材料的性能1Chapter 2Properties of Materials 2General Characters of Materials 3本章主要内容本章主要内容材料的几类主要性能：材料的几类主要性能：Ø化学性能化学性能Ø力学性能力学性能Ø热性能热性能Ø电性能电性能Ø磁性磁性Ø光学性能光学性能学习目的：学习目的：1.了解材料的各类性能；了解材料的各类性能；2.学习一些材料性能的表征及测试方法；学习一些材料性能的表征及测试方法；3.加深理解材料结构与性能的关系加深理解材料结构与性能的关系 4溶蚀性溶蚀性耐腐蚀性耐腐蚀性抗渗透性抗渗透性抗氧化性抗氧化性——材料抵抗各种介质作用的能力材料抵抗各种介质作用的能力化学稳定性化学稳定性2.1 化学性能化学性能Chemical Performance 5(1) Chemical stability of metal materials氧化物成核氧化物成核 生长生长氧溶解氧溶解氧化膜生长氧化膜生长内氧化内氧化缝隙缝隙孔洞孔洞微裂纹微裂纹宏观裂纹宏观裂纹吸附吸附（（1）化学锈蚀）化学锈蚀3.1.1 耐氧化性耐氧化性金属氧化反应的金属氧化反应的主要过程示意图主要过程示意图 几种金属的表面氧化膜对比几种金属的表面氧化膜对比多孔氧化膜多孔氧化膜致密氧化膜致密氧化膜松散氧化膜松散氧化膜6 金属的氧化动力学曲线常常由于发生氧化膜的开裂与剥落而金属的氧化动力学曲线常常由于发生氧化膜的开裂与剥落而偏离理论公式，并失去保护作用。
偏离理论公式，并失去保护作用氧比膜中的应力与松弛是决定氧化动力学的重要因素氧比膜中的应力与松弛是决定氧化动力学的重要因素生长应力与热应力生长应力与热应力生长应力与热应力生长应力与热应力 10Electrochemistry corrosion（（2））电化学腐蚀电化学腐蚀simple electrochemical cell corrosion cell between a steel water pipe and a copper fitting 11Electrochemistry corrosionSO2气体对铁的侵蚀过程气体对铁的侵蚀过程（（2））电化学腐蚀电化学腐蚀 12Example海水对金属的侵蚀示意图海水对金属的侵蚀示意图 Cathodic protection of a buried steel pipelineWhy Mg? How about Ca, Al, Zn?电化学防锈电化学防锈——牺牲阳极法牺牲阳极法13 14思考：思考：•为什么有的金属（如铝）比较活泼，但在为什么有的金属（如铝）比较活泼，但在空气中很稳定？空气中很稳定？•为什么在潮湿环境下金属材料容易生锈？为什么在潮湿环境下金属材料容易生锈？•材料应用中有哪些防锈方法？材料应用中有哪些防锈方法？ 152.1.2 耐酸碱性耐酸碱性耐酸材料耐酸材料 以酸性氧化物以酸性氧化物SiO2为主为主耐耐碱碱材材料料 大多数金属氧化物都是碱性氧化大多数金属氧化物都是碱性氧化物，物，相应的材料相应的材料表现出较强的耐表现出较强的耐碱性，而易受酸侵蚀或溶解。
碱性，而易受酸侵蚀或溶解2) Chemical stability of non-metal materials 16金属的耐酸碱性金属的耐酸碱性•主要是高温下浓碱液的腐蚀问题主要是高温下浓碱液的腐蚀问题•镍铬铸铁中加入稀土，降低镍含量，可以降低材料成镍铬铸铁中加入稀土，降低镍含量，可以降低材料成本，又可以保证合金铸铁良好的耐碱蚀性本，又可以保证合金铸铁良好的耐碱蚀性 耐蚀机理：耐蚀机理：碱蚀后稀土高镍铬铸铁碱蚀后稀土高镍铬铸铁表面生成完整、致密的表面生成完整、致密的 -(Fe, Cr)2O3氧化膜和氧化膜和Na2SO4、、FeCl3等附着物，等附着物，使材料本体受到保护使材料本体受到保护 17(3) Chemical stability of polymers化学稳定性好，耐酸耐碱化学稳定性好，耐酸耐碱高分子材料：高分子材料：• 主链原子以共价键结合主链原子以共价键结合• 长分子链对反应基团的保护长分子链对反应基团的保护• 电绝缘性，无电化学腐蚀电绝缘性，无电化学腐蚀 18(3) Chemical stability of polymers•金属材料和无机非金属材料有好的耐有机溶剂性能；金属材料和无机非金属材料有好的耐有机溶剂性能；•热塑性高分子材料一般由线形高分子构成，很多有机热塑性高分子材料一般由线形高分子构成，很多有机溶剂都可以将其溶解；溶剂都可以将其溶解；•交联型高分子在有机溶剂中不溶解，但能溶胀，使材交联型高分子在有机溶剂中不溶解，但能溶胀，使材料体积膨胀，性能变差；料体积膨胀，性能变差；•不同的高分子材料，其分子链以及侧基不同，对各种不同的高分子材料，其分子链以及侧基不同，对各种有机溶剂表现出不同的耐受性；有机溶剂表现出不同的耐受性；•组织结构对耐溶剂性也有较大影响。
组织结构对耐溶剂性也有较大影响–例如，作为结晶性聚合物，聚乙烯在大多数有机溶剂中都难例如，作为结晶性聚合物，聚乙烯在大多数有机溶剂中都难溶，因而具有很好的耐溶剂性溶，因而具有很好的耐溶剂性 2.1.3 耐有机溶剂性耐有机溶剂性 19(3) Chemical stability of polymers•光照下形成自由基：光照下形成自由基：2.1.4 耐老化性耐老化性——高分子材料面临的问题高分子材料面临的问题 •氧气的参与：氧气的参与：•自由基形成后导致自由基形成后导致链的断裂（降解）：链的断裂（降解）： 20(3) Chemical stability of polymers•羰基容易吸收紫外光，因此含羰基的聚合物在太阳光羰基容易吸收紫外光，因此含羰基的聚合物在太阳光照射下容易被氧化降解照射下容易被氧化降解•聚四氟乙烯有极好的耐老化性能聚四氟乙烯有极好的耐老化性能 –氟原子与碳原子形成牢固的化学键；氟原子与碳原子形成牢固的化学键； –氟原子的尺寸大小适中，一个紧挨一个，能把碳链紧紧氟原子的尺寸大小适中，一个紧挨一个，能把碳链紧紧包围住•分子链中含有不饱和双键、聚酰氨的分子链中含有不饱和双键、聚酰氨的酰氨键酰氨键酰氨键酰氨键、聚碳酸、聚碳酸酯的酯键、聚砜的碳硫键、聚苯醚的苯环上的甲基等酯的酯键、聚砜的碳硫键、聚苯醚的苯环上的甲基等等，都会降低高分子材料的耐老化性。
等，都会降低高分子材料的耐老化性 结构与结构与耐老化性耐老化性 21(3) Chemical stability of polymers•改进聚合物分子结构改进聚合物分子结构•加入适当助剂加入适当助剂–抗氧化剂抗氧化剂 –光屏蔽剂光屏蔽剂 –紫外线吸收剂紫外线吸收剂 –淬灭剂淬灭剂 耐老化性耐老化性的提高的提高 22——材料抵受外力作用的能力材料抵受外力作用的能力2.2 力学性能Mechanical Property 23Ø 拉伸强度 拉伸强度 Tensile strengthØ 弯曲强度弯曲强度 Flexural strengthØ 扭转强度 扭转强度 Torsional strengthØ 抗压强度抗压强度 Compression strengthØ 冲击强度冲击强度 Impact strength2.2.1 材料的强度(Strength) 24•应力应力stress•应变应变strain 1.1.弹性模量：弹性模量：E E2.2.强度：强度： p、、 e、、 s、、 b3.3.塑性塑性: : k k、、 k k4.4.静力韧度静力韧度: :1.