第三章 Properties of Materials材料的性能ppt课件

1 材料的性能 Chapter3PropertiesofMaterials 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 材料抵抗各种介质作用的能力 3 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 7 8 9 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 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 Cathodicprotectionofaburiedsteelpipeline 电化学防锈 牺牲阳极法 14 15 16 17 18 19 20 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 21 3 1 2耐酸碱性 2 Chemicalstabilityofnon metalmaterials 22 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 23 3 Chemicalstabilityofpolymers 化学稳定性好 耐酸耐碱 高分子材料 24 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 3 1 3耐有机溶剂性 25 3 Chemicalstabilityofpolymers 光照下形成自由基 3 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 26 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 27 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 28 在介绍应力 应变曲线的基础上 介绍材料的弹性变形 塑性变形 高温蠕变及其它力学性能的理论描述 产生的原因 影响因素 从断裂的现象和产生 断裂力学的原理出发 通过理论结合强度 应力场的分析 阐述断裂的判据 应力场强度因子 平面应变断裂韧性 延性断裂 脆性断裂 沿晶断裂 静态疲劳的概念 并根据此判据来分析提高材料强度及改进材料韧性的途径 3 2力学性能MechanicalProperty 29 人类最早学会利用的材料性质便是力学性质 如石器时代利用天然岩石的强度和硬度 青铜器时代利用铜的高塑性和高强度及加工硬化性能 而在铁器时代更是利用Fe C合金的高强度 硬度和塑性 尽管如此 人类真正认识和开始系统地理解材料的力学性质起始于19世纪中叶 人们利用金相显微镜对材料细微组织进行了研究 在我们身边注意到的经验是金属具有延展性 陶瓷硬而脆 橡胶具有很大的弹性形变 如此等等 图1 1比较了金属 陶瓷和高分子力学性质 迥然不同的力学行为是由其基本结构决定的 金属与陶瓷材料的晶体结构 包括键合类型 缺陷 主要是位错 是理解和描述其力学性质的核心概念 而在高分子材料中 却是分子链的构形 交联与缠结起了关键的作用 本章我们将研究这些概念如何使强度 塑性 断裂和高温行为得以定性和定量描述和理解 30 图1 1工程材料的金属 陶瓷和聚合物重要力学性能 31 材料抵受外力作用的能力 32 应力stress应变strain 拉伸强度弯曲强度冲击强度 3 2 1材料的强度 Strength 33 Experiment 样品拉伸试验 应力 应变曲线 ultimatetensilestrength yieldstrength 34 J AM CHEM SOC 2004 126 10226 10227 35 延展性或塑性的表征 延伸率 elongation断面收缩率 reductionofarea 5 脆性材料 36 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 37 低碳钢 锰钢 硬铝 退火球墨铸铁 38 硬度是材料的一种重要力学性能 但在实际应用中由于测量方法不同 测得的硬度所代表的材料性能也各异 例如金属材料常用的硬度测量方法是在静荷载下将一种硬的物体压入材料 这样测得的硬度主要反应材料抵抗塑性形变的能力 而陶瓷 矿物材料使用的划痕硬度却反映材料抵抗破坏的能力 所以硬度没有统一的定义 各种硬度单位也不同 彼此间没有固定的换算关系 3 