无机非金属材料的光学性质
无机非金属材料简介
目
录
一、材料的地位及分类 二、无机非金属材料 三、无机非材料的分类 四、传统无机非材料简介 五、新型无机非材料简介 六、我国无机非金属现状 七、无机非金属材料展望
什么是材料？
材料：指为人类社会所需要并能
用于制造有用器物的质。 材料是人类赖以生存和发展的 物质基础，是人类进步的一个重要里 程碑。
（3） 环境污染严重 水泥工业每年排放 温室气体 CO2 约 5.55 亿吨、SO2 68.6 万吨、 NOx 约 206 万吨；目前其他先进 国家平均吨熟料的粉尘排放1Kg，而 我国 高达 13Kg，全国水泥生产年排放的粉尘 竟高达 1000 万吨以上
（4） 单线生产规模小，落后工艺 大量存在 以悬浮预热和预分解技 术为核心技术的“新型干法”工艺， 是目 前世界水泥工业普遍采用的 最先进的现代化水泥生产技术。
无机非金属 材料
传统无机 非金属材料 新型无机 非金属材料
材 料
金属材料 高分子材料
1.无机非金属材料 是以某些元素的 、 、 、 、 以及 、 、 、 等物质组成的材料。 2.无机非金属材料的提法是20世纪40年代以后， 随着现代科学技术的发展从 演变 而来的，是与有机高分子材料和金属材料并列的 。
新型无机非材料：
新型的无机非金属材料主要指 用氧化物、氮化物、碳化物、 硼化物、硫化物、硅化物以及 各种无机非金属化合物经特殊 的先进工艺制成的具有特殊性 质和用途的材料。例如铁电、 压电陶瓷、微晶玻璃、光导纤 维等。
其他分类方法：
按照材料中的主要成分分类，有硅酸盐、铝酸盐、钛酸盐、磷
酸盐、氧化物、氮化物、碳化物材料等； 根据材料的用途分，有日用、建筑、化工、电子、航天、通信、 生物、医学材料等； 根据材料的性质分，有胶凝、耐火、隔热、耐磨、导电、绝缘、 耐腐蚀、半导体材料等 ；根据材料的物质状态分，有晶体(单晶体、多晶体、微晶体)、 非晶体及复合材料等, 材料的外观形态分,有块状、多孔、纤维、晶须、薄膜材料等。
石英玻璃应力双折射
石英玻璃应力双折射简介石英玻璃是一种无机非金属材料，具有优异的光学性能和机械性能。
它的特点之一是应力双折射现象，即在应力作用下，光线在材料内部的传播速度和方向发生改变。
本文将详细介绍石英玻璃的应力双折射现象，包括原理、测量方法以及应用领域。
应力双折射原理应力双折射是指在材料内部存在应力时，光线在材料内部的传播速度和方向发生改变的现象。
石英玻璃是一种各向同性材料，即其物理性质在各个方向上都是相同的。
然而，当材料受到外界应力的作用时，其内部结构会发生改变，从而导致光线的传播性质发生变化。
具体来说，当石英玻璃受到拉伸应力时，其结构会发生畸变，导致光线的传播速度在不同方向上发生差异。
这种差异会导致光线的折射角度发生变化，从而使光线的传播方向发生改变。
这就是应力双折射现象的基本原理。
应力双折射测量方法为了测量石英玻璃的应力双折射现象，科学家们发展了多种方法。
以下是常用的两种方法：1. 传统方法传统方法是通过测量光线的折射角度来确定材料的应力双折射程度。
具体步骤如下：•准备一束平行光束，并将其照射到石英玻璃样品上。
•测量光线经过样品后的折射角度。
•根据折射角度的变化，计算出应力双折射的程度。
传统方法的优点是简单易行，但存在一些局限性。
首先，它只能测量到与光束平行的方向上的应力双折射。
其次，由于测量的是折射角度的变化，所以无法直接获得应力的具体数值。
2. 全息干涉法全息干涉法是一种基于全息干涉原理的测量方法，可以直接测量材料中的应力分布。
具体步骤如下：•将石英玻璃样品放置在全息干涉仪的工作台上。
•通过激光器发出一束平行光束，并将其照射到样品上。
•根据光的干涉现象，观察样品表面的干涉条纹。
•根据干涉条纹的形态和间距，推导出样品中的应力分布情况。
全息干涉法的优点是可以直接测量应力的分布情况，并且对于不同方向上的应力双折射也能得到准确的测量结果。
然而，该方法需要专门的设备和技术支持，成本较高。
应力双折射的应用领域石英玻璃的应力双折射现象在许多领域都有重要应用，以下是其中的几个示例：1. 光学器件制造石英玻璃是一种常用的光学器件材料，如透镜、棱镜等。
无机非金属材料ppt课件
05
CATALOGUE
无机非金属材料的未来发展趋 势与挑战
发展趋势
01
高性能陶瓷材料
由于其优异的性能，陶瓷材料在许多领域都有广泛的应用，如航空航天