拉伸性能拉伸性能 25Experiment样品拉伸试验样品拉伸试验应力应力- -应变曲线应变曲线 ultimate tensile strength yield strength 无明显屈服的塑性材料拉伸曲线无明显屈服的塑性材料拉伸曲线树脂材料拉伸曲线树脂材料拉伸曲线 27102030 (%)0100200300400500600700800900 (MPa)低碳钢低碳钢锰钢锰钢硬铝硬铝退火球墨铸铁退火球墨铸铁 延展性或塑性的表征延展性或塑性的表征•延伸率延伸率 elongation•断面收缩率断面收缩率 reduction of area < 5%：：脆性材料脆性材料29 Chapter3 Properties of Materials30塑性材料和脆性材料力学性能比较塑性材料和脆性材料力学性能比较: :塑性材料塑性材料断裂前有很大塑性变形断裂前有很大塑性变形抗压能力与抗拉能力相近抗压能力与抗拉能力相近延伸率延伸率 δδ > 5%> 5%可承受冲击载荷，适合于可承受冲击载荷，适合于锻压和冷加工锻压和冷加工脆性材料脆性材料断裂前变形很小断裂前变形很小抗压能力远大于抗拉能力抗压能力远大于抗拉能力延伸率延伸率 δδ < 5%< 5%适合于做基础构件或外壳适合于做基础构件或外壳 2. 扭转性能 扭转性能扭转试验方法：GB/T 10128-1988GB/T 10128-1988试样：圆柱或圆管 扭转性能指标 扭转曲线 3.弯曲性能弯曲性能弯曲试验方法：GB/T 10128-1988GB/T 10128-1988挠度s 弯曲应力σf 弯曲应变εf 弯曲强度σfM NiNi合金合金( (板厚板厚45mm)45mm)焊缝弯曲无裂纹焊缝弯曲无裂纹为合格为合格 例：焊接件弯曲工艺试验 M 试样弯矩W 试样抗弯界面系数b 试样界面宽h 试样界面高 a aE=tga aO1O2f1(f)低碳钢拉伸应低碳钢拉伸应力应变曲线力应变曲线D( s下下)( e) BC( s上上)A( p)E( b) g (MPa)200400 0.10.2O低碳钢压缩应低碳钢压缩应力应变曲线力应变曲线4.4.压缩性能压缩性能 e eO b灰铸铁的灰铸铁的拉伸曲线拉伸曲线 b灰铸铁的灰铸铁的压缩曲线压缩曲线 = 45o剪应力引起剪应力引起断裂断裂 典型材料压缩曲线典型材料压缩曲线1-1-高塑性材料；高塑性材料；2-2-低塑性材料低塑性材料 (2)压缩断裂形式切断:碳纤维增强镁基复合材料压缩断裂正断:纵向裂纹，如陶瓷材料注意:高塑性材料压扁而不破坏 (3)压缩性能指标与拉伸试验相仿：强度指标：pc、ec、sc、bc塑性指标：相对压缩率ck、相对断面扩展率ck a aE=tga aO1O2f1(f)低碳钢拉伸应低碳钢拉伸应力应变曲线力应变曲线D( s下下)( e) BC( s上上)A( p)E( b) g (MPa)200400 0.10.2O低碳钢压缩应低碳钢压缩应力应变曲线力应变曲线(4)材料拉伸与压缩力学行为对比塑性材料： e eO b灰铸铁的灰铸铁的拉伸曲线拉伸曲线 b灰铸铁的灰铸铁的压缩曲线压缩曲线 = 45o剪应力引起剪应力引起断裂断裂低塑性及脆性材料： 46材料的一些力学性能特点：材料的一些力学性能特点：•很多金属材料既有高的强度，又有良好的延展性；很多金属材料既有高的强度，又有良好的延展性；•多晶材料的强度高于单晶材料；多晶材料的强度高于单晶材料；–这是因为多晶材料中的晶界可中断位错的滑移，改变滑这是因为多晶材料中的晶界可中断位错的滑移，改变滑移的方向。
通过控制晶粒的生长，可以达到强化材料的移的方向通过控制晶粒的生长，可以达到强化材料的目的•固溶体或合金的强度高于纯金属；固溶体或合金的强度高于纯金属；–杂质原子的存在对位错运动具有牵制作用杂质原子的存在对位错运动具有牵制作用•多数无机非金属材料延展性很差，屈服强度高多数无机非金属材料延展性很差，屈服强度高 –源于共价键的方向性源于共价键的方向性 472.2.2 材料的硬度（材料的硬度（hardness)——材料局部抵抗硬物压入其表面的能力的量度材料局部抵抗硬物压入其表面的能力的量度•布氏硬度（布氏硬度（Brinell hardness））•洛氏硬度（洛氏硬度（Rockwell hardness））HR=(K-h)/0.002•维氏硬度（维氏硬度（Vickers hardness））HV=0.189F/d2 材料弹性、塑性、材料弹性、塑性、强度和韧性等力学强度和韧性等力学性能的综合指标性能的综合指标 划痕法（莫氏硬度），静压法，回跳法（肖氏硬度）划痕法（莫氏硬度），静压法，回跳法（肖氏硬度）划痕法（莫氏硬度），静压法，回跳法（肖氏硬度）划痕法（莫氏硬度），静压法，回跳法（肖氏硬度） 48维氏硬度测量维氏硬度测量 49硬度试验硬度试验 50各种材料的硬度特征：各种材料的硬度特征：•由共价键结合的材料如金刚石具有很高的硬度，这由共价键结合的材料如金刚石具有很高的硬度，这是因为共价键的强度较高；是因为共价键的强度较高；•无机非金属材料有较高硬度无机非金属材料有较高硬度–离子键和共价键的强度均较高；离子键和共价键的强度均较高；–当含有价态较高而半径较小的离子时，所形成的离子键当含有价态较高而半径较小的离子时，所形成的离子键强度较高（因静电引力较大），故材料的硬度更高。
强度较高（因静电引力较大），故材料的硬度更高•金属材料形成固溶体或合金时可显著提高材料的硬金属材料形成固溶体或合金时可显著提高材料的硬度•高分子材料硬度通常较低高分子材料硬度通常较低–分子链之间主要以范德华力或氢键结合，键力较弱分子链之间主要以范德华力或氢键结合，键力较弱 Chapter3 Properties of Materials511882年德国矿物学家莫尔年德国矿物学家莫尔列出10种矿物作为硬度标准10种矿物的硬度从高至低依次排列如下： 钻石10、刚玉9、水晶8、石英7、正长石6、磷灰石5、氟石4、方解石3、石膏2、滑石1" "铁铁铁铁" "则约是等级则约是等级则约是等级则约是等级5~6,5~6,人骨人骨人骨人骨的莫氏硬度为3到4之间牙釉质和牙骨质构成齿冠的外层齿冠的外层齿冠的外层齿冠的外层，莫氏硬度为6～7，主要成分为羟基磷灰石 522.2.3 疲劳性能疲劳性能——材料抵抗疲劳破坏的能力材料抵抗疲劳破坏的能力•疲劳（疲劳（fatigue）：材料在循环受力（拉伸、压缩、弯曲、）：材料在循环受力（拉伸、压缩、弯曲、剪切等）下，在某点或某些点产生局部的永久性损伤，并剪切等）下，在某点或某些点产生局部的永久性损伤，并在一定循环次数后形成裂纹、或使裂纹进一步扩展直到完在一定循环次数后形成裂纹、或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象。
全断裂的现象 疲劳曲线疲劳曲线 (S-N曲线曲线) Ø热容（热容（heat capacity））Ø热膨胀（热膨胀（thermal expansion））Ø热传导（热传导（thermal conduction）） 532.3 热性能热性能Thermal Property 54•定压热容定压热容Cp–晶体材料较高温度下：晶体材料较高温度下：Cp=3R=24.9 J mol-1 K-1–极低温度下：极低温度下： Cp T3•定容热容定容热容CV2.3.1 热容（heat capacity）——单位质量物质升高1K所需要的热量 55•膨胀系数膨胀系数 ：：温度变化温度变化1K时材料尺度的变化量时材料尺度的变化量•线膨胀系数线膨胀系数 l和体积膨胀系数和体积膨胀系数 V 2.3.2 热膨胀thermal expansion 56Curve势能一原子间距离曲线势能一原子间距离曲线假想的假想的实际的实际的热膨胀现象解释热膨胀现象解释 57Curve•金属和无机非金属材金属和无机非金属材料的线膨胀系数较小；料的线膨胀系数较小；•聚合物材料则较大聚合物材料则较大键强与热膨胀键强与热膨胀膨胀的差异膨胀的差异——原子间的键合力越强，则热膨胀系数越小原子间的键合力越强，则热膨胀系数越小。
