材料物理性能

材料物理性能

一、折射1. 概念当光线依次通过不同的介质时，光的行进方向会发生改变，称为“折射”。 折射现象的实质：介质的密度不同，光通过时，传播速度也不同。

2. 折射率介质对光的折射性质用材料的“折射率”n 表示

（1）绝对折射率光从真空进入介质材料时，速度降低。光在真空和材料中的速度之比即为

材料的绝对折射率。 介质的折射率永远为大于1的正数。空气：n=1.003

固体氧化物： n= 1.3~2.7

硅酸盐玻璃： n= 1.5~1.9

（2）相对折射率 光从材料1通过界面传入材料2时，与界面法向所形成的入射角φ1 、折射角φ2与两种材料的折射率n1和n2之间的关系为：

折射定律： n1sin φ1= n2sin φ2 材料2相对于材料1的相对折射率为： 分别表示光在材料1和材料2种的传播速度。

2. 影响因素 （1）构成材料元素的离子半径 根据Maxwell 电磁理论，光在介质中的传播速度为：

c ：真空中的光速；

ε：介质的介电常数；

μ：介质的导磁率。

对于无机材料：

介质的折射率随其介电常数的增大而增大。

介电常数ε 折射率与介质的极化现象有关。

外加电场作用下，介质中的正电荷沿着电场方向移动，负电荷沿着反电场方向移动，这样正负电荷的中心发生相对位移，这种现象就是介质的极化。外加电场越强，正负电荷中心的距离越大。

介质的离子半径增大时，其ε增大，因而n 也随之增大。

大离子得到高折射率材料：PbS n=3.912

小离子得到低折射率材料： SiCl4 n=1.412

（2）材料的结构、晶型和非晶态（离子的排列）

晶体中沿密堆积方向上具有最高的折射率。

光学均质介质：非晶态（无定型体）、等轴系晶体（各向同性）

光学非均质介质：等轴系晶体外的其它晶体材料

光通过时，一般都要分为振动方向相互垂直、传播速度不等的两个波，构成两条折射线，这种现象称为双折射。

是非均质晶体的特性，是材料各向异性的表现。

例：玻璃的折射率n=1.5光的反射损失：透过部分为??透射光从另一界面射入空气，透过两个界面，透过部分为：?连续透过x 块平板玻璃，透过部分为：(1-m)2x

透过部分为：1-m=1-0.04=0. 9透射光从另一界面射入空气，透过两个界面，透过部分为： (1-m)2=0.962=0.921连续透过x 块平板玻璃，透过部分为：(1-m)2x 材料

