光学性能及腐蚀性能(材料科学基础课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,光学性能及腐蚀性能(材料科学基础课件,*,4-5,材料的光学性能,(optical properties),4-5-1,电磁辐射及其与原子的相互作用,Interactions of electromagnetic radiation and atoms,1、光波是指波长在特定范围内的电磁辐射。因此，,光和物质的相互作用,取决于物质,电磁性质,的基本参数, 即,电导率、介电常数和磁导率。,2、,光子能量,energy,E,of a photon,Ehch,h为普朗克常数；为光的频率；c为光速；为波长,光学性能及腐蚀性能(材料科学基础课件,4、固体材料的光学性质，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,3、电磁辐射与物质的相互作用是由,电子跃迁和极化效应,实现的,只有能量,h,E,的光子可以被吸收,光学性能及腐蚀性能(材料科学基础课件,4-5-2,吸收、反射和透射,光照射到某种材料上时，将产生光的反射与折射、光的吸收与透射。,光学性能及腐蚀性能(材料科学基础课件,1、,光的吸收,( photon absorption),（1）光吸收的一般规律,朗伯特定律,II,0,e,x,空气:,10,-5,cm,-1,玻璃:,10,-2,cm,-1,金属:,则达几万到几十万,-吸收系数，cm,-1,取决于材料的性质和光的波长。 越大材料越厚，光就被吸收得越多，因而透过后的光强度就越小。,Section 19.7,光学性能及腐蚀性能(材料科学基础课件,（2）,光吸收与光波长,radiation absorption and wave length,在电磁波谱的,可见光区,：,金属和半导体,的吸收系数很大（价电子处于未满带）,电介质,材料吸收系数小（价电子所处能带是填满的）,在,紫外,吸收端：,禁带宽度,大的材料，紫外吸收端的波长较小,在,红外区,：,离子,的,弹性振动与光子辐射,发生,谐振,消耗能量所致,紫外吸收端相应的波长可,根据材料的禁带宽度Eg求得：, = hc/E,g,Eg,为材料的禁带宽度,光学性能及腐蚀性能(材料科学基础课件,2、,光的反射,(,reflection,),镜,反射、,漫,反射,折射,n,21,=sini/sinr,W:,反射光能量,W:,入射光能量,m :,反射系数,镜反射：,反射光线具有明确的方向性,漫反射：,反射光的方向各式各样,光学性能及腐蚀性能(材料科学基础课件,3、,光的透射,(,transmission,),透射率,：,T（1R）,2,e,l,上式适用的条件是，材料的正面和背面要处于同一介质中。,透射、反射、吸收这三部分光线的强度之和当然等于入射线强度，即：,I,0,= I,T,+ I,R,+ I,A,因此，,透射率,T,(transmissivity),、,反射率,R,(reflectivity),、,吸收率,A,(absorptivity),三者之和为1,II,0,e,x,和R,是材料的基本参数，对于给定的材料，,和R都与入射线的频率有关。,光学性能及腐蚀性能(材料科学基础课件,5、,金属,材料的光学性质,（,1,）各种,入射辐射被吸收,金属,导带,中已填充的能级上方有许多,空的电子能态,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。结果是光线射进金属表明不深即被完全吸收，只有非常薄的金属膜才显得有些透明。,（,2,）金属的,反射,是由,吸收再反射,综合造成的,电子一旦被激发后，又会衰减到较低的能级，从而在金属表明发生光线的再反射。,反射过程的效率与入射线的频率有关，金属在白色光线下所表现的颜色，就是来源于反射率的频率依赖性。,银,铜和金 分别显示出不同的颜色，,请看课本,p386,387,镍、铁、钨,光学性能及腐蚀性能(材料科学基础课件,6、,无机非金属,材料的光学性质,非金属是否透明取决于能带结构。非金属可能是澄清的，也可能带有颜色，这是选择吸收、选择反射的结果。其光学性质有如下几点：,（,1,）对,红外,线有一定程度的,吸收,（因为红外光子频率与原子振动频率相近，发生谐振）,（,2,）,半导体：,吸收可见辐射,，且不透明（因为可见光的频率已足以使电子从价带激发到导带）,（,3,）,绝缘体,倾向于对可见辐射透明（因为能隙相当宽，以至于可见光不足以引起电子激发）,（,4,）散射,在多相材料中，由于折射率在相界的变化，光线由多次内反射造成,（,5,）本质透明的材料由于加工过程中留下,孔洞,也可不透明,光学性能及腐蚀性能(材料科学基础课件,7、,高分子,材料的光学性质,聚合物多数,无色,包括高透明(transparent)到不透明。,透明度,的损失起源于材料内部,折射指数,不均匀性,产生的,光散射,散射程度强烈地取决于折射指数的变化和不均匀的程度,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；,拉伸球晶转变为取向微丝，散射光线就不太有效了,光学性能及腐蚀性能(材料科学基础课件,4-5-5,发光,luminescence,发光：,材料吸收外界能量后，其中部分能量以频率在可见光范围向外发射，这称为发光。