红外光学材料第三章.docVIP

第三章 红外光学材料的热学、力学性质 3.1.引言 到目前为止，红外光学材料都是无机非金属材料。它的最大特点是脆性，和传统的结构陶瓷特点是一样的，因而应归类为陶瓷材料。尽管其中有一些是属于半导体材料，因为它们在一定的波段是光学透明的，又可以称它们为光学陶瓷。除过少数半导体红外光学材料（如Ge、Si）外，光学陶瓷在电学上都是绝缘体。因而也是热的不良导体（有少数例外，如金刚石）。在红外光学材料的应用中，除光学性能必须要考虑以外，力学性能、热学性能和化学性能也要同时考虑。尤其是，在严酷环境中使用的窗口和整流罩，力学性能和热学性能则体现在抗热冲击的能力、抗沙粒腐蚀和抗雨滴腐蚀的能力上。因此，为某一特定用途而选择红外光学材料时，要折中考虑。 本章对目前使用或研制的一些红外光学材料的力学和热学性质以及抗热冲击、抗沙蚀、抗雨蚀的实验结果作一介绍和分析。在一些性质上力求能给出较为准确的参考值。 3.2.红外光学材料一般力学和热学性质 这里对表征红外光学材料力学性质和热学性质的参数作一简单的描述。 3.2.1弹性模量E和泊松比 一个横截面积为S，长度为L的圆柱光学陶瓷体，两端加紧，施加拉伸力F，则作用于单位面积上的应力。在拉伸力作用下，陶瓷体内部各质点之间会发生相对位移，因而长度将从L变为， 称为陶瓷体的应变，用表示。注意一点是，当拉伸力消失，则陶瓷体长度又恢复到L，陶瓷体的形变属于弹性形变。当拉伸力超过某一临界值，发生断裂。金属在拉伸的初始阶段呈现弹性形变。当拉伸力达到一定程度出现塑性形变，继续增加拉伸力则发生塑性断裂。图3-1表示了陶瓷和金属的断裂行为。对于弹性形变，应力和应变遵守虎克定律，即 （3-1） 或 （3-2） 式中：E称为弹性模量（又称为杨氏模量）。 当受到剪切应力（τ）作用发生剪切应变（γ）时，有 （3-3） 式中：G为剪切模量。当受等静压力压缩时，压缩应力σ与体积应变εv之间有 （3-4） 式中：K为体积弹性模量。三个模量之间有下面的关系： (3-5) （3-6） 式中：ν为泊松比。 由式（3-2）看出。弹性模量的物理意义是物体内各质点相对位移单位长度时所需的拉伸应力。显然，E越大，则所需的应力越大。这表明质点间相对位移越困难，材料的刚度就越大。 图3-1 陶瓷材料和金属材料的断裂行为 弹性模量E是重要的材料参数，它是原子间结合强度的标志。原子间相互作用力有两种：一种是吸引力，一种是排斥力。当原子间距离较远时，吸引力起重要作用。当原子间距离较小时，排斥力起主要作用。吸引力是异性电荷之间的库仑引力。排斥力则是由两部分构成：一部分是同性电荷之间的库仑斥力，另一部分是泡理原理引起的斥力。根据泡理原理，在体积为h3（h为普朗克常数）的相空间中，最多只能有自旋方向相反的两个电子，而相空间体积是由三个动量坐标和三个空间坐标所构成的六维空间体积。因此。当原子间距接近，三维空间电子密度增加，而同时动量空间体积也要增大。而动量是与能量直接相关联的。因而，一部分电子就具有较高的动能。这样一来，总能量增加了，只有降低能量系统才可以处于稳定状态，这就要求电子必须占据更大的三维空间，以保持动量空间不变。因此，表现出相互排斥的效应。显然，当材料温度升高时，由于热膨胀，原子之间间距变大了，结合能减小。因而弹性模量随温度升高而降低。在两种力的作用下，原子之间结合能为u（r），相互作用力。图3-2表示了原子间的相互作用。图（a）表示了相互作用势，图（b）表示了相互作用力。在平衡状态，原子位于势能最低的A点，原子间的距离为r0（图3-2（b））。在B点吸引力和排斥力相等。弹性模量就对应与B点的斜率，结合能越强，则斜率越大。因而弹性模量就越大。共价键离子键结合的晶体弹性模量E都较大，分子键结合的晶体弹性模量E较小。熔点的高低也反映了原子之间结合力的强弱。因此，一般说来，熔点越高的材料，弹性模量也越大。 图3-2 原子间相互作用示意图 （a）原子间相互作用势 ；（b）原子间相互作用力。 现在假定拉伸的陶瓷材料不是圆柱棒，是一个长方体，截面积是边长为a的正方形（图3-3）。实验表明，对各向同性材料，当沿着x方向拉伸时，正方形截面会均匀缩小。其相对收缩率