功能材料红外材料

功能材料(FunctionalMaterials)

综述材料是现代科技和国民经济的物质基础。一个国家生产材料的品种、数量和质量是衡量其科技和经济发展水平的重要标志。因此，现在称材料、信息和能源为现代文明的三大支柱，又把新材料、信息和生物技术作为新技术革命的主要标志。按材料组成物质的属性特点(材料内部结合键的特点)可将材料分为三类:1、 金属材料：金属键结合2、 无机非金属材料：离子键结合3、 高分子材料：共价键和分子键结合。按用途可分为两类：1、 结构材料：利用其力学性能制造机器和工程结构中构件的材料。2、 功能材料：利用材料的物理、化学和生物等性能制造具有电、磁、光、声、热、生物等功能器件的材料。功能材料是指具有一种或几种特定功能的材料，如磁性材料、光学材料等，它具有优良的物理、化学和生物功能，在物件中起着“功能”的作用。从广义来看，结构材料实际上是一种具有力学功能的材料，因此也是一种功能材料。但是由于对应于力学功能的机械运动是一种宏观物体的运动，它与对应于其他功能的微观物体的运动有着显著的区别。因此，习惯上不把结构材料包括在功能材料范畴之内。这样，一般就把材料分成结构材料和功能材料两大类。然而，由于宏观运动和微观运动之间是互有联系的，在适当条件下，还可以互相转化。因此.结构材料和功能材料有共同的科学基础，有时也很难截然划分。此外，有时一种材料同时具有结构材料和功能材料两种属性，如结构隐身材料就兼有承载、气动力学和隐身三种功能。有时，用途不同，一种材料也可属于不同的范畴，如弹性材料作为弹簧，属结构材料范畴，但作为储能用，则应视为功能材料。功能材料的概念是由美国贝尔研究所J.A.Morton博士1965年提出的，只是它的品种和产量很少，且在相当一段时间内发展缓慢。因此，功能材料未能成为一个独立的材料分支领域。20世纪八十年代以来，各种现代技术如微电子、激光、红外、光电、空间、能源、计算机、机器人、信息、生物和医学等技术的兴起，强烈刺激了功能材料的发展。为了满足这些现代技术对材料的需求，世界各国都非常重视功能材料的研究和开发。同时，由于固体物理、固体化学、量子理论、结构化学、生物物理和生物化学等学科的飞速发展以及各种制备功能材料的新技术和现代分析测试技术在功能材料研究和生产中的实际应用，许多新的功能材料不仅已在实验室中研制出来，而且已批且生产和得到应用，并在不同程度上推动或加速了各种现代技术的进一步发展。因此，结构材料和功能材料的关系发生了根本的变化，功能材料已和结构材料处于差不多同等的地位。功能材料的现状和展望近年来，功能材料迅速发展，已有几十大类，10万多品种，且每年都有大量新品种问世。日本的21世纪基础技术开发计划的46个领域中，有13个领域是功能材料。现已开发的以物理功能材料最多，主要有：单功能材料如导电材料、介电材料、铁电材料、磁性材料、磁信息材料、发热材料、储热材料、隔热材料、热控材料、隔声材料、发声材料、光学材料、发光材料、激光材料、非线性光学材料、示色材料、红外材料、光信息材料等。功能转换材料如压电材料、光电材料、热电材料、磁光材料、声光材料、声能转换材料、电光材料、电流变材料、电色材料、磁敏材料、磁致伸缩材料等。多功能材料如防振降噪材料、三防(防热、防激光和防核)材料、耐热密封材料、电磁材料等。复合和综合功能材料如形状记忆材料、隐身材料、电磁屏蔽材料、传感材料、智能材料、环境材料、显示材料、分离功能材料等。新形态和新概念功能材料，如液晶材料、非晶念材料、梯度材料、纳米材料、非平衡态材料等。目前，化学和生物功能材料的种类虽较少，但其发展速度很快，其功能也更多样化。同时，功能材料的应用范同也迅速扩大，它在电子、信息、计算机、光电、航空、航天、兵器、船舶、汽车、能源、视听和医学等行业已得到较广泛的应用。其应用的范围实际上已超过了结构材料；虽然在产量和产值上还不如结构材料，但是它对各行业的发展有很大的影响，特别是对高新技术行业的发展水平起着关键作用。展望21世纪，高新技术将更迅猛地发展，它对功能材料的需求也日益迫切。功能材料在近期会有一个更大的发展，从国内外功能材料的研究动态看，功能材料的发展趋势可归纳为如下方面。开发高技术所需的新型功能材料，特别是尖端领域(如航空航天、分子电子学、高速信息、新能源、海洋技术和生命科学等)所需和在极端条件(如超高压、超高温、超低温、高烧蚀、高热冲击、强腐蚀、高真空、强激光、高辐射、粒子云、原子氧、核爆炸等)下工作的高性能功能材料。