材料物理性能 (第四章 材料的光学性能

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1、第四章 材料的光学性能,第一节 光通过介质的现象第二节 材料的透光性第三节 界面反射和光泽第四节 不透明性乳浊和半透明性,第一节 光通过介质的现象 一、折射 当光从真空进入较致密的材料时，其速度降低。光在真空和材料中的速度之比即为材料的折射率。 假如光从材料1，通过界面传入材料2时，与界面法向所形成的入射角i1，折射角i2与两种材料的折射率n1和n2有下述关系：,式中： 和 分别表示光在材料1及2中的传播速度， 为材料2相对于材料1的相对折射率。 介质的n总是大于1的正数，例如空气 ，固体氧化物n=1.32.7，硅酸盐玻璃 。,影响 n 值的因素有： 1构成材料元素的离子半径 马克斯威尔电磁波

2、理论认为光在介质中的传播速度为：,式中：C真空中光速， 介质介电常数， 介质导磁率,对于无机材料电介质 ，故 当离子半径增大时，其增大，因此n也增大。因此，可以用大离子得到高n的材料， ，用小离子得到低n的材料，如 。 2材料的构造、晶型和非晶态 象非晶态和立方晶体这些各向同性材料，当光通过时，光速不因传播方向改变而变化，材料只有一个折射率，称为均质介质。但是除立方晶体以外的其他晶型，都是非均质介质。,光进入非均质介质时，一般都要分为振动方向互相垂直、传播速度不等的两个波，它们分别构成两条折射光线，这个现象称为双折射。双折射是非均质晶体的特性，这类晶体的所有光学性能都和双折射有关。 上述两条折

3、射光线，平行于入射面的光线的折射率，称为常光折射率n0，不管入射光的入射角如何变化，n0始终为一常数，因此常光折射率严格服从折射定律。另,一条与之垂直的光线所构成的折射率，那么随入射线方向的改变而变化，称为非常光折射率ne，它不遵守折射定律，随入射光的方向而变化。当光沿晶体光轴方向入射时，只有n0存在，与光轴方向垂直入射时，ne达最大值，此值是材料的特性。,3材料所受的内应力 有内应力的透明材料，垂直于受拉主应力方向的n大，平行于受拉主应力方向的n小。 4同质异构体 在同质异构材料中，高温时的晶型折射率n较低，低温时存在的晶型折射率n较高。 表4.1列出了部分玻璃和晶体的折射率。,表4.1 各

4、种玻璃和晶体的折射率,二、色散 材料的折射率n随入射光的频率的减小或波长的增加而减小的性质，称为折射率的色散。色散= ，几种材料的色散见图4.1 和4.2。 色散值可以直接由图4.1确定。常用的色散系数为 式中 nD 、nF 和nC 分别为以钠的D谱线，氢的F谱线和C谱线5893、4861和6563为光源，测得的拆射率。,三、反射 当光线由介质1入射到介质2时，光在介质面上分成了反射光和折射光，所图4.3所示。 设光的总能量流W为式中W、 、 分别为单位时间通过单位面积的入射光、反射光和折射光的能量流，根据波动理论 由于反射波的传播速度及横截面积都与入射波一样，所以,式中 与A分别为反射波与入

5、射波的振幅。 把光波振动分为垂直于入射面的振动和平行于入射面的振动，Fresnel 推导出 自然光在各方向振动的时机均等，可以认为一半能量属于同入射面平行的振动，另一半属于同入射面垂直的,振动，所以总的能量流之比为： 当角度很小时，即垂直入射 因介质2对于介质1的相对折射率 ，故,m反射系数， 根据能量守恒定律1-m称为透射系数。由上式可知，在垂直入射的情况下，光在界面上的反射的多少取决于两种介质的相对折射率 。,设一块折射率为 的玻璃，光反射损失为 ,透过部分为 。假如透射光又从另一界面射入空气，即透过两个界面，此时透过部分为 假如连续透过x块平板玻璃，那么透过部分为,由于陶瓷，玻璃等材料的

6、折射率较空气大，所以反射损失严重。假如透镜系统由许多块玻璃组成，那么反射损失更可观，为了减少这种界面损失，常常采用折射率和玻璃相近的胶将它们粘起来，这样，除了最外和最内的外表是玻璃和空气的相对折射率外，内部各界面都是和胶的较小的相对折射率，从而大大减少界面的反射损失。,第二节 材料的透光性 一、介质对光的吸收 1吸收的一般规律 设有一块厚度为x的平板材料，如图4.4，入射光的强度为I0，通过此材料后光强度为 。选取其中一薄层 ，并认为光通过此层的吸收损失 正比于在此处的光强度 I 和薄层的厚度 ，,上式说明光强度随厚度的变化符合指数衰减规律，即朗伯特定律。 式中为物质对光的吸收系数，其单位为c