、汽车、医疗等。未来，陶瓷材料的研究将更加深入，应用领域更加广
泛。
02
纳米无机非金属材料
纳米无机非金属材料由于其尺寸效应和量子效应，具有许多优异的性能
THANKS
感谢观看
。随着纳米科技的不断发展，纳米无机非金属材料的研究和应用也将得
到更广泛的推广。
03
绿色无机非金属材料
随着环保意识的不断提高，绿色无机非金属材料将成为未来研究的热点
。这类材料具有低能耗、低污染、高循环利用的特点，符合可持续发展
的要求。
挑战与问题
材料性能的提升
尽管陶瓷等无机非金属材料的性能已经有所提升，但是与金属材料相比，仍然存在一定的 差距。因此，提高无机非金属材料的性能是当前面临的一个重要挑战。
02
CATALOGUE
无机非金属材料的性质与用途
性质
01
02
03
04
一般性质
无机非金属材料具有较高的熔 点、硬度，良好的化学稳定性
，但脆性较大。
力学性质
无机非金属材料具有较高的抗 压强度、抗拉强度，耐磨性较
好，但韧性较差。
电学性质
无机非金属材料具有较好的绝 缘性能和导热性能。
光学性质
无机非金属材料具有较好的光 学性能，如透光性、反射性等
根据性质和用途，无机非金属材料可 分为陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料等 几大类。
无机非金属材料的重要性
无机非金属材料在国民经济发展中扮演着重要角色，特别是 在高技术领域，如航空航天、电子、新能源等领域具有不可 替代的作用。
无机非金属类功能材料简介
*
当光入射到由大量粒子所组成的系统时，光的吸 收、自发辐射和受激辐射三个基本过程是同时存在的。 在热平衡状态，高能级上的粒子数总是小于低能级上 的粒子数，产生激光作用的必要条件是使原子或分子 系统的两个能级之间实现粒子数反转。
★ 固体激光器材料
1．激活离子
固体激光工作物质要在基质晶体中掺入适量的 激活离子。激活离子的作用是在固体中提供亚稳态 能级，由光泵作用激发振荡出一定波长的激光。目 前激活离子来自三价和二价的铁系、镧系和锕系元 素。激光的波长是由激活离子的种类决定的。
照相底片中的agbr经曝光后分解出ag和br经显影定影后ag被固定下来而br却溶于定影液中不能再结合?而光色玻璃种的卤素不能逸出ag也不能自由运动无光照时二者可再结合光色材料一个重要用途是作为光存储材料由于光色材料的颜色在光照下发生可逆变化所以产生两种型式的光学存储即写入型与消除型写入型是用适当的紫光或紫外线辐射来转换最初处于热稳定或非转换态的材料
3.1.4 红外材料
在红外线应用技术中，要使用能够透过红外线 的材料，这些材料应具有对不同波长红外线的透过 率、折射率及色散，一定的机械强度及物理、化学 稳定性。
在红外技术中作为光学材料使用的晶体主要有 碱卤化合物晶体、碱土—卤族化合物晶体、氧化物 晶体、无机盐晶体及半导体晶体。
应用于滤光片、基板等方面。在火箭、导弹、 人造卫星、通讯、遥测等使用的红外装置中被广泛 地用作窗口和整流罩等。
★ 光学介质材料可以以折射、反射和透射的方式 改变光线的方向、强度和位相，使光线按预定的要 求传输；也可以吸收或透过一定波长范围的光线而 改变光线的光谱成分。其主要性能参数有两个：光 谱通过率和光学色散，即不同波长下的透过率和折 射率。光学介质材料从形态及组成上可分为5类： 光学玻璃、光学晶体、光学塑料、光学薄膜和光学 纤维。
无机非金属材料工学知识点总结
1. 为什么北方常采用烧氧化焰而南方烧还原焰？答：我国北方制瓷原料大多采用二次高岭土与耐火粘土，含铁较少而含氧化钛、有机物较多，坯体粘性和吸附性较强，适宜用氧化气氛烧成。
南方制瓷原料大多采用原生高岭土和瓷石，含铁量较多而含氧化钛、有机物较少，粘性和吸附性较小，适宜用还原气氛烧成。
2. 与金属材料相比，无机非金属材料在性能上有那些特点？原因是什么？答：无机非金属材料的化学组分主要由元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、硼化物、以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐和非氧化物等物质，其化学键主要为离子键或离子一共价混合键。
因此，无机非金属材料的基本属性主要体现为高熔点、高硬度、耐腐蚀、耐磨损、高抗压良好的抗氧化性、隔热性，优良的介电、压电、光学、电磁性能及其功能转换特性等。
