物质的结构和材料的性质.ppt

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1、第三章物质的结构和材料的性质,罗立新武汉大学化学与分子科学学院2023年11月15日星期三,武汉大学土木工程化学2011,第三章 物质的结构和材料的性质3(1)原子核外电子运动状态(2)元素周期律 金属材料(3)化学键 分子间力 高分子材料(4)晶体缺陷 陶瓷和复合材料,武汉大学土木工程化学2011,3.1 原子核外电子运动状态,1.J.Dalton原子模型原子是物质的不可再分的最小实心微粒。,19世纪末，X射线、电子射线被发现，结果表明原子是可以分割的，不是最后质点。,阴极射线,武汉大学土木工程化学2011,2J.J.Thomson的“浸入式”原子模型,认为原子是由带正电的均匀连续体和在其中

2、运动的负电子构成。,3E.Ruthorford的“含核”原子模型,认为原子中心有一个小而重的带正电荷的原子核，核外有电子绕核的外围作空间运动。,武汉大学土木工程化学2011,4Bohr原子模型,微观粒子运动具有量子化的特征，提出了关于原子轨道能级的概念。,武汉大学土木工程化学2011,1 波粒二象性,对于光的本性，曾经有微粒说、波动说的长期争论，后来确认既具有微粒性，又具有波动性，称为波粒二象性。物质波的概念(1929年诺贝尔物理学奖)1924年de Broglie在光的启发下提出一切物质都具有粒子和波动的性质，即波粒二象性。,把作为粒子特征的动量P和表现波特性的波长联系起来。,E为粒子的能量

3、；为粒子物质波的波长；P为粒子的动量；为粒子物质波的频率；h为普朗克常数；v为粒子物质波的运动速度。,P=,E,V,=,h,V,=,h,或,h,p,武汉大学土木工程化学2011,例：重 25g的子弹，飞行速度为 9.0102m.s-1，其=2.941035m重9.11028 g的电子，运动速度为 3106ms1，其=2.41010m可见，对于宏观物质，其波动性微乎甚微，可以忽略，但对于电子、质子、中子、原子、分子等微观微粒，其波动性相对较大，成为重要性能。就是说，微观粒子都具有波粒二象性。,武汉大学土木工程化学2011,1927年，Davisson(戴维逊）、Germer(盖末）通过电子衍射证

4、实了de Broglie（德布罗伊）的假设，即电子和光子一样具有波粒二象性。,X射线衍射图 电子射线衍射图,武汉大学土木工程化学2011,微观粒子具有波粒二象性，就不能象宏观物体那样在确定的时间断内准确的描述出其运动的轨迹。微观粒子的运动符合下列关系：X 为微观粒子在某一方向的位置（或坐标）测不准量；Px 为动量在x方向的分量测不准量；h 为Planck常数。,2、微观粒子运动的统计性,也就是说，微观粒子运动的距离变化与动量变化不能同时测准，这就是有名的海森堡测不准原理。测不准原理是微观粒子的固有属性，不能用牛顿力学描述。我们只能用统计的方法，描述大量微观粒子运动的行为，即在一定区域内出现的概

5、率，因而电子运动的轨道失去了其真正的含义。,武汉大学土木工程化学2011,原子轨道和电子云,1926年，Schrdinger（薛定谔）根据德布罗伊物质波的观点将电子的粒子性代入波动方程。,是描述波动的函数，称为波函数，可用来表示任何微观粒子的行为。,波函数是三维空间x、y、z的函数，其二阶偏微分方程就是有名的薛定谔方程,武汉大学土木工程化学2011,电子的波函数对原子核外电子运动的描述具有十分重要意义：波函数不同，其能量不同。每一个波函数，都表示核外电子运动的一种状态，称为原子轨道。电子的波函数，通过求解薛定谔方程得到，在求解过程中，需要三个常数（n、l、m)进行限制才有物理意义。这三个常数称