58Examples•热量通量热量通量q ：：•热导率热导率 ：表征物质热传导性能的物理量表征物质热传导性能的物理量–单单位：位：W m-1 K-1，或，或 cal cm-1 s-1 K-1–1 cal cm-1 s-1 K-1=4.2 102 W m-1 K-1 2.3.3 热热传导（传导（thermal conduction））——热量从系统的一部分传到另一部分或由一热量从系统的一部分传到另一部分或由一个系统传到另一个系统的现象个系统传到另一个系统的现象 59各种材料的导热率各种材料的导热率•金属材料有很高的热导率金属材料有很高的热导率–自由电子在热传导中担当主要角色；自由电子在热传导中担当主要角色；–金属晶体中的晶格缺陷、微结构和制造工艺都对导热性有影响；金属晶体中的晶格缺陷、微结构和制造工艺都对导热性有影响；–晶格振动晶格振动•无机陶瓷或其它绝缘材料热导率较低无机陶瓷或其它绝缘材料热导率较低–热传导依赖于晶格振动（声子）的转播热传导依赖于晶格振动（声子）的转播–高温处的晶格振动较剧烈，再加上电子运动的贡献增加，其热导率高温处的晶格振动较剧烈，再加上电子运动的贡献增加，其热导率随温度升高而增大。
随温度升高而增大•半导体材料的热传导：半导体材料的热传导：–电子与声子的共同贡献电子与声子的共同贡献–低温时，声子是热能传导的主要载体低温时，声子是热能传导的主要载体–较高温度下电子能激发进入导带，所以导热性显著增大较高温度下电子能激发进入导带，所以导热性显著增大•高分子材料热导率很低高分子材料热导率很低–热传导是靠分子链节及链段运动的传递，其对能量传递的效果较差热传导是靠分子链节及链段运动的传递，其对能量传递的效果较差 60Examples铜固态401 W m-1 K-110mm2 10mm 20oC 温差 热导功率温差 热导功率 61Ø导电性导电性Ø介电性介电性Ø铁电性铁电性Ø压电性压电性 ——材料被施加电场时所产生的响应行为材料被施加电场时所产生的响应行为2.4 电性能Electrical Property 622.1.3.5 Electrical property2.4.1 导电性能导电性能Electrical Conductivity金属：导体、半导体（半导体金属砷、碲等）金属：导体、半导体（半导体金属砷、碲等）陶瓷：绝缘体、半导体陶瓷：绝缘体、半导体高分子材料：绝缘体、半导体、导体高分子材料：绝缘体、半导体、导体其它：硅、锗（半导体），石墨（导体）其它：硅、锗（半导体），石墨（导体） 632.1.3.5 Electrical property电阻：电阻：电阻率：电阻率： 电导率：电导率： = 1/ = nZe 要增加材料的导电性，关键是增大单位体积内载流子的数目要增加材料的导电性，关键是增大单位体积内载流子的数目（（n）和使载流子更易于流动（增大）和使载流子更易于流动（增大 值）值）。
铜 59.6E6 S/m 1.5方 ?米/欧银 100 铜 99 金 74 铝 61 锌 27 铁 17 铅 7.9 642.1.3.5 Electrical property能带理论（能带理论（Band Theory））能带的形成能带的形成 65各种材料的能带结构各种材料的能带结构 662.1.3.5 Electrical property2.4.2 介介电性能电性能 Dielectric Property电容电容C（（capacitance））——电荷量电荷量q与电压与电压V的比值：的比值： 平板电容计算：平板电容计算： C = (A/L) • ：：介电常数，表征材料极化和储存电荷的能力介电常数，表征材料极化和储存电荷的能力；；• 相对介电常数相对介电常数 r：： r= / 0 (介质常数、介电系数或电容率)C=q/Vε0=8.85*10-12,F/m • 电介质的定义与特征• 电介质的极化• 电介质的基本常数 • 电介质的应用 1. 电介质的定义与基本特征在电场作用下，束缚电荷起主要作用的物质，称电介质。
在电场作用下，能产生极化与偶极子，并存在有内电场物质电介质半导体导体是一类特殊的绝缘体电介质导体高电场作用 电介质的特征从电场特性来看（a）导体中：内部电场为零（平衡状态），电场终止于 导体表面并与表面垂直b）在电介质中：内部存在电场，表面会产生束缚电荷载流子： 导体的载流子为电子；半导体的载流子为电子和空穴；电介质的载流子主要为离子在传导上，导体为自由电子，而电介质则以电极化故对极化的研究是介质物理的主要任务 • 〈经典电介质科学丛书〉首批著作出版志贺 介质以极化为本质特征，衍生多种功能效应于一体，兼秉丰富深刻之物理内涵，前程无限叹我介电学科，相对滞后，极化之类基本问题，仍未彻底解开更有心态浮燥，不重基础，回避难题，急功近利诸多不足之处，吾人当自省 —姚熹院士 电介质的类型Ø气体Ø液体Ø陶瓷Ø玻璃Ø离子晶体 NaCl等H2，空气，六氟化硫等水，石油等云母，瓷，橡胶，聚苯乙烯等钛酸钡、铁酸铋、钛酸铅等 介电常数：是指以电极化的方式传递、存贮或 记录电的作用 电导：是指电介质在电场作用下存在泄露电流。
介电损耗：是电介质在电场作用下存在电能的损耗 介电强度：是指在强电场下可能导致电介质的破坏 电介质的四大基本常数好的电介质要求较容易极化，具有较高的介电常数和介电强度，较低的电导和介电损耗 -----++ ++++ +++----+-插入电介质束缚电荷在电场作用下产生束缚电荷(bound charge)的现象称为电介质的极化2. 电介质的极化(Polarize) 与极化相关的物理量Ø电偶极矩Ø极化电荷（束缚电荷）Ø电极化强度 P —— 电介质极化程度的量度由极化而引起的宏观电荷 电介质极化的微观机理（类型）电介质极化的微观机理（类型） ① 电子位移极化与电子位移极化率 在外电场作用下，电子云相对原子核的位移是弹性联系，其振动频率在光频范围，所以电子极化又称光极化，极化建立和消除的时间极短，约10-15—10-16sE电子位移极化在外电场作用下，构成原子外围的电子云相对于原子核发生位移感应偶极矩： 平衡建立后-xa以电子云中心为参考点，核沿电场方向移动x，使核移动的电场力为核移动后，受到电子云的库仑力为 与温度无关-xa电偶极矩电子极化率：由电子产生的偶极矩与作用于该原子的电场强度之比。
