复合材料72962

1、2021-8-3119.5 复合材料复合材料定义定义复合材料(composite material)是指由两种或两种以上的不同材料组合而成的工程材料。与一般材料简单混合的根本区别是，各种组成材料在性能上能互相取长补短，产生协同效应。故复合材料的综合性能优于原组成材料，能满足各种不同的要求基本组成基本组成包括基体和增强材料两个部分基体非金属基体有合成树脂、碳、石墨、陶瓷；金属基体有铝、镁、铜和它们的合金增强材料玻璃、碳、合成纤维，金属丝，硬质细粒分类分类按材料组成不同，分为：金属与金属；金属与非金属；非金属与非金属复合材料。根据结构特点，可分为纤维复合材料、层叠复合材料、细粒复合材料和骨架复合材

2、料2021-8-3219.5.l 纤维增强树脂系复合材料纤维增强树脂系复合材料(FRP)1. 玻璃纤维增强塑料玻璃纤维增强塑料(glass-fiber reinforced plastics，GFRP)1942年问世，是应用最广的复合材料，强度可与钢媲美，俗称玻璃钢。是复合材料的鼻祖具有优异的耐蚀性、轻量性和强度特性等，玻璃钢的用途很广，涉及国防、航空、宇航、机械、交通运输和人民生活的许多方面。由于它有瞬时的耐高温性能，被用来制造人造卫星、导弹和火箭的外壳（耐烧蚀层）。玻璃钢不反射无线电波，微波透过性好，是制造雷达罩的理想材料。由于它显示了其它工业材料无以伦比的许多优异特性，而在材料科学界引起

3、了强烈反响，它启迪人们去寻求新的增强纤维，以开发性能更加优越的新型复合材料2021-8-332. 碳纤维增强塑料碳纤维增强塑料(carbon-fiber reinforced plastics，CFRP)是最有代表性、性能最优越的塑料(即树脂)基复合材料碳纤维的制作聚丙烯腈，隔绝氧气高温处理优点碳纤维的强度比钢大四倍，重量只有钢的14，比铝还轻。碳纤维复合材料广泛应用在航空工业中。与玻璃钢相比，强度高0.51倍，弹性模量高24倍，同时还具有多种功能。包括：很高的耐腐蚀性；优良的热特性(绝热性，隔热性和尺寸稳定性等)；一定的电性能(通电发热，防静电干扰，导电性等)；滑动特性(耐磨性，润滑性)；减

4、振性能(减振防噪等)；放射线特性(X射线透过性)等。此外，作为轻量结构材料，它比钢铁轻3445，比铝合金还轻，它的优异性能是其它纤维增强塑料无法比拟的CH2 CH CH2 CH CH2 CHCNCNCNNNN2021-8-3419.5.2 碳纤维增强金属基复合材料碳纤维增强金属基复合材料概况碳纤维即石墨纤维，可用来增强铝、镁、铜等金属碳铝复合材料原料及加工成本低、比强度和比刚度高、高温性能和抗拉强度好以及摩擦系数小且抗磨等优点，是电和热的良导体而且尺寸稳定；是最有前途的金属基复合材料。制造直升飞机的大梁、骨架，导弹的蒙皮、加固件，发射管，头部整流罩，坦克上的传动箱、底盘和装甲部件，卫星上的设备

5、支架、天线及望远镜的扇形镜面，是轻便野战桥梁的理想材料。是航天航空工业比较理想的结构材料，也可用作发动机的构件石墨铜复合材料具有在空气中适用于高温的性能，机械性能、导电和导热性能都很优良，比钛易加工，比钢密度低，成本也较低。铸造石墨铜复合材料，综合了铜的导电性和石墨的耐磨性，从而改善了接触电刷的抗磨损性，还适用于叶轮、空间动力系统、导弹部件，在高温下运转使用润滑液可能失效的摩擦系统2021-8-3519.5.3 碳纤维增强碳基复合材料碳纤维增强碳基复合材料概况碳纤维增强的碳基复合材料，简称为CC复合材料工艺用热硬化性树脂把聚丙烯腈系碳纤维或沥青系碳纤维加固，在1000左右碳化处理或者在2000

