材料的光学性能材料物理
材料物理性能及测试
材料物理性能及测试材料的物理性能是指材料在物理方面的性质和行为，包括材料的力学性能、热学性能、电学性能以及光学性能等。
这些性能对于材料的使用和应用起着重要的作用。
为了准确地评估和测试材料的物理性能，科学家和工程师使用了各种测试方法和仪器设备。
一、力学性能力学性能是衡量材料在外力作用下的行为的一种性能。
主要指材料的强度、韧性、硬度、延展性等。
常用的测试方法包括拉伸测试、压缩测试、剪切测试和弯曲测试等。
1.拉伸测试拉伸测试是一种常见的方法，用来评估材料的强度和延展性。
在拉伸测试中，材料样品被施加拉伸力，通常通过测量载荷和伸长量来计算拉伸应力和应变。
拉伸强度是指材料在拉伸过程中承受的最大应力，屈服强度是指材料开始产生可观察的塑性变形的应力。
2.压缩测试压缩测试用于测量材料在受压力下的性能。
将材料样品放入压力装置中，施加压力使其受到压缩，通过测量载荷和位移来计算压缩应力和应变。
压缩强度是指材料在压缩过程中承受的最大应力。
3.剪切测试剪切测试用于评估材料的抗剪切能力。
将材料样品放入剪切装置中，施加剪切力使其发生剪切变形，通过测量载荷和位移来计算剪切应力和应变。
剪切强度是指材料在剪切过程中承受的最大应力。
弯曲测试用于评估材料在弯曲载荷下的行为。
将材料样品放入弯曲装置中，施加弯曲力使其发生弯曲变形，通过测量载荷和位移来计算弯曲应力和应变。
弯曲强度是指材料在弯曲过程中承受的最大应力。
二、热学性能热学性能是指材料在温度变化下的行为。
主要包括热膨胀性、热导率、比热容等性能。
常用的测试方法包括热膨胀测试、热导率测试和比热容测试等。
1.热膨胀测试热膨胀测试用于测量材料随温度变化而发生的膨胀或收缩。
在热膨胀测试中，材料样品被加热或冷却，通过测量长度变化来计算热膨胀系数。
2.热导率测试热导率测试用于测量材料传导热的能力。
在热导率测试中，材料样品的一侧被加热，另一侧被保持在恒定温度，测量两侧温度差来计算热导率。
3.比热容测试比热容测试用于测量材料吸热或放热的能力。
材料物理知识点
材料物理知识点材料物理是研究物质的结构、性质和行为的学科，涉及到多个领域，包括固体物理学、材料科学和化学等。
本文将以“材料物理知识点”为标题，介绍一些与材料物理相关的重要知识。
1.原子结构和晶体结构材料物理的基础是对原子结构的认识。
原子由原子核和围绕核运动的电子组成。
不同元素的原子核中有不同数量的质子和中子，而电子的数量则决定了原子的化学特性。
晶体是由原子、分子或离子按照一定的规则排列而成的固体，晶体结构的特征决定了材料的宏观性质。
2.晶体缺陷晶体中可能存在各种缺陷，如点缺陷、线缺陷和面缺陷。
点缺陷是指原子位置的变化，如空位、间隙原子和替代原子等。
线缺陷是沿晶体内部存在的缺陷，如位错和螺旋线等。
面缺陷是晶体表面或晶界上的缺陷，如晶界、堆垛错误和孪生等。
晶体缺陷的存在对材料的性能有重要影响。
3.材料的力学性能材料的力学性能是指材料在外力作用下的变形和破坏行为。
材料的力学性能包括弹性模量、屈服强度、断裂韧性等指标。
弹性模量是材料在应力作用下的单位应变量，衡量了材料的刚度。
屈服强度是指材料开始塑性变形的应力值，断裂韧性则反映了材料抵抗断裂的能力。
4.材料的导电性和磁性材料的导电性和磁性是材料物理中的重要研究方向。
导电性是指材料对电流的导电能力，与材料中的自由电子浓度和移动性有关。
金属是良好的导电材料，而绝缘体则是导电性很差的材料。
磁性是指材料对磁场的响应能力，材料可以是顺磁性、抗磁性、铁磁性或反铁磁性。
5.半导体材料半导体是介于导电材料和绝缘体之间的一类材料。
半导体的导电性能可以通过施加外界电场或控制温度来调节。
半导体材料在电子学和光电子学中有广泛应用，如晶体管、光电二极管和太阳能电池等。
6.材料的光学性能材料的光学性能与材料与电磁辐射的相互作用有关。
材料的折射率、透明度和吸收系数等光学性能参数决定了材料对光的传播和吸收能力。
材料的光学性能在材料科学和光电子学等领域具有重要应用。
总结：材料物理是研究物质结构、性质和行为的学科。
材料物理性能-第3章-光学性能
四. 光的吸收
红外光区各有一个吸收峰原因？
在红外区的吸收峰是因为离子的弹性振动与光子辐
