材料科学-材料性能与指标.ppt

Chapter3PropertiesofMaterials 1 材料的性能 Chapter2PropertiesofMaterials 2 GeneralCharactersofMaterials 3 本章主要内容 材料的几类主要性能 化学性能力学性能热性能电性能磁性光学性能学习目的 了解材料的各类性能 学习一些材料性能的表征及测试方法 加深理解材料结构与性能的关系 4 溶蚀性耐腐蚀性抗渗透性抗氧化性 材料抵抗各种介质作用的能力 2 1化学性能ChemicalPerformance 5 1 Chemicalstabilityofmetalmaterials 1 化学锈蚀 3 1 1耐氧化性 金属氧化反应的主要过程示意图 6 几种金属的表面氧化膜对比 多孔氧化膜 致密氧化膜 松散氧化膜 金属的氧化动力学曲线常常由于发生氧化膜的开裂与剥落而偏离理论公式 并失去保护作用 氧比膜中的应力与松弛是决定氧化动力学的重要因素 生长应力与热应力 10 Electrochemistrycorrosion 2 电化学腐蚀 simpleelectrochemicalcell corrosioncellbetweenasteelwaterpipeandacopperfitting 11 Electrochemistrycorrosion SO2气体对铁的侵蚀过程 2 电化学腐蚀 12 Example 海水对金属的侵蚀示意图 13 CathodicprotectionofaburiedsteelpipelineWhyMg HowaboutCa Al Zn 电化学防锈 牺牲阳极法 14 思考 为什么有的金属 如铝 比较活泼 但在空气中很稳定 为什么在潮湿环境下金属材料容易生锈 材料应用中有哪些防锈方法 15 2 1 2耐酸碱性 2 Chemicalstabilityofnon metalmaterials 16 金属的耐酸碱性 主要是高温下浓碱液的腐蚀问题镍铬铸铁中加入稀土 降低镍含量 可以降低材料成本 又可以保证合金铸铁良好的耐碱蚀性 耐蚀机理 碱蚀后稀土高镍铬铸铁表面生成完整 致密的 Fe Cr 2O3氧化膜和Na2SO4 FeCl3等附着物 使材料本体受到保护 17 3 Chemicalstabilityofpolymers 化学稳定性好 耐酸耐碱 高分子材料 18 3 Chemicalstabilityofpolymers 金属材料和无机非金属材料有好的耐有机溶剂性能 热塑性高分子材料一般由线形高分子构成 很多有机溶剂都可以将其溶解 交联型高分子在有机溶剂中不溶解 但能溶胀 使材料体积膨胀 性能变差 不同的高分子材料 其分子链以及侧基不同 对各种有机溶剂表现出不同的耐受性 组织结构对耐溶剂性也有较大影响 例如 作为结晶性聚合物 聚乙烯在大多数有机溶剂中都难溶 因而具有很好的耐溶剂性 2 1 3耐有机溶剂性 19 3 Chemicalstabilityofpolymers 光照下形成自由基 2 1 4耐老化性 高分子材料面临的问题 氧气的参与 自由基形成后导致链的断裂 降解 20 3 Chemicalstabilityofpolymers 羰基容易吸收紫外光 因此含羰基的聚合物在太阳光照射下容易被氧化降解 聚四氟乙烯有极好的耐老化性能氟原子与碳原子形成牢固的化学键 氟原子的尺寸大小适中 一个紧挨一个 能把碳链紧紧包围住 分子链中含有不饱和双键 聚酰氨的酰氨键 聚碳酸酯的酯键 聚砜的碳硫键 聚苯醚的苯环上的甲基等等 都会降低高分子材料的耐老化性 结构与耐老化性 21 3 Chemicalstabilityofpolymers 改进聚合物分子结构加入适当助剂抗氧化剂光屏蔽剂紫外线吸收剂淬灭剂 耐老化性的提高 22 材料抵受外力作用的能力 2 2力学性能MechanicalProperty 23 拉伸强度Tensilestrength弯曲强度Flexuralstrength扭转强度Torsionalstrength抗压强度Compressionstrength冲击强度Impactstrength 