第四章-光功能復(fù)合材料-第一次課

功能復(fù)合材料—光功能復(fù)合材料第四章光功能復(fù)合材料2024/10/23功能復(fù)合材料14.1概述光功能復(fù)合材料？具有光學(xué)或光電功能特性的復(fù)合材料。組成？具有光學(xué)特性的功能體與普通基體復(fù)合而成，也可以由具有光學(xué)特性的功能體與具有光學(xué)特性的基體復(fù)合而成。2024/10/23功能復(fù)合材料2功能復(fù)合材料—光功能復(fù)合材料光功能復(fù)合材料的種類與應(yīng)用范圍2024/10/23功能復(fù)合材料3功能復(fù)合材料—光功能復(fù)合材料4.2知識(shí)回顧光的波粒二象性愛因斯坦光電方程把光波動(dòng)性和粒子性聯(lián)系起來了，即光頻率、波長(zhǎng)和輻射能都是由光子源決定。圖4.1為輻射電磁波譜。2024/10/23功能復(fù)合材料4功能復(fù)合材料—光功能復(fù)合材料2024/10/23功能復(fù)合材料5功能復(fù)合材料—光功能復(fù)合材料頻率范圍標(biāo)志相應(yīng)的頻率范圍FR1450MHz-6000MHzFR224250MHz-52600MHz2024/10/23功能復(fù)合材料6功能復(fù)合材料—光功能復(fù)合材料5G的頻段分成了兩個(gè)范圍：FR1和FR2聯(lián)通獲得的頻譜在3500-3600之間，電信的是3400-3500的帶寬，移動(dòng)的是2515-3675以及4800-4900的帶寬。毫米波的特點(diǎn)就是具有高傳輸速率，并且也能實(shí)現(xiàn)短距離下的高頻應(yīng)用。天線物理尺寸比較小，所以只能提升頻譜帶寬來讓它的數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)超高速。2024/10/23功能復(fù)合材料7功能復(fù)合材料—光功能復(fù)合材料湯姆遜的電子衍射圖粒子性

—具有獨(dú)立存在的意義特征量：能量

E、動(dòng)量

p波動(dòng)性

—實(shí)物微粒某種性質(zhì)在空間和時(shí)間具有周期性變化規(guī)律。特征量：頻率

、波長(zhǎng)

