第四章材料的光学性质 1.光吸收的本质 光作为一种能量流，在穿过介质时，引起介质的价电子跃迁，或使原子振动而消耗能量。此外，介质中的价电子吸收光子能量而激发，当尚未退激时，在运动中与其他分子碰撞，电子的能量转变成分子的动能亦即热能，从而构成光能的衰减。即是在对光不发生散射的透明介质，如玻璃、水溶液中，光也会有能量的损失，这就是产生光吸收的原因。 2.图4.19金属、半导体和电介质的吸收率随波长的变化。 3.光的色散材料的折射率随入射光的频率的减小（或波长的增加）而减小的性质，称为折射率的色散。 4.光的散射 光通过气体、液体、固体等介质时，遇到烟尘、微粒、悬浮液滴或者结构成分不均匀的微小区域，都会有一部分能量偏离原来的传播方向而向四面八方弥散开来，这种现象称为光的散射。光的散射导致原来传播方向上光强的减弱。 5.弹性散射散射前后，光的波长（或光子能量）不发生变化的散射称为弹性散射。 σλ1 ∝s I （I s 表示散射光强度，参量σ与散射中心尺度大小a 0有关） a.Tyndall 散射当a 0>>λ时，0→σ，即当散射中心的尺度远大于光波的波长，散射光强与入射光波长无关。 B.Mie 散射当a 0λ≈时，即散射中心尺度与入射光波长可以比拟时，σ在0~4之间，具体数值与散射中心尺度有关。 C.Rayleidl 散射当a 0<<λ时，4=σ。换言之，当散射中心线度远小于入射光的波长时，散射强度与波长的4次方成反比（4 /1λ=s I ）。这一关系称为瑞利散射定律。 6.非弹性散射当光束通过介质时，从侧向接收到的散射光主要是波长（或频率）不发生变化的瑞利散射光，属于弹性散射。除此之外，使用高灵敏度和高分辨率的光谱仪器，可以发现散射光中还有其他光谱成分，它们在频率坐标上对称地分布在弹性散射光的低频和高频侧，强度一般比弹性散射微弱得多，这些频率发生改变的光散射是入射光子与介质发生非弹性碰撞的结果，称为“非弹性散射”。从波动观点来看，光的非弹性散射机制乃是光波电磁场与介质内微观粒子固有振动之间的耦合，可激 发介质微观结构的振动或导致振动的淬灭，以至散射光波频率相应出现“红移”（频率降低）或“蓝移”（频率升高）。通常能产生拉曼散射的介质多由相互束缚的正负离子所组成。正负离子的周期性振动导致偶极矩与光波电磁场的相互作用引起能量交换，发生光波的非弹性散射。布里渊散射是点阵振动引起的密度起伏或超声波对光波的非弹性散射，也可以说是点阵振动的声学声子（声学摸）与光波之间能量交换的结果。 ωs R AS
材料科学实验讲义 (一级实验指导书) 东华大学材料科学与工程中心实验室汇编 2009年7月
一、实验目的 按照导电性能区分，不同种类的材料都可以分为导体、半导体和绝缘体三大类。区分标准一般以106Ω?cm和1012Ω?cm为基准，电阻率低于106Ω?cm称为导体，高于1012Ω?cm称为绝缘体，介于两者之间的称为半导体。然而，在实际中材料导电性的区分又往往随应用领域的不同而不同，材料导电性能的界定是十分模糊的。就高分子材料而言，通常是以电阻率1012Ω?cm为界限，在此界限以上的通常称为绝缘体的高分子材料，电阻率小于106Ω?cm称为导电高分子材料，电阻率为106 ～1012Ω?cm常称为抗静电高分子。通常高分子材料都是优良的绝缘材料。 通过本实验应达到以下目的： 1、了解高分子材料的导电原理，掌握实验操作技能。 2、测定高分子材料的电阻并计算电阻率。 3、分析工艺条件与测试条件对电阻的影响。 二、实验原理 1、电阻与电阻率 材料的电阻可分为体积电阻(R v)与表面电阻(R s)，相应的存在体积电阻率与表面电阻率。 体积电阻：在试样的相对两表面上放置的两电极间所加直流电压与流过两个电极之间的稳态电流之商；该电流不包括沿材料表面的电流。在两电极间可能形成的极化忽略不计。 体积电阻率：在绝缘材料里面的直流电场强度与稳态电流密度之商，即单位体积内的体积电阻。 表面电阻：在试样的某一表面上两电极间所加电压与经过一定时间后流过两电极间的电流之商；该电流主要为流过试样表层的电流，也包括一部分流过试样体积的电流成分。在两电极间可能形成的极化忽略不计。 表面电阻率：在绝缘材料的表面层的直流电场强度与线电流密度之商，即单位面积内的表面电阻。 体积电阻和表面电阻的试验都受下列因素影响：施加电压的大小和时间；电极的性质和尺寸；在试样处理和测试过程中周围大气条件和试样的温度、湿度。高阻测量一般可以利用欧姆定律来实现，即R=V/I。如果一直稳定通过电阻的电流，那么测出电阻两端的电压，就可以算出R的值。同样，给被测电阻施加一个已知电压，测出流过电阻的电流，也可以算出R的值。问题是R值很大时，用恒流测压法，被测电压V=RI将很大。若I=1μA，R=1012Ω，要测的电压V=106V。用加压测流法，V是已知的，要测的电流I=V/R将很小。因为处理弱电流难度相对小些，我们采用加压测流法，主要误差来源是微弱电流的测量。 2、导电高分子材料的分类