6、为量子数，每一组常数表示一个原子轨道。(1)主量子数 n（2）角量子数 l（3）磁量子数 m（4）自旋量子数 ms,武汉大学土木工程化学2011,四个量子数,主量子数 n主量子数 n 表示电子层，其值越大，轨道距核越远，能量越高。主量子数 n 1 2 3 4 5 6 7 电子层符号 K L M N O P Q 角量子数 l角量子数 l 又叫副量子数，表示电子亚层。它确定着轨道的能级和形状。角量子数 l 的值为：0 n1如：主量子数 1 2 3 4 角量子数 0 1 2 3 轨道符号 s p d f 轨道形状 球形 双球形 花瓣形同样，l 的值越大，轨道距核越远，能量越高,武汉大学土木工程化学2

7、011,四个量子数,磁量子数 m磁量子数m确定着轨道的数目和空间取向m的取值为：m0，1，2.l=2l+1 一个m代表一个轨道如：角量子数 0 1 2 3 轨道符号 s p d f 轨道数目 1 3 5 7m 不影响轨道能级，l相同时，2l+1个m的能级相同，称为简并轨道，或等价轨道。自旋量子数 ms自旋量子数 ms并不是求解薛定谔方程得出的，它是人们研究氢光谱的精细结构时，证实了每个轨道上存在着自旋相反的两个电子，为了表达这两个电子的区别，引出的第四个量子数。它只有1/2、1/2两个取值。表示为、。原子核外电子的状态由这四个量子数确定,武汉大学土木工程化学2011,s、p、d电子云的角度分布

8、图,武汉大学土木工程化学2011,波函数与电子云,波函数是核外电子运动的数学式，并无明确的物理意义。但|2的物理意义是电子在某区域出现的几率密度，如下图，叫电子云。,S 轨道电子云,P 轨道电子云,武汉大学土木工程化学2011,波函数与电子云,原子轨道不是电子云，而是波函数，它是纯数学概念，具有相位，通常用“、”加以标识。电子云的角度分布图与原子轨道角度分布图有两点不同：a).原子轨道角度分布图带有正、负号，而电子云角度分布图均为正值；b).电子云角度分布图比原子轨道角度分布图“瘦”些，这是因为值一般是小于1的，所以2值就更小些。通常为了方便，将原子轨道（即波函数）与电子云不加区别。但它们的含

9、义、形状各不相同。,武汉大学土木工程化学2011,多电子原子中轨道的能级,原子轨道能量的高低叫能级，能级主要由主量子数n决定，其次由副量子数l决定。（1）角量子数相同时，主量子数越大，轨道能级越高。E1s3时，可能发生能级交错。通过光谱试验总结出的近似能级图接近徐光宪院士于1956年提出了经验公式，n+0.7 l产生能级交错的主要原因是：内层电子对外层电子产生的屏蔽效应轨道形状不同而产生的贯（钻）穿效应,武汉大学土木工程化学2011,核外电子排布的规则,Pauli(泡利）不相容原理：每个轨道最多只能容纳两个电子，且自旋相反配对。能量最低原理：在不违反泡利原理的条件下，电子尽可能占据能量最低的轨

10、道。整个原子体系能量处于最低，这样的状态是原子的基态。Hund(洪特)规则：简并轨道（能级相同的轨道）只有被电子逐一自旋平行地占据后，才能容纳第二个电子。另外：等价轨道在全充满、半充满或全空的状态是比较稳定的，亦即下列电子结构是比较稳定的：全充满-p6或d10 或f14半充满-p3或d5或f7全 空-p0 或d0或 f0,如：铬（Cr）Ar3d54s1 而不是 Ar3d44s2 铜（Cu）Ar3d104s1 而不是 Ar3d94s2,武汉大学土木工程化学2011,3.2 元素周期律 金属材料,元素的性质，取决于原子的电子数目和分布。按电子数目递增的顺序及元素性质变化规律将元素排列成为一个表，叫

