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1复合材料复合材料 第第 1 章章 绪论绪论 1、材料按使用性能，可分成几种，主要利用什么性能？答：结构材料：结构材料：主要使用其力学性能，强度，刚性，变形等特征。功能材料：功能材料：使用声、光、电、热等性能。2、复合材料的定义，复合材料的特点，复合材料按基本组成，及各自作用为什么？答：复合材料：复合材料：是有两种或两种以异质、异形、异性的材料复合形成的新型材料。一般由基体组元与增强体或功能组元所组成。复合材料的特点：复合材料的特点：可经设计，即通过对原材料的选择、各组分分布设计和工艺条件的保证等，使原组分材料的优点互补，因而呈现出出色的综合性能。结构复合材料基本组成：结构复合材料基本组成：基体和增强体。基体：基体：粘结增强体予以赋形，并传递应力和增韧作用。增强体：增强体：承担结构使用中的各种负荷。3、复合材料按基体分类，并列举？复合材料按增强体形状分类并列举？答：复合材料，通常按不同的基体来分类：复合材料，通常按不同的基体来分类：聚合物基复合材料：热固性树脂基、热塑性树脂基、橡胶基 金属基复合材料：轻金属基、高熔点金属基、金属间化合物基 陶瓷基复合材料：高温陶瓷基、玻璃陶瓷基 碳基复合材料：水泥基复合材料：结构复合材料，某些情况下以增强体的形状分类：结构复合材料，某些情况下以增强体的形状分类：纤维增强复合材料：连续（单向纤维、二维纤维、三维纤维）不连续（短纤维、晶须）颗粒增强复合材料：微米颗粒、纳米颗粒 片材增强复合材料：人工晶片、天然片状物 层叠式复合材料：4、各举一实例说明聚合物基复合材料、金属基复合材料及无机非金属基复合材料。答：实例：实例：聚合物基复合材料：基体一般为有规结构，如半结晶 PP，熔点为 176 度；增强体为：廉价的玻璃纤维，无机填料；造粒后，纤维的体积分数一般小于 40%；复合材料的性能比纯 PP 的性能提高一倍左右，同时收缩率下降，热变形温度可以达到 150度。材料丰富且力学、电性能良好，广泛用于汽车、家电、仪表等工业。实例：实例：2PA66+玻璃纤维和毡，提高力学性能、耐热性能等，并保留本身的韧性、耐磨、自润滑性、耐油、耐化学腐蚀等。如复合 PA，用于汽车车壳的部件、油箱、中小型齿轮、汽车零部件。实例：实例：金属基复合材料 目前由于加工工艺不够完善，成本较高，还没有形成大规模批量生产，但有很大的发展潜力和应用前景。例如：20%碳化硅颗粒增强的 6061 铝合金，强度从 310MPa 提高到 496MPa，模量从 68Gpa提高到 103Gpa；同时，耐磨性、尺寸稳定性和耐热性能也得到提高。5、阐述复合材料在二十一世纪中应起到的作用。答：人类社会面临的问题、社会特点、重点需求和我国的客观实际。1 对信息技术提供服务。对信息技术提供服务。信息技术包括信息获得、信息处理、信息存储、信息传输和信息执行。2、对提高人类生活质量作出贡献。、对提高人类生活质量作出贡献。要求：提出舒适性、安全性、健康水平。3、解决资源短缺和能源微机解决资源短缺和能源微机 人类的石油、天然气、煤炭于下世纪枯竭，陆地原材料矿藏也陆续短缺，要加快从海洋中开发资源，从空间开发。4、复合材料对治理环境的作用复合材料对治理环境的作用 环境污染从天然材料几乎是复合材料的事实看，表明复合材料是最合理的组合方式。6、复合材料的新增长点是什么？复合材料的基础理论包括什么？答：1、研究功能、多功能、机敏、智能型复合材料研究功能、多功能、机敏、智能型复合材料 2、纳米复合材料、纳米复合材料 有机-无机纳米复合材料；无机无机纳米复合材料 3、仿生复合材料、仿生复合材料 天然生物材料基本上是复合材料 天然生物材料结构、排列分布合理性，为人工复合材料设计、制造借鉴用。基础理论：基础理论：界面研究：表征方式（迄今未完善）、界面设计及改性、界面的残余应力 可靠性研究：与组分、设计、加工工艺和环境有关，需进一步完善评价、检测和监控方法。第第 2 章章 金属材料金属材料 1、金属材料的可贵性能体现在什么地方？答：金属材料具有很多可贵的性能：使用性能：机械性能、物理及化学性能等；工艺性能：加工时性能，铸造压力加工、焊接等。