7、m-1。 取决于材料的性质和光的波长。,即:,图4.5所示在电磁波谱的可见光区，金属和半导体的吸收系数都是很大的，但是电介质材料，包括玻璃、陶瓷等无机材料的大部分在这个波谱区内都有良好的透过性，即吸收系数很小。这是因为电介质材料的价电子所处的能带是填满了的,它不能吸收光子而自由运动，而光子的能量又缺乏以使电子跃迁到导带，所以在一定的波长范围内，吸收系数很小。,2光吸收与光波长的关系,在紫外区出现紫外吸收端，当光子能量到达禁带宽度时，电子就会吸收光子能量从满带跃迁到导带，此时吸收系数将骤然增大。此紫外吸收端相应的波长可根据材料的禁带宽度 求得：,式中，普朗克常数 ，C光速。,另外，在红外区的吸收

8、峰是因为离子的弹性振动与光子辐射发生谐振消耗能量所致。要使谐振点波长尽可能远离可见光区，即吸收峰的频率尽可能小，那么需选择较小的材料热振频率 。式中 与力有关的常数，由离子间结合力决定， Mc和Ma分别为阳离子和阴离子质量。,二、介质对光的散射 光波遇到不均匀构造产生的次级波，与主波方向不一致，与主波合成出现干预现象，使光偏离原来的方向，从而引起散射。 对于相分布均匀的材料，由于散射而光强度减弱的规律与吸收规律具有一样的形式： 式中 I0为光的原始强度，,I 为光束通过厚度为x的试件后，由于散射在光前进方向上的剩余强度， S 散射系数，与散射质点的大小、数量以及散射质点与基体的相对折射率等因素

9、有关，见图4.6。其单位为 。,当光的波长约等于散射质点的直径时，出现散射的峰值。 假如将吸收定律与散射规律的式子统一起来，那么:,从图4.6中可以看出，曲线由左右两条不同形状的曲线所组成，各自有着不同的规律。当 时，那么随着d的增加，散射系数S也随之增大；当 时，那么随着d的增加，s 反而减小，当 时，s 达最大值。,对于散射，可以认为散射系数正比于散射质点的投影面积： 式中： N单位体积内的散射质点数； R 散射质点的平均半径； K散射因素，取决于基体与质点的相对折射率。 设散射质点体积 ，那么,故 由上式可知， 时，R越小，V越大，那么S愈大，这符合实验规律。当 时，此时散射系数。 总之

10、，不管在上述哪种情况下，散射质点的折射率与基体的折射率相差越大，将产生越严重的散射。,三、材料的透光性 光通过厚度为x的透明陶瓷片时，各种光能的损失见图4.7所示。强度为I0的光束垂直地入射到陶瓷左外表，由于陶瓷片与左侧介质之间存在相对折射 ，因此在外表上有反射损失: L=透进材料中的光强度为:,这一部分光能穿过厚度为x的材料后，又消耗于吸收损失和散射损失。到达材料后外表时，光强度剩下 。 再经过外表，一部分光能反射进材料内部，其数量为 L= 另一部分传至右侧空间，其光强度为 显然 才是真正的透光率。 影响材料透过率的因素有：,1吸收系数 对于陶瓷、玻璃等电介质材料，其吸收率或吸收系 数在可见

11、光范围内是比较低的，见图4.4所示。 2反射系数 材料对周围环境的相对折射率大，反射损失也大。 3散射系数 这一因素最影响陶瓷材料的透光率。 材料宏观及显微缺陷 晶粒排列方向 气孔引起的散射损失,四、进步材料透光性的措施 1进步原材料纯度 2掺加外加剂 目的是降低材料的气孔率，气孔由于相对折射率的 关系，其影响程度远大于杂质等其它构造因素。 3工艺措施 采取热压法比普通烧结法更便于排除气孔，因此是获得透明陶瓷较为有效的工艺，热等静压法效果更好。,第三节 界面反射和光泽一、镜反射和漫反射 当光的反射是指材料外表光洁度非常高的情况下的反射，反射光线具有明确的方向性，一般称之为镜反射。 陶瓷中大多数

