材料物理性质

谐振腔的初始光子来自增益介质中满足频率条件的自发辐射，自发辐射的光

子通过引起受激辐射和多次的反射传播使受激辐射形成链式增殖反应，实现光放

大，产生的激光最后由半反射镜输出。考虑到谐振腔反射镜的反射损耗，增益介

质的增益率必须高于谐振腔的损耗率，才能最终使谐振腔产生稳定的激光。设增

益介质的增益系数为G ，两反射镜的反射率分别为1R 和2R ，腔长为L ，光的初

始强度为0I ，则光束在谐振腔内往返一次后的强度为2012GL I I R R e

=，谐振腔的增益要求为20120GL I I R R e I => 或 2121GL R R e >，由此获得产生激光的阈值或谐振腔的最小增益条件为12(12)ln(1)m G L R R =。

受各种因素的影响，由谐振腔输出的激光并非绝对的单色光，其频谱仍具有

一定宽度。导致激光频谱展宽的因素主要有：

①自然展宽 由于粒子处于激发态能级的寿命τ决定其相应辐射过程的持续时

间或相应辐射波列的长度，而有限的波列长度意味着该辐射波不再是绝对的单色

波，而是具有一定的频谱宽度，由此产生的频谱展宽为自然展宽，根据海森堡能

量-时间的不确定关系式 2E t ???≥h ，辐射光子的不确定能量εω?=?h ，时

间的不确定量取t τ?=，则辐射频谱自然展宽的量级约为21ωτ?≥。

②碰撞（或压力）展宽 若增益介质中粒子数量较多或间距较小，粒子间易发

生相互碰撞，这种碰撞能促进粒子的跃迁，进而缩短其寿命，导致辐射谱线展宽。

对于高压下的气体介质，碰撞展宽尤为显著。

③多普勒展宽 对于气体介质，粒子因热运动而产生多普勒频移，进而导致相

应辐射谱线展宽。

§7-2材料光学性能的物理本质和影响因素

一、材料的光学性能及其相互关系

在上节中，我们从波动性和粒子性两方面介绍了光或者电磁波的传播和与物

质相互作用的运动规律和性质。虽然涉及的内容比较庞杂，但在线性光学范围内，

无论何种光学性质，如光的传播速度、吸收或衰减、波阻、折射率、反射和透射

系数等，均可以采用相应介质的电磁性质，如介电系数、磁导率和电导率等，来

加以描述，从而使不同介质或物质具有不同的光学性质。通常情况下，材料的这

些电磁性质本身就是频率或波长的函数，因此，由它们表述的光学性质也应是频

率或波长的函数。在某些场合和条件下，材料的光学性质还需采用复变量和张量

的形式。除非特别声明，后续涉及的材料光学性质限定材料的状态是稳态、线性、

非铁磁性、各向同性和均匀的，当然，这些性能也是非线性、铁磁性、各向异性

和非均匀性材料光学性能的基础。

根据上述限定，固体材料的光学性质仍具有多种表述方法，较常用表述是复

折射率(1)n

n jK =-%或n n jnK =-%，其中 实部

Re()Re()n c v n ===%% 7-2-1a 虚部

Im()n nK ==% 7-2-1b 朗伯定律0exp()α=-I I r 中的光吸收系数0(4)απλnK =，对于非铁磁性的无

损耗介质，1r μ≈，0σ=

，n c v =≈，0αnK ∝=。鉴于复折射率的实

部和虚部均可以用材料的电磁参量()εω、()μω和()σω表征，使用复折射率相

当于使用(,)εμσμ作为材料的光学性质，特别是对于非铁磁性材料，该组参量简

化为(,)εσ。除了复折射率n %，还可以分别选用

复介电常数 ε%()εj σω=- 复电导率 σ

σjωε=+% 来作为材料的光学性质，并且视介质的磁特性决定是否将它们与其磁导率相组

合。根据麦克斯韦方程组有22n c με=%%，则它们与复折射率之间满足如下关系

22200

r r μεn n K μεμε-== 7-2-2a 2

0002r μσμσn K εμωεω== 7-2-2b 可见每种物质的光学性质通常需用两个独立的光学常数，或一个复数的光学常数

来描述，其中的一个（或复数量的虚部）与能量的损耗有关，而另一个（或复数

量的实部）则与能量损耗无关。考虑到同一物质的两个独立光学常数能够等效为

一个复变量的实部和虚部，这两个光学常数之间并非完全没有关系。根据网络理

论，对一个线性无源系统，其响应函数()()()R I C ωC ωjC ω=+%，若已知全频

率范围的虚部函数()I C ω或实部函数()R C ω，则可以利用克拉默-克朗尼格

（K-K ）关系获得该复变函数的实部和虚部函数()R C ω和()I C ω，即

202()()a R I a a

ωC ωC ωdωπωω∞=--? 7-2-3a 202()()()I R a R a

ωC ωC ωC dωπωω∞-∞=-? 7-2-3b

上述K-K 关系给材料光学性能测试和实验数据处理带来方便，如光吸收系数

的测试通常较折射率相对容易，可在足够宽的频率范围内测试材料的吸收系数，

然后利用K-K 关系积分获得折射率与频率或波长的关系（色散关系）。

材料的光学性质除了上述提及的物理量以外，还有其它一些间接的性能，如

反射系数（或反射率）、透射系数（或透射率）等，它们通常由前述的光学性质

的组合形式表述。通过这些间接地光学性质，再结合某些其它影响因素，可以衍

生出更多通俗的光学性质，如透光（或透明）性与材料的吸收、透射和散射有关，

光泽度则与材料表面的吸收、反射及粗糙度等有关。

二、材料光学性能的物理本质

如前所述，材料的光学性质是复函数（或分别取其实部和虚部）形式的光学

常数及其随频率的变化规律（光谱）。材料光学性质的物理本质是光或电磁波与

材料的相互作用机制，通过这些作用机制的研究及其相应模型的建立，使材料的

光学性质及其频谱与材料的原子、电子结构，材料的相变过程，材料的连续性、

完整性和材料的组织、凝聚乃至几何尺寸状态建立定量或定性的联系。实践中，

一方面人们通过这些性质来评价光学材料的品质、指导材料改性和新材料的研

发；另一方面，作为材料研究的手段和工具，人们又通过光学性能的测试来分析

和研究材料，探究材料光学性能的影响因素和影响规律。

根据物理学的发展历程和人们对光学性质物理本质的认识深度，材料光学性

质的色散理论分为经典模型和量子模型，由两种模型获得的光学性能表达式相

似，但其中某些参量的物理意义不同；根据材料对电磁波的损耗程度，经典色散

理论又分为劳伦兹（Lorentz ）模型和特鲁德（Drude ）模型，前者适于忽略传导

电流的电介质，后者则适于金属材料。

1、经典色散理论---电介质的劳伦兹模型

劳伦兹模型认为，在电磁波高频电磁场作用下，介质分子（或原子）极化形

成电偶极子并进行受迫振动，同时向外辐射电磁波，成为电磁辐射的次级波源。

设感生偶极子相对于平衡位置的振荡位移为x （一维情形），偶极振子的固有频

率为0ω，回复力 20m ωx ，阻尼力 m γx &，入射电磁波的电场力0=j ωt x x eE eE e

，其中e 和m 分别为电子的荷电量和质量，γ为阻尼系数，忽略原子间的相互作用，

根据牛顿运动定律，有

20x mx m γx mωx eE ++=&&& 或 200()j ωt x x γx ωx e m E e ++=&&& 7-2-4 求解该方程，感生偶极子振荡位移x 解的形式为0exp()x x j ωt =，其中0x 为

2200002222222

00()()()x x eE m ωωjγωeE m x ωωjγωωωγω??--??==-+-+ 7-2-5

推广到三维空间，由感生偶极子振荡产生的极化强度为 20220exp()i p Ne E m P Ner j ωt V ωωjγω

===?-+∑v v v v 7-2-6 其中N 为单位体积内感生偶极子的个数，r v 为电磁场作用下的振荡位移矢量。极化强度P v 是复矢量函数，根据4-1-13式，0P εχE =v v %，则 222022222000()()()()P Ne ωωjγωχχωjχωεm εE ωωγω--'''===-??-+??

v %v 7-2-7 由复折射率(1)1(12)r n εχχ==+≈+%%%

%， 有 222

022222

001Re()12()Ne ωωn n εm ωωγω-==+-+% 7-2-8a 22222200000442Im()()πππNe γωαnK n λλλεm ωωγω

===-+% 7-2-8b 另外，由21r n εχ==+%%%

和7-2-2两式，有 2222220222220001()-==-=+-+r εNe ωωεn n K εεm ωωγω

7-2-9a 22222220002()==-+σNe γωn K ωεεm ωωγω

7-2-9b 图7-2-1是根据上式绘制的()r εω和()σω曲线，而()n ω和()αω曲线的形

式也与此类似。该图按频率大致可以划分为四个区域，0→ω时，0≈σ，r ε为

静态相对介电常数；Ⅰ区为透明区，0≈σ，吸收可以忽略，r ε随频率单调增加，

整个ab 段曲线为正常色散区；Ⅱ区为吸收区，0>σ，并且有0max ()=σωσ。

该区中()r εω曲线的bc 段为反常色散区，

在0=ωω处，r ε降为1，然后继续下降，

越过0值后进入负值区，即0

为类金属反射区，由于0≈σ，0

有≈-r n ε，电介质对入射电磁波呈现出

于金属类似的反射行为；Ⅳ区又表现为透

明区，不同于Ⅰ区的是因1

考虑因介质极化产生的附加极化场的作用，根据4-1-21式，使用劳伦兹有效场[](2)3=+eff r E E εv v 的幅值0v eff E 替换7-2-6式中的0v E ，

