材料性能测试课件

第一节材料科学简介1.发展历史a)材料科学的发展是社会进步的里程碑石器时代

青铜时代

铁器时代

钢铁时代

电气、化工时代

信息时代第一章导论石器时代的材料以石头、动物骨骼为主青铜（铜锡合金）时代：青铜器为标志出现原始冶金业，跨度约四千年铁器时代：铁器的冶炼和使用出现复杂的金属加工业信息时代：第三次产业革命三大技术—原子能、计算机、航天钢铁时代：第一次产业革命为标志蒸汽机的发明、冶金和机械制造业革命电气、化工时代：第二次产业革命三大技术—电气、钢铁、化工三大发明—汽车、飞机、无线电通信c)先进材料是21世纪新技术革命的主要标志之一b)“材料科学”成为一门独立的交叉学科三大支柱产业、六大技术群体、九大重点研究领域材料信息能源生物空间海洋软件与计算机模拟先进材料纳米技术微电子学光子学微系统工程分子电子学细胞生物技术信息、生产与管理工程2.研究内容合成与工艺流程成分与结构性质（性能）效能合成是核心、性能是关键、效能是标准3.

研究热点a)

超高纯材料:b)

新型金属材料：c)

先进无机材料（陶瓷材料）：d)

新型有机功能材料：e)

先进复合材料：

超高纯玻璃材料、超高纯金属材料、超高纯半导体材料

高比强度、超塑性、超耐热、储氢、超导合金材料

高强度、耐磨损、耐腐蚀的结构陶瓷、具有良好绝缘性和介电性的功能陶瓷具有各种特殊性能的有机功能材料高比强度、高比模量的结构复合材料、各种优良性能的功能复合材料第二节《材料性能测试》简介1.

材料性能分类2.课程内容a)范围广：既涉及金属与合金、陶瓷、聚合物等传统材料，又涉及光电子材料、磁性材料、激光材料等新兴材料。

a)

材料性能相关的基本概念和定律b)材料性能的测试方法（侧重原理）3.

课程特点包括力学、磁学、热学、光学及电学方面b)

近物理、远化学4.

推荐参考书陈树川等，材料物理性能，上海交大出版社，1999王从曾，材料性能学，北京工业大学出版社，2001姜伟之等，工程材料的力学性能，北航出版社，2000陈洪荪，金属物理性能及测试方法，冶金工业出版社，1987第二章力学性能及测试方法一、力学性能的含义：材料在一定温度条件和外力作用下，抵抗变形和断裂的能力称为材料的力学性能。主要包括：强度、塑性、硬度等。（1）强度：材料在外力作用下对变形或断裂的抗力。常用的强度指标有屈服强度σS或σ0.2和抗拉强度σb（2）塑性：材料在断裂前发生塑性变形的能力。塑性指标包括：伸长率δ，即试样拉断后的相对伸长量；断面收缩率

，即试样拉断后，拉断处横截面积的相对缩小量第一节力学性能简介（3）硬度：衡量材料软硬程度的一个性能指标。硬度试验的方法较多，原理也不相同，测得的硬度值和含义也不完全一样。最常用的是静负荷压入法硬度试验，即布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC）、维氏硬度（HV），其值表示材料表面抵抗坚硬物体压入的能力。因此，硬度不是一个单纯的物理量，而是反映材料的弹性、塑性、强度和韧性等的一种综合性能指标。二、力学性能的常规测试手段（1）单向静拉伸实验（3）扭转实验（2）压缩实验（4）弯曲实验（5）冲击韧性实验（6）断裂韧性实验（7）疲劳性实验（8）磨损性实验第二节常温单向拉伸性能及测试方法一、力–伸长曲线图2.1低碳钢的力—伸长曲线F为拉力,L为绝对伸长P点以下为直线A点以下为弹性变形AC为屈服阶段CB为均匀塑性变形Bk为非均匀塑性变形1—淬火后的高碳钢弹性、少量塑性变形2—低合金钢，类似于低碳钢3—黄铜无明显屈服阶段4—陶瓷、玻璃只有弹性变形5—橡胶弹性变形可达1000%6—工程塑料工程应变