νc n =2

1211221sin sin v v n n n ===??εμc v =εμ=n

,1≠=εμ

四、介质对光的吸收

1. 光吸收的一般规律

光作为一种能量流，在穿过介质时，其能量的衰减现象，称为光的吸收。

使介质的价电子跃迁 使介质的原子振动价电子激发发出光子→热能能量衰减

激子吸收本征吸收→直接跃迁

→间接跃迁

厚度为x 的平板材料，入射光的强度为I0，通过该材料后光强度为I’，则通过材料薄层的吸收损失-dI 正比于该处的光强I 和薄层的厚度dx 。

光强度随穿过介质厚度的变化符合指数衰减规律。 α：物质对光的吸收系数，单位为cm-1。K 为吸收率。

α取决于材料的性质和光的波长。α越大，材料越厚，光就被吸收的越多，透过后的光强度就越小。

不同材料， α差别很大。

空气： α ≈ 10-5cm-1

玻璃： α ≈ 10-2cm-1

金属： α为几万～几十万，所以金属实际上时不透明的。

由于吸收引起的光剩余强度为：

由于反射和吸收引起的光剩余强度为：

2. 光吸收与波长的关系

(1)选择性吸收 材料对某一波段的光具有强烈的吸收作用，而对其它波段的光吸收较弱或不吸收，这种现象称为选择性吸收。

严格说一切介质都是选择性吸收介质。透明材料在可见光谱内的选择性吸收使其呈现不同的颜色。

λ

πα/4K =x

e I I α-=0x

e m I I α--=20)1(

(2)均匀吸收 在可见光范围内，介质对各种波长的光的吸收程度相同，这种现象称为均匀吸收。均匀吸收情况下，随着吸收程度的增加，颜色从灰变到黑。

五、介质对光的散射

1. 光散射的一般规律

光波在材料中遇到光学性能不均匀的结构，如含有小粒子的透明介质、光性能不同的晶界相、气孔或其它夹杂物，都会引起一部分光束被散射，使光束强度降低。

本质：光波遇到不均匀结构产生次级波，与主波方向不一致，与主波合成出现干涉现象，使光偏离原来的方向，引起散射。

相均匀分布的材料，由于散射引起的光强减弱规律与吸收规律形式相同： S ：散射系数单为为cm-1。

I0：光的原始强度；

I ：透过厚度为x 的材料后，由于散射引起的剩余强度。

由于吸收和散射引起的光剩余强度为： 由于反射、吸收和散射引起的光剩余强度为：

2. 影响因素

散射系数与散射质点的大小、数量以及其与基体的相对折射率等因素有关。

（1）质点大小当光的波长约等于散射质点的直径时，出现散射的峰值。散射质点的体积分数不变：d ≈ λ时， S 最大。

d < λ时， d ↑ ，S ↑ ;

d >

λ时， d ↑ ，S

↓; d > λ时，反射、折射引起的总体散射起主导作用。

散射系数正比于散射质点的投影面积。 N ：单位体积内的散射质点数； R ：散射质点的平均半径； K ：散射因素，取决于基体与质点的相对折射率；

V ：散射质点的体积含量。 d > λ时，R 越小，V 越大，S 越大。 d <λ/3时，可近似采用瑞利（Rayleigh ）散射来处理： d <λ/3时，R 越大，V 越大，S 越大。

d=λ时，主要为米氏（Mie ）散射，散射效果主要与粒子横截面积成比例。

（2）散射质点与基体的相对折射率 散射质点与基体的相对折射率越大，散射越严重。

一、透光率

透光率是个综合指标，指光通过材料后，剩余光能占入射光能的百分比

二、材料透光性的影响因素

吸收系数 吸收系数与材料的性质密切相关。

金属材料：吸收系数太大，不透光。

陶瓷、玻璃、高分子介电材料：在可见光范围内吸收系数较低，在影响透光性的因

素中不占主要地位。反射系数反射损失与相对折射率有关，也与表面粗糙度有关。

散射系数 除纯晶体和玻璃体具有良好的透光性外，多晶多相材料，内含杂质、气孔、晶界、微裂纹等缺陷，看上去是不透明的，主要是由于散射引起的。散射系数是影响透光性的Sx e I I -=0x

S e I I )(0+-=αx

S e m I I )(20)1(+--=α2R KN S π=312224342132???

? ??+-=n n V R S λπ

主要因素。（1）材料的宏观及显微缺陷 材料中的缺陷与主晶相不同，于是与主晶相具有相对折射率，此值越大，反射系越大，散射因子也越大，散射系数变大。（2）晶粒排列方向的影响 各向异性体，存在双折射。n 0与n e 相差较小，反射和散射损失较小。n 0与n e 相差较大，反射和散射损失较大。影响多晶无机材料透光率的主要因素就是晶体的双折射率。

应用举例：α-Al2O3晶体的n0=1.76，ne=1.768，若相邻晶粒的取向互相垂直，晶界面的反射损失为： 材料厚2mm ，晶粒平均直径为10μm ，理论晶界为200个，由于晶界的反射损失，剩余光强： 反射损失很小 d>>λ时， n 21

≈1，K ≈0，S ≈0， 散射损失也很小 透明Al2O3

金红石型TiO2陶瓷n0=2.854，ne=2.567，反射系数为m=2.8?10-3，材料厚3mm ，晶粒平均直径为3μm ，理论晶界为1000个，由于晶界的反射损失，剩余光强： d>>λ时 21较大，K 较大，S 大，散射损失也较大 金红石型 MgO 、Y2O3）没有双折射，本身透明度较高，如果使晶界玻璃相的折射率与主晶相相差不大，有可能得到透明陶瓷材料，实现非常困难。

多晶陶瓷的透光率不如同成分的玻璃（非晶态）大，因为玻璃不存在双折射，也就不存在晶界反射和散射两种损失。 （3）气孔引起的散射损失

气孔可看作第二相，其折射率n1可看作1，与基体材料的折射率n2相差很大，相对折射率n21= n2也较大，所以气孔引起的反射、散射损失比杂质、不等向晶粒排列等因素引起的损失大。 气孔引起的散射损失与气孔的直径有关

