功能材料学特制研究

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1、 功功 能能 材材 料料 学学1行业学习功能材料学功能材料学n授课学期：20072008学年第2学期n考核方式：闭卷考试n学 分：3学分n授课专业：2005级无机非金属材料专业n总学时数：48学时n理论学时：48学时n实践学时：0学时n课堂讲授：46学时n辅导答疑：2学时2行业学习教学目标及基本要求教学目标及基本要求n了解和掌握电功能材料、磁功能材料、光功能材料和特种物理功能材料的组分、结构、性能和发展动向；n拓宽知识视野，提升知识层次，培养和提高综合素质和应用能力；n为相关专业课程的学习和毕业后从事功能材料的生产、科研和教学工作打下较坚实基础。 3行业学习教学内容与课时分配教学内容与课时分配

2、n绪论 2学时学时n第一章第一章 导电材料材料 4学时学时n第二章第二章 介介电材料材料 2学时学时n第三章第三章 压电材料材料 2学时学时n第四章第四章 热电材料材料 2学时学时n第五章第五章 光光电材料材料 2学时学时n第六章第六章 磁性材料磁性材料 4学时学时n第七章第七章 磁信息材料磁信息材料 2学时学时n第八章第八章 透光和透光和导光材料光材料 2学时学时4行业学习n第九章第九章 发光材料光材料 2学时学时n第十章第十章 激光材料激光材料 2学时学时n第十一章第十一章 非非线性光学材料性光学材料 2学时学时n第十二章第十二章 光光调制用材料制用材料 2学时学时n第十三章第十三章 红外

3、材料外材料 2学时学时n第十四章第十四章 光信息材料光信息材料 2学时学时n第十五章第十五章 隐身材料身材料 4学时学时n第十六章第十六章 梯度功能材料梯度功能材料 4学时学时n第十七章第十七章 纳米材料米材料 2学时学时n第十八章第十八章 机敏材料和智能材料机敏材料和智能材料 2学时学时n辅导答疑答疑 2学时学时5行业学习教学重点教学重点n功能材料的特征和分类；功能材料的特征和分类；n导体材料、超导材料、半导体材料；导体材料、超导材料、半导体材料；n介电材料、铁电材料；介电材料、铁电材料；n压电效应及压电材料的特征值；压电效应及压电材料的特征值；n温差电动势材料、热电导材料、热释电材料；温差

4、电动势材料、热电导材料、热释电材料；n光电子发射材料、光电导材料、光电动势材料；光电子发射材料、光电导材料、光电动势材料；n软磁材料、硬磁材料、铁氧体；软磁材料、硬磁材料、铁氧体；n磁记录材料、磁泡材料、矩磁材料；磁记录材料、磁泡材料、矩磁材料；n透光材料、光纤材料；透光材料、光纤材料；6行业学习n材料的发光机理、光致发光材料、电致发光材料、材料的发光机理、光致发光材料、电致发光材料、射线致发光材料、等离子发光材料。射线致发光材料、等离子发光材料。n激光的基本原理、激光材料；激光的基本原理、激光材料；n非线性光学材料的基本原理；非线性光学材料的基本原理；n电光材料、磁光材料；电光材料、磁光材料

5、；n红外线的基本规律、红外辐射材料、透红外材料；红外线的基本规律、红外辐射材料、透红外材料；n全息材料、光盘材料；全息材料、光盘材料；n隐身技术、微波隐身材料、红外隐身材料、激光、隐身技术、微波隐身材料、红外隐身材料、激光、声和多功能隐身材料；声和多功能隐身材料；n梯度功能材料的概念、梯度光折射率材料、热防梯度功能材料的概念、梯度光折射率材料、热防护梯度功能材料；护梯度功能材料；n纳米材料的概念、纳米颗粒材料；纳米材料的概念、纳米颗粒材料；n机敏材料和智能材料的概念。机敏材料和智能材料的概念。 7行业学习教学难点教学难点n导电材料的电导率、能带结构和导电机理；导电材料的电导率、能带结构和导电机

6、理；n介电材料的特征值、铁电体的特性；介电材料的特征值、铁电体的特性；n压电效应；压电效应；n温差电动势效应、热电导效应、热释电效应；温差电动势效应、热电导效应、热释电效应；n光电子发射原理、光电导原理、光电动势原光电子发射原理、光电导原理、光电动势原理；理；n磁性材料和磁信息材料的磁滞回线及特征值；磁性材料和磁信息材料的磁滞回线及特征值；8行业学习n光纤材料的传输原理；光纤材料的传输原理；n材料的发光机理；材料的发光机理；n激光的基本原理、产生及特点；激光的基本原理、产生及特点；n非线性光学材料的基本原理；非线性光学材料的基本原理；n电光效应、磁光效应；电光效应、磁光效应；n红外线的基本规律

7、；红外线的基本规律；n微波隐身原理、红外隐身原理、激光隐身原理；微波隐身原理、红外隐身原理、激光隐身原理；n梯度功能材料的概念；梯度功能材料的概念；n纳米材料的概念和特征；纳米材料的概念和特征；n机敏材料和智能材料的概念。机敏材料和智能材料的概念。 9行业学习主要参考书目n马如璋等编著，功能材料学概论，冶金工业出版社，1999年。n田莳编著，功能材料，北京航空航天大学出版社，1995年。n殷景华等主编，功能材料概论，哈尔滨工业大学出版社，1999年。n郭卫红等编著，现代功能材料及其应用，化学工业出版社，2002年。n贡长生等主编，新型功能材料，化学工业出版社，2001年。10行业学习绪绪 论论

8、 n0.1 引言引言n0.2 功能材料的特征和分类功能材料的特征和分类n0.3 功能材料的现状和发展趋势功能材料的现状和发展趋势n0.4 功能材料学科的内容和相关学科功能材料学科的内容和相关学科 11行业学习教学目标及基本要求教学目标及基本要求n掌握功能材料的概念、特征和分类功能材料的概念、特征和分类；n了解功能材料的现状、发展趋势以及功能材功能材料的现状、发展趋势以及功能材料学科的内容和相关学科料学科的内容和相关学科。 12行业学习教学重点和难点教学重点和难点n（1）功能材料及其主要特征）功能材料及其主要特征n（2）功能材料的化学成分分类和物理性质）功能材料的化学成分分类和物理性质分类分类1

9、3行业学习绪绪 论论 n功功能能材材料料是是指指具具有有优优良良的的物物理理、化化学学、生生物物或或其其相互转化的功能，用于非承载目的的材料。相互转化的功能，用于非承载目的的材料。n功能材料学科是一门新兴的综合学科功能材料学科是一门新兴的综合学科。n功能材料学是功能材料学科中的一门技术基础课。本教材主要阐述了电、磁、光和特种物理功能材电、磁、光和特种物理功能材料的组成、结构、性能、应用和发展动向料的组成、结构、性能、应用和发展动向，未涉及核、热、声、分离、摩擦、密封等物理功能材料，以及化学和生物等功能材料。n本教材共有绪论和18章内容，其中15章为电功章为电功能材料能材料，67章为磁功能材章为

10、磁功能材料，814章为光功章为光功能材料能材料，1518章为隐身材料、梯度功能材料、章为隐身材料、梯度功能材料、纳米材料、机敏和智能材料等特种物理功能材料纳米材料、机敏和智能材料等特种物理功能材料。14行业学习0.1 引言引言 n材料是现代科技和国民经济的物质基础。材料与材料与信息、能源信息、能源构成现代文明的三大支柱。n新材料技术被视为新技术革命的基础和先导新材料技术被视为新技术革命的基础和先导。n材料包括人类有用的各种物质。具体地说，材料材料是用来制造各种产品的物质，这些物质能用来生是用来制造各种产品的物质，这些物质能用来生产和构成功能更多、更强大的产品产和构成功能更多、更强大的产品。n材

11、料按其性质及用途可分为结构材料结构材料和功能材料功能材料两大类。n结构材料结构材料（工程材料）（工程材料）是指要求强度、韧性、塑性等机械性能的材料，混凝土、木材等建筑材料是典型的结构材料。结构材料被称为第一代材料结构材料被称为第一代材料。15行业学习n功能材料功能材料的概念是美国人Morton J A于1965年首先提出来的，是指具有一种或几种特定功能的材料，如磁性材料等，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。n结构材料实际上是一种具有力学功能的材料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。但由于对应于力学功能的对应于力学功能的机械运动是一种宏观物体

12、的运动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。n由于宏观运动和微观运动之间是相互联系的，在适当条件下还可以互相转化。因此，结构材料和结构材料和功能材料有共同的科学基础功能材料有共同的科学基础，有时也很难截然划分。此外，有时一种材料可同时具有结构材料和一种材料可同时具有结构材料和功能材料两种属性功能材料两种属性，如结构隐身材料。16行业学习n对功能材料的研究和应用实际上远早于远早于1965年，年，但但在相当长的时间内发展缓慢。20世纪世纪60年代年代以来，功能材料得到了迅速发展，其主要原因是：n微电子、激光等

13、各种现代技术的兴起及其对材料的需求；n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；n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。n目前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基本同等的地位。n功能材料迅速发展是材料发展第二阶段的主要标志，因此把功能材料称为第二代材料功能材料称为第二代材料。17行业学习0.2 功能材料的特征和分类功能材料的特征和分类 n一、功能材料的主要特征一、功能材料的主要特征n功能材料是指具有优良的物理、化学和生物或其功能材料是指具有优良的物理、化学和生物或其相互转化的功能，用于非承载

14、目的的材料。相互转化的功能，用于非承载目的的材料。也就也就是是指那些要求以光、电、磁、热、声、核辐射等特殊性能为主要功用的材料，如光导纤维、磁盘。n与结构材料相比，功能材料有以下五大主要特征：功能材料有以下五大主要特征：n功能对应于材料的微观结构和微观物体的运动。功能对应于材料的微观结构和微观物体的运动。n其聚集态和形态非常多样化。其聚集态和形态非常多样化。n产品形式主要是材料元件一体化。产品形式主要是材料元件一体化。n是利用现代科学技术，多学科交叉的知识密集是利用现代科学技术，多学科交叉的知识密集型产物。型产物。n采用许多新工艺和新技术进行制备与检测。采用许多新工艺和新技术进行制备与检测。1

15、8行业学习n二、功能材料的基本分类二、功能材料的基本分类n1、按按化化学学成成分分（化化学学键键）分分类类，可可分分为为金金属属、无无机非金属、有机高分子和复合功能材料。机非金属、有机高分子和复合功能材料。n2、按物理性质分类按物理性质分类，可分为物理（如光、电、磁、，可分为物理（如光、电、磁、声、热和力学功能材料等）、化学、生物、核功声、热和力学功能材料等）、化学、生物、核功能材料和特殊功能材料。能材料和特殊功能材料。n3、按聚集状态分类按聚集状态分类，可分为气态、液态、固态、，可分为气态、液态、固态、液晶态和混合态功能材料。液晶态和混合态功能材料。 n4、按维度分类按维度分类，可分为三维、

16、二维、一维和零维，可分为三维、二维、一维和零维功能材料。功能材料。n5、按材料形态分类按材料形态分类，可分为体积、膜、纤维和颗，可分为体积、膜、纤维和颗粒等功能材料。粒等功能材料。n6、按用途分类按用途分类，可分为电子、航空、航天、兵工、，可分为电子、航空、航天、兵工、建筑、医药、包装等材料。建筑、医药、包装等材料。19行业学习n三、功能材料的化学成分分类三、功能材料的化学成分分类n（一）功能金属材料（一）功能金属材料n1、电性材料：导电、电阻、电热、热电材料、电性材料：导电、电阻、电热、热电材料n2、磁磁性性材材料料：金金属属软软磁磁、金金属属永永磁磁、磁磁致致伸伸缩缩、铁氧体磁性材料铁氧体

17、磁性材料n3、超导材料：常规、高温、其他类型的超导材料、超导材料：常规、高温、其他类型的超导材料n4、膨胀材料和弹性材料：膨胀合金、弹性合金、膨胀材料和弹性材料：膨胀合金、弹性合金n（二）功能无机非金属材料（二）功能无机非金属材料n1、功功能能陶陶瓷瓷：绝绝缘缘、介介电电和和铁铁电电、压压电电和和热热释释电电、热敏、压敏、气敏、湿敏、导电陶瓷热敏、压敏、气敏、湿敏、导电陶瓷 n2、功能玻璃材料：光学玻璃材料、电介质玻璃材、功能玻璃材料：光学玻璃材料、电介质玻璃材料、光电子功能玻璃材料料、光电子功能玻璃材料n3、半导体材料：硅、锗、砷化镓、镓砷磷、薄膜、半导体材料：硅、锗、砷化镓、镓砷磷、薄膜半

18、导体材料、非晶半导体和非晶超晶格材料半导体材料、非晶半导体和非晶超晶格材料20行业学习n（三）功能高分子材料（三）功能高分子材料n1、光功能高分子材料：感光性高分子材料、光致、光功能高分子材料：感光性高分子材料、光致变色高分子材料、塑料光导纤维变色高分子材料、塑料光导纤维n2、电功能高分子材料：导电、光电导、高分子压、电功能高分子材料：导电、光电导、高分子压电材料、高分子超导体、结构型高分子磁性材料电材料、高分子超导体、结构型高分子磁性材料n3、化学功能高分子材料及其其他功能高分子（高、化学功能高分子材料及其其他功能高分子（高分子液晶、高分子分离膜材料、医用高分子）分子液晶、高分子分离膜材料、

19、医用高分子）n（四）功能复合材料（四）功能复合材料n1、磁性复合材料、磁性复合材料n2、电性复合材料、电性复合材料n3、梯度功能复合材料、梯度功能复合材料n4、隐身复合材料、隐身复合材料n5、其他功能复合材料、其他功能复合材料21行业学习n（五）功能晶体材料（五）功能晶体材料n1、光学晶体、光学晶体n2、非线性光学晶体：激光频率转换晶体、红外非、非线性光学晶体：激光频率转换晶体、红外非线性光学晶体、有机非线性光学晶体线性光学晶体、有机非线性光学晶体n3、激光晶体：掺杂型激光晶体、自激活激光晶体、激光晶体：掺杂型激光晶体、自激活激光晶体、色心激光晶体、半导体激光器色心激光晶体、半导体激光器n4、

20、电光和光折变晶体、电光和光折变晶体n5、其他交互效应功能晶体：压电晶体、声光晶体、其他交互效应功能晶体：压电晶体、声光晶体、磁光晶体、热释电晶体磁光晶体、热释电晶体n（六）具有特殊结构的功能材料（六）具有特殊结构的功能材料n1、非晶态合金；、非晶态合金；2、纳米结构材料；、纳米结构材料；3、储氢材、储氢材料；料；4、薄膜功能材料；、薄膜功能材料；5、形状记忆材料；、形状记忆材料；6、智能材料与结构；智能材料与结构；7、减振材料；、减振材料；8、生物医学材、生物医学材料料 22行业学习0.3 功能材料的现状和展望功能材料的现状和展望 n功能材料迅速发展，现已开发的功能材料主要有：n（1）单功能材

21、料，单功能材料，如导电材料、光信息材料等。n（2）功能转换材料，功能转换材料，如压电材料、磁光材料等。n（3）多功能材料，多功能材料，如防振降噪材料等。n（4）复合和综合功能材料，复合和综合功能材料，如隐身材料等。n（5）新形态和新概念功能材料新形态和新概念功能材料，如梯度材料等。n功能材料的发展趋势功能材料的发展趋势可归纳为如下方面。n（1）功能化、多功能化与智能化）功能化、多功能化与智能化n结构材料趋向结构功能化；功能材料趋向功能多样化；一般功能材料向智能材料发展。23行业学习n（2）材料的尺寸、规格、成品形状与加工制作）材料的尺寸、规格、成品形状与加工制作n宏观尺寸向细观、介观、微观尺寸

22、发展；常规材料向轻、薄、细、短、小、微、超宽、超大、超长、高纯等特种材料发展；规则形状向异型材发展；材料元件一体化；通过加工和热处理，控制和改变材料组织和结构，获得所需的性质和功能。n（3）材料的材质和复合）材料的材质和复合n功能材料向“四高一智一集”（即：高性能、高灵敏度、高精度、高可靠性，智能化、功能集成化）的方向发展；硅材料的进一步发展；单一材质的材料向多种材质的材料方向发展；简单复合材料向复杂体系复合材料的方向发展。24行业学习n（4）材料的结构、组成与功能）材料的结构、组成与功能n纳米材料的发展；稀土功能材料的发展；超导材料的发展。n（5）信息、生物、环境材料将成为新世纪的研）信息、

23、生物、环境材料将成为新世纪的研究热点究热点n（6）关于材料的性能表征、检测手段与专题研）关于材料的性能表征、检测手段与专题研究究n（7）改造传统材料，着力新材料的规模化、工）改造传统材料，着力新材料的规模化、工程化与产业化程化与产业化n传统材料向“两高一低”发展，即高性能、高品质和低成本；能源材料与能源产业的迅猛发展。25行业学习0.4 功能材料学科的内容和相关学科功能材料学科的内容和相关学科n功能材料学科的内容包括以下三个方面：n（1）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。n（2）功能材料工程学是研究功能材料的合成、制备、提纯

24、、改性、储存和使用的技术和工艺。n（3）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。26行业学习本章小结本章小结n1、功能材料及其主要特征？、功能材料及其主要特征？n功能材料是指具有优良的物理、化学、生物或其功能材料是指具有优良的物理、化学、生物或其相互转化的功能，用于非承载目的的材料。相互转化的功能，用于非承载目的的材料。n其其主要特征：主要特征：功能对应于材料的微观结构和微功能对应于材料的微观结构和微观物体的运动；观物体的运动；其聚集态和形态非常多样化；其聚集态和形态非常多样化；产品形式主要是材料元件一体化；产品形式主要是材

25、料元件一体化；是利用现是利用现代科学技术，多学科交叉的知识密集型产物；代科学技术，多学科交叉的知识密集型产物；采用许多新工艺和新技术进行制备与检测。采用许多新工艺和新技术进行制备与检测。27行业学习n2、功能材料的化学成分分类和物理性质分类？、功能材料的化学成分分类和物理性质分类？n按按化化学学成成分分（化化学学键键）分分类类，功功能能材材料料可可分分为为金金属、无机非金属、有机高分子和复合功能材料。属、无机非金属、有机高分子和复合功能材料。n按物理性质分类，功能材料可分为物理（如光、按物理性质分类，功能材料可分为物理（如光、电、磁、声、热和力学功能材料等）、化学、生电、磁、声、热和力学功能材

26、料等）、化学、生物、核功能材料和特殊功能材料。物、核功能材料和特殊功能材料。28行业学习第一章第一章 导电材料导电材料 n1.1 导体材料导体材料n1.2 超导材料超导材料n1.3 半导体材料半导体材料n1.4 高分子导电材料高分子导电材料n1.5 离子导电材料离子导电材料 29行业学习教学目标及基本要求教学目标及基本要求n掌握导体的能带结构和导电机理，超导材料的特征值和超导机理，半导体的能带结构和导电机理，离子导电材料的导电机理和特征值。n了解高分子导电材料，导体材料、超导材料、半导体材料、离子导电材料的种类、应用和发展趋势。 30行业学习教学重点和难点教学重点和难点n（1）导体的能带结构和

27、导电机理）导体的能带结构和导电机理n（2） Meissner效应、超导材料的特征值效应、超导材料的特征值和超导机理和超导机理n（3）半导体、本征半导体和杂质半导体的）半导体、本征半导体和杂质半导体的能带结构和导电机理能带结构和导电机理n（4）离子导电材料的导电机理和特征值）离子导电材料的导电机理和特征值 31行业学习第一章第一章 导电材料导电材料 n导导电电材材料料按导电机理可分为电电子子导导电电材材料料和离离子子导电材料导电材料两大类。n电子导电材料的导电起源于电子的运动。电子导电材料包括导体、超导体和半导体。导体的电导率105S/m；超导体的电导率为无限大；半导体的电导率为10-7104S

28、/m；绝缘体的电导率10-7S/m时。导体、超导体、半导体和绝缘体的区别在于电导率、能带结构和导电机理三方面。n电导率 =J/E n电阻率 =E/Jn传统的高分子材料的电导率10-20S/m。n离子导电材料的导电则主要是起源于离子的运动。其电导率最高不超过102S/m，大多100S/m。 32行业学习1.1 导体材料导体材料 n一、导体的能带结构一、导体的能带结构n导体的能带结构如图11所示，有三种结构： （a）类，未满带+重带+空带；（b）类，满带+空带；（c）类，未满带+禁带+空带。 图11 导体的能带结构 33行业学习n满带满带：全部被电子占满的能级。n空带空带：未被电子占住，全部空着的

29、能级。n未满带未满带：部分被电子占住的能级。n重带重带：空带与未满带重叠的能级。n禁带禁带：在准连续的能谱上出现能隙Eg。n价带价带：原子基态价电子能级分裂而成的能带。n导带导带：相应于价带以上的能带（即第一激发态）。 n不论何种结构，导体中均存在电子运动的通道即导带。即（a）类的导带由未满带、重带和空带构成；（b）类的导带由空带构成；（c）类的导带由未满带构成。电子进入导带运动均不需能带间跃迁。34行业学习n二、导体的导电机理二、导体的导电机理n导体导电机理的经典理论是自由电子理论自由电子理论，认为电子在金属导体中运动时不受任何外力作用，也无互相作用，即金属导体中电子的势能是个常数。因此，可

30、用经典力学来导出电导率公式。n实际上，不论是金属，还是非金属导体中电子的运动是在以导体空间点阵为周期的势场中运动，电子的势能是个周期函数，而不是常数，因此，它不是自由电子，这就是能带理论能带理论。n但导体的周期势场和变化都比电子平均动能小得多，按量子力学，可当微扰来处理，这种理论称准自由电子理论准自由电子理论，认为导体中的电子可看作准自由电子，其运动规律可视为和自由电子相似。 35行业学习n晶体中并非所有电子，也并非所有的价电子都参与导电，只有导带中的电子或价带顶部的空穴才能参与导电（图12）。n根据能带理论，金属中自由电子是量子化的，构成准连续能谱，金属中大量自由电子的分布服从费密狄拉克统计

31、规律。n禁带越宽，电子由价带到导带需要外界供给的能量越大，才能使电子激发，实现电子由价带到导电的跃迁。因而，通常导带中导电电子浓度很小。n导体的Eg0eV，半导体：0Eg2eV，绝缘体Eg2eV。图12 半导体的能带结构36行业学习n三、导体材料的种类三、导体材料的种类n导体材料按化学成分主要有以下三种：n（1）金属材料。这是主要的导体材料，电导率在107108S/m之间，常用的有银、铜和铝。n（2）合金材料。电导率在105107S/m之间，如黄铜、镍铬合金。n（3）无机非金属材料。电导率在105108S/m之间，如石墨，C3K、C16AsF5、C24S6F5。n四、导体材料的应用四、导体材料

32、的应用n导体材料在电力、电器、电子、信息、航空、航天、兵器、汽车、仪器仪表、核工业和船舶等行业有着广泛的用途。37行业学习1.2 超导材料超导材料 n一、超导现象一、超导现象n1911年Onnes H K在研究极低温度下金属导电性时发现，当温度降到4.20K时，汞的电阻率突然降到接近于零。这种现象称为汞的超导现象汞的超导现象。其后又发现许多元素、合金和化合物都具有超导性。从此，超导材料的研究引起了广泛的关注，现已发现上千种超导材料。n二、超导体的几个特征值二、超导体的几个特征值n超导体的几个特征值为临界温度Tc，临界磁场强度Hc，临界电流密度Jc。38行业学习n（一）临界温度（一）临界温度Tc

33、n由图13可见，T有特征值Tc。当TTc时，导体的0，即失去超导性。图中汞的Tc=4.20K。n图13 与温度关系示意图39行业学习n某些金属、金属化合物及合金，当温度低到一定程度时，电阻突然消失，把这种处于零电阻的状态叫做超导态超导态。有超导态存在的导体叫超导体超导体。n超导体从正常态过渡到超导态的转变叫做正常正常超导转变，超导转变，转变时的温度Tc称为这种超导体的临超导体的临界温度界温度。显然Tc高，有利于超导体的应用。 n（二）临界磁场强度（二）临界磁场强度Hcn除温度外，足够强的磁场也能破坏超导态。使超导态转变成正常态的最小磁场Hc(T)叫做此温度下该超导体的临界磁场临界磁场。绝对零度

34、下的临界磁场记作Hc(0) 。经验证明Hc(T)与T具有如下关系：40行业学习n超导体的HT关系如图14所示。如果施加磁场给正处于超导态的超导体后，可使其电阻恢复正常，即磁场可以破坏超导态。也就是说，磁场的存在可以使临界温度降低，磁场越大，临界温度也越低。对于所有的金属， HcT曲线几乎有相同的形状。n图14 H与温度关系示意图41行业学习n（三）临界电流密度（三）临界电流密度Jcn实验证明当超导电流超过某临界值Jc时，也可使金属从超导态恢复到正常态。Jc称为临界电流密度临界电流密度，临界电流密度Jc本质上是超导体在产生超导态时临界磁场的电流。n若TTc并有外加磁场HHc时，Jc=f(T,H)

35、即临界电流密度是温度和磁场的函数，如图15所示。Jc实质是无阻负载的最大电流密度。n图15 J与温度关系示意图42行业学习n（四）（四）Meissner（迈斯纳）效应（迈斯纳）效应n迈斯纳和奥克森菲尔德由实验发现，从正常态（图16a）到超导态（图16b）后，原来穿过样品的磁通量完全被排除到样品外，同时样品外的磁通密度增加。不论是在没有外加磁场或有外加磁场下使样品变为超导态，只要TTc，在超导体内部总有B=0。n图16 超导体对磁通排斥43行业学习n当施加一外磁场时，在样品内不出现净磁通量密度的特性称为完全抗磁性完全抗磁性。这种完全的抗磁性即Meissner效应效应。n处于超导态的材料，不管其经

36、历如何，磁感应强度始终为零。超导体是一种抗磁体抗磁体。因此具有屏蔽磁场和排除磁通的功能。n这与完全导体的性质迥然不同。完全导体（或无阻导体）中不能存在电场即E=0，于是有n这就是说，在完全导体中不可能有随时间变化的磁感应强度，即在完全导体内部保持着当它失去电阻时样品内部的磁场。44行业学习n三、超导机理三、超导机理n1934年Gorter和Casimir提出的二流体模型。n金属处于超导态时，导电电子分为两部分：一部分为正常传导电子nN，它占总数的1-wB=nN/n；另一部分为超导电子nS，它占总数的wB=nS/n，n=nS+nN。这两部分电子占据同一体积，在空间上互相渗透，彼此独立地运动，两种

37、电子的相对数目wB与(1-wB)都是温度的函数。n正常电子受到晶格散射做杂乱运动，所以对熵有贡献。n超导电子处在一种凝聚状态，即nS凝聚到某一个低能态，这是因为超导态自由能比正常态低，设这种状态的电子不受晶格散射，又因超导态是取低能量状态，所以对熵没有贡献，即它们的熵等于零。45行业学习n由于超导相变是二级相变，所以超导态是某个有序化的状态。n当温度低于Tc时，电阻突然消失是由于出现超导电子，它的运动是不受阻的，金属中如果有电流则完全是超导电子造成的。出现超导电子后，金属内就不能存在电场，正常电子不载电荷电流，所以没有电阻效应。n当T=Tc时，电子开始凝聚，出现有序化，而W则是有序化的一个量度

38、，称为有序度。温度越低，凝聚的超导电子越多，有序化越强，到T=0时，全部电子凝聚，则有序度为1。n尽管二流体模型比较简单，但能够解释许多超导现象。因此，是一种比较成功的唯象物理模型。由于其局限性，并不能从本质上解决问题。46行业学习n而揭示出超导电性的微观本质的理论是由巴丁、库柏和施里弗三人建立的BCS理论。nBCS理论认为，在绝对零度下，对于超导态、低能量的电子仍与在正常态中的一样。但在费米面附近的电子，则在吸引力的作用下，按相反的动量和自旋全部两两结合成库柏对，这些库柏对可以理解为凝聚的超导电子。它是两个电子之间有净的相互吸引作用形成的电子对，形成了束缚态，两个电子的总能量将降低。在有限温

39、度下，一方面出现不成对的单个热激发电子，另一方面，每个库柏对的吸引力也减弱，结合程度较差。这些不成对的热激发电子，相当于正常电子。温度愈高，结成对的电子数量愈少，结合程度愈差。达到临界温度时，库柏对全部拆散成正常电子，此时超导态即转变为正常态。 47行业学习n四、超导材料的种类四、超导材料的种类n已知元素、合金、化合物等超导体共有千余种，按其成分和Meissner效应可将超导材料分类如下： n（一）按成分分类（一）按成分分类n1、元素超导体n已知有24种元素具有超导性。除碱金属、碱土金属、铁磁金属、贵金属外，其它金属元素都具有超导性。其中铌的Tc=9.26K，为最高的临界温度。 n2、合金和化

40、合物超导体n合金和化合物超导体包括二元、三元和多元的合金及化合物。TlRBaCuO的Tc达125K。n3、有机高分子超导体n有机高分子超导体主要是非碳高分子(SN)x。48行业学习n（二）按（二）按Meissner效应分类效应分类n1、第一类超导体（软超导体）n超导体在磁场中有不同的规律，如图17所示，当HHc时，B=H。即在超导态内能完全排除外磁场，且Hc只有一个值。除钒、铌、钌外，元素超导体都是第一类超导体，它们又被称为软超导体。图17 第一类超导体的BH曲线49行业学习n2、第二类超导体（硬超导体）n如图18所示，第二类超导体的特点是：当HHc1时，B=0，排斥外磁场。当HHc2时，0B

41、Hc2时，B=H，磁场完全穿透。也就是在超导态和正常态之间有一种混合态存在，Hc有两个值Hc1和Hc2。铌、钒和钌及大部分合金或化合物超导体都属于第二类超导体，它们又被称作为硬超导体。n第二类超导体的Tc、Hc、Jc都比第一类超导体高。 图18 第二类超导体的BH曲线50行业学习n五、超导材料的应用五、超导材料的应用n超导的应用分为强电强磁和弱电弱磁两大类。n（一）超导强电强磁应用（一）超导强电强磁应用n超导强电强磁的应用，是基于超导体的零电阻特性和完全抗磁性以及非理想第二类超导体所特有的高临界电流密度和高临界磁场。n（二）超导弱电弱磁的应用（二）超导弱电弱磁的应用n以Josephson（约瑟

42、夫森）效应为基础，建立极灵敏的电子测量装置为目标的超导电子学，发展了低温电子学。超导弱电弱磁将主要应用于无损检测、超导微波器件、超导探测器、超导计算机。51行业学习1.3 半导体材料半导体材料 n一、半导体的能带结构一、半导体的能带结构n本征半导体能带结构如图19所示。图19 本征半导体的能带结构n下面是价带，由于纯半导体的原子在绝对零度时，其价带是充满电子的，因此是一个满价带。上面是导带，而导带是空的。满价带和空导带之间是禁带，由于它的价电子和原子结合得不太紧，其禁带宽度Eg比较窄，一般在1eV左右。价带中的电子受能量激发后，如果激发能大于Eg，电子可从价带跃迁到导带上，同时在价带中留下一个

43、空穴，空穴能量等于激发前电子的能量。52行业学习n二、半导体的导电机理二、半导体的导电机理n半导体价带中的电子受激发后从满价带跃到空导带中，跃迁电子可在导带中自由运动，传导电子的负电荷。n同时，在满价带中留下空穴，空穴带正电荷，在价带中空穴可按电子运动相反的方向运动而传导正电荷。因此，半导体的导电来源于电子和空穴的运动，电子和空穴都是半导体中导电的载流子。n激发既可以是热激发，也可以是非热激发，通过激发，半导体中产生载流子，从而导电。53行业学习n三、半导体的分类三、半导体的分类n（一）按成分分类（一）按成分分类n按成分可分为元素半导体和化合物半导体元素半导体和化合物半导体。元素半导体又可分为

44、本征半导体和杂质半导体本征半导体和杂质半导体。化合物半导体又可分为合金、化合物、陶瓷和有机高分子四种半导体。n（二）按掺杂原子的价电子数分类（二）按掺杂原子的价电子数分类n按掺杂原子的价电子数可分为施主型施主型（又叫电子型或n型）和受主型受主型（又叫空穴型或p型）。前者掺杂原子的价电子多于纯元素的价电子，后者正好相反。n（三）按晶态分类（三）按晶态分类n按晶态可分为结晶、微晶和非晶半导体。54行业学习n四、本征半导体四、本征半导体n（一）本征半导体的导电机理（一）本征半导体的导电机理n半导体中价带上的电子借助于热、电、磁等方式激发到导带叫本征激发本征激发。满足本征激发的半导体叫本征半导体本征半

45、导体。n本征半导体的导电载流子是由本征激发所形成的导带中的电子和价带中的空穴。通过载流子的运动来实现导电。n本征半导体的电导率应由电子运动和空穴运动两部分引起的电导率构成，按照量子力学的微扰处理，本征半导体的电导率公式如下。你55行业学习n（二）本征半导体材料的性质和应用（二）本征半导体材料的性质和应用n1、本征半导体的性质n本征半导体是高纯度、无缺陷的元素半导体，其杂质小于十亿分之一个。n本征半导体中，主要的是硅、锗和金刚石。金刚石可看作是碳元素半导体，它的半导体性质是1952年由Custer发现的。除了硅、锗、金刚石外，其余的半导体元素一般不单独使用，而且除了硅、锗、硼和碲外，其余的半导体

46、元素均有两种或两种以上同素异形体，只有一种是半导体。n2、本征半导体的应用n由于单位体积内载流子数目（ni）较少，需要在高温下工作，才大，故目前本征半导体应用不多。56行业学习n五、杂质半导体五、杂质半导体n（一）定义（一）定义n将杂质元素掺入纯元素中，把电子从杂质能级（带）激发到导带上或者把电子从价带激发到杂质能级上，从而在价带中产生空穴的激发叫非本非本征激发或杂质激发征激发或杂质激发。这种半导体叫杂质半导体杂质半导体。杂质半导体既有杂质激发，又有本征激发。一般杂质半导体中掺杂杂质的浓度很小，十亿分之一即可达到目的。n（二）杂质半导体的种类（二）杂质半导体的种类n一般在A族元素中掺A族或A族

47、元素。按掺杂元素的价电子和纯元素价电子的不同进行分类，可分为n型和p型半导体：57行业学习n1、n型半导体（电子型，施主型）型半导体（电子型，施主型）nA族元素（C，Si，Ge，Sn）中掺入A族元素（P，As，Sb，Bi）后，造成掺杂元素的价电子多于纯元素的价电子，其导电机理是电子导电占主导，因而这类半导体是n型或电子型或施主型型或电子型或施主型。n2、p型半导体（空穴型，受主型）型半导体（空穴型，受主型）nA族元素掺以A族元素（如B）时，掺杂元素价电子少于纯元素的价电子，它们的原子间形成共价键后，还缺少一个电子，从而在价带中产生逾量空穴。以空穴导电为主，掺杂元素是电子受主，这类半导体称p型或

48、空穴型或受主型型或空穴型或受主型。 58行业学习n（三）杂质半导体的能（三）杂质半导体的能带结构带结构nn型杂质半导体的能带结构如图110所示。图110 n型的能带结构n逾量电子处于施主能级，施主能级与导带底能级之差为Ed，而Ed大大小于禁带宽度Eg。因此，杂质电子比本征激发更容易激发到导带，而导带在通常温度下，施主能级是解离的，即电子均激发到导带。Eg比Ed相差近三个数量级。59行业学习np型杂质半导体的能带结构如图111所示。 图111 p型的能带结构n其逾量空穴处于受主能级。由于受主能级与价带顶端的能隙Ea远小于禁带宽度Eg，价带上的电子很容易激发到受主能级上，在价带中形成空穴导电。 6

49、0行业学习n六、浅能级杂质和深能级杂质六、浅能级杂质和深能级杂质n半导体中的杂质，按它的能级在禁带中的位置，可分为浅能级和深能级浅能级和深能级。n对于施主杂质（ A族），其中电子摆脱束缚产生电离需要一定能量，这就是电离能。同样对于受主杂质（族）也存在一个电离能。由于这些杂质的电离能较小（2时，就会产生两个或两个以上的解离能级。第二个或第二个以上的能级一般均在禁带深处（0.1eV），称为深能级深能级，此种杂质称为深能级杂质深能级杂质。深能级产生的载流子很少，而散射却增加，因此对影响不大甚至还有所降低。 61行业学习n七、化合物半导体七、化合物半导体n化合物半导体的种类繁多，性质各异，前景广阔。n

