第4章-材料的性能-第13次(4.5光学性能-4.6-耐腐蚀性)课件.ppt

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1、1,4.5 材料的光学性能(optical properties),折射散射反射吸收光泽发光,2,取决于物质电磁性质的基本参数，如：电导率、介电常数和磁导率。光波：是指波长在特定范围内的电磁辐射。电磁波谱：所包括的电磁波，其波长范围从低频端的超过103m直到高频端的小于10-12m，波谱的可见光部分只占波长范围的小部分。在短波方面为紫外区，长波方面为红外区。,4.5.1 电磁辐射及其与原子的相互作用（Interactions of electromagnetic radiation and atoms）,4.5.1.1 光和物质的相互作用,3,给定波长的电磁辐射，可以认为是由一些光子构成的，每

2、个光子的能量为：,4.5.1 电磁辐射及其与原子的相互作用,4.5.1.2 光子能量（E，energy of a photon）,4,图4-83 自由原子的能级示意图,是通过电子跃迁和极化效应实现的。,4.5.1 电磁辐射及其与原子的相互作用,4.5.1.3 电磁辐射与物质的相互作用,5,取决于电磁辐射与材料表面、近表面以及材料内部的电子、原子、缺陷之间的相互作用。光子晶体、双光子晶体（纳米线ZnO，GaN)。,4.5.1 电磁辐射及其与原子的相互作用,4.5.1.4 固体材料的光学性质,6,4.5.2 吸收、反射和透射,图4-84 光的吸收与透射,7,（1）光吸收的一般规律朗伯特定律 光强度

3、随材料的厚度的变化符合指数衰减规律。,I：透过光强度；：物资对光的吸收系数，单位：cm-1，其值取决于材料的性质和光的波长。空气:10-5cm-1 玻璃:10-2cm-1 金属:达几万几十万。,图4-85光通过材料时的衰减规律,4.5.2 吸收、反射和透射,4.5.2.1 光的吸收(photon absorption),8,（2）光吸收与光波长的关系（radiation absorption and wave length）在电磁波谱的可见光区：金属和半导体材料的吸收系数很大；电介质材料吸收系数小。在紫外吸收端：当光子能量达到禁带宽度时，电子就会吸收光子能量从满带跃迁到导带，吸收系数将骤然增大

4、。禁带宽度大的材料，紫外吸收端的波长较小。在红外区的吸收：是由于离子的弹性振动与光子辐射发生谐振消耗能量所致。,4.5.2 吸收、反射和透射,4.5.2.1 光的吸收(photon absorption),9,图4-86 金属、半导体和电介质的吸收率随波长的变化,4.5.2 吸收、反射和透射,选择吸收&均匀吸收,4.5.2.1 光的吸收(photon absorption),10,4.5.2.2 光的反射(reflection),介质2对于介质1的相对折射率：,图4-87 光通过透明介质分 界面时的反射与透射,单位时间通过单位面积的反射光与入射光的能量流之比即为反射系数(m)，则（1-m），称

5、为透射系数。,4.5.2 吸收、反射和透射,11,镜反射在材料表面光洁度非常高的情况下的反射，反射光线具有明确的方向性。镜反射性能的应用：装饰器具，如雕花玻璃器皿等，宝石的高折射率使之具有强折射和高反射性能。漫反射当光照射到陶瓷粗糙不平的材料表面上时，总的反射能量分散在各个方向上，形成漫反射。材料表面越粗糙，镜反射所占的能量分数越小。,4.5.2 吸收、反射和透射,图4-88 粗糙度增加的镜反射、漫反射能量图,4.5.2.2 光的反射(reflection),12,光的透射强度与入射强度之比称为透射率T。而当光线垂直射向固体（或液体）表面时，入射线强度中有一定分数R（反射率）被反射掉。根据朗伯

6、定律得到：(4-157)则，透射率：（4-158）显然，透射率T(transmissivity)、反射率R(reflectivity)、吸收率A(absorptivity)三者之和应为1，即：,4.5.2 吸收、反射和透射,4.5.2.3 光的透射(transmission),T+R+A=1,13,图4-89 固体（或液体）的反射、吸收和透射,4.5.2 吸收、反射和透射,4.5.2.3 光的透射(transmission),14,光的折射来源于光线通过透明材料时，由于介质的电子极化使得光速降低，光线在界面弯曲的现象。折射指数（折射率n）的大小与介质的性质（原子或离子的尺寸、介电常数、磁导率