射发生谐振消耗能量所致，材料发生振动的固有频率由 γ2 = 2β(
离子间结合力决定。
γ2 = 2可见光区，即吸收峰处的频率应 尽可能小，那么，与之共振的材料热振频率γ就要小 。
三. 光的反射
2.全反射 光束从折射率n1较大的光密介质进入折射率n2较小的
光疏介质，即n1 ＞ n2，则折射角大于入射角，因此只要 入射角达到某一值时，就可以发生全反射。
利用全反射原理，人们制作了一种新型光学元件---光导纤维（或称光纤），可实现在纤维弯曲处不发生光 透射损失。
四. 光的吸收
1.光的吸收与吸收系数
3.2 光通过介质的现象
一. 线性光学性能
介质极化强度P与入射光波的电场强度E成线性关系：
p e0E
单一频率光入射到非吸收透明介质中时，其频率不 发生变化。
不同频率光同时入射到介质中时，各光波之间不发生 相互耦合，也不产生新的频率光波。
两束光相遇，若是相干光则产生干涉；若是非相干光 则有光强叠加。
同质异构体：高温时的晶型折射率较低，低温时的晶型 折射率较高。相同化学组成的玻璃比晶体的折射率低。
各向同性材料：受拉沿拉伸方向n小，垂直方向n大；受 压时，变化相反。
三. 光的反射
1.反射与反射系数
W = W′+ W〞 W为入射光的单位能量 流，W′、W〞分别为反 射光和折射光的单位能 量流 。
朗伯特定律 ： I = I0 e – αx 入射光强度为I0，透射光强度为I ，α 是物质的吸收系数
表明光强随厚度变化符合指数衰 减规律。α越大、材料越厚，光就被 吸收得越多，因而透过的光强度就 越小。
材料物理性能
量子自由电子理论的主要内容：金属中正离子形成的电场是均匀的，价电子不被原子所束缚，可以在整个金属中自由地运动。
满带：全带中每一能级都被都被两个电子占据的能带。在能带图中满带是在最下方，该处电子能量低，不足以参加物理过程（除非受激发），因此满带没有导电性。
线膨胀系数：温度升高1K时，物体的相对伸长。
线性振动：是指质点间的作用力与距离成正比。
热膨胀和结合能、熔点的关系:固体材料的热膨胀与晶体点阵中质点的位能性质有关，而质点的位能性质是由质点间的结合力特性所决定的。所以，质点间结合力强 ，热膨胀系数小.熔点也取决于质点间的结合力。所以熔点高的材料膨胀系数小。
空带：所属各能级上没电子的能带。因此也无导电性。
价带：与原子中价电子的能量相对应的能带。在半导体或电绝缘体中，价带是满带中能量最高的能带。由于热激发、光辐射或掺入杂质等原因，价带可能失去少量电子，留下空穴，从而产生空穴导电性。
导带：最靠近价带而能量较高的能带.这是除去完全被电子充满的一系列能带外，还有部分被填表满的能带.此带中，电子能自由活动。由于热激发、光辐射或掺入杂质等原因，导带出现少量电子，从而产生电子导电性。
（1）材料抵抗发生瞬时断裂这类破坏的性能，称为抗热冲击断裂性；
（2）材料抵抗在热冲击循环作用下，材料表面开裂、剥落，并不断发展，最终碎裂或变质这类破坏的性能，称为抗热冲击损伤性。
提高抗热冲击断裂性能的措施:1．提高材料强度σ，减小弹性模量E，使σ／E提高。2．提高材料的热导率λ，使R′提高。3．减小材料的热膨胀系数α。4减小表面热传递系数h。5减小产品的有效厚度rm。6有意引入裂纹，是避免灾难性热震破坏的途径。
材料物理性能
材料物理性能材料的物理性能是指材料在受力、受热、受光、受电、受磁等外界作用下所表现出的性质和特点。
它是材料的内在本质，直接影响着材料的使用性能和应用范围。
材料的物理性能包括了热学性能、光学性能、电学性能、磁学性能等多个方面。
首先，热学性能是材料的一个重要物理性能指标。
热学性能包括导热性、热膨胀性和热稳定性等。
导热性是指材料传导热量的能力，通常用热导率来表示。
热膨胀性是指材料在温度变化下的体积变化情况，通常用线膨胀系数来表示。
热稳定性是指材料在高温环境下的性能表现，包括了热变形温度、热老化等指标。
这些性能对于材料在高温环境下的应用具有重要意义。
其次，光学性能是材料的另一个重要物理性能。
光学性能包括透光性、反射率、折射率等指标。
透光性是指材料对光的透过程度，通常用透光率来表示。
反射率是指材料对光的反射程度，通常用反射率来表示。
折射率是指材料对光的折射程度，通常用折射率来表示。