50、（一）化合物半导体的分类（一）化合物半导体的分类n（1）按成分可分为合金、化合物、陶瓷、高分子半导体。n（2）按掺杂原子的价电子数分为n型和p型半导体。n（3）按组分可分为二元和多元化合物半导体。n二元化合物半导体有-族半导体，其化学式为AB的金属间化合物，如GaAs、GaN等。n（二）化合物半导体材料的一些性质（二）化合物半导体材料的一些性质n化合物半导体最突出的特点是禁带和迁移率范围宽禁带和迁移率范围宽，禁带在0.130.30eV；迁移率在-7.625+0.010范围。最有用的是以GaAs为代表的-族化合物。62行业学习n八、非晶态半导体八、非晶态半导体n（一）什么是非晶态半导体（一）什么

51、是非晶态半导体n非晶态物质和晶态物质差别在于长程无序。n（二）非晶态半导体的特点（二）非晶态半导体的特点n对杂质的掺入不敏感，具有本征半导体的性质；非结晶性的，因此无方向性。n（三）非晶态半导体的种类（三）非晶态半导体的种类n非晶态半导体按结构可分为共价键型和离子键型。n（四）非晶态半导体的应用（四）非晶态半导体的应用n九、高温半导体九、高温半导体n目前，一般半导体的工作温度200，而航空航天工业要求500600，半导体高温工作时易被热击穿和烧坏。因此，要研制Eg大和耐高温的半导体。目前研究的有碳化硅和人造金刚石膜。63行业学习n十、半导体材料的应用及新进展十、半导体材料的应用及新进展n半导体

52、材料应用非常广泛，主要用途为：n半导体材料在集成电路上的应用；n半导体材料在光电子器件、微波器件和电声耦合器上的应用。n半导体材料在传感器上的应用。n半导体材料的发展十分迅速，半导体的研究对象将从晶态逐步转向非晶态，从体相转向表面，从天然存在的材料转向人工设计的材料。n近年对半导体物理的新发展主要有三个方面：n研究种类繁多的半导体新材料；n表面研究的蓬勃发展；n半导体结构和表面结构的计算。64行业学习1.4 高分子导电材料高分子导电材料 n高分子导电材料包括结构型高分子导电材料和复合型高分子导电材料两大类。n一、结构型高分子导电材料一、结构型高分子导电材料n结构型高分子导电材料通常简称导电高分

53、子。它们是高分子本身结构或掺杂后，就可以导电的。n迄今，导电高分子已有研究的有：共轭高聚物、高分子传荷（CT）复合物、共盐聚合物、金属高聚物和非碳高聚物等。n（一）共轭高聚物（一）共轭高聚物n1、共轭高聚物的导电机理、共轭高聚物的导电机理n纯的共轭髙聚物电导率大都处于绝缘体水平，只有掺杂的共轭髙聚物的电导率才能达到半导体，甚至导体的水平。65行业学习n掺杂共轭聚合物的导电载流子不是电子和空穴。随后提出了孤子理论、极化子和双极化子理论。n（1）孤子理论。在原来的价带和导带之间形成孤子能级，导电载流子为荷电孤子。n（2）极化子和双极化子理论。形成极化子或双极化子，导电载流子为极化子或双极化子。n2

54、、共轭髙聚物的种类、共轭髙聚物的种类n主要有聚乙炔、聚苯乙炔、聚对苯、聚苯胺、聚吡咯聚噻吩、聚丙烯腈和聚对亚苯乙烯等。n（二）高分子传荷（二）高分子传荷（CT）复合物）复合物n传荷复合物由电子给体D和电子受体A构成DA DA DA DA型复合物，起初D和A都是低分子有机物，以后发现了高分子传荷复合物 。66行业学习n 1、传荷复合物的导电机理、传荷复合物的导电机理n传荷复合物中，电子由给体D转移到受体A，由于电荷转移的相互作用产生的库仑力和范德华力而形成稳定的复合物。n根据电荷转移量的大小，不同D与A组合可以得到从非离子型复合物到离子型化合物。主要取决于给体的电离能及受体的电子亲和能之差。n电

55、荷转移比较小的非离子型CT复合物导电性大多属于半导体或绝缘体范围。完全电荷转移的离子型CT复合物在基态时两个组分均为离子自由基，导电性一般较好。n2、高分子传荷复合物的种类、高分子传荷复合物的种类n主要由电子给体型聚合物如聚苯乙烯、聚萘乙烯、聚蒽乙烯、聚芘乙烯及其衍生物等和小分子电子受体如含氰和硝基的有机化合物及髙氯酸盐组成。67行业学习n（三）离子自由基盐聚合物（共盐聚合物）（三）离子自由基盐聚合物（共盐聚合物）n1、导电机理n离子自由基盐聚合物是电荷转移型聚合物中具有较好电导率的一类，因而其导电机理与电荷转移型聚合物类似。n2、离子自由基盐聚合物的种类n正离子、负离子自由基盐型聚合物。n（

56、四）金属髙聚物（四）金属髙聚物n将金属原子引进到高分子链上，成为带金属原子的髙聚物分子链，称这种髙聚物为金属髙聚物金属髙聚物。n1、金属髙聚物的种类n金属共轭髙聚物：金属引入共轭髙聚物上；n金属非共轭髙聚物：金属引入非共轭的髙聚物上。68行业学习n2、金属髙聚物的导电机理n金属共轭髙聚物是由于金属原子增加了导电通道。n金属非共轭髙聚物是由于电子在不同金属价态之间的跃迁以传导电子而导电。 n（五）非碳髙聚物（五）非碳髙聚物n（六）结构型导电高分子的发展趋势（六）结构型导电高分子的发展趋势n1、可溶性导电高分子n2、自掺杂或不掺杂导电高分子n3、共混型导电高分子n4、超髙导电高分子n5、分子导电型

57、导电高分子n6、兼光或磁的多功能导电高分子n7、导电生物高分子 69行业学习n二、复合型高分子导电材料二、复合型高分子导电材料n复合型高分子导电材料又叫导电高分子复合材料，是由高分子材料和各种导电物质以均匀分散复合、层叠复合或形成表面（界面）膜等方式制得的。n按高分子基体，导电高分子复合材料可分为导电橡胶、导电塑料、导电弹性体、导电涂料等。n按导电填料，导电高分子复合材料可分为金属类填料和非金属类填料高分子复合材料。n按导电性能，导电高分子复合材料可分为半导电性、防静电、导电和髙导电复合材料。n复合型高分子导电材料的导电机理：导电通道学说；隧道效应学说；场发射学说。n三、高分子导电材料的应用三

58、、高分子导电材料的应用 70行业学习1.5 离子导电材料离子导电材料 n一般具有离子结构的材料都有离子电导现象存在，但大部分材料的离子电导率都很低，达不到导电的要求。离子电导材料一般指的是电导率离子电导材料一般指的是电导率10-4S/m，且其电子电导对总电导率的贡献可忽略，且其电子电导对总电导率的贡献可忽略不计的材料，又称快离子导体不计的材料，又称快离子导体。 n一、离子导电材料的导电离子导电材料的导电机理机理 n离子导电主要发生在离子固体中，离子在固体中通过晶格的缺陷（肖脱基空位、弗兰克尔空位、间隙原子）进入穴位而发生导电，如图112所示。图112 离子晶体中的缺陷71行业学习n离子晶体中的

59、热缺陷主要有四种：正填隙离子、正填隙离子、正空格点、负填隙离子和负空格点正空格点、负填隙离子和负空格点，以一价的离子晶体为例，正填隙离子带电荷+e，正空格点带电荷-e，负填隙离子带电荷-e，负空格点带电荷+e。设电场的方向为正。这个电场的方向是从左指向右，相反的方向为负。则电场对各种缺陷的作用力的方向，各种缺陷的运动方向，以及它们产生的电流方向列于下表。缺陷种类电荷外力方向运动方向电流方向正填隙离子+e+e+ 正空格点-e+e-+负填隙离子-e-e-+负空格点+e-e+72行业学习n由表可见，离子晶体中四种缺陷所产生的电流方向都是正的，即电场的方向。在无电场的情况下，离子在晶体中以扩散方式取代

60、晶格空位进行运动，这种运动是无序的，因而不给出净的电荷流动。而各种缺陷的扩散也是无序的，因而不产生电流。在外电场作用下，离子取代空位沿电场方向运动的概率大大增加，如表所示，因而产生沿电场方向的离子电流。据此机理可导出其电导率的公式：n式中n单位体积离子的数目；z离子的价数；e电子电荷；k玻耳兹曼常数；T绝对温度；D扩散系数。 73行业学习n二、离子导电材料的特征值二、离子导电材料的特征值n1、电导率n要求10-4S/cm，且e/0（为电子电导率）。n2、活化能n用的离子电导率公式为Arrhenius式：n式中0指前因子；Ea活化能；T绝对温度；k气体常数。n由该公式可知，Ea越小，越大，离子导

61、电材料的Ea一般小于0.5eV。74行业学习n三、离子导电材料的种类三、离子导电材料的种类n一般按离子的种类分，主要有以下几种。n（一）银铜离子导体（一）银铜离子导体n1、银离子导体：AgI、Ag2S、Ag2Se、Ag2Te等。n2、铜离子导体：RbCu4Cl13I2和Rb4Cu16Cl13I7。n（二）钠离子导体：（二）钠离子导体：-Al2O3。n（三）锂离子导体：（三）锂离子导体：-硅酸铝锂、钨酸铌锂等。n（四）氢离子导体：（四）氢离子导体：无机和有机氢离子导体。n（五）氧离子导体：（五）氧离子导体：有萤石型和钙钛矿型。n（六）氟离子导体：（六）氟离子导体：萤石结构和氟铈矿结构型。 n（七

62、）高分子离子导体：（七）高分子离子导体：主链型聚醚；聚酯型；聚亚胺型；聚醚网络型；侧链型聚醚。 75行业学习n四、离子导体的应用和发展趋势四、离子导体的应用和发展趋势n离子导体主要应用于以下几方面：n1、固态离子选择电极n2、固体电化学器件n3、全固体电池和电色显示器的电解质n快离子导体的发展趋势是：n（1）研究更高离子电导率的快离子导体，目标是使室温电导率达到102103S/cm。n（2）研究新型高分子离子导体，使其导电机制类似于无机离子导体。n（3）研究高分子单离子导体。76行业学习本章小结本章小结n1、导体的能带结构和导电机理？导体的能带结构和导电机理？n导体的能带结构有三类：未满带+重

63、带+空带；满带+空带；未满带+禁带+空带。n导体导电机理的经典理论是自由电子理论自由电子理论，认为电子在金属导体中运动时不受任何外力作用，也无互相作用。实际上，不论是金属，还是非金属导体中电子的运动是在以导体空间点阵为周期的势场中运动，电子的势能是个周期函数，而不是常数，因此，它不是自由电子。但导体的周期势场和变化都比电子平均动能小得多，按量子力学，可当微扰来处理，导体中的电子可看作准自由电子，其运动规律可视为和自由电子相似。77行业学习n2、超导体的特征值、超导体的特征值、Meissner效应、超导机理效应、超导机理？n某些金属、金属化合物及合金，当温度低到一定程度时，电阻突然消失，把这种处

64、于零电阻的状态叫做超导态超导态。有超导态存在的导体叫超导体超导体。n根据电阻率、外加磁场强度H、导体的电流密度J、磁感应强度B与温度T的关系，超导体的特征值为临界温度Tc、临界磁场强度Hc、临界电流密度Jc、完全抗磁性。n不论是否有外加磁场使样品从正常态变为超导态，只要TTc，原来穿过样品的磁通量完全被排除到样品外，同时样品外的磁通密度增加，超导体内部总有B=0。当施加一外磁场时，在样品内不出现净磁通量密度的特性称为完全抗磁性完全抗磁性。这种完全的抗磁性即Meissner效应效应。78行业学习n超导机理有二流体模型和BCS理论。n二流体模型认为当导体内部存在超导电子导电和正常导电。当温度低于T

65、c，导体处于超导态时，电阻突然消失是由于出现超导电子，它的运动是不受阻的，导体中如果有电流则完全是超导电子造成的。出现超导电子后，导体内就不能存在电场，正常电子不载电荷电流，所以没有电阻效应。nBCS理论认为，TTc，对于超导态、低能量的电子仍与正常态中的一样。但在费米面附近的电子，则在吸引力的作用下，按相反的动量和自旋全部两两结合成库柏对，这些库柏对可以理解为凝聚的超导电子。温度愈高，结成对的电子数量愈少，结合程度愈差。达到临界温度时，库柏对全部拆散成正常电子，此时超导态即转变为正常态。79行业学习n3、半导体、本征半导体和杂质半导体的能带结构半导体、本征半导体和杂质半导体的能带结构和导电机

66、理？和导电机理？n（本征）半导体的能带结构是满（价）带+禁带+空（导）带，0Eg2eV。n半导体价带中的电子受激发后从满带跃到空带中，跃迁电子可在空带中自由运动，传导电子的负电荷。满带中留下的空穴按电子运动相反的方向运动传导正电荷。半导体的导电来源于电子和空穴的运动，电子和空穴都是半导体中导电的载流子。n半导体中满带上的电子借助于热、电、磁等方式激发到导带叫本征激发本征激发。满足本征激发的半导体叫本征半导体。本征半导体。本征半导体的导电载流子是由本征激发所形成的空带中的电子和满带中的空穴。通过载流子的运动来实现导电。80行业学习nn型杂质半导体的能带结构是满带+禁带+施主能级+空带，逾量电子处

67、于施主能级，Ed远小于Eg。n杂质电子比本征激发更容易激发到空带，跃迁电子可在空带中自由运动，传导电子的负电荷。n型半导体的导电主要来源于从施主能级激发到空带上的杂质电子的运动，电子是n型半导体中导电的主要载流子。np型杂质半导体的能带结构是满带+禁带+受主能级+空带，逾量空穴处于受主能级，Ea远小于Eg。n满带上的电子很容易激发到受主能级上，满带上留下的空穴按电子运动相反的方向运动传导正电荷。p型半导体的导电主要来源于激发到受主能级上的电子在满带上所留下的空穴的运动，空穴是p型半导体中导电的主要载流子。81行业学习n4、离子导电材料的导电机理和特征值？离子导电材料的导电机理和特征值？n离子导

68、电主要发生在离子固体中，离子在固体中通过晶格的缺陷进入穴位而发生导电。离子晶体中的热缺陷主要有四种：带电荷+e的正填隙离子、正填隙离子、带电荷-e的正空格点、正空格点、带电荷-e的负填隙离子和负填隙离子和带电荷+e负空格点负空格点。在无电场的情况下，离子在晶体中以扩散方式取代晶格空位进行无序运动，因而不给出净的电荷流动，即不产生电流。在电场作用下，离子取代空位沿电场方向运动的概率大大增加，离子晶体中四种缺陷所产生的电流方向都是正的，即产生沿电场方向的离子电流。n离子导电材料的特征值：电导率10-4S/cm，且e/0（为电子电导率）；活化能Ea越小，越大，离子导电材料的Ea一般小于0.5eV。8

69、2行业学习作业作业1n1、功能材料及其主要特征？、功能材料及其主要特征？n2、功能材料的化学成分分类和物理性质分类？、功能材料的化学成分分类和物理性质分类？n3、电子导电材料中的超导体、导体、半导体和绝、电子导电材料中的超导体、导体、半导体和绝缘体的区别？缘体的区别？n4、超导材料及其特征值？、超导材料及其特征值？n5、离子导电材料及其特征值？、离子导电材料及其特征值？ 83行业学习作业作业1n答：导体、超导体、半导体和绝缘体的区别在于电导率、能带结构和导电机答：导体、超导体、半导体和绝缘体的区别在于电导率、能带结构和导电机理三方面。（理三方面。（1）电导率：导体的电导率）电导率：导体的电导率

70、105S/m；超导体的电导率为无限；超导体的电导率为无限大；半导体的电导率为大；半导体的电导率为10-7104S/m；绝缘体的电导率；绝缘体的电导率10-7S/m。（2）能带结构：导体和超导体的能带结构有三类：未满带）能带结构：导体和超导体的能带结构有三类：未满带+重带重带+空带；满空带；满带带+空带；未满带空带；未满带+禁带禁带+空带。半导体和绝缘体的能带结构是满（价）带空带。半导体和绝缘体的能带结构是满（价）带+禁带禁带+空（导）带，半导体的禁带宽度为空（导）带，半导体的禁带宽度为0Eg 2eV，而绝缘体的禁带宽度，而绝缘体的禁带宽度大于大于2eV。（。（3）导电机理：导体是通过自由电子的

71、运动而导电的，导体中均）导电机理：导体是通过自由电子的运动而导电的，导体中均存在电子运动的通道即导带，电子进入导带运动均不需能带间跃迁。超导体存在电子运动的通道即导带，电子进入导带运动均不需能带间跃迁。超导体的导电是因为超导电子的存在，它的运动是不受阻的。半导体价带中的电子的导电是因为超导电子的存在，它的运动是不受阻的。半导体价带中的电子受激发后从满带跃到空带中，跃迁电子可在空带中自由运动，传导电子的负受激发后从满带跃到空带中，跃迁电子可在空带中自由运动，传导电子的负电荷，满带中留下的空穴按电子运动相反的方向运动传导正电荷；半导体的电荷，满带中留下的空穴按电子运动相反的方向运动传导正电荷；半导

72、体的导电来源于电子和空穴的运动，电子和空穴都是半导体中导电的载流子。绝导电来源于电子和空穴的运动，电子和空穴都是半导体中导电的载流子。绝缘体不导电。缘体不导电。 84行业学习第二章第二章 介电材料介电材料 n2.1 介电材料介电材料n2.2 铁电材料铁电材料 85行业学习教学目标及基本要求教学目标及基本要求n掌握介电材料的特征值，铁电体及其特性。掌握介电材料的特征值，铁电体及其特性。n熟悉介电材料和铁电体的种类。熟悉介电材料和铁电体的种类。n了解反铁电体的基本概念。了解反铁电体的基本概念。 86行业学习教学重点和教学难点教学重点和教学难点n（1）介电材料及其特征值）介电材料及其特征值n（2）铁

73、电体及其特性）铁电体及其特性n（3）分子极化率、电子极化率、原子（离）分子极化率、电子极化率、原子（离子）极化率和取向极化率子）极化率和取向极化率n（4）损耗角正切）损耗角正切n（5）电滞回线）电滞回线 87行业学习第二章第二章 介电材料介电材料 n介电材料介电材料又叫电介质，是以电极化为特征的材料。电极化电极化是在电场作用下分子中正负电荷中心发生是在电场作用下分子中正负电荷中心发生相对位移而产生电偶极矩的现象相对位移而产生电偶极矩的现象。n电介质的极化电介质的极化：电介质在电场作用下产生束缚电荷的现象。n极化极化：介质内质点（原子、分子、离子）正负电荷重心的分离，从而转变成偶极子。也就是说，

74、在电场作用下，构成质点的正负电荷沿电场方向在有限范围内短程移动，组成一个偶极子，如图21所示。 88行业学习n设正电荷与负电荷的位移矢量为l，则定义此偶极子的电偶极距图21 偶极子n规定其方向为负电荷指向正电荷，即电偶极距的方向与外电场E的方向一致。 89行业学习2.1 介电材料介电材料 n一、介电材料的特征值一、介电材料的特征值n1、分子极化率n在电场作用下，介电材料的分子产生电偶极矩，而n分子极化率一般由电子极化率e、原子（离子）极化率a和取向极化率0三部分构成：90行业学习n电子极化率电子极化率：在外电场作用下，原子外围的电子轨道相对于原子核发生位移（如图22所示），原子中的正负电荷重心

75、产生相对位移，这种极化称为电子位移极化。图22 电子轨道位移n根据玻尔原子模型，经典理论可以计算出电子的平均极化率e。 91行业学习n离子极化率离子极化率：离子在电场作用下偏移平衡位置的移动，相当于形成一个感应偶极距。也可理解为离子晶体在电场作用下离子间的键合被拉长。图23所示是离子位移极化的简化模型。根据经典弹性振动理论可以估计出离子位移极化率a n由于离子质量远高于电子质量，因此极化建立的时间也较电子慢，大约为10-1210-13s。 图23 离子位移极化的简化模型92行业学习n取向极化率取向极化率：沿外场方向取向的偶极子数大于与外场反向的偶极子数，因此电介质整体出现宏观偶极距，这种极化称

76、为取向极化。取向极化率0n2、极化强度、极化强度Pn介电材料的极化强度是单位体积内电偶极矩的矢量和：93行业学习n3、静态介电常数、静态介电常数n静态介电常数和极化强度p的关系为n从上式中可以看出，介质的极化强度P越大，也越大。常用相对静态介电常数r=/0，称为绝对介电常数。 n4、动态介电常数、动态介电常数*n电介质分子的极化需要一定的时间，完成极化的时间叫驰豫时间驰豫时间，其倒数称驰豫频率驰豫频率f，电子极化的f约1015Hz，相当于紫外频率，原子（离子）极化的f约1012Hz，处于红外区，取向极化的在1001010Hz之间，处于射频和微波区。94行业学习n在交变电场作用下，由于电场频率不

77、同，极化对电场变化的反应也不同。f越大，越小，极化建立需要的：电子极化离子极化取向极化。n当f1001010Hz时，三种极化都可建立。n当1010f1013Hz时，取向极化来不及建立，只有离子极化和电子极化能建立。n当1013fTc时，铁电现象即消失。当TTc时，处于顺电相。当T=Tc时发生相变。铁电相是极化有序状态，顺电相则是极化无序状态。其间Tc称为居里点。n（4）介电常数与非铁电体不同。由于极化的非线性，铁电体的介电常数不是常数，而是依赖于外加电场。 n三、铁电体的种类三、铁电体的种类n按照铁电体极化轴的多少，可将铁电体分为两类。一类是只能沿一个晶轴方向极化的铁电体，即无序有序型铁电体（

78、软铁电体）。另一类是可以沿几个晶轴极化的铁电体，这些晶轴在非铁电相中都是等价的，称为位移型铁电体（硬铁电体）。103行业学习图27 反铁电体的位移和结构示意图（a）二维反铁电体晶格结构；（b）离子沿对角线反平行位移 n四、反铁电体四、反铁电体n反铁电体是一些离子晶体，它的相邻行或列上的离子沿反平行的方向自发极化，最简单的如图27(a)所示。图27(b)则表示离子沿对角线反平行位移的一般情形。 104行业学习n最初发现具有反铁电性的晶体为三氧化钨，当温度高于1010K时，它处于反铁电相。X射线衍射实验表明，钨离子沿反平行方向位移。n后来发现锆酸铅也具有反铁电相。对锆酸铅反铁电体的研究较多。锆酸铅

79、室温下的介电常数约为100，可是在230时，介电常数出现尖锐峰值；当温度高于230时，遵从居里外斯定律。n铁电材料的研究目前主要是改进原有品种和开发新品种。利用离子位移和铁电性的关系，根据极性空间群的各种晶体参数，可预测新的铁电体。铁电材料主要用于压电、电光等材料。 105行业学习本章小结本章小结n1、介电材料及其特征值？、介电材料及其特征值？n介电材料又叫电介质，是以电极化为特征的材料。电极化是在电场作用下分子中正负电荷中心发生相对位移而产生电偶极矩的现象。n介电材料的特征值：分子极化率、极化强度P、静态介电常数、动态介电常数*、介电损耗W、电导率、击穿电压U。n2、分子极化、电子极化、原子

80、（离子）极化和取、分子极化、电子极化、原子（离子）极化和取向极化？向极化？n在电场作用下，介电材料的分子产生电偶极矩，这种极化称为分子极化。分子极化率一般由电子极化率+原子（离子）极化率+取向极化率构成。106行业学习n在外电场作用下，原子外围的电子轨道相对于原子核发生位移，原子中的正负电荷重心产生相对位移，这种极化称为电子位移极化。n离子在电场作用下偏移平衡位置的移动，相当于形成一个感应偶极距。也可理解为离子晶体在电场作用下离子间的键合被拉长。n沿外场方向取向的偶极子数大于与外场反向的偶极子数，因此电介质整体出现宏观偶极距，这种极化称为取向极化。n3、损耗角正切？、损耗角正切？n损耗角正切损

81、耗角正切tan表示为获得给定的存储电荷要消耗的能量的大小。107行业学习n4、电滞回线、电滞回线？n对铁电体，当外加电场E增加时，极化强度P按OABC增加，增至C时，电畴变成单一取向电畴（和E取向一致），此时P达到饱和。n到E下降时，P按CBD曲线下降，到E=0时，P=Pr，Pr称剩余极化。n而P=0时，E=-Ec，Ec称为矫顽电场强度。n而D达到饱和。再增加E，P按DC线增加而形成CBD回线，即P和E有滞后效应。nC点处的切线和P轴的交点Ps称为饱和极化强度，是相当于E=0时单畴的自发极化强度， PsBC相当于P与E呈线性关系的PE曲线。108行业学习n5、铁电体及其特性？、铁电体及其特性？

82、n铁电体是指在某温度范围内具有自发极化且极化强度可以因外电场而反向的晶体，也就是，凡具有电畴和电滞回线的介电材料就称为铁电体。n铁电体的特性：（1）铁电体有许多电畴，不同的电畴之间永久偶极矩的取向不一致；（2）P与E形成电滞回线；（3）居里温度Tc是铁电相与顺电相的相转变温度。（4）介电常数与非铁电体不同。109行业学习n（3）居里温度居里温度Tc是铁电相与顺电相的相转变温度，当铁电体温度TTc时，铁电现象即消失。当TTc时，处于顺电相。当T=Tc时发生相变。铁电相是极化有序状态，顺电相则是极化无序状态。其间Tc称为居里点。n（4）介电常数与非铁电体不同。由于极化的非线性，铁电体的介电常数不是

83、常数，而是依赖于外加电场。 TPTcABCO110行业学习三、铁电体的种类三、铁电体的种类(1)软铁电体:只能沿一个晶轴方向极化,从顺电相到铁电相的过渡是从无序-有序的相变,是无序-有序型铁电体.如KH2PO4.(2)硬铁电体:可以沿几个晶轴极化,位移型铁电体.从顺电相到铁电相的过渡是两个子晶格之间发生位移.如BaTiO3. 111行业学习第三章第三章 压电材料压电材料n3.1 压电效应的机理压电效应的机理n3.2 压电材料的特征值压电材料的特征值n3.3 压电材料的种类和应用压电材料的种类和应用 112行业学习教学目标及基本要求教学目标及基本要求n掌握压电效应的机理、压电材料的特征值。n熟悉

84、压电材料的种类和应用。 113行业学习教学重点和教学难点教学重点和教学难点n（1）压电效应及其机理）压电效应及其机理n（2）压电材料及其特征值）压电材料及其特征值 n（3）机电耦合系数）机电耦合系数n（4）介质损耗）介质损耗114行业学习第三章第三章 压电材料压电材料 n没有对称中心的材料受到机械应力处于应变状态时，材料内部会引起电极化和电场，其值与应力的大小成比例。其符号取决于应力的方向。这种现象称为正压电效应正压电效应。也就是受力应变产生电场。n逆压电效应则与正压电效应相反，当材料在电场的作用下发生电极化时，会产生应变，其应变值与所加电场的强度成正比。其符号取决于电场的方向。此现象称为逆压

85、电效应逆压电效应。也就是电场作用产生应变。n具有压电效应的材料叫做压电材料压电材料。由此可见，通过压电材料可将机械能和电能相互转换。利用逆压电效应，还发展了一系列电致伸缩材料。115行业学习3.1 压电效应的机理压电效应的机理 n压电效应产生的根源是晶体中离子电荷的位移，当不存在应变时电荷在晶格位置上的分布是对称的，所以其内部电场为零。但是当给晶体施加应力则电荷发生位移，如果电荷分布不再保持对称就会出现净极化，并将伴随产生一电场，这个电场就表现为压电效应。例如石英产生压电效应即是如此，如图31所示。 图31 石英压电效应产生的根源（晶体无对称心）116行业学习n由图31(b)可见，由于石英晶体

86、不存在对称中心，当给晶体施加压力时，晶体内部将产生极化。由原来P=0的状态，变成有极化强度P的状态，表现为产生一电场。 n如果晶体存在对称中心的话，即使晶体发生形变后仍保持极化强度为零，就不会产生压电效应（图31(a) ）。因此，只有那些原胞无对称中只有那些原胞无对称中心的物质才有可能产生压电效应心的物质才有可能产生压电效应。n晶体共有32个点群，也就是按对称性分为32类。其中20类是非对称中心的，它们可能具有压电效应。但是，无对称中心只是产生压电效应的必要条件，而不是充分条件。因此，只有ADP、KDP和-石英、罗息盐等少数几种晶体才具有压电效应。n所有铁电晶体同时具有压电性，但压电晶体不一定

87、具有铁电性。117行业学习图32 压电效应机理示意图n晶体的压电效应的本质是因为机械作用（应力与应变）引起了晶体介质的极化，从而导致两端表面内出现符号相反的束缚电荷。其机理可用图32加以解释。图中（a）表示压电晶体中质点在某方向上的投影。此时晶体不受外力作用，正电荷重心与负电荷重心重合，整个晶体总电矩为0，因而晶体表面不荷电。但是当沿某一方向对晶体施加机械力时，晶体由于形变导致正、负电荷重心不重合，即电矩发生变化，从而引起晶体表面荷电；（b）为晶体在压缩时荷电的情况；（c）是拉伸时的荷电情况。 118行业学习石英压电效应的机理石英压电效应的机理135246135246晶片沿晶片沿 y 方向压缩

88、方向压缩1, 4 离子向中心；离子向中心；6, 5, 2, 3 离子向离子向外移动外移动表面表面 A 出现负出现负电荷；表面电荷；表面 B 呈正电荷呈正电荷 纵向压纵向压 电效应电效应-石英单晶正压电效应石英单晶正压电效应119行业学习晶片沿晶片沿 x 方向压缩方向压缩6, 5, 2, 3 离子向内离子向内移动同样数值；移动同样数值；1, 4 离子离子 向外移动向外移动C 和和 D 面不出现面不出现电荷；表面电荷；表面 A 和和 B 呈现电荷呈现电荷 横向压横向压 电效应电效应-石英单晶正压电效应石英单晶正压电效应246351135246石英压电效应的机理石英压电效应的机理120行业学习晶片沿

89、晶片沿 z 方向压缩方向压缩135246无压电效应无压电效应正压电效应正压电效应本质本质：外力改变了晶体中的离子原来的相对：外力改变了晶体中的离子原来的相对位置、在特定的方向上产生束缚电荷、出现净电偶极矩位置、在特定的方向上产生束缚电荷、出现净电偶极矩.压电晶体：结构上必须是无对称中心压电晶体：结构上必须是无对称中心,中心对称的晶体受中心对称的晶体受力时不会改变其中心对称性、无压电效应力时不会改变其中心对称性、无压电效应 ；组成上必须；组成上必须是离子、或离子性原子、或含离子基团的分子是离子、或离子性原子、或含离子基团的分子.铁电体必具有强压电性，但压电体不一定是铁电体铁电体必具有强压电性，但

90、压电体不一定是铁电体.石英压电效应的机理石英压电效应的机理121行业学习一、弹性模量一、弹性模量二、压电常数二、压电常数三、机电耦合系数三、机电耦合系数 四、介电常数四、介电常数五、介电损耗：导电和极化驰豫过程五、介电损耗：导电和极化驰豫过程D：电位移：电位移IR：异相电荷分量：异相电荷分量IC：同相电荷分量：同相电荷分量W：交变电场角频率：交变电场角频率C：介质电容：介质电容R：损耗电阻：损耗电阻3.2 压电材料的特征值压电材料的特征值 122行业学习n一、弹性模量一、弹性模量n压电晶体是弹性体，服从于虎克定律：在弹性限度内，应力与应变成正比。对于三斜晶系（21个独立元）、正交晶系（9个独立

91、元）、立方晶系（3个独立元）等不同晶系有不同的弹性模量。n压电晶体具有压电效应，因此，在不同电学条件下有不同的弹性模量。n在外电路的电阻很小时，即相当于短路条件下测得的，称为短路弹性模量短路弹性模量。n在外电路的电阻很大时，即相当于开路条件下测得的，称为开路弹性模量开路弹性模量。 123行业学习n二、压电常数二、压电常数n压电常数：极化强度和应变之间的关系常数。n当压电材料产生正压电效应时，施加应力将产生额外电荷，发生极化，其极化强度P和应变之间的关系可用压电（应力）常数与沿x、y、z轴的应变和切应变的方程来表示，其中18个系数eik被称为压电（应力）常数压电（应力）常数。n其极化强度和应力的

92、关系可用压电（应变）常数与沿x、y、z轴的应力和切应力的方程来表示表示，其中18个系数dik被称为压电（应变）系数压电（应变）系数。n压电常数eik和压电系数dik都是压电效应的重要特征值。124行业学习n逆压电效应与电致伸缩效应不同。电致伸缩效应是指在外电场作用下，任何电介质都会发生尺寸变化，即产生应变，是液、固、气电介质一般都具有的性质。而逆压电效应只存在于不具有对称中心的点群的晶体中。此外，电致伸缩效应的形变与电场方向无关，与电场强度的平方成正比，而逆压电效应的形变是随电场反向而反号，与电场强度的一次方成正比。n对于国际单位制有n0为真空介电常数；D为压电体中的电位移。它和极化强度P，电

93、场强度E，应力T，应变均为矢量。当外电场为零时，D=P，则上述各压电常数表达式中的P均可换为D。125行业学习n三、机电耦合系数三、机电耦合系数n机电耦合系数是一个综合反映压电晶体的机械能与电能之间耦合关系的物理量，是衡量压电材料性能的一个很重要参数。通过测量机电耦合常数可以确定弹性、介电、压电等参量，即使介电常数和弹性常数有很大差异的压电材料，它们的机电耦合常数也可直接比较。机电耦合系数定义为：nk=机械能转变的电能/输入的机械能（正压电效应） k=电能转变的机械能/输入的电能（逆压电效应）n机电耦合系数k是一个无量纲的物理量，是压电材料机械能和电能相互转换能力的量度。它并不代表转换效率，因

94、为它没有考虑能量损失，是在理想情况下，以弹性能或介电能的存储方式进行转换的能量大小。 126行业学习n四、介电常数四、介电常数n介电常数反映了材料的介电性质（或极化性质），通常用表示，单位是F/m 。n当压电材料的电行为用电场强度E和电位移D作变量来描述时，则有：nD=E或=D/En有时也使用相对介电常数r（反映电介质极化的能力），它与介电常数的关系为/0，0为8.8510-12F/m，相对介电常数是无量纲的物理量。n对于压电陶瓷片，可用下式计算介电常数：n=Cd/An式中：C为电容（F）；d为电极距离（m）；A为电极面积（m2）。127行业学习n五、介质损耗五、介质损耗n电介质在恒定电场作用

95、下所损耗的能量与通过其内部的电流有关。加上电场后通过介质的全部电流包括：由样品的几何电容的充电所造成的电流；由各种介质极化的建立所造成的电流；由介质的电导（漏电）造成的电流。n第一种电流简称电容电流，不损耗电流；第二种电流引起的损耗称为极化损耗；第三种电流引起的损耗称为电导损耗。 n极化损耗主要与极化的驰豫（松弛）过程有关。128行业学习n介质在交变电场中通常发生驰豫现象。n在一个实际介质的样品上突然加上一电场，所产生的极化过程不是瞬时的，见图33。P0代表瞬时建立的极化（位移极化），P1代表松弛极化，P1(t)渐渐达到一稳定值。这一滞后通常是由偶极子极化和空间电荷极化所致。在外电场施加或移去

96、后，系统逐渐达到平衡状态的过程叫介质驰豫。 图33 介质的驰豫过程 129行业学习图34 交流电路中电流电压矢量图 n在交变电场下，压电材料所积累的电荷有两种分量：一种为有功部分（同相），即由电导过程引起，即电导损耗（IC） ；另一种为无功部分（异相），即由介质驰豫过程引起，即极化损耗（IR）。介质损耗为异相分量与同相分量的比值，通常用tan表示，如图34所示。ntan=IR/IC =1/CRn式中：为交变电场的角频率；C为介质电容；R为损耗电阻。ntan与压电材料中能量损耗成正比，因此也往往就把tan叫做损损耗耗因因子子，或直接叫做介质损耗介质损耗。130行业学习3.3 压电材料的种类和应用