7、等）和波长相关。在真空或空气中，光学透明材料对于垂直射向材料表面可见辐射的反射率为：,n：材料的折射率,4.5.2 吸收、反射和透射,4.5.2.4 折射指数（Refraction Index,n),15,表4-33 各种材料在室温对可见光的折射率,4.5.2.4 折射指数（Refraction Index,n),16,金属材料的光学特征如下：（1）各种入射辐射被吸收；由于金属导带中已填充的能级上方紧接着就有许多空的电子能态，也即：频率分布范围很宽的各种入射辐射都可以激发电子到能量较高的未填充态从而被吸收；（2）金属的反射，是由吸收再反射综合造成的；（3）对于红外辐射则为透明的；（4）反射率具

8、有频率依赖性。,4.5.2 吸收、反射和透射,4.5.2.5 金属材料的光学性质,17,图4-90 铜、银、金、镍的反射率对波长和频率的依赖性,4.5.2 吸收、反射和透射,4.5.2.5 金属材料的光学性质,18,4.5.2.6 无机非金属材料的光学性质,无机非金属材料的光学特征如下：（1）大多数都对红外线有一定程度的吸收；（2）吸收可见辐射，且不透明（半导体）；（3）绝缘体倾向于对可见辐射透明，因为其Eg较大；（4）漫透射由多次内反射造成，常常使材料由透明半透明；（5）由于在加工过程中留下孔洞而变得不透明，比如烧结陶瓷材料，只要大约有 1%的空洞就足以造成不透明。,4.5.2 吸收、反射和

9、透射,19,聚合物多数是无色的，包括从高透明(transparent)的到不透明的。透明度的损失源于材料内部折射指数(refraction index)不均匀性产生的光散射。聚合物透明带色，由于折射指数的不均匀性，选择性吸收。结晶聚合物通常是半透明(translucent)或不透明(opaque)的。增加聚合物材料透明性的方法：加速成核或由熔体急剧冷却 减少球晶大小；拉伸 使球晶转变为取向微丝。,4.5.2 吸收、反射和透射,4.5.2.7 高分子材料的光学性质,20,凡是能使偏振光的偏振面旋转的性质，称为旋光性；具有旋光性的物质，称为旋光性物质。旋光性物质的特点：含有不对称碳原子手性分子。,

10、4.5.3 旋光性及非线性光学,4.5.3.1 旋光性,21,含有一个不对称碳原子的分子是具有手性的分子。具有手性的分子存在对映体，是与自己的镜面不能叠合的分子，有旋光性。而存在对称因素（面、轴、对称中心）的分子，是都能与自己的镜像相叠合的，则不具有手性，不显旋光性。,4.5.3 旋光性及非线性光学性,4.5.3.1 旋光性,22,（1）非线性光学效应分子（介质）受强光场（如：激光）作用时会产生极化，其诱导极化强度为。,则：=0+2+3+,0：分子永久偶极矩；：为局域电场强度；：分子线性极化率；&：二阶和三阶分子超极化率。,4.5.3 旋光性及非线性光学性,4.5.3.2 非线性光学性质,23

11、,对于宏观物质，若极化强度为P，则：P=（1）E十（2）E2十（3）E3十 E入射光电场强度；（1）物质的线性极化率；（2）和（3）物质的二阶和三阶非线性极化率。因此，把能产生大的二阶或三阶非线性光学效应的介质，分别称为二阶或三阶非线性光学材料。,4.5.3 旋光性及非线性光学性,4.5.3.2 非线性光学性质,24,（2）非线性光学材料的功能 具有变频、增幅、开关、记忆等元件功能。（3）非线性光学材料的结构特点（有机材料）二阶：具有A-D结构。其中，A：拉电子基；D：供电子基；：共轭结构。三阶：具有容易移动的非定域电子体系。,4.5.3 旋光性及非线性光学性,4.5.3.2 非线性光学性质,