11、元素周期表。（1871年门捷列夫，63种）,周期 等于能级组数。每一周期的元素数目等于相应能级中轨道所容纳电子的最大数2n2。族 将元素按其外围电子构型对原子分类。同族元素的原子，其最外层电子构型相同。区 按原子中最后一个电子填充的轨道划分为S区 d区 主族元素 过渡元素P区 ds区 副族元素 f 区 内过渡元素,武汉大学土木工程化学2011,。,说明：,1、周期表中各元素所在的周期数等于其主量子 数n,即电子层数（Pd除外）。2、主族元素原子的最后电子分别进入s亚层（s 区）和p亚层（p区）,外层电子构型分别为 ns1-2、np1-6。副族元素原子的最后电子分别进入d亚层（d区）和f亚层（f

12、区），外层电子构型分别为(n1)d1-10ns1-2,(n-2)f1-14ns1-2。3、原子的外层电子电子构型相同的纵行，叫族,武汉大学土木工程化学2011,元素呈现种种物理性质上的周期性:例如随着元素原子序数的递增，原子体积呈现明显的周期性.在化学性质方面，元素的化合价、电负性、金属和非金属的活泼性，氧化物和氢氧化物酸碱性的变迁，金属性和非金属性的变迁也都具有明显的周期规律。在同一周期中，这些性质都发生逐渐的变化，到了下一周期，又重复上一周期同族元素的性质。,武汉大学土木工程化学2011,3.3 化学键 分子间力 高分子材料,化学上将原子（或离子）间相互结合的强烈作用力称为化学键。由于元素

13、的电负性不同,相互形成的化学键有多种类型,通常有离子键、共价键、金属键等，也不能用一种理论解释。3.3.1 离子键：1）离子键的形成2）离子键的特征3）离子极化3.3.2 共价键（1）价键理论（2）杂化轨道理论（3）配位键,武汉大学土木工程化学2011,3.3.1 离子键,1）离子键的形成a.原子间得失电子b.随后靠正、负离子之间静电引力而形成的化学键,Na(s)+Cl2(g)NaCl(s);fH=-415.12 kJ/mol-1,离子键的本质是正负电荷间的静电作用力。,离子间的强度常以晶格能来定量描述。晶格能强弱的影响因素：离子电荷；离子半径。离子晶体的性能比较,武汉大学土木工程化学2011

14、,离子键的强度与离子的电荷成正比，与离子的半径成反比。,武汉大学土木工程化学2011,离子晶体的性能比较,武汉大学土木工程化学2011,2）离子键特征,结构特征 离子键无方向性、无饱和性。性能特征 a.熔点高、硬度大、挥发性低、韧性和延展性差；b.固体一般不导电，融熔态或水溶液可导电 c.溶解度有很大差异,离子的类型离子半径 d=r+r-离子电荷 得失电子数离子的电子构型 2电子构型 如：Li+、Be2+8电子构型 如：Na+、Mg2+(Mg 3s2)18电子构型 如：Zn2+、Sn2+(Zn 3d104s2)18+2电子构型 如：Sn4+(Sn 5s25p2)不规则电子构型 如：Fe2+(F

15、e 3d64s2),武汉大学土木工程化学2011,3）离子极化,球形对称分布的离子的电子云，在周围异电荷离子电场的作用下被诱导极化或发生电子云变形的现象称为离子极化。,电子云变形,武汉大学土木工程化学2011,离子极化产生的结果,离子极化改变了键的性质。离子键共价键离子极化的程度，取决于极化能力变形能力离子的电子构型,武汉大学土木工程化学2011,离子极化对物性的影响,AgF AgCl AgBr AI键型 离子键 过渡型键 过渡型键共价键颜色 白色 白色 浅黄色 黄色溶解度 14 5.305 7.1107 9.2109分解温度 很高 较高 700 552,/mol.L-1,/,武汉大学土木工程

