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1、第四章 无机材料的光学性能,1、光通过介质的现象（折射、反射和色散） 2、透光性 3、界面反射与光泽 4、不透明性与半透明性 5、颜色,4.1 光通过介质的现象,一、折射 折射率n=v真空/v材料=c/v材料 光通过两种材料的界面有 sini1/sini2=n2/n1=n21=v1/v2 影响折射率的因素 1、构成材料的离子半径（半径大n大） 马克斯威尔电磁波理论 为介电常数为导磁率 =1，因此 与介质的极化有关 离子半径越大， 越大，n也就越大,2、材料的结构、晶型和非晶态（双折射现象） 3、材料所受的内应力（垂直于受拉方向的n大） 4、同质异构体（高温型折射率低，低温型折射率高）,二、色散
2、 定义：材料的折射率随入射光的频率减小（或波长的增加）而减小的性质，称为折射率的色散。 色散=dn/d 色散系数=（nD-1）/（nF-nC） nD、nF和nC分别为以钠的D谱线、氢的F谱线和C谱线为光源测得的折射率 光学显微镜的物镜通常由透镜组构成而不是一个单片透镜？,三、反射,总能量流：,角度很小时 （垂直入射）,m为反射系数，其大小取决于两种介质的相对折射率,1-m为透射系数,作为透光材料，在实际应用中通常希望1-m大一些,4.2 无机材料的透光性,一、介质对光的吸收 1、吸收的一般规律,朗伯特定律 为物质对光的吸收系数（cm-1） 与材料及光波长有关,光吸收的本质：光穿过介质时，引起电
3、子跃迁、原子振动、发光及发热等使能量损失。,2、光吸收与光波长的关系,金属、半导体和电介质的吸收率随波长的变化,金属的能带结构 半导体的能带结构 电介质的能带结构,电介质的禁带宽度：,紫外光吸收波长：,Eg越大，波长越小，透光性越好,电介质红外光区域的强吸收是共振（谐振）产生的热效应引起的，红外吸收波长越长（频率越小），离可见光区域越远，透光性越好 热振频率 为与离子间结合力有正比例关系的常数， Ma和Mc分别为阴阳离子的质量 所以，Eg越大，离子键越弱，离子质量越大，透光性越好,二、介质对光的散射,晶界、气孔和夹杂都会引起光的散射。,散射规律,与吸收规律类似，S为散射系数，与散射质点的大小数
4、量及散射质点与基体折射率差值有关,散射质点越多，散射质点与基体折射率差值越大，S越大，散射越严重，另外散射质点与光波长接近时，S大，如图,含1%TiO2玻璃中，散射质点TiO2粒子直径与散射系数关系,将吸收定律 与反射规律 结合有,d时， d1/3时，,三、无机材料的透光性 透光率：透过光占入射光能量的百分比。 测试透光率的方法，光源+材料+光电池 多数无机材料看上去不透明 由于多数无机材料都是多晶、多相材料，材料的反射、吸收及杂质和缺陷的散射降低了透光率，其中散射是主要因素。,光通过陶瓷片过程中光的反射、吸收与散射,左界面反射光,左界面透射光强度为,由于吸收和散射，到达右界面时的光强为,在右
5、界面的反射光强为,右界面透射光强为,透光率 （不包含右界面反射的光经 多次反射后透射的光强）,影响材料透光性的因素 1、吸收系数（不占主要地位） 2、反射系数m（相对折射率和表面光洁度） 3、散射系数S（主要因素） （1）宏观及显微缺陷（数量、大小及折射率） （2）晶粒排列方向（双折射率） （3）气孔引起的散射损失（最主要）,四、提高无机材料透光性的措施 1、提高原材料纯度（减少散射质点）（高纯） 2、掺加外加剂（降低粘度、减少气孔）（高密度） 3、工艺措施（热压烧结减少气孔、特殊工艺定向排列）,4.3 界面反射和光泽,一、镜反射和漫反射 镜反射的应用：含铅玻璃工艺品、宝石、光纤、镀膜镜头等
6、漫反射成因：粗糙度导致镜反射的反射光线方向不一致（微观上都是镜反射）,二、光泽 光泽与镜反射和漫反射的相对含量密切相关。 釉折射率越大、表面光洁度越高，镜反射越强烈，可获得高的表面光泽。 相反，釉折射率越小、表面光洁度越差、漫反射越强烈，可获得低的表面光泽。,4.4 不透明性（乳浊）和半透明性,一、不透明性与半透明性 釉、搪瓷珐琅(不透明) 乳白玻璃(半透明),不透明及半透明性取决于散射系数，而散射系数取决于散射质点的数量、大小和相对折射率,二、乳浊剂的成分 选择原则，具有与玻璃相差较大的折射率，不与玻璃反应，能够在玻璃中形成小颗粒。,三、乳浊机理,入射光被反射、吸收和透射所占的分数取决于釉层