97、压电材料的种类和应用 n一、压电材料的种类一、压电材料的种类n（一）晶体（一）晶体n在无中心对称的21种类型中有20种有压电效应。这些压电晶体性能稳定，内耗小。n（二）半导体（二）半导体n常用的有族化合物和族化合物。最常用的为CdS、CdSe、ZnO，其k大兼有光电导性。n（三）陶瓷多晶压电材料（三）陶瓷多晶压电材料n陶瓷多晶压电材料比晶体便宜但易老化，典型的有钛酸钡陶瓷和锆钛酸铅陶瓷。n（四）高分子压电材料（四）高分子压电材料131行业学习n二、压电材料的应用和发展趋势二、压电材料的应用和发展趋势n压电材料已广泛应用于电子学和传感器领域。石英、铌酸锂、钛酸钡、锆钛酸铅等用得最多。n压电材料的

98、发展趋势为：n研究压电材料的结构和性能的关系。n研究各向异性压电陶瓷。n研究特优性能的压电材料。n研究耐高温高压压电材料。n研究复合压电材料及其应用。n研究新型压电高聚物。n研究开发生物压电高分子，探索制作分子压电器件的可能性。132行业学习MLCC（多层陶瓷电容器）（多层陶瓷电容器）： 是世界上用量最大、发展最快的片是世界上用量最大、发展最快的片式元件品种。主要用于电子整机中的振式元件品种。主要用于电子整机中的振荡、耦合、滤波、旁路等，是移动通讯、荡、耦合、滤波、旁路等，是移动通讯、卫星导航、全球定位卫星导航、全球定位(GPS)(GPS)、军事雷达、军事雷达等领域必不可少的设备，在军用及民用

99、等领域必不可少的设备，在军用及民用产品中具有十分重要的地位。产品中具有十分重要的地位。MLCCMLCC的介的介质材料主要为质材料主要为BaTiO3BaTiO3。133行业学习MLCC样品样品134行业学习MLCCMLCC通过多层介质陶瓷并联而成：通过多层介质陶瓷并联而成：C C与介质层数及介质材料的介电常数成正比与介质层数及介质材料的介电常数成正比, ,与介与介质层厚度成反比质层厚度成反比增大层数、使用高介电常数介质材料及减小介质层的厚增大层数、使用高介电常数介质材料及减小介质层的厚度，可以获得大电容量度，可以获得大电容量C C。但不能一味的增大层数，因。但不能一味的增大层数，因为现代通讯设备

100、向小型化发展，故在适当增大层数的同为现代通讯设备向小型化发展，故在适当增大层数的同时，应考虑提高材料介电常数，减小材料颗粒大小时，应考虑提高材料介电常数，减小材料颗粒大小, ,即即多层化和薄层化（小型化，每层为多层化和薄层化（小型化，每层为0.60.6m m）。）。135行业学习n温度特性：对温度依赖性要小；n居里温度：居里温度向低温漂移有利于获得高介电常数。n介质层越薄,MLCC电击穿强度越大.对于高压MLCC要求其电击穿强度在5000V以上。136行业学习适合适合MLCC的介质材料的介质材料纳米四方相钛酸钡是适合纳米四方相钛酸钡是适合MLCC的最佳介质材料：的最佳介质材料：(1) 提高提高

101、BaTiO3的介电常数：纳米尺寸且为四方的介电常数：纳米尺寸且为四方相（铁电相）时，相（铁电相）时，BaTiO3介电常数更高；介电常数更高；(2) 减小介质层厚度减小介质层厚度:纳米四方相钛酸钡既可以提纳米四方相钛酸钡既可以提高高MLCC的电容量，又可以提高抗击穿强度。的电容量，又可以提高抗击穿强度。137行业学习BT粉体粉体粘结剂粘结剂溶剂溶剂浆体浆体流延流延电极印刷电极印刷层叠层叠热压热压切割切割脱胶脱胶高温烧结高温烧结接电极接电极检测检测产品产品 MLCCMLCC的制造工艺的制造工艺138行业学习MLCC用用Nano-BaTiO3关键技术问题关键技术问题MLCC用纳米钛酸钡粉体关键技术问

102、用纳米钛酸钡粉体关键技术问题有如下几个方面：题有如下几个方面：1）纳米四方相）纳米四方相2）团聚）团聚3）流延浆料的分散性及稳定性）流延浆料的分散性及稳定性4）烧结问题）烧结问题139行业学习本章小结本章小结n1、压电效应及其机理？、压电效应及其机理？n没有对称中心的材料受到机械应力处于应变状态时，材料内部会引起电极化和电场，其值与应力的大小成比例，其符号取决于应力的方向。或者该材料在电场的作用下发生电极化时，会产生应变，其应变值与所加电场的强度成正比，其符号取决于电场的方向。这两种现象统称为压电效应压电效应。n压电效应产生的根源是晶体中离子电荷的位移。当不存在应变时电荷在晶格位置上的分布是对

103、称的，所以其内部电场为零。但是当给晶体施加应力则电荷发生位移，如果电荷分布不再保持对称就会出现净极化，并将伴随产生一电场，这个电场就表现为压电效应。140行业学习n2、压电材料及其特征值？、压电材料及其特征值？n具有压电效应的材料叫做压电材料。其特征值：n弹性模量：不同晶系有不同的弹性模量。n压电常数：极化强度和应变之间的关系常数，即压电常数eik和压电系数dik。n机电耦合系数：是一个综合反映压电晶体的机械能与电能之间耦合关系的物理量，是压电材料机械能和电能相互转换能力的量度。n介电常数：反映了材料的介电性质（或极化性质），=D/E。n介质损耗：在交变电场下，由各种介质极化的建立所造成的电流

104、引起的极化损耗IR与由介质的电导（漏电）造成的电流引起的电导损耗IC之比值tan称为介质损耗（损耗因子）。141行业学习n3、机电耦合系数？、机电耦合系数？n机电耦合系数是一个综合反映压电晶体的机械能与电能之间耦合关系的物理量，是衡量压电材料性能的一个很重要参数。通过测量机电耦合常数可以确定弹性、介电、压电等参量，即使介电常数和弹性常数有很大差异的压电材料，它们的机电耦合常数也可直接比较。机电耦合系数定义为：nk=机械能转变的电能/输入的机械能（正压电效应） k=电能转变的机械能/输入的电能（逆压电效应）n机电耦合系数k是一个无量纲的物理量，是压电材料机械能和电能相互转换能力的量度。它本身可为

105、正，也可为负。它并不代表转换效率，因为它没有考虑能量损失，是在理想情况下，以弹性能或介电能的存储方式进行转换的能量大小。142行业学习n4、介质损耗？、介质损耗？n由各种介质极化的建立所造成的电流引起的损耗称为极化损耗；由介质的电导（漏电）造成的电流引起的损耗称为电导损耗。 n在交变电场下，压电材料所积累的电荷有两种分量：一种为有功部分（同相），即由电导过程引起，即电导损耗（IC） ；另一种为无功部分（异相），即由介质驰豫过程引起，即极化损耗（IR）。介质损耗为异相分量与同相分量的比值，即 tan=IR/IC。ntan与压电材料中能量损耗成正比，因此也往往就把tan叫做损耗因子损耗因子，或直接

106、叫做介质损耗介质损耗。143行业学习作业作业2n1、介电材料及其特征值？、介电材料及其特征值？n2、铁电体及其特性？、铁电体及其特性？n3、压电效应及其产生机理？、压电效应及其产生机理？n4、压电材料及其特征值？、压电材料及其特征值？ 144行业学习作业作业2n介电材料又叫电介质，是以电极化为特征的介电材料又叫电介质，是以电极化为特征的材料。电极化是在电场作用下分子中正负电材料。电极化是在电场作用下分子中正负电荷中心发生相对位移而产生电偶极矩的现象。荷中心发生相对位移而产生电偶极矩的现象。n介电材料的特征值：分子极化率介电材料的特征值：分子极化率、极化强、极化强度度P、静态介电常数、静态介电常

107、数、动态介电常数、动态介电常数*、介电损耗介电损耗W、电导率、电导率、击穿电压、击穿电压U。145行业学习作业作业2n答：铁电体是指在某温度范围内具有自发极化且答：铁电体是指在某温度范围内具有自发极化且极化强度可以因外电场而反向的晶体，也就是，极化强度可以因外电场而反向的晶体，也就是，凡具有电畴和电滞回线的介电材料就称为铁电体。凡具有电畴和电滞回线的介电材料就称为铁电体。n铁电体的特性：（铁电体的特性：（1）铁电体有许多电畴，不同的）铁电体有许多电畴，不同的电畴之间永久偶极矩的取向不一致；（电畴之间永久偶极矩的取向不一致；（2）P与与E形成电滞回线；（形成电滞回线；（3）居里温度）居里温度Tc

108、是铁电相与顺电是铁电相与顺电相的相转变温度。（相的相转变温度。（4）介电常数）介电常数与非铁电体不与非铁电体不同。同。146行业学习第四章第四章 热电材料材料 n4.1 温差电动势材料温差电动势材料n4.2 热电导材料热电导材料n4.3 热释电材料热释电材料 147行业学习教学目标及基本要求教学目标及基本要求n掌握温差电动势效应、温差电动势材料的特掌握温差电动势效应、温差电动势材料的特征值、热电导效应、热电导材料的特征值。征值、热电导效应、热电导材料的特征值。n熟悉热释电效应和热释电材料的特征值。熟悉热释电效应和热释电材料的特征值。n了解温差电动势材料、热电导材料和热释电了解温差电动势材料、热

109、电导材料和热释电材料的种类和应用。材料的种类和应用。148行业学习教学重点和难点教学重点和难点n（1）赛贝克效应、珀尔帖效应、汤姆逊效应）赛贝克效应、珀尔帖效应、汤姆逊效应n（2）温差电动势材料及其特征值）温差电动势材料及其特征值n（3）热电导效应）热电导效应n（4）热电导材料及其特征值）热电导材料及其特征值149行业学习1、赛贝克效应、珀尔帖效应、汤姆逊效应？、赛贝克效应、珀尔帖效应、汤姆逊效应？2、温差电动势材料及其特征值？、温差电动势材料及其特征值？3、热电导效应？、热电导效应？4、热电导材料及其特征值？、热电导材料及其特征值？思考题思考题150行业学习第四章第四章 热电材料热电材料 n

110、热电材料就是把热转变为电的材料。n主要包括温差电动势材料，热电导材料和热释电材料三大类。4.1 温差电动势材料温差电动势材料4.2 热电导材料热电导材料4.3 热释电材料热释电材料 151行业学习4.1 温差电动势材料温差电动势材料 n一、温差电动势效应一、温差电动势效应(温差热电效应温差热电效应) （一）赛贝克效应（一）赛贝克效应n由两种不同的导体（或半导体）A、B组成的闭合回路，当两接点保持在不同温度T1，T2时，回路中将有电流I通过，此回路称为热电回路。n回路中出现的电流称为热电流。n回路中的电动势EAB称为赛贝克电动势。n此效应称为赛贝克效应，即在具有温度梯度的样品两端会出现电压降。n

111、该效应成为了制造热电偶测量温度和将热能直接转换为电能的理论基础。如图41所示。 152行业学习图41 赛贝克效应 n热回路中存在的热电动势为EAB。如图41（b）所示，将回路断开，在断开处a、b间便出现电势差 V=Vab=Vb-Va nSAB为材料A和B的赛贝克系数。nSAB=SA-SBnSA、SB为材料A、B的赛贝克系数nEAB=SAB TnV与两接点间的温差T有关。当T很小时，V与T成正比关系。定义V对T的微分热电动势为 153行业学习 （二）温差电热效应（二）温差电热效应n在热电回路中，与两接点间的温度差所引起的赛贝克电动势相反，通电时，在回路中会引起两种热效应，珀尔帖和汤姆逊热效应。前

112、者出现在电极的两个接头处；后者发生在两个电极上。 1、珀尔帖热效应、珀尔帖热效应n当直流电通过由两种不同导电材料所构成的回路时，接点上将产生吸放热现象，改变电流方向，吸放热也随之反向，该效应称之为珀尔帖效应。n1834年Heinrich Lens发现将一滴水置于铋和锑的接点上，通以正向电流，水滴结成冰，通以反向电流，冰融化成水，所谓的制冷效应。154行业学习n在热电回路的两个接头处，当电流I流过时将发生可逆的热效应，即有Q的吸收或释放，其大小与电流I和流通的时间t成正比，即Q=ABItn式中：I为通电的电流强度；AB为导体A和B的珀尔帖系数，其大小等于接点处通过单位电荷时吸收（或释放）的热量。

113、AB的符号放热为负；吸热为正。ABABn式中：A、B分别为导体A、B的珀尔帖系数。n由于珀尔帖效应，会使回路中一个接头发热，一个接头致冷。实际上是赛贝克效应的逆效应。155行业学习 2、汤姆逊热效应、汤姆逊热效应n若电流通过有温度梯度的导体，在导体和周围环境之间将进行能量交换，该效应称为汤姆逊效应。n在热电回路中，流过电流I时，在存在温度梯度dT/dx的导体上也将出现可逆的热效应，是放热还是吸热，依温度梯度和电流的方向而定，热效应QT的大小与电流I、温度梯度dT/dx和通电流的时间t成正比，即n式中称为汤姆逊系数，其代表单位电荷通过单位温度梯度时所吸收（或释放）的热量。156行业学习n这种可逆

114、的温差电热效应是汤姆逊从理论上预言的。汤姆逊将两种温差电热效应的系数与温差热电效应的赛贝克系数联系起来得到汤姆逊关系式ABTSAB 或（三）接点（三）接点-介质温差效应介质温差效应n用半导体和两种不同金属连接成一个回路（半导体在两金属中间）并使半导体温度大于介质温度，即可产生电动势。这也是一种温差效应。157行业学习 二、温差电动势材料的特征值二、温差电动势材料的特征值n（一）赛贝克系数SAB、SA、SB n（二）温差电(势)效率nZAB：相对灵敏度。当Ti、T0一定时， ZAB增加， 也随之增加，即ZAB大时效率也就髙。 nZ=S2/，为绝对灵敏度。对温差电动势材料要求SAB值高，A、B、A

115、、B值低，这样才能使ZAB值高。(:热导率；:电阻率)158行业学习 三、温差电动势材料的种类三、温差电动势材料的种类 1、合金n常用的有铜镍、镍铬、镍铝、铂铑、金铁。 2、半导体合金n碲化铋、硒化铋、碲化锑、锑化铅等。 3、化合物n氧化物、硫化物、氮化物、硼化物和硅化物。 四、温差电动势材料的应用四、温差电动势材料的应用n温差电动势材料主要应用在两个方面：一是用作热电偶材料，制作热电偶用于测温，这方面应用的材料主要是高纯金属和合金材料；二是制作热器件，用来发电或做致冷器，这类器件所用的材料主要是高掺杂半导体材料。159行业学习4.2 热电导材料热电导材料 n热电导材料又称热敏材料，实际上是温

116、敏材料。 一、热电导效应一、热电导效应n当温度升高时，材料的发生较大变化的一类材料称为热电导材料。 二、热电导材料的特征值二、热电导材料的特征值 1、电导率的温度系数、电导率的温度系数n它是热电导材料的重要参数。电导率的温度系数表示式为160行业学习2、耗散系数、耗散系数H n式中：P为热敏材料中耗散的输入功率；TT为热敏材料的温度；T0为周围介质的温度。3、功率灵敏度、功率灵敏度n的物理意义为降低热敏材料内的电阻率的1/100所需的功率值。4、灵敏阈值、灵敏阈值n灵敏阈值是可测出电阻变化的最小（热值）功。数量级在10-9W左右。 161行业学习 三、热电导材料的种类三、热电导材料的种类 1、

117、正温度系数热电导材料n其特点是温度增高，电导率增加。 2、负温度系数热电导材料n其特点是温度增高，电导率降低。 四、热电导材料的应用四、热电导材料的应用n热电导材料可以作热敏电阻等热敏元件，红外探测器元件。热电导半导体材料可以作半导体热敏器件、半导体热敏传感器。162行业学习4.3 热释电材料热释电材料 n一、热释电效应一、热释电效应n热释电效应是指当某些晶体受温度变化影响时，由于自发极化的相应变化而在晶体的一定方向上产生表面电荷。这一效应称为热释电效应。热释电效应反映了晶体的电量与温度之间的关系，可用下式简单表示PS=pTn式中：PS为自发极化强度差；p为热释电系数； T为温度差。n由此可见

118、，晶体中存在热释电效应的前提是具有自发极化，也就是说，晶体结构的某些方向的正负电荷重心不重合，故存在固有电矩。163行业学习n因此，具有对称中心的晶体将不可能具有热释电效应，在这点上它与压电晶体是一致的。但是，压电晶体不一定都具有自发极化。而晶体结构中存在着与其他极轴不相同的唯一极轴（极化轴）时，这样才有可能因膨胀而引起总电矩的变化，即出现热电导效应。n所谓热释电效应是指热释电材料受到热辐射后，晶体自发极化强度PS随温度变化而变化（其变化系数dPS/dT），因此其表面电荷也发生变化。如果在晶体两端连接一负载RS，则会产生电位差V，就称为热释电效应。热释电位差V和电流I为164行业学习 二、热释

119、电材料的特征值二、热释电材料的特征值n 1、热释电系数n反映了热释电材料受到热辐射后产生自发极化随温度变化的大小。故热释电系数越大越好。 2、吸热流量n它代表单位时间吸热的多少，热释电材料的要大。 3、居里点或矫顽场n对铁氧体类热释电材料居里点或矫顽场要大。 三、热释电材料的种类三、热释电材料的种类n热释电材料有晶体和有机高聚物晶体两大类。 四、热释电材料的应用四、热释电材料的应用n热释电材料主要用作热释电探测器。165行业学习本章小结本章小结n1、赛贝克效应、珀尔帖效应、汤姆逊效应？、赛贝克效应、珀尔帖效应、汤姆逊效应？n由两种不同的导体（或半导体）A、B组成的闭合回路，当两接点保持在不同温

120、度T1，T2时，回路中将有电流I通过，并产生电动势EAB。该效应称为赛贝克效应，即在具有温度梯度的样品两端会出现电压降。n当直流电通过由两种不同导电材料所构成的回路时，接点上将产生吸放热现象，改变电流方向，吸放热也随之反向，该效应称之为珀尔帖效应。n若电流通过有温度梯度的导体，在导体和周围环境之间将进行能量交换，该效应称为汤姆逊效应。166行业学习n2、温差电动势材料及其特征值？、温差电动势材料及其特征值？n具有温差电动势效应的材料称为温差电动势材料，具有温差电动势效应的材料称为温差电动势材料，其特征值其特征值n赛贝克系数SAB、SA、SB；n温差电（势）效率。n3、热电导效应？、热电导效应？

121、n当温度升高时，材料的电导率发生较大变化。该效应称为热电导材料。n4、热电导材料及其特征值？、热电导材料及其特征值？n当温度升高时，材料的发生较大变化的一类材料称为热电导材料。其特征值n电导率的温度系数；耗散系数；功率灵敏度；灵敏阈。167行业学习第五章第五章 光光电材料材料 n5.1 光电子发射材料光电子发射材料n5.2 光电导材料光电导材料n5.3 光电动势材料光电动势材料 n光电材料是能把光能转变为电的一类能量转换功能材料。主要有光电子发射材料、光电导材料和光电动势材料。 168行业学习教学目标及基本要求教学目标及基本要求n掌握光电子发射原理、光电导原理、光电动掌握光电子发射原理、光电导

122、原理、光电动势原理、光电子发射材料、光电导材料、光势原理、光电子发射材料、光电导材料、光电动势材料的特征值。电动势材料的特征值。n了解光电子发射材料、光电导材料、光电动了解光电子发射材料、光电导材料、光电动势材料的种类和应用。势材料的种类和应用。 169行业学习教学重点和难点教学重点和难点n（1）光电子发射原理、光电导原理、光电）光电子发射原理、光电导原理、光电动势原理动势原理n（2）光电子发射材料及其特征值）光电子发射材料及其特征值n（3）光电导材料及其特征值）光电导材料及其特征值n（4）光电动势材料及其特征值）光电动势材料及其特征值170行业学习5.1 光电子发射材料光电子发射材料 一、光

123、电子发射原理一、光电子发射原理n光电子发射材料又称之为外光电效应材料。当光照射到材料上，光被材料吸收产生发射电子的现象称为光电子发射现象光电子发射现象。n具有这种现象的材料称为光电子发射材料。n光电子发射现象是光-电子能量转换的结果。 171行业学习（一）光（一）光-电子能转换效应电子能转换效应n当光照射材料以后，光被材料吸收，吸收的能量克服电子结合能（E结合）和给予电子运动速度（v）。依能量守恒原理，可以得到下式：n当v0时，上式可变为h0=E结合，这时光能完全用于克服电子的结合能。 （二）能带结构（二）能带结构n与能带结构有关。能带结构如图5-1所示。n对于固体材料来说，一般采用以下表示式

124、：E结合=+Eg =+172行业学习n图51 能带结构图 173行业学习n为导带底到静止自由电子能级差，即是电子亲和势，=Ee-Ec；nEe为静止自由电子能级，即导带顶端能级；nEc为导带底端能级；nEg为禁带宽度，Eg=Ec-Ev；nEv为价带顶端能级；n为费米能级到静止自由电子能级的能量差，也即是逸出功，=Ee-EF；nEF为费米能级；n为价带顶端到费米能级的能量差，=EF-Ev。nE结合=+Eg=Ee-Ec+Ec-Ev=Ee-Ev=Ee-EF+EF-Ev n =+174行业学习n对于金属来说，因为金属没有禁带，所以导带和价带重叠，趋近于零，因而E结合=+Eg=+=nE结合主要取决于的大小

125、。的大小一般在11.5eV之间。逸出功等于电子亲和势，因此，只要克服电子亲和势，电子便可逸出。n对于半导体，价电子逸出体外的条件是价电子吸收光子的能量以后，从价带跃迁到导带，然后再向表面扩散，它的能量如果大于+Eg时，则电子可以逸出体外。能量大于Eg的电子（只有处于导带上的电子）称为热电子热电子。nE结合主要取决于与Eg之和。但是，对于热电子来说，电子逸出只要克服。为正时称为正电子亲和势。为负时，称为负电子亲和势。175行业学习 二、光电子发射材料的特征值二、光电子发射材料的特征值(4) 1、临阈频率0（红限0：波长上限，长波边界）n每种光电子发射材料都有其临阈频率0，0为光电子发射效应的频率

126、下限。n由于h0=E结合，则0=E结合/h。v0时，材料才能发射光电子。 2、积分灵敏度Sn积分灵敏度S定义为最大光电流I（A）与入射光通量（lm）的比值，即S=I/n一般S=1020%，其中8090%损失掉。 3、光谱灵敏度n积分灵敏度S与波长有关。S与关系如图5-2所示。176行业学习n图52 nS与关系图 n4、灵敏阈n接受光辐射的装置能够发现的最小辐射量称为该装置的灵敏阈。177行业学习 三、光电子发射材料的种类三、光电子发射材料的种类 1、正电子亲和势阴极材料（0）n这类材料有单碱-锑正电子亲和势阴极材料，多碱-锑正电子亲和势阴极材料等。 2、负电子亲和势阴极材料（0）n这些材料包括

127、硅，磷化镓，铟化砷镓，磷化砷镓铟。 四、光电子发射材料的应用四、光电子发射材料的应用n利用光电子发射原理，可以把光电子发射材料做成光电阴极。半导体负电子亲和势阴极广泛地用于仪器，工业，军事等方面，与过去的多碱光阴极相比有很大的优越性。 178行业学习5.2 光电导材料光电导材料 n一、光电导原理一、光电导原理n受光辐射电导急剧上升的现象称为光电导现象。具有此现象的材料叫光电导材料。又称作内光电效应材料或光敏材料。n光照到半导体（或绝缘体）上，价带的电子接受能量，使电子脱离共价键。当光的能量达到禁带宽度的能量值时，价带的电子跃迁到导带，因而在晶体中产生一个自由电子和一个空穴，这两种载流子都参与导

128、电。由于光的作用产生的附加电导称之为光电导光电导。 179行业学习n按光电导原理也可以反过来了解禁带宽度。当光的能量增加到一定值时，光电导急剧上升，此时的光频v与禁带宽度的关系为Eg= hv。n光电导这种附加的电导来自附加的载流子，这种载流子可以来自带间跃迁，也可以来自杂质激发，因此，光电导有本征光电导和杂质光电导之分。n附加光电导=-0n式中：为光照时的电导率；0为无光照时的电导率。n因此，要制成较灵敏的光敏电阻，要求/0有较大的值。 180行业学习 二、光电导材料的特征值二、光电导材料的特征值 1、积分灵敏度Sn积分灵敏度S代表光电导产生的灵敏度，也就是单位光入射通量产生的电导率的附加值的

129、大小。S=/。式中为入射光通量（lm），为电导率。 2、“红限”或长波限n由于光电导不存在明显的长波限，故规定光电导数值降到最大值一半的波长为长波限或“红限”。 3、光谱灵敏度n用S-光谱曲线表示光谱灵敏度。 4、灵敏阈n能测出该材料光电导的最小光辐射量称为灵敏阈。 181行业学习n三、光电导材料的种类三、光电导材料的种类n光电导材料可分为三大类：n1、光电导半导体:ZnOn2、光电导陶瓷:CdSn3、有机高分子光导体:PNVCn四、光电导材料的应用四、光电导材料的应用n光电导材料主要是应用光生载流子产生光导效应的原理，它常用作光探测的光敏感器件的材料。 182行业学习5.3 光电动势材料光电

130、动势材料 n在光照下，半导体p-n结的两端产生电位差的现象称为光生伏特效应。具有此效应的材料叫光生伏特材料，又称光电动势材料。n光电动势原理，简言之是在光照下，在光电动势材料上形成阻挡层，两面可以产生电动势。太阳能电池和光生伏特检测器都是光电动势材料的重要应用。 183行业学习n一、光电动势原理一、光电动势原理n（一）半导体p-n结的电子-空穴情况n如果像图5-3那样，一个n型半导体与一个p型半导体接触，将会在结的p侧存在自由空穴以及相等浓度的（）电离受主杂质原子，这样才能保持电中性。在结的n侧存在自由电子以及相等数目的（）电离施主杂质原子。n图5-3 由单晶制成的p-n结 184行业学习n于

131、是在p侧多数载流子为空穴，在n侧则相反，多数载流子为电子，这种情况如图54所示。n由图54可见，在无外加电场时，结区的空穴浓度和电子浓度的变化。载流子与受主和施主杂质原子处于热平衡，因此，在晶体中各处空穴浓度与电子浓度之和为常值，符合质量作用规律。n图5-4 p-n结的载流子浓度 185行业学习n在每则都存在低浓度的少数载流子，与多数载流子处于热平衡。聚集在p侧的空穴倾向于通过扩散均匀地分布满整个晶体，电子倾向于从n侧扩散出去。但是扩散会破坏电中性。一旦发生载流子扩散就必将引起少量电荷转移，因而在p侧留下过量（）电离受主原子，而在n侧留下过量（）电离施主原子，如图55所示。n图55 pn结区的

132、内建电场图 186行业学习n由此产生的电荷偶极层就会出现一个自n区指向p区的电场，阻止继续扩散，维持两种载流子类型的分离。这种在pn结区附近由受主（）离子与施主（）离子产生的静电势梯度阻止扩散。这种pn结区电场称为内建电场。n由于存在这种偶极层，晶体内的静电势在pn结区就出现一个突变。在偶极层中，正电层和负电层中的电子和空穴的数目都是很少的，因此它的电阻很高，这一层称为阻挡层，阻挡层起到阻止电子和空穴扩散的作用。有了阻挡层才能使扩散达到平衡。n尽管有内建电场存在，但是在整个pn结中没有剩余的空穴和电子，因此pn结中并无外场电动势，外电场为零。 187行业学习n（二）光生电动势的产生n对于上述情

133、况，如果光照射到pn结的接触面时，情况就大不一样，这时pn结能够吸收光子，由于光激发而使电子和空穴激发。又由于有内建电场的存在，受到内建电场的作用，空穴将向p区移动而积累，而电子则相反，向n区移动而积累，从而形成净空间电荷。n这些空间电荷不能够越过阻挡层而复合，这样必将有电动势产生。在这种情况下，pn结就形成光电池。 188行业学习n二、光电池的特征值二、光电池的特征值n1、开路电压V0nV0表示光电池在开路时的电压。n2、短路电流I0nI0表示光电池在外电路短路时的电流。n3、转换效率n为光电池的最大输出功率与入射到光电池结面上的辐射功率之比。与禁带宽度有关。一般应选择禁带宽度为0.91.5

134、eV的材料做光电池。n是表征光生电动势转换效率的参数。n4、光谱响应曲线n光谱响应曲线是表示开路电压、短路电流、转换效率与波长的关系曲线。189行业学习n三、光电动势材料的种类三、光电动势材料的种类n光电池中最活跃的领域是太阳能电池，太阳能电池所用的材料主要有以下几种：n1、硅太阳能电池n硅太阳能电池可分为单晶硅、多晶硅和非晶硅太阳能电池三种。n2、薄膜太阳能电池n3、陶瓷太阳能电池n4、金属氧化物半导体（MOS）太阳能电池n5、pn异质结太阳能电池n四、光电动势材料的应用四、光电动势材料的应用n主要用于开发太阳能电池，但目前光电转换效率不高。 190行业学习本章小结本章小结n1、光电子发射原

135、理、光电导原理、光电动势原理、光电子发射原理、光电导原理、光电动势原理？n光电子发射原理：光电子发射原理：当光照射材料以后，光被材料吸收，吸收的能量克服电子结合能（E结合），并给予电子运动速度（v），使电子可以逸出材料体外，产生发射电子。n光电导原理：光电导原理：光照到半导体（或绝缘体）上，价带的电子接受能量，使电子脱离共价键。当光的能量达到禁带宽度的能量值时，价带的电子跃迁到导带，因而在晶体中产生一个自由电子和一个空穴，这两种载流子都参与导电，并由此产生附加电导，使半导体的电导急剧上升。191行业学习n光电动势原理：光电动势原理：一个n型半导体与一个p型半导体接触制成pn结，在p侧多数载流子

136、为空穴，在n侧则相反，多数载流子为电子。如果光照射到pn结的接触面时，pn结能够吸收光子，由于光激发而使电子和空穴激发。由于有内建电场的存在，受到内建电场的作用，空穴将向p区移动而积累，而电子则相反，向n区移动而积累，从而形成净空间电荷。这些空间电荷不能够越过阻挡层而复合，这样必将有电动势产生。n2、光电子发射材料及其特征值？、光电子发射材料及其特征值？n具有当光照射到材料上，光被材料吸收产生发射电子的现象的材料称为光电子发射材料。n其特征值：临阈频率v0；积分灵敏度S；光谱灵敏度；灵敏阈。192行业学习n3、光电导材料及其特征值？、光电导材料及其特征值？n具有受光辐射电导急剧上升的现象的材料

137、叫光电导材料。n其特征值： 积分灵敏度S；“红限”或长波限；光谱灵敏度；灵敏阈。n4、光电动势材料及其特征值？、光电动势材料及其特征值？n具有在光照下，半导体pn结的两端产生电位差的现象（光生伏特效应）的材料叫光电动势材料。n其特征值：开路电压V0；短路电流I0；转换效率；光谱响应曲线。193行业学习作业作业3n1、试比较介电材料、铁电材料、压电材料、试比较介电材料、铁电材料、压电材料与热释电材料的异同？与热释电材料的异同？n2、温差电动势材料与光电动势材料的区别、温差电动势材料与光电动势材料的区别？n3、热电导材料与光电导材料的区别？、热电导材料与光电导材料的区别？n4、光电子发射原理及光电

138、子发射材料的特、光电子发射原理及光电子发射材料的特征值？征值？ 194行业学习第六章第六章 磁性材料磁性材料 n6.1 软磁材料软磁材料n6.2 硬磁材料硬磁材料n6.3 铁氧体铁氧体n6.4 非晶态磁性合金非晶态磁性合金n6.5 有机高分子磁性材料有机高分子磁性材料n6.6 压磁材料压磁材料n6.7 磁性液体磁性液体n6.8 磁性材料的进展磁性材料的进展195行业学习教学目标及基本要求教学目标及基本要求n掌握软磁材料的特征值、硬磁材料的特征值；掌握软磁材料的特征值、硬磁材料的特征值；铁氧体及其三种晶体结构、压磁效应及压磁铁氧体及其三种晶体结构、压磁效应及压磁材料的特征值。材料的特征值。n熟悉

139、非晶态磁性合金及其特性、磁性液体、熟悉非晶态磁性合金及其特性、磁性液体、磁性材料的进展。磁性材料的进展。n了解软磁材料、硬磁材料的种类和应用、有了解软磁材料、硬磁材料的种类和应用、有机高分子磁性材料。机高分子磁性材料。 196行业学习教学重点和难点教学重点和难点n（1）软磁材料及其特征值）软磁材料及其特征值n（2）硬磁材料及其特征值）硬磁材料及其特征值n（3）铁氧体及其三种晶体结构）铁氧体及其三种晶体结构n（4）压磁效应及压磁材料的特征值）压磁效应及压磁材料的特征值n（5）磁滞回线）磁滞回线 197行业学习第六章第六章 磁性材料磁性材料 n根据物质的磁化率，可以把物质的磁性分为抗磁性（-10-

140、5-10-8）、顺磁性（10-310-6）、铁磁性（10-310-5）、亚铁磁性（1104）、反铁磁性（1105）等五类。按各类磁体磁化强度M与磁场强度H的关系，可做出其磁化曲线。图61为它们的磁化曲线示意图。n而按原子磁矩排列次序可分为有序排列和无序排列。抗磁性和顺磁性物质为无序排列，其余三类磁性物质为有序排列。 198行业学习n图61 五类磁体的磁化取向示意图 n如按外磁场作用下物质磁行为的表现则可分为抗磁、弱磁和强磁。抗磁性物质表现为抗磁，顺磁性和反铁磁性物质表现为弱磁，亚铁磁性和铁磁性物质表现为强磁。 199行业学习n本章所介绍的磁性材料是指常温下表现为强磁性的亚铁磁性和铁磁性材料。n

141、按其不同特点又可分为软磁、硬磁、铁氧体、（非晶态磁性合金、有机高分子磁性材料、压磁材料、磁性液体）等材料。而代表磁性材料性质的基本参量是起始磁导率i、最大磁导率m、矫顽力Hc、剩余磁感应强度Br、最大磁能积(BH)max等等。不同的应用对材料的磁性有不同的要求。n铁磁性和亚铁磁性材料的磁学特性与顺磁性和抗磁性物质不同，主要特点表现在磁化曲线和磁滞回线上。 200行业学习图62 铁磁体的磁化曲线和磁滞回线 n铁磁性物质的磁化曲线如图62OKB曲线所示。随磁化场的增加，磁化强度M或磁感应强度B开始时增加较缓慢，然后迅速增加，再转而缓慢增加，最后磁化至饱和。Ms称为饱和磁化强度，Bs称为饱和磁感应强

142、度。磁化强度不再随外磁场的增加而增加。 201行业学习n然后缓慢减少H，则M或B也随之减少，这个过程称为退磁。但M或B并不按照磁化曲线反方向进行，而是按另一曲线变化，如图62BC段。n当H减少到零时，M=Mr，B=Br。Mr为剩余磁化强度，Br为剩余磁感应强度。如果要使M=0（或B=0），则必须要加上一个反向磁场Hc，这个反向磁场Hc称为矫顽力。n通常把曲线上的CD段称为退磁曲线。n从这里可以看出，退磁过程中M或B的变化是落后于H的变化的，这种现象称为磁滞现象。n当反向H继续增加时，最后又可以达到反向饱和，见图62E点。当H从+Hm变到-Hm再变到+Hm时，磁化曲线形成一个封闭曲线，称之为磁滞