但大多数无机非金属材料具有抗拉强度低、韧性差等缺点。
3. 玻璃浮法成型的原理？答：玻璃液从池窑连续流入并浮在有还原气氛保护的锡液上，由于各物相界面张力和重力的综合作用，摊成厚度均匀，上下两平面平行，平整和火抛光的玻璃带，经冷却硬化后脱离锡液，再经退火、切割而得到浮法玻璃。
4. 采用陶瓷注浆成型时坯料应满足哪些要求？为什么？答：1）流动性好。
保证泥浆浇注成形时要能充满模型的各个部位。
2）悬浮性好。
浆料中各种固体颗粒能在较长的一段时间悬浮而不沉淀的性质称为泥浆的悬浮性。
它是保证坯体组分均匀和泥浆正常输送、贮放的重要性能之一。
3）触变性适当。
受到振动和搅拌时，泥浆粘度会降低而流动性增加，静置后又恢复原状，此外，泥浆放置一段时间后，在维持原有水分的情况下也会变稠，这种性质称为触变性。
泥浆触变性过大，容易堵塞泥浆管道，且坯体脱模后易塌落变形；触变性过小，生坯强度较低，影响脱模和修坯。
4）滤过性好。
滤过性也称渗模性，是指泥浆能够在石膏模中滤水成坯的性能。
滤过性好，则成坯速率较快。
当细颗粒过多时，易堵塞石膏模表面的微孔脱水通道，不利于成坯。
熟料和瘠性原料较多时有利于泥浆的脱水成坯。
硅-无机非金属材料
新型无机非金属材料-几种新陶瓷
高温结构陶瓷：Si3N4. SiC陶瓷发动机） 生物陶瓷：Al2O3陶瓷假牙、氧化锆、 压电陶瓷：钛酸钡、钛酸铅。
硅（Si）
4.工业制法 SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O
SiO2 + 4HF = SiF4↑ + 2H2O
3工业生产玻璃的两个反应原理:
SiO2 + Na2CO3 高温 Na2SiO3 + CO2↑ SiO2 + CaCO3 高温 CaSiO3 + CO2↑
硅酸盐和无机非金属材料玻璃
生产原料: 黏土、长石、 Na2SiO3的水溶液（水玻璃） 硅酸盐多用氧化物表示。 山水牌、东岳牌“水泥”、杜村的玻璃、 淄博的陶瓷、 景德镇的瓷器、砖瓦
硅酸盐和无机非金属材料玻璃
生产原料：纯碱、石灰石、石英 （Na2CO3.CaCO3.SiO2）
生产设备：玻璃熔炉 强热 反应原理：
SiO2 + Na2CO3 高温 Na2SiO3 + CO2↑
2CaO·SiO2 3CaO·Al2O3 主要特性：水泥具有水硬性——建材、特种水泥 混凝土、钢筋混凝土。
硅酸盐和无机非金属材料陶瓷-最早
生产原料: 黏土（Al2O3·2SiO2·2H2O ） 生产设备: 陶瓷窑、高温烧制 生产过程: 混合-成型-干燥-烧结-冷却 主要性质: 抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、
高纯硅的一般纯度要求达到99.9999%, 甚至达到 99.9999999%以上。
硅（Si）
5.用途（性质稳定、半导体） 制造晶体管、集成电路、（芯片）硅整流器 太阳能电池 硅合金钢： 含硅4％ -- 变压器铁芯 含硅15％-- 耐酸钢
新型无机非金属材料
新型无机非金属材料新型无机非金属材料是指一类不含金属元素的材料，通常由非金属元素或化合物组成。
这些材料具有独特的物理和化学性质，广泛应用于电子、光电、能源、环境保护等领域。
本文将介绍几种常见的新型无机非金属材料及其应用。
1. 碳纳米管碳纳米管是由碳原子以特定的结构排列而成的纳米级管状结构材料。
它具有极高的强度和导电性能，被广泛应用于电子器件、传感器、储能材料等领域。
碳纳米管还具有良好的导热性能，可用于制备高性能的导热材料。
2. 石墨烯石墨烯是一种由碳原子以二维晶格排列而成的材料，具有极高的导电性和导热性，同时具有优异的机械性能。
石墨烯被广泛应用于电子器件、柔性显示器、传感器等领域，同时也被用于制备高强度的复合材料。
3. 二氧化硅纳米颗粒二氧化硅纳米颗粒是一种由二氧化硅组成的纳米级颗粒材料，具有较大的比表面积和优异的光学性能。
它被广泛应用于光学涂料、生物传感器、纳米药物载体等领域，同时也被用于制备高性能的隔热材料。
4. 氧化锌纳米颗粒氧化锌纳米颗粒是一种由氧化锌组成的纳米级颗粒材料，具有优异的光电性能和光催化性能。
它被广泛应用于太阳能电池、光催化材料、柔性电子器件等领域，同时也被用于制备高性能的抗菌材料。
5. 硼氮化物硼氮化物是一种由硼和氮元素组成的化合物材料，具有极高的硬度和热导率，同时具有优异的化学稳定性。