这些性能对于材料在光学器件、光学仪器等领域的应用具有重要意义。
此外，电学性能是材料的另一个重要物理性能。
电学性能包括导电性、介电常数、电阻率等指标。
导电性是指材料导电的能力，通常用电导率来表示。
介电常数是指材料在电场中的极化能力，通常用介电常数来表示。
电阻率是指材料对电流的阻碍程度，通常用电阻率来表示。
这些性能对于材料在电子器件、电气设备等领域的应用具有重要意义。
最后，磁学性能是材料的另一个重要物理性能。
磁学性能包括磁导率、磁饱和磁化强度、矫顽力等指标。
磁导率是指材料对磁场的导磁能力，通常用磁导率来表示。
磁饱和磁化强度是指材料在外磁场作用下的最大磁化强度，通常用磁饱和磁化强度来表示。
矫顽力是指材料在外磁场作用下的抗磁化能力，通常用矫顽力来表示。
这些性能对于材料在磁性材料、电机、传感器等领域的应用具有重要意义。
综上所述，材料的物理性能是材料的重要特性，直接影响着材料的使用性能和应用范围。
不同类型的材料具有不同的物理性能，因此在材料选择和应用过程中，需要充分考虑材料的物理性能指标，以确保材料能够满足特定的使用要求。
现代材料物理化学
现代材料物理化学作业参考资料(全面)一．材料物理-材料的电学性能1．何谓能带结构？满带，导带，价带，空带和禁带？能带结构：由多条能带组成，是指各原子中能量相近的能级将分裂成一系列和原能级接近的新能级，这些新能级基本上连成一片，形成能带(energy band)。
满带：能带中各能级都被电子填满。
导带：被电子部分填充的能带及空带（一般与价带相邻）。
价带：价电子能级分裂后形成的能带。
一般情况下，价带是被电子所填充的能量最高的能带。
空带：所有能级均未被电子填充的能带。
禁带：在能带之间的能量间隙区，电子不能填充。
2.简述绝缘体、半导体与导体的能带结构差异及对其导电性的影响；导体：分两类，一类是价带和导带交叠，加电压后电子能够很容易从价带顶部跃迁到导带底部而导电。
另一类是价带和导带不交叠，但它的价带未填满，因而加电压后电子也能够很容易从价带顶部跃迁到导带底部而导电绝缘体：价带和导带不交叠存在很大的能量间隙，且价带被填满因而因而加电压后电子不能够很容易从价带顶部跃迁到导带底部，故不导电。
半导体：1.本征半导体：价带和导带不交叠，但能隙很小，2. n型半导体3. p型半导体3.简述造成半导体材料与金属材料在电导温度函数上的差别原因；半导体的导电特性：即热敏性当环境温度升高时，温度愈高，载流子的数目愈多导电能力显著增强，正比关系金属电导温度函数:随着温度的升高，金属电阻也在增加。
在低温下“电子－电子”散射对电阻的贡献可能是显著的，但高温下，金属的电阻都决定于“电子－声子”散射。
划分这两个区域的温度θD称为德拜温度或特征温度。
且金属的电阻在不同的温度区域内表现出不同幂次（升幂）的温度函数关系。
4.简述导电高分子的类型？及导电机理上的差异？分类：导电高分子分成两大类。
一类是复合型导电聚合物，另一类是结构型（本征型）导电聚合物。
差异：复合型导电聚合物是在本身不具备导电性的聚合物材料中掺混入大量导电物质，聚合物材料本身并不具备导电性，只充当了粘合剂的角色。
《材料物理性能》习题解答
《材料物理性能》习题解答材料物理性能习题与解答吴其胜盐城工学院材料工程学院2007，3目录1 材料的力学性能 (2)2 材料的热学性能 (12)3 材料的光学性能 (17)4 材料的电导性能 (20)5 材料的磁学性能 (29)6 材料的功能转换性能 (37)1材料的力学性能1-1一圆杆的直径为2.5 mm 、长度为25cm 并受到4500N 的轴向拉力，若直径拉细至2.4mm ，且拉伸变形后圆杆的体积不变,求在此拉力下的真应力、真应变、名义应力和名义应变，并比较讨论这些计算结果。
解：根据题意可得下表由计算结果可知：真应力大于名义应力，真应变小于名义应变。
