光學(xué)性能及腐蝕性能

1、4-5 材料的光學(xué)性能(optical properties),4-5-1 電磁輻射及其與原子的相互作用 Interactions of electromagnetic radiation and atoms1、光波是指波長(zhǎng)在特定范圍內(nèi)的電磁輻射。因此，光和物質(zhì)的相互作用——取決于物質(zhì)電磁性質(zhì)的基本參數(shù), 即電導(dǎo)率、介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。2、光子能量 energy E of a photon

2、 E＝hc／λ＝hνh為普朗克常數(shù)；ν為光的頻率；c為光速；λ為波長(zhǎng)可以認(rèn)為輻射的強(qiáng)度I就是單位時(shí)間射到單位面積上的光子數(shù)目,4、固體材料的光學(xué)性質(zhì)，取決于電磁輻射與材料表 面、近表面以及材料內(nèi)部的電子、原子、缺陷之間 的相互作用,3、電磁輻射與物質(zhì)的相互作用是由電子躍遷和極化效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的,只有能量hν ＝ ⊿E的光子可以被吸收,,4-5-2 吸收、反射和透射光照射到某種材料上時(shí)，將產(chǎn)生光的反

3、射與折射、光的吸收與透射。,1、光的吸收( photon absorption)（1）光吸收的一般規(guī)律朗伯特定律 I＝I0e－αx,空氣: ?≈10-5cm-1玻璃: ?＝10-2cm-1金屬: ?則達(dá)幾萬到幾十萬,?---吸收系數(shù)，cm-1?取決于材料的性質(zhì)和光的波長(zhǎng)。 ?越大材料越厚，光就被吸收得越多，因而透過后的光強(qiáng)度就越小。,Section 19.7,（2）光吸收與光波長(zhǎng)radiation absorption a

4、nd wave length在電磁波譜的可見光區(qū)：金屬和半導(dǎo)體的吸收系數(shù)很大（價(jià)電子處于未滿帶） 電介質(zhì)材料吸收系數(shù)?。▋r(jià)電子所處能帶是填滿的）在紫外吸收端：禁帶寬度大的材料，紫外吸收端的波長(zhǎng)較小 在紅外區(qū)：離子的彈性振動(dòng)與光子輻射發(fā)生諧振消耗能量所致 紫外吸收端相應(yīng)的波長(zhǎng)可根據(jù)材料的禁帶寬度Eg求得：,λ = hc/EgEg為材料

5、的禁帶寬度,2、光的反射(reflection)鏡反射、漫反射折射,,n21=sini/sinr,,W`: 反射光能量 W: 入射光能量 m :反射系數(shù),鏡反射：反射光線具有明確的方向性漫反射：反射光的方向各式各樣,3、光的透射(transmission) 透射率：T＝（1－R）2 e－αl上式適用的條件是，材料的正面和背面要處于同一介質(zhì)中。透射、反射、吸收這三部分光線的強(qiáng)度之和當(dāng)然

6、等于入射線強(qiáng)度，即： I0 = IT + IR + IA, 因此， 透射率T (transmissivity)、反射率R (reflectivity)、吸收率A (absorptivity) 三者之和為1,I＝I0e－αx,α和R是材料的基本參數(shù)，對(duì)于給定的材料，α和R都與入射線的頻率有關(guān)。,5、金屬材料的光學(xué)性質(zhì)（1）各種入射輻射被吸收 金屬導(dǎo)帶中已填充的能級(jí)上方有許

7、多空的電子能態(tài)——頻率分布范圍很寬的各種入射輻射都可以激發(fā)電子到能量較高的未填充態(tài)從而被吸收。結(jié)果是光線射進(jìn)金屬表明不深即被完全吸收，只有非常薄的金屬膜才顯得有些透明。（2）金屬的反射是由吸收再反射綜合造成的電子一旦被激發(fā)后，又會(huì)衰減到較低的能級(jí)，從而在金屬表明發(fā)生光線的再反射。 反射過程的效率與入射線的頻率有關(guān)，金屬在白色光線下所表現(xiàn)的顏色，就是來源于反射率的頻率依賴性。 銀

8、 銅和金 分別顯示出不同的顏色，請(qǐng)看課本p386～387 鎳、鐵、鎢,,6、無機(jī)非金屬材料的光學(xué)性質(zhì),非金屬是否透明取決于能帶結(jié)構(gòu)。非金屬可能是澄清的，也可能帶有顏色，這是選擇吸收、選擇反射的結(jié)果。其光學(xué)性質(zhì)有如下幾點(diǎn)：（1）對(duì)紅外線有一定程度的吸收（因?yàn)榧t外光子頻率與原子振動(dòng)頻率相近，發(fā)生諧振）（2）半導(dǎo)體：吸收可見輻射，且不透明（因?yàn)榭梢姽獾念l率已足以使電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶）