功能材料的功能从单功能向多功能和复合或综合功能发展，从低级功能向高级功能(如人工智能、生物功能和生命功能等)发展。功能材料和器件的一体化、高集成化、超微型化、高密积化和超分子化。功能材料和结构材料兼容，即功能材料结构化，结构材料功能化。进一步研究和发展功能材料的新概念、新设计和新工艺，已提出的新概念梯度化、低维化、智能化、非平衡态、分子组装、杂化、超分子化和生物分子化等，已提出的新设计有化学模式识别设计、分子设计、非平衡态设计，量子化学和统计力学计算法等，这些新设计方法都要采用计算机辅助设计(cAD)，这就要求建立数据库和计算机专家系统.已提出的新工艺有激光加工、离子注入、等离子技术、分子束外延、电子和离子束沉积、固相外延、精细刻蚀、生物技术及在特定条件下(如高温、高压、低温、高真空、微重力、强电磁场、强辐射、急冷和超净等)的工艺技术。对上述的新概念、新设计和新工艺要进一步发展和实用化，更重要的是要探索和研究前人还没有提出的新概念、新设计和新丁艺：完善和发展功能材料检测及评价的方法。加强功能材料的应用研究，扩展功能材料的应用领域，特别是尖端领域和民用高技术领域!并把成熟的研究成果迅速推广，以形成生产力：我国对功能材料研究也很重视，国家自然科学基金、863计划、973计划和国防科研基金都列有许多功能材料的项目，在半导体、介电、压电、铁电、新型铁氧体、光源、信息传输、信息储存和处理、光纤、电色、光色、形状记忆台余、非线性光学品体、超导、电磁和生物医学等材料的研究和开发方向都取得了很大进展。有些品种如大直径单晶硅、高临界温度超导材料、无机非线性光学晶体、有机高密度光电子信息存储材料、碳纳米管和功能陶瓷等已达到国际先进水平。功能材料学科的内容和相关学科功能材料学科的内容包括以下三方面。功能材料学是研究功能材料的成分、结构、性能、应用及其间的关系，在此基础上，研究功能材料的设计和发展途径。功能材料工程学是研究功能材料的合成、制备、提纯、改性、储存和使用的技术和工艺。功能材料的表征和测试技术是研究一般通用的理化测试技术在功能材料上的应用和各类功能材料特征功能的测试技术和表征。功能材料学科是一门与多学科交叉的学科，与其相关的学科很多，比较紧密相关的有固体物理、结构化学、无机化学、有机高分子化学、生物和医学等基础学科，材料类学科，冶金、化工、硅酸盐与陶瓷和制药等工艺类学科，光、电、磁、声、热等现代技术类学科和分析测试类学科。第一章红外材料红外材料是指与红外线的辐射、吸收、透射和探测等相关的一些材料。本章主要介绍红外透射和辐射材料。§1.1红外线的基本规律红外线是英国赫舍尔在1800年发现的。它本质上和可见光一样是一种电磁波，波长在0.76〜1000um之间，在红外技术中，按地球上大气对红外辐射传输的影响，将它分为四个光谱区：0.76—3um为近红外；3—6um为中红外区；6—15um为远红外区，15—1000um为极远红外区。应该说明，不同学科有不同的划分方法。红外线的辐射起源于分子的振动和转动，而分子振动和转动起源于温度。所以在0K以上的温度下，一切物体均可辐射红外线，故红外线是一种热辐射，有时也叫它热红外。在研究热辐射过程及材料的热辐射性质时，有如下一些常用的热辐射基本定律：普朗克定律和维恩定律普朗克定律表示的是黑体辐射出射度的光谱密集度随温度和波长变化的规律，其数学表达式为(量子力学黑体辐射公式)小工睇e二aG甲!…邕鼻…， 、式中Ma黑体辐射出的能量密度(W/m2•pm)入 波长；C1 普朗克第一常数，等于3.17x10-6(w•m2)C2——普朗克第二常数，等于1.44xl0-2(m•K)；T一绝对温度。在0K时，Ma趋于零。在一定绝对温度范围内，M随波长增加而上升，达到最大值后，又随波长增加而下降。根据普朗克定律，用数学求极值的方法可得出对应于Mmax的波长入max。g•T=2.897mm*Kr3000 ・K此式称为维恩定律.可以看出物体温度越高，其辐射出d的能量密度的峰值越向波长较短的一侧移动。2.斯蒂芬一玻尔兹曼定律该定律确定辐射出射度与绝对温度的四次方成正比关系，即M=J知 =6,4^C1•产=式中M黑体的辐射出射度，即在单位面积发射的能通量(w・m2)。