纳米材料的光学特性 美国著名物理学家，1965年诺贝尔物理奖获得者R.P Feynman在1959年曾经说过：“如果有一天能按人的意志安排一个个原子分子将会产生什么样的奇迹”，纳米科学技术的诞生将使这个美好的设想成为现实。 纳米材料是纳米科学技术的一个重要的发展方向。纳米材料是指由极细晶粒组成，特征维度尺寸在纳米量级（1~100nm）的固态材料。由于极细的晶粒，大量处于晶界和晶粒内缺陷的中心原子以及其本身具有的量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等，纳米材料与同组成的微米晶体（体相）材料相比，在催化、光学、磁性、力学等方面具有许多奇异的性能，因而成为材料科学和凝聚态物理领域中的研究热点。 1 纳米材料的分类和结构 根据不同的结构，纳米材料可分为四类，即：纳米结构晶体或三维纳米结构；二维纳米结构或纤维状纳米结构；一维纳米结构或层状纳米结构和零维原子簇或簇组装。纳米材料的分类如图表1所示。纳米材料包括晶体、赝晶体、无定性金属、陶瓷和化合物。 2 纳米材料的光学性质 纳米材料在结构上与常规晶态和非晶态材料有很大差别，突出地表现在小尺寸颗粒和庞大的体积百分数的界面，界面原子排列和键的组态的较大无规则性。这就使纳米材料的光学性质出现了一些不同于常规材料的新现象。
纳米材料的光学性质研究之一为其线性光学性质。纳米材料的红外吸收研究是近年来比较活跃的领域，主要集中在纳米氧化物、氮化物和纳米半导体材料上，如纳米Al2O3、Fe2O3、SnO2中均观察到了异常红外振动吸收，纳米晶粒构成的Si膜的红外吸收中观察到了红外吸收带随沉积温度增加出现频移的现象，非晶纳米氮化硅中观察到了频移和吸收带的宽化且红外吸收强度强烈地依赖于退火温度等现象。对于以上现象的解释基于纳米材料的小尺寸效应、量子尺寸效应、晶场效应、尺寸分布效应和界面效应。目前，纳米材料拉曼光谱的研究也日益引起研究者的关注。 半导体硅是一种间接带隙半导体材料，在通常情况下，发光效率很弱，但当硅晶粒尺寸减小到5nm或更小时，其能带结构发生了变化，带边向高能态迁移，观察到了很强的可见光发射。研究纳米晶Ge的光致发光时，发现当Ge晶体的尺寸减小到4nm以下时，即可产生很强的可见光发射，并认为纳料晶的结构与金刚石结构的Ge 不同，这些Ge纳米晶可能具有直接光跃迁的性质。Y.Masumato发现掺CuCl纳米晶体的NaCl在高密度激光下能产生双激子发光,并导致激光的产生,其光学增益比CuCl 大晶体高得多。不断的研究发现另外一些材料，例如Cds、CuCl、ZnO、SnO2、Bi2O3、Al2O3、TiO2、SnO2、Fe2O3、CaS、CaSO4等，当它们的晶粒尺寸减小到纳米量级时，也同样观察到常规材料中根本没有的发光观象。纳米材料的特有发光现象的研究目前正处在开始阶段，综观研究情况，对纳米材料发光现象的解释主要基于电子跃迁的选择定则，量子限域效应，缺陷能级和杂质能级等方面。 纳米材料光学性质研究的另一个方面为非线性光学效应。纳米材料由于自身的特性，光激发引发的吸收变化一般可分为两大部分：由光激发引起的自由电子-空穴对所产生的快速非线性部分；受陷阱作用的载流子的慢非线性过程。其中研究最深入的为CdS纳米微粒。由于能带结构的变化，纳米晶体中载流子的迁移、跃迁和复合过程均呈现与常规材料不同的规律，因而其具有不同的非线性光学效应。 纳米材料非线性光学效应可分为共振光学非线性效应和非共振非线性光学效应。非共振非线性光学效应是指用高于纳米材料的光吸收边的光照射样品后导致的非线性效应。共振光学非线性效应是指用波长低于共振吸收区的光照射样品而导致的光学非线性效应，其来源于电子在不同电子能级的分布而引起电子结构的非线性，电子结构的非线性使纳米材料的非线性响应显著增大。目前，主要采用Z-扫找（Z-SCAN）和DFWM技术来测量纳米材料的光学非线性。
纤维材料的热学、光学、电学性质 1 热学性质 2 光学性质 3电学性质 内容提要：常用热学指标；纤维的热力学性质、热定形及抗热破坏性质（耐热性、热稳定性、燃烧性、熔孔性、热收缩等）；纤维的色泽、双折射、耐光性、紫外荧光；纤维的电阻、静电。 重点难点：保暖性，热力学三态与热定形，热破坏温度，燃烧性；双折射、耐光性；电阻、静电序位及测试。难点在纤维这些性质的综合表现。 解决方法：理清概念的层次关系，结合实际产品的分析，建立概念体系和思维方法。 第一节热学性质 一、热学指标 （一）比热C 质量为一克的纺织材料，温度变化1℃所吸收或放出的热量。单位：焦尔/克·度。 纤维的比热值是随环境条件的变化而变化的，不是一个定值。同时，又是纤维材料、空气、水分的混合体的综合值。 比热值的大小，反映了材料释放、贮存热量的能力。或者温度的缓冲能力。 （二）导热系数λ 材料在一定的温度梯度场条件下，热能通过物质本身扩散的速度。单位：焦/米·度·时， 纤维本身的导热系数由于纤维结构的原因也呈现各向异性。 对于纤维集合体，也是纤维、空气、水分三者的综合值。导热系数与集合体的体积重量的关系呈对号规律（画图说明） （三）绝热率T 它反映的是材料的隔热能力——保暖性，此值越大，说明该材料越保暖。 二、热力学性质 热力学性质也叫热机械性质，是指在温度的变化过程中，纺织材料的机械性质亦随之变化的特性。用不同的温度点来表征力学特性。 绝大多数纤维材料的内部结构呈两相结构，即有结晶区与非结晶区，而这两个区域对热的反映是不一样的，对结晶区来说在热的作用过程中，它的热力学状态有两个：一个是在热的作用下，结晶体解体形成熔融态，要么结晶不被破坏的呈结晶态。对无定形区来讲，热力学状态大致有三个：玻动态、高弹态和粘流态，这些状态可用以下的热力学指标来表征和区分。 （一）熔点Tm 熔点是纤维的重要热性质之一，也是一个结构参数。我们知道低分子结晶体的熔化是一个相的转变过程，由结晶态（晶相）变成熔融态（液相），而且相的转变在很窄的温度范围内进行，所以叫熔点。对纤维材料，结晶是由高聚物形成的，它的熔化过程有一个较宽的温度区间——熔程，由于该熔程比较宽，通常把
