基本介紹
- 中文名：透光材料
- 外文名：transparent materials
- 簡述：透可見光、紅外光和紫外光的材料
- 常見的材料：透光玻璃
- 分類：無機、有機和複合透光材料
- 套用：建築、車窗、家飾等
概述,常見透過材料,透光原理,材料的光學性質,套用,
概述
透光材料包括透可見光（波長0.39～0.76μm）、紅外光（波長1～1000 μm）和紫外光（波長0.01～0.4μm）的材料。透光材料包括無機透光材料、高分子透光材料和透光複合材料。
透光率是透光材料的主要性能指標，定義為透射光強IT與入射光強I0之比：
T=IT/I0
透可見光的材料包括無機玻璃和有機高聚物，以及纖維與納米複合材料。當前光學玻璃有240餘種，折射率（1.437～1.935）和色散係數（90.70～20. 36）範圍大，光學穩定性好，耐磨損。玻璃材料透光率高，可達98%以上。玻璃材料的缺點是密度大（2.27～6. 26g/cm3），耐衝擊強度低，加工困難，製造周期長。
常見透過材料
透紫外玻璃仍是套用最普遍的透紫外光學材料，包括光學石英玻璃、透紫外黑色玻璃、鈉鈣矽透短波紫外玻璃以及鈉鈣紫外玻璃等。光學石英玻璃是透紫外線最好的材料，它在紫外波段有很好的透光性能。透紫外黑色玻璃對400~700nm的可見光不透明，對300~ 400nm的紫外線有很高的透過率，國外稱這種玻璃為伍德玻璃。鈉鈣矽透短波紫外玻璃能透過254nm的短波紫外線，是製作熱陰極低壓汞燈的理想管壁材料。鈉鈣透紫外玻璃允許透過280~ 350nm以上的中波紫外線，不透過280nm以下的對人體有害的短波紫外線。此外，許多鹼鹵化合物晶體和鹼土鹵化物晶體在紫外區域也有較好的透過性能，但這些晶體的物理化學性能遠不如石英玻璃穩定，製備工藝也比較複雜，真正能夠用在紫外光譜分析儀上代替光學石英玻璃作為分光稜鏡的基體材料為數不多。
至今為止，聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚苯乙烯（PS）、聚碳酸酯（PC）和聚雙烯丙基二甘醇碳酸酯（CR - 39）作為傳統光學塑膠占據有機高分子透光材料主導地位。傳統聚合物透光材料還包括苯乙烯丙烯腈共聚物（SAN）、聚4-甲基戊烯-1（TPX）和透明聚醯胺等。這些材料的透光率已達90%左右。高聚物透光材料的優點是質量輕（密度為0.83～1.46g/cm3）、成本低、製造工藝簡單、不易破碎，可用來製作各種透鏡、稜鏡、非球面鏡、反射鏡等光學元件。不僅用於眼鏡和低檔照相機上，而且已逐步套用於顯微鏡、天文望遠鏡、夜視儀、制導系統、測距儀等各種中高檔光學儀器上。透光聚合物也有很多缺點，如折射率範圍窄，線膨脹係數、雙折射和色散大，耐熱、耐磨、耐濕和抗化學侵蝕性能差，硬度低。
聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），俗稱有機玻璃，是高度透明、無毒無味的熱塑性材料。其可見光透過率達92%，紫外線透過率達73.5%，且具有很好的耐候和抗老化性能。它的缺點是表面硬度低、耐熱性和加工性較差，為此開發了許多共聚改性品種。聚苯乙烯（PS）質地堅硬，化學性能和電絕緣性能優良，易於成型出色彩鮮艷、表面光潔的製品，廣泛用於電氣、儀器儀表、包裝裝潢和日常生活等。PS的主要缺點是質脆和耐熱性差。聚碳酸酯（PC）是綜合性能優良的熱塑性工程塑膠。其透光率為87%～91%，具有十分突出的抗衝擊性能和耐熱性能，因此綜合性能優於PS和PMMA。PC廣泛用於室外照明、安全眼鏡、安全帽、微波爐容器和透明醫療器械等。其缺點是熔體黏性大、流動性差，導致器件的殘餘應力增大，易產生應力雙折射與應力開裂。
除了上述傳統透光高分子聚合物材料外，又開發出OZ -1000樹脂、KT - 153螺烷樹脂、TS系列光學材料、MH樹脂、APO樹脂和TS26樹脂等具有新型高分子結構的聚合物透光材料。
透明玻璃纖維增強塑膠，俗稱透明玻璃鋼，是目前最常用的聚合物基透光複合材料，它是以玻璃纖維與不飽和聚酯或丙烯酸酯複合而成的一種新型的採光材料。透明玻璃鋼是20世紀40年代美國維斯特-考阿斯特公司首先研究成功的，60年代開始在工程中套用。此後，英、法、日、意、德等國競相發展，產量日益增加。到了20世紀60年代中期，透明玻璃鋼及波形板的產量曾達到10000t/a，占其玻璃鋼總產量的1/7。日本起步較晚，但發展較快，80年代初的產量約為20000t/a，占日本玻璃鋼總產量的1/9。隨著玻璃鋼工業的迅速發展，透明玻璃鋼的質量（耐老化性能等）、生產方式和透光性不斷提高。如美國和日本生產的耐候性透明玻璃鋼的使用壽命由7～10年提高到20年；法國Delta Chimie公司的玻璃鋼波形板生產線的生產率每分鐘可達8～12m；日本研究的丙烯酸酯類透明玻璃鋼，其透紫外光能力不僅優於聚酯透明玻璃鋼，而且還優於玻璃，最適用於農業蔬菜、花卉栽培的溫室和礦工的日光浴室。
