第四章-光功能复合材料-第一次课

功能复合材料—光功能复合材料第四章光功能复合材料2024/10/23功能复合材料14.1概述光功能复合材料？具有光学或光电功能特性的复合材料。组成？具有光学特性的功能体与普通基体复合而成，也可以由具有光学特性的功能体与具有光学特性的基体复合而成。2024/10/23功能复合材料2功能复合材料—光功能复合材料光功能复合材料的种类与应用范围2024/10/23功能复合材料3功能复合材料—光功能复合材料4.2知识回顾光的波粒二象性爱因斯坦光电方程把光波动性和粒子性联系起来了，即光频率、波长和辐射能都是由光子源决定。图4.1为辐射电磁波谱。2024/10/23功能复合材料4功能复合材料—光功能复合材料2024/10/23功能复合材料5功能复合材料—光功能复合材料频率范围标志相应的频率范围FR1450MHz-6000MHzFR224250MHz-52600MHz2024/10/23功能复合材料6功能复合材料—光功能复合材料5G的频段分成了两个范围：FR1和FR2联通获得的频谱在3500-3600之间，电信的是3400-3500的带宽，移动的是2515-3675以及4800-4900的带宽。毫米波的特点就是具有高传输速率，并且也能实现短距离下的高频应用。天线物理尺寸比较小，所以只能提升频谱带宽来让它的数据传输实现超高速。2024/10/23功能复合材料7功能复合材料—光功能复合材料汤姆逊的电子衍射图粒子性

—具有独立存在的意义特征量：能量

E、动量

p波动性

—实物微粒某种性质在空间和时间具有周期性变化规律。特征量：频率

、波长

德布罗依关系式。

实物粒子具有波粒二象性

光的二象性2024/10/23功能复合材料8功能复合材料—光功能复合材料2024/10/23功能复合材料9功能复合材料—光功能复合材料光的发射发光：由于电子从较高的能态跃迁到较低空能态而发射光子，同时可能伴随热量的产生（声子）。荧光：纳秒或更快；磷光：微秒或毫秒；余晖：秒磷光材料：ZnS,钨酸盐；Zn过剩的ZnO,许多有机物根据电子跃迁所需时间，发射的光可分为：2024/10/23功能复合材料10功能复合材料—光功能复合材料光致发光；场致发光：由于应用电场引起；阴极发光(cathodoluminescence)：由于高能电子照射物体表面引起。根据发光产生的原因，可分为：电视机屏幕（ZnS；掺银蓝色；掺铜绿色）荧光灯：钨酸盐，硅酸盐；由于水银辉光放电产生的紫外光照射电子显微镜的图像:由于磷光剂，比如ZnS蜡烛，白炽灯等2024/10/23功能复合材料11功能复合材料—光功能复合材料可见光和金属间相互作用可见光入射金属时，光能被金属表层吸收，激发自由电子，使之具有较高能态。当电子由高能态回到较低能态时，发射光子。金属是不透光，故吸收现象只发生在金属厚约100nm表层内，金属片在100nm以下时，才是“透明”。只有短波长x－射线和γ－射线等能穿过一定厚度金属。金属和可见光间作用主要是反射，产生金属光泽。