四川大學無機材料物理性能課件

無機材料物理性能

芶立教學方式與內(nèi)容教師講授+課堂討論+課后作業(yè)考核:

Finalexam(60%)+Practice(15%)+Attendance(15%)+Discussion(10%)教學內(nèi)容:突出基本概念、原理和關鍵點弱化理論推導重點：力學（塑性形變、微裂紋)/熱學/光學/電學（介電）/磁學先修課程：大學物理、理論力學、材料力學、材料科學基礎第一章無機材料的受力形變無機材料的應力、應變及彈性形變應力應變無機材料的彈性變形行為課堂討論題:Al2O3片/Al片/硅橡膠受到壓力和彎折力時,會有哪些現(xiàn)象?產(chǎn)生這些現(xiàn)象的原因是什么?無機材料的應力、應變及彈性形變

各種材料在外力作用下，發(fā)生形狀和大小的變化，稱為形變。應力:單位面積上所受的內(nèi)力式中F為外力，σ為應力，應力的單位為Pa，A為面積。名義應力、真實應力應變:物體內(nèi)部各質(zhì)點之間的相對位移的。一根長度為L0的桿，在單向拉應力作用下被拉長到Ll，則應變的定義為：

體積元單位面積上的力可分解為法向應力和剪切應力無機材料的彈性變形行為

1、廣義虎克定律橫向變形：泊松比:橫向變形系數(shù)μ=y/x=z//x

剪切應變：1.10式引入剪切模量G體積變化引入體積模量K。楊氏模量E；剪切模量G；體積模量K的相互關系各向同性材料：E=2G(1+μ)=3K(1-2μ)兩相系統(tǒng)中彈性模量的估算上限彈性模量EH：下限彈性模量EL：對于連續(xù)基體內(nèi)含有封閉氣孔時，總彈性模量的經(jīng)驗公式為：

E=E0(1-1.9P+0.9P2)E0為無氣孔時的彈性模量

P為氣孔率粘彈性與滯彈性粘彈性（Visoelasticity）自然界中實際存在的材料，其形變一般介于理想彈性固體與理想粘性液體之間，即具有固體的彈性又具有液體的粘性。最典型的是高分子材料；一些非晶體，有時甚至多晶體在比較小的應力時

實際固體中彈性應變的產(chǎn)生與消除需要有限時間。固體和金屬這種與時間有關的彈性稱為滯彈性。聚合物的粘彈性可以認為僅僅是嚴重發(fā)展的滯彈性。粘彈性材料的力學性質(zhì)與時間有關蠕變：在恒定的應力時，材料的應變隨時間增長而增加的現(xiàn)象。

Ec(t)=0/(t)弛豫：在恒定的應變時，材料的內(nèi)部的應力隨時間增長而減小的現(xiàn)象。

Er(t)=

(t)/0晶格滑移晶體受力時，晶體的一部分相對另一部分發(fā)生平移滑動，叫做滑移。塑性形變的位錯運動理論實際晶體中存在位錯缺陷，當受剪應力作用時，并不是晶體內(nèi)兩部分整體相互錯動，而是位錯在沿移面上沿滑移方向運動。使位錯運動所需的力比使晶體兩部分整體相互滑移所需的力小得多。所以實際晶體的滑移是位錯運動的結果。位錯運動激活能和位錯形成能無外力：金屬0.1-0.2eV；無機材料1eV有外力：滑移系統(tǒng)少，分剪切力小晶界塞積溫度升高，利于塑性形變位錯形成能E=aGb2金屬3A,無機材料>5A復習陶瓷的離子鍵、共價鍵-----滑移困難（理想材料：滑移系統(tǒng)少、分剪切力小、其它晶粒；實際材料：分剪切力不夠大，晶界阻礙位錯運動）-----沒有塑性形變決定了陶瓷的制備工藝、陶瓷的性能陶瓷的顯微結構：晶相、玻璃相、氣相高溫蠕變理論一、蠕變的位錯運動理論

無機材料中晶相的位錯在低溫下遇到障礙難以發(fā)生運動，在高溫下原子熱運動加劇，可以使位錯從障礙中解放出來，引起蠕變。當溫度增加時，位錯運動的速度加快。除位錯運動產(chǎn)生滑移外，位錯攀移也能產(chǎn)生宏觀上的形變。攀移（位錯移出滑移面的運動）是位錯運動的另一種形式。這個理論能夠較好的解釋蠕變減速階段和加速蠕變階段的特點高溫蠕變理論二、擴散蠕變理論高溫下的蠕變現(xiàn)象和晶體中的擴散現(xiàn)象類似，并且把蠕變過程看成是外力作用下沿應力作用方向擴散的一種形式:利用空位濃度差。三、晶體蠕變理論多晶陶瓷中存在著大量晶界，當晶界位向差大時，可以把晶界看成是非晶體，因此在溫度較高時，晶界粘度迅速下降，外力導致晶界粘滯流動，發(fā)生蠕變。四、影響蠕變的因素1、溫度；2、應力；3、顯微結構的影響：氣孔、晶粒大小、玻璃相（與潤濕程度有關）4、組成：Al2O3和SiO25、晶體結構：單晶比多晶；共價鍵程度高粘性形變（ViscousDeformation）粘性物體在剪切應力作用下發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的流動變形，該形變隨時間增加而增大。理想粘性形變行為遵循牛頓粘性定律，即剪切應力與應變率或流動速度梯度成正比

稱為粘性系數(shù)（單位：Pa·S）簡稱為粘度（Viscosity）第二章無機材料的脆性斷裂與強度一、彈、粘、塑性形變二、脆性斷裂行為在外力作用下，任意一個結構單元上主應力面的拉應力足夠大時，尤其在那些高度應力集中的特征點(例如內(nèi)部和表面的缺陷和裂紋)附近的單元上，所受到的局部拉應力為平均應力的數(shù)倍時，此過分集中的拉應力如果超過材料的臨界拉應力值時，將會產(chǎn)生裂紋或缺陷的擴展，導致脆性斷裂。三、突發(fā)性斷裂與裂紋的緩慢增長在臨界狀態(tài)下，斷裂源處的裂紋尖端所受的橫向拉應力正好等于結合強度時，裂紋產(chǎn)生突發(fā)性擴展。一旦擴展，引起周圍應力的再分配，導致裂紋的加速擴展，出現(xiàn)突發(fā)性斷裂，這種斷裂往往并無先兆。當裂紋尖端處的橫向拉應力尚不足以引起擴展，但在長期受應力的情況下，特別是同時處于高溫環(huán)境中時，還會出現(xiàn)裂紋的緩慢生長，尤其在有環(huán)境侵蝕。材料的脆性斷裂與韌性斷裂實驗表明：材料實際斷裂強度一般比理論結合強度低幾個數(shù)量級，僅晶須或纖維材料具有接近于理論強度的實際強度。

材料的機械強度（MechanicalStrength）材料在外力作用下抵抗形變及斷裂破壞的能力根據(jù)外力作用的形式，可分為抗拉強度、抗沖強度、抗壓強度、抗彎強度、抗剪強度等。例如，抗拉強度是指在拉伸試驗機上，在規(guī)定的試驗溫度、溫度和拉伸速率下，在啞鈴形材料標準試樣上施加拉伸負荷，直至試樣斷裂時所承受的最大應力σf。2.2理論結合強度材料原子間結合力的最大值σth