透光原理
以玻璃鋼為例對聚合物基複合材料的透光性原理作簡要分析。
玻璃鋼屬於光學上的非均一物體，當可見光通過玻璃鋼時便產生散射現象。由於玻璃纖維的直徑（6～ 10 μm）要比可見光的波長（0.4～0.76 μm）大好幾倍，且相鄰兩根纖維之間的距離一般都不超過纖維直徑的兩倍，因此，需要用多次散射理論來描述光通過玻璃鋼介質時的現象。
根據多次散射理論，一束平行光經過厚度為h的散射層後，其透過部分T（透光率）可用下式表示：
公式對於玻璃鋼，P、S可由下式計算：
P = Kfφf + Km（1-φf）
S =：4φf（nm-nf）/d
式中nf ——玻璃纖維的折射率；
nm ——黏結劑的折射率；
Kf ——玻璃纖維的吸收係數；
Km ——黏結劑的吸收係數；
φf ——玻璃纖維的體積分數；
d ——玻璃纖維的直徑。
除此以外，對於玻璃鋼還需考慮表面層的反射損失。平面試樣兩拋光面的總反射係數γ可按下式計算：
γ =1-[（1-ρ）/（1+ρ）]
式中，ρ為試樣一個面的反射係數。玻璃鋼試樣一個面的反射係數ρ與黏結劑的折射率nm有關。
材料的光學性質
1．顏色 材料的顏色是由其自身的光譜特性、投射於材料表面的光線的光譜特性和觀看者眼睛的光譜特性決定的。材料的顏色可分為紅、藍、黃、綠、白、紫、黑。顏色是構成材料裝飾性的重要因素，它決定了建築裝飾的基本格調，對確定環境氣氛，控制裝飾藝術效果，具有極為重要的作用。
2．透光性 光線投射於材料表面後，一部分被反射，一部分被透射，另一部分被吸收。材料允許光線透過的性質，稱為透光性，可用透光率表示，即透過材料的光線的強度與入射光的強度之比。透光性好的材料，其透光率可高達90%以上；而不透光材料，透光率為零。此外，還將透光率較小的材料稱為半透明材料。
3．透視性 當材料中有光線透過時，若不改變光線的方向（即光線可平行透過），則這種材料不僅可以透過光線，而且可以透過影像，稱這種光學性質為透視現象，也稱之為透明。若將透明的平板玻璃壓花，則可將透明材料變成不透視材料。
4．濾色性 對透光性材料，當光線透過時，材料能選擇性的吸收一定波長的入射光，使透過的光線變成特定的顏色，這種性質稱為材料的濾色性。建築裝飾材料使用過程中，透過的白光常被濾掉某種顏色，而呈現出特定顏色的光。
5．光澤性 光線投射於材料表面上後，若反射光線相互平行，則材料的表面會出現光澤現象。不同的材料表面組織結構不同，其反射的光線的波長和角度也不相同，故金屬、非金屬、玻璃、陶瓷、大理石、塑膠、油漆、木材、絲綢等的光澤各不相同。
6．光污染 在建築環境中，若採用的光源的亮度不當，或光源的安放位置和角度不當，或在強光下使用具有透光、反光或聚光材料不當時，會產生眩光，即光線直射行人、住戶、司機、駕駛人員的眼睛，引起視覺不良、不安、不適或傷害；或由於反光，光線聚焦，使局部空間產生強光、高熱等現象，影響人們的工作、學習和生活時，均可稱為光污染。
為防止光污染，選用光源、反射性的外牆裝飾板，或設計外牆玻璃裝修的面積率時，都應符合有關建築規範的規定和限制。
套用
具有較高機械強度和耐熱性能的鋼化平板玻璃是經特殊熱處理（淬火）的高質量的磨光或未磨光玻璃。鋼化玻璃在建築中套用較廣，它具有較高的彈性，較普通玻璃的彈性大約高10倍，但是不能經受來自端側的打擊，因而在運輸和安裝時需要特別注意。當破碎時鋼化玻璃形成邊緣不鋒利的碎塊。玻璃工業所生產的鋼化平板玻璃尺寸可達3000～1500mm。
遮陽玻璃可減少太陽輻射和透入室內的太陽直射強度。 遮陽玻璃分為吸熱的、 對比的、有氣溶膠罩面的、網紋反射陽光的、散射光的和隔熱的。
吸熱玻璃是利用吸收具有能量較多的長波光線來減少進入室內的太陽直射光。吸收紅外線的特徵是由於在這些玻璃中含有0.5～0.8%的氧化鐵， 因而玻璃會得到藍—綠色或淺灰色的色調。
散射和隔熱玻璃由密封在一起的雙層玻璃板組成，它們之間設定1～3mm厚的玻璃纖維夾層。如實驗所示，此種玻璃能吸收達95%的熱射線，可緩和強烈的照度對比，使光線在寬度和進深上均勻分布。在靠近採光洞口處， 照度較普通窗用玻璃大約大2～3倍， 但是，在小於1.7m的距離處卻大體相同，而在離開洞口較遠處， 散射玻璃的照度則大幹普通玻璃。
空心疊合玻璃磚是由兩層或更多層的玻璃做成的製品，各層之間的連結使其中間形成封閉的空氣間層。按照空心疊合玻璃磚的製造方法，可分為膠接的、熔接的、焊接的。建議工業建築採用玻璃厚度為3～6mm、面積為0.4～5.6m2的空心疊合玻璃磚。
空心玻璃磚是具有密封空腔的製品，空腔是焊接在一起的兩塊壓制的箱形半塊玻璃磚在特殊的爐子中加以燒結形成的。玻璃磚可分為：按形狀——方形的、矩形的、角形的和圓形的；按光學性質——散射光的、透光的、定向光的和遮陽的；按構造做法——單腔的和雙腔的。