143、曲线。202行业学习n磁滞回线所包围的面积表示磁化一周时所消耗的功，称为磁滞损耗Q。nB=H+4Mn=B/Hn即在磁化曲线上任何点B和相应的H的比值称为磁导率。在磁化曲线上一些特殊点的磁导率。n起始磁导率i：相当于磁化曲线起始部分的斜率。技术上规定在0.10.001Oe磁场的磁导率为起始磁导率，它是软磁材料的重要技术参数。n 最大磁导率m：是磁化曲线拐点K处的斜率（见图62）。它也是软磁材料的重要技术参量。203行业学习6.1 软磁材料软磁材料 n所谓软磁材料就是矫顽力很低（HcT1）系数可用下式表示：n4、减落DAn在恒定温度下，经过一定的时间间隔，磁性材料的磁导率相对减少，其减少值表示为n

144、5、铁损、铁损n铁损是指磁性材料在交变磁场中反复磁化所消耗的功率。由磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗组成。206行业学习n每磁化一周所消耗的能量正比于磁滞回线的面积，这种能量损失称为磁滞损耗。n按照电磁感应定律，铁磁材料在交变磁场中磁化，材料内磁通量发生变化时，在磁通的周围会产生感应电动势，因铁磁材料是导电物质，感应电动势将在垂直于磁通方向的截面上感应出闭合的涡流电流。由它所引起的焦耳损失称为涡流损耗。提高电阻率可降低涡流损耗。n剩余损耗是指磁滞损耗和涡流损耗外的其他损耗，包括驰豫损耗、畴壁共振损耗和自然共振损耗。n6、矫顽力Hcn软磁材料在对称周期磁化条件下，磁感应强度B=0时所相应的磁化场强度

145、称为矫顽力Hc。207行业学习n7、饱和磁感应强度Bsn在磁化场足够强的情况下，软磁材料可能达到的最大磁感应强度称为饱和磁感应强度。n8、剩余磁感应强度Brn软磁材料经一定强度的磁场磁化后，再将磁场强度减至零，此时材料内所剩的磁感应强度，称为剩余磁感应强度，通常简称为剩磁Br。Br不仅与材料本身有关，而且与材料的磁化过程有关。n9、复数磁导率n在交变电磁场中，磁导率既要反映导磁能力的大小，还要表现出B和H间存在的相位差。n复数磁导率=-j”208行业学习n复数磁导率的模称为总磁导率或振幅磁导率。n为弹性磁导率，代表了磁性材料中储存能量的磁导率；把”称为粘性磁导率（或损耗磁导率），它与磁性材料磁

146、化一周的损耗有关。n磁感应强度相对于磁场强度落后的相位角的正切称为损耗角正切，即ntan=”/ntan的倒数称为软磁材料的品质因数。n综上所述，复数磁导率的实部与铁磁材料在交变磁场中储能密度有关，而虚部”却与材料在单位时间内损耗的能量有关。209行业学习n二、软磁材料种类和应用二、软磁材料种类和应用n常用的软磁材料有纯铁、硅钢片、铁镍合金、软磁铁氧体等。n1、电工用纯铁：一种含碳量低、含铁量99.95%以上的软钢。n2、硅铁合金：在纯铁中加入0.38%4.5%硅，使之形成固溶体，可以提高材料电阻率，减少涡流损耗，这种材料称为硅铁合金。n3、镍铁合金：主要是含镍量为30%90%的镍铁合金，通常称

147、坡莫合金。n4、软磁铁氧体：铁氧体材料中的一种，是一种容易磁化和退磁的铁氧体。常用的软磁铁氧体有镍锌铁氧体和锰锌铁氧体。 210行业学习6.2 硬磁材料硬磁材料 n硬磁材料是具有强的抗退磁能力和高的剩余磁感应强度的强磁性材料，又称永磁材料。n表征硬磁材料性能的主要参数是剩余磁感应强度Br、矫顽力Hc和最大磁面积(BH)max，三者愈高，硬磁材料性能愈好。由此引起这类材料具有大的磁滞损耗。n硬磁材料的硬和软，也可以是指机械手段，因为任何提高磁性材料机械强度的手段往往产生出比较硬的磁性材料。211行业学习图63 硬磁材料和软磁材料的磁滞回线形状 n更为确切的方法是用磁滞回线形状区分硬磁材料和软磁材

148、料，图63所示，磁性材料的软硬程度可以用BrHc乘积来度量。 212行业学习n一、硬磁材料特征值一、硬磁材料特征值n永久磁铁受到的退磁场作用与外加磁场的方向相反。因此，永磁体的工作点将从剩磁Br点移到磁滞回线第二象限，即退磁曲线的某一点上，如图64所示，永久磁铁的实际工作点用D表示。图64 永磁材料的磁化曲线和退磁曲线 213行业学习n硬磁材料性能好坏，应该由退磁曲线上的有关物理量来衡量，其特征值如下。 n1、剩磁Br和表观剩磁BDn磁性材料被磁化到相应最大磁化场Hs后，再使该磁化场为零时所剩留的磁感应强度称为剩余磁感应强度，简称剩磁，用Br表示，单位T。在工作状态下，永久磁铁的工作点在退磁场

149、作用下将从Br点移到D点，这时永磁体所具有的剩余磁感应强度称为表观剩磁表观剩磁BD。n2、矫顽力Hcn永磁材料的矫顽力Hc有两种定义：一个是使磁感应强度B=0所需的磁场值，用BHc或Hc表示；一个是使磁化强度M=0所需的磁场值，常用MHc表示。214行业学习n3、最大磁能积(BH)max和凸出系数n最大磁能积在数值上等于退磁曲线上各点所对应的磁感应强度和磁场强度乘积中的最大值。当硬磁材料的工作点位于退磁曲线上具有(BH)max的那一点时，为了提供相同的磁能所需要的材料体积将最小。材料(BH)max的越大，永磁体性能越好。 n另外，退磁曲线的形状与磁能积大小有密切关系。退磁曲线的凸出程度和磁能积

150、有关。如果有两种不同的材料，虽然Br和Hc值都相同，但由于它们的退磁曲线形状不同，它们的(BH)max也不同。退磁曲线凸出程度越大，则磁能积就越大。退磁曲线的凸出程度可用凸出系数表示 ：n=(BH)max/BrHc 215行业学习图65 永磁体的Br在外磁场作用下的变化（回复曲线） n4、回复磁导率revn图65所示，如果一块永磁材料去掉磁化场之后，剩磁Br在纵坐标轴上A点位置上，当受外界各种因素影响时，永磁体的剩磁沿着退磁曲线降到某一位置M。这些影响相当于退磁场的作用，当这些退磁场除去之后，磁性不再回复到A位置，而是到一个新的位置M。216行业学习n如果循环地改变在MM之间的退磁场，永磁体特

151、性将按照回复曲线来改变。这时得到一个狭窄的局部磁滞回线。因为回线的面积很小，通常可用回复曲线来代替，并用仰角的正切表示它的特性，被称为回复磁导率rev，以下式来表示：nrev=B/H=tan n5、稳定性n硬磁材料的稳定性是指它的有关磁性能在长时间使用过程中或者受到温度、外磁场、冲击、振动等外界因素影响时保持不变的能力。用变化率来表示：217行业学习n二、硬磁材料的种类和应用二、硬磁材料的种类和应用n硬磁材料分成以下几类：铸造硬磁合金；可变形硬磁合金；硬磁铁氧体；稀土硬磁合金。n稀土硬磁合金包括稀土钴和稀土铁系金属间化合物，为硬磁材料中性能最高的一类。最早的稀土硬磁合金是稀土钴磁铁。第一代永磁

152、材料：RCo5，(BH)max为195.9222.9kJ/m3。第二代永磁材料：R2Co17， (BH)max为297.7kJ/m3。第三代永磁材料：Nd-Fe-B合金， (BH)max 390kJ/m3。其最大缺点是居里温度较低、温度稳定性和环境稳定性较差。第四代永磁材料主要有Sm2Fe17Cx、Sm2Fe17Nx、Sm-Fe-Ti等， (BH)max的理论值高达450kJ/m3。n近年来，微晶永磁体和纳米晶稀土永磁体的研制受到较大重视。218行业学习6.3 铁氧体铁氧体 n铁氧体是铁元素与氧化合形成的各种类型的化合物，属亚铁磁性材料中特别重要的一类。n实用的铁氧体大多数是软磁的，也有硬磁的

153、。n铁氧体的晶体结构主要有尖晶石型、磁铅石型及石榴石型三种。n铁氧体的磁化强度比不上金属磁性材料，但其高电阻率，大大降低了涡流损耗，使之在无线电、高频、微波、脉冲等领域的应用得到迅速发展。n铁氧体还具有效率高、体积小、价格低等特点。n铁氧体的制备、基本磁性的研究和应用十分成熟。 219行业学习6.4 非晶态磁性合金非晶态磁性合金 n非晶态磁性合金指的是原子呈无长程序排布并具非晶态磁性合金指的是原子呈无长程序排布并具有优异磁特性的合金有优异磁特性的合金。n在非晶态合金材料中，不存在磁晶各向异性问题，只要把材料的磁致伸缩系数做到零，就可以得到高磁导率的材料。 n非晶态磁性合金的关键技术是制备工艺。

154、n非晶态磁性合金有如下特性：n磁导率和矫顽力与铁镍合金基本相同。n电阻率比一般软磁合金材料大（130cm）。n磁致伸缩特性好。220行业学习n具有良好的抗腐蚀性，机械抗拉强度和韧性。n容易得到比铁镍合金还要薄的薄膜。n非晶态磁性合金的问题是温度对磁的不稳定性影响比较大。n非晶态磁性合金主要有过渡金属和类金属合金、稀土元素与过渡金属合金、过渡金属与过渡金属合金三类。n非晶态磁性合金的一个很重要特征值是饱和磁致饱和磁致伸缩系数伸缩系数s。s指的是磁场强度加到一定数值后，即当H=Hs，磁化强度达到饱和值Ms时，材料不再继续伸长或缩短，此时的伸缩比l/l，即s。一般来说，s越小，非晶态合金的磁性能越好

155、。n非晶态磁性合金的应用，国内外都有较大进展。221行业学习6.5 有机高分子磁性材料有机高分子磁性材料 n具有铁磁性的有机高分子材料称为有机高分子磁性材料，分为复合型和结构型两种。n一、复合型有机高分子磁性材料（一、复合型有机高分子磁性材料（塑料磁性材料）n塑料磁性材料是把强磁性粉均匀地分散在塑料或橡胶中制成复合永磁材料，也叫做塑料永磁材料。n同时具有永磁体和塑料的特性，能实现批量生产，成本低廉。n高分子材料有聚乙烯等热塑性树脂和橡胶等。n磁性粉体为钡铁氧体、钐钴合金等硬磁材料。n采用磁场成型工艺可获得高性能塑料永磁体。 222行业学习n二、结构型有机高分子磁性材料二、结构型有机高分子磁性材

156、料n组成有机化合物的原子，化学键通常为共价键，一般为满层结构，电子成对出现，且自旋反平行排列，而没有净自旋，表现为抗磁性效应。虽然发现少数有机物质呈顺磁性，但迄今在结构上未能合成出有实用价值的铁磁性有机高分子化合物。n由磁学理论可知，欲使有机物质具有铁磁性，必须满足两个条件，即首先要获得髙自旋，其次是如何使高自旋有机分子间产生铁磁性自旋排列。n理论模型：自旋交换模型、混合堆积模型、周期KondoHubbard模型、Ovchinnikov模型。n有机及高分子磁性体分为分子晶体、有机金属化合物和有机聚合物三大类。223行业学习6.6 压磁材料压磁材料 n压磁效应压磁效应是力学形变和磁性状态之间存在

157、的机械能和磁能之间的转换效应，其逆效应称之为磁致磁致伸缩效应伸缩效应。n具有此种效应的材料称为压磁材料或磁致伸缩材料。利用压磁材料的相关效应可制成热膨胀系数接近于零的不胀型材料和恒弹性型材料。n压磁材料的主要特征值为：n饱和磁致伸缩系数s。指的是磁场强度加到一定数值后，材料不再继续伸长或缩短，此时的伸缩比l/l，即s。 224行业学习n灵敏度常数d。指的是在恒定压力p下单位磁场产生的磁致伸缩，或在恒定磁场H作用下，单位应力产生的磁感应强度的变化。即：n压磁（磁弹性）耦合系数k。k为能够转换为机械能的磁能与材料中的总磁能之比。n对温度、振动等的稳定性和力学强度好。n常用的压磁材料主要有三类：铁氧

158、体压磁材料、金属压磁材料和非晶态合金压磁材料。n压磁材料主要应用于超声和水声器件、电子计算机和自动控制器件、电讯器件、微波器件等。 225行业学习6.7 磁性液体磁性液体 n所谓磁性液体是指铁磁性物质的极微小的颗粒表面吸附上一层表面活性剂，使其均匀稳定地弥散在某种基液之中，形成一种弥散溶液，其基本组成如图66所示。 图66 磁性液体示意图1表面活性剂；2磁性微粒；3基液 226行业学习n磁性液体由磁性微粒、表面活性剂和基液组成。n磁性微粒是Fe3O4、-Fe2O3、单一或复合铁氧体、纯铁粉、纯钴粉、铁-钴合金粉、稀土永磁粉等。n表面活性剂分为阳离子表面活性剂、阴离子表面活性剂、两性表面活性剂和

159、非离子表面活性剂等。n基液种类很多，如酯类基液、二酯类基液、烃类基液、水基液、氟碳类基液、聚苯醚类基液等。基液选用须视所制磁性液体特点及用途而定。n工程上对磁性液体的基本要求是：稳定性好；高的饱和磁化强度和起始磁导率；低粘度和低蒸气压；在重力场、电场、磁场以及非均匀磁场中应具有高度稳定性，并且无明显的凝聚、不产生沉淀和分层；很好的热学性；无毒性。227行业学习6.8 磁性材料的进展磁性材料的进展 n一、高性能磁性材料一、高性能磁性材料n超薄晶粒取向硅钢片，非晶稀土永磁材料，巨磁致伸缩材料，磁流变体（磁性微粒分散于绝缘载液中形成的随外磁场变化而具有可控流变特性的非胶状悬浮液体），磁性高分子微球（

160、磁性物质和直径小于1m的高分子微球结合起来的材料）。 n二、多功能磁性材料二、多功能磁性材料n铁电铁磁材料，磁性半导体，超导磁有序体。n三、纳米磁性材料三、纳米磁性材料n纳米磁粉材料，超晶格磁膜，纳米复合磁性材料（由软磁和硬磁纳米材料复合形成的磁性材料）。228行业学习本章小结本章小结n1、软磁材料及其特征值？、软磁材料及其特征值？n软磁材料就是矫顽力很低（Hc8Hc/ （A/m）n5、材料的畴壁迁移率n磁泡位移速度与梯度磁场H及材料的磁畴迁移率有关，即nv=1/2Hn6、品质因素Qn阻止磁泡材料的磁化偏离薄膜的垂直方向（即稳定性）是由材料的品质因数Q决定的：nQ=2K1/0Ms21n还要求缺

161、陷密度很低，温度稳定性要高。256行业学习 三、磁泡材料的种类三、磁泡材料的种类n能满足上述性能参数的材料不多，已有的磁泡材料主要有四种：n钙钛石型正铁氧体，RFeO3n磁铅石型铁氧体，MFe12O19n柘榴石型铁氧体，R3Fe5O12n非晶态材料四种。 四、磁泡材料的应用四、磁泡材料的应用n磁泡材料主要用于制造磁泡存储器。磁泡存储器具有存储密度大，消耗功率小，信息非易失性等优点，存储速度低于半导体存储器而高于磁盘、磁鼓，是一种正在发展，很有希望的存储器。257行业学习矩磁材料磁滞回线矩磁材料磁滞回线磁滞回线近似矩形，磁滞回线近似矩形，剩余磁感应强度剩余磁感应强度Br接接近于饱和磁感应强度近于

162、饱和磁感应强度Bs，即，即Br/Bs0.8的磁滞的磁滞回线。回线。结晶和应力各向异性。结晶和应力各向异性。7.3 矩磁材料矩磁材料 258行业学习n矩磁材料主要特征值为：矩磁材料主要特征值为：n1、矩形比（Br/Bs）或称剩磁比要高。n2、矫顽力要小。n3、开关时间（反转磁化所需的时间t ）或开关系数Sw要小。 Sw=（Hs-H0） tn4、在脉冲磁场Hs的作用下，磁芯的读“1”电压（V1 ）与破“0”电压（V0）的比值越大越好。n5、要求低损耗。n6、对温度、振动和时效等的稳定性要高。259行业学习常用的矩磁材料：常用的矩磁材料： 在常温使用的矩磁材料有在常温使用的矩磁材料有(Mn-Mg)F

163、e2O4系，系，(Mn-Cu)Fe2O4系，系， (Mn-Ni)Fe2O4系等。系等。在在-65 +125较宽范围使用的矩磁铁较宽范围使用的矩磁铁氧体有氧体有Li-Mn，Li-Ni，Mn-Ni，Li-Cu等等260行业学习矩磁材料的应用：矩磁材料的应用：若矩磁材料在不同方向磁场下磁化，当电流为零时，总是处于+Bm和-Bm 两种不同的剩磁状态。由于计算机采用两进制，即只有“0”和“1”两个数码，所以采用这种材料的两种剩磁状态+Bm和-Bm就可以分别代表两个数码，起到记忆作用。因此可做信息存储元件的磁性开关。261行业学习7.4 磁信息材料的进展磁信息材料的进展 n随着信息技术的迅速发展，磁信息材

164、料也取得了不少进展，磁信息材料的进展和磁性材料的进展是紧密联系的，只是各有侧重。n1、高记录密度磁膜材料。n2、高频和自旋阀磁头材料。n3、巨霍尔效应磁性材料。n4、低磁场庞磁电阻材料。n5、巨磁阻抗丝材料。n6、巨磁光克尔效应材料。 262行业学习生活中磁性材料的应用实例生活中磁性材料的应用实例 n1、电饭煲n煮饭时用手按动启动开关，通过传动杆使永久磁铁和软磁铁吸合，其吸力大于弹簧的弹力和永久磁铁的自身重力，所以永久磁铁不会落下，触点闭合，电路接通，发热板开始发热。当饭煮熟后，温度继续上升，当达到103时，软磁铁突然失去磁性，永久磁铁在自身重力及弹簧的弹力作用下落下，通过传动杆使触点分开，

165、电路断开，发热板停止发热。这样就起到限温作用。 当温度下降时，双金属片逐渐恢复，当温度低于保温温度时，动片的位置低于支点的位置，在贮能弹片的作用下触点闭合，电路接通。这样尽管限温器已断开，但保温器的不断动作可以实现保温目的。加热电路主要由感温软磁铁和永久磁铁构成。感温软磁铁与受热面固定在一起，内锅底部的热量直接通过受热面传递给它，当温度低于103时，感温软磁铁和永久磁铁一样具有磁性，当温度高于103时，感温软磁铁会突然失去磁性。263行业学习本章小结本章小结n1、对磁头材料的要求？、对磁头材料的要求？n磁头材料是磁头铁芯用的高密度软磁材料，用它做成记录或重放信息的换能器件。要求有较高的能量转换

166、效率，具体要求有：n最大磁导率m，饱和磁化强度Bs要高。n矫顽力Hc和剩余磁化强度Br要低。n电阻率要高。n起始磁导率i要高。n磁导率的截止频率fr （记录信号频率）要高。n耐磨损，抗剥落，机械加工性好。264行业学习n2、对磁记录介质材料的要求？、对磁记录介质材料的要求？n磁记录介质材料是涂敷在磁带、磁盘和磁鼓上面用于记录和存储信息的磁性材料。磁性能要求：n矫顽力Hc要适当高（1680kA/m）。n磁滞回线矩形比高，即Br/Bs、Hc/Br要高。n饱和磁化强度Bs要高。n温度稳定性好，老化效应小。n用于垂直记录的介质，其垂直方向磁晶各向异性系数要高，另两个方向要低，最好是薄膜。n3、矩磁材料

167、？、矩磁材料？n磁滞回线近乎矩形的磁性材料称为矩磁材料。所谓矩形磁滞回线通常是指剩余磁感应强度Br接近于饱和磁感应强度Bs，即Br/Bs0.8的磁滞回线。265行业学习n4、磁晶各向异性？、磁晶各向异性？n对铁磁和亚铁磁材料单晶而言，不同晶向磁化时，磁性随晶向显示出各向异性，称为磁晶各向异性。将最容易磁化和最难磁化的晶向称为易磁化方向（易轴）和难磁化方向（难轴）。磁晶各向异性反映了磁畴沿不同晶向排列时自由能不同。n5、磁泡的形成过程？、磁泡的形成过程？ n产生磁泡需要单轴各向异性材料并制成薄膜或片，使易磁化轴垂直于表面。当各向异性场大于或等于饱和磁化强度Ms时，如未加偏场，薄膜中会有带状磁畴形

168、成，正反磁畴面积相等；加偏磁场Hb后，磁化方向和磁场方向相同的磁畴变宽，磁化方向相反的磁畴变窄；磁场再加强，那些变窄的反磁化畴就局部地缩成分立的圆柱形畴，即磁泡。266行业学习作业作业4n1、软磁材料与硬磁材料的区别？、软磁材料与硬磁材料的区别？n2、压电材料与压磁材料的区别？、压电材料与压磁材料的区别？ n3、画出软磁、硬磁、磁头、磁记录介质和、画出软磁、硬磁、磁头、磁记录介质和矩磁材料的磁化曲线和磁滞回线？并说明其矩磁材料的磁化曲线和磁滞回线？并说明其意义？意义？n4、磁泡是怎么形成的？、磁泡是怎么形成的？ 267行业学习第八章第八章 透光与透光与导光材料光材料 n8.1 透光材料透光材料

169、n8.2 光纤材料光纤材料 268行业学习教学目标及基本要求教学目标及基本要求n掌握透光材料及其特征值，光在光纤中传播掌握透光材料及其特征值，光在光纤中传播的基本原理，光纤的结构及光纤材料的特征的基本原理，光纤的结构及光纤材料的特征值。值。n了解透光材料和光纤材料的种类和应用。了解透光材料和光纤材料的种类和应用。 269行业学习教学重点和难点教学重点和难点n（1）介质对光的吸收、散射、反射和透射）介质对光的吸收、散射、反射和透射n（2）透光材料及其特征值）透光材料及其特征值n（3）光在光纤中传播的基本原理）光在光纤中传播的基本原理n（4）光纤的结构及光纤材料的特征值）光纤的结构及光纤材料的特征

170、值270行业学习思考题思考题n1、介质对光的吸收、散射、反射和透射？、介质对光的吸收、散射、反射和透射？n2、透光材料及其特征值？、透光材料及其特征值？n3、光在光纤中传播的基本原理？、光在光纤中传播的基本原理？n4、光纤的结构及光纤材料的特征值？、光纤的结构及光纤材料的特征值？271行业学习n透光材料包括透紫外光（波长0.010.4m）、可见光（波长0.390.76m）、红外光（波长11000m）的材料。n一、光通过固体现象一、光通过固体现象n当光从一种介质进入另一种介质时，一部分透过介质，一部分被介质吸收，一部分在两种介质的界面上被反射，还有一部分被散射。n(IR,UV-VIS,XPS,A

171、ES)8.1 透光材料透光材料 272行业学习n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T、R、，则n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（与光线传播方向垂直）的能量。若用0除上式的等式两边，则有nT 、 R、 为透射、吸收、反射、散射系数。n光子与固体介质的相互作用如图8-1描述。273行业学习图81 光子与固体介质的作用 274行业学习n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，出现的两种重要结果是：（1）电子极化（2）电子能态转变 275行业学习 光从材料1通过界面进入材料2时

172、，与界面法线所形成的入射角为1，折射角为2，材料2相对材料1的相对折射率为n材料的折射率是永远大于1的正数。1、材料折射率及其影响因素、材料折射率及其影响因素n材料的折射率n：当光从真空进入较致密的材料时，其速度下降，光在真空和在材料中的速度之比。276行业学习（1）构成材料元素的离子半径：吸收光引起电子极化，使光子速度减慢，大离子可以构成高n的材料，小离子可以构成低n的材料。 （2）材料的结构和晶型：非晶态和立方晶体结构，当光线通过时光速不因入射方向而改变，其他晶型都产生双折射现象。（3）材料存在的内应力：有内应力的透明材料，垂直于存在主应力方向的n值大，平行于主应力方向的n值小。（4）同质

173、异构体：高温时的晶型n折射率较低；低温时的晶型折射率高。色散：材料的折射率随着入射光波长的增加而减少的现象。其数值大小为dn/d。色散对于光学玻璃是重要参量。 材料的折射率的影响因素277行业学习n2、材料的反射系数和影响因素、材料的反射系数和影响因素n一束光从介质1（折射率为n1）穿过界面进入介质2（折射率为n2）出现一次反射；n当光在介质2中经过第二个界面时，仍要发生反射和折射。从反射规律和能量守恒定律可以推导出，当入射光线垂直或接近垂直于介质界面时，其反射系数为n若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

174、有损失。278行业学习n3、材料的透射及其影响因素、材料的透射及其影响因素n透光材料的透射系数(透射比、透过率)要高。n除了界面反射损失外，材料对入射光的吸收及其散射，是影响材料光透过率的二个重要方面。n金属对可见光是不透明的。n非金属材料对于可见光可能透明，也可能不透明。非金属材料对可见光的吸收有下列三种机理：（1）电子极化；（2）电子受激吸收光子而越过禁带；（3）电子受激进入位于禁带中的杂质或缺陷能级而吸收光子。279行业学习n介质透过率高低，不仅与介质的电子能带结构有关，还与光程有关。假设入射光的强度为I0。那么经过x厚度的介质，其光强度将下降为I， 且有n该式又称为朗伯定律，它表明光随

175、厚度的变化符合指数衰减规律。n介质对光的吸收与光的波长密切相关。吸收还可以分为选择吸收和均匀吸收。280行业学习n介质对光的散射。产生散射的原因是光传播的介质不均匀。散射使光在前进方向上的强度减弱，其减弱的规律与吸收规律具有相同的形式：n一般测量得到的“吸收系数”实际包含两部分，一部分是真正的吸收系数，一部分是散射系数S。上述两式的结合称为Bouguer定律：n散射有两种情况：一种是散射光波长和入射光波长相同，称为瑞利散射；另一种与入射光波长不同，称为联合散射（亦称拉曼散射）。281行业学习n总之，影响透过率的因素可总结如下：n（1）吸收系数n（2）反射系数：材料与环境的相对折射率和材料表面光

176、洁度是两个重要因素。n（3）散射系数：材料宏观及显微缺陷、晶粒排列方向、气孔引起的反射损失等282行业学习n射进介质的光在穿过介质时被吸收一部分后，达到介质另一面的光强为I0(1-R)e-x，又被反射回介质内的光强为I0R(1-R)e-x。最后透射出介质的光强为I0(1-R)2e-x。因此，透过率为n二、透光材料的特征值二、透光材料的特征值n1、透过率、透过率Tn透过率T为透射光强IT与入射光强I0之比。图8-2 介质的反射、吸收和透射283行业学习n2、光密度、光密度Dn由此得出光密度的物理意义为吸收（0.434l）和反射（Dr）两部分损失之和。n也就是说，材料的光密度越大，光被材料吸收和反

177、射得越多，透过率就越小，光就越难透过材料。 284行业学习n3、内透过率、内透过率n内透过率所表示的是光线在透过介质时，只考虑吸收不考虑反射的特征值。n吸收系数越大，值就越小，材料的透光性能不好。285行业学习n4、平均色散系数、平均色散系数Dn透光材料中光学玻璃通常按折射率nD和平均色散系数D这两个光学常数进行分类。平均色散系数的表达式为 nnF-nC为平均色散，称中部色散。n对于玻璃，D50称冕玻璃，Dn2）。n1/n2=sin2/sin1。当1逐渐增大时，2也相应增加。当2=/2，1=arcsinn2/n1时，入射光线全部返回原来的介质中，这种现象叫做光的全反射，此时1=arcsinn2

178、/n1=称为临界角0。 图8-3 光的全反射 一、光在光纤中传输的一、光在光纤中传输的 基本原理基本原理289行业学习n光学纤维中光的传送是利用光的全反射原理。入射光束以大于0的角度入射到芯子与包层的界面上，光线在界面上发生全反射，在芯中以锯齿状路径曲折前进，不会穿出包层，避免了光在传播时的折射损耗。光纤材料按结构可分为包层型和自聚焦型两种。2、光在光纤中传播原理、光在光纤中传播原理290行业学习图8-5 通信用光纤的横截面结构图 n光纤是高透明电介质材料制成的非常细（外径约为125200m）的低损耗导光纤维，具有束缚和传输从红外到可见光区域内光的功能和传感功能。3、光纤的结构、光纤的结构10

179、0-150um400um900um291行业学习n光纤本身由纤芯和包层构成，见图8-5(a)，纤芯是由高透明固体材料制成，纤芯的外面是包层，用折射率相对纤芯较低的石英玻璃，多组分玻璃或塑料制成，光纤的导光能力取决于纤芯和包层的性质。n图8-5(b)是具有实用性的三层芯线结构。在光纤的外层是一次被覆层，其目的是防止光纤表面受损并保持光纤强度，它由可塑硅树脂制成，厚度为100150m。一次被覆层之外是缓冲层，外径400m。目的在于防止光纤因一次被覆层不均匀或受侧压力作用而产生微弯，带来额外损耗。为了保护一次被覆层和缓冲层，在缓冲层之外加上二次被覆层，常采用尼龙，这一层的外径为0.9mm。 292行

180、业学习4、传输模式、传输模式n光在纤维中传输有一定的传输模式。传输模式是光学纤维最基本的传输特性之一。n根据模式可分为单模光纤和多模光纤两种。所谓单模光纤是一种光纤只能传输一个模式的光波，多模光纤为一种光纤可同时传输多个模式的光波。 293行业学习5、子午光线和斜光线、子午光线和斜光线n通过具有均匀芯子和包层的光纤的光线有子午光线和斜光线两种。所谓子午光线就是在一个平面内弯曲进行的光线，它在一个周期内和光学纤维的中心轴相交两次；斜光线则为不通过光学纤维的中心轴的光线。作为子午光线行进的条件为：图86 子午光线和斜光线（a）子午光线及其入射条件；（b）斜光线的概念 294行业学习6、数值孔径、数

181、值孔径NAn根据子午光线行进的条件，NA值越大，0可以越大，因而有较多的光线进入芯子。但NA太大时，对单模传输不利，因为它易激发光的高次模传播方式。 295行业学习n二、光纤材料特征值二、光纤材料特征值n1、传输损耗、传输损耗Q（dB/km） n传输损耗Q指光在纤维中传输途中的损耗：n|Q|越大，光信息传播的距离就越短。n形成光纤传播损耗有吸收损耗、本征散射和波导散射三种。n吸收损耗是一个重要的损耗，又可分本征吸收、杂质(阳离子)吸收和OH-离子(阴离子)吸收。n本征散射又称为瑞利散射，它与波长的四次方成反比。这种损耗随波长的增加而很快减少。n波导散射是由光纤本身的结构缺陷产生的。296行业学

182、习2、传输带宽、传输带宽n传输带宽是影响信息传输能力的一个重要因素。n在光纤通信中，传输以光脉冲方式进行，信息通过调制方式加到光频载波上，把载波光按信息要求调制成一个光脉冲，光脉冲的调制频率愈高，它能传输的信息容量也愈大。n经输送的光脉冲传输一段距离后发生畸变和展宽，展宽的结果使光脉冲波型重叠，结果分辨不出所携带的信息。297行业学习光学纤维的传输带宽受到材料色散、模式色散和构造色散的限制。n材料色散是指不同波长的光在介质中的折射率不一样，即n=f()。n模式色散是指不同模式的光脉冲在光学纤维中传播速度不同所产生的传输时间差。n构造色散是指由光纤结构引起的光传播速度变化。n影响多模光纤传输带宽

183、的主要因素是模式色散，影响单模光纤传输带宽的主要因素是材料色散。3、模式分布和数值孔径、模式分布和数值孔径298行业学习n三、光纤材料的种类三、光纤材料的种类n按芯和包层的折射率分布可分为阶跃型、梯度(渐变)型、色散移位型和色散平坦型。n按传输模式不同，可分为单模光纤和多模光纤。n按组分可分为石英光纤、多组分氧化物玻璃光纤、非氧化物玻璃光纤、晶体光纤和高聚物光纤。299行业学习n四、光纤材料的应用及发展四、光纤材料的应用及发展n在实际工程中光纤是以光缆形式应用的。n光缆作为光纤的具体应用形式，包含着两重含义： (1) 可以用不同品种的光纤制成同一结构的光缆，供不同层次的网络使用； (2) 可以

184、用不同的材料制成不同结构的光缆来满足不同应用场所的需要。n自20世纪80年代初至今，光缆应用场所经历了从核心网到城域网、接入网的发展过程，未来将再度向着家庭桌面延伸或者由室外向室内发展。n在光纤发展的同时，光缆无论是从材料选择、结构优化和制造工艺，还是从应用场所、铺设方式等方面都得到了长足的发展。300行业学习本章小结本章小结n1、介质对光的吸收、散射、反射和透射？、介质对光的吸收、散射、反射和透射？n（1）材料折射率及其影响因素；n（2）材料的反射系数和影响因素；n（3）材料的透射及其影响因素。n2、透光材料及其特征值？、透光材料及其特征值？n透光材料包括透可见光、红外光和紫外光的材料。n特

185、征值：透过率T、光密度D、内透过率、平均色散系数D。301行业学习n3、光在光纤中传播的基本原理？、光在光纤中传播的基本原理？n光的全反射原理。入射光束以大于0的角度入射到芯子与包层的界面上，光线在界面上发生全反射，在芯中以锯齿状路径曲折前进，不会穿出包层，避免了光在传播时的折射损耗。n4、光纤的结构及光纤材料的特征值？、光纤的结构及光纤材料的特征值？n二层结构：由纤芯和包层构成。n三层芯线结构：在光纤的外层是一次被覆层，一次被覆层之外是缓冲层，为了保护一次被覆层和缓冲层，在缓冲层之外加上二次被覆层。n特征值：传输损耗Q、传输带宽、模式分布和数值孔径。302行业学习第九章第九章 发光材料光材料

186、n9.1 材料的发光机理材料的发光机理n9.2 光致发光材料光致发光材料n9.3 电致发光材料电致发光材料n9.4 射线致发光材料射线致发光材料n9.5 等离子发光材料等离子发光材料 303行业学习教学目标及基本要求教学目标及基本要求n掌握材料的发光机理，发光材料的发光特征，掌握材料的发光机理，发光材料的发光特征，光致发光机理，电致发光机理，射线致发光光致发光机理，电致发光机理，射线致发光机理，等离子概念及发光原理。机理，等离子概念及发光原理。n熟悉和了解上转换发光材料，电致发光材料，熟悉和了解上转换发光材料，电致发光材料，阴极射线致发光材料，阴极射线致发光材料，X射线致发光材料，射线致发光材

187、料，等离子体发光显示屏及材料。等离子体发光显示屏及材料。 304行业学习教学重点和难点教学重点和难点n（1）材料的发光机理及发光材料的发光特）材料的发光机理及发光材料的发光特征征n（2）光致发光机理）光致发光机理n（3）电致发光机理）电致发光机理n（4）射线致发光机理）射线致发光机理n（5）等离子概念及发光原理）等离子概念及发光原理 305行业学习习习 题题n1、材料的发光机理及发光材料的发光特征、材料的发光机理及发光材料的发光特征？n2、光致发光、电致发光、射线致发光、等、光致发光、电致发光、射线致发光、等离子发光的原理各是什么？离子发光的原理各是什么？n3、什么是等离子体？、什么是等离子体

188、？306行业学习第九章第九章 发光材料发光材料 n发光是辐射能量以可见光的形式出现。n辐射或任何其他形式的能量激发电子从价带进入导带，当其返回到价带时便发射出光子（能量为1.83.1eV）。如果这些光子的波长在可见光范围内，那么，便产生了发光现象。n热辐射与冷光。307行业学习发光材料品种很多，按激发方式发光材料可以分为：发光材料品种很多，按激发方式发光材料可以分为： （1）光致发光材料：发光材料在光（通常是紫外光、红外光和可见光）照射下激发发光。 （2）电致发光材料：发光材料在电场或电流作用下的激发发光。（3）阴极射线致发光材料：发光材料在加速电子的轰击下的激发发光。（4）热致发光材料：发光