即可得到适于固体和液

体的相应关系式

2220011()=+'-+%r Ne εεm ωωjγω 7-2-10 其中222

00(3)'=-ωωNe εm 。 当介质中具有不止一个固有频率时，根据各固有频率0i ω在振幅中的权重分

数i f ，有 22200

1=+'-+∑%i r i Ne f εεm ωωjγω 7-2-11 2、经典色散理论---金属的特鲁德模型

在特鲁德模型中，金属或导体中的电子近似为自由电子，但仍受到正比于其

速度的阻尼力的作用，因此忽略劳伦兹模型中的回复力项，即可得到金属或导体

受到电磁波作用时其中自由电子的运动方程

0()+=&&&j ωt x x γx e m E e 7-2-12

解该方程，获得金属或导体相应光学常数的频谱

2220011==-+r εNe εεεm ωγ

7-2-13a 222=+Ne γσm ωγ 7-2-13b

图7-2-2是根据7-2-13式绘制的金

属的()r εω和()σω曲线，当0→ω时，

20→=σσNe mγ，即等于直流电导率。

根据第一章中1-2-5式，直流电导率

20∝σNe τm ，二者比较有1∝γτ，可

见阻尼系数正比于自由电子的散射或碰

撞几率。金属频谱曲线的其余部分可按频 图7-2-2

率划分为三个区域，吸收区0>σ，0

明区0≈σ，0>r ε，此情形下金属呈现出与电介质类似的性质。图中0=r ε所

对应频率被定义为等离子体频率p ω，若忽略阻尼作用（0=γ），由7-2-13a 式，

20=p ωNe mε 7-2-14

当入射电磁波的频率等于金属的等离子体频率时，其中的电子以等离子体的形式

集体相对于正离子背景而运动，是等离子体电磁性质的特征频率。

比较电介质和金属的光谱特性可以发现，电介质可以呈现类金属的反射特

性，而金属也能呈现类似电介质的透明特性，其中的关键是控制入射电磁波的频

率，这表明材料光学性质对频率有强烈的依赖性。实际工作中，人们根据研究对

象结构及性质，还往往采用多种振子组合的形式或模型来处理和分析实验测试的

光学性能数据。

3、材料光学性质的量子理论介绍

材料光学性质的经典理论将光或电磁波与物质的相互作用简化为其中的束

缚和自由电子在入射波电磁场作用下强迫电磁振荡，即振子模型；而材料光学性

质的量子理论则将这种相互作用视作其中的电子和（或）声子在入射波电磁场作

用下的跃迁或元激发行为，对应确定的跃迁始态和终态有确定的频率和能级，通

过分析这些跃迁或元激发行为，就能获得材料光学性质的量子表达式。

当材料（物质）体系受到入射光或电磁波的作用，其势能将发生微小的变化，

根据含时微扰理论，取一级微扰近似，体系的哈米尔顿量由原来的0H 变为

01()()H t H H t =+，其中10H H =。设微扰起始于0t =，则波动方程的形式由0()n n n n H ψj ψt E ψ=??=h 变为

[]01()()()n

H H t φt j φt +=??h 或 ()()()n H t φt j φt =??h 7-2-15 微扰后波函数的形式由 []exp ()n n n ψu j E t =h 变为 []()()exp ()n n n

n φt a t u j E t =∑h 或 000

()()()n n n φt a t ψa t ψ≠=+∑ （000()()n n n a t ψa t ψ≠∑=） 7-2-16 其中{}(),0,1,n a t n =???为体系波函数的跃迁振幅，而跃迁几率2()()n P t a t =。

将7-2-16的波函数代入7-2-15的波动方程，有

0100()()()n n n n a t H ψE ψH a t ψ-+∑10

()()0n n n n n a t j ψH a t ψt ≠?-+=?∑∑

)h 由薛定谔方程，上述等式右端第一项为零；另外因1()H t 和0()n n a t ≠皆为小量，

使方程的最后一项成为高阶小量而被忽略，因此该等式可以写成 100()()n n a t H a t ψj ψt

?=?∑h 7-2-17 n ψ为体系的本证波函数，应满足正交性，即n k nk ψψdV δ*=?，由此对7-2-17

式两边同乘k ψ*，并取积分，有 1010()()()k k a t j a t ψH ψdV t

-*?=??h

可以证明，对一级微扰，0()1a t ≈，上式可写作 10()k k a t j ψH ψdV t *?=-??h 7-2-18 体系与入射波电磁场相互作用引起的附加哈米尔顿量为1()H je m A =??v h ，其中A v 为入射波电磁场的矢量势，在主要考虑电偶极矩作用的近似情形下，有 {}

01exp ()exp ()e ζH j ωt k r j ωt k r ηm ω????=-?---???????v v h v v v 7-2-19 其中，0ζ为入射波电场强度的幅值，ηv 为电场极化方向的单位矢量。将7-2-19

式代入7-2-18中，并对时间积分，得

[][]00()()0000011()()()k k j E E ωt j E E ωt k k k k k e e a t ζM M E E ωE E ω-+---+??--??=-??-+--????

h h h h h h 7-2-20 其中 00exp k k e M u jk r ηu dV m ω

-*??=-??????v h v v 和 00exp k k e M u jk r ηu dV m ω

+

*??=??????v h v v 7-2-21 为跃迁矩阵元。令[]

0()=k ΩE E ω-±h h ，则跃迁概率()k P t 有 22220021exp()()()k k k ζjΩt P t a t M Ω-==h 7-2-22a

221exp()(1)(1)4sin (2)j Ωt jΩt j Ωt e e Ωt --=--=，而实际问题中，多考虑微

扰作用较长时间后的效果，即t →∞的情形。由 22lim (sin )()t Ωt Ωt πδΩ→∞

??=?? 和δ函数的性质()()

0δx a a δx a =≠，7-2-22a 式可写作 2222220000222sin (2)()2()(2)k k k ζΩt ζa t M M πtδΩΩ==?h h

7-2-22 单位时间内的跃迁概率被称为跃迁速率()k Γt ，有 []22000()()2()k k k k dP t ζΓt πM δE E ωdt ==-±h h

7-2-23 对于具有一定频宽的跃迁过程，如准单色光或能级并非单一能态的情形，需对δ

函数进行积分处理，若跃迁的始态（或终态）能级处于连续能谱中，7-2-23式

应乘于能态密度函数()k N E 后再积分，因此2

200()(2)()k k k Γt πζM N E =h 。

分析7-2-22式可以发现，因其中包含()δΩ函数，只有在0Ω→的邻域，

跃迁概率和跃迁速率才具有可观的量值，这意味着发生跃迁时需满足相应的能量

或频率条件（能量守恒），即0k E E ω-=±h ，其中k E 和0E 分别为发生跃迁时

体系终态和始态的能级，ωh 为单光子的能量，ω+h 对应光子的吸收过程，而

ω-h 则对应光子的辐射过程。

跃迁矩阵元0k M 的量值与材料体系受到入射光或电磁波作用后的具体跃迁

机制或元激发形式有关，确切说取决于受激对象。根据光谱学分类，对定域态跃

迁体系，如杂质、缺陷及紧束缚电子，多采用类似孤立原子的波函数描述，对于

扩展态跃迁体系，如近自由电子和声子等，则采用布洛赫波函数的形式描述。

对定域态情形，将7-2-21式中的指数项按幂级数展开

00exp 1k k u jk r ηu dV u jk r ηu dV *

*???????=+?+???????????v v v v v v

00k k u ηu dV j u k rηu dV **=??+???+?????v v vv

该式结果中第一项对应电偶极子作用，第二项对应电四极矩或磁偶极子作用，后

续项则依次对应更高极子的作用，但随着项次的增加，其作用的强度依次减弱，

可见定域态主要为电偶极子、电四极矩或磁偶极子跃迁。当体系波函数k u *和0u 具

有球对称特性时，跃迁矩阵元等于零，相应的跃迁则被禁戒。总之，定域态跃迁

的光谱特性与原子光谱类似。 对扩展态情形，指数项中的k v 代表光波波矢量，体系波函数（布洛赫波）的波矢q v 在跃迁的终态和始态分别用k q v 和0q v 表示。分析显示，只有当0k q q k

-=v v v 时，跃迁矩阵元0k M 才有可观的量值，表明该情形下的跃迁过程不仅需满足前

述的能量或频率条件（能量守恒），还需满足相应的波矢条件（准动量守恒）。不过通常情况下，光子波矢远小于电子或声子波矢，k v 的量值有时被忽略。

受入射光或电磁波的作用，单位时间、单位体积内体系因跃迁而吸收光子的

能量为N ωΓh ，其中N 为单位体积中的初态数，k k ΓΓ=∑为全部k 终态的跃迁

速率，ωh 为光子能量；另一方面，体系单位体积光跃迁的功率消耗为202σζ，

这二者理应相等，将7-2-23式代入该等式，得电导率表达式 202024()k k

N ωπN σΓM ωδΩζ==?∑h h 7-2-24 上述分析只考虑光子单一的吸收或辐射过程，并且忽略跃迁的弛豫效应（即认为

状态有无限长的寿命）。实际上，各量子态有一定的跃迁概率，态寿命也并非无

限长，在计及跃迁的弛豫效应、并同时考虑光子的吸收和辐射过程，上式经修正

后的形式为

2

2

002222202()k k k

k N M ωγωσωωγω=--∑h 7-2-25 其中：1γτ=，即阻尼系数等于弛豫时间的倒数，00()k k ωE E =-h 。如果令 220002()k k k f M m ωe =h ，则相应光学常数的量子表达式为 22200222220001()k k r k k εNe f ωωεεmεωωγω-==+--∑ 7-2-26a 22

0222220()k k k Ne f γωσm ωωγω=--∑ 7-2-26b

将7-2-26两式与7-2-9两式对比不难发现，光学常数的量子表达式与经典表达

式的形式完全相同，但两式中0k ω与0ω，还有γ的物理意义不尽相同，而0k f 和

i f 的含义则更是相去甚远。

三、材料光学性能的影响因素和影响规律

根据前述内容，光学性能由材料光学常数或其频谱表述，通常为复数量，如

(1)n n jK =-%或εεj σω=-%（或σσjωε=+%）等，它们的实部和虚部分别

代表两个相对独立物理量，如()n ω和()K ω（或()αω）；()r εω和()σω（按

1r μ≈近似）等，或者说，一种材料的光学性能只需一个复数量或两个实数量即

可全部表述。关于材料光学性能的影响因素，大致可以归纳为三个方面，即①入

射波的特性，②材料性质，③环境因素。根据光学性能的物理本质和光或电磁波

与材料的相互作用机制，能够分析获得光学性能各种影响因素及其影响规律。

（一）入射波的特性

影响材料光学性能的入射波特性主要有波的频率和强度，根据光量子的观

点，入射波的频率反应其携带光量子能量的高低（E ω=h ），而波的强度则代表光粒子流的密度（20=∝I S E ）。选择光吸收系数0(4)απλnK =和折射率n