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 材料弹性 塑性 强度和韧性等力学性能的综合指标 39 40 布氏硬度 Brinellhardness 洛氏硬度 Rockwellhardness HR K h 0 002维氏硬度 Vickershardness HV 0 189F d2 用静载压入的硬度试验法种类很多 常用布氏硬度 维氏硬度及洛氏硬度 这些方法的原理都是将一硬的物体在静载下压入被测物体表面 表面上被压入一凹面 以凹面单位面积上的荷载表示被测物体的硬度 图1 61为几种常用硬度的原理及计算方法 41 二 硬度试验方法 1 布氏硬度 淬火钢球或硬质合金球D mm 压入试样表面 测量圆形压痕d 圆形压痕表面积S Brinell 1900年 42 1 布氏硬度HB 淬火钢球 HBS 450硬质合金球 HBW 450 650 43 2 HB表示方法 数字 硬度符号 数字 数字 数字 硬度值 HBW或HBS 钢球直径载荷定时280HBS10 3000 30 50HBW5 750 44 3 压痕几何相似原理 两个条件 1 为常数 2 F D2为常数 28 74od 0 24 0 6 D 45 优点 压痕面积大 反映较大区域内各组成相的平均性能 适合灰铸铁 轴承合金等测量 压痕面积较大 试验数据稳定 重复性高 缺点 压痕直径大 不宜在成品件上直接进行检验 硬度不同 更换压头直径D和载荷F 压痕直径的测量也比较麻烦 4 布氏硬度的优缺点 46 2 洛氏硬度 1 测量原理测量压痕深度值的大小 金刚石压头k 0 2淬火钢球k 0 26 Rockwell 1919年 47 洛氏硬度计 HRAHRBHRC表示方法为硬度数据 硬度符号 如50HRC 48 适用于 测定极薄工件 经各种表面处理后工件的表面层硬度 试样较小 表面硬化层较浅或测试表面镀覆层时 2 表面洛氏硬度 与洛氏硬度区别 预加载荷为30N 总载荷比较小取残余压痕深度为0 1mm时的洛氏硬度为零 深度每增加0 001mm 表面洛氏硬度减小一单位 49 3 洛氏硬度的优缺点 优点简便迅速 效率高对试样表面造成损伤小 可用于成品零件检测有预加载荷 可消除表面轻微的不平度对试验结果的影响 缺点不同标尺的硬度值无法相互比较压痕小 对材料组织不均匀性很敏感 重复性差 50 3 维氏硬度与显微硬度 1 测量原理 单位压痕表面积上所承受的压力 1925年由R Smith和G Sandland提出的 在Vickers厂最早使用而得名 51 2 表示方法 数字 硬度符号 数字 数字 硬度值 HV 载荷定时640HV30 20 50HV5 标准格式为xHVyHV前面的数值为硬度值 后面则为试验力 如果试验力保持时间不是通常的10 15秒 还需在试验力值后标注保持时间 如 600HV30 20 采用30千克力的试验力 保持20秒 得到硬度值为600 52 3 显微硬度 维氏显微硬度和努氏显微硬度 测定各种组成相的硬度以及研究金属化学成分 组织状态与性能的关系 53 4 优缺点 优点 采用对角线长度计量 精确可靠可以任意选择载荷比洛氏硬度所测试件更薄 测表面硬化层和仪表零件的硬度 缺点 测定方法较麻烦 工作效率低 压痕面积小 代表性差 不宜用于成批生产的常规检验 54 5 努氏硬度试验 一种显微硬度试验方法 与维氏显微硬度区别 1 压头形状不同2 硬度值为试验力除以压痕投影面积 Knoop 55 压痕细长 且只测量长对角线长度 精确度较高 适于测定表面渗层 镀层及淬硬层的硬度 可以测定渗层截面上的硬度分布等 56 一定质量的带有金刚石或合金钢球的重锤从一定高度落向试样表面 根据重锤回跳的高度来表征材料硬度值大小 KS 6 肖氏硬度试验 优缺点 一般为手提式 使用方便 便于携带 可测现场大型工件的硬度 其缺点是试验结果的准确性受人为因素影响较大 测量精度较低 Shore 57 维氏硬度测量 58 硬度试验 59 布氏硬度法主要用来测定金属材料中较软及中等硬度的材料 很少用于陶瓷 维氏硬度法及努普硬度法都适于较硬的材料 也用于测量陶瓷的硬度 洛氏硬度法测量的范围较广 采用不同的压头和负荷可以得到15种标准洛氏硬度 此外还有15种表面洛氏硬度 其中HRA HRC都能用来测量陶瓷的硬度 陶瓷材料也常用显微硬度法来测量 其原理和维氏硬度法一样 但是把硬度试验的对象缩小到显微尺度以内 它能测定在显微观察时所评定的某一组织组成物或某一组成相的硬度 显微硬度试验常用金刚石正四棱锥为压头 并在显微镜下测其硬度 试验所用公式和维氏硬度所用的相同 即式中 负荷P以g为单位 d以为单位 仪器有效负荷为2 200g 