2 2 1材料的强度 Strength 24 应力stress应变strain 1 弹性模量 E2 强度 p e s b3 塑性 k k4 静力韧度 1 拉伸性能 25 Experiment 样品拉伸试验 应力 应变曲线 ultimatetensilestrength yieldstrength 无明显屈服的塑性材料拉伸曲线 树脂材料拉伸曲线 27 29 延展性或塑性的表征 延伸率 elongation断面收缩率 reductionofarea 5 脆性材料 Chapter3PropertiesofMaterials 30 2 扭转性能 扭转试验方法 GB T10128 1988 试样 圆柱或圆管 扭转性能指标 扭转曲线 3 弯曲性能 弯曲试验方法 GB T10128 1988 挠度s弯曲应力 f弯曲应变 f弯曲强度 fM Ni合金 板厚45mm 焊缝弯曲无裂纹为合格 例 焊接件弯曲工艺试验 M试样弯矩W试样抗弯界面系数b试样界面宽h试样界面高 4 压缩性能 典型材料压缩曲线1 高塑性材料 2 低塑性材料 2 压缩断裂形式 切断 碳纤维增强镁基复合材料压缩断裂 正断 纵向裂纹 如陶瓷材料 注意 高塑性材料压扁而不破坏 3 压缩性能指标 与拉伸试验相仿 强度指标 pc ec sc bc 塑性指标 相对压缩率 ck 相对断面扩展率 ck 4 材料拉伸与压缩力学行为对比 塑性材料 低塑性及脆性材料 46 材料的一些力学性能特点 很多金属材料既有高的强度 又有良好的延展性 多晶材料的强度高于单晶材料 这是因为多晶材料中的晶界可中断位错的滑移 改变滑移的方向 通过控制晶粒的生长 可以达到强化材料的目的 固溶体或合金的强度高于纯金属 杂质原子的存在对位错运动具有牵制作用 多数无机非金属材料延展性很差 屈服强度高 源于共价键的方向性 47 2 2 2材料的硬度 hardness 材料局部抵抗硬物压入其表面的能力的量度 布氏硬度 Brinellhardness 洛氏硬度 Rockwellhardness HR K h 0 002维氏硬度 Vickershardness HV 0 189F d2 材料弹性 塑性 强度和韧性等力学性能的综合指标 划痕法 莫氏硬度 静压法 回跳法 肖氏硬度 48 维氏硬度测量 49 硬度试验 50 各种材料的硬度特征 由共价键结合的材料如金刚石具有很高的硬度 这是因为共价键的强度较高 无机非金属材料有较高硬度离子键和共价键的强度均较高 当含有价态较高而半径较小的离子时 所形成的离子键强度较高 因静电引力较大 故材料的硬度更高 金属材料形成固溶体或合金时可显著提高材料的硬度 高分子材料硬度通常较低分子链之间主要以范德华力或氢键结合 键力较弱 Chapter3PropertiesofMaterials 51 1882年德国矿物学家莫尔列出10种矿物作为硬度标准 10种矿物的硬度从高至低依次排列如下 钻石10 刚玉9 水晶8 石英7 正长石6 磷灰石5 氟石4 方解石3 石膏2 滑石1 铁 则约是等级5 6 人骨的莫氏硬度为3到4之间 牙釉质和牙骨质构成齿冠的外层 莫氏硬度为6 7 主要成分为羟基磷灰石 52 2 2 3疲劳性能 材料抵抗疲劳破坏的能力 疲劳 fatigue 材料在循环受力 拉伸 压缩 弯曲 剪切等 下 在某点或某些点产生局部的永久性损伤 并在一定循环次数后形成裂纹 或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象 疲劳曲线 S N曲线 53 热容 heatcapacity 热膨胀 thermalexpansion 热传导 thermalconduction 2 3热性能ThermalProperty 54 定压热容Cp晶体材料较高温度下 Cp 3R 24 9J mol 1 K 1 极低温度下 Cp T3定容热容CV 2 3 1热容 heatcapacity 单位质量物质升高1K所需要的热量 55 