应用举例：（一）材料中气孔的体积分数为0.2%，气孔的平均直径为2μm （大于可见光波长0.39~0.79μm )，散射因子为2~4，则散射系数为：

材料厚3mm （二）改善烧结工艺（热等静压烧结、热压烧结），使气孔直径减小到0.01μm （小于可见光波长的1/3)，即使气孔的含量高达0.63%， Al2O3陶瓷也是透光的。

材料厚3mm ： 三、提高材料透光性的措施

提高原材料纯度 》》 降低杂质含量

杂质的折射率与基体的不同，等于在基体中形成分散的散射中心，使S 提高。

杂质颗粒大小：d>>λ或d<<λ杂质含量：少 杂质与基体之间的相对折射率：小

从吸收损失考虑，在使用光的波段范围内，要求基体和杂质的吸收系数不能出现峰值。 掺加外加剂 》》 降低气孔率 杂质质点，使散射损失提高<<降低气孔率，显著提高了材料的透光率 工艺措施 降低气孔率，使晶粒定向排列

热压烧结 有利于排除气孔 热等静压烧结 热锻法 >>>>使晶粒定向排列 激621014.51760.1/768.11760.1/768.1-?=??? ??+-=m 02000%897.99)1(I m I =-010000%6)1(I m I =-)(3001.04002.023431-=???==mm R KV S 0

04330%012.010234.1I I e I I =?==-?-()

)(0032.0276.1176.1106.00063.0)10005.0(322132122243334222434---=???

? ??+-????=???? ??+-=mm n n V R S πλπ0

030032.00%99.099.0I I e I I ===?-

光特点：方向性好，亮度高，能量集中 单色性好 相干性好 激光传递信息的容量大 材料的磁性能

磁学基本量 环形电流在其运动中心处产生一个磁矩m(或称磁偶极矩)