硼氮化物被广泛应用于超硬刀具、高温陶瓷、热导材料等领域，同时也被用于制备高性能的电子器件。
总的来说，新型无机非金属材料具有独特的物理和化学性质，广泛应用于电子、光电、能源、环境保护等领域。
随着纳米技术和材料科学的发展，新型无机非金属材料的研究和应用将会得到进一步的推动，为各个领域的发展带来新的机遇和挑战。
无机非金属材料
无机非金属材料（1）主讲：黄冈中学优秀化学教师汪响林一、传统硅酸盐材料1、传统硅酸盐材料简介(1）含义：在材料家族里，有一类非常重要的材料叫做无机非金属材料。
最初无机非金属材料主要是指硅酸盐材料，所以硅酸盐材料也称为传统无机非金属材料.像陶瓷、玻璃、水泥等材料及它们的制品在我们日常生活中随处可见.由于这些材料的化学组成多属硅酸盐类，所以一般称为硅酸盐材料。
（2）原料:传统硅酸盐材料一般是以黏土（主要成分为）、石英（主要成分为SiO2）、钾长石（主要成分为）和钠长石（主要成分为）等为原料生产的。
(3)结构和性质特点:这些原料中一般都含有硅氧四面体——结构单元。
由于硅氧四面体结构的特殊性，决定了挂酸盐材料大多具有稳定性强、硬度高、熔点高、难溶于水、绝缘、耐腐蚀等特点。
2、陶瓷(1)原料：黏土（2)设备：窑炉（3)工序:混合→成型→干燥→烧结→冷却→陶瓷器（4）原理：高温下，复杂的物理化学变化。
（5)种类:土器、瓷器、炻器等.(6）彩釉：烧制前，在陶瓷制品胚体表面涂一些含金属及其化合物的釉料，在烧结过程中因窑内空气含量的变化而发生不同的氧化还原反应，即产生表面光滑、不渗水且色彩丰富的一层彩釉。
彩釉中的金属元素烧制时空气用量与彩釉颜色空气过量空气不足黄、红、褐、黑蓝、绿黄绿红紫、褐褐、黑褐黄、绿、褐蓝绿蓝、淡蓝蓝（7）特性：抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘、易成型等许多优点。
3、玻璃(1）原料：纯碱、石灰石、石英砂(2）设备：玻璃熔炉（3）工序：原料粉碎→加热熔融→澄清→成型→缓冷→玻璃（4)原理:高温下，复杂的物理化学变化。
主要反应:(5）种类及特性：种类特性用途普通玻璃在较高温度下易软化窗玻璃、玻璃器皿等石英玻璃膨胀系数小、耐酸碱、强度大、滤光化学仪器、高压水银灯、紫外灯罩等光学玻璃透光性好、有折光性和色散性眼镜、照相机、显微镜和望远用透镜等玻璃纤维耐腐蚀、耐高温、不导电、隔热、防虫蛀玻璃钢、宇航服、光导、通信材料钢化玻璃耐高温、耐腐蚀、高强度、抗震裂运动器材、汽车、火车用窗玻璃等有色玻璃蓝色（含）、红色（含）、紫色(含）、绿色（含）、普通玻璃的淡绿色（含二价铁)4、水泥(1)原料:黏土、石灰石、辅助原料(2）设备：水泥回转窑（3)工序：原料研磨得生料→生料煅烧得熟料→再配以适量辅料(石膏、高炉矿渣、粉煤灰等）→研磨成细粉→水泥(4)原理:复杂的物理化学变化。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
3、光子能量 energy E of a photon E＝hc／λ＝hν
FIGURE 19.2
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
4-5-2 吸收、反射和透射
物质 n（折射率） 物质 n（折射率）
空气 Al2O3 CaF2 Cl2（气体） Cl2（液体） 金刚石 H2O（水） H2O（冰） 聚四氟乙烯 醋酸纤维素 聚甲基丙烯酸甲酯 聚丙烯 酚醛树脂 环氧树脂 低密度聚乙烯 聚碳酸酯
1.000277 1.63-1.68 1.43 1.000768 1.385 2.417 1.33 1.30 1.35 1.48-1.50 1.49 1.49 1.50-1.70 1.5-1.6 1.51 1.59
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 (refraction index)不均匀性产生的光散射 聚合物透明带色，选择性吸收 结晶聚合物通常是半透明(translucent)或不透明 (opaque)的
在电磁波谱的可见光区：金属和半导体的吸收系数很大； 电介质材料吸收系数小。 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
选择吸收 均匀吸收
λ = hc/Eg