膨胀系数 温度变化1K时材料尺度的变化量 线膨胀系数 l和体积膨胀系数 V 2 3 2热膨胀thermalexpansion 56 Curve 势能一原子间距离曲线 热膨胀现象解释 57 Curve 金属和无机非金属材料的线膨胀系数较小 聚合物材料则较大 键强与热膨胀 膨胀的差异 原子间的键合力越强 则热膨胀系数越小 58 Examples 热量通量q 热导率 表征物质热传导性能的物理量 单位 W m 1 K 1 或cal cm 1 s 1 K 11cal cm 1 s 1 K 1 4 2 102W m 1 K 1 2 3 3热传导 thermalconduction 热量从系统的一部分传到另一部分或由一个系统传到另一个系统的现象 59 各种材料的导热率 金属材料有很高的热导率自由电子在热传导中担当主要角色 金属晶体中的晶格缺陷 微结构和制造工艺都对导热性有影响 晶格振动无机陶瓷或其它绝缘材料热导率较低 热传导依赖于晶格振动 声子 的转播 高温处的晶格振动较剧烈 再加上电子运动的贡献增加 其热导率随温度升高而增大 半导体材料的热传导 电子与声子的共同贡献低温时 声子是热能传导的主要载体 较高温度下电子能激发进入导带 所以导热性显著增大 高分子材料热导率很低热传导是靠分子链节及链段运动的传递 其对能量传递的效果较差 60 Examples 铜固态401W m 1 K 1 10mm210mm20oC温差热导功率 61 导电性介电性铁电性压电性 材料被施加电场时所产生的响应行为 2 4电性能ElectricalProperty 62 2 1 3 5Electricalproperty 2 4 1导电性能ElectricalConductivity 金属 导体 半导体 半导体金属砷 碲等 陶瓷 绝缘体 半导体高分子材料 绝缘体 半导体 导体其它 硅 锗 半导体 石墨 导体 63 2 1 3 5Electricalproperty 电阻 电阻率 电导率 1 nZe 要增加材料的导电性 关键是增大单位体积内载流子的数目 n 和使载流子更易于流动 增大 值 铜59 6E6S m1 5方 米 欧 银100铜99金74铝61锌27铁17铅7 9 64 2 1 3 5Electricalproperty 能带理论 BandTheory 能带的形成 65 各种材料的能带结构 66 2 1 3 5Electricalproperty 2 4 2介电性能DielectricProperty 电容C capacitance 电荷量q与电压V的比值 平板电容计算 C A L 介电常数 表征材料极化和储存电荷的能力 相对介电常数 r r 0 介质常数 介电系数或电容率 C q V 0 8 85 10 12 F m 电介质的定义与特征电介质的极化电介质的基本常数电介质的应用 1 电介质的定义与基本特征 在电场作用下 束缚电荷起主要作用的物质 称电介质 在电场作用下 能产生极化与偶极子 并存在有内电场 物质 电介质 半导体 导体 是一类特殊的绝缘体 电介质 导体 高电场作用 电介质的特征 从电场特性来看 a 导体中 内部电场为零 平衡状态 电场终止于导体表面并与表面垂直 b 在电介质中 内部存在电场 表面会产生束缚电荷 载流子 导体的载流子为电子 半导体的载流子为电子和空穴 电介质的载流子主要为离子 在传导上 导体为自由电子 而电介质则以电极化 故对极化的研究是介质物理的主要任务 经典电介质科学丛书 首批著作出版志贺介质以极化为本质特征 衍生多种功能效应于一体 兼秉丰富深刻之物理内涵 前程无限 叹我介电学科 相对滞后 极化之类基本问题 仍未彻底解开 更有心态浮燥 不重基础 回避难题 急功近利 诸多不足之处 吾人当自省 姚熹院士 电介质的类型 气体液体陶瓷玻璃离子晶体NaCl等 H2 空气 六氟化硫等 水 石油等 云母 瓷 橡胶 聚苯乙烯等 钛酸钡 铁酸铋 钛酸铅等 介电常数 是指以电极化的方式传递 存贮或记录电的作用 电导 是指电介质在电场作用下存在泄露电流 介电损耗 