工程应力(Mpa)b图2.1低碳钢的应力应变曲线acdek真应变真应力二、应力—应变曲线弹性变形阶段基本吻合塑性变形阶段差异明显工程设计和材料选用时多用工程应力和工程应变材料科学研究中真应力和真应变具有重要意义四个阶段1）弹性变形阶段：ob段，比例极限、弹性极限4）局部塑性变形阶段，ef段2）屈服阶段：cd段，屈服强度3）均匀塑性变形阶段：de段，抗拉强度七种类型1)弹性模量(Gpa)三、重要拉伸性能指标影响因素：1、键合方式及原子结构共价、离子及金属键弹性模量较大2、晶体结构非晶态材料的弹性模量呈各向同性多晶态材料为各向同性单晶材料为各项异性3、化学成分5)抗拉强度2)

比例极限

p0.01、弹性极限

p0.05和屈服强度

0.023)断后伸长率4)

断面收缩率1)试样制备四、测试方法a)

从棒材、管材、板材等成品上合理切取材料，加工成标准尺寸试样。图2.2

棒材、板材试样示意图L0=10d或5dL0=10b或5bb)

粉、粒状原材料经模塑成形为标准尺寸试样，材料性能受成型条件（成型方法、成型温度和压力、冷却速度、后处理条件）影响。图2.3

聚碳酸酯热处理时间对性能的影响2)

实验仪器拉力试验机：加载和测力引伸计：测量变形高低温辅助装置图2.3

DL-1000B型拉力试验机3)实验步骤a)测量原始截面积S0和标记初始标距L0圆形截面试样矩形截面试样圆管截面试样未加工的等截面试样b)

选择合适的夹具和拉伸速率c)

数据处理屈服强度

0.2弹性模量屈服强度

su、sl断面收缩率一、压缩试验的应力-应变曲线及特点图2.4铸铁压缩应力-应变曲线图2.5低碳钢压缩应力-应变曲线第三节常温压缩性能及测试方法压缩屈服强度压缩弹性模量相对压缩率相对断面扩展率抗压强度二、压缩性能参量三、测试方法1)

试验试样的试样适用于测量

pc、

sc、

bc的试样适用于测量

0.01c、Ec的试样仅适用于测量

bc、2)

试验装置试验机、引伸计约束装置图2.6约束装置示意图3)实验步骤a)

选择合适的压缩速率b)

板状试样夹紧力的选择c)

数据处理Ec、

pc、sc、

bc第四节常温扭转性能及测试方法一、扭转试验的基本概念在圆柱形试样两端施加大小相等、方向相反、作用面垂直于试样轴线的力偶，测量试样的扭矩M和转角

图2.6

扭转时的切应力与切应变扭矩定义为极惯性距为截面系数W，则有,图2.8

扭转试验计算示意图切变模量抗扭强度二、扭转性能参量三、测试方法1)

试验试样一般选用d=10mm，L0=50或100mm，Lc=70或120mm满足Lc=L0+2d2)

试验装置:扭转试验机和扭转计3)

数据处理非比例扭转应力抗扭强度最大切应变第五节常温弯曲性能及测试方法一、弯曲试验力学分析及基本概念三点弯曲示意图四点弯曲示意图挠度(f)：横截面形心在垂直于轴线方向上的位移弯矩剪力1)

规定非比例弯曲应力其中W为抗弯截面系数2)

弯曲弹性模量二、弯曲性能参量其中I为轴惯性矩3)

抗弯强度三、测试方法1)

试验试样为克服弯曲时切应力的影响，应选择的试样2)

试验装置试验机、弯曲夹具和挠度计三点弯曲时最大正应力与最大切应力的关系（圆形截面试样）（矩形截面试样）或非比例弯曲应力弯曲弹性模量取得出代入将3)

数据处理第六节硬度性能及测试方法一、硬度性能基本概念硬度反映材料抵抗局部变形特别是塑性变形和破裂的能力硬度并非材料独立的力学性能，而是人为规定的在某一特定试验条件下的一个综合性能指标。二、布氏硬度(HB)1)试验原理将代入得将代入HB的计算式可得根据大量试验结果有2)试验设备布氏硬度计：加力部分、钢球和压痕测量装置3)测试方法