12、外表并不是非常光滑的，因此当光照射到粗糙不平的材料外表上时，发生相当的漫反射，其原因是材料外表粗糙，在部分地方的入射角参差不一，反射光的方向也各式各样。材料外表愈粗糙，镜反射所占的能量分数愈小。如图4.8,二、光泽 要对光泽下个准确定义是很困难的，但它与镜反射和漫反射的相对含量亲密相关。已经发现外表光泽与镜反射光带的宽度和它的强度有亲密关系。这些因素主要由折射率和外表光洁度决定。 为了获得高的外表光泽，需要材料外表形成完好的光滑外表。为了减少外表光泽，可以采取低折射率的玻璃相或增加外表粗糙度，例如采用研磨或喷砂的方法，外表化学腐蚀的方法以及由悬浮液或气相沉淀一层细粒材料的方法产生粗糙外表。,第

13、四节 不透明性乳浊和半透明性 一、不透明性 图4.9所示为釉和玻璃板中小颗粒散射的总效果图。 影响该效果的光学特性有： a镜反射光的分数它决定光泽； b直接透射光的分数； c入射光漫反射的分数； d入射光漫透射的分数。,要获得高度乳浊不透明性，就要求光在到达具有不同光学特性底层之前被漫反射掉。为了有高的半透明性，光应该被散射掉。决定总散射系数从而影响两相系统乳浊度的主要因素有：颗粒尺寸，相对折射率以及第二相颗粒的体积含量。,二、乳浊剂的成分和常用乳浊剂 构成釉的主要成分的硅酸盐玻璃，其 。作为一种有效的散射剂，加进玻璃内的乳浊剂必须满足以下条件： a具有与玻璃显著不同的折射率； b可以在玻璃基

14、体中形成小颗粒。,因此，满足以上条件的最有效的乳浊剂有TiO2、ZrO2和SnO2。TiO2的n虽很高，但在釉和玻璃中都没有用作乳浊剂，这是由于高温，特别是在复原气氛下，会使釉着色。 SnO2是另一种优质乳浊剂，其特点是烧成时，如遇复原气氛，复原成SnO而溶于釉中，乳浊效果消失，并且资源稀少、价格昂贵。ZrO2或ZrSiO4不仅乳浊效果稳定，不受气氛影响，而且ZrSiO4易得且价格低。因此常用乳浊剂是天然锆英石ZrSiO4。,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的厚度、釉的散射和吸收特性。对于无限厚的釉层，其反射率m等于釉层的总反射入射光被漫反射和镜面反射的分数。m取决于

15、吸收系数和散射系数之比:,但是实际上釉层厚度是有限的，釉层底部与基底材料的界面，也会有反射上来的光线增加到总反射率中去。下面分两种情况分析： 1设釉层与底材之间的反射率m=0底材为一种完全吸收或完全透过入射光的材料，那么釉层外表的反射为m0； 2与反射率为 的底材相接触的釉层的外表光反射率 ，釉层的覆盖才能和m0与 的比值有关， 称为比照度或乳浊才能。,取基底的反射率 =0.80 比较方便，即上式变为 式中 是指基底反射率为0.80时，釉层外表的反射率。 用高反射率、厚釉层和高的散射系数，可以得到良好的乳浊效果。,四、半透明性 乳白玻璃和半透明瓷器及釉的一个重要光学性质是半透明性，即除了由玻璃

16、内部散射所引起的漫反射以外，入射光中漫透射的分数对于材料的半透明性起着决定作用。对于乳白玻璃最好是具有明显的散射而吸收最小，这样就会有最大的漫透射。最好的方法是在这种玻璃中掺入和基质材料的折射率相近的NaF和CaF2。,单相氧化物陶瓷的半透明性是它的质量标志，在这类陶瓷中存在的气孔往往具有固定的尺寸，因此半透明性几乎只取决于气孔的含量。例如，Al2O3 陶瓷的折射率比较高，而气相 ，相对折射率 ，气孔的尺寸在0.52.0m，接近于入射光的波长，所以散射最大。因此，如图4.10所示，当气孔率增加到3%左右时，透射,率将降低到0.01%；而当气孔率降低0.3%时，透射率仍然有完全致密试件的10%。这就是说，对于含有小气孔率的高密度单相陶瓷，半透明度是衡量残留气孔率的一种敏感尺度，也是瓷器的一种良好质量标志。,获得半透明体的方法：(1) 降低气孔的含量，使物体致密化，减少散射。(2)细化晶粒尺寸，在微米级范围。(3)调整各个相的折射率使之有较好的匹配。,