纺织物理第五章纤维的光学性质
第五章纤维的光学性质 纤维的光学性质是指纤维对光的吸收、反射、折射和透射的性质，以及光在纤维中的传递性质。纤维在光照下会呈色发光，纤维对不同振动方向的光会产生不同的折射效果，纤维受光以后会老化降解，这些都是纤维的光学性质。 纤维的光学性质直接取决于纤维的结构，纤维的分子结构能很好地将光线的光电场能转化成纤维分子或电子云的振动能，将使纤维的耐光老化性提高。纤维聚集态结构的不同将引起纤维反光、折光性质的变化，尤其是取向的分子排列将使纤维的光学各向异性特征明显，应该说纤维的光学各向异性是纤维结构的各向异性的最明显的表征，也是用的最多最为方便的传统测量方法。 本章将重点介绍纤维的折射特征、双折射性质与测量、纤维的光老化及发光现象，以及纤维的红外光谱及性质。通常光学性质的讨论范围为紫外光（２００～４００nm）、可见光（４００～７００nm）和红外光（０．７～２０um）。光的波长不同，能量不同。可见光的波长不同其颜色不同，结果见表５－１。
表5—1 各种颜色的波长及波长范围 颜色标准 波长波长范围 红700 620~7 80 橙610 595~6 20 黄580 575~5 95 绿510 480~5 75 蓝470 450~4 80 紫420 380~4 50 第一节纤维的反射与折射的性质 一、光与纤维 当光线照射在纤维上，在纤维与空气或与其他介质的界面处将发生反射与折射现象。
该界面在纤维体内存在时，情况也一样。其光路与纤维的相互关系如图５－１所示。 （5.1） 为光线在空气中或真空中的传播速式中，v 1 度；v 为光线在纤维中的传播速度。 2 二、纤维的折射率 纤维是一个轴对称的各向异性体，其折射率在上是不同的。折射率大小的矢量在纤维中是一个空间椭球分布，如图５－２所示。可以看出，沿纤维轴向（Z轴）的折射率较大，为椭球的长度。在纤维经向平面中的折射率为中心对称、值相等且较少。 图5—2 纤维的折射率分布 设：纤维中的直角坐标系的z轴为纤维轴方 向，则 n、y n、z n分别表示纤维中沿x、y、z轴的 x
1、实验目的 装订线 1. 通过实验了解热电材料的Seebeck系数和电阻率的测定方法； 2. 测量在特定温度范围内热电材料电学电学性能随温度的变化 关系； 3. 结合实验结果分析并热电材料电功率因子与温度的关系。2、实验原理 1. 塞贝克系数 塞贝克效应是材料的一个物理性能，是一种由电流引起的可逆热效应或者说是温度差引起的电效应，其示意图如下: 对于两种不同的导体串联组成的回路，在导体b的开路位置y和z之间，将会有一个电位差，称为热电动势，数值是：，当T不是很大时，为常数，定义为两种导体的相对Seebeck系 数，即 （1） Seebeck系数常用的单是uV/K, Seebeck系数的测量原理如下图所示，1、3和2、4分别是NiCr和NiSi热电偶臂。测量时两段温差保持10℃，S两端存在 温差时会产生热电势差Vs，相对于热电偶的其中一个电偶臂 1、3的Seebeck系数为
2. 电阻率 从原理上讲，对电阻为R，长度为L，截面积为A的样品，电导率=R(A/L)。然而，由于半导体热电材料通常电阻率较小，接触电阻相对较大，容易引入实验误差。实验中电阻率的测定采用下图所示的两探针原理以避免接触电阻的影响。电阻率测量在试样两端等温进行，当△T足够小时，才对样本施加测试电流，这是电阻 R=V R/I const， V R为样品两端电压探针的电压降，I const为恒流源电流，取一特定值。为消除附加的Seebeck电压影响，试验通过改变电流方向进行两次电压测量，取其平均值。得R值后，有公式=R(A/L)算出其电阻率。
3、实验设备与装备 测量装置温度由AI-708P智能控制器控制。样品两端电压利用Agilent970A数据采集仪输入微机。 所用电源为恒流源。测量时抽真空以防样品氧化。 4、实验方法与步骤 1. 实验样品的制备方法： 原料称量→悬浮熔炼→（快速凝固→）机械研磨→热压成型（获 得样品） 2. 实验样品的安装 双眼中先将被测样品两端抛光，并真空镀银或覆盖银浆，形成欧姆接触，以保证样品与纯铜夹具间的良好接触。 3. 热电性能的测定 夹好样品后抽真空，然后根据两个AI-708P控制仪中事先设定的升温程序程序升温至不同的温度，在每一个选定的温度，待温度稳定后才开始测量。 4. 数据处理得到的Seebeck系数和电阻率 5、实验结果处理 本次实验采用5#组数据。 1．以Seebeck系数对温度作图： 首先以直线拟合，获得结果为y=-52.1-0.176x 但是由图上各点位置看出，并非理想结果。误差较大。 再以二次曲线拟合，如图： 可见曲线精确度高了不少，此时方程为 y=-188.87+0.54x-0.000935x2 个人认为还是二次曲线比较理想一些。 电阻率对温度作图