德布羅依關(guān)系式。

實(shí)物粒子具有波粒二象性

光的二象性2024/10/23功能復(fù)合材料8功能復(fù)合材料—光功能復(fù)合材料2024/10/23功能復(fù)合材料9功能復(fù)合材料—光功能復(fù)合材料光的發(fā)射發(fā)光：由于電子從較高的能態(tài)躍遷到較低空能態(tài)而發(fā)射光子，同時(shí)可能伴隨熱量的產(chǎn)生（聲子）。熒光：納秒或更快；磷光：微秒或毫秒；余暉：秒磷光材料：ZnS,鎢酸鹽；Zn過剩的ZnO,許多有機(jī)物根據(jù)電子躍遷所需時(shí)間，發(fā)射的光可分為：2024/10/23功能復(fù)合材料10功能復(fù)合材料—光功能復(fù)合材料光致發(fā)光；場(chǎng)致發(fā)光：由于應(yīng)用電場(chǎng)引起；陰極發(fā)光(cathodoluminescence)：由于高能電子照射物體表面引起。根據(jù)發(fā)光產(chǎn)生的原因，可分為：電視機(jī)屏幕（ZnS；摻銀藍(lán)色；摻銅綠色）熒光燈：鎢酸鹽，硅酸鹽；由于水銀輝光放電產(chǎn)生的紫外光照射電子顯微鏡的圖像:由于磷光劑，比如ZnS蠟燭，白熾燈等2024/10/23功能復(fù)合材料11功能復(fù)合材料—光功能復(fù)合材料可見光和金屬間相互作用可見光入射金屬時(shí)，光能被金屬表層吸收，激發(fā)自由電子，使之具有較高能態(tài)。當(dāng)電子由高能態(tài)回到較低能態(tài)時(shí)，發(fā)射光子。金屬是不透光，故吸收現(xiàn)象只發(fā)生在金屬厚約100nm表層內(nèi)，金屬片在100nm以下時(shí)，才是“透明”。只有短波長(zhǎng)x－射線和γ－射線等能穿過一定厚度金屬。金屬和可見光間作用主要是反射，產(chǎn)生金屬光澤。2024/10/23功能復(fù)合材料12功能復(fù)合材料—光功能復(fù)合材料電磁波在真空中傳播速度為3×108m/s以c表示。c與真空介電常數(shù)ε0和真空磁導(dǎo)率μ0關(guān)系為：當(dāng)光在介質(zhì)中傳播時(shí)，其速度v由下式?jīng)Q定：光通過介質(zhì)現(xiàn)象2024/10/23功能復(fù)合材料13功能復(fù)合材料—光功能復(fù)合材料在討論光與材料相互作用產(chǎn)生反射、透射、折射等現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)用光粒子性更容易理解；討論光波在介質(zhì)中傳播、衍射等現(xiàn)象應(yīng)用光波動(dòng)性更方便。當(dāng)光從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，例如從空氣進(jìn)入透明介質(zhì)，一部分透過介質(zhì)，一部分被吸收，一部分在兩種介質(zhì)界面上被反射，還有一部分被散射。光通過介質(zhì)現(xiàn)象2024/10/23功能復(fù)合材料14功能復(fù)合材料—光功能復(fù)合材料2024/10/23功能復(fù)合材料15功能復(fù)合材料—光功能復(fù)合材料入射到材料表面光輻射能流率為φ0，透過、吸收、反射和散射光輻射能流率分別為φτ,φα,φm,φσ,則：光輻射能流率單位為W/m2，單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積（與光傳播方向垂直面積）能量。若用φ0除上式兩邊，得到：式中：稱為透射系數(shù)；稱為吸收系數(shù)；稱為反射系數(shù)；稱為散射系數(shù)2024/10/23功能復(fù)合材料16功能復(fù)合材料—光功能復(fù)合材料從微觀分析，光子與固體材料相互作用，實(shí)際上是光子與固體材料中原子、離子、電子等相互作用，結(jié)果是：1、電子極化電磁輻射電場(chǎng)分量，在可見光頻率范圍內(nèi)，電場(chǎng)分量與傳播過程中每一個(gè)原子都發(fā)生作用，引起電子極化，造成電子云和原子核重心發(fā)生相對(duì)位移，其結(jié)果是光一部分能量被吸收，同時(shí)光速度被減小，導(dǎo)致折射發(fā)生。2、電子能態(tài)轉(zhuǎn)變光子被吸收和發(fā)射，都可能涉及到固體材料中電子能態(tài)轉(zhuǎn)變。光通過介質(zhì)現(xiàn)象2024/10/23功能復(fù)合材料17功能復(fù)合材料—光功能復(fù)合材料4.3透光功能復(fù)合材料光是一種電磁波。電磁波的范圍從遠(yuǎn)紅外到紫外并延伸到軟x射線區(qū)?？梢姽獠ㄩL(zhǎng)大約在390~770nm.x光線波長(zhǎng)介于紫外線和γ射線間的電磁輻射。x射線是一種波長(zhǎng)很短的電磁輻射，其波長(zhǎng)約為（0.01～100）埃之間。由德國(guó)物理學(xué)家W.K.倫琴于1895年發(fā)現(xiàn)，故又稱倫琴射線。倫琴射線具有很高的穿透本領(lǐng)，能透過許多對(duì)可見光不透明的物質(zhì)，如墨紙、木料等。這種肉眼看不見的射線可以使很多固體材料發(fā)生可見的熒光，使照相底片感光以及空氣電離等效應(yīng)，波長(zhǎng)越短的x射線能量越大，叫做硬x射線，波長(zhǎng)長(zhǎng)的x射線能量較低，稱為軟x射線。波長(zhǎng)小于0.1埃的稱超硬X射線，在0.1～1埃范圍內(nèi)的稱硬x射線，1～10埃范圍內(nèi)的稱軟x射線。2024/10/23功能復(fù)合材料18功能復(fù)合材料—光功能復(fù)合材料2024/10/23功能復(fù)合材料19功能復(fù)合材料—光功能復(fù)合材料4.3.1透光材料概述透光材料？可見光（0.39-0.76μm）、紅外光（1-1000μm）、紫外線（0.01-0.4μm）描述透光材料透光性能的物理量？透光率無機(jī)材料、有機(jī)高聚物、纖維、納米材料及透明陶瓷。2024/10/23功能復(fù)合材料20功能復(fù)合材料—光功能復(fù)合材料入射光強(qiáng)I0，射入介質(zhì)的光強(qiáng)為(1-R)I0，反射掉部分光強(qiáng)為I0R。射入介質(zhì)的光在穿過介質(zhì)時(shí)被吸收一部分后，達(dá)到介質(zhì)另一面的光強(qiáng)為:

I0(1-R)e-al又被反射回介質(zhì)內(nèi)的光強(qiáng)為:I0R(1-R)e-al最后透射出介質(zhì)的光強(qiáng):

IT

＝I0(1-R)2e-al2024/10/23功能復(fù)合材料21功能復(fù)合材料—光功能復(fù)合材料透射率T為:T=(1-R)2e-al

式中，α吸收系數(shù)；l介質(zhì)長(zhǎng)度。一般取介質(zhì)長(zhǎng)度為10mm的值作為標(biāo)準(zhǔn)。2024/10/23功能復(fù)合材料22功能復(fù)合材料—光功能復(fù)合材料4.3.2聚合物基復(fù)合材料的透光原理玻璃纖維直徑為（6-10μm）>可見光的波長(zhǎng)（0.4-0.76μm）

多次散射理論式中：P-吸收系數(shù)；S-折射率。2024/10/23功能復(fù)合材料23功能復(fù)合材料—光功能復(fù)合材料對(duì)于玻璃鋼，P、S可由（4-3）式計(jì)算：式中：nf-玻璃纖維的折射率；nm-黏結(jié)劑的折射率；Kf-玻璃纖維的吸收系數(shù)；Km-黏結(jié)劑的吸收系數(shù);φf-玻璃纖維的體積分?jǐn)?shù)；d-玻璃纖維的直徑。2024/10/23功能復(fù)合材料24功能復(fù)合材料—光功能復(fù)合材料對(duì)于玻璃鋼兩拋光面的總反射系數(shù)γ：式中：ρ