黑体的辐射常数，或称斯蒂芬一玻尔兹曼常数，等于5.67X10-8W/m2・K4该定律也可用于任何热辐射体，即Mm=£oT4=£M其中Mm一任何热辐射体的辐射出射度；(m=1、2、3…)£---发射率。3、基尔霍夫定律基尔霍夫定律确定了物体出射度M和吸收率a之间的联系，即：Mi/a1=M2/a2=M3/a3=„=M/a=M=f(T)该式说明：任何热辐射体的辐射出射度和吸收率之比相同并恒等于黑体的辐射出射度，且只和温度有关。£=a表明：若物体对某种波长的辐射有很强的吸收能力，则它对这种辐射的发射能力也很强。4、朗伯定律它确定了黑体沿个别方向的辐射变化，并可表示为：一定方向上单位面积单位立体角内的辐射能通量与该方向同表面法线方向的夹角的余弦成正比。§1.2红外辐射材料理论上，任何物体在0K以上均可辐射红外线，但工程上，红外辐射材料只是能吸收热物体辐射而发射大量红外线的材料。红外辐射材料可分为热型、“发光”型和热一“发光”混合型三类。红外加热技术主要采用热型红外辐射材料。一、发射率红外辐射材料的辐射特性决定于材料的温度和发射率。而发射率是红外辐射材料的重要特征值，它是相对于热平衡辐射体的概念。热平衡辐射体是当一个物体向周围发射辐射时，同时也吸收周围物体所发射的辐射能量，当物体与外界进行能量交换慢到使物体在任何短时间内仍保持确定温度时，该过程可以看作是平衡。根据不同情况，发射率怎）可分为以下几种。1、发射率怎）和光谱发射率£（入）实际物体发射辐射性能没有黑体理想，受到外界辐射源照射时，它并不能全部吸收一定波长的能量，在给定温度下，从表面发射的辐射出射度比同一温度下黑体的辐射出射度小。因此，把实际物体发射的辐射出射度和同一温度下黑体发射的辐射出射度之比定义为发射率£，也称全发射率。把各个波长的辐射出射度与同温度、同波长下黑体的辐射出射度之比定义为光谱发射率£（入），也称为单色发射率。虽然，黑体：£二1，£（入）=1；实际物体：£<1，£（入）<1；灰体的发射率与波长无关，£=£（入），也可以说发射率与波长无关的物体称为灰体；随波产变化而改变发射率的物体称为选择性辐射体。如图1—1所示。图13-1三类辐射体的单色发射率2、法向发射率£n发射率还与辐射的方向有关。除了用一般的发射率（即半球向发射率）来描述物体辐射本领外，还常用方向发射率来描述物体在某方向的辐射本领，用得最多的是法向发射率£n，即垂直于辐射方向的发射率。除了个别情况夕卜，半球向发射率与法相发射率之间的差别较小。表13—1各种金属化合物（常温至800r）的发射率值

物质£物质£A12O30.50BeO0.35V2O50.70Fe2O30.70Y2O30.60C03O40.75MgO0.20Cu2O0.70NiO0.90ZnO0.11SiO0.83物质£SnO20.70TiO20.60CrO230.70Ce2O30.70ZrO20.74CaCO30.40TaC0.81ZrC0.46SiC0.72Nb2O30.70二、影响材料发射率的因素当红外辐射辐射到任何一种材料的表面时，一部分能量被吸收，一部分能量被反射，还有一部分能量被透过。由于能量守恒，吸收率a、反射率p和透过率t之间满足关系 a+p+t=1根据基尔霍夫定律 a二£这说明影响材料反射、透射和辐射性能的有关因素必然会在其发射率的变化规律中反映出来。材料发出辐射是因其组成原子、分子或离子体系在不同能量状态间跃迁产生的。一般说，这种发出的辐射，在短波段主要与其电子的跃迁有关，在长波段则与其晶格振动特性有关。红外加热技术中的多数辐射材料，其发出辐射的机制是由分子转动或震动而伴随着电偶距的变化产生的辐射。因之，组成材料的元素、化学键形式、品体结构以及存在缺陷等因素都将对材料的发射率发生影响。影响发射率的因素1.材料本身结构一般地，金属导电体的£值较小，电介质材料的£值较高。存在这种差异的原因与构成金属和电介质材料的带电粒子及其运动特性直接有关。带电粒子的特性不同，材料的电性和发射红外辐射的性能就不一样，而这往往与材料的晶体结构有关。例如：氧化铝、氧化硅等电介质材料属于离子型品体，它主要靠正、负离子的静电力结合在一起；碳化硅、硼化锆、氮化锆等材料属于共价品体，它们是靠两个原子各自贡献自旋相反的电子，共同参与两个原子的束缚作用；铝等金属品体的结构可以看作是正离子品格由自由电子把它们约束在一起。