文章编号:1007-8827(2015)05-0432-06 石墨片对环氧树脂的热学二力学和电学性能影响 Subhra Gantayat1,2,Gyanaranjan Prusty1,Dibya Ranjan Rout2,Sarat K Swain1 (1.Department of Chemistry,Veer Surendra Sai University of Technology,Burla,Sambalpur768018,India； 2.School of Applied Science(Physics),KIIT University,Bhubaneswar751024,India) 摘要:采用溶液技术制备出膨胀石墨增强环氧树脂复合材料三对石墨进行化学改性以提高与环氧树脂的相容性三采用XRD﹑FE-SEM和HR-TEM对环氧树脂/膨胀石墨复合材料进行表征三与环氧树脂相比,添加质量分数9%膨胀石墨后,该复合材料的热分解温度从340?升高至480?,抗张应力提高30%,导电率由10-15增加至10-5数量级三热学﹑力学和电学性能的显著提高,主要归因于膨胀石墨纳米片在环氧树脂基体中的良好分散性,从而可用于广泛的应用领域三 关键词:膨胀石墨；扫描电镜；透射电镜；导电率 中图分类号:TB332文献标识码:A 通讯作者：Sarat K Swain.E-mail：swainsk2＠yahoo.co.in Expanded graphite as a filler for epoxy matrix composites to improve their thermal,mechanical and electrical properties Subhra Gantayat1,2,Gyanaranjan Prusty1,Dibya Ranjan Rout2,Sarat K Swain1 （1.Department of Chemistry,Veer Surendra Sai University of Technology,Burla,Sambalpur768018,India； 2.School of Applied Science（Physics）,KIIT University,Bhubaneswar751024,India） Abstract:Expanded graphite(EG)-reinforced epoxy composites were prepared by a solution mixing method.The structure and morphology of the EG/epoxy composites were investigated by XRD,FE-SEM and HR-TEM.The EG prepared by acid oxidation and thermal expansion shows good compatibility with the epoxy resin that enters the EG layers to decrease their thickness to60-70nm,owing to its abundant oxygen-containing functional groups.With the addition of9wt%EG,the thermal decomposition temperature of the composite increases from340to480?,the electrical conductivity from10-15to10-5S/cm and the tensile stress is increased by more than30%.These improvements are attributed to the good dispersion of EG sheets in the epoxy matrix. Keywords: Expanded graphite；FE-SEM；HR-TEM；Conductivity Received date:2015-03-05； Revised date:2015-10-08 Corresponding author:Sarat K Swain.E-mail:swainsk2＠yahoo.co.in English edition available online ScienceDirect(http:／／https://www.doczj.com/doc/088457339.html,／science／journal／18725805). DOI:10.1016/S1872-5805(15)60200-1 