作为材料的光学性能，分别讨论入射波频率和强度对二者的影响规律。

1、入射波的频率

光吸收系数随入射波频率的变化分为一般吸收和选择性吸收。一般吸收的吸

收系数通常不随频率明显变化或呈现随频率增加而缓慢增加的变化规律，它通常

构成吸收谱的背底；选择性吸收则在某些特定频率出现异常的吸收峰，这些吸收

峰均与具体的吸收机制或跃迁相联系，是吸收谱分析的基础。

入射波频率（或波长）对折射率的影响构成其色散规律，分为正常色散（0dn d λ<）和反常色散（0dn d λ>）。在正常色散区，折射率随波长的变化

通常遵循柯西经验公式

24B C n A λλ

=++ 7-2-27 其中，A 、B 和C 是与材料相关的常

数。随着波长的增加（或频率的减

小），材料的折射率变小，如图7-2-3

所示，材料在全频域的色散曲线则如

图7-2-4所示。 图7-2-3

入射光的单色性是其频谱构成范围的量度，反应入射波光子能量的分布。激

光是一种比较理想的单色（或线状）光源，但要调节或改变仪器输出光波的波长

或频率则相对困难，因此许多光谱分析仪器选择连续光源，然后通过准直镜、狭

缝和色散棱镜等元件的组合来获得相对理想的单色光，同时还能方便地改变或调

节所需光束的波长或频率。

图7-2-4

2、入射波的强度

在线性光学的范围内，入射波强度除了影响吸收峰高度，进而影响信噪比以

外，对材料光学性质基本不产生影响，只有当入射波的强度足够高，以至于产生

的非线性光学效应足以影响材料的光学性能，才需考虑入射波光强的影响。在光

谱分析中，信号的峰值高度（强度表征）多被用于定量测试，实际中多采用标准

样品对信号强度进行标定和校对。

（二）材料的性质

1、原子、分子和晶体的结构

量子电磁理论揭示，材料的光学性质的物理本质是其中电子、声子和激子等

与入射电磁波电磁场相互作用后的跃迁或元激发行为，它们通常是频率的函数，

其频率范围涵盖从γ-射线到无线电波的所有电磁辐射。受到跃迁或激发过程中

能量选择条件的限制，即=εωE =?h ，随入射波频率或其光子能量的不同，其

诱发的跃迁或元激发的能级差也随之发生改变，换言之，光量子的频率越高，其

能量也越高，所诱发的跃迁或元激发的能级差就越大。鉴于物质结构的层次按分

子结构（化合物键合或晶体结构等）、原子结构（主要指其核外电子的数量和分

布）和核结构（如核内质子、中子及其它粒子的种类、数量、存在形式和运动规律等）依次深入，材料的大多数宏观性能主要取决于其构成原子的核外电子结构（其中特别是价电子层的结构）、原子间的相互键合情况以及各原子对核外电子的束缚程度等因素，现有的科学理论和研究成果已使人们对电磁辐射作用下物质分子（晶体）、原子乃至原子核等不同层次能级间的跃迁或元激发形式、运动规律以及它们的频谱特征等具有了较为清楚认识，因此可以利用不同波长的电磁辐射作为激励，然后通过被作用介质的响应（如辐射、吸收、散射、反射、折射、干涉和偏振谱）来揭示材料表面或内部的的微观机制，分析和研究材料科学问题。表7-2-1给出不同波长的电磁辐射所具有的能量及其激励对应的跃迁能级,从中不难发现，除自旋取向能级差较小外，越向原子深层次，其跃迁的能级差越大。

孤立原子（如气态及忽略原子间相互作用的情形）的能级主要包括核能级和电子能级，其中，原子核的主能级反映核子间的相互作用和存在形式（许多细节

～量级，相应的跃迁过程会伴有γ-光还有待探索），其能级差通常在keV MeV

量子的辐射或吸收；原子核的亚能级或精细结构则反映核自旋状态和核电荷的分布状态，其能级差通常较小。电子能级主要指原子核外的能级结构和电子分布规

～量级，越靠近原子核，其能级差越大，当然，电子能律，其能级差在eV keV

级也有亚能级，如电子的自旋能级。能级结构是原子结构的重要组成部分，不仅决定原子的性质，也是识别该原子的重要标志。

当大量的同种或不同种原子组成原子体系时，原子间的相互作用方式和程度受控于电磁作用力和泡利不相容法则，当然也取决于原子间距或相互作用半径。在一定的温度、压力和其它外部环境条件下，各控制因素达到动态平衡，体系的能量最低，也最稳定。届时，各原子间具有相应的键合形式、排列方式、平衡间距和结合力（能），体系中有可能出现分子、类似分子的化合物和中间相、有序

或无序的晶体或非晶体等物相，它们属于物质的分子结构和晶体结构，由此而产生新的跃迁能级，如分子的振动和转动能级、晶格的振动能级等，或促使原子的电子能级变异，如外层能级分裂、能隙或禁带形成等。

物质的能级结构及其在不同电磁辐射作用下跃迁形式的运动规律不仅能决定和影响材料的光学性能，同时也是利用光学性能分析和研究材料的基础。例如，利用核外电子能级跃迁时的辐射或吸收光谱特征，能够确定原子的种类，谱线强度又与该原子的数量相关，这些性质是光谱法分析材料成分的原理；再比如，利用晶体对X-射线的衍射和干涉消光规律可以分析其结构；利用红外和拉曼光谱对分子的原子组成和结构进行分析等。

2、杂质、缺陷和材料的非完整性

杂质是对材料中少量异类原子或物质的称谓，向材料中刻意引入杂质称为掺杂，有害杂质多属于材料制备过程中的残余物质；缺陷是指材料中非完整或非连续的部分。杂质和缺陷的种类或形式、数量和分布会影响材料的光学性能，这种影响是通过改变其能级结构和跃迁方式来实现的。

ε杂质和缺陷对材料光学性能的影响通常并不显著。例如，对相对介电常数

r

ε的影响效果通常被掩盖；对于光频范围内的金属值较大的材料，杂质和缺陷对

r

材料，其电导率σ具有颇高的量值，杂质和缺陷对材料吸收系数的影响也几乎可

h低于其禁带以忽略。但对于绝缘体和半导体，当入射电磁波携带光子的能量ω

宽度时，其电导率几乎为零，此时杂质和缺陷对其吸收系数的影响就变得相当可观，杂质和缺陷密度的微小变化，能导致其吸收系数发生几个数量级的改变。

根据材料中杂质和缺陷对其周围电子、声

子的束缚程度，将杂质的能级分为类氢（弱束

缚态）能级和紧束缚态能级，而缺陷能级则是

不同形式的电子（空穴）、声子的捕获陷阱或束

缚囚笼及其组合形式。

典型的类氢能级杂质是在Si或Ge中惨杂

Ⅲ族元素B、Al、Ga、In或Ⅴ族元素P、As、

Sb、Bi，分别构筑P型和N型半导体的受主和

施主能级，这些杂质的谱线特征与氢原子的谱

线极为相似，为分立的线状谱。图7-2-5是Si

中掺杂B、Al和In的低温吸收谱，可见每种杂

质的谱都具有几根谱线，并且随光子能量增高

会出现连续谱。密集的分立谱线对应从杂质基图7-2-5

态到不同激发态的跃迁，而连续谱则对应从杂质基态到能带的跃迁；跃迁结果前者无光电导产生，后者则因形成可移动的载流子而引发光电导。

类氢能级杂质与孤立氢原子的差异主要有：其一，杂质并非孤立存在，而是处于介质中，因此其相对介电常数1r ε≠，其二，因受周围晶格势场的影响，相应电子（或空穴）的有效质量m *

不同于真空中电子（或空穴）的有效质量m ，一级近似下，类氢杂质能级为 22()()n H r E m m E εn *=-? 7-2-28

式中，1,2,3,n =??? 为能级（量子）数，n E 为能级相对于能带边缘的位置（能量空间），13.6H E =eV 是氢原子的电离能，r ε为相对介电常数。该式表明，材料基体对杂质能级的影响主要通过有效质量和相对介电常数来实现。类氢杂质模型对于2n ≥的激发态，理论预测的能级与实验结果符合的很好，若计及有效质量的各向异性，模型精度更高。该模型也能对杂质谱线展宽和谱线间距缩小现象给出合理的解释。

过渡族元素和稀土元素在绝缘晶体中的掺杂，如Al 2O 3晶体中的3Cr +离子（红宝石）和Y 3Al 5O 12晶体中的3Nd +离子（YAG 激光晶体），则属于紧束缚态杂质,光跃迁主要发生在部分填充的d 电子壳层和f 电子壳层的能级间。根据晶体场理论（一种关于离子晶体中中心离子与配位体之间静电相互作用的理论），过渡族金属离子受到晶体场的作用较强，而稀土元素离子受到的作用较弱，作用的结果是使离子原有的能态发生变化和分裂，图7-2-6是3Cr +离子在Al 2O 3晶体中的偏振光吸收谱。图中，纵坐标用

光密度代表吸收量，横坐标用

光波数2k πλ= 代表光子的

能量，其中，1

40000k cm -<

的吸收对应从满d 态到空d 态

的跃迁，而140000k cm ->的

吸收区则对应电荷由中心离子

到配位离子的传递带。 图7-2-6

当晶体中原子分布的有序性遭到破坏时，其晶体场（包括力场、电场和磁场）结构会发生畸变，根据畸变区域的三维尺度，分别定义点、线和面缺陷。点缺陷可以作为其它缺陷的构成单元。杂质也是一种点缺陷，此外还包括各种点阵空位。

点缺陷的能级结构和跃迁形式与杂质有相似之处，都具有定域性，都有基态和激发态，因此缺陷也会影响材料的光学性能。图7-2-7是一种被称为F 心（色心）点缺陷的基态和激发态结构示意图，一个负离子空位造成局部正电荷过剩而成为电子的捕获陷阱和束缚囚笼（正离子空位对空穴有类似效果）。基态下电子

有较小的活动空间，激发态则活动

空间增大。

点缺陷的吸收谱通常呈现较

宽的带状，而并非线状，原因是吸

收谱的形成不仅与电子的激发有

关，还取决于晶体的弛豫过程。当

晶体与电磁辐射相互作用时，被激 图7-2-7 发电子的跃迁响应时间极短，约为1610

s -，但空位附近离子的移动却需要大约1210s -的弛豫时

间才能完成，即晶格弛豫严重滞后于电子跃迁过

程，这被称为弗兰克-康登（Franck-Condon ）原

理，结果导致点缺陷光谱为带状谱。图7-2-8是

不同温度下测得的KBr 中F 心点缺陷的吸收谱，

发现随着温度的增加，不仅吸收峰变宽，峰高下

降，吸收峰的位置也不断向低能方向移动。尽管

随温度升高，激发过程中声子的参与程度增加，

但光频支声子的能量仍不足以使吸收峰如此宽

化，其主要成因还是与晶格弛豫有关。 图7-2-8 晶格弛豫过程或弗兰克-康登原理常用位形

坐标直观描述，如图7-2-9所示，纵坐标反映体

系中电子跃迁能级和声子（或晶格热振动）能级，

横坐标则反映因晶格弛豫体系平衡能级状态随时

空的综合变化。一定温度下，跃迁之前的基态处

于一定的振动能级中，随后的光跃迁过程伴随有

晶格弛豫，尽管电子的单次跃迁耗时极短，但光

谱测试吸收（或辐射）峰的展宽却与晶格弛豫和

声子能级有关，分别对应图中的1?h ω和1

'?h ω，通常11

'??h ?h ωω。并且，随温度增加，热振 图7-2-9 动能级提高，吸收峰展宽，峰高降低。图中还可以看到，由于晶格弛豫，对应同一跃迁，其辐射光子的能量要小于吸收光子的能量，即21?

