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第三章物质的结构和材料的性质2012

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2019-04-27 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《第三章物质的结构和材料的性质2012ppt》,可适用于高等教育领域

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*第三章物质的结构和材料的性质()原子核外电子运动状态()元素周期律金属材料()化学键分子间力高分子材料()晶体缺陷陶瓷和复合材料原子核外电子运动状态JDalton原子模型原子是物质的不可再分的最小实心微粒。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。阴极射线世纪初确立直到发现了电子、X射线、和放射现象人们才知道原子还可再分。电子的发现(阴极射线):高电压低气压下的放电现象。带负电荷有质量。.JJThomson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运动的负电子构成。.ERuthorford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。Thomson利用电场、磁场对带电粒子的影响测定了电子的荷质比。提出了模型。.Bohr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。霓虹灯原理。经典理论电子绕核作圆周运动原子放射出电磁波光谱连续能量逐渐降低电子溟灭。但实际不是这样。波尔:两个基本假设:轨道量子化跃迁吸收或放出能量。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(年诺贝尔物理学奖)年deBroglie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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=EV=hV=h或=hp例:重g的子弹飞行速度为×ms其=×-m重×-g的电子运动速度为×m·s-其=×-m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。年Davisson(戴维逊)、Germer(盖末)通过电子衍射证实了deBroglie(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。、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率因而电子运动的轨道失去了其真正的含义。原子轨道和电子云年SchrÖdinger(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ψ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。这三个常数称为量子数每一组常数表示一个原子轨道。()主量子数n()角量子数l()磁量子数m()自旋量子数ms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…电子层符号KLMNOPQ…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:n-如:主量子数…角量子数…轨道符号spdf…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:m=…l=l一个m代表一个轨道如:角量子数…轨道符号spdf…轨道数目m不影响轨道能级l相同时l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+、-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s、p、d电子云的角度分布图波函数与电子云波函数ψ是核外电子运动的数学式并无明确的物理意义。但|ψ|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轨道电子云波函数与电子云原子轨道不是电子云而是波函数ψ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ψ值一般是小于的所以ψ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。但它们的含义、形状各不相同。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。()角量子数相同时主量子数越大轨道能级越高。Es<Es<Es<Es…Ep<Ep<Ep<Ep…()主量子数相同时角量子数越大轨道能级越高这种现象叫能级分裂。Ens<Enp<End<Enf…()n、l都不相同n>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年提出了经验公式nl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)穿效应核外电子排布的规则①Pauli(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。②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道。整个原子体系能量处于最低这样的状态是原子的基态。③Hund(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p或d或f半充满p或d或f全空p或d或f如:铬(Cr)Ards而不是Ards铜(Cu)Ards而不是Ards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元素周期表。(年门捷列夫种)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n。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区内过渡元素说明:、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)。、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ns、np。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区)外层电子构型分别为(n-)dns,(n)fns。、原子的外层电子电子构型相同的纵行叫族。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。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。离子键:)离子键的形成)离子键的特征)离子极化共价键()价键理论()杂化轨道理论()配位键离子键)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)Cl(g)NaCl(s)fH=kJmol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离子键的强度与离子的电荷成正比与离子的半径成反比。离子晶体的性能比较)离子键特征①结构特征离子键无方向性、无饱和性。②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=rr离子电荷得失电子数离子的电子构型电子构型如:Li、Be电子构型如:Na、Mg(Mgs)电子构型如:Zn、Sn(Znds)电子构型如:Sn(Snsp)不规则电子构型如:Fe(Feds))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。电子云变形离子极化产生的结果①离子极化改变了键的性质。离子键共价键②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离子半径愈大愈易变形负离子价数愈高变形愈大正离子价数愈高变形性愈小。变形能力与离子电荷和半径大小有关即离子极化能力与Zr成正比。此外离子的电子构型也会影响离子的极化能力和离子变形性。③离子极化对物性的影响AgFAgClAgBrAI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×-×-×-分解温度很高较高molL℃例如:Cu(pm)电子构型CuCl(共价化合物)不溶于水加热分解。Na(pm)电子构型NaCl(离子化合物),溶于水,气化也不分解。共价键()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)形成)共价键的特性)共价键的类型)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不能再与第三个电子结合。)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。表键长和键角)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。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:CH(Csp)BF(Bsp))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σ键。轨道在杂化前后的数目总和相同、能量总和相同。