由

有

估算公式σth=E/101920年，發(fā)表了他那篇著名的論文：Thephenomenonofruptureandflawinsolids,認為材料內(nèi)部有很多顯微裂紋，并從能量平衡出發(fā)得出了裂紋擴展的判據(jù)，奠定了斷裂力學的基石。Griffith微裂紋理論裂紋及類型

----按其受力及裂紋擴展途徑Ⅰ型裂紋即為張開型(掰開性)裂紋，拉應力垂直于裂紋擴展面，裂紋上下表面沿作用力的方向張開，裂紋沿裂紋面向前擴展。工程中屬于這類裂紋的如板中有一穿透裂紋，其方向與板所受拉應力方向垂直，或一壓力容器中的縱向裂紋Ⅱ型裂紋即為滑開型裂紋。其特征為裂紋的擴展受切應力控制，切應力平行作用于裂紋面而且垂直于裂紋線，裂紋沿裂紋面平行滑開擴展

Ⅲ型裂紋即為撕開型裂紋。在平行于裂紋面而與裂紋前沿線方向平行的剪應力的作用下，裂紋面產(chǎn)生沿裂紋面的撕開擴展Griffith微裂紋理論斷裂并不是兩部分晶體同時沿整個界面斷開，而是裂紋擴展的結果根據(jù)彈性理論求出裂紋尖端應力：

因為一般C>a,則σA>σ,即在裂紋尖端存在應力集中效應，當

σA>σth時，裂紋就被拉開而擴展，是裂紋長度C增大，導致σA更大，如此惡性循環(huán)，材料很快斷裂。裂紋的存在使得實際材料的斷裂強度低于理論結合強度由σA>σth，有

有考慮到裂紋擴展的臨界外加應力σ=σf，由材料的斷裂強度：

可知σf<σth，即：裂紋的存在使得實際材料的斷裂強度

σf低于理論結合強σth設想在板上割開一個垂直于拉伸方向的穿透裂紋，長度為2c，出現(xiàn)裂紋以后，裂紋的上下表面不再有應力，所以靠近裂紋表區(qū)域的應力、應變被松弛，系統(tǒng)將釋放出部分能量，Griffith從整個試樣的應力和應變分布計算了其釋放的能量為We=πc2σ2/EorWe=(1-μ2)πc2σ2/E表面能Ws=4cγ(長度為2c，厚度為1的新斷面）裂紋進一步擴展2dcdWe/2dc=d/2dc(πc2σ2/E)=πc2σ/EdWs/2dc=d/2dc(4cγ)=2γ臨界條件πc2σ/E=2γσf=(2Eγ/πc)1/2材料強度的尺寸效應Griffith從能量平衡的觀點出發(fā)，認為裂紋擴展的條件食物體內(nèi)儲存的彈性應變能的減小大于或等于開列形成兩個新表面所需增加的表面能，并推導得出平面應變狀態(tài)下的斷裂強度為：可知，制備高強度材料的措施是：E和γ要大，而裂紋尺寸C要小。由于同種材料中大尺寸材料比小尺寸材料包含的裂紋數(shù)目更多，使得大尺寸材料的斷裂強度較低，這就是材料強度的尺寸效應。延性材料的斷裂強度金屬和非晶態(tài)高聚物類延性材料受力時產(chǎn)生塑性形變時消耗大量的能量，使得斷裂強度提高，引入擴展單位面積裂紋所需的塑性功γp，可得延性材料的斷裂強度σf為:一般γp〉〉γ，即延性材料中塑性功γp控制著斷裂的過程，因此塑性功是阻止斷裂的一個重要的因素。陶瓷、玻璃等脆性材料有微米級微觀線度的裂紋時，就會發(fā)生低于理論結合強度的斷裂；而金屬和非晶態(tài)高聚物則在毫米級宏觀尺寸的裂紋時，才會發(fā)生地應力的斷裂。

材料的斷裂韌性Irwin應用彈性力學的應力場理論，得出掰開性（I型）裂紋尖端的應力σA為：又因，代入上式，有按照斷裂力學的觀點，引入一個考慮裂紋尺寸并表征材料特性的常數(shù)KIC,成為平面應變斷裂韌性，當時，所設計的構件才安全，不致發(fā)生低應力下的脆性斷裂。planestrainfracturetoughnessKIc;2.5裂紋的起源與快速擴展一、裂紋的起源1、由于晶體微觀結構中存在缺陷，當受到外力作用時，在這些缺陷處就會引起應力集中，導致裂紋成核。2、材料表面的機械損傷與化學腐蝕形成表面裂紋。3、由于熱應力形成裂紋二、裂紋的快速擴展按照Griffith微裂紋理論，材料的斷裂強度不是取決于裂紋的數(shù)量．而是決定干裂紋的大小，即由最危險的裂紋尺寸(臨界裂紋尺寸)決定材料的斷裂強度。一旦裂紋超過臨界尺寸就迅速擴展使材料斷裂。三、防止裂紋擴展的措施首先應使作用應力不超過臨界應力，這樣裂紋就不會失穩(wěn)擴展。其次，在材料中設置吸收能量的機構也能阻止裂紋擴展。此外，人為地在材料中造成大量極微細的裂紋(小于臨界尺寸)也能吸收能量，阻止裂紋擴展。2.6無機材料中裂紋的亞臨界生長裂紋除上述的快速失穩(wěn)擴展外，還會在使用應力下，隨著時間的推移而緩慢擴展。這種緩慢擴展也叫亞臨界生長，或稱為靜態(tài)疲勞(材料在循環(huán)應力或漸增應力作用下的延時破壞叫做動態(tài)疲勞)。裂紋緩慢生長的結果是裂紋尺寸逐漸加大。一旦達到臨界尺寸就會失穩(wěn)擴展而破壞。一、應力腐蝕理論：實質(zhì)在于在一定的環(huán)境溫度和應力場強度因子作用下，材料中關鍵裂紋尖端處，裂紋擴展動力與裂紋擴展阻力的比較，構成裂紋開裂或止裂的條件。二、高溫下裂紋尖端的應力空腔作用三、亞臨界裂紋生長速率與應力場強度因子的關系四、根據(jù)亞臨界裂紋擴展預測材料壽命無機材料制品在實際使用溫度下，經(jīng)受長期應力隊的作用，制品上典型受力區(qū)的最長裂紋將會有亞臨界裂紋緩慢擴展，最后導致斷裂。1．無損探傷法2.保證試驗法2.7顯微結構對材料脆性斷裂的影響一、晶粒尺寸對多晶材料．大量試驗證明晶粒愈小，強度愈高，因此微晶材料就成為無機材料發(fā)展的一個重要方向細晶材料晶界比例大，沿晶界破壞時，裂紋的擴展要走迂回曲折的道路。晶粒愈細，此路程愈長。此外，多晶材料中初始裂紋尺寸與晶粒度相當，晶粒愈細，韌始裂紋尺寸就愈小，這樣就提高了臨界應力。二、氣孔的影響大多數(shù)無機材料約彈性模量和強度都隨氣孔率的增加而降低。這是因為氣孔不僅減小了負荷面積．而且在氣孔鄰近區(qū)域應力集中，減弱材料的負荷能力。2.9提高無機材料強度改進材料韌性的途徑E、γ、C一、微晶、高密度與高純度二、提高抗裂能力與預加應力：熱韌化（拋物線應力分布）三、化學強化：預加應力更大四、相變增韌：ZrO2四方相到單斜相五、彌散增韌：微粉（化學相容、物理潤濕）定義Residualstressisdefinedas“thestressresidentinsideacomponentorstructureafterallappliedforceshavebeenremoved”.Compressiveresidualstressactsbypushingthematerialtogether,pressiveresidualtendstoincreasefatiguestrengthandfatiguelife,slowcrackpropagation,andincreaseresistancetoenvironmentallyassistedcracking.Tensileresidualstressinthesurfaceofthecomponentisgenerallyundesirableasitdecreasesfatiguestrengthandfatiguelife,increasescrackpropagationandlowersresistancetoenvironmentallyassistedcracking.Inthetougheningprocess,thesurfacesoftheglassareheatedinafurnace.Recommendedtemperaturesvarybuttheglassreachestemperaturesofover600°C.Thehotglassisthencooledrapidlybyablastofairoveraperiodofbetween3and10seconds.thesurfacesshrink,and(atfirst)tensilestressesdeveloponthesurfaces.Asthebulkoftheglassbeginstocool,itcontracts.Thealreadysolidifiedsurfacesoftheglassarethenforcedtocontract,andconsequently,theydevelopresidualcompressivesurfacestresses,whiletheinteriorzonedevelopscompensatingtensilestresses.Thetensionzoneinthecoreoftheglasstakesupabout60%ofthecross-sectionalareaoftheglass.裂縫增長時，必然選擇局部的張應力區(qū)域而不會進入局部壓縮應力區(qū)域，故會偏移增長方向，造成增韌[圖5-17(a)]