显然，在晶格中存在杂质、缺陷时，都会影响晶体的结构参数，使材料的发射率发生变化。辐射波长如前所述，多数红外辐射材料，其发射红外线的性能，在短波主要与电子在价带全导带间的跃迁有关；在长波段主要与晶格振动有关。品格振动频率取决于晶体结构、组成晶体的元素的原子量及化学键特性。图13—2为600^和1025^情况下碳化硅的单色发射率曲线。由图可见，碳化硅在12um附近有一个显著的发射率特征带，这是Si-C基态振动的位置。原材料预处理工艺同一种原材料因预处理工艺条件不同而有不同的发射率值。经700°C空气气氛处理与经1400C煤气气氛处理的氧化钛的常温发射率分别为0.81和0.86。温度温度影响材料的发射率。图1—3描述了一些材料的温度特性，从图可见，电介质材料的发射率较金属大得多，有些随温度升高而降低，有些随温度的升高而有复杂的变化。表面状态一暖气片表面不光滑一般说来，材料表面愈粗糙，其发射率值愈大。据报道，铭竦铁合金经不同表面处理后，其发射率有大幅度的变化。电抛光、喷砂、电抛光后再氧化这三种方法使其在482C时的发射率分别为0.11、0.31、0.60。图13—4为铝的发射率与表面粗糙度间的关系，当表面不平整度大于40um时，发射率很快增大。红外线在金属表上的反射性能与红外线波长对表面不平整度的相对大小有关，与金属表面上的化学特征（如油脂玷污、附有金属氧化膜等）和物理特征（如气体吸附、品格缺陷及机械加工引起的表面结构改变等）有关。图1—5为两种铝样品在326C时的法向发射率曲线，表明在整个测试波段粗糙表面的发射率值都增加。粗糙表面上，接近11“m的峰是出于氧化膜层所引起的。材料的体因素材料的体因素包括材料的厚度、填料的粒径和含量等等。对某些材料，如红外线透明材料或半透明的材料，其发射率值还与其体因素有关。原因是红外线能量在传播过程中材料的吸收所致。图1—6是一种窗玻璃的发射率随厚度的变化情况，随着玻璃厚度的增加，发射率增大。600菖-0.2-01 I i■ —.. 」 | r□ 24 6 8 10 L2 14图13-2纯SiC的单色发射率与波&的关系20040060080010001400 18007/K图13-3各种材料的发射率和温度特性一软钢（900无15min氧化）；2—软钢（1500T3Omin氧化）【3一不锈钢（900无氧化）再一软钢（研磨面）；5一不锈钢面;铝RA4213;7一铝LA6O*8—甄化镁;9一钠钙玻璃；10一石英玻璃口1—碳素；12一钢（空气中氧化）;13^（750E氧化）;14-铜（研磨面）；15Y（厚氧化膜）；1—铝（清洁面）;耐水粘土;18—棵铭合金线工作时间

在工作条件下，由于与环境介质发生相互作用或其他物理化学变化，从而引起成分及结构的变化，将使材料的发射率改变。表1—2列举了一个例子。一种由BaO—Si02系玻璃加氧化铭磨制的高温搪瓷，经1000°C、50h工作后，玻璃体析品，产生大量的BaO-2SiO2等品体，搪瓷的发射率亦随之变化。

图13-6（0.115cm）厚度玻璃的半球向

全发射率和温度特性表13-2—种高温搪瓷的发射率温度未处理前经1000W、5Oh处理后4000.710.805000.700.796000.690.787000.670.778000.650-759000.630.75由上述七种影响发射率的因素可见，要制备一种合乎使用要求的红外辐射材料.需要做大量的研究工作。三、红外辐射材料的种类红外辐射材料的种类和特性如表1—3所示。常用的发射率较高的红外辐射材料有碳、石墨、氧化物、碳化物、氮化物以及硅化物等。红外辐射搪瓷、红外辐射陶瓷以及红外辐射涂料等是一般红外辐射材料通常使用形式。例如：一种远红外辐射搪瓷的配方为：熔块（A13O2）100,硅酸锆33,粘土5,碳酸钠0.3,（二氧化锰+三氧化二铁）。