16、化学2011,.例如：,Cu+（96pm），18电子构型 CuCl（共价化合物），不溶于水，加热分解。Na+（95pm），8电子构型NaCl（离子化合物）,溶于水,气化也不分解。,武汉大学土木工程化学2011,3.3.2 共价键,（1）价键理论价键理论认为,原子形成分子时,充满电子的内层轨道没有贡献,不予以考虑.只考虑未充满电子的外层轨道(称为价层)形成共价键.1）形成2）共价键的特性3）共价键的类型,武汉大学土木工程化学2011,1）形成,价键理论认为若原子在未化合之前有未充满电子的轨道则这两轨道相互重叠形成共价键。轨道重叠时必须相位相同（即方向相同）。轨道以最大程度度重叠构成一个共价键，且

17、不能再与第三个电子结合。,武汉大学土木工程化学2011,2）共价键的特性,A:具有饱和性和方向性B:具有一定的键长、键角、键能。键长：分子内两个成键原子核间的平均离。键角：分子中相邻两个键间的夹角。键能：原子轨道重叠释放出的能量。,武汉大学土木工程化学2011,表 键长和键角,武汉大学土木工程化学2011,3）共价键的类型,键：成键轨道沿键轴方向以头碰头方式重叠。可绕键轴自由旋转。键：成键轨道垂直于键轴而且相互平，以行肩并肩的方式重叠。不能绕键轴自由旋转。,武汉大学土木工程化学2011,杂化轨道理论,价键理论有较大的局限性,有许多现象不能解释,导致了杂化轨道理论的发展。例如：CH4（C 2s2

18、2p2）BF3（B 2s22p1）,1）Pauling提出了杂化轨道理论:,在形成分子的过程中，由于原子间的相互影响，若干类型不同而能量相近的原子轨道相互混杂，重新组合成一组能量相等,成分相同的新轨道，叫做杂化轨道，这一过程称为杂化。杂化轨道,相互以最大距离分布在原子核周围。与其他原子轨道重叠时形成键。轨道在杂化前后的数目总和相同、能量总和相同。,武汉大学土木工程化学2011,2）常见的杂化轨道即空间构型,SP 杂化 直线 SP2 杂化 三角形 SP3 杂化 四面体SP3d 杂化 三角双锥d2SP3杂化 八面体,武汉大学土木工程化学2011,CH4,实例,武汉大学土木工程化学2011,BeCl

19、2,武汉大学土木工程化学2011,BF3,武汉大学土木工程化学2011,3)非等性杂化,NH3H2O,武汉大学土木工程化学2011,说明：,杂化轨道理论是对价键理论的发展，很好的解释了许多分子的成键情况和多原子分子的空间结构，但也有一些分子的空间结构无法解释。如硫酸根是正四面体构型。,硫原子以sp3杂化轨道成键、离子中存在4个键，离子为正四面体形。硫酸根是一个硫原子和四个氧原子通过共价键连接形成的正四面体结构，硫原子位于正四面体的中心位置上，而四个氧原子则位于它的四个顶点，一组氧-硫-氧键的键角为10928，而一组氧-硫键的键长为1.44埃。因硫酸根失去两个电子才形成稳定的结构，因此带负电，且

20、很容易与金属离子或铵根结合，产生离子键而稳定下来。,武汉大学土木工程化学2011,（3）配位键,配位键，又称配位共价键，是一种特殊的共价键。当共价键中共用的电子对是由其中一原子独自供应时，就称配位键。配位键形成后，就与一般共价键无异。成键的两原子间共享的两个电子不是由两原子各提供一个，而是来自一个原子。例如氨和三氟化硼可以形成配位化合物：图片式中表示配位键。在N和B之间的一对电子来自N原子上的孤对电子。,配位键是极性键，电子总是偏向一方，根据极性的强弱，或接近离子键，或接近极性共价键。在一些配合物中，除配体向受体提供电子形成普通配位键外，受体的电子也向配体转移形成反馈配键。例如Ni（CO）4中

21、CO中碳上的孤对电子向镍原子配位形成配位键，镍原子的d电子则反过来流向CO的空*反键轨道，形成四电子三中心d-p键，就是反馈配键。非金属配位化合物中也可能存在这种键。,武汉大学土木工程化学2011,配位键可用以下3种理论来解释,价键理论。认为配体上的电子进入中心原子的杂化轨道。例如钴（）的配合物CoF63-中F的孤对电子进入Co3+的sp3d2杂化轨道，这种配合物称为外轨配合物或高自旋配合物，有4个未成对电子，因而是顺磁性的。Co(NH3)-63+中NH3的孤对电子进入Co3+的d2sp3杂化轨道，这种配合物称为内轨配合物或低自旋配合物，由于所有电子都已成对，因而没有顺磁性而为抗磁性。,晶体场