,荧光,(fluorescence)：延迟发射,10,-8,s,磷光,(phosphorescence)：延迟发射,10,-8,s,含有杂质，产生掺杂能级,价带与导带重叠没有能隙，发射光波长长于可见光，没有发光,价带与导带间有能隙为E,g,光学性能及腐蚀性能(材料科学基础课件,激光,(laser)-材料发光性能的重要应用,必要条件,维持,连续不断,的受激辐射，,粒子数反转,：,高能级的原子数大于低能级的原子数,光学性能及腐蚀性能(材料科学基础课件,红宝石激光器中的Cr的能级,最初,平衡态,时各能级的粒子数,n,1,n,2,n,3,波长为5500埃的,黄绿光照射,后 铬原子吸收这一波长的光子，从能级1跃迁到能级3，但随后立即自发跃迁到能级2，并能在这一能级上维持较长时间，这样，,便可不断地把低能级（E1)的粒子“搬运”到能级2上来，最后达到 n,2,n,1,，产生了激光。,有些元素具有特殊的亚稳态能级，也就是原子可在这种高能级上驻留较长的时间而不发生自发跃迁，这为实现粒子反转提供了可能。,当然，最后还要经过光谐振器，使光子不断增殖，最后产生很强的位相相同的单色光。,光学性能及腐蚀性能(材料科学基础课件,4-5,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) 腐蚀作用性质：物理、化学、电化学,(2) 腐蚀环境和过程：高温、大气、溶剂腐蚀等,(3) 腐蚀形态：全面、局部,金属：,电化学、化学（氧化）腐蚀,无机：,化学,高分子：,化学、物理腐蚀,光学性能及腐蚀性能(材料科学基础课件,4-5-1,物理腐蚀,physical deterioration,环境介质作用，以物理变化发生破坏的腐蚀,高分子材料,为主,类型,：,溶胀和溶解,应力开裂,渗透破坏,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,看课本 p397,光学性能及腐蚀性能(材料科学基础课件,1、,高分子材料的耐溶剂性,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）,溶解性,溶解度参数,=（CED）,1/2,内聚能密度,Gm=Hm - TSm,Gmc,2,）,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,（c,1,-c,2,）,对于气体,，,C=Sp，,（,p-蒸汽压,）,渗透系数,P=DS,式中,S为溶解度系数,J = DS (p,1,-p,2,) / L = P (p,1,-p,2,) / L,聚合物的结构和物理状态对渗透性影响甚大,光学性能及腐蚀性能(材料科学基础课件,(3),影响高分子材料耐溶剂性的因素,溶解熵,Sm 放热量,Gm,耐溶剂性,大分子热运动 扩散,耐溶剂性,温度 柔性,耐溶剂性,结晶、取向、交联，M,耐溶剂性,渗透性影响高分子材料耐溶剂性的因素,2、,环境应力开裂,在,应力,（外加的或内部的残余应力）与某些,介质,（如活性物质）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,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。,光学性能及腐蚀性能(材料科学基础课件,4.5.2,化学腐蚀,(chemical corrosion),1、,环境介质,(media)的化学腐蚀作用,(1),酸(acid)、碱(base)、盐(salt)腐蚀作用,酸、碱、盐对,金属,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,酸、碱、盐对,高分子,的腐蚀,多数高分子材料都具有良好的耐腐蚀性,杂链高分子,-化学介质老化 ，水解,光学性能及腐蚀性能(材料科学基础课件,无机非金属材料的耐腐蚀性,硅酸盐陶瓷,SiO,2,+2NaOH Na,2,SiO,3,+ H,2,O,易溶于水及碱液中。,SiO,2,与,氢氟酸,反应。,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,结晶,SiO,2,耐酸、碱,无定形,SiO,2,溶于碱,孔隙(poros)耐腐蚀性降低。,光学性能及腐蚀性能(材料科学基础课件,(2),大气腐蚀,大气中水和氧等物质的作用而引起的腐蚀,如，铁：在空气中生锈,高分子：氧气、臭氧、光照射等引起迅速的老化变质, 大气腐蚀的,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,电化学腐蚀水汽在金属表面形成液层，,构成电解质液膜层,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,光学性能及腐蚀性能(材料科学基础课件,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,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,光学性能及腐蚀性能(材料科学基础课件,耐侯性提高方法,：,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,光学性能及腐蚀性能(材料科学基础课件,高能幅照,多种高分子材料的耐辐射性能,其中，耐热性优越，化学稳定性最好的氟塑料耐辐射性能却不好。,光学性能及腐蚀性能(材料科学基础课件,4.5.3,电化学腐蚀,electrochemical corrosion,1、,金属腐蚀的,电化学,机理,(1),电池作用,绝大多数的金属腐蚀属于微电池腐蚀作用,光学性能及腐蚀性能(材料科学基础课件,(2),电解作用,电解时阳极发生溶解，从腐蚀的角度看，就是阳极发生了腐蚀。生产中常有电解时漏电造成金属设备腐蚀的情况，即属于电解作用产生的腐蚀。这种因漏电直流而引起的腐蚀又叫做杂散电流腐蚀。这种腐蚀能造成严重的损失。,光学性能及腐蚀性能(材料科学基础课件,2、,极化作用与极化曲线,3、,腐蚀过程的控制因素和腐蚀控制的途径,看课本 p 416,光学性能及腐蚀性能(材料科学基础课件,