显微硬度试验法比较适于测定硬而脆的材料的硬度 所以也适用于测量陶瓷材料的硬度 60 陶瓷及矿物材料常用的划痕硬度叫做莫氏硬度 它只表示硬度由小到大的顺序 不表示硬度的程度 后面的矿物可划破前面的矿物表面 一般莫氏硬度分为十级 后来因为有一些人工合成的硬度大的材料出现 又将莫氏硬度分为十五级以便比较 表1 10为莫氏硬度两种分级的顺序 7 莫氏硬度 61 62 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 63 3 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 64 热容 heatcapacity 热膨胀 thermalexpansion 热传导 thermalconduction 3 3热性能ThermalProperty 65 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 3 3 1热容 heatcapacity 1mol物质升高1K所需要的热量 66 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 3 3 2热膨胀thermalexpansion 67 Curve 势能一原子间距离曲线 热膨胀现象解释 68 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 69 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 3 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 70 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 71 Examples 72 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 3 4电性能ElectricalProperty 73 2 1 3 5Electricalproperty 3 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 74 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 75 2 1 3 5Electricalproperty 能带理论 BandTheory 能带的形成电子层可容纳最多电子的数量为2n 76 电子层 atomicorbital 的名字起源于玻尔模式中 电子被认为一组一组地围绕着核心以特定的距离旋转 所以轨迹就形成了一个壳 电子在原子核外排布时 要尽可能使电子的能量最低 一般来说 离核较近的电子具有较低的能量 随着电子层数的增加 电子的能量越来越大 同一层中 各亚层的能量是按s p d f的次序增高的 这两种作用的总结果可以得出电子在原子核外排布时遵守下列次序 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d 当原子处在基态时 原子核外电子的排布遵循三个原则 1 泡利不相容原理 在同一个原子中没有也不可能有运动状态完全相同的两个电子存在 2 能量最低原理 3 洪特规则 77 78 2 1 3 5Electricalproperty 各种材料的能带结构 79 2 1 3 5Electricalproperty 3 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 C q V 80 2 DielectricProperty 某些介电材料的性能 81 3 Ferroelectricity 3 4 3铁电性与压电性FerroelectricityandPiezoelectricity 铁电滞后现象 铁电性 材料在除去外电场后仍保持部分极化状态 82 居里温度TcCurietemperature 83 4 Piezoelectricity 压电性Piezoelectricity 外力 极化 电场 84 4 Piezoelectricity 常用的压电陶瓷 BaTiO3 PbTiO3 PbZrO3 NH4H2PO4 a 施加一定电压 b 施加压力 产生反向电压 导致两端电压下降 c 施加较大电压 材料产生变形 85 3 5 1磁性基本概念 Hm 磁化强度magnetization m 磁化率magneticsusceptibility 3 5磁性MagneticProperty 