3性能与金属材料的成分、组织、结构密切相关。2、金属材料的主要物理和化学性能包括什么？答：密度;电性能;热容量;热传导;热膨胀;光性能;磁性能;氧化腐蚀性。3、金属材料的主要机械性能指标有那些？答：强度；弹性变形；塑性变形；断裂；冲击韧性；硬度；疲劳强度；蠕变强度；持久强度。4、金属材料的工艺性能包括那些指标？答：铸造性能；压力加工性能；焊接性能；切削加工性能；热处理性能。5、金属合金含义，按合金中元素相互作用，合金中的相哪几类？答：合金：将两种或两种以上的金属元素（或金属和非金属元素）熔合在一起，形成一种具有金属特征的新物质，成为合金。按合金元素中相互作用的不同，合金中的相基本分两类，如下：固溶体：一种溶质元素原子溶于另外一种元素或化合物的溶剂晶格中，该元素的浓度可在一定范围内变动，并且不改变原溶剂的晶格类型，具有该性质的合金成为固溶体。金属间化合物：合金中加入的第二种元素超过了溶剂金属的固态溶解度，则在形成固溶体的同时会出现第二相，第二相可以为固溶体，但对很多合金来讲，是金属间化合物。金属间化合物可以用一个化学式来表示，但其成分既可固定不变，也可在一定的范围内波动；其晶体结构不同于组元的晶体结构，键型有离子键，但多为金属键。6、铝及铝合金常见分类；常见铜合金分类；钛及钛合金优点是什么？镁合金开发意义及常见镁合金。答：铸造铝合金；加工变形铝合金；可硬处理强化铝合金；耐热铝合金；低温用铝合金。常见的铜合金：黄铜；青铜（锡青铜、铝青铜、铍青铜）；白铜。钛在高温下活泼，工业钛及合金在 300-500 度以下具有高的耐热性。钛具有良好的低温性能，可用作低温材料。工业纯钛的强度不高，但具有优良的塑性及冲击韧性，良好的耐腐蚀性，以棒材、管材、板材、挤压型材供应，用于飞机、船舶、化工及海水淡化等方面。钛合金用于低温结构材料的比强度高，减轻结构件质量；其次，钛合金的强度随着温度的降低而升高，其保持满意的塑性，低温的敏感性小，如用于飞船的液氢容器、导弹燃料箱和结构件等。镁在地壳中的储量丰富，为 2.1%，仅次于铝和铁，纯镁的性质活泼，故而应用较晚，密度小，为 1.74g/cm3,工业金属中最轻的一种；镁合金比铝合金具有更高的强度；纯镁的机械性能比较低，不适宜作为结构材料；为了提高镁的强度，可于纯镁中加入合金元素，制成镁合金。常用的镁合金：镁-锰系列合金：改善纯镁的抗腐蚀性能；镁-铝-锌系列合金：强度高，可热处理强化，具有良好的铸造性能；4镁-锌-锆合金：铸造性能好，屈服极限比较高，热塑性变形能力大；耐热高强度镁合金：耐热、高密度、高内腐蚀性，具有良好的工艺性，如镁-稀土系列；镁-钍系列合金。第第 3 章章 无机胶凝材料无机胶凝材料 1、胶凝材料的基本分类，无机胶凝材料的定义是什么，优点是什么？答：胶凝材料：胶凝材料：无机胶凝材料；有机胶凝材料。无机胶凝材料：无机胶凝材料：当其与水或水溶液拌合后形成浆体，经过一系列物理、化学作用后能够逐渐硬化并形成具有一定强度的人造石。无机胶凝材料的优点：无机胶凝材料的优点：-原料丰富，可就地取材，生产成本低；-耐久性好，适应性强，可用于水、海洋、冷热环境；-耐火性好；-维修工作量低，折旧费用低；-作基材组成或复合其它材料的能力强，如纤维增强；-有利于有效利用工业废渣。2、无机胶凝材料按硬化条件分类，并各举实例。答：无机胶凝材料（按硬化条件分类）：无机胶凝材料（按硬化条件分类）：水硬化：水硬化：既能在空气中硬化，又能在水中硬化，这类材料统称为水泥；如硅酸盐水泥，铝酸盐水泥，硫酸铝水泥。非水硬化：非水硬化：只能在空气中硬化，而不能在水中硬化，统称为气硬性胶凝材料；如石灰，石膏，镁质胶凝材料。3、硅酸盐水泥的定义？简要阐述生产技术、原料是什么？熟料的主要成分是什么？各自的作用是什么？答：定义：GB175-85 规定，凡是硅酸盐水泥熟料、适当石膏磨细而制成的水硬化性胶凝材料，统称为硅酸盐水泥。硅酸盐水泥的生产：硅酸盐水泥的生产：生产技术：生产技术：二磨一烧 生料的配置与磨细；生料经过煅烧，使之部分熔融成为熟料（关键环节）熟料与适当的石膏共同磨细成硅酸盐水泥 原料：原料：主要是石灰质原料（提供 CaO）如石灰石，粘土质原料（提供 SiO2、Al2O3、Fe2O3等，如粘土、黄土）。