9、（3）絕緣體傾向于對(duì)可見輻射透明（因?yàn)槟芟断喈?dāng)寬，以至于可見光不足以引起電子激發(fā)）（4）散射——在多相材料中，由于折射率在相界的變化，光線由多次內(nèi)反射造成（5）本質(zhì)透明的材料由于加工過程中留下孔洞也可不透明,7、高分子材料的光學(xué)性質(zhì) 聚合物多數(shù)無色,包括高透明(transparent)到不透明。透明度的損失起源于材料內(nèi)部折射指數(shù)不均勻性產(chǎn)生的光散射 散射程度強(qiáng)烈地取決于折射指數(shù)的變化和不均勻的程度

10、 增加聚合物材料透明性的方法 加速成核或由熔體急劇冷卻——減少球晶大小； 拉伸——球晶轉(zhuǎn)變?yōu)槿∠蛭⒔z，散射光線就不太有效了,4-5-5 發(fā)光 luminescence發(fā)光：材料吸收外界能量后，其中部分能量以頻率在可見光范圍向外發(fā)射，這稱為發(fā)光。 熒光(fluorescence)：延遲發(fā)射 10-8 s 磷光(phosphorescence)：延遲發(fā)射 > 1

11、0-8 s,含有雜質(zhì)，產(chǎn)生摻雜能級(jí),價(jià)帶與導(dǎo)帶重疊沒有能隙，發(fā)射光波長(zhǎng)長(zhǎng)于可見光，沒有發(fā)光,價(jià)帶與導(dǎo)帶間有能隙為Eg,激光(laser)------材料發(fā)光性能的重要應(yīng)用 必要條件 維持連續(xù)不斷的受激輻射， 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：高能級(jí)的原子數(shù)大于低能級(jí)的原子數(shù),,紅寶石激光器中的Cr的能級(jí),最初平衡態(tài)時(shí)各能級(jí)的粒子數(shù)n1>n2>n3 波長(zhǎng)為5500埃的黃綠光照射 后 鉻原子吸收這一波長(zhǎng)的光子，從

12、能級(jí)1躍遷到能級(jí)3，但隨后立即自發(fā)躍遷到能級(jí)2，并能在這一能級(jí)上維持較長(zhǎng)時(shí)間，這樣，便可不斷地把低能級(jí)（E1)的粒子“搬運(yùn)”到能級(jí)2上來，最后達(dá)到 n2>n1 ，產(chǎn)生了激光。,有些元素具有特殊的亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)，也就是原子可在這種高能級(jí)上駐留較長(zhǎng)的時(shí)間而不發(fā)生自發(fā)躍遷，這為實(shí)現(xiàn)粒子反轉(zhuǎn)提供了可能。,當(dāng)然，最后還要經(jīng)過光諧振器，使光子不斷增殖，最后產(chǎn)生很強(qiáng)的位相相同的單色光。,4-5 耐腐蝕性(anti-corrosion),腐蝕

13、---材料在遭受化學(xué)介質(zhì)、濕、氣、光、氧、熱等 環(huán)境因素作用下發(fā)生惡化變質(zhì)的現(xiàn)象腐蝕分類： (1) 腐蝕作用性質(zhì)：物理、化學(xué)、電化學(xué) (2) 腐蝕環(huán)境和過程：高溫、大氣、溶劑腐蝕等 (3) 腐蝕形態(tài)：全面、局部金屬： 電化學(xué)、化學(xué)（氧化）腐蝕無機(jī)： 化學(xué)高分子：化學(xué)、物理腐蝕,4-5-1物理腐蝕

14、 physical deterioration 環(huán)境介質(zhì)作用，以物理變化發(fā)生破壞的腐蝕高分子材料為主 類型： 溶脹和溶解 應(yīng)力開裂 滲透破壞,影響因素： 介質(zhì)濃度 溫度 溫度變化 液體流動(dòng) 應(yīng)力大小 作用周期,復(fù)

15、合材料：界面引起腐蝕 看課本 p397,1、高分子材料的耐溶劑性 溶劑分子滲入材料內(nèi)部 破壞大分子間的次價(jià)鍵 與大分子發(fā)生溶劑化作用（1）溶解性 溶解度參數(shù) ?=（CED）1/2 內(nèi)聚能密度 ?Gm=?Hm - T?Sm ?Gm<0時(shí)，溶解過程才能進(jìn)行,(2)滲透性(permeability)與滲透破壞

16、 滲透----液體分子或氣體分子可從聚合物膜高濃度側(cè)擴(kuò)散到較低濃度一側(cè)的現(xiàn)象 q = -D (dc/dx)·A·t 穩(wěn)態(tài)時(shí)，滲透率（ 液體） J = q / A·t = D / L（c1-c2） （c1>c2） A、t、