压头选择：压头种类及直径试验力选择：根据试样硬度确定4)

优缺点优点：数据稳定、可重复性强缺点：需经常更换压头、不适宜成品试样三、洛氏硬度(HR)试验原理金刚石压头淬火钢球压头四、维氏硬度(HV)试验原理将代入得优点：不存在F与D之间的约束、压痕测量精确、不存在标尺不统一的问题缺点：测定较为麻烦，效率低第三章

磁学性能及测试方法第一节磁性材料简介1)

自然界磁现象：“先王立司南以端朝夕”

-

《韩非子》（春秋）

“郑人取玉，必载司南，为其不惑也”

-

《鬼谷子》（春秋）“司南之杓，投之于地，其柢指南”-《论衡》（东汉王允）最早的自然磁性应用-司南（公元前三世纪）王振铎复原模型一、发展历史2)古代磁现象的应用“以磁石摩针锋，则锐处常指南，亦有指北者，恐石性亦不同，南北相反，理应有异，未深考耳。”-《梦溪笔谈》（北宋沈括）“舟师识地理，夜则观星，昼则观日，阴晦则观指南针。”-《萍洲可谈》（北宋朱彧）磁化方法：航海应用：a)

指南鱼、指南针b)古代医疗慈(磁)石治疗风湿、肢节痛、除热和耳聋，《神农本草》（东汉）“磁石可以养肾脏，强骨气，通关节，消痛肿”

-《名医别录》（南北朝陶弘景）磁石治疗耳卒聋闭、肾虚耳聋、老人耳聋、老人虚损、眼昏内障、小儿惊痫、子宫不收、大肠脱肛、金疮肠出、金疮血出、误吞针铁、丁肿热毒、诸般肿毒，《本草纲目》（明李时珍）用磁石制成蜜丸，经常服用可以对眼力有益，《千金方》（唐孙思邈）磁石医治听力不佳，《济生方》（南宋严用和）3)近代磁现象的应用a)核磁共振在医疗中的应用原子核磁共振成像，简称核磁共振成像，又称核磁共振CT目前应用的是氢元素的原子核核磁共振层析成像。这种层析成像比目前应用的X射线层析成像(又称X射线CT)具有更多的优点脑瘤病人头部的

CT成像和X射线成像b)宇宙空间探测阿尔法磁谱仪是人类送入宇宙空间的第一个大型磁谱仪（1998）。它利用强磁场和精密探测器来探测宇宙空间的反物质和暗物质，探索和研究宇宙物理学、基本粒子物理学和宇宙演化学的一些重大和疑难问题。反物质：是指由质量相同但电荷符号相反的反电子(即正电子)、反质子和反中子组成的反原子构成的物质，如反氦和反碳等。暗物质是指不能用光学方法探测到的物质。阿尔法磁谱仪的核心部件-永磁铁4)

近代磁性材料的发展Fe-Si软磁合金（1900年）Fe-Ni软磁合金（1920年）铝镍钴永磁合金（1932年）稀土金属铁氧体（1956年）钕铁硼永磁合金（1985年）二、磁性材料的分类1)

永磁材料（硬磁）：经磁化后能长期保留其磁性的材料。特征：a)具有高的最大磁能积(BHm)

：永磁材料单位体积存储和可利用的最大磁能量密度的量度；b)具有高的剩余磁化强度(Mr)和高的矫顽力(Hc)；c)具有较高的稳定性。主要有：a)

稀土永磁材料（钕铁硼）：当前磁能积最高的一类永磁材料，为铁族元素和稀土元素的金属互化物；b)

金属永磁材料：分铝镍钴(AlNiCo)系和铁铬钴(FeCrCo)系两大类，AlNiCo系成本中等，FeCrCo系合金可以制成管状、片状或线状永磁材料而供多种特殊应用；c)

铁氧体永磁材料

：(

BaO•6Fe2O3和SrO•6Fe2O3)等；d)