如果分散相的斷裂韌性大于基體，則分散相粒子可以阻礙裂縫增長，裂縫不能從分散相中間通過，使其增長的路線呈弓形，這一機理稱為裂縫彎弓。[圖5-17(b)]。

金屬能夠發(fā)生塑性形變，這一過程消耗了大量能量；金屬還能夠通過變形，在裂縫上“架橋”，阻止裂縫的增長[圖5-17(c)]。

晶須增強可能涉及三種機理：“架橋”作用，裂縫偏移與脫粘、拔出作用[圖5-17(d)]。晶片增韌的機理與晶須基本差不多[圖5-17(e)]。連續(xù)纖維的增韌主要源于裂縫尾部纖維的拔出，而纖維的拔出又強烈依賴于界面的滑動阻力與纖維的性質(zhì)。纖維與陶瓷基體的結合不宜過強，也不宜過弱。結合強度恰到好處時可獲得最大的韌性。

2.10復合材料在一種基本材料中加入另一種粉體材料或纖維材料制成復合材料是提高強度和改善脆性的有效措施，在許多方面已得到廣泛應用。選擇原則：1主要受力2纖維與基體結合強度適當3應力作用方向4熱膨脹系數(shù)5高溫下的化學相容復合材料一、連續(xù)纖維單向強化復合材料的強度二、短纖維單向強化復合材科

如果用短纖維來強化，則纖維長度必須大于臨界長度才能起到增強作用。此臨界長度可以根據(jù)力的平衡條件求得。

2.11無機材料的硬度（復習、自學）硬度是材料的一種重要力學性能，但在實際應用中，由于測量方法不同，測得的硬度所代表的材料性能也各異。例如金屬材料常用的硬度測量方法是在靜荷載下，將某種硬的物體壓入材料，這樣測得的硬度主要僅反映材料抵抗塑性形變的能力。而陶瓷、礦物材料使用的壓痕硬度卻反映材料抵抗破壞的能力。所以硬度沒有統(tǒng)一的意義，各種硬度單位也不同，彼此間沒有固定的換算關系。陶瓷及礦物材料常用的劃痕硬度叫做莫氏硬度，它只表示硬度由小到大的順序，順序在后面的材料能劃破前面材料的表面。第三章無機材料的熱學性能熱性能的物理本質(zhì)均與晶格熱振動有關（3.1）。質(zhì)點在平衡位置附近作簡諧振動，質(zhì)點之間的相互作用，以波的形式在材料中傳播（格波）。3.1無機材料的熱容熱容是分子熱運動的能量隨溫度而變化的一個物理量。熱容是物體溫度升高1K所需要增加的能量。一、晶態(tài)固體熱容的經(jīng)驗定律和經(jīng)典理論兩個有關晶體熱容的經(jīng)驗定律：元素的熱容定律——杜隆—珀替定律：恒壓下元素的原子熱容為25J／（K·mol）化合物的熱容定律——柯普定律：化合物分子熱容等于構成此化合物各元素原子熱容之和。與實驗結果高溫符合，低溫減小二、晶態(tài)固體熱容的量子理論回顧三、無機材料的熱容三、無機材料的熱容與材料結構關系不大與氣孔率有關熱容小，提高相同溫度所需能量?。豢梢约涌焐郎亟禍厮俣?，降低熱量損耗隔熱保溫材料：熱容小/氣相熱導率低3.2無機材料的熱膨脹一、熱膨脹系數(shù)物體的體積或長度隨溫度的升高而增大的現(xiàn)象稱為熱膨脹。實際上固體材料的熱膨脹系數(shù)并不是一個常數(shù)，而是隨溫度稍有變化，通常隨溫度升高而加大，如圖3.5。二、固體材料熱膨脹機理固體材料的熱膨脹本質(zhì)：點陣結構中的質(zhì)點間平均距離隨溫度升高而增大。熱膨脹機理:簡諧振動？非線性振動？同一能量值a點處斜率大，斥力大；b點處斜率小，引力小。非對稱性P123：3.27式V(r)=V(r0)+1/2βδ2-1/3β’δ3

+…

δ4,5…

只考慮前兩項：簡諧振動考慮前三項：非簡諧振動考慮前四、五項：熱膨脹系數(shù)與溫度有關熱膨脹和其他性能的關系1、熱膨脹和結合能、熔點的關系由于固體材料的熱膨脹與晶體點陣中質(zhì)點的位能性質(zhì)有關。質(zhì)點的位能性質(zhì)是由質(zhì)點間的結合力特性所決定的。質(zhì)點間結合力很強，則位階深而狹窄，升高同樣的溫度差，質(zhì)點振幅增加得較少，故平均位置的位移量增加得較少，因此，熱膨脹系數(shù)較小。2、熱膨脹與溫度、熱容的關系熱膨脹是固體材料受熱以后晶格振動加劇而引起的容積膨脹，而晶格振動的激化就是熱運動能量的增大。升高單位溫度時能量的增量也就是熱容的定義。所以熱膨脹系數(shù)顯然與熱容密切相關并有著相似的規(guī)律。3、熱膨脹和結構的關系對于相同組成的物質(zhì)，由于結構不同，膨脹系數(shù)也不同。通常結構緊密的晶體，膨脹系數(shù)較大，而類似于無定形的玻璃，則往往有較小的膨脹系數(shù)。四、多晶體和復合材料的熱膨脹各向同性晶體組成的多晶體的熱膨脹系數(shù)與單晶體相同。假如晶體是各向異性的，或復合材料中各相的膨脹系數(shù)不相同，則它們在燒成后的冷卻過程中產(chǎn)生內(nèi)應力導致了熱膨脹。理論計算：復合材料所有組成各向同性且均勻分布，但各相的膨脹系數(shù)不相同，產(chǎn)生內(nèi)應力——克爾納曲線/特納曲線熱膨脹應用：封接/涂層3.3無機材料的熱傳導一、固體材料熱傳導的宏觀規(guī)律熱傳導的定義熱導率（導熱系數(shù)）二、固體材料熱傳導的微觀機理固體中的導熱主要是由晶格振動的格波和自由電子的運動來實現(xiàn)的。在金屬中由于有大量的自由電子，而且電子的質(zhì)量很輕，所以能迅速地實現(xiàn)熱量的傳遞。因此，金屬一般都具有較大的熱導率。雖然晶格振動對金屬導熱也有貢獻，只是很次要的。在非金屬晶體，如一般離子晶體的晶格中，自由電子是很少的，因此，晶格振動是它們的主要導熱機構。格波可分為聲頻支和光頻支兩類。1、聲子和聲子熱導把格波的傳播看成是質(zhì)點——聲子的運動，就可以把格波與物質(zhì)的相互作用理解為聲子和物質(zhì)的碰撞，把格波在晶體中傳播時遇到的散射看作是聲子同晶體中質(zhì)點的碰撞，把理想晶體個熱阻歸結為聲子—聲子的碰撞。格波間相互作用愈強，也就是聲子間碰撞幾率愈大。相應的平均自由程愈小，熱導率也就愈低。因此，這種聲子間碰撞引起的散射是晶格中熱阻的主要來源。氣體熱傳導公式：λ=1/3*cνl