电子位移极化结论同族元素：由上到下增大； 同周期元素：不定； 电子位移极化率与温度无关； 极化率为快极化：10-15 –10-16s，该极化无损耗在光频下，只有电子极化，介质的光折射率为： ② 离子位移极化和极化率离子晶体的介电常数值比n2值大的多，如8.431.99CaF2110-1147.3TiO24.682.13KCl介电常数n2因此，必然存在电子极化外的其他极化机制离子位移极化：离子晶体中正、负离子发生相对位移而形成的极化，称为离子（位移）极化(Ionic polarization) -q+qEK = ?当位移不是很大时可将正负离子间的恢复力看成为准弹性力根据正、负离子对的固有谐振频率用实验方法求解k值E 正负离子位移形成的偶极距离子极化率 u离子位移极化率与电子位移极化率几乎有相同的数量级；u离子位移极化只可能在离子晶体中存在，液体或气体介质中不存在离子极化；u离子位移极化只与离子晶体结构参数有关，与温度无关；u离子位移极化建立或消除时间与离子晶格振动周期有相同数量级，10-12–10-13秒离子位移极化模型（一维）离子位移极化模型（一维）离子极化结论： ③ 偶极子转向极化和极化率当极性分子受外电场作用时，偶极子就会产生转矩，由于偶极子与电场方向相同时具有最小位能，于是就电介质整体来看，偶极矩不再等于零，而出现沿电场方向的宏观偶极矩，这种极化现象称为偶极子转向极化。
E 每一偶极子的势能Boltzman统计分布极性分子固有极距极化建立时间：10-6–10-2秒，为慢极化 极化形式发生极化的电介质极化的频率范围和温度的关系能量消耗电子位移极化一切陶瓷介质中直流-光频无关没有离子位移极化离子结构介质直流-红外温度升高，极化增强很微弱离子松弛极化离子结构的玻璃、结构不紧密的晶体及陶瓷直流-超高频随温度变化有极大值有电子松弛极化钛质瓷、高价金属氧化物基陶瓷直流-超高频随温度变化有极大值有转向极化有机材料直流-超高频随温度变化有极大值有空间电荷极化结构不均匀的陶瓷介质直流-超高随温度升高而减弱有自发极化温度低于居里点的铁电体直流-超高频随温度变化有显著极大值很大各种极化形式的综合比较 电介质极性材料非极性材料只有位移极化的电介质有转向极化的电介质根据极化类型对电介质进行分类微观上，根据参加极化的微观粒子的种类，电介质的分子极化可分为三类：电子位移极化；离子位移极化；电偶极子转向极化 3. 基本常数—— 静态介电常数—— 真空介电常数—— 相对介电常数介电常数介电常数可理解为在单位电场强度下，单位体积中所存储的能量电容① 介电常数（dielectric coefficient） ② 介电强度击穿指当施加于电介质上的电场强度或电压增大到一定程度时，电介质由介电状态变为导电状态的现象。
介电强度填充电介质的目的是使极板间可承受的电位差能比空气介质承受的更高些，即提高其介电强度 （一）热击穿（一）热击穿由于电介质内部由于电介质内部热的不稳定热的不稳定过程所造成的过程所造成的 影响因素影响因素Ø与材料的性能有关与材料的性能有关Ø绝缘结构（电极的配置与散热条件）及电压种类、环境温度等有关绝缘结构（电极的配置与散热条件）及电压种类、环境温度等有关 因此热击穿强度因此热击穿强度不能不能看作是电介质材料的本征特性参数看作是电介质材料的本征特性参数 （二）电击穿（二）电击穿在较低温度下，采用了消除边缘效应的电极装置等严格控制的在较低温度下，采用了消除边缘效应的电极装置等严格控制的条件下，进行击穿试验时所观察到的一种击穿现象条件下，进行击穿试验时所观察到的一种击穿现象 主要特性：主要特性： Ø击穿场强高（大致在击穿场强高（大致在5 5～～15MV/cm15MV/cm范围），实用绝缘系统是不可能达到的范围），实用绝缘系统是不可能达到的Ø在一定温度范围内，击穿场强随温度升高而增大，或变化不大在一定温度范围内，击穿场强随温度升高而增大，或变化不大 意义意义 Ø反映了固体介质耐受电场作用能力的最大限度反映了固体介质耐受电场作用能力的最大限度Ø仅与材料的化学组成及性质有关，材料的特性参数之一，又称为仅与材料的化学组成及性质有关，材料的特性参数之一，又称为耐电耐电 强度或电气强度强度或电气强度 （三）不均匀电介质的击穿包括固体、液体或气体组合构成的绝缘结构中的一种包括固体、液体或气体组合构成的绝缘结构中的一种击穿形式击穿形式 。
击穿往往是从耐电强度低的气体中开始，表现为局击穿往往是从耐电强度低的气体中开始，表现为局部放电，然后或快或慢地随时间发展至固体介质劣部放电，然后或快或慢地随时间发展至固体介质劣化损伤逐步扩大，致使介质击穿化损伤逐步扩大，致使介质击穿 固体介质击穿的一般规律：u 固体介质的击穿电场大于液体和气体介质 Eb（气体）=3106 V/m Eb（液体）=107~108 V/m Eb（固体）=108~109 V/mu 固体介质击穿是永久性的u 从击穿过程看：-电场的破坏——变成导体——电击穿；-介质本身的破坏：a）热破坏——热击穿；b）机械破坏——机械击穿 ③ 电介质的电导电介质中的带电质点在电场作用下做定向迁移形成的固体电导电子电导离子电导电子和空穴可移动的正负离子和离子空位低电场下高电场下 体电导和表面电导体电导率：由材料的本质所决定，与试样尺寸无关表面电导：表示介质抵抗沿表面漏电的性能 电介质表面的状况电介质表面的分子结构空气湿度 ④ 介电损耗在外电场作用下，由电导作用和极化作用引起的电介质内的能量损耗介电损耗电导损耗介质极化损耗静电场中交变电场中电导损耗电导损耗电导损耗并联等效电路串联等效电路 引起介电损耗的微观机制普通无机晶体介质(NaCl, SiO2等)只有位移极化，损耗来源：离子电导，与电导率成正比无定形玻璃介质电导损耗、松弛损耗和结构损耗（Si-O网络变形）多晶陶瓷离子电导，松弛损耗和夹层损耗多相复合介质界面电荷积累——“夹层极化” 有损耗电容器的等效电路和向量图并联等效电路串联等效电路 损耗角和损耗因素向量图向量图δ—— 损耗角tan δ —— 损耗因素理想（真空）电容器无损耗，δ=0；δ越大，说明介质损耗越大。
电介质基本常数之间的关系n提高电介质的介电常数有利于提高电容器的存储电荷量，然而介电损耗也将随之增加，因而寻找一种兼具有高介电常数和低介电损耗的电介质是当前科学研究者的任务n材料的介电常数越大，其介电强度不一定高； 电介质的电导越大，介电损耗也越高 一些材料的介电性能材料相对介电常数介电强度/(kV·cm-1)真空1∞水78—纸3.51.4红宝石云母5.416琥珀2.79.0瓷器6.50.4熔凝石英3.80.8玻璃4.51.3电木4.81.2聚乙烯2.35.0二氧化钛1000.6 103(2) Dielectric Property某些介电材料的性能某些介电材料的性能 104(3) Ferroelectricity2.4.3 铁电性与压电性铁电性与压电性Ferroelectricity and Piezoelectricity在一些电介质晶体中，晶胞的结构使正负电荷重心不重合而出现电偶极矩，产生不等于零的电极化强度，使晶体具有自发极化，晶体的这种性质叫铁电性铁电性铁电性铁电性具有自发极化的晶体是一个永久带电体永久带电体永久带电体永久带电体，在晶体内部及外部建立电场，电场强度取决于晶体的自发极化强度Ps Chapter3 Properties of Materials105铁电型电滞回线铁电型电滞回线 106居里温度Tc Curie temperature 钛酸钡：是电子陶瓷中使用最广泛的材料之一，被誉为”电子陶瓷工业的支柱 压电材料压电材料压电材料压电材料是具有压电效应的物质。