86 4 22 20209 53 48AM Chapter3 ChemistryofMaterials2008 ceszzh 86 磁性的来源 磁偶极子magneticdipoles Thespinoftheelectronproducesamagneticfieldwithadirectiondependentonthequantumnumber量子数ms Electronsorbiting电子轨道aroundthenucleuscreateamagneticfieldaroundtheatom 原子内部的磁场 在原子中 核外电子带有负电荷 是一种带电粒子 电子的自转会使电子本身具有磁性 成为一个小小的磁铁 具有N极和S极 也就是说 电子就好象很多小小的磁铁绕原子核在旋转 这种情况实际上类似于电流产生磁场的情况 为什么多数物质没有强磁性 为什么只有少数物质 象铁 钴 镍等 才具有磁性呢 原来 电子的自转方向总共有上下两种 在一些数物质中 具有向上自转和向下自转的电子数目一样多 它们产生的磁极会互相抵消 整个原子 以至于整个物体对外没有磁性 而对于大多数自转方向不同的电子数目不同的情况来说 虽然这些电子所磁矩不能相互抵消 导致整个原子具有一定的总磁矩 但是这些原子磁矩之间没有相互作用 它们是混乱排列的 所以整个物体没有强磁性 铁 钴 镍正常状态下无磁性的原因 尽管铁钴镍等物质它们的原子内部电子在不同自转方向上的数量不一样 在自转相反的电子磁极互相抵消以后 还剩余一部分电子的磁矩没有被抵消 从而整个原子具有总的磁矩 但是 我们举个例子 铁钉 铁钉的内部却被分成为许多细小的区域 在每一个区域 原子磁矩具有相同的取向 但不同区域内的原子磁矩却有不同的取向 这一个个的小区域叫做 磁畴 如果只看这每一个磁畴 其中原子磁矩的取向是一致的 因而这每一个磁畴倒像是一块独立的磁体 但是 相邻的磁畴总是一个磁畴的N极与另一个磁畴的S极紧靠一起 而N极和S极的磁场线相连 结果就没有磁场线延伸到物质的外部 因而不显示磁性 这就是说 在通常情况下铁原子同时处在两种状态 它们在同一个磁畴中 磁矩具有相同的取向 但在不同的磁畴中磁矩有不同的取向 因而不会有磁场线延伸到物质的外部显示磁性 因此 当铁钉吸附在磁体上时 铁钉内的原子磁矩受到外部磁体磁力的作用被强制转向一个方向取向 于是铁钉也表现出了磁性 而当在铁钉脱离磁体以后 铁钉内的原子磁矩很快便改变方向 形成具有不同取向的许多磁畴 从整体看 铁钉便失去了磁性 91 反磁性 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 3 5 2磁性的种类 92 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 93 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 铁磁性反铁磁性铁氧体磁性 94 反铁磁性 MnO 制造磁体的方法 加热永磁体能够使它的磁性消失 比如说将一块其上吸附有回形针的磁体放在厨房燃气灶的火苗上烘烤 不一会 磁体就会失去磁性 回形针掉落下来 加热磁体 当磁体温度升高到某一个特定温度时 磁体的磁性会完全消失 此后磁体冷却下来磁性也不会恢复 这是由法国科学家皮埃尔 居里 1859 1906 首先发现的一种现象 磁体失去磁性的这个温度值就按照他的姓氏命名 叫做 居里温度 这个温度取决于磁体的组成 加热为什么会使磁体失去磁性呢 原来 加热磁体使得其中的原子磁矩作激烈运动 结果 它们能够挣脱锁定它们排列方向的其他种类原子的约束 改变方向而形成原子磁矩取向各不相同的许多磁畴 这时候即使降低温度 已有的磁畴状态保持不变 各个磁畴里原子磁矩的不同取向便被固定下来 那么 如何才能够使经过加热失去磁性的磁体恢复磁性重新变为磁体呢 办法是再一次加热失去磁性的磁体 使其中的原子作激烈运动 然后利用其他磁体的磁力来使失去磁性的磁体内的原子磁矩作取向一致的排列 在原子磁矩取向一致的状态下降低温度 失去磁性的磁体就会恢复磁性 重新成为磁体 其实 这也就是制造磁体的方法 先把制造磁体的各种原料混合在一起 做成具有所需形状的半成品 然后加热 由于受热 半成品中的原子磁矩变得容易改变方向 此时用电磁体等向半成品施加磁力 并同时使之冷却 降低温度 这个过程叫做 磁化 经过磁化的半成品就变成了具有磁性的磁体 事实上 不论什么种类的磁体都是使用这种基本方法制造出来的 天然磁石也是通过类似的自然过程形成的 含有铁元素的岩石在火山爆发中被加热 然后自然冷却 在此过程中 