ν，l是變量2、光子熱導固體中除了聲子的熱傳導外，還有光子的熱傳導。這是因為固體中分子、原子和電子的振動、轉(zhuǎn)動等運動狀態(tài)的改變，會輻射出頻率較高的電磁波。對于介質(zhì)中輻射傳熱過程，可以定性地解釋為：任何溫度下的物體既能輻射出一定頻率的射線，同樣也能吸收類似的射線。在熱穩(wěn)定狀態(tài)，介質(zhì)中任一體積元平均輻射的能量與平均吸收的能量相等。當介質(zhì)中存在溫度時，相鄰體積間溫度高的體積元輻射的能量大，吸收的能量??；溫度較低的體積元正好相反，吸收的能量大于輻射的，因此，產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)移，整個介質(zhì)中熱量從高溫處向低溫處傳遞。λ=16/3*σn2T3lr與輻射線的透明性有關溫度的影響顯微結構三、影響熱導率的因素聲子：λ=1/3*cvl；光子λ=16/3*σn2T3lr1、溫度的影響2、顯微結構的影響：晶體(結構復雜）/多晶體/非晶3、化學組成的影響：質(zhì)點大小、性質(zhì)不同（質(zhì)點大λ小）4、復相陶瓷的熱導率：3.48式，連續(xù)相λc/分散相λd5、氣孔的影響:

λ=

λs(1-p),p為氣孔率考慮氣孔的輻射傳熱：3.50式課堂作業(yè)題為什么金剛石是熱導率大的材料？P169：習題3根據(jù)聲子導熱機理和影響熱導率因素設計一種熱導率小的材料。理想設計---結合用途篩選---工藝可行性？熱電材料熱電優(yōu)值ZT=α2σ/λ具有塞貝克效應：確定材料電導率大熱導率小3.4無機材料的熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性是指材料承受溫度的急劇變化而不致破壞的能力，所以又稱為抗熱震性。由于無機材料在加工和使用過程中，經(jīng)常會受到環(huán)境溫度起儀的熱沖擊，因此，熱穩(wěn)定性是無機材料的一個重要性能。熱穩(wěn)定性的表示方法：—般采用比較直觀的測定方法。熱應力：不改變外力作用狀態(tài)，材料僅因熱沖擊造成開裂和斷裂而損壞，這必然是由于材料在溫度作用下產(chǎn)生的內(nèi)應力，超過了材料的力學強度極限所致。由于材料熱膨脹或收縮引起的內(nèi)應力稱為熱應力表征熱穩(wěn)定性參數(shù)抗熱沖擊斷裂性能（熱彈性力學，以強度-應力為判據(jù)，裂紋成核）1、第一熱應力斷裂抵抗因子R:材料所能承受的最大安全溫差R=σf(1-μ)/αE,主要表征急冷急熱時的情況β≥50。2、第二熱應力斷裂抵抗因子R’：考慮散熱情況R’=Rλ，主要表征材料內(nèi)部外部溫差小且穩(wěn)定分布的情況β≦0.5。3、第二熱應力斷裂抵抗因子R’’：表征冷卻速率引起材料中的溫度梯度及熱應力，R’’=R*a，a=λ/ρcp為導溫系數(shù)。抗熱沖擊損傷性（斷裂力學，以應變能-斷裂能為判據(jù)）：應力下裂紋的擴展R’’’=E/σ2(1-μ)R’’’’=Eγ/σ2(1-μ)正比于微裂紋半長和裂紋條數(shù)上述理論有無問題？五、提高抗熱沖擊斷裂性能的措施1、提高材料強度σ，減小彈性模量E，使σ/E提高2、提高材料的熱導率λ，使R’提高3、減小材料的熱膨脹系數(shù)α4、減小表面熱傳遞系數(shù)h5、減小產(chǎn)品的有效厚度力學、熱學性能總結三大材料的力學性能特點脆性的原因及改進措施熱學性能的本質(zhì)、微觀機理：熱容、熱膨脹、熱傳導、熱穩(wěn)定性課堂作業(yè)：

根據(jù)力學性能、熱學性能相關原理設計新型建筑材料。提示：玻璃窗或墻體材料/結實、耐用、節(jié)能第四章無機材料的光學性能

為什么天空是蘭色的？為什么鉆石光彩奪目？發(fā)光二極管的原理是什么？太陽能電池的工作原理是是什么？Al2O3能不能做成透明的？光的基本性質(zhì)介質(zhì)對光的折射、色散與反射介質(zhì)對光的吸收透光性光的發(fā)射激光與激光材料回顧與總結光的現(xiàn)象光的微粒說光的波動說光的電磁說光的波粒二象性光的直線傳播光的傳播速度光的反射光的折射光的干涉光的衍射電磁波譜光譜?電磁波譜：可見光七彩顏色的波長和頻率范圍人眼最為敏感的光是黃綠光，即附近。電磁波光譜電磁波譜

4.1光通過介質(zhì)的現(xiàn)象一、折射當光從真空進入較致密的材料時，其速度降低。光在真空和材料中的速度之比即為材料的折射率。影響n值的因素：1、構成材料元素的離子半徑2、材料的結構、晶型和非晶態(tài)3、材料所受的內(nèi)應力4、同質(zhì)異構體

在真空中，光以恒定的速度傳播，與光的頻率無關。然而，在通過任何物質(zhì)時，光的傳播速度要發(fā)生變化，而且不同頻率的光在同物質(zhì)中的傳播速度也不同；這一事實在折射現(xiàn)象中最明顯地反映了了出來，即物質(zhì)的折射率與光的頻率有關，折射率n取決于真空中光速c和物質(zhì)中光速u之比，即

這種光在介質(zhì)中的傳播速度（或介質(zhì)的折射率）隨其頻率（或波長）而變化的現(xiàn)象，稱為光的色散現(xiàn)象。二、色散

1672年牛頓首先利用棱鏡的色散現(xiàn)象，把日光分解成了彩色光帶。

棱鏡的折射率為在棱鏡頂角A已知的條件下，通過最小偏向角δm的測量，利用上式可以得到棱鏡材料對該波長的光的折射率n。用各種波長λ的光入射，即可得到δm和n隨波長λ的變化關系。