17、D分別為面積、時(shí)間及擴(kuò)散系數(shù) 膜厚度為L(zhǎng)，膜兩側(cè)濃度差為（c1-c2） 對(duì)于氣體，C=Sp，（p---蒸汽壓） 滲透系數(shù) P=DS 式中S為溶解度系數(shù) J = DS (p1-p2) / L = P (p

18、1-p2) / L 聚合物的結(jié)構(gòu)和物理狀態(tài)對(duì)滲透性影響甚大,(3)影響高分子材料耐溶劑性的因素 溶解熵?Sm 放熱量 ?Gm 耐溶劑性 大分子熱運(yùn)動(dòng) 擴(kuò)散 耐溶劑性 溫度 柔性 耐溶劑性 結(jié)晶、取

19、向、交聯(lián)，M 耐溶劑性 滲透性影響高分子材料耐溶劑性的因素 2、環(huán)境應(yīng)力開裂 在應(yīng)力（外加的或內(nèi)部的殘余應(yīng)力）與某些介質(zhì)（如活性物質(zhì)）共同作用下，高分子材料出現(xiàn)銀紋，并進(jìn)一步生長(zhǎng)成裂縫，直至發(fā)生脆性斷裂介質(zhì)的影響，只有溶解度參數(shù)差值在某一范圍內(nèi)時(shí)，才易引起局部溶脹，導(dǎo)致環(huán)境應(yīng)力開裂。,,,,,,,,,,,,,4.5.2 化學(xué)腐蝕(chemical corrosion)1

20、、環(huán)境介質(zhì)(media)的化學(xué)腐蝕作用(1)酸(acid)、堿(base)、鹽(salt)腐蝕作用 ① 酸、堿、鹽對(duì)金屬腐蝕 酸 氫離子的濃度 酸的陰離子的氧化還原性 堿 腐蝕性一般比酸小，對(duì)鋁、鋅、錫、鉛等兩性 金屬有顯著的腐蝕性

21、 鹽 影響極為錯(cuò)綜復(fù)雜 使pH值發(fā)生變化的鹽 氧化性鹽 ② 酸、堿、鹽對(duì)高分子的腐蝕 多數(shù)高分子材料都具有良好的耐腐蝕性 雜鏈高分子------化學(xué)介質(zhì)老化 ，水解,③ 無機(jī)非金屬材料的耐腐蝕性 硅酸鹽陶瓷

22、 SiO2+2NaOH Na2SiO3 + H2O 易溶于水及堿液中。 SiO2與氫氟酸反應(yīng)。 與磷酸反應(yīng)。 耐腐蝕性與礦物組成有關(guān)。 耐腐蝕性與結(jié)構(gòu)相關(guān) 結(jié)晶SiO2 耐酸、堿 無定形SiO2

23、溶于堿 孔隙(poros)——耐腐蝕性降低。,,(2)大氣腐蝕 大氣中水和氧等物質(zhì)的作用而引起的腐蝕 如，鐵：在空氣中生銹 高分子：氧氣、臭氧、光照射等引起迅速的老化變質(zhì) ① 大氣腐蝕的特征 大氣是組分復(fù)雜的混合物 非金屬材料，如高分子材料——化學(xué)腐蝕 金屬材料——單純化學(xué)腐蝕——緩慢，如氧化

24、 電化學(xué)腐蝕——水汽在金屬表面形成液層， 構(gòu)成電解質(zhì)液膜層 ② 金屬材料在大氣中的耐蝕性及防護(hù) 防護(hù)： 研制和選用耐蝕材料，如低合金鋼； 涂層和鍍層保護(hù)，如油漆和金屬鍍層；

25、 降低大氣濕度,③ 高分子材料在大氣中的耐腐蝕性 氧化(oxidation)： 如PE，中溫，與氧作用——自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。 臭氧(ozone)：開裂。如天然橡膠和合成彈性體 耐侯性(weathering)：抵抗室外天氣條件的能力 主要有： 紫外線 溫度

26、 濕氣 活性氣體 其它如風(fēng)、雪等,耐侯性提高方法： a紫外線吸收劑 b抗氧劑 c選材 d化工大氣 耐輻射性 輻射交聯(lián) 硬度 耐熱性 分

27、子量 耐溶劑性 影響性能,高能幅照,多種高分子材料的耐輻射性能,其中，耐熱性優(yōu)越，化學(xué)穩(wěn)定性最好的氟塑料耐輻射性能卻不好。,4.5.3 電化學(xué)腐蝕 electrochemical corrosion,1、金屬腐蝕的電化學(xué)機(jī)理(1)電池作用,絕大多數(shù)的金屬腐蝕屬于微電池腐蝕作用,(2) 電解作用電解時(shí)陽極發(fā)生溶解，從腐蝕的角度看，就是陽極發(fā)生了腐蝕。生產(chǎn)中常有電解