材料物理性能 (第四章 材料的光学性能)

1、第一节第一节 光通过介质的现象光通过介质的现象 第二节第二节 材料的透光性材料的透光性 第三节第三节 界面反射和光泽界面反射和光泽 第四节第四节 不透明性（乳浊）和半透明性不透明性（乳浊）和半透明性 第一节第一节 光通过介质的现象光通过介质的现象 一、折射一、折射 当光从真空进入较致密的材料时，其速度降低。光当光从真空进入较致密的材料时，其速度降低。光 在真空和材料中的速度之比即为材料的在真空和材料中的速度之比即为材料的折射率折射率。 如果光从材料如果光从材料1，通过界面传入材料，通过界面传入材料2时，与界面法时，与界面法 向所形成的入射角向所形成的入射角i1，折射角，折射角i2与两种材料的折

2、射率与两种材料的折射率n1和和 n2有下述关系：有下述关系： c n 材料 真空 式中： 和 分别表示光在材料1及2中的传播速度， 为材料2相对于材料1的相对折射率。 介质的n总是大于1的正数，例如空气 ，固 体氧化物n=1.32.7，硅酸盐玻璃 。 2 1 21 1 2 2 1 sin sin n n n i i 1 2 21 n 0003. 1n 9 . 15 . 1n 影响影响 n 值的因素有：值的因素有： 1构成材料元素的离子半径构成材料元素的离子半径 马克斯威尔电磁波理论认为光在介质中的传播马克斯威尔电磁波理论认为光在介质中的传播 速度为：速度为： c 式中：式中：C真空中光速，真空

3、中光速， 介质介电常数，介质介电常数， 介质导磁率介质导磁率 c n 对于无机材料电介质对于无机材料电介质 ，故，故 当离子半径增大时，其当离子半径增大时，其增大，因而增大，因而n也增大。因也增大。因 此，可以用大离子得到高此，可以用大离子得到高n的材料，的材料， ，用小离，用小离 子得到低子得到低n的材料，如的材料，如 。 2材料的结构、晶型和非晶态材料的结构、晶型和非晶态 象非晶态和立方晶体这些各向同性材料，当光通象非晶态和立方晶体这些各向同性材料，当光通 过时，光速不因传播方向改变而变化，材料只有一个折过时，光速不因传播方向改变而变化，材料只有一个折 射率，称为射率，称为均质介质均质介质

4、。但是除立方晶体以外的其他晶型，。但是除立方晶体以外的其他晶型， 都都是非均质介质是非均质介质。 1 , 1 2/1 n 912. 3 pbS n 412. 1 4 sicl n 光进入非均质介质时，一般都要分为振动方向相互光进入非均质介质时，一般都要分为振动方向相互 垂直、传播速度不等的两个波，它们分别构成两条折射垂直、传播速度不等的两个波，它们分别构成两条折射 光线，这个现象称为光线，这个现象称为双折射双折射。双折射是非均质晶体的特。双折射是非均质晶体的特 性，这类晶体的所有光学性能都和双折射有关。性，这类晶体的所有光学性能都和双折射有关。 上述两条折射光线，平行于入射面的光线的折射率，上

5、述两条折射光线，平行于入射面的光线的折射率， 称为称为常光折射率常光折射率n0，不论入射光的入射角如何变化，不论入射光的入射角如何变化，n0 始终为一常数，因而常光折射率严格服从折射定律。另始终为一常数，因而常光折射率严格服从折射定律。另 一条与之垂直的光线所构成的折射率，则随入射线一条与之垂直的光线所构成的折射率，则随入射线 方向的改变而变化，称为方向的改变而变化，称为非常光折射率非常光折射率ne，它不遵守折，它不遵守折 射定律，随入射光的方向而变化。当光沿晶体光轴方向入射定律，随入射光的方向而变化。当光沿晶体光轴方向入 射时，只有射时，只有n0存在，与光轴方向垂直入射时，存在，与光轴方向垂