是具有压电效应的物质石英表，电报，超声仪，石英表，电报，超声仪，耳机，录音机耳机，录音机……l某些电介质某些电介质,外力的作用外力的作用→→变形变形→→内部内部极化极化→→表面正负电荷，外力去掉表面正负电荷，外力去掉→→恢复恢复到不带电的状态；到不带电的状态；正压电效应正压电效应l相反，电介质极化方向电场相反，电介质极化方向电场→→发生变发生变形，电场去掉后形，电场去掉后→→变形随之消失；变形随之消失；逆压逆压电效应电效应，或电致伸缩现象或电致伸缩现象quartz电气石 高频震动高频震动→→高频电流高频电流；；高频电信号高频电信号→→高频声信号（机械震动高频声信号（机械震动））压电性压电性Piezoelectricity ⑴⑴石英晶体石英晶体石英晶体石英晶体：如图示，晶体内部正负离子的偶极矩在外：如图示，晶体内部正负离子的偶极矩在外力的作用下由于晶体的形变而被破坏，导致使晶体的电力的作用下由于晶体的形变而被破坏，导致使晶体的电中性被破坏，从而使其在一些特定的方向上的晶体表面中性被破坏，从而使其在一些特定的方向上的晶体表面出现剩余电电荷而产生的出现剩余电电荷而产生的不受力不受力 石英晶体压电模型石英晶体压电模型压电效应的物理机制压电效应的物理机制 天然形成的石英晶体外形天然形成的石英晶体外形石英晶体切片及石英晶体切片及双面镀银双面镀银封装封装 石英晶体的压电效应演示石英晶体的压电效应演示 当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。
力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失 ⑵ ⑵ ⑵ ⑵ 压电陶瓷压电陶瓷压电陶瓷压电陶瓷未极化处理无压电效应未极化处理无压电效应极化处理极化处理→→两端出现束缚电两端出现束缚电荷荷→→表面吸附外界自由电荷施加外压表面吸附外界自由电荷施加外压→→陶瓷片形变陶瓷片形变→→片内束缚电荷层间距变小，两端束缚电荷影响增强片内束缚电荷层间距变小，两端束缚电荷影响增强→→表面的自由电荷过剩放电外力是拉力表面的自由电荷过剩放电外力是拉力→→充电图图5 束缚电荷和自由电荷排列示意图束缚电荷和自由电荷排列示意图自由电荷自由电荷自由电荷自由电荷电极电极束缚电荷束缚电荷 压电晶体压电晶体压电陶瓷压电陶瓷高分子压电高分子压电材料材料压电系数压电系数低低中中高高居里点居里点高高中中低低热稳定性热稳定性高高中中低低价格价格高高低低低低在一定的温度范围之内,压电性质一直存在,温度超过这个范围之后,压电性质完全消失这个高温就是所谓的“居里点” 1.1.压电常数压电常数d d3333 压电常数是反映力学量（应力或应变）与电压电常数是反映力学量（应力或应变）与电学量（电位移或电场）间相互耦合的线性响应学量（电位移或电场）间相互耦合的线性响应系数。
系数 当沿压电材料的极化方向（当沿压电材料的极化方向（z z轴）施加压应轴）施加压应力力T T3 3时，在电极面上产生电荷，则有以下关系时，在电极面上产生电荷，则有以下关系式：式： 式中式中Q Q为产生电荷，Ａ为电极面积，为产生电荷，Ａ为电极面积，d d3333为压电常数，为压电常数，足标中第一个数字指电场方向或电极面的垂直方向，足标中第一个数字指电场方向或电极面的垂直方向，第二个数字指应力或应变方向；第二个数字指应力或应变方向；T T3 3为应力；为应力；D D3 3为电位为电位移d d3333/ /εε=g=g33 33 压电电压常数压电电压常数压电材料性能指标压电材料性能指标 2 2、机电耦合系数、机电耦合系数K Kp p 机电耦合系数机电耦合系数K K是一个综合反映压电陶瓷的机械能与电能之间耦是一个综合反映压电陶瓷的机械能与电能之间耦合关系的物理量，是压电材料进行机合关系的物理量，是压电材料进行机—电能量转换能力的反映电能量转换能力的反映机电耦合系数的定义是：机电耦合系数的定义是：或或 压电陶瓷振子（具有一定形状、大小和被覆工作电极的压电陶压电陶瓷振子（具有一定形状、大小和被覆工作电极的压电陶瓷体）的机械能与其形状和振动模式有关，不同的振动模式将有瓷体）的机械能与其形状和振动模式有关，不同的振动模式将有相应的机电耦合系数。
相应的机电耦合系数如对薄圆片径向伸缩模式的耦合系数为如对薄圆片径向伸缩模式的耦合系数为K Kp p（平面耦合系数）；（平面耦合系数）；薄形长片长度伸缩模式的耦合系数为薄形长片长度伸缩模式的耦合系数为K K3131（横向耦合系数）；（横向耦合系数）；圆柱体轴向伸缩模式的耦合系数为圆柱体轴向伸缩模式的耦合系数为K K3333（纵向耦合系数）等纵向耦合系数）等 3 3、机械品质因数、机械品质因数Q Qm m压电陶瓷在振动时，为了克服内摩擦需要消耗能量机械品质因数压电陶瓷在振动时，为了克服内摩擦需要消耗能量机械品质因数Q Qm m是反映能量消耗大小的一个参数是反映能量消耗大小的一个参数Q Qm m越大，能量消耗越小机械品质越大，能量消耗越小机械品质因数因数Q Qm m的定义式是：的定义式是：其中：其中：fr为压电振子的谐振频率为压电振子的谐振频率fa为压电振子的反谐振频率为压电振子的反谐振频率R为谐振频率时的最小阻抗为谐振频率时的最小阻抗Zmin（谐振电阻）（谐振电阻）C0为压电振子的静电容为压电振子的静电容C1为压电振子的谐振电容为压电振子的谐振电容 4 4、频率常数、频率常数N N对某一压电振子，其谐振频率和振子振动方向长度的乘对某一压电振子，其谐振频率和振子振动方向长度的乘积为一个常数，即积为一个常数，即频率常数频率常数。
N=fr×l其中：其中：f fr r为压电振子的谐振频率；为压电振子的谐振频率；l l为压电振子振动方向的长度为压电振子振动方向的长度薄圆片径向振动薄圆片径向振动Np=fr×D薄板厚度伸缩振动薄板厚度伸缩振动Nt=fr×t细长棒细长棒K33振动振动N33=fr×l薄板切变薄板切变K15振动振动N15=fr×ltD为圆片的直径为圆片的直径t为薄板的厚度为薄板的厚度l为棒的长度为棒的长度lt为薄板的厚度为薄板的厚度 无机压电材料无机压电材料有机压电材料有机压电材料压电陶瓷压电陶瓷压电晶体压电晶体通常为通常为PVDF及其共及其共聚物（薄膜）聚物（薄膜）2. 压电材料的分类压电材料的分类•压电晶体压电晶体: 一般是指压电单晶体例如水晶、镓酸锂(LiGaO2 )、锗酸锂(Li2GeO3) 、锗酸钛、酒石酸钾钠等压电复合材料压电复合材料• •压电陶瓷压电陶瓷压电陶瓷压电陶瓷: : 泛指压电多晶体，也是铁电陶瓷例如：钛酸钡BT(BaTiO3)、锆钛酸铅PZT (Pb(ZrTi)O3) 、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸铅钡锂PBLN等半导体半导体ZnS, ZnO 工艺性差工艺性差（粉化，（粉化，PbOPbO易挥发）易挥发） 工艺性好工艺性好g g3333=33(10=33(10-3-3伏伏·米米/ /牛牛) ) g g3333=11.4(10=11.4(10-3-3伏伏·米米/ /牛牛) ) d d3333=56(10=56(10-12-12库库/ /牛牛) ) d d3333=191(10=191(10-12-12库库/ /牛牛) ) K Kp p =0.095 =0.095 K Kp p =0.354 =0.354 难极化难极化 易极化易极化热稳定性好热稳定性好 热稳定性差热稳定性差 T Tc c=490℃=490℃ T Tc c=120℃=120℃工作温区宽工作温区宽工作温区窄工作温区窄PbTiOPbTiO3 3陶瓷陶瓷 BaTiOBaTiO3 3陶瓷陶瓷 一元系压电陶瓷一元系压电陶瓷一元系压电陶瓷一元系压电陶瓷 我们生活在磁的世界里我们生活在磁的世界里任何地方都有磁现象（磁性、磁场）！！！任何地方都有磁现象（磁性、磁场）！！！