6、至3000温度范围内加以石墨化处理便可获得CC复合材料性能和应用碳纤维能耐1700以上的高温，因此，CC复合材料的耐热性能远优于其它任何高温合金和复合材料，是使用温度最高的材料。这类材料在2500那样的高温下仍具有相当高的强度和韧性，且密度小，仅有高温合金的14，陶瓷密度的一半，特别适用于宇航，已成为固体火箭喷嘴、航天飞机头罩和前缘，以及超音速飞机的减速板等不可缺少的材料。碳纤维和碳碳复合材料还是良好的医用生物体材料2021-8-3619.6 纳米材料纳米材料19.6.1 纳米材料及其特性纳米材料及其特性定义定义纳米材料(nano material)又称为超微颗粒材料，由纳米粒子(nano p

7、article)组成。纳米粒子也叫超微颗粒，是尺寸在1nm100nm间的粒子，处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域纳米科技发展史纳米科技发展史预言物理学家、诺贝尔奖获得者理查德费曼（Feynman）1959年12月29日在美国物理学会年会上发表演讲时就设想：“如果有朝一日人们能把百科全书存储在一个针尖上并能移动原子，那么就将给科学带来什么！”。他还预言，化学将可以根据人们的意愿逐个地准确放置原子。在那次演讲中，他还提到，当2000年人们回顾历史的时候，他们会为直到1960年才有人想到直接用原子、分子来制造机器而感到惊讶2021-8-37第一个真正认识到纳米粒子的性能并引用纳米概念的是日本科学家。

8、他们在20世纪70年代用蒸发法做了超微粒子，并发现，导电、导热的铜、银导体做成纳米尺度以后，失去原来的性质，表现出既不导电、也不导热迅速发展1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办Nanotechnology和Nanobiology两种国际性专业期刊也在同年相继问世。标志着纳米科学技术的正式诞生纳米科技的研究内容 包括纳米物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学等学科。这些学科为纳米材料的发展提供了科学基础。其中每一门类都是跨学科的边缘科学，不是某一学科的延伸或某一项工艺的革新，而是许多基础理论、专业工程理论与当代尖端高新技术的结晶。主要以

9、物理、化学的微观研究理论为基础，以现代高精密检测仪器和先进的分析技术为手段，是一个内容极广的多学科群2021-8-38纳米微粒的制备纳米微粒的制备可采用物理、化学或综合的方法来制备纳米微粒，然后加压烧结后即成纳米固体纳米微粒的特性纳米微粒的特性组成纳米固体的颗粒极小，界面组元所占比重显著增大，具有小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应小尺寸效应当微粒分割到达一定程度时，其性质将会发生根本性的变化。例如，铜分割成10nm以下时，就会失去金属光泽，变成黑糊糊的东西。如对它加热，在远低于铜的熔点时就会熔化。硬度、导电性等诸多理化性质，已完全不同于原来的铜的性质。当金属或非金属被制备成小于一定尺度的粉

10、末时，其物理性质就发生了根本的变化，可能具有高强度、高韧性、高比热、高导电率、高扩散率及对电磁波具有强吸收性等性质2021-8-39表面效应纳米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子或分子所占的比例非常大。并随纳米粒子尺寸的减小而急剧增大。表面原子数的增加导致了性质的急剧变化。这种表面原子数随纳米粒子尺寸减小而急剧增大后引起的性质上的显著变化称为表面效应。纳米级结构尺寸减小，表面原子数迅速增加，比表面积、表面积及表面结合能迅速增大。由于表面原子数的增加、原子配位的不足必然导致纳米结构表面存在许多缺陷。从化学角度来看，表面原子所处的键合状态或键合环境与内部原子有很大的差异，常常处于不饱和状态，导致

11、纳米材料具有极高的表面活性，易与其它原子结合。纳米颗粒表现出来的高催化活性和高反应性，纳米粒子易于团聚等均与此有关2021-8-310量子尺寸效应大块物质含有几乎无限多的原子，其能带连续，好象一个圆锥体的麦堆，远处观察，边缘线圆滑连续，走近并连续，而是一个个麦粒。对只有有限个原子的纳米颗粒，粒径小到一定程度时，就会出现量子尺寸效应，导致纳米颗粒的光、电、磁、声、热等性质与宏观特性有着显著的差异。例如，温度为 1时，直径小于14 nm的银纳米颗粒会变成绝缘体宏观量子隧道效应电子具有波粒两像性，存在穿透势垒的隧道效应。近年来，发现一些宏观物理量，如微粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等也具有隧道