赛13-3红外辐射材料的种类和特性种类辐射材料波长发射率与波长关系与熔蒸高导电性成形特征气温点压*固金属合金W,Mo,V,Pt,Fe,Mn,Ni,Ta等;镣铭合金，不锈钢等①<0.5大4、中大可易可做成线圈状，能逋电加热，热传导好，加热速度快非金属碳，石墨①>0.8无小高小中可难发射率大体氧化物碳化物氮化物HOj,Si02,CrjQz,ZrOj, ,Cu^O等，TaC,Zr€,SiC,岛C等:V3N,TaN等①0.5-0.8小中高中无难通电加热困难，需别的热源,成形加工困难晶体云母，萤石，方解石，明矶，水②晶等 ③0.4-0.70大高中小非难半宽值达2伊左右的粉末发射率大气体HR’CO^SQj等③0.6大③大一气体的再吸收，并依赖于压力注:①可见光，红外的连续辐射;②长波红外;③选择性辐射;④辐射的最大波长;⑤最高温度⑥高温阻抗下降，一般通电困难。例如一种碳化硅陶瓷上常用的烧结涂层的重量配方是：三氧化二铁10,氧化锆50，氧化铭20，氧化硅20，外加陶土等。红外辐射涂料通常涂敷在热物体表面构成红外辐射体。红外辐射涂料中一般都选用在工作温度范围内发射率高的材料。红外辐射涂料由辐射材料的粉末与粘接剂等按适当比例混合配制而成。表1—4列出了一些商品红外辐射涂料的性能及规格。表13-4部分红外辐射涂料的性能及规格名称型号法向发射率使用温度/弋1适用基体氧化铁HS-顷0.88「’ 1氧化铭HS-2-10-8160-600 |陶瓷错质陶瓷HS-3-11特制氧化铁HS-1-20.851特制氧化铭HS-2-20.K660-600j陶瓷、金属错质陶瓷HS-3-20.84特制碳化硅HS-4-20.87碳化硼HK-B60-600 !陶瓷、金属氧化铁HY-10.82氧化铭HY-20.8360-500金属错英粉HY-30.89碳化■硅HY-40.851四、红外辐射材料的应用用于热能利用方面红外加热。红外加热与干燥是指利用热辐射体(如红外加热器)所发射出来的红外线、照射到物体上并被吸收后转换成热(或同时伴随其他非热效应)，从而达到加热、干燥的目的。如在机械和金属领域用于机械设备的金属部件、车架、船舶的喷漆烘干，铸型的干燥等；在化工领域用于热塑性树脂的干燥、纸浆和药品的干燥、玻璃和陶瓷的预热和烧结等；在医疗领域用于促进血液循环和汗腺的分泌、外伤的治疗等；在食品工业领域用干冷冻谷类捆包前的脱水、冷冻食品的解冻、稻谷水果的烘干等等。作为耐火材料。高发射率红外辐射涂层属于不定形耐火材料中的一种，一般被涂于加热炉的炉衬耐火砖或耐火纤维毡表面，也可涂于测温套管、烧嘴砖等表面，将十分有利于热能的利用。用于航天领域航天器用红外辐射涂层是一种高温高发射率涂层、涂在航天器蒙皮表面上，作为辐射防热结构。用于军事目的防红外伪装涂层。红外伪装的最基本原理是降低和消除目标和背景的辐射差别，以降低目标被发现和识别的可能性。近红外伪装涂层要求目标与背景的光谱反射率尽可能接近；中、远红外伪装涂层则一般采用低发射率涂层材料，以弥补二者的温度差异。据称美国隐形战斗机F-19的机身表面就涂有减少雷达波及红外线的伪装涂层。红外诱饵器。红外诱饵器作为对付红外制导导弹的一种对抗手段，正受到重视。若采用固体热红外假目标(诱饵)，在表面涂上高发射率涂层，则能提高诱饵的红外辐射强度，从而提高假目标的有效性。选择不同辐射频率的材料作成的红外诱饵器可以模拟各种武器装备的红外辐射特征，更好地发挥红外诱饵假目标的作用。3透红外材料透红外材料指的是对红外线透过率高的材料。一、透红外材料的特征值1.透过率其定义与可见光透过率相同一般透过率要求在50%以上，同时要求透过率的频率范围要宽，透红外材料的透射短波限，对于纯品体，决定于其电子从价带跃迁到导带的吸收，即其禁带宽度。透射长波限决定于其声子吸收，和其晶格结构及平均原了量有关。折射率和色散对用于窗口和整流罩的材料要求折射率低，以减少反射损失。对于透镜、棱镜、红外光学系统要求尽量宽的折射率。3.发射率要求尽量低，以免增加红外系统的目标待征，特别是军用系统易曝露。二、透红外材料的种类早期使用的是天然品体如岩盐、水晶等。后来随着红外技术的发展，要求有更高质量的透红外材料，目前已有单品、多品、玻璃、陶瓷、塑料、金刚石和类金刚石等许多品种。1.透红外品体材料和其它种类材料相比，品体的主要优点是物理和化学性能及使用特性的多样性。可以选择透过红外光谱中任何波段的单品体。各种晶体的折射率和色散的变化范围比其它类型的材料大得多，因而可以满足各种应用条件的需要。透红外品体材料包括离子品体和半导体品体两种。离子品体主要包括碱卤化合物品体，碱土一卤族化合物品体，某些氧化物品体和无机盐品体。半导体品体主要包括IV族单元素品体，III—V族化合物和II—VI族化合物品体等。碱卤化合物品体有LiF、NaF、NaCl、KCl、KBr、KI、RbCl、RbBr、RbI、CsBr、CsI等。一般说来，这类材料的熔点不高、比较容易培养成大单品，其退火工艺也不十分复杂，同时也较容易实现光学均匀性。表1—5列出了某些碱卤化合物品体的主要物理化学性质。