189、材料在热的作用下的激发发光。（5）等离子发光材料：发光材料在等离子体的作用下的激发发光。308行业学习材料光吸收的本质 309行业学习9.1 材料的发光机理材料的发光机理 n一、材料的发光机理一、材料的发光机理n1、分立中心发光、分立中心发光(未离化未离化)n发光材料的发光中心（即发光体内部在结构中能发光的分子）受激发时并未离化，即激发和发射过程在彼此独立的、个别的发光中心内部的发光叫做分立中心发光。这种发光是单分子过程，并不伴随有光电导，故又称“非光电导型”发光。分立中心发光有两种情况： 310行业学习图91 分立中心发光（a）自发发光 （b）受迫发光 n（1）自发发光）自发发光。受激发的粒

190、子（如电子）受粒子内部电场作用从激发态A回到基态G时的发光，叫自发发光，如图91（a）所示。n自发发光的特征是，与发射相应的电子跃迁的几率基本上决定于发射体内的内部电场，而不受外界因素影响。 311行业学习n（2）受迫发光）受迫发光。受激发的电子只有在外界因素影响下才发光，叫受迫发光。n受迫发光的特征是，发射过程分为两个阶段，如图9-1(b)所示，受激发的电子出现在受激态M上时，从状态M直接回到基态G上是禁阻的。在M上的电子，一般也不是直接从基态G上跃迁来的，而是电子受激后，先由基态G跃迁到A，再到M态上，M这样的受激态称为亚稳态。受迫发射的第一阶段是由于热起伏，电子吸收能量后，从M态上到A，

191、要实现这一步，电子在M态上需要花费时间，等待机会，从A态回到G态是允许的，这就是受迫发射的第二阶段。由于这种发光要经过亚稳态，故又称为亚稳态发光。 312行业学习n2、复合发光、复合发光(离化离化)n发光材料受激发时分离出一对带异号电荷的粒子，一般为正离子(空穴)和电子，这两种粒子在复合时便发光，叫复合发光。由于离化的带电粒子在发光材料中漂移或扩散，从而构成特征性光电导，所以复合发光又叫“光电导型”发光。n复合发光可以在一个发光中心上直接进行，即电子脱离发光中心后，又回来与原来的发光中心复合而发光，呈单分子过程，电子在导带中停留的时间较短，不超过10-10s，是短复合发光过程。大部分复合发光是

192、电子脱离原来的发光中心后，在运动中遇到其他离化了的发光中心复合发光，呈双分子过程，电子在导带中停留的时间较长，是长复合发光过程。 313行业学习n二、发光材料的发光特征二、发光材料的发光特征n1、颜色特征、颜色特征n不同发光材料有不同的发光颜色。材料的发光光谱(又称发射光谱)可分为下列三种类型：宽带、窄带、线谱。宽带:半宽度半宽度 100nm窄带:半宽度半宽度 50nm线谱:半宽度半宽度 0.1nm314行业学习稀土发光材料315行业学习n2、发光强度特征、发光强度特征n由于发光强度是随激发强度而变的，通常用发光效率来表征材料的发光本领。n发光效率可用量子效率、能量效率及光度效率三种方法表示。

193、n量子效率：发光的量子数与激发源输入的量子数的比值；能量效率：发光的能量与激发源输人的能量的比值；流明效率：发光的流明数与激发源输入的能量的比值 (lm/W)。316行业学习n3、发光持续时间特征、发光持续时间特征n最初的发光分为荧光和磷光两种。荧光是指在激发时发出的光；磷光是指在激发停止后发出的光。n发光总是延迟于激发的。n发光的衰减规律很难用一个参数来表示，硬性规定当激发停止时的发光亮度L衰减到L0的10%时所经历的时间为余辉时间，简称余辉。根据余辉时间的长短，可以划分六个范围：n极短余辉：余辉时间1s的发光。 317行业学习9.2 光致发光材料光致发光材料 n用紫外、可见及红外光激发发光

194、材料而产生的发光称为光致发光，该发光材料称为光致发光材料。n光致发光过程分为三步：吸收一个光子；把激光能转移到荧光中心；由荧光中心发射辐射。n发光的滞后时间约为10-8s的称为荧光，衰减时间大于10-8s的称为磷光。n光致发光材料一般可分为荧光灯用发光材料、长余辉发光材料和上转换发光材料。n按发光驰豫时间分类，光致发光材料分为荧光材料和磷光材料。 318行业学习图92 荧光发射 n一、荧光材料一、荧光材料n冷光发光一般有两种类型：荧光和磷光。当激发除去后在10-8s内发的光称为荧光，其发光是被激发的电子跳回价带时，同时发射光子（见图92）。n荧光效率是荧光材料的重要特征值之一。吸收光转变为荧光

195、的百分数称为荧光效率。荧光效率总是小于1。 319行业学习n荧光效率与激发光波长无关，但荧光强度和激发光强度关系密切。荧光强度等于吸收光强度乘以荧光效率。n光的吸收和荧光发射均与材料的分子结构有关。n产生荧光最重要的条件是分子必须在激发态有一定的稳定性，即能够持续约10-8s的时间。n荧光材料主要是以苯环为基的芳香族化合物和杂环化合物。表 9 - 1 列出了部分荧光材料及它们在某种溶剂中的荧光效率.320行业学习n二、磷光材料二、磷光材料n与发荧光不同，发磷光的材料往往含有杂质并在能隙附近建立了施主能级（图93），当激发的电子从导带跳回价带时，首先跳到施主能级并被捕获。在它跳回价带时，电子必须

196、先从捕获陷阱内逸出，因此延迟了光子发射时间。当陷阱中的电子逐渐逸出，跳回价带并发射光子。n具有缺陷的某些复杂的无机晶体物质，在光激发时和光激发停止后一定时间内 (10-8 s) 能够发光，这些晶体成为磷光材料。n磷光材料的主要组成部分是基质和激活剂两部分。用作基质的有第族金属的硫化物、氧化物、硒化物、氟化物、磷酸盐、硅酸盐和钨酸盐等，如ZnS、BaS、CaS、CaWO3、Ca3(PO4)2用来作激活剂的是重金属。321行业学习图93 磷光发射 n发光强度由下式决定：n驰豫时间：发光材料完成激发所需要的时间。n磷光材料的主要组成部分是基质和激活剂两部分。n磷光材料比荧光材料应用更为普遍一些。一般

197、灯用荧光粉是磷光材料：卤磷酸盐是以锑锰为激活剂的一种含卤素的碱土荧光粉。322行业学习323行业学习324行业学习n卤磷酸盐转换紫外光为可见光的效率较高，发光特性稳定性好，易制成细颗粒，毒性较小，但不能实现光效和光色同时提高。n稀土三基色荧光粉还具有而高负荷、而高温的优异性能。nY2O3:Eu3+效率高、色纯度好、光衰性能稳定。325行业学习n三、上转换发光材料三、上转换发光材料n发光体在红外光的激发下，发射可见光，这种现象称为上转换发光，这种发光体称为上转换发光材料。上转换发光材料差不多都是掺稀土元素的化合物或者就是稀土元素的化合物，它们均由稀土离子激活，其中以Yb3+ - Er3+ 最为常

198、见。可吸收红外光而发出红光的典型发光材料有：YOCl: Yb3+、Er3+ ，Y2O3: Yb3+ 、 Er3+ ，YO3Cl7: Yb、Er，La4Ga2O2: Yb、Er。326行业学习n上转换发光现象有三种情况：上转换发光现象有三种情况：n（1）基态电子在光激发下先跃迁到能量稍高的、寿命）基态电子在光激发下先跃迁到能量稍高的、寿命足够长的中间能态，再吸收另一个光子而跃迁到更高足够长的中间能态，再吸收另一个光子而跃迁到更高的能级，然后向基态跃迁发射出波长比激发光波长更的能级，然后向基态跃迁发射出波长比激发光波长更短的光束。短的光束。n（2）发光体可连续吸收两个光子，使基态电子直接跃）发光体

199、可连续吸收两个光子，使基态电子直接跃迁到比激发光光子的能量大得多的能级，再跃迁回基迁到比激发光光子的能量大得多的能级，再跃迁回基态发射光子。态发射光子。n（3）两个敏化中心被激发，把激发能按先后顺序或同）两个敏化中心被激发，把激发能按先后顺序或同时传递给发光中心，使其中处于基态的电子跃迁到比时传递给发光中心，使其中处于基态的电子跃迁到比激发光光子的能量更高的能级，然后驰豫下来发出波激发光光子的能量更高的能级，然后驰豫下来发出波长短得多的光。长短得多的光。327行业学习n四、光致发光材料的应用四、光致发光材料的应用n主要用于显示、显像、照明和日常生活中。如荧光化妆品、荧光染料等。 328行业学习

200、9.3 电电( (场场) )致发光材料致发光材料 所谓电致发光是在直流或交流电场作用下，依靠电流和电场的激发使材料发光的现象，又称场致发光。这种发光材料称为电致发光材料，或称场致发光材料。329行业学习一一. 电致发光机理电致发光机理1. 本征式场致发光本征式场致发光简单地说，本征式场致发光就是用电场直接激励电子，电场反向后电子与中心复合而发光的现象。2. 注入式发光注入式发光注人式场致发光是由- 族和 - 族化合物所制成的有 p - n 结的二极管，注人载流子，然后在正向电压下，电子和空穴分别由 n 区和 p 区注人到结区并相互复合而发光的现象。又称 p - n 结电致发光。330行业学习n

201、1、本征式电致发光、本征式电致发光n本征式电致发光就是用电场直接激励电子，电场反向后电子与中心(空穴)复合而发光的现象。n本征式电致发光以硫化锌为代表，如图9-4所示。 图94 高场交流电致发光的结构1玻璃；2透明电极；3发光体；4介质；5金属电极 331行业学习n2、注入式电致发光、注入式电致发光 n注入式电致发光是由-族和-族化合物所制成的有p-n结的二极管，注入载流子，然后在正向电压下，电子和空穴分别由n区和p区注入到结区并相互复合而发光的现象。又称p-n结电致发光。np型半导体和n型半导体接触时，在界面上形成p-n结。332行业学习n由于电子和空穴的扩散作用，在p-n结接触面两侧形成空

202、间电荷区，称为耗尽层，形成了一个势垒，阻碍电子和空穴的扩散。如图9-5(a)所示。图9-5 p-n结电致发光原理（a）热平衡状态；（b）加正偏压时的状态 333行业学习n当在p-n结施加正向电压时，如图9-5(b)所示，会使势垒高度降低，耗尽层减薄，能量较大的电子和空穴分别注入到p区或n区，同p区的空穴和n区的电子复合，同时以光的形式辐射出多余的能量。辐射复合可以发生在导带和满带之间，也可发生在杂质能级上。n二、电致发光材料的发光特性二、电致发光材料的发光特性n1、发光亮度、发光亮度n在使用电致发光材料时，最主要的依据是发光亮度随电压的变化规律。电致发光的发光亮度随电压的增加而急剧增高，随后趋

203、于饱和。 发光亮度L与外加电压V的关系为334行业学习n2、发光效率、发光效率n发光过程本身的量子效率被称为内量子效率，由此可知辐射复合是否能竞争过无辐射复合。n内量子效率等于辐射跃迁几率与全部跃迁几率之比。只有当无辐射复合几率远远小于辐射复合几率时，才能获得有效的光子发射。335行业学习n三、电致发光材料的种类三、电致发光材料的种类n直流电压激发的粉末发光材料；n交流电压激发的粉末发光材料；n薄膜型电致发光材料；np-n结型电致发光材料；n高聚物电致发光材料。336行业学习n四、电致发光材料的应用四、电致发光材料的应用n电致发光材料主要用途是制造电致发光显示器件。交流粉末电致发光显示板除了作

204、照明板使用外，主要用作大面积显示。直流粉末电致发光显示板可用来作数字显示器、直流电致发光显示电视（样机）等。发光二极管用途较广。它可以用于数字、文字显示，如小型计算器、电子手表、数字化仪表、记数器以及各种家用电器的显示等。 337行业学习n有机及聚合物电致发光材料现状：有机及聚合物电致发光材料现状：n（1）器件的稳定性差；）器件的稳定性差；n（2）器件的寿命太短；）器件的寿命太短；n（3）发光效率较低，大部分电能转换成）发光效率较低，大部分电能转换成为热能；为热能；n（4）聚合物电导率的最佳值还不清楚；）聚合物电导率的最佳值还不清楚；n（5）发光机理还未完全清楚。）发光机理还未完全清楚。338

205、行业学习n射线致发光材料可分为阴极射线致发光材料和放射线致发光材料两种。n阴极射线致发光是由电子束轰击发光物质而引起的发光现象。n放射线致发光是由高能的、X射线轰击发光物质而引起的发光现象。n一、阴极射线致发光材料一、阴极射线致发光材料n阴极射线致发光材料是指在阴极射线激发下能发光的材料，也称为电子束激发发光材料。9.4 射线致发光材料射线致发光材料 339行业学习n1、阴极射线致发光材料的特征值、阴极射线致发光材料的特征值n阴极射线发光是在真空中从阴极出来的电子经加速后轰击荧光屏所发出的光。n发光包括三个基本过程，即n电离；n电子和空穴的中介运动过程；n电子空穴对复合发光过程。n（1）发光亮

206、度n图9-6为发光亮度随加速电压的变化曲线。n（2）发光效率n（3）辐射光谱特性、余辉时间、颗粒尺寸、稳定性、对屏玻璃的粘着性能、发光颜色和衰减等。340行业学习图96 发光亮度随加速电压的变化曲线341行业学习n2、阴极射线致发光材料的种类、阴极射线致发光材料的种类n阴极射线致发光材料主要是荧光粉与激发剂组成的复合物质，根据基质材料不同分为以下几种：（1）氧化物荧光粉：这类材料以氧化锌为代表应用较广泛。（2）硫化物荧光粉：这类材料以硫化锌和硫化镉为代表，常以银、铜作为激活剂。硫化物荧光粉的优点是亮度高，改变激活剂的用量能够改变发光颜色。（3）硅酸盐荧光粉：这类材料以锰激活的正硅酸锌为代表，优

207、点是具有高度的稳定性，对杂质的污染不敏感，能承受较大的过热和电流。（4）钨酸盐荧光粉：最为典型的钨酸盐荧光粉是 CaWO4: W 。与硅酸盐荧光粉一样性能相当稳定。（5）稀土族荧光粉：这类材料的优点是发光效率高，耐电子和离子的轰击性能好，近些年来发展较快。如Y2O3: Eu发红光，Y2SiO5: Ce发绿光。342行业学习n二、二、X射线致发光材料射线致发光材料n发光原理为：发光材料在X射线照射下发生康普顿效应和吸收X射线，均可产生高速的光电子。光电子经过非弹性碰撞，产生第二、三代电子。这些电子可激发或离化发光中心，发出光来。因而，一个 X 射线的光子可以引起很多个发光光子。343行业学习X

208、射线发光材料在发光材料中使用较早而且其应用量很大，它的主要应用之一是制作 X 射线显示屏。 X 射线发光屏是利用发光材料使 X 光转换为可见光，并显示成像的屏幕。具体地说用发光材料做成荧光屏及增感屏，显示静态及动态图像。 X 射线发光屏有三种应用： 用于 X 射线透视及照相； 由 X 射线像增强器及电视组成的 X 射线显示系统； X 射线扫描及计算机配合组成断层分析系统，也就是常说的 CT 系统。344行业学习9.5 等离子发光材料等离子发光材料 n一、等离子概念及发光原理一、等离子概念及发光原理n等离子体是高度电离化的多种粒子存在的空间，其中带电粒子有电子、正离子，不带电的粒子有气体原子、分

209、子、受激原子、亚稳原子等。由于气体的高度电离，所以带电粒子的浓度很大，而且带正电与带负电粒子的浓度接近相等。345行业学习等离子体具有以下特征：（1）气体高度电离。在极限情况时，所有中性粒子都被电离了。（2）具有很大的带电粒子浓度，一般为10101015个/cm3由于带正电与带负电的粒子浓度接近相等，等离子体具有良导体的特性。（3）等离子体具有电振荡的特性。在带电粒子穿过等离子体时，能够产生等离子激元，等离子激元的能量是量子化的。（4）等离子体具有加热气体的特性。在高气压收缩等离子体内，气体可被加热到数万度。（5）在稳定情况下，气体放电等离子体中的电场相当弱，并且电子与气体原子进行着频繁的碰撞

210、，因此气体在等离子体中的运动可看作是热运动。346行业学习 等离子体发光的基本原理为：n气体的电子得到足够的能量之后，可以完全脱离原子，即被电离。这种电子比在固体中自由得多，它具有较大的动能，以较高的速度在气体中飞行。而且电子在运动过程中与其他粒子会产生碰撞，使更多的中性粒子电离。在大量的中性粒子不断电离的同时，还有一个与电离相反的过程，就是复合现象。如图9-7所示。n复合就是两种带电的粒子结合形成中性原子。在复合过程中，电子将能量以光的形式放出来，即能辐射出频率为的光。347行业学习n另外，正、负两种离子复合也可以发光。采用不同的工作物质可以产生不同波长的光，这种工作物质被称为等离子发光材料

211、。n二、等离子体发光显示屏及材料二、等离子体发光显示屏及材料n主要用作等离子体显示屏。图97 复合发光示意图（a）电子与正离子复合 （b）正负两种离子复合348行业学习本章小结本章小结n1、材料的发光机理及发光材料的发光特征？、材料的发光机理及发光材料的发光特征？n分立中心发光（自发发光、受迫发光）和复合发光（电子与空穴、正离子与负离子）。n发光特征：颜色特征、发光强度特征、发光持续时间特征。n2、光致发光机理？、光致发光机理？n光致发光过程分为三步：吸收一个光子；把激光能转移到荧光中心；由荧光中心发射辐射。n发光的滞后时间约为10-8s的称为荧光，衰减时间大于10-8s的称为磷光。349行业

212、学习n3、电致发光机理？、电致发光机理？n本征式电致发光、注入式电致发光。n4、射线致发光机理？、射线致发光机理？n阴极射线致发光、X射线致发光。n5、等离子概念及发光原理？、等离子概念及发光原理？n等离子体是高度电离化的多种粒子存在的空间，其中带电粒子有电子、正离子，不带电的粒子有气体原子、分子、受激原子、亚稳原子等。n发光机理：电子与空穴复合、正离子与负离子复合。350行业学习第十章第十章 激光材料激光材料 n10.1 激光的基本原理激光的基本原理n10.2 激光材料激光材料 351行业学习教学目标及基本要求教学目标及基本要求n掌握光的吸收和发射，激光的产生，激光工掌握光的吸收和发射，激光

213、的产生，激光工质材料及其特征值质材料及其特征值n熟悉和了解激光工质材料的种类，激光工质熟悉和了解激光工质材料的种类，激光工质材料应用及发展方向，激光调材料应用及发展方向，激光调Q材料。材料。 352行业学习教学重点和难点教学重点和难点n（1）光的吸收和发射）光的吸收和发射n（2）三能级系统）三能级系统n（3）激光的产生及特点）激光的产生及特点n（4）激光工质材料的特征值）激光工质材料的特征值.353行业学习习习 题题n1、光的吸收和发射？、光的吸收和发射？n2、三能级系统？、三能级系统？n3、激光的产生及特点？、激光的产生及特点？354行业学习第十章第十章 激光材料激光材料 n世界上第一台激光

214、器的诞生，使激光技术成为一门新兴科学发展起来，在光学发展史上翻开了崭新的一页。激光的出现极大地促进了光学材料的发展，目前已有数百种新型激光工作物质。 激光材料包括激光工质材料、激光调Q材料、激光调频材料和激光偏转材料。1960年美国科学家梅曼红宝石激光器 355行业学习10.1 激光的基本原理激光的基本原理 n一、光的吸收和发射一、光的吸收和发射n1、波尔兹曼统计分布、波尔兹曼统计分布n根据统计力学原理，大量相同粒子(原子、离子、分子)集合处于热平衡温度下，粒子数按能级的分布服从波耳兹曼分布规律，即nN2、N1分别为能级E2和E1上的粒子数。n在热平衡条件下绝大部分粒子处于基态，即处于低能级上

215、的粒子数总多于高能级上的粒子数，因而受激吸收总占优势。这叫粒子数正常分布。356行业学习n2、光的吸收和发射、光的吸收和发射n辐射与物质的相互作用主要包括受激吸收、自发发射和受激发射。n（1）受激吸收：当一个频率为21的准单色光波通过能隙h21的二能级系数时，若能级满足辐射跃迁选择定则，这时处于低能级E1的原子吸收入射光子，跃迁到高能级E2上(图10-1)。图101 粒子的受激吸收 357行业学习n受激吸收过程造成的粒子数变化速度与入射的单色光能量密度(21)和能级上粒子数N1成正比，即n（2）自发发射自发发射：跃迁到能级E2上的原子是不稳定的，它会自发地通过辐射一个能量的光子返回到E1能级上

216、（图102）。图102 粒子的自发发射 358行业学习n跃迁到E1能级的粒子数速率为n各原子的自发发射是独自进行的，彼此无关。n （3）受激发射受激发射：处于高能级的原子不仅可以自发发射，而且可以在入射频率为21的光子感应下受激发射，跃迁到E1能级上（图103）。图103 粒子的受激发射 359行业学习受激吸收受激吸收360行业学习n受激发射过程所产生的受激发射光子与入射光子有相同的模式。所造成的高能级上粒子数随时间的变化与入射单色辐射能量密度(21)和E2能级上粒子数N2的关系为n3、粒子数反转、粒子数反转n要想使受激辐射占优势或者说占主导地位，就必须使N2N1。如果借助于外界的激励，破坏粒

217、子的热平衡分布，就可能使高能级E2的粒子数N2大于低能级E1的粒子数N1。由于它同正常分布相反，所以叫粒子数反转分布，见图10-4。361行业学习图104 粒子数的分布（a）正常分布 （b）反转分布 n粒子数反转分布的作用在于当外来光辐射时，受激辐射总是大于受激吸收，因而产生了光的放大信号。实验证明，许多物质给予一定激励后，能实现这种反转分布，它为激光的产生提供了基础。 362行业学习激光:亮度高,方向性好,单色性,相干性好 粒子数反转受激发射363行业学习(2E)(4A2)受激吸收受激发射364行业学习二二.激光的产生激光的产生1.激光器的构成 激光器通常由三部激光器通常由三部分构成：分构成

218、：(1).(1).工作物质工作物质(2).(2).激励源激励源(3).(3).谐振腔谐振腔工作物质工作物质工作物质工作物质激励源激励源激励源激励源谐振腔谐振腔谐振腔谐振腔365行业学习红宝石激光器是由掺少量Cr的蓝宝石单晶组成，呈棒状，两端面要求平行。靠近两个端面各放置一面镜子，以便使一些自发发射的光通过激光棒来回反射。其中一个镜子起完全反射的作用，另一个镜子只是部分反射。激光棒沿着它的长度方向被闪光灯激发。大部分闪光的能量以热的形式散失，一小部分被激光棒吸收，用来激发Cr离子到高能级。在宽的频带内激发的能量被吸收；而在6943处三价Cr离子以窄的谱线进行发射，构成输出的辐射，自激光棒的一端（

219、部分反射端）穿出。 红宝石激光器366行业学习n（1）工作物质工作物质：是激光器中借以发射激光的物质，是激光器的核心。红宝石激光器的工作物质是含铬离子（Cr3+）的红宝石。激光是由其中铬离子的2E能级到4A2能级的跃迁发射的。n（2）激励源激励源：为了将工作物质中处于基态的粒子激发到激发态能级，以获得粒子数反转，就需要激励源供给能量。这也是激光器中不可缺少的一部分。不同的激光器有不同的激励源。红宝石激光器中的激励源是脉冲氙灯。n（3）谐振腔谐振腔：激光器两端各有一反射镜，构成一谐振腔。其中一块为全反射，另一块为部分反射，激光从这一端输出。367行业学习n2、三能级系统和四能级系统、三能级系统和

220、四能级系统n（1）三能级系统：图10-5是红宝石中铬离子的简化能级图。三个能级E1、E2、E3中，E2是亚稳态能级。外界激发作用，使得粒子从E1跃迁到E3，处于E3能级的粒子很快通过无辐射跃迁转移到E2。但E2是亚稳态，寿命较长约10-3s，允许粒子久留。随着E1上的粒子不断被跃迁到E3，又很快转移到E2，既然E2允许粒子久留，那么从E2到E1的自发辐射跃迁几率就很小，于是粒子就在E2上积聚起来，从而实现E2与E1两能级间的粒子数的反转。该系统能对诱发光子能量h=E2-E1的光进行放大。 368行业学习图105 三能级系统简图 n（2）四能级系统四能级系统：四能级系统中产生受激辐射的低能级上不

221、像三能级系统那样总有很多粒子，在热平衡条件下可以认为经常是空的。也不是系统中的基态能级，所以容易实现粒子数反转。受激吸收受激发射369行业学习n图10-6为四能级系统简图。图中E4到E3、E2到E1的无辐射跃迁几率都很大；E3到E2，E3到E1的自发跃迁几率又都很小；E3一般是亚稳态能级，寿命较长；E2与E1间的能量差足够大。这样在热平衡状态下就可以认为E2几乎是空的。图106 四能级系统简图 受激吸收受激发射钕玻璃和掺钕钇石榴石钕玻璃和掺钕钇石榴石370行业学习n合适的激励方式将粒子从基态E1激发到E4上去，粒子再从E4无辐射跃迁到E3，并积累起来，在E3和E2间就容易形成粒子数反转而产生受

222、激发射。n钕玻璃和掺钕钇石榴石钕玻璃和掺钕钇石榴石等气体激光工作物质都属于四能级系统。n3、红宝石激光器、红宝石激光器n红宝石是在蓝宝石（Al2O3单晶单晶）中加入0.05% Cr3+离子后得到的产物。Cr3+离子使红宝石呈红色，更重要的是提供了产生激光的所必要的电子能态。通常将红宝石制成柱状，两端为高度抛光互相平行的平面（见图10-7）。其中一个端面部分镀银，能部分透光；另一端面充分镀银，使之对光波有完全反射作用。371行业学习图10-7 红宝石脉冲激光器示意图 n在激光管内，用氙气闪光灯辐照红宝石。红宝石在被辐照之前Cr3+离子都处于基态（见图10-8）。但在氙气闪光灯（波长560nm）照

223、射下，Cr3+中的电子受激转变为高能态，造成粒子数反转。372行业学习图108 红宝石激光器激光发射过程能级图 373行业学习n处于高能态的电子可通过两个途径返回基态：处于高能态的电子可通过两个途径返回基态：n（1）直接从受激高能态返回基态，同时发出光子，由此产生的光不是激光。n（2）受激高能电子首先衰变为亚稳态，停留10-3s后返回基态并发出光子。在电子运动过程中10-3s一般是很长的时间，因此在亚稳态能级上集聚了不少的电子，当有几个电子自发地从亚稳态返回基态时，发射出的光子带动更多电子以“雪崩雪崩”形式返回基态，从而发射出愈来愈多的光子。那些基本平行于红宝石轴向运动的光子，一部分穿过部分镀

224、银端，而一部分被镀银端面反射回来，光波沿红宝石轴向来回传播，强度愈来愈强。这时，从部分镀银端面发射出来的光束就是高度准高度准直的高强度相干波直的高强度相干波，这种单色激光的波长为694.3nm。374行业学习n该激光器主要部分是激光工作物质（Al2O3单晶）和激活物质Cr3+离子提供亚稳态能级，从基态到激发态经亚稳能级构成三能级激光器。n粒子在亚稳态的寿命较长，所以粒子数目不断积累增加，这就是泵浦过程。375行业学习 4、激光的产生及特点、激光的产生及特点 激光的产生过程为激光的产生过程为：当激光工作物质的粒子(原子或分子)吸收了外来能量后，就要从基态跃迁到不稳定的高能态(受激吸收)，很快无辐

225、射跃迁到一个亚稳态能级。粒子在亚稳态的寿命较长，所以粒子数目不断积累增加(泵浦过程)。当亚稳态粒子数大于基态粒子数，即实现粒子数反转分布，粒子就要跌落到基态并放出同一性质的光子，光子又激发其他粒子也跌落到基态，释放出新的光子，这样便起到了放大作用。如果光的放大在一个光谐振腔里反复作用，便构成光振荡，并发出强大的激光。376行业学习5. 激光具有下列特点：激光具有下列特点：（1）相干性好相干性好。所有发射的光具有相同的相位。 （2）单色性纯单色性纯。因为光学共振腔被调谐到某一特定频率后，其他频率的光受到了相消干涉。 （3）方向性好方向性好。光腔中不调制的偏离轴向的辐射经过几次反射后被逸散掉。（4

226、）亮度高亮度高。激光脉冲有巨大的亮度，激光焦点处的辐射亮度比普通光高 1081010 倍。377行业学习10.2 激光材料激光材料 n对激光工作物质的要求是，它有一对有利于产生激光的能级，其中的上能级有足够长的寿命，即粒子被激发到该能级后能在其中滞留较长的时间。因而能在该能级上积累比较多的粒子，与下能级之间形成粒子数反转。同时还要求这一对能级间有一定强度的跃迁，以产生激光。工质材料的质量优劣将直接影响激光器件的性能。n一、激光工质材料的特征值一、激光工质材料的特征值(8)n1、材料的吸收光谱、材料的吸收光谱n材料的吸收光谱直接表征了发光中心与材料的组成、结构的关系，以及环境对它的影响。图10-

227、9为红宝石的吸收光谱，表征基态向高能态跃迁。378行业学习n2、材料的荧光光谱、材料的荧光光谱(发射光谱发射光谱)n图10-10为YAG:Nd3+晶体的荧光光谱。在1.0648m处有一强的荧光峰，它对应于激发态能级向终态（基态）能级的跃迁。图109 红宝石的吸收光谱4A24F1,4F2379行业学习n3、材料的激发光谱、材料的激发光谱n通过激发光谱的测定可以确定有效吸收带的位置，即吸收光谱中哪些吸收带对产生某个荧光光谱带是有贡献的。图10-11是YAG晶体中对Nd3+1.06m荧光的激发光谱。图1010 YAG:Nd晶体在1.06m附近的发射光谱4F3/24I11/2380行业学习n4、荧光量

228、子效率、荧光量子效率n荧光量子效率也就是荧光转换效率，是表征辐射系统功效大小的物理量，也是激光器的重要参数。荧光量子效率0定义为发射荧光的光子数n2与被激活物质从激励源吸收的光子数n1之比，即图1011 YAG:Nd3+的荧光激发光谱381行业学习n荧光能量转换效率荧光能量转换效率E定义为发射荧光的能量与被激活物质从激励源吸收的能量之比，即n荧光转换效率取决于工作物质特性、粒子数跃迁方式及无辐射跃迁几率和辐射跃迁几率等。n5、激发态寿命、激发态寿命n荧光强度随时间衰减规律中的特征参量，通常用表征。当切断外界激励源后，荧光的强度随时间呈指数型衰减： n为粒子在激发态上的停留时间，称激发态寿命(荧

229、光寿命)，即辐射荧光强度衰减到初始值的1/e时所经历的时间。382行业学习n6、激光阈值、激光阈值n维持激光器内激光振荡不停止的最低条件称为激光阈值。下式为常用的激光阈值的表达式：n7、激光输出效率、激光输出效率n以输入激光器的能量Ein作为横坐标，以激光器输出的能量Eout为纵坐标，作出激光器的输出特性曲线（如图10-9）。激光器的效率通常有两种定义，一种叫总体效率t，又称绝对效率，是指输出能量与输入能量之比： n由于特性曲线不是通过原点的直线，所以随输出能量的变化而异。383行业学习n另一种叫斜率效率s，是指当输入功率超过阈值很高时，激光器的输出特性曲线接近直线的直线斜率，它反映了输出功率

230、随输入功率的增长速率。n8、谐振腔的、谐振腔的Q值值nQ值即为谐振腔的品质因数。(激发频率;n激光工作物质的折射率)图1012 激光器的输出特性曲线384行业学习n二、激光工质材料的种类二、激光工质材料的种类n激光工质材料按照材料的性质可以分为固体、气体、液体和半导体四种。n（一）固体激光工作物质（一）固体激光工作物质n固体激光工作物质应具备的基本条件是：(4)n（1）材料应具有合适的光谱特性；n（2）激发态吸收要小；n（3）应具有良好的光学均匀性和稳定性；n（4）应具有良好的物化性能。385行业学习n固体激光工作物质由激活离子和基质两部分构成。n激活离子主要有过渡金属离子(Cu2+)、三价稀

231、土离子(Sm3+)、二价稀土离子和锕系离子(U3+)等四类。n基质包括晶体和非晶体基质两大类。n晶体基质又分为掺杂型、自激活型和色心型掺杂型、自激活型和色心型三种。掺杂型晶体基质是把激活离子掺杂到此基质中；自激活型是把激活离子成为晶体基质的一部分；色心晶体是由束缚在基质格点缺位周围的电子或其他离子与晶格相互作用形成发光中心。n非晶体基质主要是玻璃，如掺钕激光基质玻璃等。386行业学习n（二）气体激光工作物质（二）气体激光工作物质n原子、离子和分子气体三大类，品种很多。n以气体为工作物质的激光器称为气体激光器。n（三）液体激光工作物质（三）液体激光工作物质n含有稀土元素的二元酮有机溶液、有机燃料

232、溶液、稀土元素的无机化合物溶液等三类。n（四）半导体激光工作物质（四）半导体激光工作物质n半导体激光器的作用原理乃是基于电子和空穴的辐射复合现象。半导体激光工作物质有几十种。387行业学习n三、激光工质材料的应用和发展方向三、激光工质材料的应用和发展方向n激光工质材料的发展方向主要有以下几个方面：n（1）发展高功率大尺寸激光工质材料。n（2）提高掺杂浓度和激光功率。n（3）开拓新波段的固体激光材料。n（4）拓宽新的固体可调谐激光材料。n（5）采用敏化技术。n四、激光调四、激光调Q材料材料n激光调Q技术的原理是通过某种方法按规定程序改变腔的Q值，从而获得单个巨脉冲，能使普通脉冲激光器产生瞬时的高

233、峰值。实现这种技术的材料叫调调Q材料材料。 388行业学习本章小结本章小结n1、光的吸收和发射？、光的吸收和发射？n受激吸收、自发发射、受激发射。n2、三能级系统？、三能级系统？n三个能级E1、E2、E3中，E2是亚稳态能级。外界激发作用，使得粒子从E1跃迁到E3，处于E3能级的粒子很快通过无辐射跃迁转移到E2。但E2是亚稳态，寿命较长约10-3s，允许粒子久留。随着E1上的粒子不断被跃迁到E3，又很快转移到E2，既然E2允许粒子久留，那么从E2到E1的自发辐射跃迁几率就很小，于是粒子就在E2上积聚起来，从而实现E2与E1两能级间的粒子数的反转。该系统能对诱发光子能量h=E2-E1的光进行放大

234、。389行业学习n3、激光的产生及特点？、激光的产生及特点？n在氙气闪光灯照射下，红宝石中处于基态的Cr3+中的电子受激转变为高能态，造成粒子数反转。n受激高能电子首先衰变为亚稳态，停留10-3s后返回基态并发出光子。在电子运动过程中10-3s一般是很长的时间，因此在亚稳态能级上集聚了不少的电子，当有几个电子自发地从亚稳态返回基态时，带动更多电子以“雪崩”形式返回基态，从而发射出愈来愈多的光子。那些基本平行于红宝石轴向运动的光子，一部分穿过部分镀银端，而一部分被镀银端面反射回来，光波沿红宝石轴向来回传播，强度愈来愈强。这时，从部分镀银端面发射出来的光束就是高度准直的高强度相干波，这种单色激光的

235、波长为694.3nm。390行业学习n4、激光工质材料的特征值？、激光工质材料的特征值？n材料的吸收光谱；n材料的荧光光谱；n材料的激发光谱；n荧光量子效率；n激发态寿命；n激光阈值；n激光输出效率；n谐振腔的Q值。391行业学习作业作业5n1、光纤材料的结构及特征值？、光纤材料的结构及特征值？n2、荧光材料与磷光材料的区别？、荧光材料与磷光材料的区别？n3、光致发光、电致发光、阴极射线致发光、光致发光、电致发光、阴极射线致发光和等离子发光机理的区别？和等离子发光机理的区别？ n4、用能带结构解释激光工作原理？、用能带结构解释激光工作原理？392行业学习第十一章第十一章 非非线性光学材料性光学