是电介质在电场作用下存在电能的损耗 介电强度 是指在强电场下可能导致电介质的破坏 电介质的四大基本常数 好的电介质要求较容易极化 具有较高的介电常数和介电强度 较低的电导和介电损耗 插入电介质 束缚电荷 在电场作用下产生束缚电荷 boundcharge 的现象称为电介质的极化 2 电介质的极化 Polarize 与极化相关的物理量 电偶极矩极化电荷 束缚电荷 电极化强度P 电介质极化程度的量度 由极化而引起的宏观电荷 电介质极化的微观机理 类型 电子位移极化与电子位移极化率 在外电场作用下 电子云相对原子核的位移是弹性联系 其振动频率在光频范围 所以电子极化又称光极化 极化建立和消除的时间极短 约10 15 10 16s 感应偶极矩 平衡建立后 以电子云中心为参考点 核沿电场方向移动x 使核移动的电场力为 核移动后 受到电子云的库仑力为 与温度无关 电偶极矩 电子极化率 由电子产生的偶极矩与作用于该原子的电场强度之比 电子位移极化结论同族元素 由上到下增大 同周期元素 不定 电子位移极化率与温度无关 极化率为快极化 10 15 10 16s 该极化无损耗 在光频下 只有电子极化 介质的光折射率为 离子位移极化和极化率 离子晶体的介电常数值比n2值大的多 如 因此 必然存在电子极化外的其他极化机制 离子位移极化 离子晶体中正 负离子发生相对位移而形成的极化 称为离子 位移 极化 Ionicpolarization q q E K 当位移不是很大时可将正负离子间的恢复力看成为准弹性力 根据正 负离子对的固有谐振频率用实验方法求解k值 正负离子位移形成的偶极距 离子极化率 离子位移极化率与电子位移极化率几乎有相同的数量级 离子位移极化只可能在离子晶体中存在 液体或气体介质中不存在离子极化 离子位移极化只与离子晶体结构参数有关 与温度无关 离子位移极化建立或消除时间与离子晶格振动周期有相同数量级 10 12 10 13秒 离子位移极化模型 一维 离子极化结论 偶极子转向极化和极化率 当极性分子受外电场作用时 偶极子就会产生转矩 由于偶极子与电场方向相同时具有最小位能 于是就电介质整体来看 偶极矩不再等于零 而出现沿电场方向的宏观偶极矩 这种极化现象称为偶极子转向极化 每一偶极子的势能 Boltzman统计分布 极性分子固有极距 极化建立时间 10 6 10 2秒 为慢极化 各种极化形式的综合比较 电介质 极性材料 非极性材料 只有位移极化的电介质 有转向极化的电介质 根据极化类型对电介质进行分类 微观上 根据参加极化的微观粒子的种类 电介质的分子极化可分为三类 电子位移极化 离子位移极化 电偶极子转向极化 3 基本常数 静态介电常数 真空介电常数 相对介电常数 介电常数可理解为在单位电场强度下 单位体积中所存储的能量 电容 介电常数 dielectriccoefficient 介电强度 击穿指当施加于电介质上的电场强度或电压增大到一定程度时 电介质由介电状态变为导电状态的现象 介电强度 填充电介质的目的是使极板间可承受的电位差能比空气介质承受的更高些 即提高其介电强度 一 热击穿 由于电介质内部热的不稳定过程所造成的 影响因素 与材料的性能有关绝缘结构 电极的配置与散热条件 及电压种类 环境温度等有关 因此热击穿强度不能看作是电介质材料的本征特性参数 二 电击穿 在较低温度下 采用了消除边缘效应的电极装置等严格控制的条件下 进行击穿试验时所观察到的一种击穿现象 主要特性 击穿场强高 大致在5 15MV cm范围 实用绝缘系统是不可能达到的在一定温度范围内 击穿场强随温度升高而增大 或变化不大 意义 反映了固体介质耐受电场作用能力的最大限度仅与材料的化学组成及性质有关 材料的特性参数之一 又称为耐电强度或电气强度 三 不均匀电介质的击穿 包括固体 液体或气体组合构成的绝缘结构中的一种击穿形式 击穿往往是从耐电强度低的气体中开始 表现为局部放电 然后或快或慢地随时间发展至固体介质劣化损伤逐步扩大 致使介质击穿 固体介质击穿的一般规律 固体介质的击穿电场大于液体和气体介质Eb 