一个环形电流的磁矩定义为：

式中：I 为环形电流的强度，S 为环流所包围的面积，m 的方向可用右手定则来确定。

将磁矩m 放入磁感应强度为B 的磁场中，它将受到磁场力的作用而产生转矩，其

所受转矩为：

磁矩与外磁场的作用能称为静磁能。处于磁场中某方向的磁矩所具有的静磁能为，

磁场在真空中的磁感应强度为B0，其磁场强度H 与B0的关系是， 式中 ，称为真空磁导率。

任何材料在外磁场作用下都会或大或小地显示出磁性，这种现象称为材料被磁化。

一个物体在外磁场中被磁化的程度，用单位体积内磁矩多少来衡量，称之为磁化强度M ，

将材料放入磁场强度为H 的自由空间，材料中的磁感应强度为 式中 称为束缚电流的磁感应强度

式中 称为相对磁导率。

绝对磁导率为： 式中 称为磁化率 χ=M/H

物质磁性分类 根据物质的磁化率，可以把物质的磁性大致分为五类：

抗磁体 磁化率为很小的负数，大约在10-4 -10-6数量级。它们在磁场中受微弱斥

力。金属中约有一半简单金属是抗磁体。根据 与温度的关系，抗磁体又可分为：

①“经典”抗磁体，它的 不随温度变化，如铜、银、金、汞、锌等。 反常抗磁体，

它的 随温度变化，且其大小是前者的10一100倍，如铋、镓、锑、锡、铟、铜

一锆合金中的 相等。

顺磁体磁化率 为正值，大约在10-3 ～10-6数量级。 根据 与温度的关系可分为：1正常顺磁体，其

随温度变化符合 l ／T 关系，如，金属铂、钯、奥氏体不锈钢、稀土金属等。

2 与温度无关的顺磁体，例如锂、钠、钾、铷等金属。

铁磁体 在较弱的磁场作用下，就能产生很大的磁化强度。

是很大的正数，且与外磁场呈非线性关系变化。具体金属有铁、钴、镍等。

铁磁体在温度高于某临界温度后变成顺磁体。

此临界温度称为居里温度或居里点，常用Tc 表示

亚铁磁体 这类磁体有些像铁磁体，但 值没有铁磁体那样大通常所说的磁铁

矿、铁氧体等属于亚铁磁体

反铁磁体 这类磁体的 是小的正数，在温度低于某温度时，它的磁化率同磁场

的取向有关；高于这个温度，其行为像顺磁体。具体材料有α一Mn 、铬，还有如

氧化镍、氧化锰等。

m IS = T m B =? U m B =- 00B H μ=70410/H m μπ-=?/M m V =∑ 0B B B '=+B '0B M

μ'=()0000r B H M H M H

μμμμμ=+=+=r μ0r μμμ=()1r m M H H

μχ=-=m χχχχχχχ

电子轨道磁矩

电子绕原子核运动，犹如一环形电流，此环流也应在其运动中心处产生磁矩，称为

电子轨道磁矩。

设电子运动轨道的半径为 ，电子轨道运动的速度为 ，电子的电量为 ，质

量为 。

运动轨道的周期为： 运动轨道的周期为： 沿着圆形轨道的电流为：

因此，电子轨道磁矩为： 因此，电子轨道磁矩是量子化的。 电子轨道磁矩在外磁场方向上的分量，满足量子化条件：

为玻尔磁子 电子自旋磁矩

电子除了做轨道运动还有自旋，因此具有自旋磁矩。实验测定电子自旋磁矩在外磁场方向上的分量恰为一个玻尔磁子

原子中电子的轨道磁矩和电子的自旋磁矩构成了原子固有磁矩，也称本征磁矩。

如果原子中所有电子壳层都是填满的，由于形成一个球形对称的集体，则电子轨道磁矩和自旋磁矩各自相抵消，此时原子本征磁矩为 ? 抗磁性来源

故可以说任何物质在外磁场作用下均应有抗磁性效应。但只有原子的电子壳层完全填满了电子的物质，抗磁性才能表现出来，否则抗磁性就被别的磁性掩盖了。

凡是电子壳层被填满了的物质都属于抗磁性物质。例如惰性气体；离子型固体，如氯化钠等；共价键的碳、硅、锗、硫、磷等通过共有电子而填满了电子层，故也属于抗磁性2/2e ev

I r v r

ππ==2

/r v πe

L m vr =222ev evr

m IS r r ππ===2e

e

m L m ∴=0,1,2,...

L n n ==

()

0,1,2,...,ez l B l m m m l μ==±±±249.27310/2B e

e J T

m μ-==? 0

m =

物质；大部分有机物质也属于抗磁性物质。金属的行为比较复杂，要具体分析，其中属于抗磁性物质的有铋、铅、铜、银等。

1) 顺磁性来源 材料的顺磁性来源于原子的固有磁矩 产生顺磁性的条件就是原子

的固有磁矩不为零：1具有奇数个电子的原子或点阵缺陷；2内壳层未被填满的原子或离子——金属中主要有过渡族金属(d 壳层没有填满电子)和稀土族金属(f 壳层没有填满电子)。

2) 铁磁性材料铁、钴、镍及其合金，稀土族元素镝以及亚铁磁性材料铁氧体等都很容

易磁化，在不很强的磁场作用下，就可得到很大的磁化强度。磁学特性与顺磁性、抗磁性物质不同，主要特点表现在磁化曲线和磁滞回线上。

铁磁性物质的磁化曲线(M —H 或B —H)是非线性的。随磁化场的增加，磁化强度M 或磁感强度B 开始时增加较缓慢，然后迅速地增加，再转而缓慢地增加，最后磁化至饱和。 磁化至饱和后，磁化强度不再随外磁场的增加而增加。

称为饱和磁化强度； 称为饱和磁感应强度 起始磁导率

它相当于磁化曲线起始部分的斜率。技术上规定在0.1～0.001Oe 磁场的磁导率为起始磁导率，它是软磁材料的重要技术参量。

最大磁导率 它是磁化曲线拐点处的斜率，它也是软磁材料的重要技术参量 磁滞回线 将一个试样磁化至饱和，然后慢慢地减少H ，则M 也将减小，这个过程叫退磁。 M 不按照磁化曲线反方向进行，而是按另一条曲线改变

当H 减小到零， 剩余磁化强度

剩余磁感应强度

当H 为一反向磁场Hc ，—矫顽力 内禀矫顽力 试样的磁化曲线形成一个封闭曲线，称为滋滞回线。磁滞回线所包围的面积表征磁化一周时所消耗的功，称为磁滞损耗Q 。 00lim i H H B H μ→?→?=?m

μr M M =r

B B =r M r B M c H Q HdB =?