1 Introduction Polymer matrix composites are multi-phase mate-rials produced by combining polymer resins with rein-forcing fillers having improved properties in compari-son with the matrix materials.Hence,different fillers are used to enhance the physical and mechanical prop-erties of composites.Polymer matrix composites are of scientific and industrial interest because of their en-hanced properties arising from the reinforceing func-tion of nanofillers[1-4].Different conducting fillers such as carbon nanotubes and graphite have been ex-tensively studied because of their ability to increase the mechanical,thermal and electrical properties of the native polymers[5,6]. Epoxy resins are a class of thermoset materials available in various forms from low viscosity liquid to high melting solids,which are widely used as poly-mer matrices in composites,owing to their high strength,low shrinkage,excellent adhesion to sub-strates,chemical resistance and low cost.Most of polymers are generally electrical insulators with very low concentrations of free charge carriers.Thus they are non-conductive and transparent to electromagnetic radiations.This property made them incapable for the use as enclosures for electronic equipments.Hence, these limitations are the causes of growing research activities for electrically conducting polymers.Con-ducting polymers can be either inherently conductive or insulating polymers composited with conductive fillers.Conductive composites are used in light emit-ting devices,batteries,electromagnetic shielding and 第30卷第5期 2015年10月新型炭材料 NEW CARBON MATERIALS Vol.30 No.5 Oct.2015
高分子材料的电学性能 高分子092班学号：5701109061 姓名：林尤琳 摘要：种类繁多的高分子材料的电学性能是丰富多彩的。多数聚合物材料具有卓越 的电绝缘性能，其电阻率高、介电损耗小，电击穿强度高，加之又具有良好的力学性能、耐化学腐蚀性及易成型加工性能，使它比其他绝缘材料具有更大实用价值，已成为电气工业不可或缺的材料。 关键词：高分子材料电学性能静电导电介电常数 高分子材料的电学性能是指在外加电场作用下材料所表现出来的介电性能、导电性能、电击穿性质以及与其他材料接触、摩擦时所引起的表面静电性质等。电学性能是材料最基本的属性之一，这是因为构成材料的原子和分子都是由电子的相互作用形成的，电子相互作用是材料各种性能的根源。电子的微观相互作用同时是产生材料宏观性能，包括电学性能的微观基础。在电场作用下产生的电流、极化现象、静电现象、光发射和光吸收现象都与其材料内部的电子运动相关。深入、系统了解材料的电学性能在材料的制备、应用等方面都具有非常重要的意义。（1） 一、聚合物的介电性 介电性是指高聚物在电场作用下，表现出对静电能的储存和损耗的性质。通常用介电常数和介电损耗来表示。