气体 3 106V mEb 液体 107 108V mEb 固体 108 109V m固体介质击穿是永久性的从击穿过程看 电场的破坏 变成导体 电击穿 介质本身的破坏 a 热破坏 热击穿 b 机械破坏 机械击穿 电介质的电导 电介质中的带电质点在电场作用下做定向迁移形成的 固体电导 电子电导 离子电导 电子和空穴 可移动的正负离子和离子空位 低电场下 高电场下 体电导和表面电导 体电导率 由材料的本质所决定 与试样尺寸无关 表面电导 表示介质抵抗沿表面漏电的性能 电介质表面的状况 电介质表面的分子结构 空气湿度 介电损耗 在外电场作用下 由电导作用和极化作用引起的电介质内的能量损耗 介电损耗 电导损耗 介质极化损耗 静电场中 交变电场中 电导损耗 电导损耗 电导损耗 并联等效电路 串联等效电路 引起介电损耗的微观机制 普通无机晶体介质 NaCl SiO2等 只有位移极化 损耗来源 离子电导 与电导率成正比 无定形玻璃介质 电导损耗 松弛损耗和结构损耗 Si O网络变形 多晶陶瓷 离子电导 松弛损耗和夹层损耗 多相复合介质 界面电荷积累 夹层极化 有损耗电容器的等效电路和向量图 并联等效电路 串联等效电路 损耗角和损耗因素 向量图 损耗角tan 损耗因素 理想 真空 电容器无损耗 0 越大 说明介质损耗越大 电介质基本常数之间的关系 提高电介质的介电常数有利于提高电容器的存储电荷量 然而介电损耗也将随之增加 因而寻找一种兼具有高介电常数和低介电损耗的电介质是当前科学研究者的任务 材料的介电常数越大 其介电强度不一定高 电介质的电导越大 介电损耗也越高 一些材料的介电性能 103 2 DielectricProperty 某些介电材料的性能 104 3 Ferroelectricity 2 4 3铁电性与压电性FerroelectricityandPiezoelectricity 在一些电介质晶体中 晶胞的结构使正负电荷重心不重合而出现电偶极矩 产生不等于零的电极化强度 使晶体具有自发极化 晶体的这种性质叫铁电性 具有自发极化的晶体是一个永久带电体 在晶体内部及外部建立电场 电场强度取决于晶体的自发极化强度Ps Chapter3PropertiesofMaterials 105 铁电型电滞回线 106 居里温度TcCurietemperature 钛酸钡 是电子陶瓷中使用最广泛的材料之一 被誉为 电子陶瓷工业的支柱 压电材料是具有压电效应的物质 石英表 电报 超声仪 耳机 录音机 某些电介质 外力的作用 变形 内部极化 表面正负电荷 外力去掉 恢复到不带电的状态 正压电效应 相反 电介质极化方向电场 发生变形 电场去掉后 变形随之消失 逆压电效应 或电致伸缩现象 quartz 电气石 高频震动 高频电流 高频电信号 高频声信号 机械震动 压电性Piezoelectricity 石英晶体 如图示 晶体内部正负离子的偶极矩在外力的作用下由于晶体的形变而被破坏 导致使晶体的电中性被破坏 从而使其在一些特定的方向上的晶体表面出现剩余电电荷而产生的 压电效应的物理机制 天然形成的石英晶体外形 石英晶体切片及双面镀银封装 石英晶体的压电效应演示 当力的方向改变时 电荷的极性随之改变 输出电压的频率与动态力的频率相同 当动态力变为静态力时 电荷将由于表面漏电而很快泄漏 消失 压电陶瓷未极化处理无压电效应 极化处理 两端出现束缚电荷 表面吸附外界自由电荷 施加外压 陶瓷片形变 片内束缚电荷层间距变小 两端束缚电荷影响增强 表面的自由电荷过剩放电 外力是拉力 充电 在一定的温度范围之内 压电性质一直存在 温度超过这个范围之后 压电性质完全消失这个高温就是所谓的 居里点 1 压电常数d33 压电常数是反映力学量 应力或应变 与电学量 电位移或电场 间相互耦合的线性响应系数 当沿压电材料的极化方向 z轴 施加压应力T3时 在电极面上产生电荷 则有以下关系式 式中Q为产生电荷 为电极面积 d33为压电常数 足标中第一个数字指电场方向或电极面的垂直方向 