測量不同波長光線通過棱鏡的最小偏向角，就可以算出棱鏡材料的折射率n與波長λ之間的關系曲線，即色散曲線。實驗表明，凡在可見光范圍內(nèi)無色透明的物質(zhì)，它們的色散曲線在形式上很相似，這些曲線的共同特點是，折射率n以及色散率dn/dλ的數(shù)值都隨著波長的增加而單調(diào)下降，在波長很長時折射率趨于定值，這種色散稱為正常色散（normaldispersion）。正常色散一、定義

實驗表明，在發(fā)生強烈吸收的波段，色散曲線發(fā)生能量明顯的不連續(xù)，折射率n隨著波長的增加而增大，即dn/dλ>0，這種在吸收帶附近不符合科希公式，與正常色散曲線大不相同的特征稱之為反常色散（anomalousdispersion）盡管通常把這種色散稱為反常色散，但實際上它反映了物質(zhì)在吸收區(qū)域內(nèi)所普遍遵從的色散規(guī)律。大多數(shù)材料在遇到吸收帶時，色散曲線都有這種不連續(xù)的性質(zhì)。在吸收區(qū)域以外，物質(zhì)的色散曲線仍屬于正常曲線。反常色散三、反射

當光線由介質(zhì)1入射到介質(zhì)2時，光在介質(zhì)面上分成了反射光和折射光。反射率R光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)全反射：當光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)，且入射角大于臨界角時，光線被100%反射的現(xiàn)象。此時不再有折射光線，入射光的能量全部回到第一介質(zhì)中。臨界角：光纖導光原理：全反射

光的全反射光纖結構示意圖纖芯：575μm摻雜的SiO2，n一定或隨半徑增加而減小。包層:

總直徑為100200μm,折射率稍小于纖芯的摻雜的SiO2。涂敷層：硅銅或丙烯酸鹽，隔離雜光。護套：尼龍或有機材料，增加強度，保護光纖。纖芯包層涂敷層護套

光的全反射復習能帶pn結當大量原子或分子聚集形成固體時，由于原子或分子之間的相互作用，各個不同能量孤立能級不可能完全重合而是擴展成帶狀，能帶中電子能量是準連續(xù)的，若固體中含有N個原子或分子，則每個能帶含有N個準連續(xù)分布的能級。能帶（Energyband）成為表征固體中電子能量的物理概念。固體中電子能量既不象自由電子連續(xù)分布，也不象孤立原子是分立能級。充滿電子的能帶稱為滿帶（filledband），空的能帶稱為空帶（emptyband），滿帶與空帶之間電子不能存在稱為禁帶(forbiddenband)。特別是沒有充滿電子或完全空的更高能帶導帶(Conductionband)，導帶中的電子幾乎可以自由地在固體中運動。充滿了電子的最高能帶稱為價帶(Valenceband)。價帶中的電子是定域的，不能在晶體中自由運動。導帶與價帶之間的禁帶寬度稱為能帶間隙(bandgap)，用Eg來表示,等于導帶底和價帶頂?shù)哪芰坎?，即Eg=Ec-Ev,從能帶概念很容易區(qū)分導體、半導體與絕緣體。金屬中即使電子進入最高能量的能帶，也不能完全填滿，大量存在作為載流子的自由電子，所以導電性高，一般為導體（conductor）。絕緣體(insulator)與本征半導體(intrinsicsemiconductor)僅區(qū)別于能帶間隙的大小不同。在絕對零度時能帶僅僅由全部滿帶和空帶構成，載流子不存在，不顯示導電性。但是，能帶間隙小的本征半導體，如果溫度上升，產(chǎn)生自由電子和空穴，而且，不管成為哪種載流子，本征半導體隨著溫度升高，導電性增加。本征半導體與雜質(zhì)半導體半導體(Semiconductor)指電導率介于導體與絕緣體之間的材料。其能量系統(tǒng)分為許可能帶和禁帶，半導體禁帶寬度很窄，在室溫下由熱激發(fā)可引起電離而導電。其基本特性有：本征半導體的電阻率隨溫度的上升而下降；導電性隨外界條件影響大，例光照、輻射，尤其是摻雜可顯著地改變導電性；溫差效應和霍爾效應比金屬明顯得多等。分為元素半導體(硅、鍺等)，化合物半導體(GaAs、CdS等)，非晶半導體(非晶硅)、有機半導體等。可用于制成二極管、三極管、集成電路、整流器、太陽能電池、激光器及各種敏感器件(如光敏、色敏、氣敏、熱敏等)。本征半導體(Instrinsicsemiconductor)

不含雜質(zhì)的純凈半導體。載流子是由本征激發(fā)產(chǎn)生的，且形成的電子數(shù)目ne與空穴的數(shù)目nh相同。電阻率一般隨溫度的上升而下降，與金屬恰好相反。純凈半導體中價帶電子獲得足夠的熱能躍遷到導帶，成為導電電子，同時在價帶產(chǎn)生空穴的過程，稱為本征激發(fā)(Instrinsicexcitation)，其特點是電子和空穴成對產(chǎn)生。雜質(zhì)半導體(Impuritysemiconductor)

通過雜質(zhì)引入額外電子或空穴而改變材料導電性的半導體。載流子是由雜質(zhì)激發(fā)產(chǎn)生，可分為給出電子至導帶的n型半導體和接受價帶電子的p型半導體。半導體中電子從施主能級躍遷到導帶成為導電電子，或空穴從受主能級躍遷到價帶形成自由空穴的過程，稱為雜質(zhì)激發(fā)(Impurityexcitation)。n型半導體(電子型半導體)(n-typesemiconductor)是依靠電子導電的半導體，它是導電電子密度超過空穴密度的雜質(zhì)半導體。例如在四價元素硅或鍺中加入五價磷、砷或銻，雜質(zhì)原子作為替位式原子占據(jù)硅或鍺原子的位置，與其它硅或鍺原子形成共價鍵，但雜質(zhì)原子多出一個電子，成為可自由移動的導電電子。加入半導體可產(chǎn)生n型半導體的雜質(zhì)稱為施主(施主雜質(zhì))(Donor)。它是帶正電荷而束縛電子的雜質(zhì)或者說為導帶提供電子而不伴隨空穴產(chǎn)生的雜質(zhì)。它釋放電子后成為正電中心。被施主束縛的雜質(zhì)只有在獲得一定能量后成為導電電子，它的能級必然靠近導帶底，稱為施主能級。如果施主雜質(zhì)數(shù)量有限，隨溫度升高，電子受激全部進入半導體導帶，繼續(xù)升溫，再無電子進入導帶，形成施主耗竭(Donorexhaustion)此時半導體電導率將保持不變。只有溫度升高到本征激發(fā)開始時，電導率才會變化。施主耗盡導致非本征條件下電導率的最大值。p型半導體(空穴型半導體)(p-typesemiconductor)是依靠空穴荷載電流的半導體，它是空穴密度超過導電電子密度的雜質(zhì)半導體。例如在四價元素硅或鍺中加入三價硼、鋁或銦等，雜質(zhì)原子作為替位式原子占據(jù)硅或鍺原子的位置，與其它硅或鍺原子形成共價鍵，但雜質(zhì)原子缺一個電子，四價原子的價電子很容易轉(zhuǎn)移到雜質(zhì)原子，在硅或鍺中留下空穴。加入半導體可產(chǎn)生p型半導體的雜質(zhì)稱為受主(受主雜質(zhì))(Acceptor)。它為半導體的價帶提供空穴的雜質(zhì)，接受價帶電子成為帶負電的離子。只有被束縛的空穴吸收外界能量才可躍入價帶，它的能級必然位于價帶頂之上，稱為受主能級。如果受主雜質(zhì)數(shù)量有限，隨溫度升高，受主全部都接受了從價帶激發(fā)來的電子，再不可能接受，形成受主飽和(Acceptorsaturation)，此時半導體電導率將保持不變。只有溫度升高到本征激發(fā)開始時，電導率才會變化。受主飽和導致非本征條件下電導率的最大值。