12、25,（1）荧光(fluorescence)：延迟发光时间小于 10-8 s。（2）磷光(phosphorescence)：延迟发射光 在10-2 s 10s之间。,4.5.5 发光(luminescence),（3）激光(laser)：是材料发光性能的重要应用。激光产生的必要条件:a.维持连续不断的受激辐射；b.粒子数反转：高能级的原子数大于低能级的原子数。,26,在光的作用下，材料的某些性能发生可逆变化的性质（具有光敏性的材料属于智能材料）。光致变色器：由在光的作用下能可逆地发生颜色变化的化合物所制造的器件。具有这种性能的化合物称为光致变色化合物，如光致变色高分子。,4.5.6 光敏性(p

13、hoto sensitivity),（?T 举出一个光致变色高分子化合物）,4.5.6.1 光敏性,27,在一定的温度和压力下，随着光照，样品长度有明显的收缩，而停止光照则长度恢复，其收缩与伸长是完全可逆的。,4.5.6 光敏性(photo sensitivity),4.5.6.2 光力学现象,End,28,4.6 耐腐蚀性(anti-corrosion),什么是腐蚀？物理腐蚀的类型有哪些？物理腐蚀、化学腐蚀、电化学腐蚀各有什么特点？,29,4.6 耐腐蚀性(anti-corrosion),腐蚀材料在遭受化学介质、湿、气、光、氧、热等环境因素作用下发生恶化变质的现象。腐蚀分类：(1)腐蚀作用性

14、质：物理、化学、电化学；(2)腐蚀环境和过程：高温、大气、溶质腐蚀等；(3)腐蚀形态：全面、局部。金属：电化学、化学（氧化）腐蚀；无机：化学腐蚀；高分子：化学、物理腐蚀。,30,物理腐蚀：在环境介质作用下，没有化学变化，而是以物理变化发生破坏的腐蚀(主要是高分子材料)。物理腐蚀的类型 溶胀、溶解 应力开裂 渗透破坏,4.6.1 物理腐蚀(physical deterioration),31,物理腐蚀的影响因素 介质浓度 温度 温度变化 液体流动 应力大小 作用周期,复合材料：界面引起腐蚀,4.6.1 物理腐蚀,32,溶剂分子渗入材料内部；破坏大分子间的次价键；与大分子发生溶剂化作用。（1）溶解

15、性 溶解度参数=（CED）1/2，CED为内聚能密度。Gm=Hm-TSm Gm0时，溶解过程才能进行。,4.6.1 物理腐蚀,4.6.1.1 高分子材料的耐溶剂性,33,(2)渗透性(permeability)与渗透破坏 渗透液体分子或气体分子可从聚合物膜高浓度一侧扩散到较低浓度一侧的现象。q=-D(dc/dx)At（4-166）稳态时，渗透率J（液体）可表示为：J=q/At=D/L（c1-c2）（c1c2）（4-167）式中，A、t、D分别为面积、时间及扩散系数；膜厚度为L；膜两侧浓度差为（c1-c2）。,4.6.1 物理腐蚀,4.6.1.1 高分子材料的耐溶剂性,34,对于气体，溶质的浓度

16、 C=Sp，（p为蒸汽压）若定义渗透系数为P，渗透率为J，则，P=DS 式中S为溶解度系数 那么，J=DS(p1-p2)/L=P(p1-p2)/L 聚合物的结构和物理状态对渗透性影响很大。,4.6.1 物理腐蚀,4.6.1.1 高分子材料的耐溶剂性,35,4.6.1 物理腐蚀,4.6.1.1 高分子材料的耐溶剂性,36,在应力（外加的或内部的残余应力）与某些介质（如活性物质）的共同作用下，高分子材料出现银纹，并进一步生长成裂缝，直至发生脆性断裂。介质的影响，只有当溶解度参数差值在某一范围内时，才易引起局部溶胀，导致环境应力开裂。,4.6.1 物理腐蚀,4.6.1.2 环境应力开裂,37,(1)