权料透射长波限折射率(4.3pjn处)硬度(克氏硬度)峪点密度禅g'/(；Pa热膨胀系数/(W'K-1)溶解度备注UF81.34110.08702.60 75.5360.27L151.316().09802,79Cu：38,3Q4：12-533NaO251.5217.08032J639.244,35.70__KCI32...9.37761.98Ct1138.3r5r937-6034,70热膨胀系数在51气：时为37,4;745气：时为59.7KBrL1.547.()7302.75C1l：33.9Q4：4,9380龙时53.50100切寸102.(1隹Br48L.6619.56364.4415.748124.30L451.63L.3.13C5|；26.2Cu141n无时127,50如601.736214.535.95044.00金属铊和卤族元素化合物的单品，例如TIBr、T1C1以及混合晶体KRS—5(TIBr-TII)与KRS—6(TIBr-TICl)等也是一类常用的透红外材料。它们具有相当宽的透射波段，同时仅微溶于水表13—6为几种铊卤化物单品的主要光学、物理及化学性质。碱土一卤族化合物品体主要包括CaF2、BaF2、SrF2、MgF2。它们都是碱土金属的氟化物，其主要物理化学性质列于表1—7，这类材料的近红外透过率一般都较高。折射率较低，反射损失小，不需镀抗反射膜。和碱卤化合物品体相比，它们的硬度要高得多，机械强度也好得多，同时它们几乎不溶于水(如MgF2)或微溶于水。

材料TIBr透射长波限/■pm34折射率（在4.3印1处）硬度（克氏硬度）峪点/X密度弹性模景/GPaCn：37.U：7+5热膨胀系数5k2在水中的溶解度 0.0502.350124607.56■nci272.198(0.75呻处)12.843()7.()0Cn40.0;644=7554.60.320KHJ5*2,380405C1I：32.7C44：5*760.00.020KRS-6302.190354247.1920.651.00.010表13-7某些碱土-卤族化合物晶体的主要物理和化学性质材料崎点/r密度弹性模量/CPa热膨胀系数在水中的溶解度波限/run折射率（4.3pun处）硬度（克氏硬度）氟化钙10.01.4115814033.18'98,125.00.002氟化偲10.5一1.43（可见光）.-3.5（莫氏）11904.240.012氟化朝13.51.458212804.8955.918.40.170氟化镁8.0“557613963+18二轴甚小氧化物品体是火箭、导弹、人造卫星、宇宙飞行器以及通讯、遥测等用的红外装置中广泛使用的一类品体。其中最主要的有蓝宝石Al2O3、石英（SiO2，包括晶态石英和融熔石英）、氧化镁（MgO）和金红石（Ti02）等。它们的主要物理和化学性质列于表1—8。可以作为透红外光学材料使用的无机盐化合物单品体有SrTiO3、Ba5Ta4O12等。这类材料具有较高的透过率和较小的折射率。可用作透红外光学材料的半导体品体主要有Ce、Si、CdTe、CaAs等，这类材料在红外波段大多具有较大的折射率，一般需用涂膜来减少反射损失。表1-9列出了可用作透红外光学材料的几种半导体的主要性质。

材料透射长波限/呻折射率（4,3呻处）硬度（克氏硬度）熔点/Y密度弹性模量/GPa热膨胀系数在水中的溶解度备注氧化铝5,51.68137020303.98372It■轴5.00|!C轴6刘0.00晶态石英4.51*46（寻常光线）741质2.65Cn：83C44:567.100.00双折射晶体，其折射率值是对寻常光线而言融嬉石英4.5L3747016672.20640.550.00氧化镁6.81.6669028003.5925513.000.00氧化钛6.02.4588018254,26CLl：351Cm：1239-000.00*13-9诃用作透红外光学材料的几种半导体的主要性质回料透射长波限/tzni折射率（4.3r^ni处）硬度（克氏硬度）解点/T密度/(g-cm- .