第二个数字指应力或应变方向 T3为应力 D3为电位移 d33 g33压电电压常数 压电材料性能指标 2 机电耦合系数Kp 机电耦合系数K是一个综合反映压电陶瓷的机械能与电能之间耦合关系的物理量 是压电材料进行机 电能量转换能力的反映 机电耦合系数的定义是 或 压电陶瓷振子 具有一定形状 大小和被覆工作电极的压电陶瓷体 的机械能与其形状和振动模式有关 不同的振动模式将有相应的机电耦合系数 如对薄圆片径向伸缩模式的耦合系数为Kp 平面耦合系数 薄形长片长度伸缩模式的耦合系数为K31 横向耦合系数 圆柱体轴向伸缩模式的耦合系数为K33 纵向耦合系数 等 3 机械品质因数Qm 压电陶瓷在振动时 为了克服内摩擦需要消耗能量 机械品质因数Qm是反映能量消耗大小的一个参数 Qm越大 能量消耗越小 机械品质因数Qm的定义式是 其中 fr为压电振子的谐振频率fa为压电振子的反谐振频率R为谐振频率时的最小阻抗Zmin 谐振电阻 C0为压电振子的静电容C1为压电振子的谐振电容 4 频率常数N 对某一压电振子 其谐振频率和振子振动方向长度的乘积为一个常数 即频率常数 N fr l 其中 fr为压电振子的谐振频率 l为压电振子振动方向的长度 薄圆片径向振动 Np fr D 薄板厚度伸缩振动 Nt fr t 细长棒K33振动 N33 fr l 薄板切变K15振动 N15 fr lt D为圆片的直径 t为薄板的厚度 l为棒的长度 lt为薄板的厚度 无机压电材料 有机压电材料 压电陶瓷 压电晶体 通常为PVDF及其共聚物 薄膜 2 压电材料的分类 压电晶体 一般是指压电单晶体 例如水晶 镓酸锂 LiGaO2 锗酸锂 Li2GeO3 锗酸钛 酒石酸钾钠等 压电复合材料 压电陶瓷 泛指压电多晶体 也是铁电陶瓷 例如 钛酸钡BT BaTiO3 锆钛酸铅PZT Pb ZrTi O3 改性锆钛酸铅 偏铌酸铅 铌酸铅钡锂PBLN等 半导体ZnS ZnO 一元系压电陶瓷 我们生活在磁的世界里 任何地方都有磁现象 磁性 磁场 宏观世界到微观世界地球到其它天体和宇宙空间 2 5磁性MagneticProperty 120 2 5 1磁性基本概念 Hm 磁化强度magnetization m 磁化率magneticsusceptibility 物质的磁性 核磁矩比电子磁矩小三个数量级 物质磁性具有普遍性宏观物质的磁性都源于原子的磁性 原子的磁性 电子的磁性 原子核的磁性 原子核的磁性 质子的磁性 中子的磁性 原子的磁性 电子的磁性 122 1 26 202011 58 53AM 122 磁性的来源 磁偶极子magneticdipoles Thespinoftheelectronproducesamagneticfieldwithadirectiondependentonthequantumnumberms Electronsorbitingaroundthenucleuscreateamagneticfieldaroundtheatom 电子的轨道磁矩 电子的自旋磁矩 原子磁矩 物质磁性 原子磁矩 物质表现何种磁性 原子磁矩间相互作用 外加磁场的作用 弱磁物质 抗磁物质顺磁物质反铁磁物质超导物质 强磁物质 铁磁物质亚铁磁物质 磁性材料 有实际工程意义磁性较强的材料 2 5 2磁性的种类 125 抗磁性 diamagnetism m0含有非零角动量原子 例如过渡金属 的材料 m T 1 居里定理 一些非过渡金属 例如Al m与T无关 超导材料 临界温度下电阻为零 特殊的抗磁性状态 巨抗磁性 磁化率比一般抗磁物质的大100倍 弱磁性材料 超导物质 室温下导电性为正常态 可为任何磁性状态临界温度下电阻为零 特殊的抗磁性状态 巨抗磁性 磁化率比一般抗磁物质的大100倍 临界温度下 外加B能破坏超导性 127 铁磁性 ferromagnetism 在不太强的磁场中 就可以磁化到饱和状态 铁磁居里温度ferromagneticCurietemperature 128 反铁磁性 antiferromagnetism 