其他：微粉永磁材料、纳米永磁材料、胶塑永磁材料等。2)

软磁材料：既容易磁化又容易退磁的磁性材料。

特征：a)高的磁导率。磁导率(符号为μ)是对磁场灵敏度的量度；b)具有高的饱和磁化强度(Ms)和低的矫顽力(Hc)；c)具有较高的稳定性。主要有：a)

铁-硅(Fe-Si)系软磁材料，俗称硅钢片；b)铁-镍(Fe-Ni)系软磁材料，具有低矫顽力的一类材料；c)铁氧体软磁材料，可在高频或超高频使用；d)非晶态软磁材料和纳米晶软磁材料，制造工艺简单；e)

其他软磁材料：高能和高磁化强度的铁-钴(Fe-Co)系合金，高电阻率的铁-铝(Fe-Al)系合金，磁晶各向异性和磁致伸缩都趋近于零的铁-硅-铝(Fe-Si-Al)系合金等。3)

磁存储材料：电子计算机存储器所用的磁性材料，其磁滞回线近似于矩形。特征：a)

具有高的剩磁比Br/Bm和低的矫顽力Hc；b)短的开关时间；c)磁滞回线近似于矩形。主要有：a)铁氧体矩磁材料（MnO•Fe2O3、MgO•Fe2O3）；b)金属磁膜材料（Fe-Ni系）等。4)

磁微波材料：具有独特微波磁性的材料。5)

磁光材料：激光、光电子学和正在发展的光子学中所用多种磁光效应器件使用的磁性材料。主要有：a)旋磁材料，高旋磁性高电阻率的旋磁铁氧体材料，如BaO•6Fe2O3、3Y2O3•

5Fe2O3铁氧体系统等；b)磁微波吸收材料，具有高的电磁波吸收系数和宽的电磁波吸收频带，如以磁性金属粉末或薄膜为组元的复合吸收材料、六角晶系复合铁氧体等。特征：a)高的磁光效应；b)低的磁光损耗；c)宽的磁光效应频带；d)高的稳定性。主要有：a)金属磁光材料，如锰-铋(Mn-Bi)系合金等；(2)铁氧体磁光材料，如石榴石型铋-钆-铁-镓-氧(Bi-Gd-Fe-Ga-O)系铁氧体等；(3)非晶态磁光材料，如钆-钴(Gd-Co)系非晶态合金等。6)

多功能磁性材料：同时具有磁性和其他性能的材料主要有：a)同时具有铁磁性和铁电性的铁磁-铁电功能材料，如BiFeO3(Ba,Pb)(Ti,Zr)O3系材料；b)同时具有铁磁性和半导体的铁磁-半导功能材料，具有高的磁导率和高的载流子迁移率，如铕-硫(Eu-S)系和铕-硒(Eu-Se)系材料；c)磁电材料，是一类由磁场可产生磁化强度和电极化强度，由电场可产生电极化强度和磁化强度的磁性材料，如DyAlO3和GaFeO3；d)铁磁-有机材料，是一类不含磁性金属的纯有机化合物磁性材料。可以说多功能磁性材料是正在发展和扩大的新型磁性材料。第二节宏观磁性特征一、材料的磁性1)

分子环流假说：分子或原子中的电子绕核运动产生环形电流，环形电流的定向排列产生磁性。由原子核的自旋磁矩、电子的轨道磁矩和自旋磁矩产生。轨道磁矩其中,自旋磁矩其中2)

原子磁矩:成对电子轨道磁矩和自旋磁矩矢量和为零，未成对电子不为零。原子的磁矩由未成对电子决定。二、材料的磁化物质在磁场中表现出一定的磁性称为磁化其中H为外加磁场强度，单位为A/m为附加磁场强度，其大小可用磁化强度表示磁化强度：单位体积内的总磁矩1)

磁化率和磁导率a)

磁化率为相对磁导率，为磁导率b)

磁导率真空磁导率磁感应强度将代入得2)

磁化曲线和磁滞回线软刚的磁化曲线磁化过程中B和M与H的关系a)