玻璃材料透红外光学玻璃具有光学均匀性好、易加工、价格低廉等优点，是一种最常用的透红外材料，这类材料及其基本组成，可分为氧化物玻璃和非氧化物玻璃两种。 .玻璃材料透红外光学玻璃具有光学均匀性好、易加工、价格低廉等优点，是一种最常用的透红外材料，这类材料及其基本组成，可分为氧化物玻璃和非氧化物玻璃两种。弹性模量/GPa热膨胀系数/（10-普通的氧化物玻璃包括铝酸盐玻璃、锑酸盐玻璃、碲酸盐玻璃、亚碲酸盐玻璃、镓酸盐玻璃和锗酸盐玻璃等等。氧化物玻璃的透射波段在3普通的氧化物玻璃包括铝酸盐玻璃、锑酸盐玻璃、碲酸盐玻璃、亚碲酸盐玻璃、镓酸盐玻璃和锗酸盐玻璃等等。氧化物玻璃的透射波段在3—6mm,不能透在水中的溶解度254.02800940一-5.33CH：1270|4：666.100.00硅153,42115014202.33Ctl：163C44：784.200.00金刚石302.4()8820>35003.51C1!：932C44：5100.87().()0铺化锢】63.992235235J&C"64C44：304.900.00碑化镣183.34（切向处）75012385.31Cn：nC44：55.740.00锦化镣2-43.704487055.62C]1：87CM：426.900.00硫化偏162.261211500（100大气压）4-82C,l：793143.5O||。轴5.00_C轴0.00013硒化镉252.4071>135()5.810-000础化镉3。2,565410455.85Ch：533204.500.00过波长更长的红外辐射。表1-10为几种透红外氧化物玻璃的基本性质。^13-10几种红外氧化物玻璃的主要性质材料化学组分透射波段L心击浙射率/呻i软化点热膨胀系数/(史K-i)克氏硬度弹性模量/GPa铝酸盐玻璃CaO-BaO-MgO-MQ,0.3~5.51.6^=7009.7—137镣酸盐玻璃SK)-CaO-MgO-BaO-Ga^Qj0.3-6.65670-—128暗酸盐玻璃BaO-ZnO-g0-3-6.02.0320 -错酸盐玻璃Ba。-TRGeOi-ZrO-U2Os0.3-6.0一-700二…一一由于元素氧的化学键能引起强烈的吸收，通常氧化物玻璃不能透过长于7pm的红外辐射。为了扩充玻璃的红外透过波段，用VI族中较重的元素S、Se、Te代替氧作为玻璃的基本组分，即形成所谓非氧化物玻璃——硫属化合物玻璃。硫属化合物玻璃包括三硫化二神玻璃、锗硒镓玻璃、锗硒汞玻璃、硅神碲锑玻璃、锗神硒玻璃等等。这类玻璃的特点是透射范围宽，可从可见光或近红外扩展到十几微米。表1-11列出了若干主要的硫属化合物玻璃的基本物理与化学性质。另外，以氟化钍(ThF4)为基础的重金属氟化物玻璃也属非氧化物玻璃。这类玻璃从紫外到红外(0.2—叩)都有很好的透过性能，在中红外区域(4--5pm)具有最好的透明度。化学稳定性也比较好。化学组分透射波段折射率t在5JHH处）软化点/%热膨胀系数,硬度/（lO-'K-1）|（克氏硬度）1弹性模量/GPa2~92.9331713167坛1~16-475顷T&7Q2~203.5517818润5皿肮⑶2~133.0632010J792~82.1552015185@40%1-122.30420141791~152-6232615150294g•姑12务51-J62.49474171304GejoAs^Sejo1-16380A制明1-132.53218201211471-132⑸19527洱1081^122.7017625106167Asjg鬲131~152+79202191141671-192.482034As^SgotA^S；）1-112.4121025109157^355^60^^51~152.50372GeaSe^Hgg1~162.50365一l“Scto」9oT&2卜■}1~20170-231.热压多品材料随着火箭与导弹技术的发展，需要有大尺寸的机械强度好、耐高温、耐热冲击的透红外光学材料。玻璃和半导体类材料已不能满足这一使用要求，某些单晶体（如蓝宝石及融熔石英等）虽然具有高熔点，耐热冲击等优点，但透射波段受到限制，同时难以培养大尺寸的均匀单品，所有这些都迫切要求发展耐高温透红外光学材料技术。热压多晶技术、透明陶瓷工艺技术及其它多晶光学材料技术就是针对这些要求而发展起来的。对于通常的多晶材料，决定其透过特性的物理机制是吸收和散射。