7、的厚度、釉的散射和吸收特性。 对于无限厚釉层 =0，m=1，即对于没有光吸收的材料，全部反射 吸收系数越大，反射率越低。 好的乳浊剂须具有低的吸收系数、大的散射系数,实际釉层不可能无限厚，釉层与基底材料界面也会反射光，使总的反射率增大： 若基底材料完全吸收光或完全透过光，则反射率为m0 若基底材料的反射率为m，则釉层表面的总反射率为mR,总反射率随底层材料反射率、散射系数、釉层厚度及釉层反射率的增加而增加。 釉层的覆盖能力（对比度、乳浊能力）： 高反射率、厚釉层、高散射系数或他们的组合可获得好的乳浊效果。,四、常用乳浊剂 氟化物、磷灰石：促进其他晶体析晶 TiO2：用于搪瓷中而不用于釉中，高温
8、还原气氛容易着色。 ZnS，SnO，锆石英等容易析晶而实现乳浊,五、改善乳浊性能的工艺措施 熔块釉优于生料釉（熔块釉中的乳浊剂均为析晶产物，晶粒细小，而生料釉中大部分为乳浊剂的残余颗粒。同样含量的乳浊剂，晶粒越细，数量越多，散射越强）,搪瓷制品由于烧成温度低，其乳浊剂通常都是先熔融淬冷然后磨细，从而保证从熔体中析出细小的晶粒。,乳浊釉的烧成制度对乳浊性能影响很大 乳浊剂在两相界面处容易析晶，温度过高乳浊剂容易融入熔体中很难再析出晶体 因此改善乳浊性能的工艺措施包括，制备熔块釉浆料和适宜的烧成温度,六、半透明性 慢反射和慢透射决定材料半透明性 乳白玻璃最好具有明显的散射和小的吸收系数，往往加入氟
9、化物作为矿化剂，有时增加Al2O3的含量增大粘度，增加晶核数量，控制晶粒尺寸。 气孔含量决定了氧化物陶瓷的半透明性,对于工艺瓷，莫来石的量决定了透明性，减少莫来石，增加玻璃相可提高半透明度。 减少气孔、增加致密度，调整各相折射率均可提高半透明性,4.5 无机材料的颜色,大部分无机材料制品的颜色都与使用颜料有关。 颜料着色是由于着色剂对光的选择性吸收而引起选择性反射或透射的结果。（特定波长的光被电子吸收而发生跃迁） 高温下稳定的着色化合物不多，因此色彩比较单调，而低温颜料色彩丰富（搪瓷）。 在陶瓷坯釉中起着色作用的有着色化合物（简单离子着色或复合离子着色）、胶体粒子。,着色化合物（分子着色剂）中
10、主要起着色作用的是其中的离子，分为简单离子着色和复合离子着色 简单离子着色：过度元素的次外层有未成对的d电子，镧系元素的第三外层含未成对的f电子，能量较高、不稳定容易吸收可见光激发。而外层电子是惰性气体型时，电子比较稳定不易激发，因此往往没有着色作用。 复合离子着色：若其中有着色离子必能着色，若所含离子均无色，不一定不能着色。互相作用强烈、产生较大极化，轨道变形，电子能量增加，从而容易激发，着色。（为使高温色料颜色稳定，通常将各种离子合成到人造矿物中）,胶体粒子着色剂：金属胶体颗粒本身的颜色，与其粒度大小有关（与非金属不同）。 Au：20nm弱黄色，2050nm红色，50100nm紫色到蓝色，
11、100150nm透射蓝色，反射棕色。 胶态着色剂玻璃要在较低的温度下以一定的制度进行热处理显色，使胶体粒子形成所需要的大小和数量。冷却太快则无色。 烧成气氛对颜色影响很大 烧成温度对颜色深浅有影响，欠烧色浅，过烧色深,总结,折射 影响折射率的因素 1、构成材料的离子半径（半径大n大） 2、材料的结构、晶型和非晶态（双折射现象） 3、材料所受的内应力（垂直于受拉方向的n大） 4、同质异构体（高温型折射率低，低温型折射率高） 色散定义：材料的折射率随入射光的频率减小（或波长的增加）而减小的性质，称为折射率的色散。,反射率,朗伯特定律,散射规律,影响散射系数的因素,透光率,影响材料透光性的因素(、m和S（1、2、3）),提高无机材料透光性的措施（高纯）（高密度）（定向排列）,釉折射率越大、表面光洁度越高，镜反射越强烈，可获得高的表面光泽。 乳浊剂的选择原则（大的折射率差、惰性、细小、低吸收、大散射） 高反射率、厚釉层、高散射系数或他们的组合可获得好的乳浊效果。,改善乳浊性能的工艺措施（制备熔块釉浆料和适宜的烧成温度） 乳白玻璃、氧化物陶瓷和工艺瓷提高半透明性的方法 分子着色剂（离子着色剂）的着色机理,