C原子:sspxpypz中有两个未成对的电子应该形成两个共价键但常见的化合物却是四个等价的键Hg:Xefds形成个等价的键B:Hespx形成个等价的键)常见的杂化轨道即空间构型SP杂化直线SP杂化三角形SP杂化四面体SPd杂化三角双锥dSP杂化八面体实例①CH②BeCl③BF)非等性杂化NHHO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sp杂化轨道成键、离子中存在个σ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°'而一组氧硫键的键长为埃。因硫酸根失去两个电子才形成稳定的结构因此带负电且很容易与金属离子或铵根结合产生离子键而稳定下来。()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)中CO中碳上的孤对电子向镍原子配位形成σ配位键镍原子的d电子则反过来流向CO的空π*反键轨道形成四电子三中心dpπ键就是反馈配键。非金属配位化合物中也可能存在这种键。配位键可用以下种理论来解释①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(Ⅲ)的配合物〔CoF〕中F的孤对电子进入Co的spd杂化轨道这种配合物称为外轨配合物或高自旋配合物有个未成对电子因而是顺磁性的。〔Co(NH)〕中NH的孤对电子进入Co的dsp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。②晶体场理论。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。③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。晶体缺陷陶瓷和复合材料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)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子并在原来位置上留下一空位。)杂质缺陷由于外来原子进入晶体内部而产生的缺陷。杂质缺陷则形成固溶体如以CaO稳定的ZrO其组成为(ZrxCax)Ox。由于Zr被Ca替代就要产生氧离子O空位。该固溶体是重要的氧离子传导的固体电解质和耐火材料。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。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  .日用陶瓷:如餐具、茶具、缸坛、盆、罐、盘、碟、碗等。.艺术{工艺}陶瓷:如花瓶、雕塑品、园林陶瓷、器皿、陈设品等。.工业陶瓷:指应用于各种工业的陶瓷制品。又分以下各方面:①建筑一卫生陶瓷:如砖瓦排水管、面砖外墙砖卫生洁其等②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③电瓷:用于电力工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④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(二)按所用原料及坯体的致密程度分类可分为:粗陶(brickwareorterracotta)细陶(potttery)炻器(stoneWare)半瓷器(semivitreouschina)以至瓷器(relain)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~%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)。炻(shí)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%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~%的吸水率(真瓷器吸水率在%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。软质瓷(softporcelain)的熔剂较多烧成温度较低因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(Frittedporcelain)与骨灰磁(bonechina)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。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时克服或弥补了它的缺点并显示出一些新的特性。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(InternationalOrganizationforStandandization)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。”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。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。按材料作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、放射等性能复合材料的分类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按基体分类高分子CM金属CM陶瓷CM同质物质CM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)…金属纤维复合材料(不锈钢)陶瓷纤维复合材料氧化铝、碳化硅、硼纤维……复合材料的发展和应用年全世界复合材料产量为万吨中国位居世界第二为万吨。专家预测到年中国复合材料产量将翻两番达到多万吨从业人员将达到多万需要大量高层次人才。公元前年中东人用沥青和芦苇复合在一起用来造船公元前年前印度人用虫胶树脂制作复合板我国在故宫的建造中所使用了粘合剂茅草和泥土的复合-建造房子复合材料的发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年代才出现。称为第一代。Glassfibers增强塑料即玻璃钢同时出现了硼纤维和CFRP碳纤维。称为第二代。出现了KFRP芳纶纤维、SiC纤维增强塑料、AlO金属纤维增强塑料。此间是先进复合材料的开发时期。复合材料的发展的三个过程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。复合材料的应用建筑工业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纤维复合材料的特点()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ρ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kg就可以使推送它的火箭减轻kg的质量。材料力学性能比较纤维复合材料的特点()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-%。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。纤维复合材料的特点()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秒才停止而碳纤维复合材料只需-秒停下。()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<℃PP(聚丙烯)熔点<℃。铝在-℃丧失强度而BFSiO+Al在~℃中使用。陶瓷+纤维复合材料在~℃。CC复合材料在℃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。纤维复合材料的特点()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。()性能的各向异性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。纤维复合材料的缺点⑴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⑵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⑶抗冲击性差⑷长期耐高温及耐老化性能差⑸工艺质量不够稳定材料性能的分散性大。第三章物质的结构和材料的性质本章习题:P思考P练习思考P思考P练习思考世纪初确立直到发现了电子、X射线、和放射现象人们才知道原子还可再分。电子的发现(阴极射线):高电压低气压下的放电现象。带负电荷有质量。Thomson利用电场、磁场对带电粒子的影响测定了电子的荷质比。提出了模型。霓虹灯原理。经典理论电子绕核作圆周运动原子放射出电磁波光谱连续能量逐渐降低电子溟灭。但实际不是这样。波尔:两个基本假设:轨道量子化跃迁吸收或放出能量。离子半径愈大愈易变形负离子价数愈高变形愈大正离子价数愈高变形性愈小。变形能力与离子电荷和半径大小有关即离子极化能力与Zr成正比。此外离子的电子构型也会影响离子的极化能力和离子变形性。C原子:sspxpypz中有两个未成对的电子应该形成两个共价键但常见的化合物却是四个等价的键Hg:Xefds形成个等价的键B:Hespx形成个等价的键杂质缺陷则形成固溶体如以CaO稳定的ZrO其组成为(ZrxCax)Ox。由于Zr被Ca替代就要产生氧离子O空位。该固溶体是重要的氧离子传导的固体电解质和耐火材料。

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