17、酸(acid)、碱(base)、盐(salt)腐蚀作用 酸、碱、盐对金属材料的腐蚀 酸：氢离子的浓度；酸的阴离子的氧化还原性。碱：腐蚀性一般比酸小，对铝、锌、锡、铅等两性 金属有显著的腐蚀性。盐：影响极为错综复杂；使pH值发生变化的盐；氧化性盐。,4.6.2 化学腐蚀(chemical corrosion),4.6.2.1 环境介质(media)的化学腐蚀作用,38,酸、碱、盐对高分子材料的腐蚀 多数高分子材料都具有良好的耐腐蚀性。但有些也会发生化学介质老化或水解等现象，主要是由其化学结构决定的。比如，对于杂链高分子，化学介质的老化、水解等也会引起腐蚀。,4.6.2 化学腐蚀,4.6.2.1

18、环境介质(media)的化学腐蚀作用,39,无机非金属材料的耐腐蚀性 硅酸盐陶瓷：SiO2+2NaOH Na2SiO3+H2O 易溶于水及碱液中。SiO2与氢氟酸反应；SiO2与磷酸反应。耐腐蚀性与矿物组成有关；耐腐蚀性与结构相关，比如：结晶SiO2 能够耐酸、碱；而无定形SiO2 则可溶于碱；但若有孔隙(poros)耐腐蚀性降低。,4.6.2 化学腐蚀(chemical corrosion),4.6.2.1 环境介质(media)的化学腐蚀作用,40,(2)大气腐蚀 大气中水和氧等物质的作用而引起的材料腐蚀。铁：在空气中生锈；高分子：在氧气、臭氧、光照射等作用下会引起迅速的老化变质。大气腐蚀

19、的特征 大气是组分复杂的混合物。非金属材料，如高分子材料化学腐蚀；金属材料单纯化学腐蚀缓慢，如氧化；但常常可发生电化学腐蚀通过水汽在金属表面形成液层，构成电解质液膜层。,4.6.2 化学腐蚀,4.6.2.1 环境介质(media)的化学腐蚀作用,41,金属材料在大气中的耐蚀性及防护 防护：研制和选用耐蚀材料，如低合金钢；涂层和镀层保护，如油漆和金属镀层；降低大气湿度。,4.6.2 化学腐蚀,4.6.2.1 环境介质(media)的化学腐蚀作用,42,高分子材料在大气中的耐腐蚀性 氧化(oxidation)：如:PE，中温，与氧作用自由基链式反应。臭氧(ozone)：开裂，如天然橡胶和合成弹性体

20、。耐侯性(weathering)：抵抗室外天气条件的能力。主要有：紫外线 温度 湿气 活性气体 其它如风、雪等,4.6.2 化学腐蚀,4.6.2.1 环境介质(media)的化学腐蚀作用,43,耐候性的提高方法：a.紫外线吸收剂 b.抗氧剂 c.选材 d.化工大气 耐辐射性 辐射交联 硬度 耐热性 分子量 耐溶剂性 影响性能,4.6.2 化学腐蚀,4.6.2.1 环境介质(media)的化学腐蚀作用,44,高能幅照作用,图4-99 多种高分子材料的耐辐射性能,耐热性优越、化学稳定性最好的氟塑料却极不稳定。,4.6.2 化学腐蚀,4.6.2.1 环境介质(media)的化学腐蚀作用,45,4.6

21、.3 电化学腐蚀（electrochemical corrosion）,（1）电池作用微电池腐蚀（2）电解作用 电解时阳极发生了溶解,4.6.3.1 金属腐蚀的电化学机理,46,4.6.3.2 电化学腐蚀的热力学电位-pH图,判断电化学腐蚀的热力学条件,4.6.3 电化学腐蚀（electrochemical corrosion）,47,（1）什么是极化作用？（2）什么是极化曲线？（3）阴极极化和阳极极化的产生原因有哪些？,图4-105 阳极极化曲线与极化率示意图,4.6.3 电化学腐蚀（electrochemical corrosion）,4.6.3.3 极化作用与极化曲线,48,4.6.3.4 腐蚀过程的控制因素和程度4.6.3.5 腐蚀控制的途径,4.6.3 电化学腐蚀（electrochemical corrosion）,END,