2024/10/23功能复合材料12功能复合材料—光功能复合材料电磁波在真空中传播速度为3×108m/s以c表示。c与真空介电常数ε0和真空磁导率μ0关系为：当光在介质中传播时，其速度v由下式决定：光通过介质现象2024/10/23功能复合材料13功能复合材料—光功能复合材料在讨论光与材料相互作用产生反射、透射、折射等现象时，应用光粒子性更容易理解；讨论光波在介质中传播、衍射等现象应用光波动性更方便。当光从一种介质进入另一种介质时，例如从空气进入透明介质，一部分透过介质，一部分被吸收，一部分在两种介质界面上被反射，还有一部分被散射。光通过介质现象2024/10/23功能复合材料14功能复合材料—光功能复合材料2024/10/23功能复合材料15功能复合材料—光功能复合材料入射到材料表面光辐射能流率为φ0，透过、吸收、反射和散射光辐射能流率分别为φτ,φα,φm,φσ,则：光辐射能流率单位为W/m2，单位时间内通过单位面积（与光传播方向垂直面积）能量。若用φ0除上式两边，得到：式中：称为透射系数；称为吸收系数；称为反射系数；称为散射系数2024/10/23功能复合材料16功能复合材料—光功能复合材料从微观分析，光子与固体材料相互作用，实际上是光子与固体材料中原子、离子、电子等相互作用，结果是：1、电子极化电磁辐射电场分量，在可见光频率范围内，电场分量与传播过程中每一个原子都发生作用，引起电子极化，造成电子云和原子核重心发生相对位移，其结果是光一部分能量被吸收，同时光速度被减小，导致折射发生。2、电子能态转变光子被吸收和发射，都可能涉及到固体材料中电子能态转变。光通过介质现象2024/10/23功能复合材料17功能复合材料—光功能复合材料4.3透光功能复合材料光是一种电磁波。电磁波的范围从远红外到紫外并延伸到软x射线区。可见光波长大约在390~770nm.x光线波长介于紫外线和γ射线间的电磁辐射。x射线是一种波长很短的电磁辐射，其波长约为（0.01～100）埃之间。由德国物理学家W.K.伦琴于1895年发现，故又称伦琴射线。伦琴射线具有很高的穿透本领，能透过许多对可见光不透明的物质，如墨纸、木料等。这种肉眼看不见的射线可以使很多固体材料发生可见的荧光，使照相底片感光以及空气电离等效应，波长越短的x射线能量越大，叫做硬x射线，波长长的x射线能量较低，称为软x射线。波长小于0.1埃的称超硬X射线，在0.1～1埃范围内的称硬x射线，1～10埃范围内的称软x射线。2024/10/23功能复合材料18功能复合材料—光功能复合材料2024/10/23功能复合材料19功能复合材料—光功能复合材料4.3.1透光材料概述透光材料？可见光（0.39-0.76μm）、红外光（1-1000μm）、紫外线（0.01-0.4μm）描述透光材料透光性能的物理量？透光率无机材料、有机高聚物、纤维、纳米材料及透明陶瓷。2024/10/23功能复合材料20功能复合材料—光功能复合材料入射光强I0，射入介质的光强为(1-R)I0，反射掉部分光强为I0R。射入介质的光在穿过介质时被吸收一部分后，达到介质另一面的光强为:

I0(1-R)e-al又被反射回介质内的光强为:I0R(1-R)e-al最后透射出介质的光强:

IT

＝I0(1-R)2e-al2024/10/23功能复合材料21功能复合材料—光功能复合材料透射率T为:T=(1-R)2e-al

式中，α吸收系数；l介质长度。一般取介质长度为10mm的值作为标准。2024/10/23功能复合材料22功能复合材料—光功能复合材料4.3.2聚合物基复合材料的透光原理玻璃纤维直径为（6-10μm）>可见光的波长（0.4-0.76μm）

多次散射理论式中：P-吸收系数；S-折射率。2024/10/23功能复合材料23功能复合材料—光功能复合材料对于玻璃钢，P、S可由（4-3）式计算：式中：nf-玻璃纤维的折射率；nm-黏结剂的折射率；Kf-玻璃纤维的吸收系数；Km-黏结剂的吸收系数;φf-玻璃纤维的体积分数；d-玻璃纤维的直径。2024/10/23功能复合材料24功能复合材料—光功能复合材料对于玻璃钢两抛光面的总反射系数γ：式中：ρ

-试样一个面的反射系数。玻璃钢一个面的反射系数ρ与黏结剂的折射率nm有关，还与光的入射角相关。对于垂直入射：2024/10/23功能复合材料25功能复合材料—光功能复合材料玻璃钢最大透光率：玻璃纤维与黏结剂的吸收系数，玻璃纤维直径不起作用。2024/10/23功能复合材料26功能复合材料—光功能复合材料4.3.3透光复合材料设计分析控制散射强度是设计透光功能复合材料的关键因素。（1）折射率匹配；（2）尽可能降低各相的粒子尺寸；（3）各项同性；（4）避免杂质。2024/10/23功能复合材料27功能复合材料—光功能复合材料4.3.4透明玻璃钢的制备玻璃纤维增强塑料俗称玻璃钢。（1）手糊成型（P89）；（2）模压成型（P90）；（3）拉挤成型（P90）；（4）缠绕成型（P91）；（5）注射成型（P92）；（6）板材连续成型工艺（P93）。2024/10/23功能复合材料28功能复合材料—光功能复合材料4.3.5透明玻璃钢的性能特点（1）透明玻璃钢的透光率高达85%~90%。（2）轻质高强：相对密度在1.5~2.0g/cm3之间，只有碳钢的1/4~1/5，可是拉伸强度却接近，甚至超过碳素钢，而比强度可以与高级合金钢相比。因此，在航空、火箭、宇宙飞行器、高压容器以及在其他需要减轻自重的制品应用中，都具有卓越成效。某些环氧FRP的拉伸、弯曲和压缩强度均能达到400Mpa以上。2024/10/23功能复合材料29功能复合材料—光功能复合材料FRP是良好的耐腐材料，对大气、水和一般浓度的酸、碱、盐以及多种油类和溶剂都有较好的抵抗能力。已应用到化工防腐的各个方面，正在取代碳钢、不锈钢、木材、有色金属等。（3）耐腐蚀：（4）电性能好：是优良的绝缘材料，用来制造绝缘体。高频下仍能保护良好介电性。微波透过性良好，已广泛用于雷达天线罩。2024/10/23功能复合材料30功能复合材料—光功能复合材料（5）热性能良好：FRP热导率低，室温下为1.25~1.67kJ/（m•h•K），只有金属的1/100~1/1000，是优良的绝热材料。在瞬时超高温情况下，是理想的热防护和耐烧蚀材料，能保护宇宙飞行器在2000℃以上承受高速气流的冲刷。（6）可设计性好：①可以根据需要，灵活地设计出各种结构产品，来满足使用要求，可以使产品有很好的整体性;②可以充分选择材料来满足产品的性能，如：可以设计出耐腐的，耐瞬时高温的、产品某方向上有特别高强度的、介电性好的，等等。2024/10/23功能复合材料31功能复合材料—光功能复合材料（7）工艺性优良：①可以根据产品的形状、技术要求、用途及数量来灵活地选择成型工艺;②工艺简单，可以一次成型，经济效果突出，尤其对形状复杂、不易成型的数量少的产品，更突出它的工艺优越性。2024/10/23功能复合材料32功能复合材料—光功能复合材料（1）弹性模量低：FRP的弹性模量比木材大两倍，但比钢（E=2.1×105）小10倍，因此在产品结构中常感到刚性不足，容易变形。透明玻璃钢的缺点：可以做成薄壳结构、夹层结构，也可通过高模量纤维或者做加强筋等形式来弥补。（2）长期耐温性差：一般FRP不能在高温下长期使用，通用聚酯FRP在50℃以上强度就明显下降，一般只在100℃以下使用；通用型环氧FRP在60℃以上，强度有明显下降。2024/10/23功能复合材料33功能复合材料—光功能复合材料可以选择耐高温树脂，使长期工作温度在200~300℃是可能的。（3）老化现象：老化现象是塑料的共同缺陷，FRP也不例外，在紫外线、风沙雨雪、化学介质、机械应力等作用下容易导致性能下降。（4）剪切强度低：层间剪切强度是靠树脂来承担的，所以很低。可以通过选择工艺、使用偶联剂等方法来提高层间粘结力，最主要的是在产品设计时，尽量避免使层间受剪。2024/10/23功能复合材料34功能复合材料—光功能复合材料偶联剂是一类具有两不同性质官能团的物质，其分子结构的最大特点是分子中含有化学性质不同的两个基团，一个是亲无机物的基团，易与无机物表面起化学反应；另一个是亲有机物的基团，能与合成树脂或其它聚合物发生化学反应或生成氢键溶于其中。因此偶联剂被称作“分子桥”，用以改善无机物与有机物之间的界面作用，从而大大提高复合材料的性能，如物理性能、电性能、热性能、光性能等。偶联剂用于橡胶工业中，可提高轮胎、胶板、胶管、胶鞋等产品的耐磨性和耐老化性能，并且能减小NR用量，从而降低成本。偶联剂在复合材料中的作用在于它既能与增强材料表面的某些基团反应，又能与基体树脂反应，在增强材料与树脂基体