(2) 根据高聚物中各种基团的有效偶极距μ，可以把高聚物按极性的大小分成四类： 非极性（μ＝0）：聚乙烯、聚丙烯、聚丁二烯、聚四氟乙烯等 弱极性（μ≤0.5）：聚苯乙烯、天然橡胶等 极性（μ＞0.5）：聚氯乙烯、尼龙、有机玻璃等 强极性（μ＞0.7）：聚乙烯醇、聚酯、聚丙烯腈、酚醛树脂、氨基塑料等 聚合物在电场下会发生以下几种极化：（1）电子极化，（2）原子极化，（3）偶极极化。聚合物的极化程度用介电常数ε表示 式中：V为直流电压；Qo、Q分别为真空电容器和介质电容器的两极板上产生的电荷；Q’为由于介质极化而在极板上感应的电荷。 非极性分子只有电子和原子极化，ε较小；极性分子除有上述两种极化外，还有偶极极化，ε较大。此外还有以下因素影响ε： （1）极性基团在分子链上的位置。在主链上的极性基团活动性小，影响小；在柔性侧基上的极性基团活动性大，影响大。 （2）分子结构的对称性。分子结构对称的，极性会相互抵消或部分抵消。 （3）分子间作用力。增加分子间作用力（交联、取向、结晶）会使ε较大；减少分子间作用力（如支化）会使ε较小。 （4）物理状态。高弹态比玻璃态的极性基团更易取向，所以ε较大。 聚合物在交变电场中取向极化时，伴随着能量损耗，使介质本身发热，这种现象称为聚合物的介电损耗。通常用介电损耗角正切tanδ来表示介电损耗。一般高聚物的介电损耗时非常小的，tanδ＝10－3～10－4。 介电损耗主要是取向极化引起的，通常ε越大的因素也越会导致较大的介电损耗。非极性聚合物理论上讲没有取向极化，应当没有介电损耗，但实际上总是有杂质（水、增塑剂等）
第六章 材料光学性能分析 一、教学目的 理解并掌握各光学性能、光谱的概念，掌握各光谱仪的测试方法和光谱分析方法。了解光谱仪的结构和测试原理。 二、重点、难点 重点：固体发光原理、荧光光谱测试技术。 难点：荧光光谱测试技术。 三、教学手段 多媒体教学 四、学时分配 6学时 第一节 透射光谱和吸收光谱 材料的光学性能主要包括对光的折射、反射、吸收、透射以及发光等诸多方面，光学性能与材料的某些应用领域密切相关，比如用作反射镜、光导纤维窗口、透镜、棱镜、滤光镜、激光探测器件等。鉴于篇幅，本章着重介绍折射率、色散、透过、吸收以及激发、发射、亮度、效率等发光性能的测试。 一、基本概念 光作为一种能量流，在穿过介质时，能引起介质的价电子跃迁或影响原子的振动而消耗能量。 即使在对光不发生散射的透明介质如玻璃或水溶液中，光也会有能量的损失，即光的吸收。 1.吸收光谱 设有一厚度为x 平板材料，入射光强度设为I 0，通过此材料后光强度为I ′。选取其中一薄层，并认为光通过此薄层的吸收损失-dI 正比于此处光强度 I 和薄层厚度dx ，即: 则可得到光强度随厚度呈指数衰减规律，即朗伯特定律： α为物质对光的吸收系数，单位为cm-1。 d I I d x α-=??' 0x I I e α-=?
α的大小取决于材料的性质和光的波长。对于相同波长的光波，α越大，光被吸收得越多，能透过的光强度就越小。 α随入射光波长(或频率)变化的曲线，叫作吸收光谱。 2.透射光谱 透光性是表征材料被光穿透能力的高低，透光性的好坏可用透过率指标T 来衡量。 透过率T 是指光通过材料后，透过光强度占入射光强度的百分比。剩余光强度应是从初始入射光强度I 0中扣除造成光能衰减的表面上的反射损失、试样中的散射损失和吸收损失等。 一般地，反射、吸收和透过的关系可用下式表示： T ——透过率；R ——反射系数；α——吸收系数； d ——试样厚度，单位cm 。 透过率T 随波长变化的曲线即称为透射光谱曲线。 透射光谱曲线可用分光光度计来测定。 光强的大小用光透过试样照到光电管上产生的电流的大小来表示。 某个波长的光通过空气（作为空白样）后的光强设为I 0，再通过一定厚度 的试样后的光强设为I ′，即可通过I ′/ I 0得到针对该波长的透过率Tλ，如此依次测得其他各波长的透过率就可得到透过率T 随波长变化的透射光谱。 二、光谱测试 1.测试仪器：分光光度计 图6-1 721型分光光度计的光学系统示意图 1—光源 2, 8—聚光透镜 3—反射镜 4—狭缝 5, 12—保护玻璃 6—准直镜 7—色散棱镜 9—比色皿 10—玻璃试样 11—光门 13—光电管 2.透射光谱测试 2 (1)exp() T R d α=--?
常见纤维及分类 常见纤维及分类 纤维：直径数微米或略粗些，长度远大于直径。 纺织纤维：纤维中长度达到数十微米以上，具有一定强度，一定可绕性，互相纠缠抱合性能和其他服用性能而可以生产纺织品。 天然纤维：凡是自然界里原有的或从经人工种植的植物中、人工饲养的动物毛发和分泌液中直接获取的纤维，统称为天然纤维。 棉纤维及其质量检验 成熟度：纤维胞壁细胞的增厚程度分类 马克隆值：一定棉纤维在规定条件下的透气性的量度，以马克隆刻度表示。棉纤维的长度、细度和成熟度与纺纱工艺和其他性能的关系 纤维长度越长，纱强度增强，可纺纱越细，可纺纱越均匀。 质量检验方法：手感目测法；仪器检验；单唛试纺； 毛纤维的正偏皮质的区别及缩绒 正皮质细胞：结构较疏松，含硫量相对少，容易与酶等化学试剂反应，吸湿好，机械性能柔软，抗酸性强。 偏皮质细胞：结构较紧密，含硫量相对较多，不易反应（有较多硫键），酸性染料易着色，吸湿差，机械性能硬，抗酸性弱。 缩绒性：纤维在热湿机械的外力作用下纤维集合体逐渐收缩紧密，并相互