3、材料的化学成分

化学成分反映材料中原子的种类及其数量，一定条件下，它决定材料中各原子的存在形式和分布、物相组成和堆垛结构（相图），这种多原子体系的光学性

质应是上述因素的综合作用结果。例如，各原子通过其内层电子能级结构和跃迁形式反映自身的原子特征和光学性质，原子间的相互作用又通过影响或改变它们价电子层的能级和跃迁来呈现不同的光学性质，期间有可能产生新的分子、形成新的晶体结构或析出新的物相，但对各原子内层电子能级结构的影响几乎可以忽略。另外，体系中各原子对其外层电子的束缚程度和自由电子的数量、分布等也会对材料的光学性能产生影响。还有，体系中的分子结构，晶体结构会形成各自的转动、振动能级，它们通过与外场（温度、电和磁场等）的耦合也会影响材料的光学性能。当然，前述的各种非完整性也会对性能产生不同程度的影响。因此化学成分对材料光学性能的影响规律应根据具体问题而具体分析。

4、材料表面和界面的状态

表面的本质是材料结构及其场分布相对于其三维体系内部的二维畸变区，界面则是不同表面的融合或反应区。材料表面和界面对其光学性能的影响除了上述提及的内容外，还包括其宏观和微观的几何性质，特别是电磁辐射波长尺度的几何形态的作用，它们通过对入射电磁辐射的反射、折射、散射、衍射、干涉和偏振等作用，对表、界面材料的光学性能产生影响。

（三）环境因素

1、温度（场）

温度对材料光学性能的影响同样是多重机制的综合作用，其中也包括光子与声子（或晶格热振动）的相互作用。随着温度的增加，材料中晶格热振动的非谐效应会导致原子间距增大（热膨胀），并且热激活能对原子的费米能级和材料中有效电子浓度也有影响，这些因素有可能使材料原子的外层电子能级发生改变，甚至可以通过相变使材料的晶体结构发生变化，进而影响原子外层电子的跃迁行为。另一方面，温度增加，原子的运动阻力减小，活动范围增大，如图7-2-8，通过晶格弛豫使光谱的峰值强度、半高宽和峰值频率等发生相应的变化。

除上述影响机制外，对红外波段的电磁辐射，光子与声子相互作用（或晶格热振动）本身也会形成吸收谱。简谐近似下，晶格热振动可以分解为一系列简谐模（格波），各简谐模有确定的波矢q v 和频率ω，相应的准动量为q v

h ，能量ωh 即为声子。对于单胞原子数为P 的晶体，其中有3支声频模，33P -支光频模，显然，1P =时，体系内无光频支声子。光子与声子的相互作用还需满足能量守恒和准动量守恒条件，即

其中光子的波矢k v 远小于电子和声子的波矢，对单声子过程，有0q k =≈v v ，届

时，声频支声子的频率和能量均等于零，因此，光子只能与光频支声子产生互作用，而且理论证明，只能与横光频声子有相互作用。考虑到光子与声子的互作用需借助电磁耦合实现，对离子晶体和极性共价晶体，光子与横光频声子的作用尤为显著；对于非极性晶体，这种作用相对较弱，它们是一种二级效应，即光子与晶体中光电场感生偶极矩的作用。多声子过程涉及热振动非谐效应，无论其发生的概率，还是由其引起吸收峰的强度，均远低于单声子过程。图7-2-10是GaAs 晶体在红外波段的晶格吸收谱。

图7-2-10

2、电（磁）场

当晶体在恒稳或低频（相对于光频）电场环境下受到光辐射时，晶体会产生非线性的电极化，设环境电场为ΩE v ，光电场为ωE v ，则电极化强度的分量形式为

(2)(2)0Ωωi ijk j k P εχE E = 7-2-29

此时的光频介电常数为 0()ωωωεdD dE d εE P dE ==+v v v v v

(1)(2)000()ωωΩωωd εE εχE εχE E dE =++v v v v v

(1)(2)00(1)ΩεχεχE =++v 7-2-30

从而使材料其它光学性能发生非线性变化，尽管如此，人们通常不把上述的电光效应列入非线性光学的范围，而是将外电场看作一种调制电场的作用。

3、应力和应变场

与上述电（磁）场对材料光学性能的影响类似，外部的应力和应变场（如弹性波或声波）也同样会对材料的光学性能产生影响（声光或弹光效应），作用结果同样是非线性的，不同之处仅在于电（磁）场的影响是通过非线性的极化（或磁化）效应，而应力和应变场是通过材料弹性系数的作用来实现的。

§7-3材料光学性能测试及其在材料研究中的应用

一、光谱分析概述

广义而言，材料的光学性质是物质受到电磁辐射作用后的响应或引起变化的综合表现，它是对材料进行光谱分析的物理基础。电磁辐射涵盖从γ-射线到无线电射频的所有频率范围，与物质的作用包括发射、吸收、发射、折射、散射、干涉、衍射和偏振等各种方式。材料的光谱分析主要包括光谱法和非光谱法，前者电磁作用在物质内引起量子化能级跃迁，通过记录跃迁产生的发射、吸收或散射波长和强度的变化进行定性或定量分析；后者的电磁辐射不涉及跃迁，只改变传播方向或速度等，通过测量诸如折射、散射、干涉、衍射和偏振等性质变化来进行定性或定量分析。光谱分析还包括原子光谱和分子光谱，前者反映原子内、外层电子能级跃迁，表现为线状光谱；后者反映分子中电子能级、振动和转动能级的变化，表现为带状或连续谱。表7-3-1给出材料分析中常用的光谱分析方法， 其中，发射光谱是利用电、热、光等激发方式或手段，使物质中原子或分子进入激发状态E *，其退激过程产生的光谱，即E E ω*

→+h ；吸收光谱是物质吸收的电磁辐射能与其原子核 、原子或分子的两个能级之间跃迁所需的能量满足关系式E ω?=h 时，所产生的光谱，即E ωE *+→h ；Raman 散射光谱是入射光子与物质分子之间的非弹性散射效应，是研究物质分子结构的有力工具。光谱法在材料分析和研究中被广泛用于化学成分的定性和定量、能级结构、分子结构和磁有序结构等的分析和测定。X-射线衍射谱是利用X 射线与物质原子或其核外电子的散射、衍射和干涉等规律，对物质的结构进行分析和测定的方法。而反射、透射和偏振光谱等则通过电磁辐射与物质内部（透明）或表面（非透明）原子或核外电子等的相互作用，对物质的光学性能进行分析和测定，在光学、半导体和介电材料、表面工程、薄膜乃至金属材料等研究领域有广泛应用。

二、常用光谱仪的结构、原理和特点

光谱仪是光谱分析的主要仪器或工具，根据其用途、结构和原理的不同，有不同形式和种类的光谱仪，但无论何种光谱仪，其基本构成单元通常都包含以下五个部分，即光源、单色器、样品容器、检测器和读出器件。对光源的要求是足够的输出功率和良好的稳定性。根据要求又进一步分为连续光源和线状（或单色）光源，前者能在较大的频率或波长范围内发射强度平稳的连续光，用作分子吸收光谱分析，如紫外光源（氢灯、氘灯等）、可见光源（钨灯、氙灯）和红外光源（奈斯特灯）；后者能发射具有特定波长的单色或准单色光，用作荧光、原子吸收或Raman光谱分析，如金属蒸汽灯（汞灯、钠灯）和激光光源等。单色器的作用是将复合光分解为单色或准单色光，通常由入射和出射狭缝、准直镜和色散元件，如棱镜或光栅等组成。样品容器（或吸收池）要求由对不同的入射光具有“透明”性质的材料构成。检测器则主要由对不同能量（频率或波长）光子能快速和灵敏响应的光、热元件构成，如光电倍增管和光电管等。读出器的功能是将光信号转换为电信号，如检流计、数字显示器和光子计数器等。

1、发射和吸收光谱

图7-3-1是发射光谱仪

的结构框图，这里光源的作

用是提供足够的能量使试样

蒸发、原子化和激发，并在

退激过程中产生相应的光谱。图7-3-1

吸收光谱仪的结构框图如图

7-3-2所示，它与发射光谱仪

的区别在于由光源发射的待

测元素的锐线光束（共振

线），通过原子化器被其中的

基态原子吸收，再射入单色图 7-3-2

器中进行分光处理，然后被检测器接收，由读出器件转化为吸收信号。

2、X-射线荧光光谱

图7-3-3分别给出波谱型和能谱型X射线荧光光谱仪的结构示意图，X射线光源发射0.001～50nm的电磁波，其中0.01nm对应超U元素的K系谱线，24nm 对应最轻元素Li的K系谱线，样品受到X射线激发后其退激过程会产生特征荧光辐射，根据莫斯莱定律，特征谱线可用于不同元素的定性分析，而指定波长下荧光强度与被测元素的含量成正比，以此作为成分定量分析的依据。其中波长色散谱仪是利用准直器、分光晶体和检测器对辐射荧光的波长进行分类、计数，而

能谱色散谱仪则由半导

体检测器直接对不同通

道的荧光辐射能量分别

进行计数。

3、红外吸收光谱和

拉曼散射光谱

物质对红外辐射

的选择性吸收会产生与

分子内部结构振动和转

动能级相关的跃迁，这

就是红外光谱分析的原

理，根据其结构不同，

可细分为色散分光型和

干涉调制分光（或傅里

叶变换）型红外光谱仪，

图7-3-4分别是两种光图7-3-3

谱仪的结构示意图。

图7-3-4

色散型红外光谱仪（IR ）多采用双光束光学零位平衡系统，来自光源的辐射被分成强度相等的两束光，分别通过待测样品和参比样品，二者的吸收差决定双光束的平衡状态，进而影响检测器输出信号的强弱，由此信号反馈调节梳状光阑控制通过参比试样进入单色器的光强，保证进入单色器两束光动态平衡，即光学零位平衡。这样，参比光路中由梳状光阑控制的能量即为待测样品与参比样品吸收能量之差，当记录笔与梳状光阑同步运动，则可由谱线的纵坐标反映试样的透射率0T I I =，而横坐标为红外辐射的波数，代表其能量。傅里叶变换型红外光谱仪（FT-IR ）由光源和迈克尔逊干涉仪（包括动镜、定镜和光束分裂器）组成，后者负责干涉调制。光源发射的光束经准直后由光束分裂器分为两束强度相等的相干光，两束光分别被定镜和动镜反射后返回光束分裂器，再分别经反射和透射在聚焦镜上发生干涉，然后经样品室进入检测器。期间，两束光的光程差由动镜位置x 控制，当光程差为半波长偶数倍时，两光束相长干涉，输出信号振幅最大；奇数倍时，相消干涉，振幅最小。由于光源辐射的是复合光，可表示为多波长余弦波叠加形式，只要连续改变光程差（扫描），同步记录的干涉图形就包含了光源全部波长对应的强度信息。当光路（或样品室）中有待测样品时，样品吸收某一波长的能量，干涉图的强度会发生相应改变，利用傅氏变换技术对该干涉图中各波长的强度进行分析，获得吸收强度的频谱曲线（吸收谱线）。

()()cos I x B ωxωdω∞-∞=? 和 ()()cos B ωI x xωdx ∞

-∞=? 式中()B ω为光源的强度；()I x 为干涉波的强度，即吸收谱线；表征光程差的x 参量可转换为相应吸收波的频率或波长。与色散型红外光谱仪相比，FT-IR 的特点是分辨率和灵敏度高，扫描速度快，并且有频谱范围宽。红外光谱分析通常只适用于纯化合物，样品可以是气态、液态和固态，其中固态样品多制成糊状、薄膜或粉末压片。鉴于红外辐射的频率范围主要对应分子结构振动和转动能级跃迁，并且只对分子偶极矩变化（或非对称振动）敏感，该方法主要用于分子结构分析，从中获取化学键的强度、诱导效应、共轭效应、成键碳原子的杂化状态、成键原子质量和氢键形成等信息，进而确定分子中各官能团的种类和数量。