宏观世界到微观世界宏观世界到微观世界地球到其它天体和宇宙空间地球到其它天体和宇宙空间2.5 磁性Magnetic Property 1202.5.1 磁性基本概念磁性基本概念 Hm：磁化：磁化强强度度magnetization m：磁化率：磁化率magnetic susceptibility 物质的磁性物质的磁性核磁矩比电子磁矩小三个数量级核磁矩比电子磁矩小三个数量级物质磁性具有普遍性物质磁性具有普遍性宏观物质的磁性都源于原子的磁性宏观物质的磁性都源于原子的磁性原子的磁性＝电子的磁性＋原子核的磁性原子的磁性＝电子的磁性＋原子核的磁性原子核的磁性＝质子的磁性＋中子的磁性原子核的磁性＝质子的磁性＋中子的磁性原子的磁性＝电子的磁性原子的磁性＝电子的磁性 8/22/2024 1:32:07 PM122磁性的来源磁性的来源——磁偶极子磁偶极子magnetic dipolesThe spin of the electron produces a magnetic field with a direction dependent on the quantum number ms Electrons orbiting around the nucleus create a magnetic field around the atom 122 电子的轨道磁矩电子的轨道磁矩电子的自旋磁矩电子的自旋磁矩原子磁矩原子磁矩物质磁性物质磁性原子磁矩原子磁矩＝＝Σ物质表现何种磁性物质表现何种磁性原子磁矩间相互作用原子磁矩间相互作用外加磁场的作用外加磁场的作用 弱磁物质弱磁物质抗磁物质抗磁物质顺磁物质顺磁物质反铁磁物质反铁磁物质超导物质超导物质强磁物质强磁物质铁磁物质铁磁物质亚铁磁物质亚铁磁物质磁性材料：磁性材料：有实际工程意义有实际工程意义 磁性较强的材料磁性较强的材料2.5.2 磁性的种类 125•抗抗磁性（磁性（diamagnetism）） m <0–Hg、、Cu、、Ag、、Pb–金刚石金刚石、、MgO 、、NaCl –绝大多数高分子材料绝大多数高分子材料 •顺磁性（顺磁性（paramagnetism）） m >0–含有非零角动量原子（例如过渡金属）的材料。
含有非零角动量原子（例如过渡金属）的材料 m T-1（居里定理）（居里定理）–一些非过渡金属（例如一些非过渡金属（例如Al） m与与T无关无关磁场撤去后磁场撤去后磁效应消失磁效应消失 超导材料超导材料-临界温度下电阻为零，特殊的抗磁性状态临界温度下电阻为零，特殊的抗磁性状态 －－巨抗磁性（磁化率比一般抗磁物质的大巨抗磁性（磁化率比一般抗磁物质的大100倍）倍） 弱磁性材料弱磁性材料超导物质超导物质§室温下导电性为正常态，可为任何磁性状态室温下导电性为正常态，可为任何磁性状态§临界温度下电阻为零，特殊的抗磁性状态临界温度下电阻为零，特殊的抗磁性状态 －－巨抗磁性（磁化率比一般抗磁物质的大巨抗磁性（磁化率比一般抗磁物质的大100倍）倍） 临界温度下，外加临界温度下，外加B能破坏超导性能破坏超导性 127•铁磁性（铁磁性（ferromagnetism））–在不太强的磁场中，就可以磁化到饱和状态在不太强的磁场中，就可以磁化到饱和状态 –铁磁居里温度铁磁居里温度ferromagnetic Curie temperature 128•反铁磁性（反铁磁性（antiferromagnetism））–在外电场作用下，相邻磁矩反向排列。
在外电场作用下，相邻磁矩反向排列–Mn、、Cr•铁氧体磁性（铁氧体磁性（ferrimagnetism）） –不同的磁矩反平行排列时，在一个方向呈现出净磁矩不同的磁矩反平行排列时，在一个方向呈现出净磁矩–代表：磁铁矿代表：磁铁矿Fe3O4 129反铁磁性（反铁磁性（MnO）） 130磁畴磁畴Magnetic Domain磁畴壁磁畴壁Magnetic Domain Wall磁畴磁畴——自旋磁矩在一个个微小区域内自旋磁矩在一个个微小区域内“自发地自发地”整齐排列起整齐排列起来而形成的磁化小区域来而形成的磁化小区域 2.5.3 磁畴和磁化曲线 131磁滞回线磁滞回线hysteresis loop 132软磁材料软磁材料硬磁材料硬磁材料 磁参量磁参量内禀磁参量内禀磁参量: : MS、、Tc外禀磁参量外禀磁参量: : Hc、、Mr或或Br、磁、磁导率、损耗、磁导率、损耗、磁能积能积主要取决于材主要取决于材料的化学成分料的化学成分对材料结构（如晶对材料结构（如晶粒尺寸、晶体缺陷、粒尺寸、晶体缺陷、晶粒取向等）敏感，晶粒取向等）敏感，可以通过适当的工可以通过适当的工艺改变艺改变 主要磁性材料分类软磁材料半硬磁材料硬（永）磁材料Hc<100A/m(1.25 Oe)Hc :100～1000A/m(1.25～12.5Oe)Hc>1000A/m(12.5Oe) 136Ø光的吸收和透过光的吸收和透过Ø光的反射和折射光的反射和折射Ø材料的颜色材料的颜色Ø材料发光材料发光2.6 光学性能Optical Property 电电磁磁波波光光谱谱 •透射，吸收和反射透射，吸收和反射透射率吸收率反射率 从从微观上微观上分析，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，出现的二种重要结果是：中的原子、离子、电子之间的相互作用，出现的二种重要结果是： (1)(1)电子极化电子极化 电磁辐射的电场分量，在可见光频率范围内，电场分量电磁辐射的电场分量，在可见光频率范围内，电场分量与传播过程中的每个原子都发生作用，引起与传播过程中的每个原子都发生作用，引起电子极化电子极化，即造成，即造成电子云和原电子云和原子核电荷重心发生相对位移子核电荷重心发生相对位移。
其结果，当光线通过介质时，一部分能量被其结果，当光线通过介质时，一部分能量被吸收吸收，同时，同时光波速度被减小，导致折射产生光波速度被减小，导致折射产生 (2)(2)电子能态转变电子能态转变 光子被吸收和发射，都可能涉及到固体材料中电子光子被吸收和发射，都可能涉及到固体材料中电子能态的转变能态的转变 原子吸收了光子能量之后，可能将原子吸收了光子能量之后，可能将Ei能级上的电子激发到能量更高的能级上的电子激发到能量更高的Ej空能级上，电子发生的能量变化空能级上，电子发生的能量变化ΔΔE与电磁波的频率有关：与电磁波的频率有关：ΔE=hνij 式中：式中：h为普朗克常量，为普朗克常量，νij为入射光子的频率为入射光子的频率 材料的线性光学性能材料的线性光学性能 140•金属材料：不透明；金属材料：不透明；•半导体和其它非金属材料：半导体和其它非金属材料：取决于能隙取决于能隙E Eg g；；•晶格热振动：对长波区的可见光和红外光产生吸收；晶格热振动：对长波区的可见光和红外光产生吸收；•高分子材料：无定形透明，结晶影响透明性（晶粒对高分子材料：无定形透明，结晶影响透明性（晶粒对光的散射）光的散射）2.6.1 光的吸收和透过 固体的光吸收固体的光吸收 1.光的吸收现象 当一平行光束通过均质单相材料薄层时，由于光被吸收，其强度减少量dI和薄层厚度dx及光束强度I成正比：-dI=Idx-比例系数，也称吸收系数。