磁化曲线顺磁体抗磁体铁磁体一些工业材料的磁化曲线b)

磁滞回线铁磁体在磁化过程中存在着不可逆过程，退磁时其磁化强度不沿磁化曲线降低而是更为缓慢。当H降为零时，仍保留的磁化强度称为剩余磁化强度Mr，施加反向磁场直至磁化强度减为零时的磁场称为矫顽力Hc。第三节抗磁性和顺磁性一、抗磁性抗磁磁矩示意图（约10-6）二、顺磁性其中j被称为磁偶极矩磁场对条形磁体的作用顺磁体磁化过程三、影响因素1)

原子结构惰性气体：典型的抗磁性非金属：大多数具有抗磁性（氧和石墨例外）金属：铜、银、金、汞等具有抗磁性碱金属、碱土金属具有顺磁性过渡金属多具有铁磁性3)

其他因素：合金成分的影响相变的影响等2)

温度第四节铁磁性一、铁磁性的产生1)

外斯假说①物体中存在着与外磁场无关的自发磁化，其强度与温度有关②铁磁体内部分成很多微小的区域，称为“磁畴”。在外磁场作用下磁畴的取向发生变化。为原子的能量，为核a,b相互作用的势能为电子之间、电子与核之间相互作用的能量项为两个原子的电子交换位置产生的作用能，称为交换能2)

自发磁化（自旋平行）（自旋反平行）A>0为铁磁体(Fe、Co、Ni)或顺磁体A<0为反铁磁体(Cr、Mn)二、铁磁材料的测量：冲击法感生电动势感生电流总电量因为代入得闭路试样示意图三、反铁磁性和亚铁磁性反铁磁体：亚铁磁体：铁氧体MeO•Fe2O3，M为铁、钴、镍、锌、镁等三种磁体磁矩排列示意图宏观磁性分类第五节铁磁材料静态磁化特性的测量一、冲击法1)

闭路试样a)

试样要求：b)

磁场强度和磁感应强度：其中Cb为冲击常数，由冲击计给出，R为测量回路总电阻，为光电计偏移量，N2为测量线圈匝数，S为试样截面积闭路试样示意图c)

冲击法测量线路图K1控制磁化电流方向，用于基本磁化曲线的测量，K3控制辅助电路，用于磁滞回线的测量。d)

冲击法测得的磁化曲线和磁滞回线磁化曲线测量：K3闭合，R1调节电流，K1换向，磁感应从+B-B,或-B+B所以磁滞回线测量：调节R1达到磁化饱和，断开K3，读出检流计偏转

C根据磁滞回线可得到剩余磁感应强度Br和矫顽力Hc2)开路试样：适用于永磁材料a)

试样要求：当时，取试样或时，取当试样或b)

饱和磁化强度其中

0为真空磁导率，410-7(H/m)，S2为试样截面积开路试样示意图二、自动测量1)

光电放大磁通计2)电子积分运算磁通计3)数字磁通计第二章力学性能作业题

1、以图例法简述材料单向静拉伸四个阶段的特征。

2、材料拉伸弹性变形阶段的主要性能指标有哪些？如何得到？

3、比较材料拉伸与压缩实验中主要性能指标的异同点。

4、简述布氏硬度与维氏硬度的测量原理及优缺点。第三章磁学性能作业题

1、简述磁性材料的分类及主要用途

2、简答物质产生抗磁性和顺磁性的原因

3、简答物质产生铁磁性的原因

4、以图例法简述铁磁材料的磁化过程及主要性能指标。

第四章热学性能及测试方法第一节热容一、基本概念因为，代入得恒容热容恒压热容热容摩尔热容热容是质点热运动的的能量随温度变化的一个物理量，是物体温度升高1K所需要增加的热量。

：体膨胀系数V0：摩尔容积：压缩系数对于物质的凝聚态，Cp、Cv相差很小，但高温时有较大的差别。二、固体热容理论1)

杜隆-珀替定律固体中原子有三个自由度，每个自由度平均能量为单个原子能量为恒容热容其中KB为波尔兹曼常数硅、锗的摩尔热容理论过于简单，不能解释低温下热容减小的现象。2)爱因斯坦理论：其中为爱因斯坦特征温度当T