1-2一试样长40cm,宽10cm,厚1cm ，受到应力为1000N 拉力，其杨氏模量为3.5×109 N/m 2，能伸长多少厘米?解：拉伸前后圆杆相关参数表体积V/mm 3 直径d/mm 圆面积S/mm 2 拉伸前1227.2 2.5 4.909 拉伸后1227.22.44.524 1cm 10cm40cmLoad Load)(0114.0105.310101401000940000cm E A l F l El l ==??===?-σε0816.04.25.2ln ln ln 22001====A A l l T ε真应变)(91710909.4450060MPa A F =?==-σ名义应力0851.0100=-=?=A A l lε名义应变)(99510524.445006MPa A F T =?==-σ真应力1-3一材料在室温时的杨氏模量为3.5×108 N/m 2,泊松比为0.35，计算其剪切模量和体积模量。
解：根据可知：1-4试证明应力-应变曲线下的面积正比于拉伸试样所做的功。
证：1-5一陶瓷含体积百分比为95%的Al 2O 3 (E = 380 GPa)和5%的玻璃相(E = 84 GPa)，试计算其上限和下限弹性模量。
无机材料物理性能
无机材料物理性能无机材料是指在自然界中存在的，或者是人工合成的，不含有碳的材料。
它们的物理性能对于材料的应用具有重要意义。
无机材料的物理性能主要包括热性能、电性能、光学性能和力学性能等方面。
首先，热性能是无机材料的重要性能之一。
热导率是评价材料导热性能的重要指标，无机材料中的金属和陶瓷材料通常具有较高的热导率，而聚合物材料的热导率较低。
此外，无机材料的热膨胀系数也是其热性能的重要表征之一，它决定了材料在温度变化时的尺寸变化程度。
这些热性能参数对于材料在高温或者低温环境下的应用具有重要意义。
其次，电性能是无机材料的另一个重要性能。
导电性和绝缘性是评价材料电性能的重要指标。
金属材料通常具有良好的导电性，而绝缘材料则具有较高的电阻率。
此外，半导体材料的导电性介于金属和绝缘材料之间，其电性能的调控对于电子器件的制备具有重要意义。
光学性能是无机材料的另一个重要性能。
透明度、折射率、反射率和光学吸收等是评价材料光学性能的重要指标。
无机材料中的玻璃、晶体和光学薄膜等材料通常具有良好的光学性能，它们在光学器件、光学仪器和光学通信等领域具有重要应用。
最后，力学性能是无机材料的另一个重要性能。
强度、硬度、韧性和蠕变等是评价材料力学性能的重要指标。
金属材料通常具有较高的强度和硬度，而聚合物材料则具有较高的韧性。
这些力学性能参数对于材料在受力状态下的性能表现具有重要意义。
总之，无机材料的物理性能对于材料的应用具有重要意义。
热性能、电性能、光学性能和力学性能是无机材料的重要性能之一，它们的表征和调控对于材料的设计、制备和应用具有重要意义。
希望本文对无机材料的物理性能有所帮助，谢谢阅读。
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线性光学性能
描述普通光学现象的重要公式表现出数学上的线性特 点，即介质的电极化强度P与入射光波的电场E成简 单的线性关系。
P0xE
x为介质的极化率，0位真空介电常数。
材料的光学性能材料物理
§4.1 光通过介质的现象
一、折射 二、色散 三、反射 四、介质对光的吸收 五、介质对光的散射
材料的光学性能材料物理
材料的光学性能材料物理
2. 色散系数
实用的测量色散的方法是采用固定波长下的折射率 来测量，描述材料色散的光学参量最常用的数值是
倒数相对色散，即色散系数。
nD 1
nF nC
nD，nF，nC分别为以钠的D谱线、氢的F谱线和C谱线（5893Å， 4861Å， 6563Å）为光源，测得的折射率
描述光学玻璃的色散还用平均色散（nF-nC）
c n
材料
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
材料的光学性能材料物理
（2）相对折射率
折射率n2
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1 、折射角2与两种
材料的折射率n1和n2之间的关系为：
折射定律： n1sin1= n2sin2
……
材料的光学性能材料物理
光参量
光具有波粒二象性，既有波动性，又有粒子性。
照片底片感光、眼睛的视觉作用等都是由光波电场引起，所以用图形表示 光波时，通常略去磁场不画，只画电场。
材料的光学性能材料物理
Einsten光电效应方程：
E h h c