Raman 散射光谱仪也是

分子结构分析的常用仪器，

图7-3-5是其结构示意图。

Raman 谱仪的光源既可以是

单色激光器（如He-Ne ），也

可以是输出波长连续可调

的染料-蓝宝石激光器。根 图7-3-5

据其分光原理不同也分为色

金属热物性参数

金属热物性参数

表1 各种金属的热物性值 金属温度? C 比热 cal/(g·?C) 导热系数 cal/(cm·s·?C) 密度ρ(g/cm3)液相 线、固相线温度(?C) 纯铁 25 200 400 769 800 1000 1500 0.107 0.124 0.145 0.358 0.230 0.148 0.180 0.192 0.152 0.120 0.074 0.071 0.070 0.032 ρ=7.88(20?C) =7.3(1500?C) =7.0(1600?C) 镇静钢(C0.08%) 200 400 800 1200 0.112 0.124 0.142 0.230 0.158 0.142 0.128 0.107 0.068 0.071 ρ=7.86(15?C) 软钢(C0.23%) 200 400 800 1200 0.112 0.124 0.142 0.228 0.158 0.124 0.116 0.102 0.062 0.071 ρ=7.86(15?C) 碳素结构钢(S35C) 25 200 400 800 0.111 0.125 0.134 0.285 0.103 0.095 0.079 0.078 中碳钢(C0.4%) 200 400 800 1200 0.112 0.122 0.140 0.148 0.156 0.124 0.115 0.100 0.059 0.071 ρ=7.85(15?C) 共析钢(C0.8%) 200 400 800 1200 0.108 0.128 0.144 0.146 0.160 0.119 0.108 0.091 0.058 0.072 ρ=7.85(15?C) 工具钢(C1.2%) 200 400 800 0.108 0.130 0.142 0.156 0.103 0.102 0.089 0.057 ρ=7.83(15?C)

建筑材料的物理性质

建筑材料的物理性质 材料是构成建筑物的物质基础。直接关系建筑物的安全性、功能性、耐久性和经济性。用于建工.程的材料要承受各种不同的力的作用。例如结构中的梁、板、柱应其有承受荷载作用的力学性能；墙体的材料应接有抗冻、绝热、隔声等性能;地而的材料应具有耐磨性能等。一般来说.材料的性质可以分为4个方面：物理性质、力学性质、化学性质和耐久性。 一、物理性能 1、密度 密度是指材料在绝对密实状态下，单位体积的质量。按式（2-1）计算： 材料在绝对密实状态下的体积.是指不包括材料孔隙在内的体积。建筑材料中，除钢材、玻璃等少数材料接近于绝对密实外，绝大多数材料都含有一定的孔隙，如砖、石材等。而孔隙又可分为开口孔隙和闭口孔隙。 在测定有孔隙材料的密度时，为了排除其内部孔隙，应将材料磨成细粉(粒径小于0.2mm)，经干燥后用密度瓶测定其体积。材料磨得越细，测得的密度就越准确。 2、表观密度 表观密度是指材料在自然状态下，单位体积的质量。按式（2-2）计算： 材料的表观体积是指包含材料内部孔隙在内的体积。对外形规则的材料，其几何体积即为表观体积，对外形不规则的材料，可用排水法求得，但要在材料表面预先涂上蜡，以防水分渗入材料内部而使测值不准。当材料的孔隙内含有水分时，其质量和体积均有所变化，表观密度一般变大。所以测定材料的表观密度有气干状态下测得的值和绝对干燥状态下测得的值(干表观密度)口在进行材料对

比试验时，以干表观密度为准。 3、堆积密度 堆积密度是指散粒或粉状材料，在自然堆积状态下单位体积的质量。按式（2-3）计算： 材料的堆积体积既包含了颗粒内部的孔隙，又包含了颗粒之间的空隙。堆积密度的大小不但取决于材料颗粒的表观密度，而且还与堆积的密实程度、材料的含水状态有关。 表2-1 常用建筑材料的密度、表观密度、堆积密度 4、密实度 密实度是指材料体积内被固体物质所充实的程度。以D表示，按式（2-4）计算：

材料的基本物理性质1

项目一建筑材料基本性质 （1）真实密度（密度） 岩石在规定条件(105土5)℃烘干至恒重，温度 20℃)下，单位矿质实体体积(不含孔隙的矿质实体的体积)的质量。真实密度用ρ t表示，按下式计算： 式中：ρt——真实密度，g/cm3 或 kg/m3； m s——材料的质量，g 或 kg； Vs——材料的绝对密实体积，cm3或 m3。 ??因固 ??测定方法：氏比重瓶法 将石料磨细至全部过0.25mm的筛孔，然后将其装入比重瓶中，利用已知比重的液体置换石料的体积。（2）毛体积密度 岩石在规定条件下，单位毛体积(包括矿质实体和孔隙体 积)质量。毛体积密度用ρ d表示，按下式计算：

式中：ρd——岩石的毛体积密度, g/cm3或 kg/m3； m s——材料的质量，g 或 kg； Vi、Vn——岩石开口孔隙和闭口孔隙的体积，cm3或m3。（3）孔隙率 岩石的孔隙率是指岩石部孔隙的体积占其总体积的百分率。孔隙率n按下式计算： 式中：V——岩石的总体积，cm3或 m3； V0——岩石的孔隙体积，cm3或 m3； ρd——岩石的毛体积密度, g/cm3或 kg/m3 ρt——真实密度, g/cm3或 kg/m3。 2、吸水性 、岩石的吸水性是岩石在规定的条件下吸水的能力。 、岩石与水作用后，水很快湿润岩石的表面并填充了岩石的孔隙，因此水对岩石的破坏作用的大小，主要取决于岩石造岩矿物性质及其组织结构状态(即孔隙分布情况和孔

隙率大小)。为此，我国现行《公路工程岩石试验规程》规定，采用吸水率和饱水率两项指标来表征岩石的吸水性。（1）吸水率 岩石吸水率是指在室常温(202℃)和大气压条件下，岩石试件最大的吸水质量占烘干(1055℃干燥至恒重)岩石试件质量的百分率。 吸水率ｗa的计算公式为： 式中：m h——材料吸水至恒重时的质量（g）； m g——材料在干燥状态下的质量（g）。 （2）饱和吸水率 在强制条件下（沸煮法或真空抽气法），岩石在水中吸收水分的能力。 吸水率ｗsa 的计算公式为： 式中：m b——材料经强制吸水至饱和时的质量（g）； m g——材料在干燥状态下的质量（g）。 饱水率的测定方法(JTG E41—2005)： 采用真空抽气法。因为当真空抽气后占据岩石孔隙部的空气被排出，当恢复常压时，则水即进入具有稀薄残压的

Procast相关参数设置一览

相关参数设置一览 PRECAST中参数的设置 （USER PRE-DEFINED RUN PARAMETER） 一. GENERRAL 1.） STANDARD NSTEP 2000 定义模拟时间总步数，时间步数达到该步数时，模拟终止 TFINAL 1 +000 定义ProCAST模拟时间（如同时定义TFINAL 和NSTEP，哪个先达到，按哪个终止模拟） TSTOP 2 +000 定义模拟分析终止温度 INILEV 0 定义初始步数，第一次模拟INILEV＝0，如继续某一步数模拟，INILEV＝继续模拟步数，（该步长数必须为输出步长的整数倍）。 DT 1 定义时间初始时间步长

DTMAX 1 +000 定义最大时间步长 TUNITS 2 （K C F）温度输出单位 VUNITS 1 速度输出单位 PUNITS 5 压力输出单位 QUNITS 1 热流输出单位（这几项是设置单位的，数字对应着可选项的顺序数） 2）ADVANCED NRSTAR 5 定义允许重新计算次数 NPRFR 1 定义文件输出频率 PRNLEV 0 定义输出节点某项结果，默认值＝0 ＝0，不输出＝1，输出节点速度＝8，输出节点压力＝16，输出节点温度 ＝64，输出节点涡流强度＝128，输出节点涡流分散率＝1024，输出节点位移 ＝8192，输出面热流＝32768，输出节点磁热能

SDEBUG 1 定义调试信息，默认值＝1 ＝0，不记录调试信息＝1，在文件中记录求解情况、时间步长控制、自由面模型 AVEPROP 0 定义计算每个个单元属性方法 ＝0，计算每个高斯点属性＝1，计算单元中心属性，以其作为整修单元平均值 CGSQ 0 定义CGSQ求解，默认值＝0 ＝0，使用默认TDMA求解 ＝1，使用CGSQ求解U方程＝2，使用CGSQ求解V方程 ＝4，使用CGSQ求解W方程＝16，使用CGSQ求解能量方程 ＝64，使用CGSQ求解涡流强度方程＝128，使用CGSQ求解可压缩流动密度方程 LUFAC 1 定义CGSQ求解预处理参数 DIAG 16384 对于对称求解，定义DIAG求解项（diagonal preconditioning flag） ＝0，对所有采用Cholesky预处理＝8，对压力采用

材料基本物理性质试验报告

《土木工程材料》试验报告 项目名称：材料基本物理性质试验 报告日期：2011-11-02 小组成员：

材料基本物理性质试验 - 2 - 1. 密度试验（李氏比重瓶法） 1.1 试验原理 石料密度是指石料矿质单位体积（不包括开口与闭口孔隙体积）的质量。 石料试样密度按下式计算（精确至0.01g ／cm 3）： gfdgfbg 感d 式中： t ρ──石料密度，g ／cm 3； 1m ──试验前试样加瓷皿总质量，g ； 2m ──试验后剩余试样加瓷皿总质量，g ； 1V ──李氏瓶第一次读数，mL （cm 3）； 2V ──李氏瓶第二次读数，mL （cm 3）。 1.2 试验主要仪器设备 李氏比重瓶（如图1-1）、筛子（孔径0.25mm ）、烘箱、干燥器、天平（感量0.001g ）、温度计、恒温水槽、粉磨设备等。 1.3 试验步骤 (1)将石料试样粉碎、研磨、过筛后放入烘箱中，以100℃±5℃的温度烘干至恒重。烘干后的粉料储放在干燥器中冷却至室温，以待取用。 (2)在李氏瓶中注入煤油或其他对试样不起反应的液体至突颈下部的零刻度线以上，将李氏比重瓶放在温度为（t ±1）℃的恒温水槽内（水温必须控制在李氏比重瓶标定刻度时的温度），使刻度部分进入水中，恒温0.5小时。记下李氏瓶第一次读数V 1（准确到0.05mL ，下同）。 (3)从恒温水槽中取出李氏瓶，用滤纸将李氏瓶内零点起始读数以上的没有的部分擦净。 （4）取100g 左右试样，用感量为0.001g 的天平（下同）准确称取瓷皿和试样总质量m 1。用牛角匙小心将试样通过漏斗渐渐送入李氏瓶内（不能大量倾倒，因为这样会妨碍李氏瓶中的空气排出，或在咽喉部分形成气泡，妨碍粉末的继续下落），使液面上升至20mL 刻度处（或略高于20mL 刻度处） ，注意勿使石粉粘附于液面以上的瓶颈内壁上。摇动李氏瓶，排出其中空气，至液体不再发生气泡为止。再放入恒温 咽喉部分 2 12 1V V m m t --= ρ比重瓶