12、效应，称宏观量子隧道效应。宏观量子隧道效应限定了磁带、磁盘进行信息贮存的时间极限。量子尺寸效应、隧道效应确定了微电子器件进一步微型化的极限应指出，只有当粒子尺寸小到一定程度时，物质的性质才会发生突变，出现特殊性能。这种既具有不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料，即为纳米材料2021-8-31119.6.2 纳米技术的应用纳米技术的应用1. 纳米技术在微电子学上的应用纳米技术在微电子学上的应用原理纳米电子学的主要思想是基于纳米粒子的量子效应来设计并制备纳米量子器件目标将集成电路进一步减小，研制出由单原子或单分子构成、能在室温使用的各种器件。早在1989年，IBM公司

13、的科学家已利用隧道扫描显微镜上的探针，成功地移动了氙原子，并利用它拼成了IBM三个字母。美国威斯康星大学已制造出可容纳单个电子的量子点。在一个针尖上可容纳这样的量子点几十亿个。利用量子点可制成体积小、耗能少的单电子器件，在微电子和光电子领域将获得广泛应用2021-8-3122. 纳米技术在光电领域的应用纳米技术在光电领域的应用 原理纳米激光器的微小尺寸可使光子被限制在少数几个状态上，而低音廊效应则使光子受到约束，直到所产生的光波累积起足够多的能量后透过此结构。其结果是激光器达到极高的工作效率，而能量阈则很低。纳米激光器实际上是一根弯曲成极薄面包圈的形状的光子导线，实验发现，纳米激光器的大小和形

14、状能够有效控制它发射出的光子的量子行为，从而影响激光器的工作应用（1）提高效率：纳米激光器工作时只需约100微安的电流。最近，科学家把光子导线缩小到只有五分之一立方微米体积内。在这一尺度上，此结构的光子状态数少于10个，接近了无能量运行所要求的条件，但是光子的数目还没有减少到这样的极限上。最近，麻省理工学院的研究人员把被激发的钡原子一个一个地送入激光器中，每个原子发射一个有用的光子2021-8-313（2）速度极快由于只需要极少的能量就可以发射激光，这类装置可以实现瞬时开关。已经有一些激光器能够以快于每秒钟200亿次的速度开关，适合用于光纤通信。由于纳米技术的迅速发展，这种无能量阈纳米激光器的

15、实现将指日可待。评价纳米技术的发展，使微电子和光电子的结合更加紧密，在光电信息传输、存贮、处理、运算和显示等方面，使光电器件的性能大大提高。将纳米技术用于现有雷达信息处理上，可使其能力提高10倍至几百倍，甚至可以将超高分辨率纳米孔径雷达放到卫星上进行高精度的对地侦察。但是要获取高分辨率图像，就必需先进的数字信息处理技术。科学家发现，将光调制器和光探测器结合在一起的量子阱自电光效应器件，将为实现光学高速数学运算提供可能2021-8-3143. 纳米技术在化工领域的应用纳米技术在化工领域的应用 光催化剂纳米粒子作为光催化剂有许多优点。（1）粒径小，比表面大，光催化效率高。（2）纳米粒子生成的电子、

16、空穴在到达表面之前，大部分不会重新结合。电子、空穴能够到达表面的数量多，故化学反应活性高。（3）纳米粒子分散在介质中往往具有透明性，容易运用光学手段和方法来观察界面间的电荷转移、质子转移、半导体能级结构与表面态密度的影响例1，工业上利用纳米二氧化钛-三氧化二铁作光催化剂，用于废水处理（含SO32-或 Cr2O72-系统），已取得了很好的效果例2，用沉淀溶出法制备出的粒径约30nm60nm的白色球状钛酸锌粉体，比表面大、化学活性高，用它作吸附脱硫剂，较固相烧结法制备的钛酸锌粉体效果明显提高2021-8-315纳米静电屏蔽材料是纳米技术的另一重要应用。优点（1）静电屏蔽材料一般由树脂掺加碳黑喷涂而

