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纤维反光和透光性质的研究

放大字体  缩小字体 发布日期:2016-02-24  来源:中国纱线网  作者:[db:作者]  浏览次数:949
核心提示:  纺织品及服装的风格和表观效果极大程度上取决于纺织材料的光学性质;纺织材料性能指标和纺织工艺指标的测试,许多方面也都利用了纺织材料的光学性质。近年来,许多新型先进纺织测试仪器更是朝着光、机、电结合的

  纺织品及服装的风格和表观效果极大程度上取决于纺织材料的光学性质;纺织材料性能指标和纺织工艺指标的测试,许多方面也都利用了纺织材料的光学性质。近年来,许多新型先进纺织测试仪器更是朝着光、机、电结合的方面发展。这些都要求对纺织纤维的光学性质有更加清楚的认识。

  过去的研究工作多局限于从宏观上研究纤维集合体,其结果并不很完整w,而且,有些观点无论从理论上还是从实践上都是值得商榷的。本文作者以单纤维为研究对象,结合物理学、光度学基本原理和几何光学的基本规律研究单纤维的光学性质。

  1纤维的基本光学性质固体的光学性质与其电学性质有着十分密切的联系,材料光电性能满足下式绝干纯净的纺织材料是绝缘电介质材料,绝缘性能很好,电导率cr甚少。由(1)式可知其折射率n将近于/T,消光系数々近于零,表明纺织材料的透明度极高。实际纺织材料是含有伴生物和杂质的,吸湿后还含有水份;导电性介于绝缘体和半导体之间,接近半导体,电导率仍较小,消光系数也很小;材料既不是全透明的,也不是全反射的,是一种半透明材料。

  光在固体中传播时,强度随传播距离X按指数规律衰减。根据朗伯方程,在距离X处,光强心为心=,b为吸收系数=4tAU,A.为光在真空中的波长。

  对于绝干纺织材料,吸收系数甚小,对光几乎无吸收,透入探度A(=l/a)较大;吸湿后的纺织材料,对光有一定程度的吸收,但透人深度A约有几mm,是一般纺织纤维直径的百倍左右。用光照射有一定回潮率的纺织材料时,人射光将部分被纤维表面反射,部分折射透过纤维,部分被纤维吸收。被纤维吸收的那部分中又有一部分转变为纤维的内能,另一小部分以散射光的形式发射出来,但比例较小。

  2圆形截面单纤维的光学性质纺织试验中,纤维受平行均匀光束照明的情况较普逋,且较典型,因此只研究在这种光照条件下纤维的光学性质。设纤维是截面直径为2r.的圆柱体,单位长度为用平行均匀光束垂直纤维轴线照射,单位面积上光照能量为/.,如所示由知=必。/,所以人射到纤维表面上的光强K妁按余弦规律分布,即根据折、反射定律,部分人射光线在纤维外表面反射,部分折射进人纤维内部;后者在纤维内表面再次折射、反射,其折射光线出射进入外部介质,而反射光线又在前表面进一步折射、反射,在纤维垂轴截面内,光路如所示。

  平行均匀光束垂直照射纤维设纤维的折射率为,外部介质的折射率为0,根据折射定律,有由可见,在垂轴截面内,各次内表面反射的人射角和反射角均为供,折射角均为久在任何满足0  透过纤维的光线主要是各条虽为会聚光束但并不交于一点,如所示。n(刃与垂直轴的交点距纤维轴心的距离开为反射线的分布5r.。焦区宽度为n>/2,焦点距纤维表面几Mm(纤维直径的1/4),近似在纤维表面。因此,除0角很小的区域外,大部分Ai(0)与垂直轴的交角较大,以20―P)散开。这样,在焦点附近,中心是亮的,周边的暗的;在远场(大于纤维直径百倍以上,一般在距纤维几mm以外的地方),中心是暗的,周边是亮的。这正是纺织纤维宏观看上去不透明的原因。

  下面根据光度学的原理,进一步研究反射、透射及吸收等各部分的光强问题。

  根据菲涅尔公式,外表面的反射率风刃、透射率了(幻及内表面任―次的反射率允(炉)和透射率分别为因而,各部分光强分别为由于第二次内表面反射的光强(刃已较弱,可以认为上半圆的反射光心(妁和由上半圆从材料内折出的(妁合成了上半柱面的搜反射光,由下半圆从材料内折出的(妁是材料的透射光。