22、理论。将配体看作点电荷或偶极子，同时考虑配体产生的静电场对中心原子的原子轨道能级的影响。分子轨道理论。假定电子是在分子轨道中运动，应用群论或根据成键的基本原则就可得出分子轨道能级图。再把电子从能量最低的分子轨道开始按照泡利原理逐一填入，即得分子的电子组态。分子轨道分为成键轨道和反键轨道。分子的键合程度取决于分子中成键电子数与反键电子数之差。,武汉大学土木工程化学2011,3.4 晶体缺陷 陶瓷和复合材料,3.4.1 晶体缺陷实际晶体存在着各种缺陷。点缺陷线缺陷 面缺陷 体缺陷,1）本征缺陷（热缺陷）在没有外来原子时，由于晶格原子的热运动，有一部分能量较大的原子离开正常位置，进入间隙，变成填隙原

23、子，并在原来位置上留下一空位。,武汉大学土木工程化学2011,武汉大学土木工程化学2011,2）杂质缺陷,由于外来原子进入晶体内部而产生的缺陷。,武汉大学土木工程化学2011,3.4.2 陶瓷,陶瓷，陶器和瓷器的总称。陶瓷的传统概念是指所有以粘土等无机非金属矿物为原料的人工工业产品。它包括由粘土或含有粘土的混合物经混炼，成形，煅烧而制成的各种制品。由最粗糙的土器到最精细的精陶和瓷器都属于它的范围。对于它的主要原料是取之于自然界的硅酸盐矿物(如粘土、长石、石英等)，因此与玻璃、水泥、搪瓷、耐火材料等工业，同属于“硅酸盐工业”的范畴。陶瓷的分类陶瓷制品的品种繁多，它们之间的化学成分矿物组成，物理性

24、质，以及制造方法，常常互相接近交错，无明显的界限，而在应用上却有很大的区别。因此很难硬性地归纳为几个系统，详细的分类法各家说法不一，到现在国际上还没有一个统一的分类方法。,武汉大学土木工程化学2011,常用的有如下两种从不同角度出发的分类法：,(一)按用途的不同分类1日用陶瓷：如餐具、茶具、缸，坛、盆、罐、盘、碟、碗等。2艺术工艺陶瓷：如花瓶、雕塑品、园林陶瓷、器皿、陈设品等。3工业陶瓷：指应用于各种工业的陶瓷制品。又分以下6各方面：建筑一卫生陶瓷：如砖瓦，排水管、面砖，外墙砖，卫生洁其等；化工化学陶瓷：用于各种化学工业的耐酸容器、管道，塔、泵、阀以及搪砌反应锅的耐酸砖、灰等；电瓷：用于电力工

25、业高低压输电线路上的绝缘子。电机用套管，支柱绝缘于、低压电器和照明用绝缘子，以及电讯用绝缘子，无线电用绝缘子等；特种陶瓷：用于各种现代工业和尖端科学技术的特种陶瓷制品，有高铝氧质瓷、镁石质瓷、钛镁石质瓷、锆英石质瓷、锂质瓷、以及磁性瓷、金属陶瓷等,武汉大学土木工程化学2011,(二)按所用原料及坯体的致密程度分类可分为：,粗陶(brickware or terra-cotta)，细陶(potttery)，炻器(stone Ware)，半瓷器(semivitreous china)，以至瓷器(130relain)，原料是从粗到精，坯体是从粗松多孔，逐步到达致密，烧结，烧成温度也是逐渐从低趋高。粗