(推荐)氯化钙热力学物性参数

氯化钙热力学物性参数 1氯化钙理化性质及其应用 氯化钙的相对密度为2.15g/cm3，熔点782℃、沸点 1600℃以上。具有极强的吸湿性，暴露于空气中极易潮解。易溶于水，同时放出大量的热。文献[1]详细介绍了氯化钙的应用和生产工艺：氯化钙的应用按级别分为：工业级氯化钙[2]和食品级氯化钙[3]。 1.1工业级氯化钙 工业级氯化钙具有遇水发热且凝点低的特点，可用于融雪和除冰[4-6]。并有吸水性强的功能，还可用作干燥剂，如用于氮气、氧气、氢气等气体的干燥。还是港口消雾[7]和路面集尘[8]、织物防火的最佳材料[9]。氯化钙水溶液是冷冻机用和制冰用的重要制冷介质[10]。另外氯化钙还可当作脱水剂、防冻剂、絮凝剂及生产色淀颜料的沉淀剂等。 1.2食品级氯化钙应用 在食品生产中，氯化钙可用于食品加工的稳定剂、稠化剂、吸潮剂、口感改良剂等。在医药领域，氯化钙还可用于药物合成的原料。 1.3氯化钙用于热泵 氯化钙主要是用于化学热泵（Chemical Heat Pump 简称CHP），它是利用不同条件下的一对耦合的可逆化学反应所产生的吸收放热现象来实现热量的传递的，它是一种将热能转化为化学能，从而将

蓄热机和热泵机合二为一的新型节能技术[11]。文献[11]研究了化学热泵为CaCl 2/CH 3OH 体系，它利用了如下化学反应： 23232()2()CaCl CH OH g CaCl CH OH s ??→+?←?? 该反应是一个气固两相的可逆络合反应，反应的正方向是放热反应。 以CaCl 2/CH 3OH 体系设计的化学热泵的工作原理图如下： 下面是氯化钙的部分热力学性质图表：

2.材料的基本物理性质1

The basic physical property of material（1） 主讲人：安亚强

物理性质 物质不经过化学变化或未发生化学反应二体现的性质，如密度、硬度、熔点、冰点、导热性、导电性等。

C O N T E N T S 与质量有关的性质 与水有关的性质 与声音有关的质量 2 3 1The property about mass The property about water The property about sound

密度是指材料在绝对密实状态下单位体积的质量。 ρ—密度（g/cm 3）; m —材料在干燥状态下的质量（g ）；V —材料在绝对密实下的体积（cm 3）。 1.1密度 V m = ρ固体材料的体积构成 测定密实体积：李氏瓶法。 1—固体物质体积V ; 2—闭口孔隙体积V B ；3—开口孔隙体积V K 。

表观密度是指多孔固体材料在自然状态下单位体积的质量。 ρ0—表观密度或体积密度（ kg/m 3或g/cm 3）; m —材料在干燥状态下的质量（kg 或g ）；V 0 —材料在自然状态下的体积（m 3或cm 3）。 1.2表观密度 0V m = ρ固体材料的体积构成 体积密度 1—固体物质体积V ; 2—闭口孔隙体积V B ；3—开口孔隙体积V K 。 V 0=V+V B +V K 测定表观体积：直接量测或排水法。 注：表观密度有干表观密度、气干表观密度、湿表观密度、饱和表观密度。通常所说的表观密度指的是干表观密度。

堆积密度是指粉状、颗粒状材料在堆积状态下单位体积的质量。 ρ′0—堆积密度（kg/m 3）; m —材料在干燥状态下的质量（kg ）；V′0—材料在堆积状态下的体积（m 3）。 1.3堆积密度 00 V m ' ='ρ散粒材料的体积构成 体积密度 1—固体物质体积V ; 2—闭口孔隙体积V B ；3—开口孔隙体积V K ；4—颗粒间空隙体积V 空。 V′0=V+V B +V K +V 空 测定堆积体积：容量桶量测。 松散堆积密度紧密堆积密度

第八单元课题1 金属材料(第1课时 金属的物理性质和用途)

课题1 金属材料 （第1课时金属的物理性质和用途） 学习目标： 知识与技能： 1、认识金属材料与人类生活和社会发展的密切关系。 2、了解常见金属的物理性质。 3、了解物理性质与用途之间的关系。 过程与方法： 1、学习运用观察、实验等方法获取信息。 2、学习运用比较、分析、归纳等方法对获取的信息进行加工整理。 情感态度与价值观： 1、认识金属材料在生产、生活和社会发展中的重要作用。初步形成“物质性质决定其用途，物质用途体现其性质”的观念。 2、培养学生全面、综合分析问题的能力及合理使用金属材料的意识。 3、培养学生树立为社会进步而学习化学的志向。 学习重点： 1、金属材料的物理性质。 2、物理性质与用途的关系及影响金属材料用途的因素。 学习难点： 1、培养学生运用探究方法得出相关结论的能力。 2、提高学生综合分析问题的能力。 一、自主探究： 【交流讨论】结合课本及生活实际，列举生活中一些常见的金属制品，并谈一谈生活中最常见的金属有哪些，使用的先后顺序是怎样的？ 【分析总结】观看课本P3页图8-3，分析并总结金属一般具有哪些物理性质。 【实验探究】请同学们设计简单的实验方案，说明铁、铝、铜都能导电和导热。 【交流讨论】请大家阅读课本P3页第一段并观看【表8-1】，查阅有关资料完成课本P4页中的“讨论”。 【分析讨论】物质的性质是否是决定物质用途的唯一因素呢？为什么？

【资料分析 熔点2500℃ 密度3g/cm3 强度与钢相似 导电性良好 导热性良好 抗腐蚀性优异 这种金属的表面有一层氧化物保护层，试设想这种金属的可能用途。 【阅读资料】课本P4页“金属之最” 二、展示提升： 1.下列关于金属的物理性质的说法，错误的是 ( ) A.具有导热性 B.具有延展性 C.具有金属光泽 D.能溶于酸2．某种新型“防盗玻璃”为多层结构，每层中间嵌有极细的金属线，当玻璃被击碎时，产生电信号，与金属线相连的警报系统就会立刻报警，这利用了金属的 （） A. 延展性 B.导电性C . 弹性D.导热性3．某市在南浔区和孚镇建立了首个垃圾发电厂，实现了生活垃圾的无害化和资源化处理。2008年4月11日从各乡镇运来了第一批垃圾，在这批垃圾中，含废铝线、一次性塑料餐具、果皮、废旧报纸等。其中属于金属的是 ( ) A. 废铝线 B. 一次性塑料餐具 C. 果皮 D. 废旧报纸4．金属材料在人类活动中已得到越来越广泛的应用。下列性质属于金属共性的是 （） A．硬度很大、熔点很高B．有良好的导电性、传热性 C．是银白色的固体D．易与酸反应产生氢气 5.常温下，_________是液体，_________是熔点最高的金属，通常用__________做电缆线。白炽灯泡用的灯丝是用_________制备的；日光灯内则充入了低压_________蒸气， _________和_________可用作货币，古代用_________做镜子。 6．常见金属的下列用途各利用的是金属的哪些物理性质： ⑴用铁锅炒菜 ⑵古代人将铜打磨成铜镜 ⑶将铝拉成丝做电线 ⑷用钨制成电阻丝 ⑸人们用黄金做项链、耳环、戒指______________ __

常见物性参数表word版本

常见物性参数表

常用溶剂 一、乙醇（ethyl alcohol，ethanol）CAS No.：64-17-5 （1）分子式 C2H6O （2）相对分子质量 46.07 （3）结构式 CH3CH2OH， （4）外观与性状：无色液体，有酒香。 （5）熔点（℃）：-114.1 （6）沸点（℃）：78.3 溶解性:与水混溶，可混溶于醚、氯仿、甘油等多数有机溶剂; 密度：相对密度(水=1)0.79;相对密度(空气=1)1.59; 稳定性:稳定;危险标记 7(易燃液体); 主要用途:用于制酒工业、有机合成、消毒以用作溶剂 不同压力下乙醇物性参数变化 表压液态密 度比热容气体密 度 蒸发 热 分子 量 粘度沸 点 MPa Kg/m3KJ/Kg*K Kg/m3KJ/Kg g/mol MPa*s ℃ 0.06 750.49 2.811 2.4693 830.21 46.07 0.58 90.6 5 0.04 752.35 2.790 2.1825 837.84 46.07 0.59 87 0.02 754.38 2.767 1.8917 845.99 46.07 0.61 83 常压756.65 2.742 1.5966 854.89 46.07 0.63 78.3 5 -0.02 759.50 2.711 1.2984 865.7 6 46.0 7 0.66 72. 8 -0.04 762.93 2.674 0.9936 878.32 46.07 0.6 9 65.9 -0.06 767.38 2.627 0.6806 893.85 46.07 0.74 56.8 2 -0.08 774.37 2.556 0.3559 916.51 46.07 0.83 42.4

建筑材料的基本物理性质

2.1 建筑材料的基本物理性质 建筑材料的基本物理性质，是指表示建筑材料物理状态特点的性质。它主要有密度、表观密度、堆积密度、密实度和孔隙率等。 1．密度 密度是指建筑材料在绝对密实状态下，单位体积的质量。密度(ρ)可用下式表示： V m = ρ (2—1) 式中：ρ——密度，g ／cm 3； m ——材料的质量，g ； V ——材料在绝对密实状态下的体积，cm 3。 绝对密实状态下的体积是指不包括孔隙在内的体积。除了钢材、玻璃等少数材料外，绝大多数材料是有一些孔隙的。测定有孔隙材料的密度时，应将材料磨成细粉，干燥后，用李氏瓶测定其体积。砖、石材等都用这种方法测定其密度。 2．表观密度 表观密度是指建筑材料在自然状态下，单位体积的质量。表观密度(o ρ)可用下式表示： o o V m = ρ (2—2) 式中：o ρ——表观密度，g ／cm 3或kg ／m 3。 m ——材料的质量，g 或kg ； V 0——材料在自然状态下的体积，cm 3或m 3。 材料的表观体积是指包含内部孔隙的体积。当材料内部孔隙含水时，其质量和体积均变化，故测定材料的表观密度时，应注意其含水情况。一般情况下，表观密度是指气干状况下的表观密度；而在烘干状态下的表观密度，称为干表观密度。 3．堆积密度 堆积密度是指粉状或粒状材料在堆积状态下，单位体积的质量。堆积密度（o ρ'）可用下式表示： o ρ'=/ 0V m (2—3) 式中：ρ'——堆积密度，kg/m 3; m ——材料的质量，kg ； O V '——材料的堆积体积，m 3。 测定材料的堆积密度的时，材料的质量是指填充在一定容器内的材料质量，其堆积体积 是指所用容器的体积，因此，材料的堆积体积包含了颗粒之间的空隙 4．密实度与孔隙率 密实度是指材料体积内被固体物质充实的程度。密实度（D ）可用下列式计算：

