第七章功能材料

第七章功能材料
7.1.2 红外材料
红外材料是指与红外线的辐射、吸收、透射和探测等相 关的一些材料。本节主要介绍红外透射和辐射材料。
1.红外辐射材料：
红外辐射又称热辐射。红外辐射材料可分为热型、“发 光型”和热-“发光”混合型三类。红外加热技术主要采用 热型红外辐射。
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（1）红外辐射材料的辐射特性
➢ 受迫发光：受激发的电子只有在外界影响下才发光。其特征是发射过程
分为两个阶段，发射体存在亚稳的受激态M,其跃迁至基态是禁阻的，而
受迫发光的第一阶段为由热起伏使电子跃迁到A态，然后再从A态跃迁
回基态而发光。
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（2）复合发光
发光材料受激发时，分离出一对带异号的电荷的粒子，一般为正 离子和电子，这两种离子在复合时便发光，既复合发光。
塑料也是红外光学材料，但近红外性能不如其他材料，多用于远Baidu Nhomakorabea 外。
（3）透红外光学材料应用
透红外光学材料是用来制造红外光学透镜、棱镜、调整盘、整流 罩等不可或缺的材料。
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7.1.3 发光材料
发光是一种物体把吸收的能量，不经过热的阶段，直接转换为特征辐 射的现象。发光材料种类很多，按激发方式可分为：光致发光材料、电致 发光材料、阴极射线致发光材料、热致发光材料、等离子发光材料。
红外辐射材料的辐射特性决定于材料的温度和发射率。 而发射率是红外辐射材料的重要特征值。
红外 辐射
透过
反射
吸收
其中: 吸收率 + 反射率 + 透过率 = 1
根据Kirchoff定律: 辐射体的辐射出射度 / 吸收率 = 黑体辐射出射度
则 吸收率 α = 辐射体的辐射出射度 /黑体辐射出射度 = ε
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复合发光过程中存在离子化的带电粒子的迁移或扩散，构成特征 的光电导，也称为“光电导发光”。
复合发光过程，可以在一个发光中心上进行而实现单分子过程， 电子在导带中存在时间很短，是短复合发光过程；大部分情况是电子 脱离原来的发光中心在其他中心上实现双分子过程，电子在导带中时 间长，是长复合过程。
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第七章 新型功能材料
第七章功能材料
本章内容
7.1 光学功能材料 7.2 电功能材料 7.3 功能转换材料
第七章功能材料
7.1 光学功能材料
7.1.1 激光材料 1.激光的产生和特点：
不稳定高能态
吸收外来能量
亚稳态
无辐射跃迁 泵浦过程（使粒 子数反转分布）
基态
（寿命长、粒子累积） 工作物质（原子或分子）
某些粒子跌落于基态，并 激发其他粒子跌落，一起 放出的光在光谐振腔里放
大则发出激光
激光产生的原理
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激光的特点：
相干性好 发射的光具有相同相位 单色性纯 在谐振腔调谐为特定频率 方向性好 偏离调谐轴向的辐射经反射逸散 高亮度 光子被同时释放，具有巨大亮度
激光焦点亮度比普通光高108-1010倍
（d）材料的发射率随工作时间而变化
在工作条件下，由于与环境介质发生相互作用或其他 物理化学变化，从而引起成分及结构的变化，使材料的发 射率改变。
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（2）红外辐射材料的应用
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2.透红外材料：
（1）透红外材料的性质
透红外材料是指对红外线透过率高的材料。对其材料的要求是 红外光谱透过率要高，透过的短波限要低，透过的频带要宽。
（2）透红外材料的种类
目前实用的光学材料有二三十种，可以分为晶体、玻璃、透明陶 瓷、塑料等。
锗、硅半导体的单晶和碱金属、碱土金属卤化物离子晶体是常用 的单晶透红外材料。
红外光学玻璃主要有：硅酸盐、铝酸盐、镓酸盐、硫属化合物玻
璃等。
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氧化铝透明陶瓷不只是透过红外线，也可以透过可见光。稀有金属 氧化物（如氧化钇）陶瓷是一类具有耐高温性能的透红外光学材料。
（a）材料本身结构对其发射率的影响
一般来说金属导电体的发射率值较小，电介质材料的
发射率较高。
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（b）材料的发射率随辐射波长的变化
多数红外辐射材料，在短波段与其电子跃迁有关，长 波段则与其晶格振动特性有关。
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（c）原材料预处理工艺对发射率的影响
同一种原材料因预处理工艺条件不同而有不同的发射 串值。例如氧化钛在空气700oC和煤气氛1400oC，其常温 发射率分别为0.81和0.86。
材料发出辐射是因组成材料的原子、分子或离子体系在 不同能量状态间跃迁产生的。短波段与其电子跃迁有关，长 波段则与其晶格振动特性有关。红外辐射体的辐射机制是由 于分子转动或振动而伴随着电偶极矩的变化而产生的辐射。
因此，组成材料的元素、化学键形式、晶体结构以及晶 体中存在缺陷等因素都将对材料的发射率发生影响。
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2.常用激光材料
激光工作物质分为固体、液体和气体激光工作物质。 固体激光物质最为重要，分为晶体和玻璃两种。
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（2）激光玻璃
激光玻璃与激光晶体一起构成了固体激光材料的两大 类，并得到迅速发展。
激光玻璃由激活离子和基质玻璃组成。 激活离子：在激光玻璃中激活离子是以Nd3+为代表的 三价稀土离子。 基质玻璃：在基质玻璃中，最早的激光输出是在掺钕 钡冕玻璃中实现的。
2.发光特征
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3.发光材料
（1）光致发光材料
用紫外线、可见光及红外线激发发光材料而产生发光的现象称为 光致发光，相应材料为光致发光材料。一般分荧光材料和磷光材料两 种。
荧光材料：只有具备共轭键系统的分子才能使激发态保持相对稳 定而发射荧光，因而荧光材料主要是以苯环为基的芳香族化合物和杂 环化合物。
（d）发射率与温度的关系
对电介质来说，有些随温度升高而升高，有些则降低。
（e）发射率受材料表面状态影响
一般来说，表面越粗糙，其发射率值越大。
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（f）材料的体因素对发射率的影响
材料的体因素包括材料的厚度、填料的粒径和含量等 等。对透红外材料，其发射率值受到与材料体因素有关的 红外吸收影响。
1.发光机理 （1）分立中心发光：发光材料的发光中心受激后，激发和发射过程
发生在彼此独立的、个别的发光中心内部的发光。它是单分子过程，有自 发发光和受迫发光两种。
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➢ 自发发光：受激发粒子受内部电场作用从激发态回到基态时的发光。其 特征为，与发光相应的电子跃迁概率决定于发射体内部电场，而不受外 界影响。