若入射光的初始强度为I0，经过光程长度t后，射出光强度为I，则透过率： •若考虑界面的反射，对垂直入射光的透光率是：若考虑界面的反射，对垂直入射光的透光率是： •吸收 •光密度或吸收度 •消光系数 •吸收系数 金属材料金属材料 •能带结构特点：价带与导带重叠的，它们之间没有禁带 •光学性质：能吸收各种频率的光、不透明，反射率高 •离子晶体的禁带宽度大约为几个电子伏特，相当于紫外光区的能量，纯净的理想离子晶体对可见区和红外区的辐射，都不发生吸收，是透明透明透明透明的；•当更高能量的辐射（如紫外光）照射离子晶体时，价带中的电子可被激发越过禁带进入导带，发生光的吸收，故离子晶体在紫外区是不透明不透明不透明不透明的；•与电子由价带到导带的跃迁相关的光吸收，称为基础吸收或基础吸收或基础吸收或基础吸收或本征吸收本征吸收本征吸收本征吸收非金属材料非金属材料 •一些碱金属卤化物薄膜的吸收光谱在临近基础吸收带的长波长一侧，还存在一系列很强的吸收谱带，这种吸收与电子从价带向稍低于导带底处的能级跃迁有关•这些能级可认为是一些电子电子电子电子- - - -空穴对（或称激子空穴对（或称激子空穴对（或称激子空穴对（或称激子excitionexcitionexcitionexcition））））的的的的激发能级激发能级激发能级激发能级，处于这种能级上的电子，不同于被激发到导带中的电子，并不显示光电导性，它们和价带中的空穴偶合成电子-空穴对，电子-空穴对作为整体在晶体中存在或运动，也可能在一定条件下复合湮灭。
•除了基础吸收和激子吸收外，绝缘体在可见光和红外光区可发生杂质和缺陷吸收，以及由离子晶体振动产生的残留吸收光谱，如图所示 147几种无机材料的光透过曲线几种无机材料的光透过曲线 148•金属材料：强反射（金属光泽）；金属材料：强反射（金属光泽）；–电子吸收光能后激发到较高能态，随即又以光波的形式电子吸收光能后激发到较高能态，随即又以光波的形式释放出能量回到低能态释放出能量回到低能态•无机非金属材料：无机非金属材料：主要受介质的折射率差影响；主要受介质的折射率差影响；–当光线从一种介质入射另一种介质时，介质的折射率差当光线从一种介质入射另一种介质时，介质的折射率差别越大，反射就越强别越大，反射就越强•材料的折射率受其结构影响材料的折射率受其结构影响–单位体积中原子的数目越多，或结构越紧密，则光波传单位体积中原子的数目越多，或结构越紧密，则光波传播受影响越大，从而折射率越大播受影响越大，从而折射率越大–原子半径越大原子半径越大( (极化率大），折射率就越大极化率大），折射率就越大2.6.2 光的折射和反射 •折射：光从一种介质进入另一种介质时，其速折射：光从一种介质进入另一种介质时，其速度和传播方向发生变化度和传播方向发生变化 。
v折射率nv折射定律 •光在介质中传播的传播速度v折射率的定义nε-介质的介电常数介质的介电常数nμ-介质的导磁率介质的导磁率,在电介质中在电介质中 =1 ◆◆影响材料的折射率的因素影响材料的折射率的因素(1)(1)构成材料元素的离子半径构成材料元素的离子半径 n≈εr1/2 当当电电磁磁辐辐射射作作用用到到介介质质上上时时，，其其原原子子受受到到电电磁磁辐辐射射的的电电场场作作用用，，使使原原子子的的正正、、负负电电荷荷重重心心发发生生相相对对位位移移，，正正是是电电磁磁辐辐射射与与原原子子的的相相互互作作用用，，使使光光子子速速度度减减弱弱由由此此可可以以推推论论，，大大离离子子可可以以构构成成高高折折射射率率的的材材料料，，如如PbS，，其其n=3.912；；而而小小离离子子可可以以构构成成低低折折射射率率的的材材料料，，如如SiCl4，，其其n＝＝1.412 (2)(2)材料的结构、晶型材料的结构、晶型 （（双折射现象双折射现象））折折射射率率不不仅仅与与构构成成材材料料的的离离子子半半径径有有关关，，还还与与它它们们在在晶晶胞胞中中的的排排列列有有关关。
根根据据光光线线通通过过材材料料的的表表现现，，把把介介质质分分为为均均质质介介质质和和非非均均质质介介质质非非晶晶态态( (无无定定型型体体) )和和立立方方晶晶体体结结构构，，当当光光线线通通过过时时光光速速不不因因入入射射方方向而改变向而改变，故材料只有一个折射率，此乃为，故材料只有一个折射率，此乃为均质介质均质介质除立方晶体外的其他晶型都属于除立方晶体外的其他晶型都属于非均质介质非均质介质其特点是其特点是光进入介质时产生双折射现象光进入介质时产生双折射现象折射定律的双折射现象使晶体有二个折射率：其一定律的双折射现象使晶体有二个折射率：其一是服从是服从寻常光折射率寻常光折射率n n0 0，，不论入射方向怎样变不论入射方向怎样变化，化，n n0 0始终为一常数；而另一折射光的折射率始终为一常数；而另一折射光的折射率随入射方向而改变，称为随入射方向而改变，称为非寻常光的折射率非寻常光的折射率n ne e当光沿晶体的光轴方向入射时，不产生双折当光沿晶体的光轴方向入射时，不产生双折射，只有射，只有n n0 0存在当与光轴方向垂直入射时，存在当与光轴方向垂直入射时，n ne e最大，表现为材料特性。
例如，石英的最大，表现为材料特性例如，石英的n n0=1.5430=1.543，，n ne=1.552e=1.552——般来说，沿晶体密堆般来说，沿晶体密堆积程度较大的方向，其积程度较大的方向，其n ne e较大 （（3 3）材料存在的内应力）材料存在的内应力 有内应力的透明材料，有内应力的透明材料，垂直垂直于主应力方向的于主应力方向的n n值大值大，，平行平行于于主应力主应力方向的方向的n n值小值小4 4）同质异构体）同质异构体 在同质异构材料中，高温时的晶型折射率较低，低温时存在的晶型在同质异构材料中，高温时的晶型折射率较低，低温时存在的晶型折射率较高例如：常温下的石英玻璃折射率较高例如：常温下的石英玻璃n n＝＝1 1．．4646，，常温下的石英晶体，常温下的石英晶体，n n＝＝ 1.55 1.55；；高温时，鳞石英高温时，鳞石英n n＝＝1.471.47，，方石英方石英n=1.49n=1.49可见常温下的石可见常温下的石英晶体英晶体n n最大5 5）波长的影响）波长的影响（色散）（色散） 材料的折射率还与入射光的波长有关，总材料的折射率还与入射光的波长有关，总是是随着波长的增加而减小随着波长的增加而减小，这种性质称之为色，这种性质称之为色散。
其数值大小为：散其数值大小为： 色散＝色散＝dn/dλ n n值可以由色散曲线来确定值可以由色散曲线来确定 自然光透过单片透镜，色自然光透过单片透镜，色散使像的周围环绕了一圈色带，散使像的周围环绕了一圈色带，成像不清晰，称为成像不清晰，称为色差色差克服的方法是用不同牌号的光学玻的方法是用不同牌号的光学玻璃，分别磨成凸透镜和凹透镜璃，分别磨成凸透镜和凹透镜复合镜头，以消除色差，这被复合镜头，以消除色差，这被称之为称之为消色差镜头消色差镜头 3.3.材料反射系数及其影响因素材料反射系数及其影响因素 一束光从介质一束光从介质l(折射率为折射率为n′)穿过界面进入介质穿过界面进入介质2（折射为（折射为n)出现一出现一次反射当入射光线垂直或接近垂直于介质界面时，其反射系数为次反射当入射光线垂直或接近垂直于介质界面时，其反射系数为 R=[（（n21－－1））/( n2l+1)]2，，n21= n′/n 如果光介质如果光介质1 1是空气，则是空气，则R=[（（n－－1））/(n+1)]2 显然，如果两种介质折射率相差很大，因此反射损失相当大，显然，如果两种介质折射率相差很大，因此反射损失相当大，透过透过系数系数只有只有(1－－R)。