26、陶是最原始最低级的陶瓷器，一般以一种易熔粘土制造。在某些情况下也可以在粘土中加入熟料或砂与之混合，以减少收缩。这些制品的烧成温度变动很大，要依据粘土的化学组成所含杂质的性质与多少而定。以之制造砖瓦，如气孔率过高，则坯体的抗冻性能不好，过低叉不易挂住砂浆，所以吸水率一般要保持515之间。烧成后坯体的颜色，决定于粘土中着色氧化物的含量和烧成气氛，在氧化焰中烧成多呈黄色或红色，在还原焰中烧成则多呈青色或黑色。精陶按坯体组成的不同，又可分为：粘土质、石灰质，长石质、熟料质等四种。粘土质精陶接近普通陶器。石灰质精陶以石灰石为熔剂，其制造过程与长石质精陶相似，而质量不及长石质精陶，因之近年来已很少生产，而

27、为长石质精陶所取代。长石质精陶又称硬质精陶，以长石为熔剂。是陶器中最完美和使用最广的一种。近世很多国家用以大量生产日用餐具(杯、碟盘予等)及卫生陶器以代替价昂的瓷器。热料精陶是在精陶坯料中加入一定量熟料，目的是减少收缩，避免废品。这种坯料多应用于大型和厚胎制品(如浴盆，大的盥洗盆等)。,武汉大学土木工程化学2011,炻（sh）器在我国古籍上称“石胎瓷”，坯体致密，已完全烧结，这一点已很接近瓷器。但它还没有玻化，仍有2以下的吸水率，坯体不透明，有白色的，而多数允许在烧后呈现颜色，所以对原料纯度的要求不及瓷器那样高，原料取给容易。又称缸器。介于陶器和瓷器之间的制品，如水缸等。炻器具有很高的强度和良

28、好的热稳定性，很适应于现代机械化洗涤，并能顺利地通过从冰箱到烤炉的温度急变，在国际市场上由于旅游业的发达和饮食的社会化，炻器比之搪陶具有更大的销售量。半瓷器的坯料接近于瓷器坯料，但烧后仍有35的吸水率(真瓷器，吸水率在0.5以下)，所以它的使用性能不及瓷器，比精陶则要好些。瓷器是陶瓷器发展的更高阶段。它的特征是坯体已完全烧结，完全玻化，因此很致密，对液体和气体都无渗透性，胎薄处星半透明，断面呈贝壳状，以舌头去舔，感到光滑而不被粘住硬质瓷具有陶瓷器中最好的性能。用以制造高级日用器皿，电瓷、化学瓷等。,武汉大学土木工程化学2011,软质瓷(soft porcelain)的熔剂较多，烧成温度较低，因

29、此机械强度不及硬质瓷，热稳定性也较低，但其透明度高，富于装饰性，所以多用于制造艺术陈设瓷。至于熔块瓷(Fritted porcelain)与骨灰磁(bone china)，它们的烧成温度与软质瓷相近，其优缺点也与软质瓷相似，应同属软质瓷的范围。这两类瓷器由于生产中的难度较大(坯体的可塑性和干燥强度都很差，烧成时变形严重)，成本较高，生产并不普遍。英国是骨灰瓷的著名产地，我国唐山也有骨灰瓷生产。特种陶瓷是随着现代电器，无线电、航空、原子能、冶金、机械、化学等工业以及电子计算机、空间技术、新能源开发等尖端科学技术的飞跃发展而发展起来的。这些陶瓷所用的主要原料不再是粘土，长石，石英，有的坯休也使用一

30、些粘土或长石，然而更多的是采用纯粹的氧化物和具有特殊性能的原料，制造工艺与性能要求也各不相同。,武汉大学土木工程化学2011,3.4.3 复合材料,长期以来，人类为了生产和科学技术的进步，一直不断的开发新材料。从材料的角度来看，任何一种单一材料都有其若干突出的优点，但也存在一些明显的缺点，而且这些缺点的改善有时又是非常的困难的。尤其是近三十年来科学技术发展迅速，特别是尖端科学技术的突飞猛进，对材料的性能提出了越来越高的要求。因此单一材料已经不能满足这种需求。研究发现，将两种或两种以上的材料采用某种方式复合后，可以制成一种新的材料（我们称之为复合材料）。这些新材料常常保留了原有单一组分的优点，同