-試樣一個(gè)面的反射系數(shù)。玻璃鋼一個(gè)面的反射系數(shù)ρ與黏結(jié)劑的折射率nm有關(guān)，還與光的入射角相關(guān)。對(duì)于垂直入射：2024/10/23功能復(fù)合材料25功能復(fù)合材料—光功能復(fù)合材料玻璃鋼最大透光率：玻璃纖維與黏結(jié)劑的吸收系數(shù)，玻璃纖維直徑不起作用。2024/10/23功能復(fù)合材料26功能復(fù)合材料—光功能復(fù)合材料4.3.3透光復(fù)合材料設(shè)計(jì)分析控制散射強(qiáng)度是設(shè)計(jì)透光功能復(fù)合材料的關(guān)鍵因素。（1）折射率匹配；（2）盡可能降低各相的粒子尺寸；（3）各項(xiàng)同性；（4）避免雜質(zhì)。2024/10/23功能復(fù)合材料27功能復(fù)合材料—光功能復(fù)合材料4.3.4透明玻璃鋼的制備玻璃纖維增強(qiáng)塑料俗稱玻璃鋼。（1）手糊成型（P89）；（2）模壓成型（P90）；（3）拉擠成型（P90）；（4）纏繞成型（P91）；（5）注射成型（P92）；（6）板材連續(xù)成型工藝（P93）。2024/10/23功能復(fù)合材料28功能復(fù)合材料—光功能復(fù)合材料4.3.5透明玻璃鋼的性能特點(diǎn)（1）透明玻璃鋼的透光率高達(dá)85%~90%。（2）輕質(zhì)高強(qiáng)：相對(duì)密度在1.5~2.0g/cm3之間，只有碳鋼的1/4~1/5，可是拉伸強(qiáng)度卻接近，甚至超過碳素鋼，而比強(qiáng)度可以與高級(jí)合金鋼相比。因此，在航空、火箭、宇宙飛行器、高壓容器以及在其他需要減輕自重的制品應(yīng)用中，都具有卓越成效。某些環(huán)氧FRP的拉伸、彎曲和壓縮強(qiáng)度均能達(dá)到400Mpa以上。2024/10/23功能復(fù)合材料29功能復(fù)合材料—光功能復(fù)合材料FRP是良好的耐腐材料，對(duì)大氣、水和一般濃度的酸、堿、鹽以及多種油類和溶劑都有較好的抵抗能力。已應(yīng)用到化工防腐的各個(gè)方面，正在取代碳鋼、不銹鋼、木材、有色金屬等。（3）耐腐蝕：（4）電性能好：是優(yōu)良的絕緣材料，用來制造絕緣體。高頻下仍能保護(hù)良好介電性。微波透過性良好，已廣泛用于雷達(dá)天線罩。2024/10/23功能復(fù)合材料30功能復(fù)合材料—光功能復(fù)合材料（5）熱性能良好：FRP熱導(dǎo)率低，室溫下為1.25~1.67kJ/（m?h?K），只有金屬的1/100~1/1000，是優(yōu)良的絕熱材料。在瞬時(shí)超高溫情況下，是理想的熱防護(hù)和耐燒蝕材料，能保護(hù)宇宙飛行器在2000℃以上承受高速氣流的沖刷。（6）可設(shè)計(jì)性好：①可以根據(jù)需要，靈活地設(shè)計(jì)出各種結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，來滿足使用要求，可以使產(chǎn)品有很好的整體性;②可以充分選擇材料來滿足產(chǎn)品的性能，如：可以設(shè)計(jì)出耐腐的，耐瞬時(shí)高溫的、產(chǎn)品某方向上有特別高強(qiáng)度的、介電性好的，等等。2024/10/23功能復(fù)合材料31功能復(fù)合材料—光功能復(fù)合材料（7）工藝性優(yōu)良：①可以根據(jù)產(chǎn)品的形狀、技術(shù)要求、用途及數(shù)量來靈活地選擇成型工藝;②工藝簡(jiǎn)單，可以一次成型，經(jīng)濟(jì)效果突出，尤其對(duì)形狀復(fù)雜、不易成型的數(shù)量少的產(chǎn)品，更突出它的工藝優(yōu)越性。2024/10/23功能復(fù)合材料32功能復(fù)合材料—光功能復(fù)合材料（1）彈性模量低：FRP的彈性模量比木材大兩倍，但比鋼（E=2.1×105）小10倍，因此在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中常感到剛性不足，容易變形。透明玻璃鋼的缺點(diǎn)：可以做成薄殼結(jié)構(gòu)、夾層結(jié)構(gòu)，也可通過高模量纖維或者做加強(qiáng)筋等形式來彌補(bǔ)。（2）長(zhǎng)期耐溫性差：一般FRP不能在高溫下長(zhǎng)期使用，通用聚酯FRP在50℃以上強(qiáng)度就明顯下降，一般只在100℃以下使用；通用型環(huán)氧FRP在60℃以上，強(qiáng)度有明顯下降。2024/10/23功能復(fù)合材料33功能復(fù)合材料—光功能復(fù)合材料可以選擇耐高溫樹脂，使長(zhǎng)期工作溫度在200~300℃是可能的。（3）老化現(xiàn)象：老化現(xiàn)象是塑料的共同缺陷，F(xiàn)RP也不例外，在紫外線、風(fēng)沙雨雪、化學(xué)介質(zhì)、機(jī)械應(yīng)力等作用下容易導(dǎo)致性能下降。（4）剪切強(qiáng)度低：層間剪切強(qiáng)度是靠樹脂來承擔(dān)的，所以很低?？梢酝ㄟ^選擇工藝、使用偶聯(lián)劑等方法來提高層間粘結(jié)力，最主要的是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，盡量避免使層間受剪。2024/10/23功能復(fù)合材料34功能復(fù)合材料—光功能復(fù)合材料偶聯(lián)劑是一類具有兩不同性質(zhì)官能團(tuán)的物質(zhì)，其分子結(jié)構(gòu)的最大特點(diǎn)是分子中含有化學(xué)性質(zhì)不同的兩個(gè)基團(tuán)，一個(gè)是親無機(jī)物的基團(tuán)，易與無機(jī)物表面起化學(xué)反應(yīng)；另一個(gè)是親有機(jī)物的基團(tuán)，能與合成樹脂或其它聚合物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或生成氫鍵溶于其中。因此偶聯(lián)劑被稱作“分子橋”，用以改善無機(jī)物與有機(jī)物之間的界面作用，從而大大提高復(fù)合材料的性能，如物理性能、電性能、熱性能、光性能等。偶聯(lián)劑用于橡膠工業(yè)中，可提高輪胎、膠板、膠管、膠鞋等產(chǎn)品的耐磨性和耐老化性能，并且能減小NR用量，從而降低成本。偶聯(lián)劑在復(fù)合材料中的作用在于它既能與增強(qiáng)材料表面的某些基團(tuán)反應(yīng)，又能與基體樹脂反應(yīng)，在增強(qiáng)材料與樹脂基體