在外电场作用下 相邻磁矩反向排列 Mn Cr铁氧体磁性 ferrimagnetism 不同的磁矩反平行排列时 在一个方向呈现出净磁矩 代表 磁铁矿Fe3O4 129 反铁磁性 MnO 130 磁畴MagneticDomain 磁畴壁MagneticDomainWall 磁畴 自旋磁矩在一个个微小区域内 自发地 整齐排列起来而形成的磁化小区域 2 5 3磁畴和磁化曲线 131 磁滞回线hysteresisloop 132 软磁材料硬磁材料 磁参量 内禀磁参量 MS Tc 外禀磁参量 Hc Mr或Br 磁导率 损耗 磁能积 主要取决于材料的化学成分 对材料结构 如晶粒尺寸 晶体缺陷 晶粒取向等 敏感 可以通过适当的工艺改变 主要磁性材料分类 软磁材料 半硬磁材料 硬 永 磁材料 Hc 100A m 1 25Oe Hc 100 1000A m 1 25 12 5Oe Hc 1000A m 12 5Oe 136 光的吸收和透过光的反射和折射材料的颜色材料发光 2 6光学性能OpticalProperty 电磁波光谱 透射 吸收和反射 从微观上分析 光子与固体材料相互作用 实际上是光子与固体材料中的原子 离子 电子之间的相互作用 出现的二种重要结果是 1 电子极化电磁辐射的电场分量 在可见光频率范围内 电场分量与传播过程中的每个原子都发生作用 引起电子极化 即造成电子云和原子核电荷重心发生相对位移 其结果 当光线通过介质时 一部分能量被吸收 同时光波速度被减小 导致折射产生 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的转变 原子吸收了光子能量之后 可能将Ei能级上的电子激发到能量更高的Ej空能级上 电子发生的能量变化 E与电磁波的频率有关 E h ij式中 h为普朗克常量 ij为入射光子的频率 材料的线性光学性能 140 金属材料 不透明 半导体和其它非金属材料 取决于能隙Eg 晶格热振动 对长波区的可见光和红外光产生吸收 高分子材料 无定形透明 结晶影响透明性 晶粒对光的散射 2 6 1光的吸收和透过 固体的光吸收 光的吸收现象当一平行光束通过均质单相材料薄层时 由于光被吸收 其强度减少量dI和薄层厚度dx及光束强度I成正比 dI Idx 比例系数 也称吸收系数 若入射光的初始强度为I0 经过光程长度t后 射出光强度为I 则透过率 若考虑界面的反射 对垂直入射光的透光率是 吸收 光密度或吸收度 消光系数 吸收系数 金属材料 能带结构特点 价带与导带重叠的 它们之间没有禁带光学性质 能吸收各种频率的光 不透明 反射率高 离子晶体的禁带宽度大约为几个电子伏特 相当于紫外光区的能量 纯净的理想离子晶体对可见区和红外区的辐射 都不发生吸收 是透明的 当更高能量的辐射 如紫外光 照射离子晶体时 价带中的电子可被激发越过禁带进入导带 发生光的吸收 故离子晶体在紫外区是不透明的 与电子由价带到导带的跃迁相关的光吸收 称为基础吸收或本征吸收 非金属材料 一些碱金属卤化物薄膜的吸收光谱在临近基础吸收带的长波长一侧 还存在一系列很强的吸收谱带 这种吸收与电子从价带向稍低于导带底处的能级跃迁有关 这些能级可认为是一些电子 空穴对 或称激子excition 的激发能级 处于这种能级上的电子 不同于被激发到导带中的电子 并不显示光电导性 它们和价带中的空穴偶合成电子 空穴对 电子 空穴对作为整体在晶体中存在或运动 也可能在一定条件下复合湮灭 除了基础吸收和激子吸收外 绝缘体在可见光和红外光区可发生杂质和缺陷吸收 以及由离子晶体振动产生的残留吸收光谱 如图所示 147 几种无机材料的光透过曲线 148 金属材料 强反射 金属光泽 电子吸收光能后激发到较高能态 随即又以光波的形式释放出能量回到低能态无机非金属材料 主要受介质的折射率差影响 当光线从一种介质入射另一种介质时 介质的折射率差别越大 反射就越强 材料的折射率受其结构影响单位体积中原子的数目越多 或结构越紧密 则光波传播受影响越大 从而折射率越大 原子半径越大 