17、成，用有半导体特性的纳米氧化物粒子如Fe2O3、TiO2、ZnO做成涂料，由于具有较高的导电特性，能起到静电屏蔽作用。（2）氧化物纳米微粒的颜色各种各样，可通过复合控制静电屏蔽涂料的颜色，克服了碳黑静电屏蔽涂料只有单一颜色的单调性。遮蔽紫外线（1）将纳米TiO2粉体加到化妆品中，可有效地遮蔽紫外线。（2）用添加0.1%0.5%的纳米二氧化钛制成的透明塑料包装食品，可防止紫外线对食品的破坏，还可使食品保持新鲜。（3）金属纳米粒子掺杂到化纤制或纸张中，可大大降低静电作用纳米反应器利用纳米碳管独特的孔状结构，大的比表面，较高的机械强度做成纳米反应器，该反应器能够使化学反应局限于一个很小的范围内进行。

18、在纳米反应器中，反应物在分子水平上有一定的取向和有序排列，同时限制了反应物分子和中间体的运动2021-8-3164. 纳米技术在医学上的应用纳米技术在医学上的应用 RNA线度在15nm20nm之间，生物体内的多种病毒也是纳米粒子。10nm以下的粒子比血液中的红血球还要小，可在血管中自由流动。将超微粒子注入到血液中，输送到人体的各个部位，作为监测和诊断疾病的手段。已成功利用纳米SiO2微粒进行了细胞分离，用金的纳米粒子进行定位病变治疗，以减少副作用。利用纳米颗粒作为载体的病毒诱导物已经取得了突破性进展，已用于临床动物实验研究纳米技术在生命医学上的应用，可以在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构及其

19、与功能的关系，获取生命信息。科学家们设想利用纳米技术制造出分子机器人，在血液中循环，对身体各部位进行检测、诊断，并实施特殊治疗，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物，甚至可以用其吞噬病毒，杀死癌细胞。这样，在不久的将来，被视为当今疑难病症的爱滋病、高血压、癌症等都可能被攻克，从而将使医学研究发生一次革命2021-8-3175. 纳米技术在其它领域的应用纳米技术在其它领域的应用 纳米电脑可人机对话并具有自我复制能力的纳米装置军事方面昆虫作平台，分子机器人植入昆虫的神经系统中控制昆虫飞向敌方收集情报，使目标丧失功能分子传感器和探测器仿生纳米材料制作人的牙齿、关节。药物储存在碳纳米管中，通过一

20、定的机制激发药剂的释放，可控药剂有希望变为现实利用碳纳米管来制作储氢材料，用作燃料汽车的燃料“储备箱”。利用纳米颗粒膜的巨磁阻效应研制高灵敏度的磁传感器；利用具有强红外吸收能力的纳米复合系统制备红外隐身材料，都是很具有应用前景的技术开发领域评价纳米尺寸左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的特点，会是一次技术革命，将是21世纪的又一次产业革命2021-8-318第十七章第十七章 现代分析测试技术现代分析测试技术参考书目参考书目1.朱明华编.仪器分析.第二版，北京：高等教育出版社，19922. 武汉大学主编.分析化学.第四版，北京：高等教育出版社，20003. 南京大学无机及分析化学编写组编.

21、 无机及分析化学. 第三版，北京：高等教育出版社，19982021-8-319本章要求本章要求1了解电位分析法、极谱分析法、电解分析法的基本原理及方法的特点及应用范围。2明确原子吸收与原子发射光谱分析方法的基本原理和特点。3明确色谱分析的基本原理、色谱法定性、定量分析的依据及方法的特点。4了解红外吸收光谱法、质谱分析法和核磁共振波谱法分析对于有机化合物进行分析鉴定的基本原理及方法特点。5初步了解电镜分析、热分析等是结构分析和形态分析市场泳道的方法。6掌握分析试样制备工作的一般原则。初步学会选择分析方法解决实际问题。2021-8-32017.1 仪器分析方法简介仪器分析方法简介仪器分析与化学分析

22、的关系仪器分析与化学分析的关系密切化学分析是基础试样预处理，仪器定量分析的校准必须用化学分析方法仪器分析已成为分析化学发展的方向2021-8-3211. 仪器分析的种类仪器分析的种类 定义定义以物质的物理性质或物理化学性质为基础的分析方法。这些性质有光学、电学、热学、声学、磁学、放射性质仪器分析将待测物质的上述物理量转换成为电信号（电阻、电导、电位、电容、电流），与已知量的标准物质在相同条件下得到的电信号作比较，实现测量。这些物理量的测定都需要用专门的仪器设备，又名仪器分析仪器分析的应用仪器分析的应用（1）对物质的化学组成、含量定性、定量分析（2）用于物质的结构、价态、状态分析，微区和表面分析