<<

E时，当T>>

E时，爱因斯坦模型与实验值的比较每个原子都是独立的振子，原子之间彼此无关，每个振子振动的角频率相同。3)德拜理论当T<<

D时，德拜模型与实验值比较考虑了晶体中原子的相互作用，认为晶体对热容的贡献主要是弹性波的振动，每个谐振子的频率不同，频率范围从0到

m。当T>>

D时，（杜隆-珀替定律）三、热容的测量1)

量热计法电加热法2)

撒克司法a)

原理及设备测量样品与参比物的温差与温度的关系四、热分析方法及其应用1)普通热分析：测量温度随时间的变化2)

差热分析(DTA)b)

差热分析曲线热电偶：DTA的关键元件测量池：包括试样池和参比池温控系统：在较大范围内实行线性升温放大装置：将热电偶产生的电流放大记录仪：气体保护系统：氮气或氩气体系c)

差热分析仪d)注意要点升温的线性和速度参比物的选择样品的预处理3)

示差扫描量热法(DSC)a)

原理具有两个独立的加热装置，采用热量补偿的方式保持两个量热器的平衡b)注意要点取样：质量和几何形状纯度：杂质会使峰值发生变化4）热分析方法的应用a)

测定聚合物的玻璃化转变温度聚苯乙烯的DTA曲线b)

共聚物结构的判断第二节热膨胀膨胀系数与温度的关系一、基本概念一般固体材料：在10-2～10-5/K一般金属、陶瓷材料：在10-5～10-6/K二、热膨胀的机理固体材料的热膨胀本质，归结为点阵结构中质点间平均距离随温度升高而增大。对于非简谐振动，位能曲线不对称，质点向外振动的距离大于向内振动的距离，随着温度升高，动能增大，振动激烈，质点间的平均距离不断增大，形成宏观的热膨胀现象。r<r0时，曲线的斜率较大；r>r0时，曲线的斜率较小。r<r0时，斥力随位移增大得很快；r>r0时，引力随位移的增大较慢。双原子体系势能曲线三、热膨胀与其他性质的关系1)

热膨胀与热容Al2O3的比热容、热膨胀系数与温度的关系热膨胀是固体材料受热以后晶格振动加剧而引起的容积膨胀，升高单位温度时能量的增量也就是热容的定义。所以热膨胀系数与热容有着相似的规律。r：格留涅申常数，取值1.5～2.5K：体积弹性模量V：比容2)热膨胀与熔点当晶体结构类型相同时，结合能大的材料的熔点也高，也就是说熔点高的材料膨胀系数较小。对于单质晶体，熔点与原子半径之间有一定的关系，单质晶体的原子半径越小，结合能越大，熔点越高，热膨胀系数越小。四、热膨胀系数的测定及应用1)

望远镜直读法：将试样按规定的升温速率加热到最终温度，通过望远镜直接读出试样的长度变化，得出线膨胀系数。2)顶杆式间接法：顶杆与试样接触，通过位移传感器或千分表测量线膨胀情况。3)

热膨胀的应用：热膨胀分析技术用于相变点的确定。第三节热传导一、基本概念二、热传导机理电子导热、声子导热、光子导热（电磁辐射）从金属半导体绝缘体，声子导热作用渐强。c为单位体积气体热容；v为分子平均运动速度；l为分子运动平均自由程。

e：电子热导率，来源于自由电子的贡献;

i：离子热导率，来源于晶格振动的贡献。l与温度有关，温度升高，声子的振动能量加大，频率加快，碰撞增多，自由程减小。在高温时，最小平均自由程等于几个晶格间距；在低温时，最长平均自由程长达晶粒的尺度。三、热导率的测量1)

稳态法：测量单位面积上的热量迁移率和温度梯度2)

非稳态法：直接测量导温系数3)