极化率大 折射率就越大 2 6 2光的折射和反射 折射 光从一种介质进入另一种介质时 其速度和传播方向发生变化 折射率n 折射定律 光在介质中传播的传播速度 折射率的定义 介质的介电常数 介质的导磁率 在电介质中 1 影响材料的折射率的因素 1 构成材料元素的离子半径n r1 2当电磁辐射作用到介质上时 其原子受到电磁辐射的电场作用 使原子的正 负电荷重心发生相对位移 正是电磁辐射与原子的相互作用 使光子速度减弱 由此可以推论 大离子可以构成高折射率的材料 如PbS 其n 3 912 而小离子可以构成低折射率的材料 如SiCl4 其n 1 412 2 材料的结构 晶型 双折射现象 折射率不仅与构成材料的离子半径有关 还与它们在晶胞中的排列有关 根据光线通过材料的表现 把介质分为均质介质和非均质介质 非晶态 无定型体 和立方晶体结构 当光线通过时光速不因入射方向而改变 故材料只有一个折射率 此乃为均质介质 除立方晶体外的其他晶型都属于非均质介质 其特点是光进入介质时产生双折射现象 折射定律的双折射现象使晶体有二个折射率 其一是服从寻常光折射率n0 不论入射方向怎样变化 n0始终为一常数 而另一折射光的折射率随入射方向而改变 称为非寻常光的折射率ne 当光沿晶体的光轴方向入射时 不产生双折射 只有n0存在 当与光轴方向垂直入射时 ne最大 表现为材料特性 例如 石英的n0 1 543 ne 1 552 般来说 沿晶体密堆积程度较大的方向 其ne较大 3 材料存在的内应力有内应力的透明材料 垂直于主应力方向的n值大 平行于主应力方向的n值小 4 同质异构体在同质异构材料中 高温时的晶型折射率较低 低温时存在的晶型折射率较高 例如 常温下的石英玻璃n 1 46 常温下的石英晶体 n 1 55 高温时 鳞石英n 1 47 方石英n 1 49 可见常温下的石英晶体n最大 5 波长的影响 色散 材料的折射率还与入射光的波长有关 总是随着波长的增加而减小 这种性质称之为色散 其数值大小为 色散 dn d n值可以由色散曲线来确定自然光透过单片透镜 色散使像的周围环绕了一圈色带 成像不清晰 称为色差 克服的方法是用不同牌号的光学玻璃 分别磨成凸透镜和凹透镜复合镜头 以消除色差 这被称之为消色差镜头 3 材料反射系数及其影响因素 一束光从介质l 折射率为n 穿过界面进入介质2 折射为n 出现一次反射当入射光线垂直或接近垂直于介质界面时 其反射系数为R n21 1 n2l 1 2 n21 n n如果光介质1是空气 则R n 1 n 1 2显然 如果两种介质折射率相差很大 因此反射损失相当大 透过系数只有 1 R 若两种介质折射率相同 则R 0 垂直入射时 光透过几乎没有损失 光透过的界面越多 且材料的折射率相差越大 界面反射就越严重 由于陶瓷等材料的折射率较空气的大 所以反射损失较严重 典型玻璃的n 1 50 156 金属材料 颜色取决于其反射光的波长 无机非金属材料 颜色通常与光吸收特性有关 2 6 3材料的颜色 几种金属材料的反射率随光波波长变化曲线 157 有色玻璃有选择吸收或透射的性质 单一波长的单色光 由不同波长的光组合而成的复合光 若两种不同颜色的单色光按一定的强度比例混合得到白光 那么就称这两种单色光为互补色光 这种现象称为光的互补 显色光学原理 不同颜色的可见光波长及其互补光 1 发光概述 固体中的原子或离子由于电磁辐射 紫外光 可见光 红外光 X射线 射线等 的照射 或由于其它外界作用激发 跃迁到激发状态 处于激发状态的原子或离子返回到基态 同时将一部分能量以光辐射的形式发射出来 若发射的是可见光或近红外光 这时固体就表现为发光现象 与热辐射发光相区别 称这种发光为冷光 按外界激发的能源不同 可分为光致发光 场致发光 或电致发光 阴极射线发光等 2 6 4材料发光 发光颜色固体发出不同波长的光就产生不同的发光颜色固体的发光光谱 发射光谱 分为三种类型 半高宽为 100nm的为宽带谱半高宽为 50nm的为窄带谱半高宽为 0 1nm的为锐线谱固态基质与掺杂