6、直入射时，ne达最大达最大 值，此值是材料的特性。值，此值是材料的特性。 3材料所受的内应力材料所受的内应力 有内应力的透明材料，垂直于受拉主应力方向的有内应力的透明材料，垂直于受拉主应力方向的n大，大， 平行于受拉主应力方向的平行于受拉主应力方向的n小。小。 4同质异构体同质异构体 在同质异构材料中，高温时的晶型折射率在同质异构材料中，高温时的晶型折射率n较低，低较低，低 温时存在的晶型折射率温时存在的晶型折射率n较高。较高。 表表4.1列出了部分玻璃和晶体的折射率。列出了部分玻璃和晶体的折射率。 材 料 平 均 折 射 率 双 折 射 由正长石（KalSi3O8）组成的玻璃 1.51 由钠

7、长石（NalSi3O8）组成的玻璃 1.49 由霞石正长岩组成的玻璃 1.50 氧化硅玻璃 1.458 硼硅酸玻璃 1.47 硫化钾玻璃 2.66 四氯化硅晶体 1.412 氟化锂晶体 1.392 氟化钠晶体 1.326 氟化钙晶体 1.434 锆英石 ZnSiO4 1.95 0.055 正长石 KalSi3O8 1.525 0.007 钠长石 NaAlSi3O8 1.529 0.008 钙长石 CaAl2Si2O8 1.585 0.008 硅线石 Al2O3SiO2 1.65 0.021 莫来石 3Al2O32SiO2 1.64 0.010 表表4.1 各种玻璃和晶体的折射率各种玻璃和晶体的

8、折射率 二、色散二、色散 材料的折射率材料的折射率n随入射光的频率的减小（或波长的随入射光的频率的减小（或波长的 增加）而减小的性质，称为折射率的增加）而减小的性质，称为折射率的色散色散。色散。色散= ， 几种材料的色散见图几种材料的色散见图4.1 和和4.2。 色散值可以直接由图色散值可以直接由图4.1确定。常用的色散系数为确定。常用的色散系数为 式中式中 nD 、nF 和和nC 分别为以钠的分别为以钠的D谱线，氢的谱线，氢的F谱线和谱线和 C谱线（谱线（5893、4861和和6563）为光源，测得的拆射）为光源，测得的拆射 率。率。 d dn CF D nn n v 1 三、反射三、反射

9、当光线由介质当光线由介质1入射到介质入射到介质2时，时， 光在介质面上分成了反射光和折射光在介质面上分成了反射光和折射 光，所图光，所图4.3所示。所示。 设光的总能量流设光的总能量流W为为 式中式中W、 、 分别为单位时间通过分别为单位时间通过 单位面积的入射光、反射光和折射光单位面积的入射光、反射光和折射光 的能量流，根据波动理论的能量流，根据波动理论 由于反射波的传播速度及横截由于反射波的传播速度及横截 面积都与入射波相同，所以面积都与入射波相同，所以 WWW W W SAW 2 式中式中 与与A分别为反射波与入射波的振幅。分别为反射波与入射波的振幅。 把光波振动分为垂直于入射面的振动和

10、平行于入射面把光波振动分为垂直于入射面的振动和平行于入射面 的振动，的振动，Fresnel 推导出推导出 自然光在各方向振动的机会均等，可以认为一半能量自然光在各方向振动的机会均等，可以认为一半能量 属于同入射面平行的振动，另一半属于同入射面垂直的属于同入射面平行的振动，另一半属于同入射面垂直的 2 )( A A W W A )(tg )(tg )()( )(Sin )(Sin )()( 2 2 2 / 2 2 2 ri ri A A W W ri ri A A W W p p S S 振动，所以总的能量流之比为：振动，所以总的能量流之比为： 当角度很小时，即垂直入射当角度很小时，即垂直入射

11、因介质因介质2对于介质对于介质1的相对折射率的相对折射率 ，故，故 )(tg )(tg )(Sin )(Sin 2 1 2 2 2 2 ri ri ri ri W W 2 2 2 2 2 2 2 2 ) 1( ) 1( )( )( )(tg )(tg )(sin )(sin r i r i ri ri ri ri ri ri r i n sin sin 21 r i n 21 m n n W W 2 21 21 1 1 m反射系数反射系数， 根据能量守恒定律根据能量守恒定律 （1-m）称为）称为透射系数透射系数。由上式可知，在垂直入射的情。由上式可知，在垂直入射的情 况下，光在界面上的反射的多