金属材料物理性质说课稿

金属材料物理性质说课 稿 集团标准化小组：[VVOPPT-JOPP28-JPPTL98-LOPPNN]

金属材料稿 一：教材分析 本节课化学九年级下册第八单元课题1《金属材料》。金属材料是与我们的生活密切联系的教学内容，本课题分为两部分。第一部分主要介绍了几种重要金属的物理性质和用途以及两者之间的关系，第二部分重点介绍了合金。在本单元之前，已经学习了氧气、氢气和碳三种非金属单质，在此处又学习金属材料，使整个初中的化学教材，既有一定的非金属元素知识，又有一些金属元素的知识，这样，使整个初中化学的知识体系内容就比较完整了，体现了义务教育阶段化学学习的全面性 二：教学目标 知识与技能 （1）通过日常生活中广泛使用金属材料等具体事例，认识金属材料与人类生活和社会发展的密切关系。 （2）了解常见金属的物理性质，知道物质的性质在很大程度上决定了物质的用途，但同时还需考虑如价格、资源以及废料是否易于回收等其他因素。 （3）能区分生铁和钢，认识金属与金属材料的关系。 过程与方法 （1）引导学生自主实验探究金属的物理性质，培养学生的实验探究能力。 （2）通过讨论探究物质的性质与用途的关系，培养学生综合分析问题的能力。 （3）培养学生学会主动与他人进行交流和讨论，清楚地表达自己的观点，逐步形成良好的学习习惯和学习方法。 情感态度与价值观 通过日常生活中广泛应用金属材料的具体事例，认识金属材料与人类生活和社会发展的密切关系。 三：目标重难点 （1）引导学生自主探究金属的物理性质。 （2）物质性质与用途之间的辩证关系。 重点的突出：为了突出本节课的重点我采用科学探究和分析归纳的教学方法。 目标难点 （1）培养学生运用探究方法得出相关结论的能力。 （2）提高学生综合分析问题的能力。 难点的突破：为了突破本节课的难点，我准备采用学生自主探究，合作学习相互交流，分析归纳的方式来学习。 四：说教学方法 根据化学课程标准“要培养学生科学探究能力，提高学生的科学素养”的要求，以及本节课的内容。我确定的教学方法是：采用实验探究法，按照提出问题—实验探究—观察分析—得出结论的程序实行探究式讨论教学设计意图：

常用材料的物理性能(超详细,好经典)

材料的物理性能 材料的物理性能：密度、相对密度、弹性、塑性、韧性、刚性、脆性、缺口敏感性、各向同性、各向异性、吸水率和模塑收缩率等。 ?弹性：是材料在变形后部分或全部恢复到初始尺寸和形状的能力。 ?塑性：是材料受力变形后保持变形的形状和尺寸的能力。 ?韧性：是聚合物材料通过弹性变形或塑性变形吸收机械能而不发生破坏的能力。 ?延展性：材料受到拉伸或压延而未受到破坏的延伸性称为延展性。 ?脆性：是聚合物材料在吸收机械能时易发生断裂的性质。 ?缺口敏感性：材料从已存在的缺口、裂纹或锐角部位发生开裂，裂纹很快贯穿整个材料的性质称为缺口敏感性。 ?各向同性：各向同性的材料为在任何方向上物理性能相同的热塑性或热固性材料。 ?各向异性：各向异性材料的性质与测试方向有关，增强塑料在纤维增强材料的排列方向上有较高的性能。 ?吸水性：吸水性是材料吸水后质量增加的百分比表示。 模塑收缩性：模塑收缩性是指零件从模具中取出冷却至室温后，其尺寸相对于模具尺寸发生的收缩。 冲击性能：是材料承受高速冲击载荷而不被破坏的一种能力，反应了材料的韧性。 塑料材料在经受高冲击力而不被破坏，必须满足两个条件：①能迅速通过形变来分散和冲击能量；②材料内部产生的内应力不超过材料的断裂强度。 疲劳性能：塑料制品受到周期性反复作用的应力，包括拉伸、弯曲、压缩或扭曲等不同类型的应力，而发生交替变形的现象，称为疲劳。 抗撕裂性：抗撕裂性是薄膜、片材、带材一类薄型瓣重要力学性能。 蠕变性：指材料在恒定的外力（在弹性极限内，包括拉伸、压缩、弯曲等）作用下，变形随时间慢慢增加的现象。 应力松弛：指塑料制品维持恒定应变所需要的应力随时间延长而慢慢松弛的现象。 塑胶材料 ●塑胶材料可分为两大类：热塑性塑料、热固性塑料。 ●热塑性塑料从构象（形态不同）可分为三种类型：无定型聚合物(PS、PC、PMMA)、 半结晶聚合物(PE、PP、PA)、液晶聚合物(LCP)。 ●热塑性塑料受热后会软化，并发生流动，冷却后凝固变硬，成为固态。热塑性塑料 由曲线状高分子组成，在加热时仅仅发生物理变化，其分子链上的基团稳定，分子间不发生化学反应。在多数热塑性塑料能被化学溶剂溶解，它对化学品的耐蚀性较热固性塑料差，其使用温度比热固性塑料低，机械性能和硬度也相对偏低。由于它的生产工艺成熟，来源广泛及可回收再利用，目前得到广泛的使用。 ●通用的工程塑料：PA 聚酰胺、POM 聚甲醛、PC 聚碳酸酯、PPO改性聚苯醚、PET/PBT 聚酯。 塑胶材料的分类 一、按树脂的受热变化分类 1.热固性塑料：酚醛树脂、氨基树脂、环氧树脂、不饱和树脂、氰酸酯树脂、 呋喃树脂、烯丙基树脂、醇酸树脂等。 2.热塑性塑料：目前的使用达95%以上。

建筑材料的基本性质整理

1、建筑材料的物理性质 ①材料的密度、表观密度、堆积密度 （1）密度：材料在绝对密度状态下单位体积的重量。 （2）表观密度：材料在自然状态下单位体积德重量。 （3）堆积密度：粉状或散粒材料在堆积状态下单位体积德重量。 ②材料的孔隙率空隙率 （1）孔隙率：材料体积内空隙体积所占的比例。 （2）空隙率：散装粒状材料在某堆积体积中，颗粒之间的空隙体积所占的比列。 ③材料的亲水性和憎水性 （1）润湿角的材料为亲水材料，如建材中的混凝土、木材、砖等。亲水材料表面做憎水处理，可提高其防水性能。 （2）润湿角的材料为亲水材料，如建材中的沥青、石蜡等。 ④材料的吸水性和吸湿性 （1）吸水性：在水中能吸收水分的性质。 吸水率 （2）吸湿性：材料吸收空气中水分的性质。 含水率。 ⑤材料的耐水性、抗渗性和抗冻性 （1）耐水性：材料长期在饱和水的作用下不破坏，而且强度也不显著降低的性质。 （2）抗渗性：材料抵抗压力水渗透的性质。一般用渗透系数K或抗渗等级P表示。 混凝土材料的抗渗等级P=10H-1，H-六个试件中三个试件开始渗水时的水压力。 K越小或P越高，表明材料的抗渗性越好。 （3）抗冻性：材料在吸水饱和状态下，能经受多次冻融循环作用而不破坏、强度又不明显降低的性质，常用抗冻等级F表示。 孔隙率小及具有封闭孔的材料有较高的抗渗性和抗冻性；具有细微而连通的空隙对材料的抗渗性和抗冻性不利。 （4）材料的导热性 导热性：材料传到热量的性质。用导热系数表示，通常将的材料称为绝热材料。 孔隙率越大、表观密度越小，导热系数越小。 2、建筑材料的力学性能 ①强度与比强度 强度是材料抵抗外力破坏的能力。 强度分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度和抗剪强度。孔隙率越大，强度越低。 比强度是按单位重量计算的材料强度，等于材料的强度与其表观密度之比。 ②弹性与塑性 （1）弹性：材料在外力作用下产生变形，当外力去除后，能完全恢复原来形状的性质。

建筑材料基本物理性质实验

建筑材料实验 实验一 建筑材料基本物理性质实验 一、实验目的 通过各种密度的测试，计算出材料的孔隙率及空隙率，了解材料的构造持征，分析比较与材料构造特征相关的其它使用功能（如材料强度，吸水率，抗渗性，抗冻性，耐腐蚀性，导热性及吸声性能等）。本实验依据GB/T 208-94《水泥密度测定方法》进行。二、密度实验 1.主要仪器设备 筛子（孔径0.20mm ）；李氏瓶（实图 1.1）；量筒；烘箱；天平（称量500g ，精度0.01g ）；温度计；干燥器；漏斗；小勺；恒温水槽。 2.实验步骤 （1）试样制备。将试样研磨，用筛子筛分除去筛余物，并 放到105℃~110℃的烘箱中，烘至恒重。将烘干的粉料放入干燥 器中冷却至室温待用。 （2）在李氏瓶中注入与试样不起反应的液体至突颈下部， 然后将李氏瓶放入恒温水槽内使刻度部分浸入水中，恒温 30min ，并保持水温为20°C 。记下刻度数。 （3）用天平称取试样m 1（约60g~90g ）。用小勺和漏斗小 心地将试样徐徐送入李氏瓶内（不能大量倾倒，否则会妨碍李 氏瓶中空气的排出，或在咽喉部分形成气泡，导致该部位堵塞）， 直至液面上升至接近20（cm 3）的刻度为止。（4）称取剩下的试样m 2，前后两次质量之差（m 1─m 2）， 即为装入瓶内的试样质量m （g ）。 （5）轻轻摇动李氏瓶排出气泡，再次将李氏瓶静置于恒温水槽中恒温30min 。记下液面刻度V 2，前后两次液面读数之差（V 2─V 1），即为瓶内试样的绝对体积V （cm 3）。 3.结果计算 按下式计算出试样密度ρ（精确至0.01g/cm 3）： V m = ρ 密度实验用两个试样平行进行，以其结果的算术平均值作为最后结果。两个结果之

材料热物性参数

Apache-Tables 5.9

Apache-Tables Table1Ground Reflectance (3) Table2Precipitable Water Vapour Depth(In Metres) (4) Table3Dry-Bulb Temperatures (5) Table4World Weather Data (6) Table5U-Values for Glazing (7) Table6Thermal Conductivity,Specific Heat Capacity and Density (9) Table8Shading Coefficient and Short-wave Radiant Fraction for Blinds and Curtains (19) Table9Transmission Factors for External Miniature Louvres (20) Table10Sensible and Latent Gains from People (21) Table11Radiant Fraction for Casual Gains (22) Table12Winter Design Temperatures and Air Changes (23) Table13Heat Emitter Radiant Fraction (26) Table14Solar Absorptivity (27) Table15Thermal Resistances of Air Gaps (28) Table16Diffusion Resistance Factors (30) Table17Permeances (31) Table18Vapour Resistivities (32) Table21Inside Surface Resistance(Table A3.5CIBSE Guide) (34) Table22Outside Surface Resistance(Table A3.6CIBSE Guide) (35) Table23Emissivities of Various Materials(Table C3.7CIBSE Guide) (36)