若两种介质折射率相同，若两种介质折射率相同，则则R=0垂直入射时，光透垂直入射时，光透过几乎没有损失过几乎没有损失光透过的界面越多，且材料的折射率相差越大，界面光透过的界面越多，且材料的折射率相差越大，界面反射就越严重反射就越严重由于陶瓷等材料的折射率较空气的大，所以反射损失较由于陶瓷等材料的折射率较空气的大，所以反射损失较严重典型玻璃的典型玻璃的n=1.50 156•金属材料：颜色取决于其反射光的波长；金属材料：颜色取决于其反射光的波长；•无机非金属材料：无机非金属材料：颜色通常与光吸收特性有关；颜色通常与光吸收特性有关；2.6.3 材料的颜色 几种金属材料的反射率随光波波长变化曲线157 有色玻璃有选择吸收或透射的性质单一波长的单一波长的单色光单色光;由不同波长的光组合而成的由不同波长的光组合而成的复合光复合光;若两种不同颜色的单色光按一定的强度比若两种不同颜色的单色光按一定的强度比例混合得到白光，那么就称这两种单色光例混合得到白光，那么就称这两种单色光为为互补色光互补色光，这种现象称为光的互补这种现象称为光的互补显色光学原理显色光学原理 /nm颜色颜色互补光互补光400 ～～ 450紫紫黄绿黄绿450 ～～ 480蓝蓝黄黄480 ～～ 490绿蓝绿蓝橙橙490 ～～ 500蓝绿蓝绿红红500 ～～ 560绿绿红紫红紫560 ～～ 580黄绿黄绿紫紫580 ～～ 610黄黄蓝蓝610 ～～ 650橙橙绿蓝绿蓝650 ～～ 760红红不同颜色的可见光波长及其互补光不同颜色的可见光波长及其互补光不同颜色的可见光波长及其互补光不同颜色的可见光波长及其互补光蓝绿蓝绿 1. 1. 发光概述发光概述 Ø固体中的原子或离子由于电磁辐射（紫外光、可见光、红外光、X射线、射线等）的照射，或由于其它外界作用激发，跃迁到激发状态;Ø处于激发状态的原子或离子返回到基态，同时将一部分能量以光辐射的形式发射出来，若发射的是可见光或近红外光，这时固体就表现为发光现象发光现象. .与热辐射发光相区别，称这种发光为冷光。
冷光Ø按外界激发的能源不同，可分为光致发光、场致发光（或电致发光）、阴极射线发光等 2.6.4 材料发光 a)发光颜色发光颜色发光颜色发光颜色v固体发出不同波长的光就产生不同的发光颜色v固体的发光光谱（发射光谱）分为三种类型：Ø半高宽为100nm的为宽带谱Ø半高宽为50nm的为窄带谱Ø半高宽为0.1nm的为锐线谱v固态基质与掺杂物质都会对发光光谱半高宽有显著影响 b) 发光强度发光强度发光强度发光强度v由于发光强度通常随激发强度而变，故一般用发光效率表征固体的发光能力v发光效率有三种表示方法：（a）量子效率：发光的量子数与激发源输入的量子数（如光激发是指激发的光子数，电子激发是指激发的电子数等）的比值；（b）能量效率：发光的能源与激发源输入的能量比值；（c）光度效率：发光的流明数与激发源输入的能量比值，也称流明效率 如果将激发停止后的发光亮度（或强度）衰减到10%时所经历的时间定义为余辉时间，则可将发光过程划分为：（a）极短余辉：<1s； （b）短余辉：110s；（c）中短余辉：10-21ms； (d) 中余辉：1100ms；（e）长余辉：0.11s；（f）极长余辉：>1s。
荧光荧光和和磷光：磷光：电子受激后电子受激后很快发光（小于很快发光（小于1010nsns））的为荧光的为荧光，，驰豫较长时驰豫较长时间者为磷光间者为磷光，发光机理如下图发光机理如下图c) c) 发光持续时间发光持续时间发光持续时间发光持续时间 1642. 固体固体发光的物理过程发光的物理过程示意图如下：示意图如下： 其中， 其中，M表示表示基质晶格基质晶格；； A和和S为为搀杂离子搀杂离子；； 并假设 并假设基质晶格基质晶格M的吸收的吸收不产生辐射不产生辐射 165这时，这时，基质晶格基质晶格M吸收激发能吸收激发能，，传递给搀传递给搀杂离子杂离子，使其，使其上升到激发态上升到激发态，它，它返回基态返回基态时时可能有以下三种途径：可能有以下三种途径： 166①①以热的形式以热的形式把激发能量把激发能量释放给邻近的晶格释放给邻近的晶格，，称为称为“无辐射弛豫无辐射弛豫”，也叫，也叫荧光猝灭荧光猝灭；；②②以以辐射形式辐射形式释放激发能量释放激发能量，称，称 “发光发光” ；；③③S将激发能传递给将激发能传递给A，，即即S吸收的全部或部吸收的全部或部分激发能分激发能由由A产生发射产生发射而释放出来，这种现而释放出来，这种现象称为象称为“敏化发光敏化发光”，，A称为称为激活剂激活剂，，S通常通常被称为被称为A的敏化剂的敏化剂。
通常人们把通常人们把激发停止后的一段时间内能发光的复杂晶体激发停止后的一段时间内能发光的复杂晶体无机物质叫无机物质叫磷光体磷光体电视机荧光屏内表面常涂有这种物电视机荧光屏内表面常涂有这种物质电视屏幕所用磷光体的弛豫时间质电视屏幕所用磷光体的弛豫时间r不能太长，否则会不能太长，否则会产生影像重叠产生影像重叠 工程上应用的工程上应用的磷光体材料磷光体材料要求具有下列要求具有下列性能性能：：①①高的高的发光效率发光效率；；②②希望的发光希望的发光色彩色彩；；③③适当的适当的余辉时间余辉时间(afterglowtime)；；④④材料材料与基体结合与基体结合力强等 磷光体一般由基体和激活剂两部分组成磷光体一般由基体和激活剂两部分组成基体常是基体常是金属硫化物，如金属硫化物，如CaS、、SrS、、BaS、、ZnS、、CdS等激活剂主要是剂主要是金属金属，由基质选定例如，由基质选定例如ZnS和和CdS，，最好的激最好的激活物质是活物质是Ag、、Cu、、Mn在黑白电视中使用发蓝光的在黑白电视中使用发蓝光的[ZnS：：Ag] 一些主要磷光材料一些主要磷光材料 一些主要磷光材料（续）一些主要磷光材料（续） 本章参考书：本章参考书：1.刘光华编著刘光华编著. 现代材料化学现代材料化学. 上海：上海科学技术出版社，上海：上海科学技术出版社，20002.H. Czichos, T. Saito, L. Smith. Springer Handbook of Materials Measurement Methods. German, Springer, 20063.Brian S. Mitchell. An Introduction to Materials Engineering and Science. USA, John Wiley & Sons, 2004.4.Michel W Barsoum. Fundamentals of Ceramics. London, IOP Publishing, 20035.William D, Callister J. Materials science and engineering: An introduction. 5th Ed. , USA, John Wiley & Sons, 19996.W. F. Smith. Foundations of materials science and engineering. New York, McGraw-Hill Book Co., 19927.B. D. Fahlman. Materials Chemistry. German, Springer, 20078.Anthony R. West. Basic Solid State Chemistry. USA, John Wiley & Sons, 20039.Lesley E. Smart, Elaine A. Moore. Solid State Chemistry-An introduction. Taylor & Francis, 2005. 170 。