12、少取决于两种介质的相对况下，光在界面上的反射的多少取决于两种介质的相对 折射率折射率 。 m W W W W WWW 11 21 n 设一块折射率为设一块折射率为 的玻璃，光反射损的玻璃，光反射损 失为失为 ,透过部分为透过部分为 。如果透射。如果透射 光又从另一界面射入空气，即透过两个界面，此光又从另一界面射入空气，即透过两个界面，此 时透过部分为时透过部分为 如果连续透过如果连续透过x块平板玻璃，则透过部分为块平板玻璃，则透过部分为 5 . 1n 04. 0m 96. 01m 922. 0)1 ( 2 m x m 2 )1 ( 由于陶瓷，玻璃等材料的折射率较空气大，所以由于陶瓷，玻璃等材料

13、的折射率较空气大，所以 反射损失严重。如果透镜系统由许多块玻璃组成，则反射损失严重。如果透镜系统由许多块玻璃组成，则 反射损失更可观，为了减少这种界面损失，常常采用反射损失更可观，为了减少这种界面损失，常常采用 折射率和玻璃相近的胶将它们粘起来，这样，除了最折射率和玻璃相近的胶将它们粘起来，这样，除了最 外和最内的表面是玻璃和空气的相对折射率外，内部外和最内的表面是玻璃和空气的相对折射率外，内部 各界面都是和胶的较小的相对折射率，从而大大减少各界面都是和胶的较小的相对折射率，从而大大减少 界面的反射损失。界面的反射损失。 第二节第二节 材料的透光性材料的透光性 一、介质对光的吸收一、介质对光的

14、吸收 1吸收的一般规律吸收的一般规律 设有一块厚度为设有一块厚度为x的平板材料，如图的平板材料，如图4.4，入射光，入射光 的强度为的强度为I0，通过此材料后光强度为，通过此材料后光强度为 。选取其中一。选取其中一 薄层薄层 ，并认为光通过此层的吸收损失，并认为光通过此层的吸收损失 正比正比 于在此处的光强度于在此处的光强度 I 和薄层的厚度和薄层的厚度 ， I dxdI dx 上式表明光强度随厚度的变化符合指数衰减规律，上式表明光强度随厚度的变化符合指数衰减规律， 即即朗伯特定律朗伯特定律。 式中式中为物质对光的吸收系数，其单位为为物质对光的吸收系数，其单位为cm-1。 取决于材料的性质和光

15、的波长。取决于材料的性质和光的波长。 IdxdI dx I dI xI I0 0 x I I 0 ln x II e 0 即即: 图图4.5所示在电磁波谱的可见光区，金属和半导体所示在电磁波谱的可见光区，金属和半导体 的吸收系数都是很大的，但是电介质材料，包括玻的吸收系数都是很大的，但是电介质材料，包括玻 璃、陶瓷等无机材料的大部分在这个波谱区内都有璃、陶瓷等无机材料的大部分在这个波谱区内都有 良好的透过性，即吸收系数很小。这是因为电介质良好的透过性，即吸收系数很小。这是因为电介质 材料的价电子所处的能带是填满了的材料的价电子所处的能带是填满了的,它不能吸收光它不能吸收光 子而自由运动，而光子

16、的能量又不足以使电子跃迁子而自由运动，而光子的能量又不足以使电子跃迁 到导带，所以在一定的波长范围内，吸收系数很小。到导带，所以在一定的波长范围内，吸收系数很小。 2光吸收与光波长的关系光吸收与光波长的关系 在紫外区出现紫外吸收端，当光子能量达到禁带在紫外区出现紫外吸收端，当光子能量达到禁带 宽度时，电子就会吸收光子能量从满带跃迁到导带，宽度时，电子就会吸收光子能量从满带跃迁到导带， 此时吸收系数将骤然增大。此紫外吸收端相应的波长此时吸收系数将骤然增大。此紫外吸收端相应的波长 可根据材料的禁带宽度可根据材料的禁带宽度 求得：求得： c hhrE g g E hc SJh 34 1063. 6