穿插缠绕，交编毡化的过程叫缩绒。羊毛的这种特性称为缩绒。 缩绒性成因: 内因：a、羊毛鳞片存在摩擦效应使运动极端向前;b、羊毛卷曲，运动方向空间轨迹复杂；c、优良的弹性，紧密缠绕（毡化）；外因：热湿（鳞片充分张开），机械外力。 防缩：氯化法、树脂法、氯化—树脂法 手扯长度：用手扯尺量法测得棉纤维的长度。 品质长度：用来确定纺纱工艺的长度指标，比主体长度长的那一部分纤维的加权平均长度。 主体长度：重量最重的那一部分纤维的重量。加权平均长度，含量最多的纤维的长度。 跨距长度：短绒率<20mm或16mm纤维的质量百分比。 特克斯：1000m长的纱线在公定回潮率时的重量克数Nt=1000Gk/L. 公制支数：在公定回潮率时，1克纤维所具有的长度米数。 英制支数：1磅纱线长为840码的倍数Ne=L/840Gk. Ne VS Nt :590.5/Nt*(1+Wk)/(1+Wk’)<自已推导>。 对于纯棉纱：Wk=8.5,Wk’=9.89，Ne=583/Nt. 对纯化纤纱：Wk=Wk’，Ne=590.5/Nt. 对混纺纱：按混合比计算，如涤65/棉35纱 d VS Nt :G=S·L·δ=0.03568 成纤高聚物的条件：线性分子，具有一定的分子量及之间有较强的结合力。纺丝方法 熔体法：涤、锦、乙、丙，融熔温度<分解温度。
第二章 材料电学性能
在很多场合，材料的选择使用受到其电学性能的影响 各种材料的电学性能存在着极大的差异，随着应用场合的不 同，需要选择使用不同的材料 如：导线需要有很高的导电性；而绝缘保护层，则需要高的 电绝缘性
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导体、半导体、绝缘体同时出现在一个电子芯片上
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超导材料及其应用技 术被认为是21世纪具 有战略意义的高新材 料与技术，将在能源、 交通、信息、科学仪 器、医疗装置、国防、 重大科学研究装置等 方面有广泛应用，而 且是一种其它技术无 法替代的高新技术
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绝缘材料的应用
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纳米ZnO2带的TEM像
超 长 纳 米 SnO2 带 (A) 的SEM和TEM像(B)
2002年乔治亚理工王中林教授等成功合成了诸如ZnO、SnO2、In2O3和Ga2O3等一系 列半导体氧化物纳米带，纳米带呈现高纯、结构均匀和单晶体，几乎无缺陷和位 错；纳米线呈矩形截面，典型宽度为20-300nm，宽厚比为5-10，长度可达数毫米 这种半导体氧化物纳米带是一种理想的材料体系，可以用来研究载流子维度受限 的输运现象和制造基于这一性能的功能器件
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美国凤凰城（Phoenix）和阿里桑那洲（Arizona）的莫托罗拉实验室的科学家们，在 2001年9月宣布，他们借助在硅和砷化镓之间生长一个钛酸锶（SrTiO3）的界面层的 方法，在大直径硅衬底上淀积高质量化合物半导体GaAs单晶薄膜获得成功 大直径GaAs/Si复合片材的研制成功不仅给以GaAs、InP为代表的化合物半导体（激 光）产业带来挑战，而且以其廉价，可克服GaAs、InP大晶片易碎和导热性能差等缺 点以及与目前标准的半导体工艺兼容等优点受到关注 最大的一个潜在应用是为实现人们长期以来的梦想━━光电子器件与常规微电子器 件和电路在一个芯片上的集成提供技术基础 6
LED的电学特性、光学特性及热学特性 led是利用化合物材料制成pn结的光电器件。它具备pn结结型器件的电学特性：I-V 特性、C-V特性和光学特性：光谱回应特性、发光光强指向特性、时间特性以及热学特性。LED电学特性 A. I-V特性 表征LED芯片pn结制备性能主要参数。LED的I-V特性具有非线性、整流性质：单向导电性，即外加正偏压表现低接触电阻，反之为高接触电阻。 （1）正向死区：（图oa或oa′段）a点对于V0 为开启电压，当V＜Va，外加电场尚克服不少因载流子扩散而形成势垒电场，此时R很大；开启电压对于不同LED其值不同，GaAs为1V，红色GaAsP为1.2V，GaP为1.8V，GaN为2.5V。 （2）正向工作区：电流IF与外加电压呈指数关系 IF = IS (e qVF/KT –1) -------------------------IS 为反向饱和电流。 V＞0时，V＞VF的正向工作区IF 随VF指数上升IF = IS e qVF/KT （3）反向死区：V＜0时pn结加反偏压 V= - VR 时，反向漏电流IR（V= -5V）时，GaP为0V，GaN为10uA。 （4）反向击穿区V＜- VR ，VR 称为反向击穿电压；VR 电压对应IR为反向漏电流。当反向偏压一直增加使V＜- VR时，则出现IR突然增加而出现击穿现象。由于所用化合物材料种类不同，各种LED的反向击穿电压VR也不同。 B . C-V特性 LED的芯片有9×9mil (250×250um)，10×10mil，11×11mil (280×280um)， 12×12mil (300×300um)，故pn结面积大小不一，使其结电容（零偏压）C≈n+pf 左右。 C-V特性呈二次函数关系（如图2）。由1MHZ交流信号用C-V特性测试仪测得。 C.最大允许功耗PF m 当流过LED的电流为IF、管压降为UF则功率消耗为P=UF×IF LED工作时，外加偏压、偏流一定促使载流子复合发出光，还有一部分变为热，使结温升高。若结温为Tj、外部环境温度为Ta，则当Tj＞Ta时，内部热量借助管座向外传热，散逸热量（功率），可表示为P = KT（Tj – Ta）。 D.回应时间 回应时间表征某一显示器跟踪外部资讯变化的快慢。现有几种显示LCD（液晶显示）约10-3~10-5S，CRT、PDP、LED都达到10-6~10-7S（us级）。 LED光学特性 发光二极体有红外（非可见）与可见光两个系列，前者可用辐射度，后者可用
常用纤维一般鉴别法 此外，还可将纤维试样放入试管中进行加热，用经水湿润的试纸在试管口检验，热解释放出气体是酸性，中性或碱性 酸性------棉，麻，粘胶铜铵醋酯维纶氯纶 中性------丙纶睛纶 碱性------羊毛，蚕丝，锦纶，经甲醛树脂处理的粘胶等 纺织纤维概述 纺织纤维应具有的特性： 物理---机械性能化学性能光化学性能等 1.物理---机械性能：纺织纤维除了要有一定的光泽和手感外，还应具备一定的长度，一般在10mm以上才有纺 织价值。热性能方面能耐一定的高温而不分解，耐一定的低温而不使僵硬，同时具有较好的绝热性，机械性能方面：要具有一定的强度，延伸性弹性等以适应纺织加工时和穿着时受到的拉伸，揉搓，摩擦，折叠等机械作用，还要具有一定的吸湿性能以增加纤维柔韧性和穿着的舒服感 2.化学性能：纺织纤维要具备一定耐水性，耐化学药品和可染性，还要求纺织纤维具有耐日光，耐紫外线，耐 大气性能等 纤维素纤维的性质 1.纤维素与碱的作用：在常温下，浓的氢氧化钠溶液会使天然素纤维膨化，纵向收缩，直径增大，如设法施加 张力，防止收缩，并及时洗除碱后，可使纤维获得丝一样的光泽，这就是丝光 2.纤维素与酸的作用：纤维素纤维与酸后，常表现出纤维的手感变硬，强度严重降低，甚至全部炭化 3.纤维素与氧化剂的作用：纤维素一般不受还原剂的影响，而氧化剂则能使纤维素变性，纤维被氧化为氧化纤 维素 粘胶纤维 粘胶纤维属纤维素纤维之列，是化学纤维中再生纤维素纤维 性能：粘胶纤维表面比棉纤维光滑，所以光泽比棉强，它的机械性质如强度，耐磨性较差，但因无定形结构多且较为疏松，所以吸湿性好，上染率高，透气性好
纳米材料的特性 美国著名物理学家，1965年诺贝尔物理奖获得者R.P Feynman 在1959年曾经说过：“如果有一天能按人的意志安排一个个原子分子将会产生什么样的奇迹”，纳米科学技术的诞生将使这个美好的设想成为现实。 纳米材料是纳米科学技术的一个重要的发展方向。纳米材料是指由极细晶粒组成，特征维度尺寸在纳米量级（1~100nm）的固态材料。由于极细的晶粒，大量处于晶界和晶粒内缺陷的中心原子以及其本身具有的量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等，纳米材料与同组成的微米晶体（体相）材料相比，在催化、光学、磁性、力学等方面具有许多奇异的性能，因而成为材料科学和凝聚态物理领域中的研究热点。 固体材料的光学性质与其内部的微结构，特别是电子态、缺陷态和能级结构有密切的关系。 纳米结构材料在结构上与常规的晶态和非晶态体系有很大的差别，表现为：小尺寸、能级离散性显著、表（界）面原子比例高、界面原子排列和键的组态的无规则性较大等。这些特征导致纳米材料的光学性质出现一些不同于常规晶态和非晶态的新现象。 1、宽频带强吸收性 大块金属具有不同的金属光泽，表明它们对可见光中的各种波长的光的反射和吸收能力不同。当尺寸减小到纳米级时，各种金属纳米粒子
几乎都呈黑色，它们对可见光的反射率极低，而吸收率相当高。例如，Pt纳米粒子的反射率为1%，Au纳米粒子的反射率小于10%。 纳米SiN、SiC以及Al2O3粉等对红外有一个宽频强吸收谱。 不同温度退火下纳米Al2O3材料的红外吸收谱 纳米材料的红外吸收谱宽化的主要原因： （1）尺寸分布效应：通常纳米材料的粒径有一定的分布，不同的颗粒的表面张力有差异，引起晶格畸变程度的不同，这就导致纳 米材料键长有一个分布，造成带隙的分布，这是引起红外吸收 宽化的原因之一。 （2）界面效应：界面原子的比例非常高，导致不饱和键、悬挂键以及缺陷非常多，界面原子除与体相原子能级不同外，相互之间 也可能不同，从而导致能级分布的展宽，与常规大块材料不同，