材料科学与技术讲义材料的光性质,材料的力学性质

三、非金属的光学性质1、折射对可见光可能透明或不透明；存在反射、折射、吸收、散射折射：光从一种介质进入另一种介质时方向改变的现象折射率：光在介质中的传播速度与光波波长有关：棱镜的色散介质中的光速度：第四节材料的光学性质一、光的属性、光与物质的作用二、金属的光学特性组成原子或离子越大，电子极化愈高、折射率越大大多数非金属测折射率相对介电常数：光电场（高频）下:介质极化由电子位移极化决定，离子极化、偶极取向极化几乎不起作用介质的介电性、光速在介质中的减小主要由电子位移极化引起介质折射率与组成原子或离子的大小有关：普通玻璃：掺Ba或Pb离子玻璃:材料结构的各相异性导致光学性质的各相异性，立方晶体各向同性反射率：反射强度与入射强度之比2、反射光从一种介质入射到折射率不同的另一种介质时，两介质的界面上产生反射反射定律、能量守恒定律垂直入射、反射率真空或空气：反射率与波长有关折射率与波长有关3、吸收（1）电子位移极化对所有材料都存在、只有在色散区非金属材料光吸收三种机理：才有显著的吸收—共振吸收（2）本征吸收价带电子吸收光子越过禁带直接到导带本征吸收本征吸收的实现条件：光子能量：可见光可激发的最大禁带宽度：禁带宽度大于3.1eV的非金属不可能以这种机理吸收光子的高纯度材料应无色透明的材料：对可见光不透明可见光能量最小的光子：红光子禁带宽度小于1.8eV的材料可吸收各种可见光子的材料：部分吸收可见光、带色透明非金属材料的不透明波长：红线金刚石：红线杂质能级（3）杂质吸收（禁带中的吸收）价电子吸收光子进入禁带中的杂质或缺陷能级；杂质或缺陷能级上的电子吸收光子到导带杂质或缺陷能级起到从价带向导带转移电子的中转站

禁带中杂质或缺陷能级的存在使价电子能吸收更小能量的光子禁带中的吸收只有当材料中含有较多杂质时才显著导带电子可直接跃迁到价带与空穴复合、也可经杂质能级再到价带，产生能量不同的光子4、绝缘体的半透明和不透明性绝缘单晶体：大、光透明实际陶瓷材料：不仅不是单晶体、而且是多相体晶相、非晶相、气相（气孔）组成上：除基本成分外、还有添加剂、填料、杂质多晶材料(即使仅晶相)：也可能是半透、甚至不透明多相材料：不仅存在晶界上的散射，晶相、非晶相、气相多相体：原因：各微晶取向不同，晶界上的反射和折射引起光线的散射(晶体折射率各向异性)间的界面上存在更强的散射（折射率差异更大)透光性较多晶材料差高分子聚合物纯非晶、均相：透明（折射率各处相同）结晶性聚合物：半透、甚至不透明晶相组成：晶区和非晶区折射率差异大、界面散射强1、发光现象四、其它光学现象光可见光发光：产生的电磁辐射光子为可见光子的过程可见光子的能量：如：聚乙烯、全同立构聚丙烯、聚四氟乙烯、尼龙等提供发光体能量—电能、热能、电磁辐射能、化学能等实现持续发光的条件：可见光冷光可见光的发光冷光发光冷光发光分为二类：荧光和磷光荧光的延迟时间：磷光的延迟时间：发光延迟时间：材料从受激到发光的延迟时间荧光发光过程：导带中的电子直接跃迁到价带、与空穴复合的过程磷光发光过程：磷光体中的杂质、在禁带中产生杂质能级导带电子杂质能级、被捕获价带、与空穴复合逸出捕获阱发光的延迟时间长荧光发光荧光灯水银和惰性气体的混合气体辉光放电紫外线激发荧光剂荧光剂的发光弛豫时间越小越好荧光剂的基质：卤代磷酸钙，荧光剂的活化剂：锑、锰磷光发光电视机荧光屏常用磷光剂基质：

（Ca,Sr,Ba,Zn,Cd

等）金属硫化物活化剂：金属Ag,Cu,Mn,Al等荧光屏的磷光剂的弛豫时间要适当过短或过长缺影或重影2、光电性光电性：光照到材料上引起材料的电导率的变化光电材料半导体材料光半导体价电子激发或产生电流的现象导带电子、价带空穴增加电导率增大一定范围内：（光强）光电导：光电流：太阳能电池工作原理PN结内电场太阳能电池工作原理太阳光照射PN结P区和N区产生电子和空穴PN结内电场的形成P区电子和N区空穴（少数载流子）形成光电流（内电场作用）太阳能电池工作原理与发光二极管相反发光二极管N区多数载流子—电子与P区多数载流子—空穴复合发光3、激光普通光源的光：A、激发态电子的辐射跃迁具有随即性、无关性B、光波由一段段的短波列组成C、相干性差、相干长度短（子波列的长度）、（波列的长度，子波的频率、位相、偏振方向一般不同）方向性差、强度低激光:光子诱发式电子能态转变，电子的辐射跃迁与诱发光子具有相关性、与诱发光子的频率、位相、偏振态、传播方向相同子波列很长、相干长度大、相干性好红宝石组成：蓝宝石单晶离子红宝石激光器离子产生激光所需的能态红宝石加工：柱状、两端面高度抛光、相互平行一端面：部分镀银、能部分透光，另一端面：充分镀银、完全反射基态入射光子（氩气灯）能量激发态自发辐射自发与受激辐射激光亚稳态氩气灯红宝石基态到激发态激发过程：基态入射光子（氩气灯）能量激发态自发辐射自发与受激辐射激光亚稳态发光过程：两个途径：（1）直接从激发态返回基态、同时发出光子，产生的光不是激光；（2）激发态电子首先跃迁到“亚稳态”，停留3ms后返回基态、发出光子3ms：微观上很长的时间亚稳态上聚集大量电子亚稳态到基态的个别跃迁诱发雪崩式连锁跃迁高度准直、高强度的出射激光两端面间的激光子来回反射、准直红宝石激光波长：激光工作物质：固体、液体和气体气体有：离子，激光器晶体和玻璃体、人工晶体占多数固体激光器：激活离子的密度大、激光强度强、谱线窄、波长范围大、激光器机械强度和化学稳定性好常用固体激光器的工作物质：激光的应用机械激光切割、表面处理，医疗激光手术刀、激光碎石，通讯及军事（激光武器）等第五节材料的力学性能一、弹性1、弹性模量E弹性：物体具有恢复形变前的形状和尺寸的性质弹性形变：可立即恢复变形应力（T）：材料单位横截面积力，横截面积应变：应力作用下材料的相对线变化量上所承受的力原长，长度变化量沿应力方向：单向拉伸实验表明：各向同性的物体，应力与应变之间具有线性关系弹性模量或杨氏模量2、泊松比单向受力状态下材料横向应变与受力方向的纵向应变的比值横纵金属材料的泊松比：无机材料的泊松比：理想材料的泊松比：（理论值）横纵3、切变模量在单向切应力作用下，切应力与切应变间有线性关系切应力：单位面积上受的剪切力上、下表面面积切应变：畸变角度剪切模量或刚性模量4、压缩模量B材料受液体静压作用（各个方向上所受压强—应力相同）表征材料抗压缩作用的弹性模量体积变化率与静压（应力）成正比：比例系数：压缩模量压缩模量的倒数压缩系数材料的可压缩性各向同性的材料上述四个弹性模量只有两个独立其间关系：（材料