17、g E 式中，普朗克常数式中，普朗克常数 ，C光速。光速。 另外，在红外区的吸收峰是因为离子的弹性振动与另外，在红外区的吸收峰是因为离子的弹性振动与 光子辐射发生谐振消耗能量所致。要使谐振点波长尽可光子辐射发生谐振消耗能量所致。要使谐振点波长尽可 能远离可见光区，即吸收峰的频率尽可能小，则需选择能远离可见光区，即吸收峰的频率尽可能小，则需选择 较小的材料热振频率较小的材料热振频率 。 式中式中 与力有关的常数，由离子间结合力决定，与力有关的常数，由离子间结合力决定， Mc和和Ma分别为阳离子和阴离子质量。分别为阳离子和阴离子质量。 ) 11 (2 2 ac MM 二、介质对光的散射二、介质对光

18、的散射 光波遇到不均匀结构产生的次级波，与主波方向光波遇到不均匀结构产生的次级波，与主波方向 不一致，与主波合成出现干涉现象，使光偏离原来的方不一致，与主波合成出现干涉现象，使光偏离原来的方 向，从而引起向，从而引起散射散射。 对于相分布均匀的材料，由于散射而光强度减弱的对于相分布均匀的材料，由于散射而光强度减弱的 规律与吸收规律具有相同的形式：规律与吸收规律具有相同的形式： 式中式中 I0为光的原始强度，为光的原始强度， sx II e 0 I 为光束通过厚度为为光束通过厚度为x的试件后，由于散射在光的试件后，由于散射在光 前进方向上的剩余强度，前进方向上的剩余强度， S 散射系数，与散射质

19、点的大小、数量以及散射散射系数，与散射质点的大小、数量以及散射 质点与基体的相对折射率等因素有关，见图质点与基体的相对折射率等因素有关，见图4.6。其单位。其单位 为为 。 1 cm 当光的波长约等于散射质点的直径时，出现散射当光的波长约等于散射质点的直径时，出现散射 的峰值。的峰值。 如果将吸收定律与散射规律的式子统一起来，如果将吸收定律与散射规律的式子统一起来， 则则: xs II )( 0e 从图从图4.6中可以看出，曲线由左右两条不同形状的中可以看出，曲线由左右两条不同形状的 曲线所组成，各自有着不同的规律。当曲线所组成，各自有着不同的规律。当 时，则随时，则随 着着d的增加，散射系数

20、的增加，散射系数S也随之增大；当也随之增大；当 时，则随时，则随 着着d的增加，的增加，s 反而减小，当反而减小，当 时，时，s 达最大值。达最大值。 d d d 对于散射，可以认为散射系数正比于散射质点的投对于散射，可以认为散射系数正比于散射质点的投 影面积：影面积： 式中：式中： N单位体积内的散射质点数；单位体积内的散射质点数； R 散射质点的平均半径；散射质点的平均半径； K散射因素，取决于基体与质点的相对折射率。散射因素，取决于基体与质点的相对折射率。 设散射质点体积设散射质点体积 ，则，则 2 RKNS NRV 3 3 4 R KV S 4 3 故故 由上式可知，由上式可知， 时，

21、时，R越小，越小，V越大，则越大，则S愈大，这愈大，这 符合实验规律。当符合实验规律。当 时，此时散射系数。时，此时散射系数。 总之，不管在上述哪种情况下，散射质点的折射率与总之，不管在上述哪种情况下，散射质点的折射率与 基体的折射率相差越大，将产生越严重的散射。基体的折射率相差越大，将产生越严重的散射。 R x KV sx II 4 3 0 ee/ d 3 1 d 2 2 2 4 34 2 132 n nVR S 三、材料的透光性三、材料的透光性 光通过厚度为光通过厚度为x的透明陶瓷片时，各种光能的损失的透明陶瓷片时，各种光能的损失 见图见图4.7所示。强度为所示。强度为I0的光束垂直地入射

22、到陶瓷左表的光束垂直地入射到陶瓷左表 面，由于陶瓷片与左侧介质之间存在相对折射面，由于陶瓷片与左侧介质之间存在相对折射 ， 因而在表面上有反射损失因而在表面上有反射损失: L = 透进材料中的光强度为透进材料中的光强度为: 0 2 0 1 1 I n n mI )1 ( 0 mI 21 n 这一部分光能穿过厚度为这一部分光能穿过厚度为x的材料后，又消耗于吸收的材料后，又消耗于吸收 损失损失和散射损失和散射损失。到达材料后表面时，光强度剩下。到达材料后表面时，光强度剩下 。 再经过表面，一部分光能反射进材料内部，其数量为再经过表面，一部分光能反射进材料内部，其数量为 L = 另一部分传至右侧空间