半導體中的空位、間隙原子、位錯和各種復合體等缺陷，同雜質(zhì)一樣，也可在禁帶中引入孤立能級稱為缺陷能級(Defectlevel)。如果施主能級離導帶底很近，或受主能級離價帶頂很近，這樣的雜質(zhì)稱為淺能級雜質(zhì)(Lowlevelimpurity)。例如硅中的硼或磷，砷或銻等，離化能只有百分之幾電子伏。如果施主能級離導帶底較遠，或受主能級離價帶頂較遠這樣的的雜質(zhì)稱為深能級雜質(zhì)(Deeplevelimpurity)。它們大多能產(chǎn)生多重能級，形成多重電中心。例如硅、鍺中的非III、V族元素，如金、銀、銅等。4.2無機材料的透光性

----反射、吸收、散射一、介質(zhì)對光的吸收吸收的一般規(guī)律：光做為一種能量流，在穿過介質(zhì)時，引起介質(zhì)的價電子躍遷，或使原子振動而消耗能量。此外，介質(zhì)中的價電子當吸收光子能量而激發(fā)，當尚未退激而發(fā)出光子時，在運動中與其它分子碰撞，電子的能量轉(zhuǎn)變成分子的動能亦即熱能，從而構成光能的衰減。如圖所示，光強為I0的單色平行光束沿x軸方向通過均勻物質(zhì)，在經(jīng)過一段距離x后光強已減弱到I，再通過一無限薄層dx后光強變?yōu)镮+dI(dI0)。實驗表明，在相當寬的光強度范圍內(nèi)，-dI相當精確地正比于I和dx，即

-dI=αaIdxx+dxldxxII+dI光的吸收規(guī)律式中αa是與光強無關的比例系數(shù)，稱為該物質(zhì)的吸收系數(shù)（absorptioncoefficient）。于是，上式是光強的線性微分方程，表征了光的吸收的線性規(guī)律。介質(zhì)對光的吸收

吸收定律為了求出光束穿過厚度為l的物質(zhì)后光強的改變，可將上式改寫為然后對x積分，即可得換言之，若入射光強為I0，則通過l的物質(zhì)后的光強為稱為布格定律（Bouguerlaw）或朗伯定律。該定律是布格（P.Bouguer，1698—1758）在1729年發(fā)現(xiàn)的，后來朗伯（J.H.Lambert，1728—1777）在1760年又重新作了表述。6-2

吸收定律實驗表明，當光被透明溶劑中溶解的物質(zhì)吸收時，吸收系數(shù)αa與溶液的濃度C成正比，即αa=AC，其中A是一個與濃度無關的常量。這時可以寫成

稱為比爾定律（Beerlaw）。根據(jù)比爾定律，可以測定溶液的濃度，這就是吸收光譜分析的原理。比爾定律表明，被吸收的光能是與光路中吸收光的分子數(shù)成正比的，這只有每個分子的吸收本領不受周圍分子影響時才成立。事實也正是這樣，當溶液濃度大到足以使分子間的相互作用影響到它們的吸收本領時就會發(fā)生對比爾定律的偏離。吸收定律–

比爾定律電子極化：只有當光的頻率與電子極化時間的倒數(shù)處在同一個數(shù)量級時，由此引起的吸收才變得比較重要；電子吸收光子能量受激而越過禁帶；電子吸收光子能量受激進入位于禁帶中的雜質(zhì)或缺陷能級上；所以，只有當入射光子的能量與材料的某兩個能態(tài)之間的能量差值相等時，光量子才可能被吸收。同時，材料中的電子從較低能態(tài)躍遷到高能態(tài)。光的吸收是材料中的微觀粒子與光相互作用的過程中表現(xiàn)出的能量交換過程。

吸收的物理機制可見光中波長最短的是紫光，波長最長的是紅光：所以，Eg<1.8eV的半導體材料，是不透明的因為所有可見光都可以通過激發(fā)價帶電子向?qū)мD(zhuǎn)移而被吸收。Eg=1.83.1的非金屬材料，是帶色透明的因為只有部分可見光通過激發(fā)價帶電子向?qū)мD(zhuǎn)移而被材料吸收。

吸收的物理機制禁帶較寬的介電固體材料也可以吸收光波，但吸收機理不是激發(fā)電子從價帶躍遷到導帶，而是因其雜質(zhì)在禁帶中引進了附加能級，使電子能夠吸收光子后實現(xiàn)從價帶到受主能級或從施主能級到導帶的躍遷。

吸收的物理機制除了真空，沒有一種物質(zhì)對所有波長的電磁波都是絕對透明的。任何一種物質(zhì)，它對某些波長范圍內(nèi)的光可以是透明的，而對另一些波長范圍內(nèi)的光卻可以是不透明的。例如，在光學材料中，石英對所有可見光幾乎都透明的，在紫外波段也有很好的透光性能，且吸收系數(shù)不變，這種現(xiàn)象為一般吸收；但是對于波長范圍為3.5—5.0μm的紅外光卻是不透明的，且吸收系數(shù)隨波長劇烈變化，這種現(xiàn)象為選擇吸收。換言之，石英對可見光和紫外線的吸收甚微，而對上述紅外光有強烈的吸收。一般吸收和選擇吸收

又例如，普通玻璃對可見光是透明的，但是對紅外線主紫外線都有強烈的吸收，是不透明的。因此在紅外光譜儀中，棱鏡常用對紅外線透明的氯化鈉晶體和氟化鈣晶體制作；而紫外光譜儀中，棱鏡常用對紫外線透明的石英制作。實際上，任何光學材料，在紫外和紅外端都有一定的透光極限。

任何物質(zhì)都有這兩種形式的吸收只是出現(xiàn)的波長范圍不同而已。

6-3一般吸收和選擇吸收用具有連續(xù)譜的光（例如白光）通過具有選擇吸收的物質(zhì)，然后利用攝譜儀或分光光度計，可以觀測到在連續(xù)光譜的背景上呈現(xiàn)有一條條暗線或暗帶，這表明某些波長或波段的光被吸收了，因而形成了吸收光譜（absorptionspectrum）。

吸收光譜物質(zhì)的發(fā)射譜（emissionspectrum）有：線狀譜（linespectrum），帶狀譜（bandspectrum）和連續(xù)譜等。大致說來，原子氣體的光譜是線狀譜，而分子氣體、液體和固體的光譜是帶狀譜，吸收光譜的情況也是如此。值得注意的是，同一物質(zhì)的發(fā)射光譜和吸收光譜之間有嚴格的對應關系，即物質(zhì)自身發(fā)射哪些波長的光，它就強烈吸收這些波長的光。

吸收光譜按照經(jīng)典的電磁理論，原子可以看成是一系列彈性偶極振子的組合，其中每個振子有一定的固有頻率，于是原子就有了一系列的固有頻率。這種偶極振子一旦被外部能源激發(fā)，每個振子都會以其固有頻率作簡諧振動，并向周圍空間發(fā)出同一頻率的單色電磁波，從而在發(fā)射光譜上形成一條條的光譜線，形成了原子氣體的線狀發(fā)射光譜。當包含有各種頻率的白光照射在原子氣體上時，只有那些頻率與原子有固有頻率一致的電磁波，會引起共振而被原子氣體強烈地吸收，于是在原子氣體的吸收光譜中形成了一條條與原子核固有頻率對應的暗譜線。