2、光的反射 (reflection) 镜反射、漫反射 吸收----发射 折射 (refraction index)
4-5 材料的光学性能 optical properties of materials
• Basic principles and concepts relating to interactions of electromagnetic radiation (visible light) with solid materials(atoms). • Refraction, reflection, absorption, and transmission of incident light,and their relationship. • mechanism of absorption and emission of electromagnetic radiation in materials • transparency ,translucency and opacity of materials • index of refraction and its application • luminescence, photoconductivity,and light amplification (lasers)
玻璃（重燧石） 玻璃（锌牌） KCl KF NaCl 石英 熔融石英 SrO 聚丙烯腈 天然橡胶 聚酰胺 高密度聚乙烯 聚氯乙烯 氯丁橡胶 聚苯乙烯
1.65 1.52 1.49 1.36 1.54 1.54 1.47 1.87 1.51 1.52 1.53-1.55 1.54 1.54-1.56 1.55 1.59
R=(n-1)2/(n+1)2
FIGURE 19.8
4、折射指数 Refraction Index 折射来源于光线通过透明材料时，由于介质的电子极化
使得光速降低，光线在界面弯曲的现象。 折射指数的大小与介质的性质（原子或离子的尺寸、介电 常数、磁导率等）和波长相关
表4-5-2 各种材料在室温对可见光的折射率
n21=sini/sinr
W n21 1 m W n21 1
m :反射系数 R:反射率
2
（1-m）：透射系数
FIGURE 19.4
FIGURE 19.5
Figure19.6.
3、光的透射(transmission) I＝I0e－αx 透射率：T＝（1－R）2e－αl 透射率T(transmissivity)、反射率R(reflectivity)、吸 收率1 The transmissivity T of a transparent material 20 mm thick to normally incident light is 0.85. If the index of refraction of this material is 1.6, compute the thickness of material that will yield a transmissivity of 0.75. All reflection losses should be considered. Solution
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；
（2）金属的反射，是由吸收再反射综合造成的
反射率具有频率依赖性
对于红外辐射则透明
6、无机非金属材料的光学性质
（1）对红外线有一定程度的吸收 （2）吸收可见辐射，且不透明（半导体） （3）绝缘体倾向于对可见辐射透明 Eg大 （4）漫透射——由多次内反射造成 （5）加工过程中留下孔洞而不透明 1% 陶瓷
1、光的吸收( photon absorption) （1）光吸收的一般规律朗伯特定律
I＝I0e－αx
Absorbed intensity
---吸收系数 Absorption coefficient
空气: ≈10-5cm-1
玻璃: ＝10-2cm-1
金属: 则达几万到 几十万
（2）光吸收与光波长radiation absorption and wave length
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、光和物质的相互作用——取决于物质电磁性质的 基本参数。电导率、介电常数和磁导率
2、相互作用是由电子跃迁和极化效应实现的