优缺点：稳态法不易满足热流恒定的条件，非稳态法无此限制，但需要比热数据先用热源对测试样品进行加热，并在样品内部形成稳定的温度分布，然后进行测量；

第五章光学性能及测试方法第一节光学基本理论一、光的本性牛顿：粒子流说惠更斯：波动说麦克斯韦：电磁波理论普朗克、爱因斯坦：光量子理论德布罗意：物质波假说狄拉克：电磁场量子理论二、广义波谱电磁波谱三、光的描述电场E和磁场H，通常以电场E来描述光矢量。1)

波动性根据麦克斯韦方程组，有2)

粒子性一、折射定律和反射定律第二节光的折射和反射1)

反射角2)

折射角如第一介质为真空，则折射和反射二、反射率和透射率1)

光的偏振：垂直于入射面的分量S

平行于入射面的分量P2)

反射率：反射光通量与入射光通量之比反射率随入射角的变化当光线垂直入射时，光线以布儒斯特角入射时反射光是完全偏振光4)

透射率：T+R=1（忽略吸收）3)布儒斯特角三、反射及折射现象的应用1)透镜（凹透镜、凸透镜）2)面镜（平面、球面）3)分束器件4、光纤光纤材料：石英系玻璃、多成分玻璃、复合材料1)全反射2)几种光导纤维的性能第三节光的吸收和色散一、光的吸收吸光度为吸收系数光强光的吸收此时A+T+R=11)

朗伯-比尔定律2)吸收光谱金刚石的吸收光谱石英的吸收光谱3)吸收光谱的测量：紫外-可见分光光度法的应用根据郎伯-比尔定律有a)直接测定某一波长下的吸光度b)连续测定一段波长下的吸收光谱曲线，协助分析有机物结构c)定量测定液体样品的浓度d)在药品、食品的分析；环境监测等方面的应用二、光的色散1)

正常色散c)

科希色散公式：a)

同一材料波长越短折射率越大b)

折射率随波长的变化率称为色散率，波长越短色散率越大2)

反常色散石英在红外区的反常色散3)全色散曲线第四节双折射和二向色性一、双折射：折射率的各向异性双折射现象某些特殊方向不发生双折射，这些方向称为晶体的光轴符合折射定律的为寻常光（o光），其振动方向垂直于主截面（光轴与传播方向构成的平面）不符折射定律的为非常光（e光），其振动方向平行于主截面二、双折射的应用1)

将自然光分解为偏振方向垂直的两束偏振光2)

将自然光分解为两束偏振光后再除去一束的起偏-检偏元件3)

用于滤波的双折射滤光器三、二向色性：吸收率的各向异性也可用于制作偏振元件第五节光的发射一、发光原理1)激发态的产生与失活a)分子的多重态单重态：一个所有电子自旋都配对的分子的电子状态。大多数有机物分子的基态是单重态。当基态一对电子中的一个被激发到较高能级，其自旋方向不会立刻改变，分子仍处于单重态。三重态：有两个电子的自旋不配对而平行的状态。激发三重态能量较激发单重态低。b)激发态的失活

外转换(EC)：激发态分子与溶剂与其他溶质相互作用、能量转换而使荧光（或磷光）减弱甚至消失的过程。荧光强度的减弱或消失，称为荧光猝灭。

无辐射跃迁：振动弛豫(VR)：激发态分子由同一电子能级中的较高振动能级转至较低振动能级的过程，其效率较高。内转换(IC)：相同多重态的两个电子能级间，电子由高能级回到低能级的分子内过程。系间窜越(ISC)：激发态分子的电子自旋发生倒转而使分子的多重态发生变化的过程。磷光(P)：从第一激发三重态的最低振动能级回到基态所发出的辐射。由于磷光的产生伴随自旋多重态的改变，辐射速度远小于荧光，磷光寿命为10-4~10s。辐射跃迁：荧光(F)：激发态的分子从第一激发单重态的最低振动能级回到基态所发出的辐射，寿命为10-8

