第四章 光功能复合材料-第一次课

•2、电子能态转变 •光子被吸收和发射，都可能涉及到固体材料中电子能态 转变。
2019/6/3
功能复合材料
16
功能复合材料—光功能复合材料
4.3 透光功能复合材料
光是一种电磁波。电磁波的范围从远红外到紫外并延
伸到软x射线区。可见光波长大约在390~770nm.
2019/6/3
功能复合材料
17
功能复合材料—光功能复合材料
26
功能复合材料—光功能复合材料
4.3.4 透明玻璃钢的制备
玻璃纤维增强塑料俗称玻璃钢。
（1）手糊成型（P89）； （2）模压成型（P90） ； （3）拉挤成型（P90） ； （4）缠绕成型（P91） ； （5）注射成型（P92） ； （6）板材连续成型工艺（P93） 。
பைடு நூலகம்
2019/6/3
功能复合材料
（1）弹性模量低：
FRP的弹性模量比木材大两倍，但比钢（E=2.1×105）
小10倍，因此在产品结构中常感到刚性不足，容易变形。
可以做成薄壳结构、夹层结构，也可通过高模量纤维
或者做加强筋等形式来弥补。
（2）长期耐温性差：
一般FRP不能在高温下长期使用，通用聚酯FRP在
50℃以上强度就明显下降，一般只在100℃以下使用；通
2019/6/3
功能复合材料
20
功能复合材料—光功能复合材料
透射率T为: T=(1-R)2e-al 式中，α吸收系数；l介质长度。 一般取介质长度为10mm的值作为标准。
2019/6/3
功能复合材料
21
功能复合材料—光功能复合材料
4.3.2 聚合物基复合材料的透光原理
玻璃纤维直径为（6-10μm）>可见光的波长（0.4-0.76μm）
天线物理尺寸比较小，所以只能提升频谱带宽来让它的 数据传输实现超高速。
2019/6/3
功能复合材料
6
功能复合材料—光功能复合材料
汤姆逊的电子衍射图
粒子性 — 具有独立存在的意义 特征量：能量 E、动量 p
波动性 — 实物微粒某种性质 在空间和时间具有周期性变化 规律。 特征量：频率 、波长
实物粒子具有波粒二象性
玻璃纤维与黏结剂的吸收系数，玻璃纤维直径不起作用。
2019/6/3
功能复合材料
25
功能复合材料—光功能复合材料
4.3.3 透光复合材料设计分析
控制散射强度是设计透光功能复合材料的关键因素。 （1）折射率匹配； （2）尽可能降低各相的粒子尺寸； （3）各项同性； （4）避免杂质。
2019/6/3
功能复合材料
S 4 f nm nf d
(4 3)
式中：nf - 玻璃纤维的折射率；nm - 黏结剂的折射率； Kf - 玻璃纤维的吸收系数；Km -黏结剂的吸收系数; φf - 玻璃纤维的体积分数；d - 玻璃纤维的直径。
2019/6/3
功能复合材料
23
功能复合材料—光功能复合材料
对于玻璃钢两抛光面的总反射系数γ：
2019/6/3
功能复合材料
28
功能复合材料—光功能复合材料
（3）耐腐蚀： FRP是良好的耐腐材料，对大气、水和一般浓度的酸、
碱、盐以及多种油类和溶剂都有较好的抵抗能力。已应用 到化工防腐的各个方面，正在取代碳钢、不锈钢、木材、 有色金属等。
（4）电性能好： 是优良的绝缘材料，用来制造绝缘体。高频下仍能保
功能复合材料—光功能复合材料
（7）工艺性优良：
① 可以根据产品的形状、技术要求、用途及数量来 灵活地选择成型工艺; ② 工艺简单，可以一次成型，经济效果突出，尤其 对形状复杂、不易成型的数量少的产品，更突出它 的工艺优越性。
2019/6/3
功能复合材料
31
功能复合材料—光功能复合材料
透明玻璃钢的缺点：
2019/6/3
功能复合材料
11
功能复合材料—光功能复合材料
光通过介质现象
• 电磁波在真空中传播速度为3×108m/s以c表示。c与 真空介电常数ε0和真空磁导率μ0关系为：
c 1
0 0
当光在介质中传播时，其速度v由下式决定：
c
2019/6/3
功能复合材料
12
功能复合材料—光功能复合材料
2019/6/3
功能复合材料
10
功能复合材料—光功能复合材料
可见光和金属间相互作用
• 可见光入射金属时，光能被金属表层吸收，激发自 由电子，使之具有较高能态。当电子由高能态回到 较低能态时，发射光子。金属是不透光，故吸收现 象只发生在金属厚约100nm表层内，金属片在 100nm以下时，才是“透明”。只有短波长x－射线 和γ－射线等能穿过一定厚度金属。金属和可见光间 作用主要是反射，产生金属光泽。
27
功能复合材料—光功能复合材料
4.3.5 透明玻璃钢的性能特点
（1）透明玻璃钢的透光率高达85%~90%。
（2）轻质高强：
相对密度在1.5~2.0g/cm3之间，只有碳钢的1/4~1/5， 可是拉伸强度却接近，甚至超过碳素钢，而比强度可以 与高级合金钢相比。因此，在航空、火箭、宇宙飞行器、 高压容器以及在其他需要减轻自重的制品应用中，都具 有卓越成效。某些环氧FRP的拉伸、弯曲和压缩强度均能 达到400Mpa以上。
•从微观分析，光子与固体材料相互作用，实际上是光子 与固体材料中原子、离子、电子等相互作用，结果是：
•1、电子极化 •电磁辐射电场分量，在可见光频率范围内，电场分量与 传播过程中每一个原子都发生作用，引起电子极化，造
成电子云和原子核重心发生相对位移，其结果是光一部
分能量被吸收，同时光速度被减小，导致折射发生。
1 1
nm nm
2
(4 5)
nm 1