吸收可能是由于组成多晶的元素本身引起的，包括电子吸收、声子吸收、杂质引起的吸收。散射可以是由与多晶体本身折射率不同的杂质粒子引起的，也可以是由微气孔所引起的。热压陶瓷方法制备多晶透红外材料的主要任务，就是消除由杂质和汽孔引起的散射和吸收，从而使多晶材料的光吸收特性仅决定于组成多晶本身的元素的吸收:用热压技术制备多晶材料就是在高温、高压作用下排除材料中的微气孔，消除它对材料红外透过性能的影响。高温和高压作用的效果，一方面使粉末态微品粒子挤紧、压碎和再分布，另一方面使粉末态微品粒子范性形变，从而挤掉所有微气孔，最终实现品粒表面间的接触，得到稳定的高密度的热压多晶体。采用热压技术已成功地制备多种热压多晶透红外材料，如氟化镁、硫化锌、氧化镁、氤化钙、硒化锌、硫化镉、氟化镧等。这些材料的主要物理和化学性质列于表1—12。表13-12几种热压红外光学材料的物理与化学性质材料透射范围/JL1HL折射率(5ptm处)克氏哽度始点.侦密度/侦"旷3)热膨胀系数弹性模量/GPa在水中的溶解度备注氟化镁硫化锌0.45^9.501.3457613963.1811.5108不溶—0,57^-15.002.2535410204.097-095不溶氧化镁039-30.001.7064028003.5813.9不溶氟化钙0.20-12.001.3720013603.18微溶耐热冲击硒化锌0,48-22.002.01505,277.7一不溶疏化锦2.00^30,002.70405.855.9不溶氟化期1.00-13,00E50不溶4.红外透明陶瓷红外透明陶瓷是又一类耐高温透红外光学材料，它可由真空烧结、加压烧结、真空加压等工艺技术烧结而成。和热压技术相比，陶瓷工艺技术中消除微气孔的物理机制中不仅有范性流变效应的作用，而且更主要的有固相扩散效应的作用，从而最大限度的降低自由能，形成一个稳定的透明陶瓷体。红外透明陶瓷的品种有氧化铝烧结透明陶瓷、氧化镁透明陶瓷、氧化钇透明陶瓷、氧化钍透明陶瓷、氧化锆透明陶瓷、氟化钙透明陶瓷、锆铁酸铅(PZT)透明陶瓷、神化镓透明陶瓷等等。表1—13列出了几种主要的透明陶瓷的制备条件和主要物理与化学性质，其透射波段在0.2—12〃m范围之内。材料制备条件晶系透射波段熔点/X密度在水中的溶解度烧结/X热压温度/无（压力/GPa）氧化铝1650~19501500(3923)六方1.0^6(020503.98不溶氧化锻1700-20001750(2942)六方0.2^5.02570不溶氧化镁1550-18001400(3923)立方0.5~9.028003.58不溶氧化钮2200900(7845)立方0,25-10.02410不溶14501300〜1758(4903-294290)立方LO-10.0270G598纸化钉23800,5-10.02800不溶1000-1300(1961~5884)正立0,5-8.01450—不溶窥化钙900(25497)立方0.2-12.013603J8不溶碑化镣900-1000(5884-294200)立方5.31不溶透红外塑料某些塑料在红外区（一般在近红外和远红外波段）有良好的透过率，因而称之为透红外塑料。透红外塑料的优点是价格低廉、不溶于水、耐酸碱腐蚀等。由于塑料是由链状分子构成的高分子聚合物，其复杂的分子结构和各种官能团必然导致非常多的晶格振动吸收带和旋转吸收带，这就降低了塑料的红外透过率，尤其是中红外波段，其透过率一般较差。另外，塑料的熔点较低，这就限制了它们只能在较低温度下使用。常见的透红外塑料有甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、高密度聚丙烯、聚四氟乙烯和TPX（聚异戊二烯）等。表1-14列出了几种透红外塑料的透过波段及使用温度范围。a13-14部分通红外塑料的一般性质材料透射波段使用温度聚甲基丙烯酸甲酷可见光与近红外较低聚乙烯远红外^110T高密聚丙晞部分中红外~30~150聚四氟乙烯远红外（薄层时）近红外、中红外-269-+260X金刚石和类金刚石膜金刚石是一种优良的透红外材料，不仅因为它的透射谱从紫外波段一直延伸到远红外波段，而且它具有极高的硬度、弹性模量、热导率和电导率。金刚石还有很宽的禁带和极好的耐腐蚀性，金刚石也是一种重要的半导体材料。图