材料物理性质

谐振腔的初始光子来自增益介质中满足频率条件的自发辐射，自发辐射的光 子通过引起受激辐射和多次的反射传播使受激辐射形成链式增殖反应，实现光放 大，产生的激光最后由半反射镜输出。考虑到谐振腔反射镜的反射损耗，增益介 质的增益率必须高于谐振腔的损耗率，才能最终使谐振腔产生稳定的激光。设增 益介质的增益系数为G ，两反射镜的反射率分别为1R 和2R ，腔长为L ，光的初 始强度为0I ，则光束在谐振腔内往返一次后的强度为2012GL I I R R e =，谐振腔的增益要求为20120GL I I R R e I => 或 2121GL R R e >，由此获得产生激光的阈值或谐振腔的最小增益条件为12(12)ln(1)m G L R R =。 受各种因素的影响，由谐振腔输出的激光并非绝对的单色光，其频谱仍具有 一定宽度。导致激光频谱展宽的因素主要有： ①自然展宽 由于粒子处于激发态能级的寿命τ决定其相应辐射过程的持续时 间或相应辐射波列的长度，而有限的波列长度意味着该辐射波不再是绝对的单色 波，而是具有一定的频谱宽度，由此产生的频谱展宽为自然展宽，根据海森堡能 量-时间的不确定关系式 2E t ???≥h ，辐射光子的不确定能量εω?=?h ，时 间的不确定量取t τ?=，则辐射频谱自然展宽的量级约为21ωτ?≥。 ②碰撞（或压力）展宽 若增益介质中粒子数量较多或间距较小，粒子间易发 生相互碰撞，这种碰撞能促进粒子的跃迁，进而缩短其寿命，导致辐射谱线展宽。 对于高压下的气体介质，碰撞展宽尤为显著。 ③多普勒展宽 对于气体介质，粒子因热运动而产生多普勒频移，进而导致相 应辐射谱线展宽。 §7-2材料光学性能的物理本质和影响因素 一、材料的光学性能及其相互关系 在上节中，我们从波动性和粒子性两方面介绍了光或者电磁波的传播和与物 质相互作用的运动规律和性质。虽然涉及的内容比较庞杂，但在线性光学范围内， 无论何种光学性质，如光的传播速度、吸收或衰减、波阻、折射率、反射和透射 系数等，均可以采用相应介质的电磁性质，如介电系数、磁导率和电导率等，来 加以描述，从而使不同介质或物质具有不同的光学性质。通常情况下，材料的这 些电磁性质本身就是频率或波长的函数，因此，由它们表述的光学性质也应是频 率或波长的函数。在某些场合和条件下，材料的光学性质还需采用复变量和张量 的形式。除非特别声明，后续涉及的材料光学性质限定材料的状态是稳态、线性、 非铁磁性、各向同性和均匀的，当然，这些性能也是非线性、铁磁性、各向异性 和非均匀性材料光学性能的基础。

物性参数表

常用溶剂 一、乙醇（ethyl alcohol，ethanol）CAS No.：64-17-5 （1）分子式 C2H6O （2）相对分子质量 46.07 （3）结构式 CH3CH2OH， （4）外观与性状：无色液体，有酒香。 （5）熔点（℃）：-114.1 （6）沸点（℃）：78.3 溶解性:与水混溶，可混溶于醚、氯仿、甘油等多数有机溶剂; 密度：相对密度(水=1)0.79;相对密度(空气=1)1.59; 稳定性:稳定;危险标记7(易燃液体); 主要用途:用于制酒工业、有机合成、消毒以用作溶剂 不同压力下乙醇物性参数变化 表压液态密 度比热容气体密 度 蒸发 热 分子 量 粘度沸 点 MPa Kg/m3KJ/Kg*K Kg/m3KJ/Kg g/mol MPa*s ℃0.06 750.49 2.811 2.4693 830.21 46.07 0.58 90.65 0.04 752.35 2.790 2.1825 837.84 46.07 0.59 87 0.02 754.38 2.767 1.8917 845.99 46.07 0.61 83 常压756.65 2.742 1.5966 854.89 46.07 0.63 78.35 -0.02 759.50 2.711 1.2984 865.76 46.07 0.66 72.8 -0.04 762.93 2.674 0.9936 878.32 46.07 0.69 65.9 -0.06 767.38 2.627 0.6806 893.85 46.07 0.74 56.82 -0.08 774.37 2.556 0.3559 916.51 46.07 0.83 42.4

高分子材料的主要物理性能

第四章 高分子材料的主要物理性能 高分子材料与小分子物质相比具有多方面的独特性能，其性能的复杂性源自于其结构 的特殊性和复杂性。联系材料微观结构和宏观性质的桥梁是材料部分子运动的状态。一种结构确定的材料，当分子运动形式确定，其性能也就确定；当改变外部环境使分子运动状态变化，其物理性能也将随之改变。这种从一种分子运动模式到另一种模式的改变，按照热力学的观点称作转变；按照动力学的观点称作松弛。例如天然橡胶在常温下是良好的弹性体，而在低温时（＜-100℃）失去弹性变成玻璃态（转变）。在短时间拉伸，形变可以恢复；而在长时间外力作用下，就会产生永久的残余形变（松弛）。聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA ）在常温下是模量高、硬而脆的固体，当温度高于玻璃化温度（～100℃）后，大分子链运动能力增强而变得如橡胶般柔软；温度进一步升高，分子链重心能发生位移，则变成具有良好可塑性的流体。 本着“结构?分子运动?物理性能”这样一条思维线路，本章有选择地介绍高分子材料的热性能、力学性能、高弹性和粘弹性、溶液性质、流变性质、电学性能等。同时通过介绍结构与性能的关系，帮助我们根据使用环境和要求，有目的地选择、使用、改进和设计高分子材料，设计和改进加工工艺和设备，扩大高分子材料使用围。 第一节 高分子材料的分子运动、力学状态转变及热性能 一、高分子运动的特点 与低分子材料相比，高分子材料的分子热运动主要有以下特点： （一）运动单元和模式的多重性 高分子的结构是多层次、多类型的复杂结构，决定着其分子运动单元和运动模式也是多层次、多类型的，相应的转变和松弛也具有多重性。从运动单元来说，可以分为链节运动、链段运动、侧基运动、支链运动、晶区运动以及整个分子链运动等。从运动方式来说，有键长、键角的变化，有侧基、支链、链节的旋转和摇摆运动，有链段绕主链单键的旋转运动，有链段的跃迁和大分子的蠕动等。 在各种运动单元和模式中，链段的运动最为重要，高分子材料的许多特性均与链段的运动有直接关系。链段运动状态是判断材料处于玻璃态或高弹态的关键结构因素；链段运动既可以引起大分子构象变化，也可以引起分子整链重心位移，使材料发生塑性形变和流动。 （二）分子运动的时间依赖性 在外场作用下，高分子材料从一种平衡状态通过分子运动而转变到另一种平衡状态是需要时间的，这种时间演变过程称作松弛过程，所需时间称松弛时间。例如将一根橡胶条一端固定，另一端施以拉力使其发生一定量变形。保持该形变量不变，但可以测出橡胶条的应力随拉伸时间仍在变化。相当长时间后，应力才趋于稳定，橡胶条达到新的平衡。 设材料在初始平衡态的某物理量（例如形变量、体积、模量、介电系数等）的值为x 0，在外场作用下，到t 时刻该物理量变为x （t ），许多情况下x （t ）与x 0满足如下关系： ()τ /0t e x t x -= （4-1） 公式（4-1）实质上描述了一种松弛过程，式中τ称松弛时间。当t =τ时，()e x x /0=τ，可见松弛时间相当于x 0变化到x 0/e 时所需要的时间。

材料的基本性质包括 物理性质

期末复习提纲 1、材料的基本性质包括物理性质、力学性质与耐久性。 2、材料的四种含水状态包括完全干燥（烘干）状态、风干（气干）状态、 饱和面干（表干）状态、潮湿（湿润）状态。 3、材料的亲水性和憎水性以润湿角θ 来判定，当θ≤90° 时为亲水性， 90°<θ <180° 时为憎水性。 4、材料在潮湿空气中吸收空气中水分的性质称为材料的吸湿性。 5、材料的软化系数在0 ~ 1之间波动，轻微受潮或受水浸泡的次要建筑物需选用K 软>0.75的材料，用于长期受水浸泡或处于潮湿环境中的材料，若其处于重要结构，则需选用K软>0.85的材料。 6、材料的冻融循环通常指采用-15°C 温度冻结后，再在20°C 的水中融化的 过程。 7、对经常受压力水作用的工程所用材料及防水材料应进行抗渗性检验。 8、材料的导热系数越大，导热性越好，保温隔热效果越差。 9、热容量是形容材料加热时吸收热，冷却时放出热量的性 质。 10、耐热性的研究包含（1）受热变质、（2）受热变形。材料耐 燃性按耐火要求规定分为非燃烧材料、难燃烧材料、燃烧材料三大类。 11、材料的力学性质包括强度、弹性、塑性、冲击韧性、脆性。 12、材料的强度大小可根据强度值大小，划分为若干标号或强度等 级，强度的单位是N/mm 2或MPa 。 13、弹性的特点是外力和变形成正比例关系。 14、材料在外力作用下产生变形，当外力撤去后，仍保持变形后的形状和 大小并且不产生裂缝的性质称为塑性。 15、脆性材料的特点是塑性变形小，抗压强度远大于抗拉强度。 16、材料抵抗冲击振动作用能够承受较大变形而不发生突发性破坏的性质称 为材料的冲击韧性或韧性。 17、过火石灰的特点煅烧温度过高，CaO结构致密。处理方法是

常用材料的热物性参数

表1 各种金属的热物性值 温度 C 比热 cal/(g·C) 导热系数 cal/(cm·s· C) 密度(g/cm3)液相 线、固相线温度(C) =7.88(20C) =7.3(1500C) =7.0(1600C) =7.86(15C) =7.86(15C) =7.85(15C) =7.85(15C)

=7.83(15C)续表1 各种金属的热物性值 温度 C 比热 cal/(g·C) 导热系数 cal/(cm·s· C) 密度(g/cm3)液相 线、固相线温度(C) =7.73(15C) Ts=1488 T L=1497 =7.84(15C) T S=1420 T L=1520 =7.7(15C) 13.1Cr,0.5Ni T S=1399 T L=1454 =7.0(15C) 比热相对于 普通铸铁

=7.1(15C) 温度 C 比热 cal/(g·C) 导热系数 cal/(cm·s· C) 密度(g/cm3)液相 线、固相线温度(C) =7.5~7.8(15C) =8.92 T S=T L=1083

s=2.70(15C) T S=T M=660.2 温度 C 比热 cal/(g·C) 导热系数 cal/(cm·s· C) 密度(g/cm3)液相 线、固相线温度(C) s=1.74 T L=T S=651

s=6.09 T S=1395 T L=1427表2 铸型的热物性计算公式

硅砂，干型，呋喃铸型600C以下 0.385<<0.494 0.0058