频率（）：每秒钟电场完成振动周期的次数（Hz）。 波长（ ）：两相邻波峰或波谷间的距离，亦即在周期性波动的传播方向上具有相同
2
1
折射率n1
材料2相对于材料1的相对折射率为：
n21nn1 2 ssiinn1 2 vv1 2
材料的光学性能材料物理
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：
v c
n
c：真空中的光速； ：介质的介电常数； ：介质的导磁率。
（4）同质异构体
❖ 在同质异构材料中，高温时的晶型折射率较低，低温时存在 的晶型折射率较高；
❖ 相同化学组成的玻璃比晶体的折射率低。
如：室温下， 石英玻璃：n=1.46 石英晶体：n=1.55
材料的光学性能材料物理
二、色散 1. 概念
材料的折射率随入射光频率的减小（或波长的增加）
而减小的性质，称为折射率的色散。
第四章 材料的光学性能
※§4.1 光通过介质Hale Waihona Puke 现象 ※§4.2 无机材料的透光性
§4.3 界面反射与光泽 §4.4 不透明性和半透明性 §4.5 其它光学性能的应用
材料的光学性能材料物理
基础 光 学 性 能 的 应 用
引言 取之不尽的能源 信息载体 生命之源
材料的光学性能材料物理
光学材料分类
透光材料 光纤材料（导光材料） 发光材料 激光材料 光电材料 光信息材料 非线性光学材料 光调制材料（电光、磁光、声光材料）
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。
材料的光学性能材料物理
（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。
变化，始终为一常数，服从折射定律。
✓ 非常光：与寻常光垂直的光线的折射率ne随入射线方向的改变
而变化,不服从折射定律。
非常光(e光) 寻常光(o光)
不发生双折射的特殊方 向称为“光轴”，光沿光轴
方 向 入 射 时 ， 只 有 n0 存
在；与光轴方向垂直入
射时，ne达到最大值。
材料的光学性能材料物理
（3）材料的内应力 垂直于受拉主应力方向的n大，平行于受拉主应力方向 的n小。对于压应力，具有相反的效果。
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。
材料的光学性能材料物理
双折射：当一束单色自然光在各向异性晶体的界面折射
时，一般产生两束折射光（均为线偏振光）。
✓ 寻常光：平行于入射面的光线的折射率n0不随入射角的变化而
W=W´+ W´´
W ， W´ ， W´´ 分 别 为 单 位 间内通过单位面积的入射 光、反射光和折射光的能 量流。
反射系数m： m W '
W
透射系数1-m：
材料的光学性能材料物理
W'' 1m1W'
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
材料的光学性能材料物理
（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） 光通过时，光速不会因传播方向的改变而变化，材料只有 一个折射率
相位的两相邻点之间的距离，即波的空间周期。
振幅：光波中振动着的电场的最大值。光强的大小与振幅的平方成正比，因此振幅
的大小决定着光的强弱。
相位：在一个转动周期或一个波长范围内，各点位置的度量，它是综合频率、时间、
波长、距离在内的一个角度量。是描述振动和波动状态的一个综合性波参量。
材料的光学性能材料物理
对于无机材料： 1,1
n
介质的折射率随其介电常数的增大而增大。
材料的光学性能材料物理
介电常数
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，其增大，因而n也随之增大。
材料的光学性能材料物理
3. 讨论
由于光学玻璃一般都或多或少具有色散现象，因而 使用这种材料制成的单片透镜，成像不够清晰，
在自然光的透过下，在像的 周围环绕一圈色带，克服的 办法是用不同牌号的光学玻 璃，分别磨成凸、凹透镜组 成复合镜头，可消除色差， 这种镜头就是消色差镜头。
材料的光学性能材料物理
三、反射 1. 反射系数