236、材料 n11.1 非线性光学材料的基本原理非线性光学材料的基本原理n11.2 二阶非线性光学材料二阶非线性光学材料n11.3 三阶非线性光学材料三阶非线性光学材料n11.4 有机和聚合物非线性光学材料有机和聚合物非线性光学材料 393行业学习教学目标及基本要求教学目标及基本要求n掌握非线性光学材料的基本原理，二阶非线掌握非线性光学材料的基本原理，二阶非线性光学材料。性光学材料。n熟悉和了解三阶非线性光学材料，有机和聚熟悉和了解三阶非线性光学材料，有机和聚合物非线性光学材料。合物非线性光学材料。 394行业学习教学重点和难点教学重点和难点n（1）非线性光学效应，二阶非线性光学效）非线性光学效应，

237、二阶非线性光学效应举例（倍频，光整流）；应举例（倍频，光整流）；n（2）二阶非线性光学材料的特征值（位相）二阶非线性光学材料的特征值（位相匹配）。匹配）。 395行业学习第十一章第十一章 非线性光学材料非线性光学材料 n非线性光学材料是指对于激光强电场，显示二次以上非线性物理响应的材料。n由于它具有波长变换、增大振幅、开关、记忆等许多元件功能，因此作为21世纪信息处理和光计算技术的基本元件而引人注目。近年来光纤通讯、光信号处理和光计算的发展极大地推动了非线性光学材料的研究。 396行业学习11.1 非线性光学材料的基本原理非线性光学材料的基本原理 n一、非线性光学效应一、非线性光学效应n非线性

238、效应起源于介质的极化。当光通过物质时能使该物质产生诱导极化。当光电场E较弱时，所诱导的极化强度P可表示为n为物质的线性光学极化率。n当像激光这样的强光强光通过物质时，物质的极化强度将出现非线性效应，所诱导的极化可表示为 n(n)为物质的n次非线性极化率。397行业学习n两式对比，式中第一项是线性极化项，第二项以后是非线性极化项。并把所含的(n)项的效应称为n阶非线性光学效应。n由于一般的(2)、(3)等很小，当光电场E小时，就只能看到线性光学效应。当在强激光电场下，高次项不能被忽视，而出现非线性效应。(n)随着n的增大，以约10-6的比例减少，所以四次以上的效应可以忽略不计。n(2)效应只能在

239、没有对称中心的聚集体中观察到,而(3)效应即使在中心对称的聚集体中也能看到.激光出现前无法观察到非线性光学效应.398行业学习n二、二阶非线性光学效应举例二、二阶非线性光学效应举例n入射激光激发非线性晶体的非线性变化，发生光波间的非线性参量的相互作用。基于二阶非线性光学材料的光频转换，由三束相互作用的光波（1、2、3）的混频来决定。399行业学习图111 红外光上转换成可见光 n图111表示红外如何倍频率上转换成可见光的系统。 400行业学习n设光电场为E，频率为，时间为t，两个入射光电场可分别表示为n从光量子系统的能量守恒关系1+2=3，可以得到非线性光学晶体实现激光频率转换的两种类型。 n

240、则二阶极化率P(2)为401行业学习n当1+2=3时，光波参量作用由1和2产生和频光，和频产生的二次谐波频率大于基频光波频率（波长变短），这种过程称之为上转换。n当1=2=，则3=1+2=2，二阶极化率为n光波非线性参量相互作用结果是产生倍频（波长为入射光的一半），若2=21，则3=1+2=31，结果产生基频光3倍数的激光过程。同样，也可产生基频的4倍、5倍乃至6倍频。n而当3=1-2时，所产生的谐波频率减少（波长变长），从可见或近红外激光可获得红外、远红外乃至亚毫米波段的激光。这一过程称为差频或称为激光下转换。402行业学习n当1=2，则3=1-2 =0，二阶极化率为n此时激光通过非线性光学

241、晶体产生直流极化称为光整流。n三、各种非线性光学效应的应用三、各种非线性光学效应的应用n非线性光学效应的应用主要有两个方面：n（1）进行光波频率的转换，即通过所谓倍频、和频、差频或混频，以及通过光学参量振荡等方式，拓宽激光波长的范围，以开辟新的激光光源。n（2）进行光信号处理，如进行控制、开关、偏转、放大、计算和存储等。 n表111具体列出了非线性光学效应及其用途。P171403行业学习表111 各种非线性光学效应及其应用 404行业学习11.2 二阶非线性光学材料二阶非线性光学材料 n二阶非线性光学材料是一类具有大大的二阶非线性极化率，能产生强的二阶非线性光学效应的材料。n一、二阶非线性光学

242、材料的特征值一、二阶非线性光学材料的特征值n1、二阶非线性光学系数、二阶非线性光学系数n在三维空间的情况下，光电场E在直角坐标系中每一个分量Ej（j=x、y、z）在三个坐标轴方向均产生感应极化。所以，介质极化强度的三个分量Pi（i=x、y、z）是由光电场的各个分量Ei产生的极化所组成。因此，三维空间的二次极化率P(2)是Ej和Pi相关的一组物理量的集合，其表达式为405行业学习n二次极化率ijk是一组数的集合，共有27个分量，其中有18个独立分量，并把dil称为二阶非线性光学系数。n二阶非线性光学系数dil由晶体材料所属晶系和均匀性所决定。在非线性光学材料中，不同频率的光波的互相影响和能量转换

243、是通过dil来耦合的，dil值越大，它们之间的耦合作用就越强，dil值既可根据晶体的结构对称性和极化模型从理论上计算出来，也可通过实验测得。 n2、二次谐波的倍频效率、二次谐波的倍频效率SHGn当两个入射光波场的频率相同，即1=2=时，它们和频作用的结果，将产生一频率为两倍于入射光波场的电磁波，这就是倍频效应，入射波称基频波，产生的倍频波称二次谐波。406行业学习n在倍频技术中，倍频光输出功率P2与基频光输入功率P之比称为二次谐波的倍频效率SHG，即n倍频效率SHG是表征非线性光学介质中能量转换特性的重要特征参量，又称二次谐波的转换效率。称为位相匹配因子，P/A称为基频光功率密度。n当位相匹配

244、因子等于1时，SHG与基频光功率密度成正比。当P/A一定时，SHG与非线性介质的长度L和非线性光学系数d的平方成正比。所以一般采用d大的介质作倍频材料，达到提高倍频器件的效率之目的。 407行业学习n3、位相匹配因子和位相匹配、位相匹配因子和位相匹配n（1）位相匹配因子：取值条件：n当k=0时， ，SHG达到最大值；n当k0时，SHG由最大值下降 倍；n当k=2/L时， ，故SHG=0，这时无倍频光输出。n（2）位相匹配：光在介质中传播引起介质的极化所发射的非线性倍频波的相位匹配，是光的加强，而不引起干涉，否则就不能有效辐射出倍频光。要实现位相匹配，要求基频光和倍频光在非线性介质中有相同的传播

245、速度。换句话说，实现位相匹配的条件是介质对基频光的折射率与倍频光的折射率相等。 408行业学习n二、二阶非线性光学材料要求及种类二、二阶非线性光学材料要求及种类n作为理想的二阶非线性光学材料除了应该满足具有非中心对称结构外，还应具有非线性光学系数要大，容易实现位相匹配，材料的光学均匀性好，折射率处处均匀一致，高的透明度，宽的透明波段，强光作用不易发生损伤，光损伤阈值高，易长成大尺寸透明晶体等特性。n二阶非线性光学材料按照其性质可以分为无机晶体材料、半导体晶体材料和有机晶体材料三种。n三、应用三、应用n二阶非线性光学材料主要作为激光频率转换材料和光调制用材料。 409行业学习11.3 三阶非线性

246、光学材料三阶非线性光学材料 n三阶非线性光学材料是指那些在强激光作用下产生三阶非线性极化响应，具有强的光波间非线性耦合的材料。原则上任何结构对称性的材料都具有三阶非线性性能，但惟其具有结构对称中心且具有大的分子或基团的三阶非线性极化材料才能免除二阶非线性的干扰，呈现强的纯三阶效应。n三阶非线性光学材料具有三个主要特征参数：（1）三阶非线性系数；（2）响应时间；（3）光损伤阈值。n三阶非线性光学材料的品质因素可用|(3)|/来表示， 为吸收系数，它反映了材料的光损耗，值越大，材料的品质因素越小。 410行业学习n三阶光学非线性极化率根据测量波长落在材料吸收区还是远离吸收区，分为共振和非共振值。一

247、般共振值要比非共振值高几个数量级。n作为理想的三阶非线性光学材料，(3)非共振值要求大于42pmV-1，工作在光透明区，响应时间小于10-11s量级，这样才能在半导体激光泵浦下实现光开关功能。但目前尚未找到满足这些要求的实用型材料。n三阶非线性光学材料按性质分为气体材料、液体材料、玻璃材料、半导体材料和有机聚合物材料等五类 。n三阶非线性光学材料是处于开发研究中的材料，探索高非线性极化率，超快响应、低损耗的三阶非线性光学材料的工作正在展开。 411行业学习11.4 有机和聚合物非线性光学材料有机和聚合物非线性光学材料 n早期的研究主要集中于无机晶体材料，直到20世纪70年代中期，人们发现某些有

248、机分子有比某些无机晶体更高的二阶非线性系数和更快的响应时间，致使有机和聚合物非线性光学材料的研究迅速发展。有机和聚合物作为非线性光学材料具有许多无机材料所无法比拟的优点： n（1）有机化合物的非线性光学系数要比已经得到实用的无机晶体高12个量级。n（2）有机化合物的非线性光学效应应源于非定域的电子体系，电子激发的响应时间（10-1410-15s），要比晶格快103倍。412行业学习n（3）有机化合物的光学损伤阈值较高。n（4）可根据非线性效应的要求来进行分子设计。n（5）有机材料尤其是聚合物具有优异的可加工性。n一、有机二价非线性光学材料一、有机二价非线性光学材料n常用的有机二阶非线性光学晶体

249、有尿素及其衍生物、甲酸盐类和苯基衍生物。这些材料的主要缺点是：熔点比较低，机械性能差，热稳定性以及抗潮解性不好，生长高质量大尺寸单晶困难等。n二、有机和聚合物三阶非线性光学材料二、有机和聚合物三阶非线性光学材料n这类材料有有机染料类、共轭有机聚合物、有机金属类、电荷转移复合体系和富勒烯分子族。n总的来看，三阶有机和聚合物非线性光学材料距实用化还有一段距离。 413行业学习本章小结本章小结n1、非线性光学材料的基本原理？、非线性光学材料的基本原理？n非线性光学效应，倍频，光整流。n2、二阶非线性光学材料？、二阶非线性光学材料？n二阶非线性光学材料的特征值：二阶非线性光学系数、二次谐波的倍频效率、

250、位相匹配因子和位相匹配。414行业学习第十二章第十二章 光光调制用材料制用材料 n12.1 电光材料电光材料n12.2 磁光材料磁光材料n12.3 声光材料声光材料415行业学习教学目标及基本要求教学目标及基本要求n掌握电光材料，磁光材料。掌握电光材料，磁光材料。n熟悉和了解声光材料。熟悉和了解声光材料。 416行业学习教学重点和难点教学重点和难点n（1）电光效应与电光调制原理：泡克耳斯）电光效应与电光调制原理：泡克耳斯效应、克尔效应；效应、克尔效应；n（2）磁光效应与磁光调制原理：法拉第效）磁光效应与磁光调制原理：法拉第效应、科顿木顿效应、磁光克尔效应；应、科顿木顿效应、磁光克尔效应；n（3

251、）声光效应。）声光效应。 417行业学习第十二章第十二章 光调制用材料光调制用材料 n“调制”是指采用某种方法把需要传递的信息加到信息载体上的过程。激光调制技术中按激光基波被信号所改变的参量不同又可分为振幅调制、频振幅调制、频率调制、位相调制和脉冲调制率调制、位相调制和脉冲调制。n实现激光束的快速控制的方法有机械法和光学法两种。光学法控制激光束是利用某些光学介质在外场作用下，其光学性质将发生显著的变化，从而使通过介质的激光束（光）的某些特性随之变化。这类能使激光束实现调制的光学介质称之为（激）光调制用材料。418行业学习n按照控制光束的不同作用机理，光调制用材料又可分为电光材料、磁光材料和声光

252、材料三种。n当一束光通过各向异性晶体时，则光被弯曲，同时产生二束光，这就是所谓的双折射（见图121）。实验发现，当光通过某种晶体的某个方向时，并不产生双折射，这个方向称为晶体的晶轴。n双折射中的二束光均为偏振光（由于各种原因导致光的电场矢量振动在某些方向上减弱，而在另一些方向上加强，电场矢量振动传播在空间内的分布不均匀的光），其中一束偏振光速度变化符合折射定律，称为常光，简写为o光，而另一束不符合折射定律，称为非常光，简写作e光。 419行业学习图121 各向异性材料中的折射图中v为紫光 r为红光 双折射420行业学习12.1 电光材料电光材料 n在外加电场的作用下，介质折射率发生变化的现象称

253、为电光效应，具有电光效应的介质称为电光材料。n一、电光效应与电光调制原理一、电光效应与电光调制原理n设外加偏置电场为E，介质折射率n和E的关系一般可以展开为级数形式naE是一次项，由此项引起的折射率变化称为一级电光效应，或称泡克耳斯效应；由二次项bE2引起的电光效应称为二次电光效应，或克尔效应。 421行业学习n（1）泡克耳斯效应指介质折射率的变化与外电场强度成正比，其数学表达式可精确表示为n该效应发生在不具有对称中心的一类晶体材料中。n（2）克尔效应指介质折射率的变化与外电场强度的平方成正比，其数学表达式为n克尔效应发生在一些各向同性的介质中。 n产生电光效应的实质是在外电场作用下，构成物质

254、的分子产生极化，使分子的固有电矩发生变化，从而介质的折射率也就起了变化。因为介电常数介电常数极化率极化率422行业学习n电光材料主要用作光调制器。如图122所示，电光晶体材料放在两片正交偏振片之间，在检偏振片的前面插入一片/4波片。当激光束通过时，加在晶体上的交变电压使晶体折射率变化，通过晶体的o光和e光发生相位差，引起出射光强度变化。图122 电光晶体的光调制方式示意图 423行业学习n当两个偏振器的偏振方向平行或反平行时，I=I0，光最强。如果它们的方向彼此垂直，则I=0，即光线没有从检偏器通过。因此，当用电场控制偏振方向时，便可控制通过光的强度。n只要将电信号加到电光晶体材料上，激光便被

255、调制成载有信息的调制光。使光由完全不透到透过最大，需产生半个波长的相位延迟。使晶体材料中两束偏振光产生半个波长相位延迟所加的电压叫半波电压V/2，V/2与折射率的立方成反比，而且材料的电光系数越大，其相应的半波电压也就低。电光系数和半波电压是电光材料的两个重要的特征参数。n二、电光材料的特点及种类二、电光材料的特点及种类n根据电光效应的特征，电光材料分为泡克耳斯材料和克尔材料两种。424行业学习n优良的电光材料应该具有大的电光系数，高的折射率和低的半波电压。迄今使用的电光材料以无机块状晶体为主，族半导体和有机聚合物材料亦在迅速发展中。 n常用的电光晶体有以下几种：n（1）KDP（磷酸二氢钾）型

256、晶体。n（2）立方系钙钛矿型晶体。n（3）铁电性钙钛矿型晶体。n（4）闪锌矿型晶体。n（5）钨青铜型晶体。n三、电光材料的应用三、电光材料的应用n主要用作激光调制器、扫描器和激光调Q开关以产生巨脉冲激光。425行业学习12.2 磁光材料磁光材料 n磁光材料是指在磁场作用下，入射光经过材料时会发生某些性质的变化的材料。n一、磁光效应与磁光调制原理一、磁光效应与磁光调制原理n材料在外加磁场作用下呈现光学各向异性，使通过材料的光波偏振态发生改变，称为磁光效应。磁光效应共有以下几种：n1、法拉第效应、法拉第效应n偏振光通过某些透明物质时，偏振光的偏振面将发生旋转的现象，称为旋光效应。用人工方法产生旋光

257、现象的方法之一是磁致旋光，通常称为法拉第旋转效应（图123）。平行于磁场方向射入的线偏振光，通过磁场中透明样品时，其偏振面的旋转角为426行业学习图123 法拉第旋转效应 n磁致旋光效应是由于物质内部原子或分子中的电子，在强大的外磁场作用下引起旋进式运动所致。n2、科顿木顿效应、科顿木顿效应n在强磁场作用下，一些各向同性的透明磁介质呈现出双折射性，这一现象称为科顿木顿效应，又称磁致双折射效应。n由磁致双折射效应所产生的双折射率与磁场强度的平方成正比，即427行业学习n磁致双折射效应是分子在外磁场作用下产生定向排列所致。这种效应仅在少数纯液体中表现得较明显，而在一般固体中是不明显的。 n3、磁光

258、克尔效应、磁光克尔效应n一束线偏振光在磁化了的介质表面发射时，反射光将成为椭圆偏振光，且椭圆的长轴为标志的偏振面相对于入射线的偏振面将旋转一定的角度，这种磁光效应称为克尔效应。n根据光入射面与介质磁化方向的关系可分为极向、横向和纵向克尔效应。n极向和纵向克尔磁光偏转都正比于磁化强度，偏振面的旋转方向与磁化强度方向有关，具体情况见图124。 428行业学习图124 磁光克尔效应 n4、光磁效应、光磁效应n物质受到光照后磁性能发生变化的现象称为光磁效应。n磁光效应，特别是法拉第效应，已被用来制作各种磁光调制器。其作用原理是利用调制信号去控制磁场强度的变化，使介质中通过的光的偏振面发生相应的周期性变

259、化，再经检偏器转化成光强度的变化，从而实现光的强度调制（图125）。429行业学习图125 磁光调制器示意图 n二、磁光材料的特点及种类二、磁光材料的特点及种类n磁光材料最重要的特征值是维尔德常数V和材料的光损耗系数。磁光材料的品质因素Q=V/。优良的磁光材料应该具有大的V和小。n磁光材料分为晶体材料、玻璃材料和液体材料。n三、磁光材料的应用三、磁光材料的应用430行业学习12.3 声光材料声光材料 n当声波在介质中通过时，由于光弹效应，介质的密度随声波振幅的强弱而产生相应的周期性的疏密变化，它对光的作用犹如条纹光栅。此时光束若以适当角度射入晶体（光栅）内即产生衍射现象。这种声致光衍射现象称声

260、光效应。具有声光效应的材料叫声光材料。n一、声光作用和声光调制原理一、声光作用和声光调制原理n按照超声波频率的高低和声光作用长度的不同，声光作用可以分为布拉格衍射和拉曼奈斯衍射。 431行业学习图126 布拉格实验装置 n布拉格实验装置如上图所示，是X射线衍射仪的原型。X射线照射晶体，电子受迫振动产生相干散射；同一原子内各电子散射波相互干涉形成原子散射波。由于晶体内各原子呈周期排列，因而各原子散射波间也存在固定的位相关系而产生干涉作用，在某些方向上发生相长干涉，即形成衍射波。由此可知，衍射的本质是晶体中各原子相干散射波叠加（合成）的结果。超声波面超声波面432行业学习n衍射波的两个基本特征衍射

261、线（束）在空间分布的方位（衍射方向）和强度，与晶体内原子分布规律（晶体结构）密切相关。n1、布拉格衍射、布拉格衍射n当超声波的波长较短（高频超声），声束宽，光线以与超声波面成布拉格角方向入射，则可发生与晶体对X射线衍射完全相同的情况，即产生布拉格衍射。如图127所示，入射光以入射时，又以同样的角度反射。布拉格角与一级衍射光强度I1分别为光波波长声波波长超声光栅幅度:相移433行业学习nI0为入射光强度；为光波波长；s为声波波长；为超声光栅幅度，也称相移。n在布拉格衍射中，只出现0级和1级衍射光，故可以获得较高的能量利用率。图127 布拉格衍射 434行业学习图128 拉曼奈斯衍射 n2、拉曼奈

262、斯衍射、拉曼奈斯衍射n声波波长较长，声束窄，光线平行声波面入射时，可产生多级衍射，即拉曼奈斯衍射，见下图。n以入射光前进的方向的0级衍射光为中心，产生前后呈对称分布的1级、2级等高次衍射光。 435行业学习图129 声光调制器示意图 n由图129可见，声光调制器由四部分组成：n（1）驱动电声换能器工作的电子线路系统。n（2）将电信号转换成声信号的换能器，称声振荡器，它是由压电晶体或压电半导体材料构成。n（3）光波和声波相互作用的场所声光介质，一般为固体材料，有时也用液体材料。n（4）由吸声材料构成的声吸收器。 436行业学习n二、声光材料特征值及特点二、声光材料特征值及特点n1、衍射效率、衍射

263、效率n布拉格型声光器件的衍射效率为n2、品质因素、品质因素n三个品质因素，即表征带宽的M1，表征介质衍射效率的M2，表征声光偏转器可分辩点数的M3。n3、声吸收系数、声吸收系数n声吸收系数与角频率的平方、温度、热导率成正比，与密度和声速的5次方成反比。437行业学习n理想的声光材料应该具有品质因素大、对激光波长透明、对光吸收和对声波的吸收要小、介质在光学上均匀、声速随温度变化小、物理化学性质稳定和机械强度高等性能。n三、声光材料种类三、声光材料种类n常用的声光材料有晶体、玻璃和液体三类。n1、声光晶体n2、声光玻璃n3、液态材料n四、声光材料的应用四、声光材料的应用n声光材料主要应用于以下几个

264、方面：（1）声光调制器；（2）声光偏转器；（3）声光滤波器；（4）应用于信息方面的声光器件。 438行业学习本章小结本章小结n1、电光材料？、电光材料？n电光效应与电光调制原理：泡克耳斯效应、克尔效应。n2、磁光材料？、磁光材料？n磁光效应与磁光调制原理：法拉第效应、科顿木顿效应、磁光克尔效应。n3、声光效应？、声光效应？439行业学习第十三章第十三章 红外材料外材料 n13.1 红外线的基本规律红外线的基本规律n13.2 红外辐射材料红外辐射材料n13.3 透红外材料透红外材料 440行业学习教学目标及基本要求教学目标及基本要求n掌握红外线的基本规律，红外辐射材料。掌握红外线的基本规律，红外

265、辐射材料。n熟悉和了解透红外材料。熟悉和了解透红外材料。 441行业学习教学重点和难点教学重点和难点n（1）普朗克定律和维恩定律、斯蒂芬波）普朗克定律和维恩定律、斯蒂芬波尔兹曼定律、基尔霍夫定律尔兹曼定律、基尔霍夫定律n（2）发射率和光谱发射率）发射率和光谱发射率n（3）影响材料发射率的因素）影响材料发射率的因素n（4）透红外材料）透红外材料 442行业学习第十三章第十三章 红外材料红外材料 n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。n红外透射和辐射材料。n红外探测材料。 443行业学习13.1 红外线的基本规律红外线的基本规律 n红外线是英国赫舍尔在1800年发

266、现的。n红外线是波长在0.761000m之间的电磁波。n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：0.763m为近红外；36m为中红外区；615m为远红外区；151000m为极远红外区。 n红外线的辐射起源于分子的振动和转动，而分子的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。n常用的热辐射基本定律主要有五个。 444行业学习n1、普朗克定律和维恩定律、普朗克定律和维恩定律n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n在0K时，M趋于0。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，

267、又随波长增加而下降。n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max。n此式称为维恩定律。物体温度越高，其辐射出射度的光谱密集度峰值越向波长较短的一侧移动。 445行业学习n2、斯蒂芬玻尔兹曼定律、斯蒂芬玻尔兹曼定律n该定律确定黑体辐射出射度与绝对温度的四次方成正比关系，即n该定律也可应用于任何热辐射体，即n3、基尔霍夫定律、基尔霍夫定律n基尔霍夫定律确定了物体辐射出射度M和吸收率之间的关系，即：发射率发射率n任何辐射体的辐射出射度和吸收率之比相同并恒等于同温下黑体的辐射出射度，且只和温度有关446行业学习n由上两式代入运算可得n该式表明，若物体对某种波长的辐射有很强的吸收

268、能力，则它对这种辐射的发射能力也很强。n4、朗伯定律、朗伯定律n朗伯定律确定了黑体沿个别方向的辐射变化，即一定方向上单位面积(dF1)单位立体角(d)内的辐射能通量(d2)与该方向同表面法线方向的夹角()的余弦成正比。其数学表达式为 447行业学习13.2 红外辐射材料红外辐射材料 n理论上，任何物体在0K以上均可辐射红外线，但工程上，红外辐射材料只指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、热-“发光”混合型三类。n一、有关发射率的概念一、有关发射率的概念n红外辐射材料的辐射特性决定于材料的温度和发射率。发射率是红外辐射材料的重要特征值。n热平衡辐射体：当一

269、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，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的。448行业学习n根据不同的情况，发射率()可分为以下几种。n1、发射率、发射率和光谱发射率和光谱发射率()n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切波长的能量，在给定温度下，从它表面发射的辐射出射度比同一温度下黑体的辐射出射度更小。n发射率：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。n光谱发射率()：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。n黑体：=1，()=1；实际物体：

270、1，()1；灰体：=()1，与波长无关；选择性辐射体：()1，其发射率随波长变化 。449行业学习图131 三类辐射体的单色发射率 n2、法向发射率、法向发射率nn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，即垂直于辐射面方向的发射率。除了个别情况外，一般来说，半球向发射率与法向发射率之间的差别较小。450行业学习n二、影响材料发射率的因素二、影响材料发射率的因素n当红外辐射辐射到任何一种材料的表面上时，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()。因

271、此n根据基尔霍夫定律n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。n材料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，在长波段则与晶格振动特性有关。451行业学习n红外辐射机制:分子转动或振动而伴随着电偶矩的变化而产生的。组成材料的元素、化学键形式、晶体结构、晶体中存在的缺陷等因素会影响材料的发射率，具体如下：n1、材料本身结构本身结构对其发射率的影响n2、材料的发射率随辐射波长辐射波长的变化n3、原材料预处理工艺料预处理工艺对发射率的影响n4、发射率与温度温度有关n5、发射率受材料表面

272、状态表面状态的影响n6、材料的体因素体因素对发射率的影响n7、材料的发射率随工作时间工作时间而变化452行业学习n1、材料本身、材料本身结构结构对其发射率的影响对其发射率的影响 一般说金属导电体的值较小，电介质材料的值较高，这是因为构成金属和电介质材料的带电粒子及其运动特性不同，材料的电性和发射红外辐射的性能就不同，而这往往与材料的晶体结构有关。n2、材料的发射率随、材料的发射率随辐射波长辐射波长的变化的变化 多数红外辐射材料发射红外线的性能，在短波主要与电子在价带至导带间的跃迁有关；在长波段主要与晶格振动有关。晶格振动频率取决于晶体结构、组成晶体元素的原子量及化学键特性。 453行业学习n图

273、13-2为600和1025情况下SiC的单色发射率曲线。由图可见，SiC在12m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。图132 纯SiC的单色发射率与波长的关系n3、原材料预处理工艺对发射率的影响、原材料预处理工艺对发射率的影响454行业学习n4、发射率与、发射率与温度温度有关有关n图13-3描述了一些材料的温度特性。电介质材料的发射率较金属大得多。图133 各种材料的发射率和温度特性455行业学习n5、发射率受材料、发射率受材料表面状态表面状态的影响的影响n一般来说，材料表面愈粗糙，其发射率愈大。图13-4为铝的发射率与表面粗糙度间的关系。图13-4 涂层粗糙度对铝的发射

274、率的影响200K300K370K456行业学习n图13-5所示为表面粗糙度对铝的发射率的影响。图135 表面粗糙度对铝的发射率的影响236oC，法向发射率，法向发射率氧化膜层引起氧化膜层引起457行业学习n6、材料的、材料的体因素体因素对发射率的影响对发射率的影响n材料的体因素包括材料的厚度、填料的粒径和含量等等。图13-6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。图13-6 （0.115cm）厚度玻璃的半球向全发射率和温度特性458行业学习n7、材料的发射率随、材料的发射率随工作时间工作时间而变化而变化n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，

275、从而引起成分及结构的变化，将使材料的发射率改变。表13-1列举了一种高温搪瓷的发射率。图131 一种高温搪瓷的发射率459行业学习n三、红外辐射材料的种类三、红外辐射材料的种类n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。n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。n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。n四、红外辐射涂料的应用四、红外辐射涂料的应用n1、用于热能利用方面：红外加热（IR）、耐火材料。

276、n2、用于航天领域：航天器用红外辐射涂层。n3、用于军事目的：防红外伪装涂层、红外诱饵器。 460行业学习13.3 透红外材料透红外材料 n透红外材料指的是对红外线透过率高的材料。n一、透红外材料的特征值一、透红外材料的特征值n1、透过率、透过率n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。n2、折射率和色散、折射率和色散n不同用途对材料有不同要求。n3、发射率、发射率n要求尽量低，以免增加红外系统的目标特征。 461行业学习n二、透红外材料的种类二、透红外材料的种类n1、透红外晶体材料n透红外晶体材料包括离子晶体和半导体晶体两种。n2、玻璃材料n氧化物玻璃和非氧化物玻璃两种。

277、n3、热压多晶材料n4、红外透明陶瓷n5、透红外塑料 n6、金刚石和类金刚石膜n三、应用三、应用n透红外材料是用来制造红外光学仪器透镜、棱镜、滤光片、调制盘、窗口、整流罩等不可缺少的材料。462行业学习本章小结本章小结n1、红外线的基本规律？、红外线的基本规律？n普朗克定律和维恩定律、斯蒂芬波尔兹曼定律、基尔霍夫定律。n2、红外辐射材料？、红外辐射材料？n发射率和光谱发射率，影响材料发射率的因素。n3、透红外材料？、透红外材料？463行业学习第十四章第十四章 光信息材料光信息材料 n14.1 全息材料全息材料n14.2 光盘材料光盘材料464行业学习教学目标及基本要求教学目标及基本要求n熟悉和

278、了解全息材料，光盘材料。熟悉和了解全息材料，光盘材料。465行业学习教学重点和难点教学重点和难点n（1）光信息材料）光信息材料n（2）全息材料）全息材料n（3）光盘材料）光盘材料466行业学习第十四章第十四章 光信息材料光信息材料 n光信息材料是指光信息存储材料。n光信息存储技术特点： （1）信息存储密度高 （2）易于快速随机存取 （3）能存储图像与数字两种信息n光信息存储技术分全息存储和逐点存储两类。 467行业学习n全息存储是利用全息照相原理将信息存储在记录介质(全息材料)中，读出时通过光电探测器将光信号再转变成电信号输出。n逐点存储是通过受信号调制的激光束与记录介质(光盘材料)相互作用时

279、产生的状态变化(熔化、相变)逐点记录信号的，读出时再用激光束投射到记录介质表面，从发射光的强度变化中读出信息。468行业学习14.1 全息材料全息材料 n全息照相技术是一种与普通照相术完全不同的照相技术。n普通照相是利用透镜成像原理，在感光胶片上记录被拍摄物体表面光强分布的平面像，只能从一定角度、一个侧面反映被拍摄物体。n全息照相术是利用光的干涉和衍射现象，在照相干板和胶片上以干涉条纹形式把图像记录下来，然后用光照射这种干板，就能以立体形式再现物体的原来图像。记录了物体的全部信息（振幅和相位）。 469行业学习n(a)中从点光源发出的相干激光束A与从另一方向射来的激光束B在照相干板上叠加而产生

280、干涉，形成(b)、(c)所示的干涉条纹。如果将这种干板显影，则可变成一种衍射光栅，即全息照片。n如果将全息照片置于原来的位置，并在与记录干涉条纹时参考照射的方向相同的方向上用相干光照射，则此照射光在显影了的干板上被衍射。由(d)可知，在衍射光栅的栅格间距小的地方，光的衍射角大；在衍射光栅的栅格间距大的地方，光的衍射角小。结果，整个衍射光就好像从原来点光源所在位置传播过来的方向上被衍射。n一、全息术基本原理一、全息术基本原理470行业学习图14-1 全息照相术的基本原理 叠加形成干涉条纹叠加形成干涉条纹,显影后得全息照片显影后得全息照片参参照照光光衍衍射射光光栅栅471行业学习n同理，非常复杂的

281、干涉条纹被记录下来，如果用相干光照射物体时，光在与原物体存在时相同的方向上被衍射。在物体原来所在的位置上将出现它的像，这就是全息照相术的基本原理。n二、全息图的分类二、全息图的分类n全息图分类的依据为：记录全息图所采用的几何配置的方式；强加在照明光波上的调制的类型；记录材料的厚度和成像方法。表14-1列出了全息图的分类。n表中各类全息图中的任何一种，可被记录成厚全息图或薄全息图。薄全息图亦称平面全息图，它的记录介质的厚度比所记录的条纹间隔要小。厚全息图亦称体积全息图，其记录介质的厚度等于或大于所记录的条纹间隔。472行业学习表141 全息图的分类 473行业学习n通常用参量Q来区分体积全息图和

282、平面全息图。n：照明光波长；n和d：记录材料的折射率和厚度；：被记录到的条纹间隔。n一般把Q10的全息图看作体积全息图，而把其余情况下的全息图看作平面全息图。n根据再现照明波的衍射机理，全息图分为振幅型全息图和位相型全息图。n三、全息材料的特征值三、全息材料的特征值n1、曝光量、曝光量n曝光量：在全息材料表面上单位面积所接受的光能多少，它等于光强度与曝光时间的乘积，即474行业学习n2、衍射效率、衍射效率n衍射效率等于总的有效成像光强度衍射与用来照明全息图的总光强度入射之比，即n3、灵敏度和光谱灵敏度、灵敏度和光谱灵敏度n灵敏度是指全息材料在接受光的作用后，其反应的敏感程度，即nV：曝光强度的

283、条纹反衬度；H：平均曝光量n上式表明，在获得相同的衍射效率的情况下，所需的V值和H值愈小时愈敏感。475行业学习n每种全息材料都有一波长的红限，波长大于红限的光不能与材料起光化学反应；另外每种全息材料都有它自己的吸收带，在吸收带内的波长才能起光化学作用，这就是光谱灵敏度。n4、分辨率、分辨率n全息材料的分辨率是指它所能记录的光强空间调制的最小周期，其单位是cy/mm。n四、全息材料的种类四、全息材料的种类n常用的全息材料有卤化银乳胶、重铬酸盐明胶、光导热塑料、光致抗蚀剂、光致变色材料、光致聚合物、光折变材料等7种。n五、全息材料的应用五、全息材料的应用n全息材料主要用于干涉计算、材料与元件的无

284、损检测、制作防伪商标和图书资料的高密度存储。476行业学习14.2 光盘材料光盘材料 n与塑料软盘、固定磁盘和磁带相比，光盘具有记录密度高，非接触，可靠性高和使用寿命长等优点。可作为计算机的档案库或数据库的文件存储器，能将正文、图形图表和语言等信息编写统一的数字信号再进行存取。n光盘材料：光盘所用的材料，是一种具有记录、存储和读出功能的材料。光盘材料由光盘基板材料和光记录材料两部分组成。n一、光盘记录和读出原理一、光盘记录和读出原理n光盘上的信息位由激光束径准直、整形、分束和聚焦后产生的微小光斑进行擦除、记录和读出。图14-2是随录随放光盘记录/读出系统框图。477行业学习图142 随录随放光

285、盘系统原理图 激光束成为激光束成为载有信息的载有信息的激光脉冲激光脉冲会聚成光斑会聚成光斑与介质作用与介质作用蚀成孔或形成相变蚀成孔或形成相变478行业学习图143 光盘采用的七种光记录形式示意图 烧蚀凹坑式烧蚀凹坑式两种不同材料薄两种不同材料薄膜作用形成合金膜作用形成合金绒面绒面-镜面结构镜面结构激光作用熔化成平面小颗粒变大小颗粒变大起泡式记录起泡式记录下层为易汽化的聚合物薄膜相变型材料相变型材料:晶型转变为非晶态晶型转变为非晶态变态型材料变态型材料:非晶态微观结构变化非晶态微观结构变化479行业学习n在激光记录时，光盘表面产生的光斑因记录介质的不同有烧蚀坑、鼓泡和绒面镜面等七种光记录形式，