其中的原子磁矩受到地球磁力 地球磁场 的作用作整齐排列 并被固定下来 受到雷击被加热的含有磁性元素的岩石 冷却下来 也有可能形成天然磁体 97 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 3 5 3磁畴和磁化曲线 98 磁滞回线hysteresisloop 99 软磁材料硬磁材料 100 光的基本性能光的吸收和透过光的反射和折射材料的颜色 3 6光学性能OpticalProperty 101 光的波粒二象性爱因斯坦 Einsten 的光电效应方程把光的粒子性 particlenature 和波动性 wavenature 联系起来 即光的波粒二象性 wave particleduality 3 1 h为普朗克常数 Planck sconstant 6 63 10 34J s光的频率 波长和辐射能都是由光子源决定的 例如 射线是改变原子核结构产生的 具有很高的能量 X射线 紫外辐射 可见光谱都是与原子的电子结构改变相关的 红外线 微波和无线电波是由原子振动或晶格结构改变引起的低能 长波辐射 3 6 1光的基本性能 102 图3 1光的电磁波谱由图可知 可见光是眼睛能感知的很窄的一部分辐射电磁波 其颜色决定了光的波长 白光是各种单色光的混合光 103 各种形式的电磁波在真空中传播的速度为3 108m s 以c表示 c与真空介电常量 0 electricpermittivityofavacuum 和真空磁导率 0 themagneticpermeabilityofavacuum 的关系为 3 2 当光在介质中传播时 其速度v由下式决定 3 3 c为真空中光的速度 r为介质的相对介电常量 r为介质的磁导率 104 尽管人们对光的本性有了全面认识 但这并不排除经典理论在一定范围内的正确性 在涉及光传播特性的场合 只要电磁波不是十分微弱 经典的电磁波理论还是完全正确的 当涉及光与物质相互作用并发生能量 动量交换的问题时 才必须把光当做具有确定能量和动量的粒子流来看待 105 图3 3光子与固体介质的作用 光通过固体现象 当光从一种介质近人另一种介质时 例如从空气进人固体中 一部分透过介质 一部分被吸收 一部分在两种介质的界面上被反射 还有一部分被散射 3 6 2光的吸收和透过 106 设入射到材料表面的光辐射能流率为 0 透过 吸收 反射和散射的光辐射能流率分别为 A R 则 3 4 光辐射能流率的单位为W m2 表示单位时间内通过单位面积 与光传播方向垂直的面积 的能量 若用 0除 3 4 式的等式二边 则得 3 5 式中 T称为透射系数 称为吸收系数 R称为反射系数 称为散射系数 107 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 电子等的相互作用 出现以下的二种重要结果 1 电子极化 ElectronicPolarization 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一个原子都发生作用 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 其结果是 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 108 2 电子能态转变 ElectronTransition 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 如图3 4所示 该原子吸收了光子能量后 可能将E2能级上的电子激发到能量更高的E4空能级上 电子发生的能量变化 E与电磁波的频率有关 3 6 式中 h为普朗克常量 42为入射光子的频率 注意原子中电子能级是分立的 能级间存在特定的 E 因此 只有能量为 E的光子才能被该原子通过电子能态转变而吸收 其次 受激电子不可能无限长时间地保持在激发状态 经过一个短时期后 它又会衰变回基态 同时发射出电磁波 衰变的途径不同 发射出的电磁波频率就不同 109 图3 4孤立原子吸收光子后电子态转变示意图 110 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 电子伏特 electronvolt 符号为eV 是能量的单位 代表一个电子 所带电量为 1 6 10 19C 经过1伏特的电位差加速后所获得的动能 电子伏特与SI制的能量单位焦耳 J 的换算关系是1eV 1 602176565 35 10 19J 111 几种无机材料的光透过曲线 112 金属材料 强反