功能材料及其应用复习资料 - 图文(8)

其中滞留较长的时间。因而能在该能级上积累比较多的粒子，于是与下能级之间形成粒子数反转。同时还要求这一对能级间有一定强度的跃迁，以产生激光。

发光物质发射光子的能量按频率(或波长)分布的总体称为该物质的荧光光谱，也称发射光谱。

荧光能量转换效率ηE 定义为发射荧光的能量与被激活物质从激励源吸收的能量之比。

激光工质材料按照材料的性质可以分为固体、气体、液体和半导体四种。

固体激光工作物质由激活离子和基质两部分。现有的激活离子主要有四类 :

一类是过渡金属离子。它们的 3d 电子无外层电子屏蔽，在晶体中受到周围晶体场的直接作用。因此，在不同晶体中，其光谱特性有很大的不同。

二类是三价稀土离子。它们的 4f 电子受 5s 和 5p 电子的屏蔽，受周围晶体场影响较弱。

第三类是二价稀土离子。 第四类是锕系金属离子。

晶体基质中激活离子常用以上一、二两类离子，而非晶体基质因其配位场作用，过渡金属离子不易激活，只能用 Nd3+ 为代表的三价稀土离子。

固体激光工作材料的基质包括晶体基质和非晶体(玻璃)基质两类。

在晶体基质中，激活离子处于长程有序的点阵结构中，激活离子周围的场基本相同，因此，在晶格场作用下产生的能级分裂和位移也基本相同。

在非晶体基质中，离子处于长程无序的网络结构中，不同离子受到周围配位场的作用不同，因而产生的能级分裂和位移也不同，离子的谱线是一系列中心频率略有不同的谱线叠加

因此，非晶体激光器的光泵利用率高，储能较大，且易制备大尺寸元件，所产生功率较大。

自激活晶体基质。 1973年Danielmeyer等人发现了NPP(NdP5014)晶体，钕离子是这种晶体的一种组成，且其含钕量高出掺钕的YAG 30倍。

液体激光工作物质

与固体工作物质相比，液体工作物质具有许多优点。 液体可在很大的体积内做到完全均匀，从而可以提高激光辐射的能量。如果让液体在容器内循环流动，就能够改善激光器的散热特性。液体具有固定不变的光学性能，并且是各向同性的。 工作过的液体很容易用新鲜液体进行替换，而且价格便宜。液体激光器最重要的特点是激光辐射的频率可以在比较宽的波长范围内连续可调。

半导体激光器的作用原理乃是基于电子和空穴的辐射复合现象。

智能材料

智能材料（intelligent materials，简称IM）是指对环境可感知、响应和处理后，能适应环境的材料。

智能材料是一种融材料技术和信息技术于一体的新概念功能材料。智能材料应同时具备传感（sensing）、处理 （processing）和执行（actuation）三种基本功能。

机敏材料（smart material，简称 SM），是一种较低阶段的智能材料，只有传感和执行两种基本功能，比智能材料少一个处理功能。形状记忆材料 （shape memory materials，简称 SMM）是指具有一定初始形状的材料经形变并固定成另一种形状后，通过热、光、电等物理剌激或化学剌激的处理又可恢复成初始形状的材料。SMA形状记忆效应是通过热弹性马氏体相变及其反转而产生。

马氏体相变是一种无扩散相变或称位移型相变。原子位移以切变方式进行。

（1）具有初始形状 L 的母相冷却到马氏体相变终了温度以下，实现

马氏体相变，变成由 24 种马氏体变体。

（2）加外力后产生塑性变形 ε 成为具有另一种形状 L + ε的马氏体单晶。

（3）去掉外力后塑性变形保留而形状 L +ε 不变。

（4）再加温到马氏体逆相变终了温度以上时，发生马氏体相变的反

转即逆相变，变回初始形状 L 的母相，其结构和取向与初始母相也完全一样。

第一个SMA商品名为Nitinol,镍钛诺Ni Ti Naval Ordnance

Laboratory

发生拟弹性形变时，诱发了马氏体相变，去除外力后，又发生马氏体逆相变，恢复原状。

形状记忆合金可作成单向形状恢复元件和双向形状恢复动作元件和拟弹性元件。在电场作用下，材料的流变性质发生变化，称之为电场致流变效应，简称电流变效应。

电色窗口（electro chromic window，缩写 ECW）：一种利用电致变色原理，由基体玻璃和电致变色系统构成的一种窗口。这种窗口在外电场作用下，引起颜色的可逆变化，可调节对光的吸收率、透过率和反射率三者的比例关系。

电色窗口具有调节执行功能，许多文献称之为机敏窗口（smart window，缩写 SW）或译为灵巧窗口。

机敏窗口一般由两块基体玻璃、两个透明导电层、一个电致变色层（或称工作电极）和一个离子导体层（或称电解质层）和一个离子储存层（或称可逆电极层）构成。

离子储存层逐渐倾向于被第二电致变色层所替代。

第二电致变色层要求与电致变色层颜色互补，以加强电场作用下的颜色变化而达到扩大透光率、反射率和吸收率的可调范围。 第二电致变色层仍然起到平衡离子的作用。电致变色层和离子储存层应允许离子和电子通过，必须同时具有高的离子电导率和电子电导率。

离子导体层只允许离子通过，应具有高离子电导率和低电子电导率。

第十九章 贮氢材料

氢是一种非常重要的二次能源。它的资源丰富；发热值高，氢燃烧后生成水，不污染环境。氢能源的开发引起了人们极大的兴趣。遇到的问题主要是制氢工艺和氢的贮存。目前，倾向于用光解法制氢——利用太阳能，到海水中取氢，这是大量制氢最有希望的方向。氢气的液化温度是－253℃

最早发现Mg—Ni合金具有贮氢功能，随后又开发了La—Ni，Fe—Ti贮氢合金，此后，新型贮氢合金不断出现。

许多金属(或合金)可固溶氢气形成含氢的固溶体，固溶体的溶解度与其平衡氢压的平方根成正比。在一定温度和压力条件下，固溶相与氢反应生成金属氢化物，贮氢合金正是靠其与氢起化学反应生成金属氢化物来贮氢的。作为贮氢材料的金属氢化物，就其结构而论，有两种类型。一类是I和Ⅱ主族元素与氢作用，生成的离子型氢化物。这类化合物中，氢以负离子态嵌入金属离子间。另一类是Ⅲ和Ⅳ族过渡金属及Pb与氢结合，生成的金属型氢化物。其中，氢以正离子态固溶于金属晶格的间隙中。

由0点开始，金属形成含氢固溶体，A点为固溶体溶解度极限。从A点，氢化反应开始，金属中氢浓度显著增加，氢压几乎不变，至B点，氢化反应结束，B点对应氢浓度为氢化物中氢的极限溶解度。图中AB段为氢气、固溶体、金属氢化物三相共存区，其对应的压力为氢的平衡压力，氢浓度(H／M)为金属氢化物在相应温度的有效氢容

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