23、，其光强度为另一部分传至右侧空间，其光强度为 显然显然 才是真正的透光率。才是真正的透光率。 影响材料透过率的因素有：影响材料透过率的因素有： s)x-( mI e )1 ( 0 xs mmI )( 0 e )1 ( xs mII )(2 0 e)1 ( 0 / II 1吸收系数吸收系数 对于陶瓷、玻璃等电介质材料，其吸收率或吸收系对于陶瓷、玻璃等电介质材料，其吸收率或吸收系 数数在可见光范围内是比较低的，见图在可见光范围内是比较低的，见图4.4所示。所示。 2反射系数反射系数 材料对周围环境的相对折射率大，反射损失也大。材料对周围环境的相对折射率大，反射损失也大。 3散射系数散射系数 这一因

24、素最影响陶瓷材料的透光率。这一因素最影响陶瓷材料的透光率。 材料宏观及显微缺陷材料宏观及显微缺陷 晶粒排列方向晶粒排列方向 气孔引起的散射损失气孔引起的散射损失 四、提高材料透光性的措施四、提高材料透光性的措施 1提高原材料纯度提高原材料纯度 2掺加外加剂掺加外加剂 目的是降低材料的气孔率，气孔由于相对折射率的目的是降低材料的气孔率，气孔由于相对折射率的 关系，其影响程度远大于杂质等其它结构因素。关系，其影响程度远大于杂质等其它结构因素。 3工艺措施工艺措施 采取热压法比普通烧结法更便于排除气孔，因而是采取热压法比普通烧结法更便于排除气孔，因而是 获得透明陶瓷较为有效的工艺，热等静压法效果更好

25、。获得透明陶瓷较为有效的工艺，热等静压法效果更好。 第三节第三节 界面反射和光泽界面反射和光泽 一、镜反射和漫反射一、镜反射和漫反射 当光的反射是指材料表面光洁度非常高的情况下的当光的反射是指材料表面光洁度非常高的情况下的 反射，反射光线具有明确的方向性，一般称之为反射，反射光线具有明确的方向性，一般称之为镜反射镜反射。 陶瓷中大多数表面并不是十分光滑的，因此当光照陶瓷中大多数表面并不是十分光滑的，因此当光照 射到粗糙不平的材料表面上时，发生相当的射到粗糙不平的材料表面上时，发生相当的漫反射漫反射，其，其 原因是材料表面粗糙，在局部地方的入射角参差不一，原因是材料表面粗糙，在局部地方的入射角参

26、差不一， 反射光的方向也各式各样。材料表面愈粗糙，镜反射所反射光的方向也各式各样。材料表面愈粗糙，镜反射所 占的能量分数愈小。如图占的能量分数愈小。如图4.8 二、光泽二、光泽 要对光泽下个精确定义是很困难的，但它与镜反射要对光泽下个精确定义是很困难的，但它与镜反射 和漫反射的相对含量密切相关。已经发现表面光泽与镜和漫反射的相对含量密切相关。已经发现表面光泽与镜 反射光带的宽度和它的强度有密切关系。这些因素主要反射光带的宽度和它的强度有密切关系。这些因素主要 由折射率和表面光洁度决定。由折射率和表面光洁度决定。 为了获得高的表面光泽，需要材料表面形成完整的为了获得高的表面光泽，需要材料表面形成

27、完整的 光滑表面。为了减少表面光泽，可以采取低折射率的玻光滑表面。为了减少表面光泽，可以采取低折射率的玻 璃相或增加表面粗糙度，例如采用研磨或喷砂的方法，璃相或增加表面粗糙度，例如采用研磨或喷砂的方法， 表面化学腐蚀的方法以及由悬浮液或气相沉淀一层细粒表面化学腐蚀的方法以及由悬浮液或气相沉淀一层细粒 材料的方法产生粗糙表面。材料的方法产生粗糙表面。 第四节第四节 不透明性（乳浊）和半透明性不透明性（乳浊）和半透明性 一、不透明性一、不透明性 图图4.9所示为釉和玻璃板中小颗粒散射的总效果图。所示为釉和玻璃板中小颗粒散射的总效果图。 影响该效果的光学特性有：影响该效果的光学特性有： a镜反射光的

