溶質的濃度C=Sp，（p為蒸汽壓）若定義滲透系數為P，滲透率為J，則，P=DS式中S為溶解度系數

那么，J=DS(p1-p2)/L=P(p1-p2)/L聚合物的結構和物理狀態(tài)對滲透性影響很大。4.6.1物理腐蝕4.6.1.1高分子材料的耐溶劑性

34對于氣體，溶質的濃度C=Sp，（p為蒸汽壓）4.6.1

(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動擴散耐溶劑性溫度柔性耐溶劑性結晶、取向、交聯，M耐溶劑性以上都是滲透性影響高分子材料耐溶劑性的因素。4.6.1物理腐蝕4.6.1.1高分子材料的耐溶劑性

35(3)影響高分子材料耐溶劑性的因素4.6

在應力（外加的或內部的殘余應力）與某些介質（如活性物質）的共同作用下，高分子材料出現銀紋，并進一步生長成裂縫，直至發(fā)生脆性斷裂。

介質的影響，只有當溶解度參數差值在某一范圍內時，才易引起局部溶脹，導致環(huán)境應力開裂。

4.6.1物理腐蝕4.6.1.2環(huán)境應力開裂36在應力（外加的或內部的殘余應力）與某些介質（如活性物質）的(1)酸(acid)、堿(base)、鹽(salt)腐蝕作用①酸、堿、鹽對金屬材料的腐蝕

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，對鋁、鋅、錫、鉛等兩性金屬有顯著的腐蝕性。

鹽：影響極為錯綜復雜；使pH值發(fā)生變化的鹽；氧化性鹽。4.6.2化學腐蝕(chemicalcorrosion)

4.6.2.1環(huán)境介質(media)的化學腐蝕作用37(1)酸(acid)、堿(base)、鹽(salt)腐蝕作用②酸、堿、鹽對高分子材料的腐蝕多數高分子材料都具有良好的耐腐蝕性。但有些也會發(fā)生化學介質老化或水解等現象，主要是由其化學結構決定的。比如，對于雜鏈高分子，化學介質的老化、水解等也會引起腐蝕。4.6.2化學腐蝕4.6.2.1環(huán)境介質(media)的化學腐蝕作用38②酸、堿、鹽對高分子材料的腐蝕4.6.2化學腐蝕4.6③無機非金屬材料的耐腐蝕性硅酸鹽陶瓷：

SiO2+2NaOH

Na2SiO3+H2O

易溶于水及堿液中。SiO2與氫氟酸反應；SiO2與磷酸反應。耐腐蝕性與礦物組成有關；耐腐蝕性與結構相關，比如：結晶SiO2能夠耐酸、堿；而無定形SiO2則可溶于堿；但若有孔隙(poros)——耐腐蝕性降低。

4.6.2化學腐蝕(chemicalcorrosion)

4.6.2.1環(huán)境介質(media)的化學腐蝕作用39③無機非金屬材料的耐腐蝕性4.6.2化學腐蝕(chem(2)大氣腐蝕大氣中水和氧等物質的作用而引起的材料腐蝕。鐵：在空氣中生銹；高分子：在氧氣、臭氧、光照射等作用下會引起迅速的老化變質。①大氣腐蝕的特征

大氣是組分復雜的混合物。

非金屬材料，如高分子材料——化學腐蝕；

金屬材料——單純化學腐蝕——緩慢，如氧化；但常?？砂l(fā)生電化學腐蝕——通過水汽在金屬表面形成液層，構成電解質液膜層。

4.6.2化學腐蝕

4.6.2.1環(huán)境介質(media)的化學腐蝕作用40(2)大氣腐蝕4.6.2化學腐蝕4.6.2.1環(huán)境介

②金屬材料在大氣中的耐蝕性及防護

防護：研制和選用耐蝕材料，如低合金鋼；涂層和鍍層保護，如油漆和金屬鍍層；降低大氣濕度。4.6.2化學腐蝕

4.6.2.1環(huán)境介質(media)的化學腐蝕作用414.6.2化學腐蝕4.6.2.1環(huán)境介質(media)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——自由基鏈式反應。

臭氧(ozone)：開裂，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：紫外線溫度濕氣