  困为它们都没有“发光中心”,因此,研究光强分布只能限定在纤维表面上。若令心(少)是垂直轴右边某0'处人射的光在左边边折出的光强,显然(=风")7(少)/.)必'.推导可知0,0',9/满足方程所以,漫反射光强分布函数为因为心少,P'之间存在(5)式的关系,所以h(幻是6角的一元函数。下面进一步计算澡反射的光强总量。如所示,光强元为(1 =尺)d心漫反射光强总量为=由于光强分布具有轴对称性,所以射光总量为:垂直人射时,反射率为及=2.绝大多数纺织纤维垂轴折射率在1.47 1.65间。取纤维材料的折射率=1.5,计算得尺4%.可见,垂直人射光大部分透射。

  倾斜人射时,反射率随的增加而增大,透射率随之减小。取民=30°,=45°,搡=85计算,=0.61279,了(85°)=0.38720.由于反射率+透射率+吸收率=1,所以吸收率很小(在0为30% 45和85时,吸收率分别为l(TM5,l5)。因为散射光是吸收光能转变的一部分,因此,过分强调散射光在其中的比例成份是不恰当的m. ~90人射光的总量是相等的,所以整根纤维的透射光总量比漫反射光总量多。因而,透射的*多,漫反射的次之,吸收部分极少(一般不到万分之一)。

  结合,3,5,6可以看出,折射后透射光及表面反射光的分布都在2tt的范围内。因此,单根纺织纤维在均匀平行光照下的反射与透射实际上是无法分开的。从实用角度出发,建议对单根纤维在均匀平行光照射下的反射、透射光按照射的上半柱面和下半柱面分成形态上的反射半圆柱和透射半圆柱。这就是对纤维集合体习惯上称作的反射光和透射光。从理论上推断,宏观上观察到被照射的纤维所发出的光是漫射光(diffuselight)而不是散射光(scatteringlight)。

  在纺织测试中,几乎所有的场合都是远场情况,这时纤维截面可看作一个点(即纤维轴心)。

  把各方向的出射光线平移到从该点发出时,按有关资料,并综合考虑反射率及纤维(特别是毛纤维)表面不光滑,具有可见光波长附近的凹凸不平所造成的漫射因素等之后(这些问题将另文介绍),光强的板坐标和笛卡尔坐标的分布分别如(a),(b)所示。

  不难看出,包括各篼次的透射在内时,单根纤维总反射光大于总透射光,当纤维体积外直接透射不计时,二者之比约为4:1.平行光束倾斜人射时,规律与垂直人射完全相同研究排列基本上平行的薄纤维层(纤维集合体)的透射和反射光强,只需分别叠加各单根纤维的透射和反射光即可。

  表1纤维直径与输出电压u的关系序号直径d电压/V序号直径电压/V序号直径d电压序号直径d电压M按表1中数据求得回归方程为相关系数为n= 0.9765.方程(9)表明,毛纤维的漫反射光强与纤维直径在远场时呈良好的线性关系。

  动态。因许多纤维粗细相同,表2中测量电压是按纤维细度计箅的平均值。

  表2动态测试中纤维直径与电压的关系序号直径电压M序号直径d电压u序号直径d电压M序号直径d电压M表2中数据的回归方程为相关系数〃2 =0.99286.可见,动态条件下纤维直径与漫反射光强也呈良好的线性规律。

  动态和静态的实验均表明,远场情况下,单根纤维所产生的各种光中,漫反射光是主要部分。这―结果验证了中给出的反射和透射光在远场时的分布结果,而且与本文中单纤维表面上光强分布的研究结果是一致的。因为纤维表面上绝大部分透射光与垂直轴的交角较大,在远场中区较弱,反而参加到漫反射光中去了,使得远场时漫反射光占主要成份。

  4结论圆形(或近似圆形)截面的纤维,在平行均光束垂轴人射时,表面上的人射光强度按角的余弦规律分布。

  人射光线部分透过纤维,部分被纤维反射,极少量(不到万分之一)被纤维吸收;折人纤维的光线要在材料内表面发生多次反射的折射,各次界面上的人射角,反射角和折射角对应相等,大小由(角决定。

  上表面的反射光线遍布各个方向,其反向延长线不汇交于一点,没有“发光中心”;下表面的透射光线不汇交于一点,也没有“发光中心但其在纤维外聚焦于通过纤维轴的垂直平面上,焦区位于纤维下表面以外宽度约1/2纤维半径范围内。

  纤维表面上的光强度分布对称于过纤维轴的垂直平面;以过纤维轴的水平面为界,上半表面上的搜反射光和下半表面上的漫射光的强度都有一定的分布规律。

  远场条件下,毛纤维正透射方向透射光的损失量与纤维直径成正比。

 
 
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