10-11s。由于是相同多重态之间的跃迁，几率较大，速度大，速率常数kf为106~109s-1。二、激励方式1)光致发光：以可见光将电子激发到高能态而致发光3)电致发光：LED显示器2)阴极射线发光：CRT显示器三、发光性质1)发射光谱线状光谱连续光谱2)发光寿命：停止激发后能持续发光的时间超短余辉时间荧光材料的性能超长余辉时间荧光材料的性能和用途3)发光效率a)量子效率：发射光子数与吸收光子数（或电子数）之比b)功率效率：发光功率与吸收的光功率（或输入电功率）之比c)流明效率：发射的光通量吸收光功率（或输入电功率）之比四、荧光和磷光的应用1)作为一种定性和定量分析方法特点：灵敏度高。检测限比吸收光谱法低1~3个数量级；线性范围宽；选择性比吸收光谱法好。因为能产生紫外可见吸收的分子不一定发射荧光或磷光；应用范围不如吸收光谱法广，因为有的分子不发荧光。2)作为发光器件的应用：照明器材和显示器第六节受激辐射和激光一、受激辐射A21为自发辐射系数B21为受激辐射系数B12为受激吸收系数二、激活介质红宝石的能级图Nd3+:YAG的能级图实现粒子数反转的介质三、光学谐振腔：使受激辐射在频率、方向和偏振态上一致1)以两面反射镜实现光强的放大功能2)限制或选择光束的方向3)选择光的振荡频率4)实现激光束的输出四、激光振荡的条件实现振荡的条件为:光的增益大于光的损耗五、激光器简介1)气体激光器：He-Ne原子激光器、CO2分子激光器、Ar+离子激光器，主要应用于大气检测、激光手术等2)液体激光器：已有机染料和稀土离子溶液为工作介质，优点是可以产生从红外到紫外各种波长的激光，用于高分辨光谱学研究和瞬态测量等。3)固体激光器：常用过渡金属离子和稀土金属离子为激活中心，多用于医科手术、光纤通信等。4)半导体激光器：利用III-V族、II-VI族化合物为发光材料，如GaAs,InP,PbS等。多用于光纤通信、光盘读写、激光打印、复印等。第四章热学性能作业题

1、试用杜隆-珀替理论计算室温(298K)时MgO的摩尔热容

2、简述示差扫描量热法(DSC)的原理

3、简述热膨胀系数与比热容、熔点的关系

4、试解释金属的热导率大于非金属和绝缘体的原因第五章光学性能作业题

1、试举一例说明光的折射与反射现象的应用

2、以全色散曲线为例说明光介质的色散规律

3、简述激发态的失活途径

4、简述激光器的种类及应用一、能带理论

能带是现代物理学描写固体中原子外层电子运动的一种图象。按照原子理论，原子中的电子只有占据某些能级，然而在晶格中能级改变了，我们发现电子能在某些整个能带(见图1.1.1-2)内运动，每一能带是与一个原子的能级相关联的。泡利不相容原理限制能占有某个nl原子能级的电子数，同样这原理也限制一个结晶格的能带内所能容纳的电子数。图1.1原子的能限和结晶格中的能带之比较第一节光电信息技术基础第六章光电信息材料简介1s2s2p3s钠(1s22s22p63s1)晶体能带满带

半满带空带3p图1.2导体内的能带1s2s2p3s价

带(满)导

带(空)3p绝缘体能带能

隙

较

大图1.3绝缘体图1.4半导体内的能带

图1.5半导体中的杂质：

(a)n型价带(满)导带(空)能隙较小杂质能级++++

图1.5半导体中的杂质：

(b)p型二、光电发射效应

物体受到光照后向外发射电子的现象称为外光电效应或称光电发射效应，这种多发生于金属和金属氧化物。在光电器件中，光电管、光电倍增管和某些光电器件都是建立在光电发射效应基础上的。

光电发射效应的几个规律。其中主要的基本定律和性质有：

1、光电发射第一定律当入射光线的频谱成分不变时，光电阴极的饱和光电发射电流IK

与被阴极所吸收的光通量ΦK

成正比。即

IK=SKΦK式中SK为表征光电发射灵敏度的系数。这个关系式看上去十分简单，但却非常重要。因为它是用光电探测器进行光度测量、光电转换的一个最重要的依据。

3、光电发射第三定律

当光照射某一给定金属或某种物质时，无论光的强度如何