286、如图14-3所示。n二、光盘分类及结构二、光盘分类及结构n按功能分为可擦除光盘和不可擦除光盘。不可擦除光盘又分为只读型和一次写入多次读出型。n光盘结构有单层膜型（图144）、三层膜消反射型（图145）和空气“夹心饼”型（图14-6）三种形式。图144 单层膜型光盘结构480行业学习图145 三层膜消反射型光盘结构完全吸收入射光完全吸收入射光消反射结构消反射结构改善光热转换效率改善光热转换效率481行业学习n三、光盘基板材料三、光盘基板材料n光盘对基板材料的主要要求是：透光性好，很小的双折射性，良好的物理和化学稳定性，基板上的记录膜不发生剥离，价格便宜。n光盘基板材料主要有无机材料和高分子材料。

287、n四、光记录材料四、光记录材料n光记录材料是光盘材料的核心，应有高灵敏度、高分辨率、高信噪比、随录随放功能、高抗缺陷性以及使用寿命长等性能。图146 空气“夹心饼”式光盘结构482行业学习n1、不可擦除的光记录材料、不可擦除的光记录材料n主要要求是：所记录的比特尺寸应足够小，约为1m；记录能量适中；记录和非记录区信号对比度大；介质噪声小；介质物理化学性能稳定，信息存储寿命长。n不可擦除光记录材料可简单地分为碲系记录材料和非碲系记录材料两种。n2、可擦除的光记录材料、可擦除的光记录材料n可擦除型光记录材料按记录信息的不同机理分为变态型、相变型、磁光型和光致变色型四种。n五、光盘材料的应用及发展趋

288、势五、光盘材料的应用及发展趋势n光盘材料主要用于制造光盘。n光盘材料的发展趋势。483行业学习本章小结本章小结n1、光信息材料？、光信息材料？n2、全息材料？、全息材料？n3、光盘材料？、光盘材料？484行业学习作业作业6n1、利用二阶非线性光学效应解释倍频和光整流现象？n2、电光材料与磁光材料的区别？n3、电光材料与光电材料的区别？ n4、请说明普朗克定律和维恩定律、斯蒂芬玻尔兹曼定律和基尔霍夫定律的意义？485行业学习第十五章第十五章 隐身材料身材料 n15.1 隐身技术隐身技术n15.2 微波隐身材料微波隐身材料n15.3 红外隐身材料红外隐身材料n15.4 激光、声和多功能隐身材料激光

289、、声和多功能隐身材料 486行业学习教学目标及基本要求教学目标及基本要求n掌握隐身技术，微波隐身的基本原理，涂敷掌握隐身技术，微波隐身的基本原理，涂敷型吸波材料，红外隐身的基本原理，近红外型吸波材料，红外隐身的基本原理，近红外隐身材料，中远红外隐身材料，激光隐身材隐身材料，中远红外隐身材料，激光隐身材料。料。n熟悉和了解结构型吸波材料，声隐身材料，熟悉和了解结构型吸波材料，声隐身材料，红外和微波兼容隐身材料；红外和激光兼容红外和微波兼容隐身材料；红外和激光兼容隐身材料。隐身材料。 487行业学习教学重点和难点教学重点和难点n（1）隐身技术）隐身技术n（2）微波隐身的基本原理及涂敷型吸波材）微波

290、隐身的基本原理及涂敷型吸波材料料n（3）红外隐身的基本原理、近红外隐身材）红外隐身的基本原理、近红外隐身材料和中远红外隐身材料料和中远红外隐身材料n（4）激光隐身的基本原理及激光隐身材料）激光隐身的基本原理及激光隐身材料488行业学习第十五章第十五章 隐身材料隐身材料 n我国古代就有“隐身法”的传说。n在士兵的装备和武器上也采用了各种形式来达到“隐身”，其基本的办法就是伪装和诱骗。n随着现代军事技术发展，雷达、毫米波、红外、激光、声波等现代探测和制导技术大量应用于武器系统中，给飞机、舰艇、坦克和其他武器的生存造成了极大的威胁。为了提高武器的生存和突防能力，形成了一项专门技术隐身技术。 n武器的

291、隐身技术是一门综合性的应用科学技术。n隐身技术：凡是能使军事目标的各种可探测的目标特征减少或迷盲的技术。15.1 隐身技术隐身技术489行业学习n隐身技术分为主动隐身技术和被动隐身技术。n主动隐身技术是采用各种主动措施如干扰、假目标、烟幕、地形匹配等使敌方的探测手段受到迷惑而无法识别目标。n被动隐身技术是指武器系统的设计和使用过程中，降低其作为目标特征的技术。n按目标特征，隐身技术又可分为可见光、雷达或微波、红外、激光、声隐身技术。n隐身技术概念的明确提出虽然较晚，而武器的伪装和遮障则很早就已应用。这些都是可见光隐身技术，不属于现代隐身技术。现代可见光隐身技术也称低视觉信号技术，主要有迷彩伪装

292、、烟幕伪装、假目标和低尾迹等技术。490行业学习n微波或称雷达隐身技术是研究较早和发展最快的现代隐身技术。 n红外隐身技术是现代隐身技术中越来越重要的技术领域，因为现代探测遥感手段主要是雷达、红外、光学、声波四种类型。n20世纪80年代中期以来，红外探测和制导技术迅速发展，红外型探测器仅次于雷达，约占30%，而在精确制导武器中，红外制导的占60%，红外隐身技术按波段可分为近红外（0.762.6m）和中远红外（主要是35m和814m）两类。n近红外隐身技术主要用于静止、常温目标，研究进展较大 。中远红外隐身技术主要用于运动、高温目标，但难度较大，进展较慢。491行业学习n声隐身技术和激光隐身技术

293、是现代隐身技术的两个开展研究较晚的领域。n隐身技术作为一项高技术，与激光武器、巡航导弹被称为军事科学上最新的三大技术成就。n隐身材料是隐身技术的重要组成部分。广义来说，凡是隐身技术用的材料都可认为是隐身材料。n隐身材料：在武器系统的使用和设计过程中，降低其目标特征的材料。n对应于隐身技术的分类，隐身材料分为微波、可见光、红外、激光、声和多功能隐身材料。 492行业学习15.2 微波隐身材料微波隐身材料 n一、微波隐身的基本原理一、微波隐身的基本原理n雷达是探测武器特别是飞行器的最可靠方法。雷达是利用电磁波发现目标并测定其位置的设备。电磁波在传播过程中遇到阻碍物将产生散射。这是雷达发现目标的依据

294、。电磁波具有恒速、定向传播的规律，是测定目标距离和方向的依据。n雷达的工作波段绝大多数在微波波段，故称微波隐身。微波一般是指波长从1m到1mm的电磁波，相应的频率范围为0.3300GHz。有人把1mm0.1mm的波段也划入微波范围。 493行业学习n微波波段还可细分为分米波（1dm1m）、厘米波（1cm1dm）、毫米波（1mm1cm），把0.11mm波段称为亚毫米波。n雷达隐身技术的目的是要使武器的雷达目标特征即散射信号减弱到最小限度。武器的雷达散射信号的大小一般用雷达散射截面（RCS）来表示。nRCS是在单位立体角内接收机天线处散射回波的功率流面密度Ir与目标处单位立体角内入射波功率流面密度

295、Ii之比，即nR为目标到接收天线的距离n的数值变化很大，常用的分贝数来表示，即494行业学习n人的是1m2，非隐身的B-52轰炸机是100m2，隐身的B-1B、B-2、F-117A轰炸机的分别是0.75m2、0.1m2、0.025m2，相当于鸟类的值。n根据雷达距离方程 n目标的值降为原来的10%时，rr缩短为原来的56%，目标的值降为原来的1%时，rr缩短为原来的18%。由此可见雷达隐身技术的作用。n电磁波的散射来自武器的各散射源，散射的基本类型有镜面反射、边缘和尖顶散射、行波散射、爬行波散射以及非细长体电磁边界突变引起的散射。这些局部散射源称散射中心，武器的总散射场是各局部散射场之和。 4

296、95行业学习n减少武器RCS值的途径主要有三条：n（1）外形技术。n（2）阻抗加载技术。n（3）材料技术。n吸收雷达波的材料称雷达波吸收材料或微波吸收材料，简称吸波材料，它是主要微波隐身材料。按工艺方法分为涂敷型、贴片型和结构型。透过雷达波的材料称雷达波透射材料（透波材料）。n二、涂敷型吸波材料二、涂敷型吸波材料n（一）对涂敷型吸波材料的一般要求（一）对涂敷型吸波材料的一般要求n涂敷型吸波材料是一种吸波的高分子复合材料，简称吸波涂料。对它的一般要求为：(6)n（1）反射率低。496行业学习n（2）响应频带宽。n（3）密度小，厚度薄。n（4）机械性能好。n（5）耐候性好。n（6）价格比较便宜。n

297、总之，吸波涂料的性能要求归纳为薄、轻、宽。n（二）涂敷型吸波材料的工作原理（二）涂敷型吸波材料的工作原理n吸波涂料降低电磁反射的工作原理可分为干涉型和吸收型两类。一般都做成涂层。n干涉型涂层是按电磁波相干原理设计的。如图15-1所示，当电磁波I直射到涂层C表面时，一部分被反射出去，为第一反射波R1。其余部分透入涂层，在两个界面之间来回反射。497行业学习n当一部分波穿出界面，返回自由空间，叠加后形成第二反射波R2。若R1和R2处于同一偏振面上，相位差180，发生干涉，使总的反射波衰减。n要这两个反射波相位差180，必须使其波程差图151 电磁波直射到涂层上的反射 498行业学习n如果直射到涂层

298、的电磁波满足上式，且R1和R2振幅相等，则总反射率可降到零。n实际上，这两种反射波的振幅不可能相同，目前单纯的干涉型涂层可有-30dB左右的反射衰减。n从上式可见，产生干涉的涂层厚度取决于0、。0越小，和越大，则涂层越薄。相对磁导率相对磁导率相对介电常数相对介电常数499行业学习nd一定，则能发生干涉的0也一定，当0发生变化时，涂层的总反射率就急速上升，因此这种涂层的工作频段很窄。要得到宽的响应频带，则n即要求和随0而变化，并满足上式，在宽频段内，目前还找不到这样的材料。因此，干涉型涂层很难满足使用要求。n吸收型涂层是按电磁波吸收原理设计的。电磁波在涂层中传播时通过感应的传导电流损耗、介电损耗

299、和磁性损耗把电磁波的电磁能转化为热能而散失掉，这样电磁波就被涂层吸收了。因此，涂层吸收电磁波有两个基本条件：500行业学习n（1）阻抗匹配条件阻抗匹配条件。电磁波入射到涂层时，首先要让它最大限度地进入涂层内部而不被反射掉。如果电磁波能在涂层中基本被吸收掉，则可忽略R2。此时，当电磁波垂直入射时电电磁磁波波在在涂涂层层表表面面的的振振幅幅反反射率射率自自由由空空间间的的相相对本性阻抗对本性阻抗涂涂层层的的相相对对本本性阻抗性阻抗501行业学习n可见，要直射电磁波完全进入涂层即阻抗完全匹配，涂层的相对磁导率和相对介电常数要相等。实际上还不可能，因此只能尽可能地使之匹配。 n（2）衰减条件衰减条件。

300、进入涂层的电磁波能迅速地最大限度衰减，吸收率可表示为下式n要完全衰减，即涂层吸收率a=1，必须涂层衰减常数或厚度d为无限大。实际上没有为无限大的涂料。为无限大没有实用意义。故只能做到使电磁波尽可能多地衰减掉。同时吸波涂料的大和阻抗匹配是矛盾的，一般涂料的越大，其本性阻抗越小，越难与自由空间的本性阻抗匹配。502行业学习n因此，吸收型涂层的反射率不可能达到零吸收型涂层的反射率不可能达到零。它比干涉型涂层的响应频带要宽，但厚度较厚。n以上讨论的都是单层同组分的涂层，且很简化的，很难满足“薄、轻、宽”的要求。实际情况要复杂得多，如电磁波入射并非直射而是斜入射，涂层不是单层，涂层表面不是平滑面，电磁波

301、有偏振等。这些都需根据具体条件进行较精确的计算。由吸波涂料构成的涂层称为涂敷型吸波体。它的设计方法按吸波体的构成和形状而采用不同的物理模型和计算方法，已形成一个专门领域。n（三）平面涂敷型吸波体的设计原理（三）平面涂敷型吸波体的设计原理n（四）涂料型吸波体的计算机辅助设计（四）涂料型吸波体的计算机辅助设计503行业学习n（五）吸波涂料的特征值（五）吸波涂料的特征值n吸波涂料的主要特征值如下：n（1）最小反射率R。又称峰值反射率。n（2）反射率R和微波频率f的关系R(f)-f。n（3）响应带宽。带宽可用频率的绝对值f表示，也可用相对带宽表示，相对带宽等于带宽除以该波段的中心频率。响应带宽必须是指

302、明反射率小于某一值(R-10dB)时的带宽。n（4）复介电常数和复磁导率。n（5）、和频率的关系-f、-f。n（6）涂层厚度d和面密度A。 504行业学习复介电常数和复磁导率的频谱特性 505行业学习反射率与频率的关系曲线506行业学习n（六）吸波涂料及其吸波体的组成和种类（六）吸波涂料及其吸波体的组成和种类n1、吸波涂料、吸波涂料是以高分子溶液、浮液或液态高聚物为基料，分散加入吸波剂和其他附加成分制成的。n吸波剂是决定涂料吸波性能的关键组分，一般是粉末或纤维形态。n按化学成分吸波剂可分为无机吸波剂和有机高分子吸波剂。n按对微波的损耗机理吸波剂分为电损耗型和电磁损耗型。n吸波剂在涂料中的含量在

303、一定范围内对涂料的力学和理化性能影响不大，但容积含量太大时就会恶化力学性能，并使工艺过程非常困难，甚至无法加工。 507行业学习n高分子基料是决定吸波涂料物化性质，特别是力学性质的关键成分。没有磁性，电损耗极低，无磁损耗，吸波性能接近于零。n高分子基料的选择主要根据吸波涂料所需的物理和化学性能及工艺加工要求。一般有橡胶型和树脂型两类。n附加成分分为两类：一类是为了改善涂料的物理和化学性能的；另一类是工艺过程需要的。n吸波涂料的工艺较简单，和一般涂料差不多。508行业学习n2、吸波涂料的种类、吸波涂料的种类n按对电磁波的衰减原理分为干涉型和吸收型。n干涉型涂料用于薄层涂层。其、越大，则涂层越薄，

304、但工作带宽很窄。其吸波性能对厚度极敏感，因而施工精度要求很高。低频时，它的厚度显著增加。因此，很难满足实用要求。n吸收型涂料按吸收机理可分为电损耗型、电磁损耗型和等离子体吸收型。509行业学习n1、电损耗型n电损耗来源于导电损耗和介电损耗。电损耗型涂料按吸波剂的种类主要有以下五种系列：炭系涂料、陶瓷系涂料、非磁性的金属系涂料、导电高分子型和视黄基席夫碱盐型。n电损耗型涂料的主要优点是密度小，高频性能较好，但一般厚度大，难以满足薄层宽频的要求。n2、电磁损耗型n电磁损耗源于电损耗、磁损耗（磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗）。电磁损耗型吸波涂料按吸波剂种类主要有三种：铁氧体系涂料、磁性金属粉系涂料和有

305、机金属络合物型。n3、等离子体吸收型510行业学习n3、涂敷型吸波体、涂敷型吸波体n涂敷型吸波体是吸波涂料在金属表面上涂制而成的，按其构成的涂层数分为单层和多层吸波体。n单层吸波体由同一种涂料涂成的电磁参数相同的吸波涂层构成。现有吸波体涂料作成的单层吸波体很难兼顾阻抗匹配和最大衰减两个基本条件而满足“薄、轻、宽”的要求。n多层吸波体由不同涂料涂成的电磁参数各不相同的多层涂层构成。其设计目的就是解决上述两个基本条件的兼顾。多层吸波体中层数最少的是双层吸波体，采用最多的是由“吸收层”和“变换层”所构成的双层结构，吸收层是由铁氧体、导电纤维和高分子基料构成，变换层是由铁氧体和高分子基料组成。如图15

306、-2所示。511行业学习n涂敷型吸波材料施工方便，适用于复杂外形，对隐身目标的原设计改变不大，价格较便宜。重量和厚度受到严格的限制。n“寄生型”吸波材料还有贴片型，是把吸波剂和基料加工成片、板或其他形状的吸波体。其要求、设计原理、特征值和涂敷型吸波材料基本相同。图152 双层涂敷型吸波体的构造 高分子基料高分子基料512行业学习n三、结构型吸波材料三、结构型吸波材料n涂敷型吸波材料是一种“寄生型”材料。目前很难同时满足“薄、轻、宽、牢”的要求。n兼顾吸波和承受载荷的结构型吸波材料，它既能保证在200300温度下结构与吸波性能的稳定，又能减轻武器特别是飞行器的质量，显示了作为微波隐身材料在性能上

307、的优越性。n结构型吸波材料目前主要有陶瓷型、塑料型和复合材料型三类。可以制成实心的和泡沫的。n为了提高承载和吸波性能，减轻飞行器质量和改善气动特性，发展了一种由结构型吸波材料、透波材料和其他材料构成的结构型吸波体，也称雷达吸波结构（RAS），或简称吸波结构。513行业学习n这种结构把隐身技术中的两个主要技术外形技术和隐身技术结合起来，有时还可结合阻抗加载技术，其综合性能明显优于单独的材料技术。n结构型吸波体主要有三种基本形式：叠层结构，由透波层、阻抗变换层、吸波层和反射背衬等构成；层片复合结构，先分别制成复合材料和吸波材料的片或板，再用粘结剂粘合成“夹层”式结构；夹芯结构，由面板和芯构成，芯可

308、做成波纹、角锥或蜂窝状。n（一）结构型吸波材料的一般要求和特征值（一）结构型吸波材料的一般要求和特征值n结构型吸波材料在吸波性能如反射率低和响应频带宽等要求上基本和涂敷型吸波材料是一样。由于结构型吸波材料的质量和体积不是附加的，所以对密度和厚度的要求不是很严格。514行业学习n由于它要同时承担吸波和承载双重功能，对机械性能的要求比对涂敷型吸波材料要高，特别是对主承载部件的要求更高，要求高比强度、高比模量、耐高温、抗疲劳、长寿命。另外，对耐候性的要求也有所提高。价格也要求比较便宜。也有人对其性能的要求归纳为“牢、轻、宽”的目标。目前的材料水平还不是很“牢”，用于次承载部件较多，很少用于主承载部件

309、。n结构型吸波材料的吸波性能特征值基本和涂敷型吸波材料一样。有时还加用透射率T、透射率T和频率f的关系T(f)-f两个特征值。n（二）结构型吸波材料的工作原理和平面吸波结（二）结构型吸波材料的工作原理和平面吸波结构的设计原理构的设计原理n（三）结构型吸波体的计算机辅助设计（三）结构型吸波体的计算机辅助设计515行业学习n（四）结构型吸波材料和吸波体的组成和种类（四）结构型吸波材料和吸波体的组成和种类n吸波材料：塑料型、陶瓷型和复合材料型。n吸波体：叠层、层片复合和夹芯复合结构。n种类：透波材料、吸波塑料、吸波陶瓷、吸波复合材料、蜂窝材料、电阻片、电路模拟吸波材料。 n（五）结构型吸波材料的形状

310、（五）结构型吸波材料的形状n微波隐身材料目前的主要研究方向为：n微波隐身材料新概念、新原理和新技术的研究。n高效微波吸收剂的研究。n薄、轻、宽吸波涂层的研究。n宽、轻、牢新型结构型吸波复合材料的研究。n微波隐身材料在各类武器和装备上的应用研究。516行业学习15.3 红外隐身材料红外隐身材料 n一、红外隐身的基本原理一、红外隐身的基本原理n红外探测是仅次于雷达探测的探测武器的可靠方法。红外探测通常是以被动方式进行的，是利用目标发出的红外线来发现、识别和跟踪目标。n按大气对红外线传输过程的影响，一般分为近红外、中红外、远红外和极远红外四个波段。在前三个波段内，大气对某些波长范围是相对透明的，对其

311、余的波长是不透明的。这些相对透明的波长范围称为大气窗口，一共有三个大气窗口，窗口（0.762.60m）、窗口（35m）、窗口（814m）。极远红外波段内，大气基本上是不透明的。 517行业学习n红外侦察用探测器的工作波段主要为0.762.6m，红外制导用探测器的工作波段主要为35m，红外热成像系统的工作波段则扩展到814m。n红外隐身技术的目的是要使目标与背景的红外信号特征之间的差别减少到最低限度，使之迷盲而无法识别。目标的红外信号特征基本上是红外辐射和反射。高速飞行的飞机有以下四种较强的红外辐射源和反射源：n发动机的尾喷口及其热部件；n发动机尾喷流；n飞机蒙皮有气动加热的红外辐射；n飞机受阳

312、光照射后反射的红外辐射。518行业学习n以上四种红外辐射，除阳光反射的红外辐射处于近红外波段外，其余均处于中远红外波段内。图15-3是太阳和各种温度下的辐射光谱特性。图153 太阳和各种温度黑体的辐射光谱519行业学习n处于非工作状态的目标则只有阳光反射和本身的红外辐射，它们本身温度约300K，其红外辐射处于34m波段，辐射强度较弱。n工作状态的目标红外隐身应包括近、中远红外波段，非工作状态的常温目标主要是近红外隐身。n近红外隐身的途径主要是使目标对阳光反射的特征相同或相似于背景对阳光的反射。n中远红外隐身的途径，可概括为以下四个方面：n改变目标的红外辐射特征。n降低目标的红外辐射强度。n控制

313、目标红外辐射的传输过程。n干扰目标的红外辐射信号。520行业学习n实现中、远红外隐身的具体技术主要有：n发动机技术；n红外抑制和遮挡技术；隔热层或冷凝设施n红外气溶胶技术（施放烟幕来吸收和散射对方红外监测）；n红外伪装网和遮障技术：模拟背景红外辐射n红外假目标技术；n红外干扰技术；n材料技术。n近红外隐身技术主要是、项。、项属被动红外隐身技术，其余项属主动隐身技术。红外隐身材料指的是第项中所用材料。n红外隐身材料按其工作波段可分为近红外和中远红外隐身材料。521行业学习n二、近红外隐身材料二、近红外隐身材料n近红外探测是指利用波长为0.762.60m的近红外辐射特性进行探测的方法。n近红外探测

314、仪器主要有红外观测镜、红外摄影仪和红外夜视仪三类。目前它们的工作波段主要在0.71.2m波长范围内。n近红外隐身材料都是涂敷型的。由于它是模拟背景的近红外辐射特征，又称为近红外伪装涂料。n（一）对近红外隐身涂料的一般要求（一）对近红外隐身涂料的一般要求n（1）和背景的反射率差小。n（2）响应频带宽。n（3）与可见光隐身兼容。n（4）基本无镜面反射。522行业学习n（5）与中远红外尽量兼容。n（6）机械性能和耐候性能好。n近红外隐身涂层的厚度为10100m。n（二）近红外隐身涂料的工作原理（二）近红外隐身涂料的工作原理n近红外隐身涂料在目标上形成涂层，其工作原理可分为单色迷彩、变形迷彩和变色迷彩

315、三类。n1、单色迷彩：在可见光范围内，涂层与背景的色彩一致；在近红外波段主要是0.761.20m波长范围内，涂层与背景的反射率一致。n颜色容限又称颜色阈限是指人的视觉辨认可见光波长变化的能力。n亮度容限是指视觉恰可觉察的目标和背景的亮度差异，是一个生理数值。 523行业学习n近红外隐身涂层要求在可见光和近红外波段和背景的光谱反射率一致，首先要研究背景的光谱反射率曲线。如图154和图155所示。图154 沙土的发射率1干沙 2湿沙 3土壤524行业学习n图中E、E+F、Ph和ND分别表示人眼、人眼+红色滤光镜、红外摄影和红外夜视仪的光谱最大敏感区。从图156可看出上述四个观察手段的敏感全范围。图

316、155 叶的发射率1蒲公英 2菩提树叶 3白枞树叶525行业学习图156 各种观测方法的敏感光谱区1人眼 2人眼载红色滤光镜 3红外摄影 4红外夜视仪526行业学习n2、变形迷彩：是把涂层作成不同颜色和不同形状的斑点构成的图案，使目标的形象失真而无法识别。变形迷彩颜色有四色迷彩和三色迷彩两种。n变形迷彩是根据不同的背景选择颜色并进行组合。除了颜色组合外，其图案的设计也很重要。n3、变色迷彩：它的原理是能随环境而自动变色以便在不同的背景上均能与背景的色调一致。n（三）近红外隐身涂料的特征值（三）近红外隐身涂料的特征值n（1）色度。n（2）反射率R和可见光、近红外线频率f的光谱曲线R(f)-f。n

317、（3）响应带宽。n（4）镜面反射率与漫反射率之比。527行业学习n（四）近红外隐身涂料的组成和种类（四）近红外隐身涂料的组成和种类n近红外隐身涂料由颜料、高分子基料和其他附加成分复合而成。n颜料是决定近红外隐身涂料特征值的关键成分，一般是粉末，可以是粒状、片状或其他形状。按化学成分可分为无机颜料和有机颜料。n高分子基料是决定近红外隐身涂料的机械性能和施工性能的关键成分，由于它的含量很大，对红外隐身性能有很大影响，因此，要求它对太阳能的吸收系数低，近红外波段的比辐射率也低。n附加成分的选择原则和一般涂料相仿。n近红外隐身涂料按工作原理可分为单色迷彩涂料、多色变形迷彩涂料和变色迷彩涂料。 528行

318、业学习n1、单色迷彩涂料：按颜料类型分，主要有四种：铬酸铅系涂料、三氧化铬系涂料、芘四酸酐衍生物系涂料、偶氮化合物系涂料。n2、多色变形迷彩涂料n3、变色涂料：变色颜料系涂料、组合变色效应涂料。n近红外隐身涂料的主要研究方向为：n对可见光和近红外波段（0.393.00m）都能满足反射率差值标准的新涂料。n研究新型的变形迷彩图案。n研究变色迷彩用的各种变色材料及其组合效应。n研究适用海上和空中目标的近红外隐身涂料。n研究与中、远红外兼容的途径。 529行业学习n三、中远红外隐身材料三、中远红外隐身材料n中、远红外探测是指利用波长315m的红外辐射特性进行探测的方法。n热红外辐射：由目标和背景本身

319、温度所引起的热辐射。由于受大气红外窗口的限制，中远红外探测系统实际工作波段为35m和814m。中远红外探测系统已从热点扫描发展到成像扫描。热成像探测系统是中远红外隐身的主要对象。n中远红外隐身材料主要是涂敷型涂料。n（一）对中远红外隐身材料的一般要求（一）对中远红外隐身材料的一般要求n（1）和背景的辐射能量差小；n（2）响应频带宽；n（3）与可见光和近红外隐身兼容；530行业学习n（4）对太阳能吸收率低；n（5）具有漫反射型的表面结构；n（6）机械性能和耐候性好。n（二）中、远红外隐身材料的工作原理（二）中、远红外隐身材料的工作原理n为了使中、远红外探测器特别是红外成像探测系统探测不到或识别不

320、了目标，中远红外隐身材料的工作原理可分为降低目标和背景的辐出度差，热迷彩，热变频和热转换四类。n1、降低目标和背景辐射差原理n降低目标和背景辐射差原理是由于热成像系统依靠探测目标自身与背景的辐射差别来发现和识别目标。因此，热红外隐身的原理之一就是降低目标和背景的辐出度差M。531行业学习n根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律：n由于工作状态中目标的温度远高于背景的温度，目标的辐出度也远大于背景的辐出度。因此，要降低M，就要降低Mt。降低Mt有两个途径：n一是降低目标的表面温度Tt，Mt由于和Tt4成正比，因此，降低Tt可使Mt下降很多。n二是降低目标表面的发射率，即采用低发射率材料作为热红外隐身材料。 n

321、2、热迷彩原理n热迷彩原理是把不同热辐射特性材料作成不同形状的组合图案，使得热成像系统上反映出来的目标图象失真或轮廓模糊而无法识别。532行业学习n3、热变频原理n热变频原理是使目标辐射出的中远红外辐射频率发生变化，使之变为对红外大气窗口透过率很小，甚至不透明的频率。n4、热转换原理n热转换原理是使目标发出的热能通过材料的吸收转化为其他形式的能量。n（三）中、远红外隐身材料的特征值（三）中、远红外隐身材料的特征值n（1）热成像系统的识别距离r。指相同条件下，目标用热隐身材料后，同一性能的热成像系统能识别的最大距离。n（2）温差数值T。指相同测试条件下，同一性能热成像仪测出的用热隐身材料后目标和

322、背景的实际温差值。533行业学习n（四）中远红外隐身材料的种类（四）中远红外隐身材料的种类n中远红外隐身材料按工作原理可分为降温材料、低发射率材料、热迷彩材料、变频材料、杂化材料和双层材料等六类。n能实用的、效果优良的中远红外隐身材料并不多，因此，中远红外隐身材料的主要研究方向：n（1）研究新型的降温材料。n（2）研究中、远红外高度透明或高反射的颜料和粘结剂。n（3）研制出具体的变频材料和杂化材料。n（4）研制各种热迷彩图案和双层组合涂层。n（5）研究能兼容微波波段隐身的宽波段中、远红外隐身材料。 534行业学习15.4 激光、声和多功能隐身材料激光、声和多功能隐身材料 n随着激光探测、制导技

323、术和声探测技术的日益发展和广泛应用，激光和声隐身材料的研究也已开始。同时由于探测技术的多样化，单一特征的隐身材料往往不能满足隐身技术的要求，需要开发多功能隐身材料。但是各种隐身功能之间往往是相互矛盾的。n一、激光隐身材料一、激光隐身材料n激光在军用探测和制导技术上已经广泛应用。激光侦测手段主要有激光测距机、激光目标指示器、激光制导和激光雷达。激光雷达尚处于探索性发展阶段，因此，激光隐身主要要对付激光测距机、激光指示器和激光制导系统。535行业学习n激光隐身的技术途径目前主要有以下四种。n1、激光报警技术:对对方发射的激光发出警报。n2、激光干扰技术:发射激光干扰对方的激光系统使之无法正常工作。

324、n3、激光烟幕技术（激光气溶胶技术）:用施放烟幕来吸收和散射对方的激光。n4、激光隐身材料技术：利用用于目标上的材料来降低目标的激光反射特征以降低对方激光探测器收到的激光反射能量，达到激光隐身的目的。536行业学习激光隐身技术对激光隐身涂料的要求主要有：n（1）对激光的反射率要很低。n（2）响应波段要宽。n（3）对激光的镜面反射要低。n（4）能耐强激光的照射。n（5）物理机械性能和耐候性好。n激光隐身涂料的工作原理工作原理是利用涂料对激光的吸收来降低其反射率。吸收率的大小主要取决于涂料对激光的吸收光谱，而吸收光谱又取决于涂料的跃迁能级的种类和能级差。n激光隐身涂料由吸收剂、基料和附加成分组成。

325、537行业学习n二、声隐身材料二、声隐身材料n声探测手段是探测水面和水下目标如潜艇、鱼雷的主要手段。声探测手段主要是声纳。n声纳可分为主动声纳和被动声纳两类。因此，声隐身材料也分为两类：主动声纳主要用吸声材料；被动声纳主要用隔声材料和防振降噪材料。n声隐身材料的具体要求：n（1）吸声或隔声效果要大于声纳的探测灵敏度和分辨力。538行业学习n（2）对声波的频率响应要宽。n（3）对海水要耐腐蚀。n（4）能阻止海洋生物污染。n（5）厚度和比重要小。n（6）有良好的力学性能和耐候性。n三、红外和微波兼容隐身材料三、红外和微波兼容隐身材料n在现代军事探测和制导技术中红外和微波技术是两种最主要和普遍使用的

326、技术。n红外和微波兼容隐身材料要求在可见光和近红外有伪装作用，对微波有低反射，在热红外波段有低的发射率。 n目前可应用的热红外隐身材料和微波隐身材料都达不到上述要求。539行业学习n实现红外和微波兼容的隐身材料有两条技术途径：n一是研制一种微波高吸收、热红外低辐射和可见光、近红外能伪装的材料；n二是分别研制高性能微波吸收材料和热红外低辐射材料，然后将其复合起来，复合后其微波吸收性能和热红外低辐射性能仍能保持基本不变。n这两条技术途径，从原理上是可行的，实际上相当困难。因为对不透明材料，存在+R=1的关系式，大R就小。尽管如此，和R又是波长的函数，由于微波和热红外的波长相差很大，因此有可能找到微

327、波区R小而热红外区R大即小的材料。n红外和微波兼容材料主要有掺杂半导体材料或涂料、导电高聚物、双层材料、网格型多层材料和毯式多层材料等五种。 540行业学习n四、红外和激光兼容的隐身材料四、红外和激光兼容的隐身材料n红外和激光兼容的隐身材料要求红外有低发射率，对激光有很低的反射率。n这在技术上很难实现，因为具有低发射率的材料必然导致高反射率（因为R=1-）。n从实战要求来看，能对抗所有现代探测、跟踪和制导手段的多功能隐身材料是最理想的，也是隐身材料的主要追求的方向，但由于技术难度很大，离实用还有很长的路。当前，迅速提高单功能和双功能隐身材料的技术水平和实际应用研究仍是隐身材料的研究重点。 54

328、1行业学习本章小结本章小结n1、隐身技术？、隐身技术？n2、微波隐身的基本原理及涂敷型吸波材料、微波隐身的基本原理及涂敷型吸波材料？n3、红外隐身的基本原理、近红外隐身材料、红外隐身的基本原理、近红外隐身材料和中远红外隐身材料？和中远红外隐身材料？n4、激光隐身的基本原理及激光隐身材料？、激光隐身的基本原理及激光隐身材料？542行业学习作业作业7n1、微波隐身材料与红外隐身材料的区别？、微波隐身材料与红外隐身材料的区别？n2、可见光、微波、红外、激光和声隐身的、可见光、微波、红外、激光和声隐身的基本原理？基本原理？ 543行业学习第十六章第十六章 梯度功能材料梯度功能材料 n16.1 梯度功能

329、材料的概念梯度功能材料的概念n16.2 梯度光折射率材料梯度光折射率材料n16.3 热防护梯度功能材料热防护梯度功能材料n16.4 梯度功能材料的展望梯度功能材料的展望 544行业学习教学目标及基本要求教学目标及基本要求n掌握梯度功能材料的概念，梯度折射率材料的折掌握梯度功能材料的概念，梯度折射率材料的折射率类型，梯度折射率材料的特征值，热防护梯射率类型，梯度折射率材料的特征值，热防护梯度功能材料原理的设计，热防护梯度功能材料的度功能材料原理的设计，热防护梯度功能材料的特性评价。特性评价。n熟悉和了解梯度折射率材料的种类和制法，梯度熟悉和了解梯度折射率材料的种类和制法，梯度折射率材料的应用前景

330、，热防护梯度功能材料的折射率材料的应用前景，热防护梯度功能材料的种类和制备方法，热防护梯度功能材料的应用前种类和制备方法，热防护梯度功能材料的应用前景，梯度功能材料的展望。景，梯度功能材料的展望。 545行业学习教学重点和难点教学重点和难点n（1）梯度功能材料及其主要特征）梯度功能材料及其主要特征n（2）梯度折射率材料的折射率类型）梯度折射率材料的折射率类型n（3）梯度折射率材料的特征值）梯度折射率材料的特征值n（4）热防护梯度功能材料的设计概念）热防护梯度功能材料的设计概念n（5）热防护梯度功能材料的特性评价）热防护梯度功能材料的特性评价546行业学习第十六章第十六章 梯度功能材料梯度功能材

331、料16.1 梯度功能材料的概念梯度功能材料的概念 n梯度功能材料（FGM）是两种或多种材料复合成组分和结构呈连续梯度变化的一种新型复合材料。n梯度功能材料的主要特征有以下三点：n（1）材料的组分和结构呈连续梯度变化。n（2）材料内部没有明显的界面。n（3）材料的性质也相应呈连续梯度变化。n最早研究的梯度功能材料是光学梯度功能材料。n1900年美国的Word用明胶做成了光折射率沿径向连续变化的圆柱棒，称之为梯度折射率材料。 547行业学习n1969年，日本的北野等人用离子交换工艺制成玻璃梯度折射率棒材和光纤，达到了实用水平。n1984年日本国立宇航实验室为适应宇航技术的发展，提出了梯度功能材料的