31、时克服或弥补了它的缺点，并显示出一些新的特性。,武汉大学土木工程化学2011,3.4.3.1 复合材料的定义,关于复合材料的定义人们说法不同。有人说“复合材料是由两种或者两种以上单一材料构成的具有一些新性能的材料”，这种解释虽容易被人理解，但从科学的角度来看，尚不完善，也不够确切。最具有说服力的定义是 ISO（International Organization for Standandization），即“复合材料是由两种或者两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。”,武汉大学土木工程化学2011,基体材料和增强材料,复合材料中存在两种或者两种以上的物理相，可以是连续的，

32、也可以是不连续的。其中连续的物理相称之为基体材料，而不连续的物理相以独立的形式分散在连续的基体中，即分散相。如果它对材料起到增强作用，则称增强材料。轮胎现代增强材料也有连续的情况，例如三维编织用于复合材料的增强材料。,武汉大学土木工程化学2011,界面,在复合材料的两种组成部分中，即在基体和增强材料存在着一个界面，界面则对复合材料的性质起到非常重要的作用。在纤维复合材料中，纤维起增强作用，承受大部分载荷。基体和纤维通过界面连接在一起，基体将载荷经界面传递给纤维，不仅能够充分发挥纤维的抗张性能优异的特点，还能起到使载荷均匀分布和保护纤维免遭外界损伤的作用。,武汉大学土木工程化学2011,按材料作

33、用分类,结构复合材料特点：具有良好的力学性能，用于建造和构造结构的材料,功能复合材料特点：以功能性为主导，如电学、磁学、光学、热学、放射等性能,3.4.3.2.复合材料的分类,武汉大学土木工程化学2011,按增强材料的形态分类,短纤维复合材料,粒状填充复合材料,片状填充复合材料,编织复合材料,连续纤维复合材料,缠绕复合材料,武汉大学土木工程化学2011,按基体分类,高分子CM,金属CM,陶瓷 CM,同质物质 CM,武汉大学土木工程化学2011,依据增强材料的种类，则可分,玻璃纤维复合材料碳纤维复合材料有机纤维增强复合材料：Kevlar(芳纶复合材料)、PBO(聚对苯撑苯并二恶唑)金属纤维复合材

34、料（不锈钢）陶瓷纤维复合材料氧化铝、碳化硅、硼纤维,武汉大学土木工程化学2011,3.4.3.3复合材料的发展和应用,2004年全世界复合材料产量为550万吨，中国位居世界第二，为102万吨。专家预测，到2010年中国复合材料产量将翻两番，达到400多万吨，从业人员将达到40多万，需要大量高层次人才。,武汉大学土木工程化学2011,公元前5000年，中东人用沥青和芦苇复合在一起用来造船,武汉大学土木工程化学2011,公元前3000年前，印度人用虫胶树脂制作复合板,武汉大学土木工程化学2011,我国在故宫的建造中所使用了粘合剂,茅草和泥土的复合建造房子,武汉大学土木工程化学2011,复合材料的发

35、展有三个过程,复合材料作为一门学科，作为一种新兴的材料工业，直到本世纪末40年代才出现。19401960 称为第一代。Glass fibers 增强塑料即玻璃钢，同时出现了硼纤维和CFRP碳纤维。19601980 称为第二代。出现了KFRP芳纶纤维、SiC纤维增强塑料、Al2O3金属纤维增强塑料。此间是先进复合材料的开发时期。,武汉大学土木工程化学2011,19802000 是先进复合材料得到充分发展的时期，称为第三代。在航空航天各领域得到了迅速的发展，并在各个领域得到应用，同时出现了纤维增强金属、纳米材料作为分散相等复合材料。,复合材料的发展的三个过程,武汉大学土木工程化学2011,建筑工业