吸收光譜光吸收與光波長的關系金屬對光能吸收很強烈。這是因為金屬的價電子處于未滿帶，吸收光子后即呈激發(fā)態(tài)，用不著躍遷到導帶即能發(fā)生碰撞而發(fā)熱。電介質(zhì)材料的價電于所處的能帶是填滿了的。它不能吸收光子而自由運動，而光子的能量又不足以使價電子躍遷到導帶．所以在一定的波長范圍內(nèi)．吸收系數(shù)很小。二、介質(zhì)對光的散射材料中如果有光學性能不均勻的結構，例如含有小粒子的透明介質(zhì)、光性能不同的晶界相：氣孔或其它夾雜物，都會引起一部分光束被散射，從而減弱光束強度。光的散射導致原來傳播方向上光強的減弱如果只計及各種散射因素，光強隨傳播距離的散射減弱仍符合指數(shù)衰減規(guī)律：對于一般介質(zhì)中光強的減弱，來自兩個方面：吸收和散射，因此光強衰減為：光散射現(xiàn)象光散射分類根據(jù)散射前后光子能量（或光波波長）變化與否，分為彈性散射與非彈性散射

彈性散射：散射前后光的波長（或光子能量）不發(fā)生變化，只改變方向的散射。非彈性散射：當光通過介質(zhì)時，從側(cè)向接受到的散射光主要是波長（或頻率）不發(fā)生變化的瑞利散射光，屬于彈性散射。當使用高靈敏度和高分辨率的光譜儀，可以發(fā)現(xiàn)散射光中還有其它光譜成分，它們在頻率坐標上對稱地分布在彈性散射光的低頻和高頻側(cè)，強度一般比彈性散射微弱地多。這些頻率發(fā)生改變的光散射是入射光子與介質(zhì)發(fā)生非彈性碰撞的結果，稱為非彈性散射。一、彈性散射分類按照散射中心尺度a0與入射光波長λ是大小，分為三類：1.廷德爾散射TyndallScattering

(J.Tyndall，1820-1893)當a0?λ時，σ→0即散射中心的尺度遠大于光波波長時，散射光強與入射光波長無關如粉筆灰、白云呈白色例如在膠體、乳濁液以及含有煙、霧或灰塵的大氣中的散射。光散射分類2.米氏散射MieScattering當a0與λ相近時，σ=0-4即散射中心的尺度與光波波長可以比擬時，σ在0-4之間,具體取值與散射中心有關.米氏散射性質(zhì)比較復雜。

光散射分類3.瑞利散射Rayleighscattering當a0?λ時，σ=4即當散射中心的線度遠小于入射光的波長時，散射強度與波長的4次方成反比通常我們把線度小于光的波長的微粒對入射光的散射，稱為瑞利散射（Rayleighscattering）。瑞利散射不改變原入射光的頻率。

光散射分類為了解釋天空為什么呈蔚藍色，瑞利（J.W.S.Rayleigh，1842-1919）研究了線度比光的波長小的微粒的散射問題，在1871年提出了散射光強與波長的四次方成反比的關系，即這就是瑞利散射定律。

光散射分類瑞利散射定律在散射微粒的尺度比光的波長小的條件下，作用在散射微粒上的電場可視為交變的均勻場，于是散射微粒在極化時只感生電偶極矩而沒有更高級的電矩。按照電磁理論，偶極振子的輻射功率正比于頻率的四次方。瑞利認為，由于熱運動破壞了散射微粒之間的位置關聯(lián)，各偶極振子輻射的子波不再是相干的，計算散射光強時應將子波的強度而不是振幅疊加起來。因此，散射光強正比于頻率的四次方,即反比于波長的四次方。實驗和理論都證明,較大的顆粒對光的散射不遵從瑞利散射定律，這時散射光強與波長的依賴關系就不十分明顯了。光散射分類3.瑞利散射按照瑞利散射定律，我們不難理解晴天時晨陽與午陽的顏色不同。入射波長越長，散射光強越小，即長波散射（紅橙色光）要小于短波散射（藍紫色光）。因為大氣及塵埃對光譜上藍紫色光的散射比紅橙色光為甚，陽光透過大氣層越厚，其中藍紫色光成分損失越多，太陽顯得越紅。光散射分類Global早晨中午太陽光二、非彈性散射分類1.拉曼散射（Ramanscattering）是分子或點陣振動的光學聲子（即光學模）對光波的散射。在光譜圖上距離瑞利線較遠，它們與瑞利線的頻差可因散射介質(zhì)能級結構不同而在100104之間變化。2.布里淵散射（Brillouinscattering）是點陣振動引起的密度起伏或超聲波對光波的非彈性散射，即點陣振動的聲學聲子（即聲學模）與光波之間的能量交換結果。由于聲學聲子的能量低于光學聲子，所以布里淵散射的頻移比拉曼散射小，在光譜圖上它們緊靠在瑞利線旁，只能用高分辨的雙單色儀等光譜儀才能分辨出來。光散射分類三、無機材料的透光性影響因素：

1吸收系數(shù)：可見光范圍較低，影響較小；

2反射系數(shù)：取決于相對折射率/表面光潔度；

3散射系數(shù)（主要影響）：材料的宏觀及顯微缺陷/晶粒排列方向/氣孔無機材料是一種多晶多相體系，內(nèi)含雜質(zhì)、氣孔、晶界、微裂紋等缺陷，光通過無機材料時會遇到一系列的阻礙，所以無機材料并不象晶體、玻璃體那樣透光。多數(shù)無機材料看上去是不透明的。這主要是由于散射引起的。討論題：1Al2O3納米干凝膠是透明的，研磨后變成白色粉末，原因是什么？工藝上有什么方法？2如何得到燒成的透明Al2O3？氣孔和雜質(zhì)造成的散射晶界處的散射晶界處的反射和折射四、提高無機材料透光性的措施1、提高原材料純度2、摻加外加劑3、工藝措施4.3界面反射和光澤一、鏡反射和漫反射材料表而光潔度非常高的情況下的反射，反射光線具有明確的方向性，一般稱之為鏡反射。因此當光照射到粗糙不平的材料表面上時，發(fā)生相當?shù)穆瓷洹?.5無機材料的顏色著色：著色化合物/膠體粒子/形成色心本質(zhì)：物質(zhì)對光的選擇性吸收/吸收后剩下色調(diào)較純的反射或透射光光的選擇性吸收機理：著色化合物：某些簡單離子或復合離子膠體粒子：金屬決定于粒子大?。环墙饘贈Q定于粒子的化學組成色心：缺陷工藝影響因素：溫度4.6其他光學性能的應用一、熒光物質(zhì)---指示牌/半導體照明工程

電子從激發(fā)能級向較低能級的衰變可能伴隨有熱量向周圍傳遞，或者產(chǎn)生輻射，在此過程中，光的發(fā)射稱為熒光（快）或磷光（慢），取決于激發(fā)和發(fā)射之間的時間。二、激光器許多陶瓷材料已用作固體激光器的基質(zhì)和氣體激光器的窗口材料。光發(fā)射的定義材料以某種方式吸收能量之后，將其轉(zhuǎn)化為光能即發(fā)射光子的過程，這就是光發(fā)射。自然界中很多物質(zhì)都可發(fā)光，但近代顯示技術所用的發(fā)光材料主要是無機化合物，在固體材料中主要是采用禁帶寬度較大的絕緣體，其次的半導體它們通常以多晶粉末、薄膜或單晶的形式被應用。從應用的角度，主要關注材料的光學性能包括：發(fā)光顏色、發(fā)光強度及延續(xù)時間等。光源-能夠發(fā)光的物體