332、设想。n1987年日本平井敏雄等人提出了金属和陶瓷复合的热防护梯度功能材料的概念。n1990年10月在日本召开了第一届梯度功能材料国际研讨会。n我国1980年开始研究梯度功能材料。1991年梯度功能材料及其应用列入了国家863计划和国家自然科学基金项目。研究发展较快，进展较好。 548行业学习16.2 梯度光折射率材料梯度光折射率材料 n传统的光学材料都是均质的，折射率为常数。n梯度折射率材料则是一种非均质材料，它的组分和结构在材料内部按一定规律连续变化，从而使折射率也相应地呈连续变化。n一、梯度折射率材料的折射率梯度类型和成像原一、梯度折射率材料的折射率梯度类型和成像原理理n梯度折射率材料按

333、折射率梯度分为三种类型：径向、轴向和球向梯度折射率材料。n（一）径向梯度折射率材料（一）径向梯度折射率材料及其成像原理及其成像原理n径向梯度折射率材料是圆棒状的。它的折射率沿垂直光轴的半径从中心到边缘连续变化，等折射率面是以光轴为对称轴的圆柱面。549行业学习n（二）轴向梯度折射率材料（二）轴向梯度折射率材料及其成像原理及其成像原理n轴向梯度折射率材料的折射率沿圆柱形材料的轴向呈梯度变化。n（三）球向梯度折射率材料（三）球向梯度折射率材料及其成像原理及其成像原理n球向梯度折射率材料的折射率对称于球内某点而分布，这个对称中心可以是球心，也可以不是。它的折射率面是同心球面。n二、梯度折射率材料的特

334、征值二、梯度折射率材料的特征值n梯度折射率材料的特征值主要有：n1、折射率分布曲线：最重要的特征值。n2、梯度的色散：包括材料在基本折射率和梯度折射率两方面的色散。n3、梯度的最大斜率：可从折射率分布曲线求得。 550行业学习n4、透过率：透过率当然越高越好。n5、梯度深度：梯度深度决定了梯折材料的尺寸。n6、折射率变化范围：最大折射率差n。n三、梯度折射率材料的种类和制法三、梯度折射率材料的种类和制法n梯度折射率材料的制作和元件制作是同步进行的。n按化学成分分为无机材料和高分子材料两大类。n玻璃梯折材料的优点是透过率高，折射率差大，像差和色差小，分辨率高。缺点是比重大，尺寸小，冲击强度差，制

335、作过程较复杂。n高分子梯折材料的优点是比重小，价格低，易加工，抗冲击强度大，可制成大尺寸产品和三维光波导元件。缺点是透过率和分辨率较低，折射率可调范围小，色差大和热性能差等。551行业学习n按元件的构造分为径向、轴向梯度折射率棒透镜，球向梯度折射率球透镜，平板透镜，平板微透镜阵列，梯度折射率光波导元件等。 n梯度折射率材料的制备方法 n（一）无机梯度折射率材料的主要制备方法（一）无机梯度折射率材料的主要制备方法n1、离子交换法n2、化学气相沉积法n3、分子（离子）填充法n4、晶体增长法n5、溶胶凝胶法n6、光刻离子交换法 552行业学习n（二）高分子梯度折射率材料的主要制备方法（二）高分子梯度

336、折射率材料的主要制备方法n1、扩散法n2、扩散化学反应法n3、扩散共聚法n4、光共聚法n5、悬浮共聚法n6、沉淀共聚法n7、蒸气转移扩散共聚法n8、界面凝胶共聚法n四、梯度折射率材料的应用前景四、梯度折射率材料的应用前景n梯度折射率材料制成的光学元件具有显著的特点。因此，它在光学系统中有着良好的应用前景。 553行业学习16.3 热防护梯度功能材料热防护梯度功能材料 n热防护梯度功能材料的应用目标主要是用作航天飞机和宇宙飞船的发动机材料和壳体材料。n新一代航天飞机是兼有航天往返和特超音速航空两用的飞机，也叫空天飞机。不用火箭助推发射，而是靠发动机推力从一般跑道上起飞和着陆。n新一代航天飞机对热

337、防护材料提出了更高的超耐热性、耐久性和长寿命的要求。n热防护梯度功能材料的开发研究包括材料设计、材料合成（制备）和材料特性评价三部分。n热防护梯度功能材料的研究开发体系见图161。554行业学习图161 热防护梯度功能材料的研究体系555行业学习n一、热防护梯度功能材料原理的设计一、热防护梯度功能材料原理的设计n金属强度高、韧性好，但不耐高温和腐蚀。n陶瓷耐高温、抗腐蚀，但脆性大，不耐冲击。n若将金属和陶瓷组合可以充分发挥两者的优点，克服其缺点。但普通的粘结或组合技术，由于两者界面的热膨胀系数不同，而产生很大的热应力，引起剥离、开裂和脱落，造成材料的破坏。n梯度功能材料的设计概念如图162所示

338、，它是一种使金属和陶瓷的组分和结构呈连续变化，从而物性参数也呈连续变化的复合材料。n这种复合材料的一侧由陶瓷赋予耐热性，另一侧由金属赋予其机械强度及热传导性，并且二侧之间的连续过渡能使温度梯度所产生的热应力得到充分缓和。 556行业学习图162 热防护梯度功能材料设计概念557行业学习n梯度功能材料设计的目的是为了获得最优化的材料组成和组成分布（曲线）。n在热防护梯度功能材料的设计中，梯度功能材料所需的物性数据的推定方法和梯度功能材料的理论模型和热应力解析方法是两项主要研究内容。它们严重影响设计的正确和精确程度。n二、热防护梯度功能材料的种类和合成方法二、热防护梯度功能材料的种类和合成方法n热

339、防护梯度功能材料主要是陶瓷-金属系梯度材料。已报导的有TiC/Ni、TiC/Ti、TiB2/Al、ZrO2/W等。 n热防护梯度功能材料的主要制备方法有：n1、气相沉积法n2、等离子喷射沉积法558行业学习n3、颗粒梯度排列法n4、薄膜叠层法n5、自蔓延高温合成法n6、离心铸造法 n三、热防护梯度功能材料的特性评价三、热防护梯度功能材料的特性评价n热防护梯度功能材料由于其组成和性能是呈梯度变化的，因此不能采用常规的测试评价方法。n热防护梯度功能材料的特性评价包括三个方面。n1、局部热应力评价n采用激光和超声波的方法。n2、热屏蔽性能评价n它包括热性能评价和模拟环境下热屏蔽性能评价。559行业学

340、习n3、破坏强度评价n包括断裂强度评价、热冲击评价和热疲劳评价。n四、热防护梯度功能材料的应用前景四、热防护梯度功能材料的应用前景n热防护梯度功能材料主要应用于航天工业。它可以用于航天飞机和宇宙飞船的壳体，如日本已研制成能耐1700的ZrO2/Ni梯度功能材料，准备用作马赫数大于20的可重复使用的航天飞机的机体材料。也可以用作航天飞机发动机的燃烧室材料。还可用于喷气燃烧器和重复使用型的火箭燃烧器，如日本国立宇航研究所提出了由梯度功能材料组成的超高温涡轮叶片的设想。热防护梯度功能材料也可以应用于其他的高温、高磨损领域如各种发动机、燃烧室、核反应堆等。560行业学习16.4 梯度功能材料的展望梯度

341、功能材料的展望n梯度功能材料的研究和发展方向。n（一）进一步研究热防护梯度功能材料（一）进一步研究热防护梯度功能材料n热防护梯度功能材料的研究仍将以材料设计、材料合成和材料特征评价为中心，集中几个方面。n1、提高设计的可靠性和精度n2、研究材料组成种类n3、研究材料制备的新工艺n4、建立特性评价的标准和试验方法n5、热防护梯度功能材料的应用前景561行业学习n（二）进一步研究梯度折射率功能材料（二）进一步研究梯度折射率功能材料n进一步研究制备大尺寸，性能优良的梯度折射率材料。研究梯度折射率光学元件的设计和实用，加速玻璃类梯度折射率材料的实用化。研究高分子梯度折射率材料的实用性和开发新工艺。n（

342、三）扩大梯度功能材料的品种（三）扩大梯度功能材料的品种n1、密度梯度功能材料n2、有机梯度功能材料n3、梯度功能涂层n（四）扩大梯度功能材料的应用领域（四）扩大梯度功能材料的应用领域n随着梯度功能材料的发展，其应用领域也逐步扩大到能源、电子、核能、化工、生物、医学乃至日常生活领域。 562行业学习本章小结本章小结n1、梯度功能材料及其主要特征？、梯度功能材料及其主要特征？n2、梯度折射率材料的折射率类型？、梯度折射率材料的折射率类型？n3、梯度折射率材料的特征值？、梯度折射率材料的特征值？n4、热防护梯度功能材料的设计概念？、热防护梯度功能材料的设计概念？n5、热防护梯度功能材料的特性评价？、

343、热防护梯度功能材料的特性评价？563行业学习作业作业8n1、梯度功能材料及其主要特征？n2、梯度折射率材料的折射率类型和特征值？n3、热防护梯度功能材料的设计概念和特性评价？ 564行业学习第十七章第十七章 纳米材料米材料n17.1 纳米材料的概念纳米材料的概念n17.2 纳米颗粒材料纳米颗粒材料n17.3 纳米块体材料纳米块体材料n17.4 纳米膜材料纳米膜材料n17.5 纳米复合材料纳米复合材料n17.6 纳米碳原子簇系材料纳米碳原子簇系材料n17.7 纳米材料的展望纳米材料的展望565行业学习教学目标及基本要求教学目标及基本要求n掌握纳米材料的概念掌握纳米材料的概念, ,纳米颗粒材料。纳

344、米颗粒材料。n熟悉和了解纳米块体材料，纳米膜材料，纳熟悉和了解纳米块体材料，纳米膜材料，纳米复合材料，纳米碳原子簇系材料，纳米材米复合材料，纳米碳原子簇系材料，纳米材料的展望。料的展望。566行业学习教学重点和难点教学重点和难点n（1）纳米材料的概念）纳米材料的概念n（2）纳米颗粒材料）纳米颗粒材料n（3）表面效应）表面效应n（4）体积效应）体积效应 567行业学习第十七章第十七章 纳米材料纳米材料17.1 纳米材料的概念纳米材料的概念 n线度为1100nm的颗粒称为纳米颗粒。n超微粒作为胶体的研究可追溯到19世纪中叶。n20世纪60年代，日本的上田良二等发表了超微粒的电镜照片，才命名为超微粒

345、。n1981年日本科技厅提出“超微粒计划”，对超微粒的结构、制备、性质和应用进行了全面研究。n1986年德国萨尔兰大学的Gleiter等用惰性气体冷凝法制得表面清洁的超微粒，并在超高真空条件下用5Gpa的压力压制成致密的多晶体。568行业学习n由于这些超微粒的线度均在115nm之间，因此称之为纳米晶粒。而把用这些纳米晶粒加压制成的块件材料称为纳米晶体材料。n这一概念的内涵有所拓宽。把凡是至少在一维方向上的线度在1100nm之间的单元和由这种纳米单元作结构单元的材料均称为纳米材料。n纳米单元包括纳米膜、纳米纤维和纳米颗粒。n纳米膜是在一维方向上的线度在1100nm。n纳米纤维是在二维方向上的线度

346、在1100nm。n纳米颗粒是在三维方向上的线度均在1100nm。n相对于占有三维空间体积的体相材料，纳米膜可看作一个面是二维材料，纳米纤维可看作一条线是一维材料，纳米颗粒可看作一个点是零维材料，统称低维材料。569行业学习n在纳米膜中，载流子在一个空间方向上受限制，只能在两个空间方向上运动。在纳米纤维中，载流子在两个空间方向上受限制，只能在一个空间方向上运动。在纳米颗粒中，载流子在三个空间方向上受限制，只能在1100nm见方的小空间内运动。这些限制带来了量子化效应。n在纳米电子学中又把纳米膜、纳米纤维和纳米颗粒的结构分别称为量子阱、量子线和量子盒（点）。图171表示不同维度材料的结构和能态密度

347、分布。由纳米单元作结构单元的材料包括块体材料、膜材料、纤维材料和其他种类的材料。纳米材料有金属、无机非金属和有机高分子。 570行业学习图171 不同维度材料的结构和能态密度分布E-(E)571行业学习n纳米材料由于其维度降低而产生许多特殊的物理和化学性质，成为当今材料科学研究的一个热点，并认为纳米材料是21世纪最有前途的材料。n纳米材料的种类从纳米颗粒、纳米晶体发展到纳米非晶态材料、纳米膜材料和纳米复合材料。n纳米新科技诞生才几年，有了如下的重要进展。n（1）IBM公司的两位科学家利用STM直接操作原子，成功地在Ni基板上安排原子组合成“IBM”字样。n（2）硅原子金字塔。n（3）纳米CaO

348、和SiO2180弯曲不产生裂纹。n（4）纳米生物学：生物大分子的裁剪和嫁接。n（5）纳米机器人。n（6）纳米药物。572行业学习17.2 纳米颗粒材料纳米颗粒材料 n一、纳米颗粒的特征一、纳米颗粒的特征n纳米颗粒的线度为1100nm，它可以是单个颗粒，也可以是微粒的集合体。构成它的物质可以是元素，也可以是化合物。n由于纳米颗粒的线度介于微观的原子、分子和宏观物体之间，其结构和特性既不同于微观的原子和分子，也不同于宏观物体，具有独特的特征。n纳米颗粒按其基本特征和制取的难易程度又可分为大纳米颗粒(10100nm)、中纳米颗粒(210nm)和小纳米颗粒(12nm)。n纳米颗粒的基本特征有二：表面效

349、应和体积效应。573行业学习n（一）表面效应（一）表面效应n随着线度的减少，颗粒的比表面增加，表面能也随之增大。颗粒表面所占原子数与其总原子数的比例也随粒径变小而增大，如表171所示。 粒径/nm 1251020100总原子数/个 3025040003000025000030000000表面原子数/总原子数90%80%40%20%10%2%表171 表面原子数与总原子数之比和粒径的关系 n小纳米颗粒是由约30250个原子构成的原子簇，表面原子数占总原子数的8090%，通过高分辨率电镜观察，它没有固定形状，原子排列处于不断变化之中，不能区分固体和液体，熔点和表面张力的宏观量也失去意义，这种颗粒可

350、作为分子来处理。574行业学习n大纳米颗粒总原子数为3000030000000个，表面原子的比例为220%，此时宏观块体所具有的熔点和表面张力等概念无显著变化，但由于表面原子的影响已不能忽略，它们的数值将有变化。n中纳米颗粒的性质介于上述两者之间。n表面原子和内部原子不同，它的配位数减少，非键轨道增加，内部结合能降低，故其活性增加。表面原子在晶格中振动的振幅增加，振动频率下降，称之为振动软化。粒度减少，比表面增加，表面曲率也增大，使得表面张力向内部压力增加，造成晶格收缩效应。表面原子增多使表面能在全部内能中比例增加，而表面能一般小于结合能，因此导致熔点下降，德拜温度减少，振动比热增加。纳米颗粒

351、的表面效应还使其很容易互相团聚，不易分散和流动，易于进行各种活化反应。575行业学习n（二）体积效应（二）体积效应 n体积效应主要表现为小尺寸效应、量子化效应和宏观量子隧道效应。它们都是由于颗粒体积缩小而使颗粒内原子数急剧减少而引起的。n小尺寸效应是指随着颗粒尺寸的减少，所引起的宏观理化性质的变化。由于原子数目的急剧减少，引起了诸如磁、电、光、力、热、反应活性等一系列宏观理化性质的变化（如表172所示 ）。表172 纳米颗粒的特性 576行业学习n量子化效应是指当颗粒尺寸减少时，其连续的能带将分裂为分立的能级，又称久保效应。n根据量子理论，分立能级的能隙E=4EF/3n，当颗粒尺寸为微米时，n

352、在1010以上，此时E与电子热运动能kT（2.510-2eV）相比，可忽略不计，因而形成连续的能带结构。n随着颗粒尺寸的纳米化，颗粒中电子数显著减少，能隙值显著增大，当其数值达到kT的数量级时，连续的能带就分裂为分立的能级。n宏观量子隧道效应是指宏观参数通过宏观系统的两个能量最小状态之间势垒发生变化，使系统处于更低的能量状态。n表面效应和体积效应亦可合称线度效应，都是由于颗粒线度小到纳米级而引起的。577行业学习n二、纳米颗粒的结构二、纳米颗粒的结构n纳米颗粒的形态大致可有球状、片状、针状、纤维状、网状和海绵状等。n纳米颗粒按聚集态可分为纳米晶粒和纳米非晶粒。n纳米晶粒的结构和粒度的大小关系很

353、大。一般情况下，纳米晶粒是单晶。随着粒度的增大，产生缺陷的概率就增加。粒度减少时，可能产生亚稳相，当粒度小于2nm时，就成为原子簇。n纳米晶粒的表面层占很大的比重，表面层内原子的排列既非长程有序，也非短程有序。单晶内层的原子是周期性排列，且长程有序，具有完整的点阵结构。n纳米晶粒结构的突出特点是往往具有五次对称轴的准晶构型，有人称之为多重变晶。 578行业学习n三、纳米颗粒的种类和制备方法三、纳米颗粒的种类和制备方法n纳米颗粒种类多，性能各异，用途广，制备方法大体上可分为物理方法和化学方法两大类。n（一）物理方法n1、机械合金法n2、蒸发冷凝法n3、放电爆炸法n4、溅射法n（二）化学方法n1、

354、固相法n2、液相法n3、气相法579行业学习n四、纳米颗粒的性能四、纳米颗粒的性能n由于线度效应，纳米颗粒在力学、热力学、电学、磁学、光学和化学等性能上具有特殊性能。n1、热力学性能：颗粒尺寸变小导致比表面增大，而使颗粒的化学势也发生改变。n2、电性能：纳米颗粒的电导率由于量子隧道效应而下降。颗粒减少会影响其超导性，其超导性的临界温度会增高。n3、磁性能：纳米颗粒的磁性能与粒度的关系最明显，随着粒度的减少，矫顽力大幅度提高，当粒度再减少时，矫顽力降为零而进入超顺磁状态。n4、光性能：金属超微粒对光的反射率一般低于1%。对太阳光几乎能全吸收，被称为太阳黑体。580行业学习n5、化学性能：比表面和

355、表面能的大幅度增加，使其化学活性如反应活性、催化效应等均显著增加。 n五、纳米颗粒的应用五、纳米颗粒的应用n1、纳米块体材料n2、高性能磁性材料n3、纳米微孔材料n4、活化烧结材料n5、敏感元件n6、碳纤维气相成核材料n7、催化剂n8、医学和生物工程n总体上，纳米颗粒尚未达到工业规模应用，但其应用前景仍被普遍看好。 581行业学习17.3 纳米块体材料纳米块体材料 n一、纳米块体的表征一、纳米块体的表征n凡是以纳米颗粒作为结构单元的块体都称为纳米块体。纳米块体具有三个主要特征：n1、纳米尺度效应n2、高浓度界（表）面效应n3、纳米结构单元之间的交互作用 582行业学习n二、纳米块体的种类和制备

356、方法二、纳米块体的种类和制备方法n纳米块体按组成分，已有金属、陶瓷、半导体、碳60等富勒烯、高聚物和其他功能性化合物。按聚集态可分为纳米晶体和纳米非晶体。n纳米块体的制备方法基本上都是实验室方法，不少尚处于研究阶段。归纳起来，可分为加压法、烧结法、晶体法和电沉积法四类。n三、纳米块体的结构三、纳米块体的结构n纳米块体的结构可分为纳米晶体的结构和纳米非晶体的结构来描述。n纳米晶体的结构包括晶粒（内）结构和晶粒界（表）面结构。由于制备方法不同所得的纳米晶体的结构也不同。目前，有三种结构：紧密结构、低密度无规网络结构和最紧密结构。 583行业学习n四、纳米块体的性能四、纳米块体的性能n纳米块体性能在

357、很多方面明显区别于一般的晶体和非晶体。统计表明，如果一般的非晶体和多晶体的差别为10%，则纳米晶体与一般多晶体的差别为40%。其主要性能包括扩散性能、力学性能、热力学性能、电学性能、磁学性能、其他性能。n五、纳米块体的应用前景五、纳米块体的应用前景n纳米块体材料和纳米颗粒材料一样，作为一种新兴的功能材料，它的应用研究正在广泛地进行。纳米块体材料的应用领域与纳米颗粒材料基本相似，不同之处是纳米块体材料是作为体相材料应用的。纳米块体材料研究应用按种类主要有纳米金属材料、纳米磁性材料、纳米陶瓷材料、纳米半导体材料、纳米多孔材料和纳米聚合物材料。 584行业学习17.4 纳米膜材料纳米膜材料 n一、纳

358、米膜的概念一、纳米膜的概念n纳米膜是指膜厚1100nm的膜，它的载流子在一个空间方向上受到限制，只能在其余两个空间方向上自由运动，又称为量子阱。纳米膜有晶格膜、无机纳米晶膜、有机纳米膜、纳米颗粒镶嵌膜。n二、超晶格膜二、超晶格膜n超晶格是指两种或两种以上厚度为几至几十埃的不同的交替复合膜形成的多周期结构。主要分为复合超晶格、多组分型超晶格、掺杂超晶格、应变层超晶格、短周期超晶格和非晶超晶格等。585行业学习n超晶格的制备技术主要有分子束外延法、金属有机化合物气相化学沉积法、化学束外延法、原子层外延法。n三、无机纳米晶膜三、无机纳米晶膜n无机纳米晶膜是指其结构单元为纳米晶粒的薄膜。包括半导体纳米

359、膜、陶瓷纳米膜和磁性纳米膜。n四、有机纳米膜四、有机纳米膜n有机纳米膜是指厚度为纳米量级的有机化合物、有机金属化合物和高分子化合物构成的膜。n五、纳米颗粒镶嵌膜五、纳米颗粒镶嵌膜n纳米颗粒镶嵌膜是指纳米颗粒分散镶嵌在母相薄膜介质中所构成的复合膜。其主要类型有金属颗粒/绝缘体、半导体颗粒/绝缘体、金属颗粒/半导体、金属或半导体颗粒/聚合物等。586行业学习17.5 纳米复合材料纳米复合材料 n一、纳米复合材料的特征一、纳米复合材料的特征n复合材料是由分散相和母相（基体）复合而成的材料，当材料的复合线度进入纳米量级时，称为纳米复合材料。n纳米复合材料除了具有纳米尺度效应、高浓度界面效应和纳米结构单

360、元之间的交互作用外，还有一个主要特征，就是复合结构参数的纳米量级效应。这些参数是复合度、联结型、对称性、标度和周期性。587行业学习n二、纳米复合材料的种类二、纳米复合材料的种类n纳米复合材料的分类方法和复合材料基本一样，主要有以下三种分类方法：n（1）按组元的种类分。n（2）按复合后的功能可分为两大类，即纳米结构复合材料和纳米功能复合材料。n（3）按复合结构参数联结型分。n三、无机有机纳米复合材料三、无机有机纳米复合材料n无机有机纳米复合材料的分散相是无机物，它可以是金属、无机氧化物、陶瓷和半导体等，基体是有机物，一般是髙聚物。其制备方法主要有四种：直接分散聚合法、原位生成法、前驱体法和LB

361、膜法。 588行业学习n四、有机无机纳米复合材料四、有机无机纳米复合材料n有机无机纳米复合材料的分散相是有机物，一般为髙聚物，基体为无机物，主要是氧化物、硫化物的网状结构物和各种无机层状化合物。其制备方法主要有溶胶凝胶法和嵌入法两种。n五、陶瓷陶瓷纳米复合材料五、陶瓷陶瓷纳米复合材料n陶瓷陶瓷纳米复合材料的分散相是纳米陶瓷颗粒，基体是陶瓷块体。其制备方法主要有气相沉积法、烧结法（机械混合法、注凝胶法、前驱体法和液相分散包复法）等。n六、聚合物聚合物纳米复合材料六、聚合物聚合物纳米复合材料n聚合物聚合物纳米复合材料的分散相和母相均为聚合物。其制备方法主要有原位聚合法、共混法（熔融共混法和溶液共混

362、法）等。 589行业学习17.6 纳米碳原子簇系材料纳米碳原子簇系材料 n一、纳米碳原子簇系的概念一、纳米碳原子簇系的概念n纯碳的同素异构体有金刚石和石墨两种。n1985年英国Sussex大学教授Kroto.H.W和美国Rice大学教授Smalley.R.E等人发现了一系列原子数为偶数的碳原子簇Cn，其中C60的丰度最高，C70次之。由于C60的直径不到1mm，故又称为球（笼）状纳米碳原子簇，简称纳米碳球，把Cn称为球（笼）状纳米碳原子簇系，简称纳米碳球簇系。n1991年日本NEC的Lijima.S发现了管状纳米碳原子簇系和洋葱状纳米碳原子簇系，分别简称纳米碳管和纳米碳葱，又称巴基管和巴基葱。

363、球状、管状和葱状等纳米碳原子簇系总称纳米碳原子簇系。590行业学习图172 C60的结构 n三、非球状纳米碳原子簇系三、非球状纳米碳原子簇系n纳米碳管是由单层或多层石墨片卷曲而成的无缝纳米数量级直径的细长管，其内径约为13nm，外径一般为2030nm，长度可达1m。 n二、球（笼）状纳米碳原子簇系二、球（笼）状纳米碳原子簇系nC60的结构如图172所示，它是一个截头20面体的球状笼形结构，即由12个五边形和20个六边形构成的32面体的球笼，外形像个足球，中间是空的。60个碳原子分别位于60个顶点上，每个碳原子都是等价的。球笼的直径约7.1。591行业学习17.7 纳米材料的展望纳米材料的展望

364、n一、优化纳米材料的现有制备和处理工艺一、优化纳米材料的现有制备和处理工艺n1、优化现有方法和工艺条件n2、研究纳米材料的纯化方法n3、纳米材料的表面修饰和包覆n二、特殊功能的纳米功能材料的开发二、特殊功能的纳米功能材料的开发n1、研制新的特殊功能纳米材料n2、研制纳米功能涂料n3、研制纳米添加剂592行业学习n三、研制高性能纳米结构材料三、研制高性能纳米结构材料n1、研制高性能纳米金属和陶瓷材料n2、研制纳米相增强复合材料n四、设计和制备纳米结构四、设计和制备纳米结构n五、研究纳米材料的新品种、新工艺和五、研究纳米材料的新品种、新工艺和新体系新体系n六、加强纳米材料的应用研究，扩大其六、加强

365、纳米材料的应用研究，扩大其应用领域应用领域593行业学习本章小结本章小结n1、纳米材料？、纳米材料？n2、纳米颗粒材料？、纳米颗粒材料？n3、表面效应？、表面效应？n4、体积效应？、体积效应？ 594行业学习第十八章第十八章 机敏材料和智能材料机敏材料和智能材料 n18.1 机敏材料和智能材料的概念机敏材料和智能材料的概念n18.2 形状记忆材料形状记忆材料n18.3 电流体变体电流体变体n18.4 机敏窗口机敏窗口n18.5 刺激响应型高聚物刺激响应型高聚物n18.6 高分子人工肌肉材料高分子人工肌肉材料n18.7 智能材料和结构的研究及应用智能材料和结构的研究及应用 595行业学习教学目标

366、及基本要求教学目标及基本要求n掌握机敏材料和智能材料的概念。掌握机敏材料和智能材料的概念。n熟悉和了解熟悉和了解形状记忆材料，电流体变体，机形状记忆材料，电流体变体，机敏窗口，刺激响应型高聚物，高分子人工肌敏窗口，刺激响应型高聚物，高分子人工肌肉材料，智能材料和结构的研究及应用肉材料，智能材料和结构的研究及应用。 596行业学习教学重点和难点教学重点和难点n机敏材料机敏材料n智能材料智能材料597行业学习第十八章第十八章 机敏材料和智能材料机敏材料和智能材料18.1 机敏材料和智能材料的概念机敏材料和智能材料的概念 n智能材料是指对环境可感知、响应和处理后，能适应环境的材料。它是一种融材料技术

367、和信息技术于一体的新概念功能材料。n智能材料应同时具备传感(sensing)、处理(processing)和执行(actuation)三种基本功能。n（1）传感功能。首先是对所处环境条件及其变化的感知，环境条件包括力、光、电、声、磁、热等物理、化学和生物条件。其次是把环境条件及其变化转化为某种讯号传导给处理器。598行业学习n（2）处理功能。包括信息积累、识别、比较、诊断、综合、判断和作出相应的反应，然后把反应转化为指令，传达给执行器。n（3）执行功能。包括报警、自检测、自诊断、自监控、自校正、自适应、自分解、自增殖、自修复、自净化、自愈合和自学习等。 n机敏材料的英文原名为smart mat

368、erial。对机敏材料也没有统一的定义。有人认为机敏材料就是智能材料，两者之间并无区别，只是名称不同。有人认为机敏材料只有传感和执行两种基本功能，比智能材料少一个处理功能。因而，从聪明程度来看，智能材料比机敏材料至少高出一个数量级，机敏材料是一种较低阶段的智能材料，所以一般把机敏材料和智能材料统称为智能材料。 599行业学习n理论上讲，智能材料可以从宏观到微观各种层次上来实现。宏观层次上，单一的一种材料很难同单一的一种材料很难同时具备传感、处理和执行三种基本功能时具备传感、处理和执行三种基本功能。n往往要把几种材料、元件或结构组合在一起构成一个结构或系统才能同时具备上述的三种基本功能。这种结构

369、或系统称为智能结构或系统，它是由多种结构材料（结构）、功能材料（元件或结构）所构成。在微观层次上如在分子、原子水平上，则有可能在一种材料中实现上述三种基本功能。这种材料才符合智能材料的定义。n智能材料的基本功能随着研究的进展正在逐步丰富和发展，它的智能也从低级（如机敏材料）发展到比较高级（如仿生智能材料），最终可能发展到具有类似人类的部分智能。 600行业学习n研究智能材料最早的国家是美国和日本。随后英、意、澳等也开展了智能材料的研究。n我国对智能材料的研究也很重视，从1991年起就把智能材料列为国家自然科学基金和国家863计划的研究项目，并已取得了相当的进展。n宏观智能材料往往由结构材料和具

370、有传感、处理或执行功能的功能材料构成。这些功能材料在本书的以前各章中大部分都已介绍过。n本章介绍几种以前各章未讲到的有传感或执行功能的材料，即形状记忆材料、电流变流体、机敏窗口、刺激响应型高聚物和高分子人工肌肉材料。有的文献把这些材料也称为智能材料，这不太确切。601行业学习18.2 形状记忆材料形状记忆材料n一、一、形状记忆材料的概念形状记忆材料的概念n形状记忆材料是指具有一定初始形状的材料经形变并固定成另一种形状后，通过热、光、电等物理刺激或化学刺激的处理又可恢复成初始形状的材料。n二、形状记忆合金二、形状记忆合金n形状记忆合金：通过热弹性与马氏体相变及其反转而具有形状记忆效应的由两种以上

371、金属元素所构成的材料。602行业学习n（一）形状记忆合金的基本原理n（二）形状记忆合金的种类和发展n（三）形状记忆合金的应用n三、三、形状记忆高聚物形状记忆高聚物n形状记忆高聚物是由固定相（硬相）和软化硬化可逆相（软相）构成，通过可逆相的可逆变化而具有形状记忆效应。n（一）形状记忆高聚物的基本原理n（二）形状记忆高聚物的种类n（三）形状记忆高聚物的应用603行业学习18.3 电流变流体电流变流体n一、电流变流体的概念一、电流变流体的概念n在电场作用下，材料的流变性质发生变化，称之为电场致流变效应，简称电流变效应。n具有电流变效应的流体均可称为电流变流体。n电流变流体是指一种含有两相或两相以上的

372、悬浮体，在外加电场作用下，能在极短时间内，其流变性能发生显著变化，如表观粘度和弹性模量剧增几个数量级，由液体向固体转变，这种转变是可逆的，电场除去后，固体很快变回成液体。n二、电流变效应的机理二、电流变效应的机理n三、电流变流体的组成和种类三、电流变流体的组成和种类n四、电流变流体的应用前景四、电流变流体的应用前景604行业学习18.4 机敏窗口机敏窗口n一、机敏窗口的概念一、机敏窗口的概念n电色窗口是一种利用电致变色原理，由基体玻璃和电致变色系统构成的一种窗口。这种窗口在外电场作用下，引起颜色的可逆变化，从而可调节其对光的吸收率、透过率和反射率三者的比例关系。因而是一种光、热可调性窗口。由于

373、具有调节执行功能，又称之为机敏窗口。n二、机敏窗口的特征值和对它的要求二、机敏窗口的特征值和对它的要求n三、机敏窗口的结构三、机敏窗口的结构605行业学习n四、机敏窗口的调光和调热原理四、机敏窗口的调光和调热原理n五、电致变色层五、电致变色层n（一）无机电致变色材料n（二）高聚物电致变色材料n（三）复合型电致变色材料n六、离子导体层六、离子导体层n七、离子储存层七、离子储存层n八、透明导电层八、透明导电层n九、机敏窗口的制备方法九、机敏窗口的制备方法n十、机敏窗口的种类、发展方向和应用前景十、机敏窗口的种类、发展方向和应用前景606行业学习18.5 刺激效应型高聚物刺激效应型高聚物n一、刺激响

374、应型高聚物的概念一、刺激响应型高聚物的概念n刺激响应型高聚物是一类对于外界环境微小物理或化学刺激能发生迅速响应，而使自身的某些物理或化学性质发生相应突变的聚合物。n二、刺激响应水凝胶二、刺激响应水凝胶n（一）高聚物水凝胶的溶胀机理n（二）刺激响应水凝胶的种类607行业学习n三、其他刺激响应型高聚物三、其他刺激响应型高聚物n（一）温度响应高聚物n（二）刺激响应高聚物水溶液n（三）载体表面的刺激响应高聚物n（四）刺激响应高聚物膜n（五）刺激响应高聚物的应用608行业学习18.6 高分子人工肌肉材料高分子人工肌肉材料n一、高分子人工肌肉材料的概念一、高分子人工肌肉材料的概念n天然肌肉的主要特征之一是

375、将化学能等温高效地直接转变为机械能。高分子人工肌肉材料：具有天然肌肉将化学能等温高效地直接转变为机械能的特性的材料。(收缩性差距)n二、高分子人工肌肉的特征值和对它的要求二、高分子人工肌肉的特征值和对它的要求n三、高分子人工肌肉的种类、发展动向和应用前三、高分子人工肌肉的种类、发展动向和应用前景景n（一）MC型人工肌肉n（二）EMC型人工肌肉609行业学习18.2 智能材料和结构的研究及应用智能材料和结构的研究及应用n智能材料的研究一开始就受到了国际上的普遍重视，发展相当迅速。智能材料的研究已从宏观层次进入微观层次，从基础研究进入应用基础研究，并开始了工程应用研究。n一、智能材料结构和系统一、

376、智能材料结构和系统n在宏观层次上，单一的一种材料很难同时具备传感、处理和执行三种基本功能，因此要构成一个结构或系统才能实现上述三种基本功能。这种结构或系统就称为智能材料结构或系统，也可简称智能结构或系统。 610行业学习n智能材料结构或系统一般由以下几种相对独立的材料或元件组成。n（1）结构件n（2）传感器n（3）致动器n（4）处理和控制系统n（5）信息传输系统n智能结构分为主动控制式和被动控制式两大类。n按基体的材料来分类，智能结构可分为n（1）金属基智能结构n（2）无机非金属基智能结构n（3）高分子基智能结构n（4）复合基智能结构611行业学习n智能结构或系统的应用研究主要有以下几个方面。n（1）结构件的质量监控和无损探伤n（2）结构件的安全监控和自动报警n（3）防振降噪n（4）结构件的自修复n（5）气动力学的监控n（6）智能皮肤 n二、智能材料二、智能材料n智能材料和结构是一种新型的高技术材料，被称为第三代材料。612行业学习本章小结本章小结n1、机敏材料？、机敏材料？n2、智能材料？、智能材料？613行业学习