36、上的应用交通运输业船舶和近海工程防腐工程电子/电气工业航天航空和国防工业,3.4.3.4 复合材料的应用,武汉大学土木工程化学2011,武汉大学土木工程化学2011,武汉大学土木工程化学2011,3.4.3.5 纤维复合材料的特点,比强度和比模量高抗疲劳性好减振能力好高温性能好破损安全性好性能的各向异性及可设计性强,武汉大学土木工程化学2011,3.4.3.6 纤维复合材料的特点,（1）比强度和比模量高比强度和比模量的定义比强度和比模量是指材料强度和模量与材料密度之比值.为什么高分子纤维的比强度高，较小，注意单位如钢、铅、玻璃钢、CF/环氧树脂、kevlar、硼纤维,比强度和比模量越大，这种结

37、构材料制成同样强度构件的质量越小，这对航空航天工业有着特别重要的意义。如宇宙飞船的质量减轻1kg，就可以使推送它的火箭减轻500kg的质量。,武汉大学土木工程化学2011,材料力学性能比较,武汉大学土木工程化学2011,3.4.3.6 纤维复合材料的特点,（2）抗疲劳性好疲劳破坏：材料在交变载荷作用下，由于裂纹的形成和扩展而造成的低应力破坏。金属材料：抗疲劳性差，没有明显的预兆的突发性破坏。裂纹一旦达到临界尺寸就突然断裂，其疲劳强度极限是其抗张强度的3050。纤维复合材料：其抗疲劳破坏是从纤维的薄弱环节开始，逐步扩展到界面上，破坏前有明显的前兆。,武汉大学土木工程化学2011,3.4.3.6

38、纤维复合材料的特点,（3）减振能力好受力构件的自振频率正比于比模量的平方根。因此，纤维复合材料的比模量大，自振频率高，在通常加载速度或频率下不容易因共振而快速脆断。同时，复合材料中的界面对振动产生的能量有反射和吸收作用，故复合材料振动阻尼强。例如，在同样条件下产生的振动，轻合金需9秒才停止，而碳纤维复合材料只需23秒停下。,武汉大学土木工程化学2011,（4）高温性能好这一点是针对复合材料、陶瓷等材料而言的。而对有机纤维是不适用的。如：PE(聚乙烯)、PA(聚酰胺)、PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)熔点250，PP(聚丙烯)熔点300。铝在400500，丧失强度，而BF/SiO2Al在40050

39、0中使用。陶瓷纤维复合材料在12001400。C/C复合材料在3000左右。隔热作用：CFRP在高温下，树脂热解形成碳残基而分解出的低分子物质，通过残基的孔隙向外逸出并带走能量，形成温度较低的界面层，起到隔热作用。火箭经过大气层瞬间高温。,武汉大学土木工程化学2011,3.4.3.6纤维复合材料的特点,（5）破损安全性好 纤维复合材料的横截面是大量的纤维，即使部分断裂，也能承受一段时间。载荷会迅速分配到未被破坏的纤维上，不致于造成构件在瞬间完全失去承载能力而断裂。仍能安全地使用或安全使用一定期限。这种安全地承受一定损伤的能力即破损安全性，纤维复合材料具有较好的破损安全性。,（6）性能的各向异性

40、及可设计性强 根据需求设计制造，不需焊、铆、切割等二次加工。各向异性（如力学性能）可根据载荷分别及使用条件的不同选择相应的铺层设计，可以突破指导的优化设计，做到安全可靠、经济合理。,武汉大学土木工程化学2011,纤维复合材料的缺点,纤维与基体组成的复合材料，微观结构不均匀，易在薄弱处发生破坏；层间剪切强度和横向强度低，这一点已成为复合材料的致命弱点；抗冲击性差；长期耐高温及耐老化性能差；工艺质量不够稳定，材料性能的分散性大。,武汉大学土木工程化学2011,武汉大学土木工程化学2011,武汉大学土木工程化学2011,武汉大学土木工程化学2011,第三章物质的结构和材料的性质,Thank you for your attention!,本章习题：P77思考3P90练习6，思考5P113思考1，4，10P125 练习1，2，4，5 思考4，5,