0T


1 1


1 R2 e Lh 1 R2e2Lh
玻璃钢最大透光率：
0

1 1


(4 6)
nm n f 0.005 0e Lh
(4 7)
多次散射理论
1 R2 eLh
T 1 R2e2Lh
L P 2 2PS
R PSL S
式中：P-吸收系数；S-折射率。
(4 2)
2019/6/3
功能复合材料
22
功能复合材料—光功能复合材料
对于玻璃钢，P、S可由（4-3）式计算：
P K f f Km 1i
x光线波长介于紫外线和γ射线 间的电磁辐射。 x射线 是一种波长很短的电磁辐射，其波长约为（0.01～100） 埃之间。由德国物理学家W.K.伦琴于1895年发现，故又 称伦琴射线。伦琴射线具有很高的穿透本领，能透过许多 对可见光不透明的物质，如墨纸、木料等。这种肉眼看不 见的射线可以使很多固体材料发生可见的荧光，使照相底 片感光以及空气电离等效应，波长越短的x射线能量越大， 叫做硬x射线，波长长的x射线能量较低，称为软x射线。 波长小于0.1埃的称超硬X射线，在0.1～1埃范围内的称硬 x射线，1～10埃范围内的称软x射线。
2019/6/3
功能复合材料
2
功能复合材料—光功能复合材料
4.2 知识回顾
• 光的波粒二象性
• 爱因斯坦光电方程把光波动性和粒子性联系起来了，
即
E h hc