23、2021-8-322仪器分析的种类仪器分析的种类按所测物质属性不同，仪器分析法分为三类：光学分析法（光谱法）、电化学分析法和分离方法（1）光学分析法）光学分析法 原理以物质的光学、光谱性质或光与物质相互作用为基础建立起来的分析方法常用方法紫外吸收光谱法（ultraviolet absorption spectrometry），原子发射光谱分析法（atomic emission spectrometric analysis），原子吸收光谱法（atomic absorption spectrometry），原子荧光光谱法（atomic fluorescent spectrometry），红外光谱法

24、(infrared spectrometry)2021-8-323（2）电化学分析法）电化学分析法(electrochemical analysis)原理利用物质的电学及电化学性质进行分析的方法特点将待测溶液构成化学电池（电解池或原电池），测量电池的电学量（电动势、电流、电阻）或电学量的变化，进行定性、定量分析常用方法电位分析法（potentiometric analysis），电导分析法（conductometric analysis），库仑分析法（coulometry），极谱分析法2021-8-324（3）分离方法）分离方法 原理测量各组分的某种性质以前，根据各组分性能差异而加以分离的方法

25、方法色谱分析法(chromatography)（用气体作为流动相称气相色谱法（gas chromatography），用液体作为流动相称液相色谱法（liquid chromatography），质谱法（mass spectrometry，MS）（4 4）热分析法）热分析法2021-8-325说明说明随着科学技术的发展及生产科研的需要，新的具有特殊用途的仪器分析方法不断涌现：以现代理论物理为基础建立起来的质谱法、光电子能谱法（photoelectron spectroscopy）、核磁共振波谱法（nuclear magnetic resonance spectroscopy，NMR）；根据原子内

26、层电子跃迁为基础发展起来的X射线荧光分析法（X-ray fluorescence spectrometry）、电子探针X射线显微分析法（electron probe X-ray microanalysis）等都已得到应用2021-8-326方法分类主要分析方法主要分析方法被测物理性质光学分析法发射光谱分析、火焰光度分析、放射分析、分子发光分析紫外可见分光光度法、原子吸收分光光应法、红外光谱法、核磁共振波谱法、电子自旋共振波谱法比浊法、散射浊度法、拉曼光谱法折射法、干涉法X射线衍射法、电子衍射法偏振法、旋光色散法、园二色性法发射辐射的吸收 辐射的散射辐射的折射辐射的衍射辐射的旋转电化学分析法电位

27、分析法、电位滴定法电导法极谱分析法、溶出伏安法、单扫描极谱法、脉冲极增法库仑法电极电位电导电流-电压电量分离方法气相色谱法、液相色谱法、薄层色谱法电泳法质谱法两相间分配相对迁移率质荷比2021-8-3272. 仪器分析的特点仪器分析的特点（1）分析灵敏度高）分析灵敏度高相对灵敏度可达ppm（part of per milliom, 现皆已不用）级（104 ），现已提到ppb级(ppb part of per billiom 10-9，10-7)和ppt级（10-10%）；绝对灵敏度由110-6g发展到110-9g和11012g。故仪器分析适宜于微量和痕量分析（2）分析速度快）分析速度快可在短时

28、间内完成一个分析周期。适宜于批量分析和自动分析（3）分析所需试样量少）分析所需试样量少取极少量样品（数微克或数微升），便能分析得出结果。进行的是微损或无损分析（4）分析用途广泛）分析用途广泛能适应各种不同的要求。已由元素分析发展到空间分布、微观分布、存在状态、化学结构等特征分析2021-8-328 注意注意每种仪器分析方法都有自己的应用范围和特定应用条件，并存在着某些局限性所用仪器比较昂贵，大型复杂仪器难以普遍采用准确度不高，通常在百分之几，甚至更差。这对低含量组分已足够，对常量组分尚不及常规的化学分析仪器分析是一种相对分析方法，要用标准物质作对照，其准确度既和仪器的分析条件有关，更依赖标准物质提供的数据是否准确可靠2021-8-329 17.2 电化学分析法电化学分析法定义定义利用物质的电学及电化学性质进行分析的方法。它利用物质的化学量(组成或含量)与电化学性质(电位，电量，电阻)的关系进