28、分数（它决定光泽）；镜反射光的分数（它决定光泽）； b直接透射光的分数；直接透射光的分数； c入射光漫反射的分数；入射光漫反射的分数； d入射光漫透射的分数。入射光漫透射的分数。 要获得高度乳浊（不透要获得高度乳浊（不透 明性），就要求光在达到具明性），就要求光在达到具 有不同光学特性底层之前被有不同光学特性底层之前被 漫反射掉。为了有高的半透漫反射掉。为了有高的半透 明性，光应该被散射掉。决明性，光应该被散射掉。决 定总散射系数从而影响两相定总散射系数从而影响两相 系统乳浊度的主要因素有：系统乳浊度的主要因素有： 颗粒尺寸，相对折射率以及颗粒尺寸，相对折射率以及 第二相颗粒的体积含量。第二相

29、颗粒的体积含量。 二、乳浊剂的成分和常用乳浊剂二、乳浊剂的成分和常用乳浊剂 构成釉的主要成分的硅酸盐玻璃，其构成釉的主要成分的硅酸盐玻璃，其 。 作为一种有效的散射剂，加进玻璃内的乳浊剂必须满足以作为一种有效的散射剂，加进玻璃内的乳浊剂必须满足以 下条件：下条件： a具有与玻璃显著不同的折射率；具有与玻璃显著不同的折射率； b能够在玻璃基体中形成小颗粒。能够在玻璃基体中形成小颗粒。 65. 149. 1 玻璃 n 因此，满足以上条件的最有效的乳浊剂有因此，满足以上条件的最有效的乳浊剂有TiO2、 ZrO2和和SnO2。TiO2的的n虽很高，但在釉和玻璃中都没有虽很高，但在釉和玻璃中都没有 用作

30、乳浊剂，这是由于高温，特别是在还原气氛下，会用作乳浊剂，这是由于高温，特别是在还原气氛下，会 使釉着色。使釉着色。 SnO2是另一种优质乳浊剂，其特点是烧成是另一种优质乳浊剂，其特点是烧成 时，如遇还原气氛，还原成时，如遇还原气氛，还原成SnO而溶于釉中，乳浊效果而溶于釉中，乳浊效果 消失，并且资源稀少、价格昂贵。消失，并且资源稀少、价格昂贵。ZrO2或或ZrSiO4不仅不仅 乳浊效果稳定，不受气氛影响，而且乳浊效果稳定，不受气氛影响，而且ZrSiO4易得且价格易得且价格 低。因此常用乳浊剂是天然锆英石（低。因此常用乳浊剂是天然锆英石（ZrSiO4）。）。 三、乳浊机理三、乳浊机理 入射光被反

31、射、吸收和透射所占的分数取决于釉层入射光被反射、吸收和透射所占的分数取决于釉层 的厚度、釉的散射和吸收特性。对于无限厚的釉层，其的厚度、釉的散射和吸收特性。对于无限厚的釉层，其 反射率反射率m等于釉层的总反射（入射光被漫反射和镜面反等于釉层的总反射（入射光被漫反射和镜面反 射）的分数。射）的分数。m取决于吸收系数和散射系数之比取决于吸收系数和散射系数之比: 2 1 2 2 2 1 SSS m 但是实际上釉层厚度是有限的，釉层底部与基底材料的但是实际上釉层厚度是有限的，釉层底部与基底材料的 界面，也会有反射上来的光线增加到总反射率中去。下面界面，也会有反射上来的光线增加到总反射率中去。下面 分两种情况分析：分两种情况分析： （1）设釉层与底材之间的反射率）设釉层与底材之间的反射率m=0（底材为一种完（底材为一种完 全吸收或完全透过入射光的材料），则釉层表面的反射为全吸收或完全透过入射光的材料），则釉层表面的反射为 m0； （2）与反射率为）与反射率为 的底材相接触的釉层的表面光反射的底材相接触的釉层的表面光反射 率率 ，釉层的覆盖能力和，釉层的覆盖能力和m0与与 的比值有关，的比值有关， 称为称为对比度对比度或或乳浊能力乳浊能力。 m R m R m R R m m C 0 取基底的反射率取基底的反射率 =0.80 比较方便，即上式变为比较方便