• 光频率、波长和辐射能都是由光子源决定。图4.1为 辐射电磁波谱。
2019/6/3
功能复合材料
3
功能复合材料—光功能复合材料
2019/6/3
光通过介质现象
在讨论光与材料相互作用产生反射、透射、折射 等现象时，应用光粒子性更容易理解；讨论光波在介 质中传播、衍射等现象应用光波动性更方便。当光从 一种介质进入另一种介质时，例如从空气进入透明介 质，一部分透过介质，一部分被吸收，一部分在两种 介质界面上被反射，还有一部分被散射。
2019/6/3
2019/6/3
功能复合材料
18
功能复合材料—光功能复合材料
4.3.1 透光材料概述
透光材料？ 可见光（0.39-0.76μm）、红外光（1-1000 μm ）、 紫外线（0.01-0.4 μm ）
描述透光材料透光性能的物理量？
透光率
T IT I0
(4 1)
无机材料、有机高聚物、纤维、纳米材料及透明陶瓷。
2019/6/3
功能复合材料
19
功能复合材料—光功能复合材料
入射光强I0，射入介质的 光强为(1-R)I0，反射掉 部分光强为I0R。
射入介质的光在穿过介质时被吸收一部分后，达到介
质另一面的光强为: I0(1-R)e-al 又被反射回介质内的光强为:I0R(1-R) e-al
最后透射出介质的光强: IT ＝I0 (1-R)2e-al
用型环氧FRP在60℃以上，强度有明显下降。
2019/6/3
功能复合材料
32
功能复合材料—光功能复合材料
可以选择耐高温树脂，使长期工作温度在200~300℃ 是可能的。
（3）老化现象： 老化现象是塑料的共同缺陷，FRP也不例外，在紫外
功能复合材料
4
功能复合材料—光功能复合材料
2019/6/3
功能复合材料
5
功能复合材料—光功能复合材料
5G的频段分成了两个范围：FR1和FR2
频率范围标志
相应的频率范围
FR1
450 MHz - 6000 MHz
FR2
24250 MHz - 52600 MHz
联通获得的频谱在3500-3600之间，电信的是3400-3500 的带宽，移动的是2515-3675以及4800-4900的带宽。 毫米波的特点就是具有高传输速率，并且也能实现短距 离下的高频应用。
功能复合材料
13
功能复合材料—光功能复合材料
2019/6/3
功能复合材料
14
功能复合材料—光功能复合材料
• 入 反射射到和材 散料 射表 光面 辐光射辐能射流能率流分率别为为φφ0τ，, φ透α, 过φm、, φ吸σ,则收：、
0 m
• 光辐射能流率单位为W/m2，单位时间内通过单位面
磷光材料：ZnS, 钨酸盐；Zn过剩的ZnO, 许多有机物
2019/6/3
功能复合材料
9
功能复合材料—光功能复合材料
根据发光产生的原因，可分为：
光致发光； 场致发光：由于应用电场引起； 阴极发光(cathodoluminescence)：由于高能电子照射 物体表面引起。
电视机屏幕（ZnS；掺银蓝色；掺铜绿色） 荧光灯：钨酸盐，硅酸盐；由于水银辉光放电产生 的紫外光照射 电子显微镜的图像: 由于磷光剂，比如ZnS 蜡烛，白炽灯等
功能复合材料—光功能复合材料
第四章 光功能复合材料
4.1 概述
光功能复合材料？
具有光学或光电功能特性的复合材料。
组成？
具有光学特性的功能体与普通基体复合而成，也可 以由具有光学特性的功能体与具有光学特性的基体复合 而成。
2019/6/3
功能复合材料
1
功能复合材料—光功能复合材料
光功能复合材料的种类与应用范围
1 1 1
(4 4)
式中：ρ - 试样一个面的反射系数。
玻璃钢一个面的反射系数ρ与黏结剂的折射率nm有关，还 与光的入射角相关。对于垂直入射：
2



1 1
nm nm

(4 5)
2019/6/3
功能复合材料
24
功能复合材料—光功能复合材料



积 两（边与，光 得传 到播 ：方向垂T直面积）m能量。若用1φ0 除上式
•
式中：T 0
称为透射系数； A 称为吸收系数；
0
• m m 称为反射系数； 称为散射系数
0
0
2019/6/3
功能复合材料
15
功能复合材料—光功能复合材料
光通过介质现象
飞行器在2000℃以上承受高速气流的冲刷。
（6）可设计性好： ① 可以根据需要，灵活地设计出各种结构产品，来
满足使用要求，可以使产品有很好的整体性; ② 可以充分选择材料来满足产品的性能，如：可以
设计出耐腐的，耐瞬时高温的、产品某方向上有特别高强
度的、介电性好的，等等。
2019/6/3
功能复合材料
30
护良好介电性。微波透过性良好，已广泛用于雷达天线罩。
2019/6/3
功能复合材料
29
功能复合材料—光功能复合材料
（5）热性能良好：
FRP热导率低，室温下为1.25~1.67kJ/（m•h•K）， 只有金属的1/100~1/1000，是优良的绝热材料。在瞬时超 高温情况下，是理想的热防护和耐烧蚀材料，能保护宇宙
光的二象性
2019/6/3
德布罗依关系式。
功能复合材料
7
功能复合材料—光功能复合材料
2019/6/3
功能复合材料
8
功能复合材料—光功能复合材料
光的发射
发光：由于电子从较高的能态跃迁到较低空能态而 发射光子，同时可能伴随热量的产生（声子）。 根据电子跃迁所需时间，发射的光可分为：
荧光：纳秒或更快； 磷光：微秒或毫秒； 余晖：秒