=(E2-E1)/hE1E2?原子光波列

(wavetrain)?一般光源的發(fā)光特點：

1間歇性；2隨機性。

（1）熱輻射（2）電致發(fā)光（3）光致發(fā)光（4）化學發(fā)光自發(fā)輻射（5）同步輻射光源（6）激光光源受激輻射激發(fā)態(tài)原子或分子的自發(fā)輻射

=(E2-E1)/hE1E2激發(fā)態(tài)原子或分子的受激輻射激勵方式材料發(fā)光前可以有多種方式向其注入能量激勵方式一、光激勵（光致發(fā)光）通過光的輻照將材料中的電子激發(fā)到高能態(tài)從而導致發(fā)光。

激勵光源可以采用光頻波段、x-射線波段、γ-射線波段。如熒光燈：通過紫外線激發(fā)涂布于燈管內(nèi)壁的熒光粉而發(fā)光。激勵方式二、陰極射線發(fā)光利用高能量的電子來轟擊材料，通過電子在材料內(nèi)部的多次散射碰撞，使材料中多種發(fā)光中心被激發(fā)或電離而發(fā)光的過程。如彩電的顏色：采用電子束掃描，激發(fā)顯象管內(nèi)表面上不同成分的熒光粉，使它們發(fā)射紅、綠、藍三種基本光波而實現(xiàn)發(fā)光。激勵方式三、電激勵（電致發(fā)光）

通過對絕緣發(fā)光體施加強電場而導致發(fā)光，或者從外電路將電子（或空穴）注入到半導體的導帶（或價帶），導致載流子復合而發(fā)光。如儀器指示燈的發(fā)光二極管：半導體復合發(fā)光。一、發(fā)射光譜：發(fā)射光強發(fā)射光波長指在一定的激發(fā)條件下發(fā)射光強按波長的分布。其形狀與材料的能量結構有關。反映材料中從高能級始發(fā)的向下躍遷過程。材料發(fā)光的基本性質(zhì)二、激發(fā)光譜：發(fā)光強度激發(fā)光波長指材料發(fā)射某一特定譜線（或譜帶）的發(fā)光強度隨激發(fā)光的波長而變化的曲線能夠引起材料發(fā)光的激發(fā)波長也一定是材料可以吸收的波長，但激發(fā)光譜≠吸收光譜（因為有的材料吸收光后不一定會發(fā)射光，把吸收的光能轉(zhuǎn)化為熱能而耗散掉對發(fā)光沒有貢獻的吸收是不會在激發(fā)光譜上反映的）。反映材料中從基態(tài)始發(fā)的向上躍遷過程。材料發(fā)光的基本性質(zhì)三、發(fā)光壽命：發(fā)光壽命指發(fā)光體在激發(fā)停止之后持續(xù)發(fā)光時間的長短。發(fā)光強度也以指數(shù)規(guī)律衰減：余輝時間：從激發(fā)停止時的發(fā)光強度I0衰減到I0/10的時間，按余輝時間長短分為：超長余輝（＞1s）、長余輝（0.11s）、中余輝（1100ms）、中短余輝（10-21ms）、短余輝（110μs）、超短余輝（＜1μs）材料發(fā)光的基本性質(zhì)n-初始激發(fā)態(tài)的電子數(shù)α-電子在單位時間內(nèi)躍遷到基態(tài)的概率τ=1/α–發(fā)光壽命四、發(fā)光效率量子效率ηq：指發(fā)射光子數(shù)nout與吸收光子數(shù)（或輸入的電子數(shù)）nin之比。功率效率ηp：表示發(fā)光功率Pout與吸收光功率（或輸入的電功率）Pin之比。光度效率ηl：表示發(fā)射的光通量L與輸入的光功率（或電功率）Pin之比。功率效率與光度效率的關系：

Φ（λ）-人眼的視見函數(shù)I（λ）-發(fā)光功率的光譜分布函數(shù)D–光功當量材料發(fā)光的基本性質(zhì)以激光陶瓷為例按照發(fā)光中心與發(fā)光效率分：2.復合發(fā)光源于固體本征態(tài)的輻射躍遷固體能帶模型描述（限于最高能隙Eg內(nèi)）如II-VI、III-V族半導體發(fā)光1.分立中心發(fā)光3.特殊的復合發(fā)光BaF2型固體中局域中心內(nèi)部電子態(tài)間的輻射躍遷位形坐標描述如稀土離子發(fā)光（寬禁帶絕緣體材料）發(fā)光分類發(fā)光的物理機制一、分立中心發(fā)光

—RE3+發(fā)光，雜質(zhì)、缺陷發(fā)光

其發(fā)光通常是摻雜在透明基質(zhì)材料中的離子，或基質(zhì)材料自身結構的某一個基團。選擇不同的發(fā)光中心和不同的基質(zhì)組合，可以改變發(fā)光體的發(fā)光波長，調(diào)節(jié)其光色。發(fā)光中心分布在晶體點陣中，受晶體點陣作用，使其能量狀態(tài)發(fā)生變化進而影響材料發(fā)光性能。發(fā)光的物理機制根據(jù)發(fā)光中心與晶體點陣之間相互作用的強弱可分為兩種情況：發(fā)光中心基本上是孤立的，它的發(fā)光光譜與自由離子相似；發(fā)光中心受基質(zhì)點陣電場（或晶體場）影響較大，其發(fā)光特性與自由離子不同，必須把中心和基質(zhì)作為一個整體來分析。發(fā)光的物理機制稀土離子發(fā)光：

“4f4f”電子組態(tài)間的躍遷

如Tb3+,Eu3+,Gd3+,Pr3+

…線譜“4f5d”電子組態(tài)間的躍遷

如Ce3+帶譜，允許躍遷

特點：豐富的能級，具有光譜的可調(diào)性。發(fā)光的物理機制缺陷發(fā)光—F心，PWO的綠光、紅光中心，ZnO的綠光，ZrO2的發(fā)光氧化物、氟化物、堿鹵化物，負離子缺位（電子陷阱）+eF心發(fā)光的物理機制1.固體“導帶電子—價帶空穴”間的復合2.“導帶電子—受主A（空穴）”或“價帶空穴—施主D（電子）”或“D—A”復合3.激子（“e—h”）或束縛激子的復合二、復合發(fā)光發(fā)光的物理機制固體中可能的躍遷（1）帶間吸收；（21）帶間發(fā)射或自由激子發(fā)射（因有一定結合能，略<Eg,圖上未顯示）；（22）有一定聲子參與的光發(fā)射；（3）—（5）與雜質(zhì)、缺陷有關的輻射復合；（6）分立中心內(nèi)部的發(fā)射；（7）無輻射（多聲子）弛豫；（8）俄歇Auger過程發(fā)光的物理機制應用----半導體照明工程（發(fā)光二極管LED）優(yōu)點：綠色環(huán)保、壽命超長、高效節(jié)能、抗惡劣環(huán)境、結構簡單、體積小、重量輕、響應快、工作電壓低及安全性好突破：20世紀90年代中期，日本日亞化學公司的Nakamura等人經(jīng)過不懈努力，突破了