4、硅酸盐水泥水化、硬化后，固相成分可分为几种，各自包括什么？答：胶凝体：胶凝体：水化硅酸钙、水化铁酸钙 结晶体：结晶体：氢氧化钙、水化铝酸钙、水化硫铝酸钙 硅酸盐水泥的水化、硬化：硅酸盐水泥的水化、硬化：水泥与水调和后，化学反应开始，最初很激烈，以后逐渐变缓慢，一直持续若干年。5结果：结果：固相不断增加，液相不断减少，结晶体生成，结晶连成体并且不断地长大；凝胶体随着水分的不断减少而逐渐紧密。随着结晶、胶凝发展，水化物增多，水分减少，水泥石的强度提高。5、镁质胶凝材料常见的原料为什么？作为胶凝材料用，其煅烧后的产物为什么？答：天然矿物为：天然矿物为：菱镁矿（MgCO3）天然白云石（CaCO3.MgCO3）石灰石中 MgCO3含量大于 25%时才成为白云石 镁质胶凝材料的煅烧：镁质胶凝材料的煅烧：将菱镁矿或天然白云石经过煅烧再磨细而成。菱镁矿：400 度开始分解，实际生产胶凝时，温度为 800-850 度。生产白云石时：温度 650-760 度，使 MgCO3分解而避免石灰石分解。6、氯化镁在氧化镁浆体中的作用，缺点是什么，镁质胶凝材料的主要应用是什么？答：MgCl2在氧化镁浆体中的作用：在氧化镁浆体中的作用：加速 MgO 的溶解；降低体系的过饱和度。途径：提高水化物的溶解度或迅速形成复盐。结论：控制好 MgO/MgCl 的分子比例，获得稳定的水化相，避免发生结构网的局部破坏和强度的降低。MgCl2溶液调制的镁质胶凝材料干燥条件下硬化高、强度高。缺点：抗水性差。原因：氯盐的吸湿性大，结晶接触点的溶解度高，潮湿条件硬化结构网受到破坏。改善：掺入外加剂，如少量磷酸或磷酸盐，提高抗水性；加入少量水溶性树脂，提高镁质水泥抗水性；不用 MgCl2作为调和剂，改用 MgSO4.7H2O，铁钒 FeSO4调和，降低吸水性。7、石膏矿分为几种，各是什么？石膏的主要应用是什么？答：石膏矿：石膏矿：天然二水石膏：CaSO4.2H2O;质地松软，又称为软石膏；天然无水石膏：CaSO4；质地较硬，又成为硬石膏。一般为白色或透明无色，天然矿中含杂质（砂、粘土、碳酸盐、氧化铁等）而呈现灰褐色、赤色、灰黄、淡红色等各种颜色。石膏的应用：石膏的应用：应用广泛，其中石膏板、纤维石膏板、石膏空心板条等用量最大；石膏板：以半水石膏为原料的轻质板材，具有轻质、隔热保温、不燃烧、吸声音、可锯、可钉等性能，且原料来源丰富，加工设备简单，燃料消耗低，生产周期短，是一种理想的内墙材料。第第 4 章章 陶瓷材料陶瓷材料 1、简述陶瓷技术的发展历程？答：发展过程：简单到复杂、粗糙到精细、无釉到有釉、低温到高温的过程。2、陶瓷、半瓷、瓷器物理性能的差异是什么？常见产品，各举出三个例子。答：陶器：通常有一定的吸水率，断面粗糙无光，不透明，敲之声音粗哑，有的无釉，有的施加釉。6瓷器：坯体致密，基本上不吸水，有一定的半透明性，通常施加釉层，（某些特种瓷器并不施加釉，甚至颜色不白，但烧结程度仍是很高的。）原始瓷器，或程为石坯瓷，介于陶器与瓷器之间的一类产品，坯体较为致密，吸水率也小，颜色有深有浅，但缺乏半透明性，这类产品国外统称炻器，也有称做半瓷。陶器：粗陶器：盆、罐、砖、瓦陶管等；精陶器：日用精陶、美术陶瓷、釉面砖 炻器：如青瓷、卫生陶瓷、化工陶瓷、低压电瓷、地砖等 瓷器：细瓷：日用陶瓷、美术瓷器、高压电瓷、高频装置瓷器等 特种陶瓷：如氧化瓷器、氮化物瓷、碳化物瓷、压电陶瓷、磁性陶瓷等 3、粘土的定义。答：粘土的定义：一般天然出产的微细铝硅酸质为主要成分的土状混合物。若将其粉末润湿时，则产生可塑性，待干燥时呈刚性，再在相当高温烧成时，就成为硬如刚玉的物体。4、常见陶瓷原料及性质。答：粘土；高岭土；蜡石；膨润土；瓷石；滑石；二氧化硅。5、陶瓷制品中，熔剂原料的种类及作用各是什么？答：熔剂原料：陶瓷工业中，为了降低烧结中液相生成的温度，在大部分坯体中，加入熔剂，此时液相冷却时，即生成玻璃相以结固坯体内的颗粒。熔剂可促进原料的熔化。对于含有二氧化硅的原料，碱金属氧化物为最有效的熔剂，含有 Na2O、K2O 之类天然矿物适宜经济，主要矿物为长石类。正长石：K2OAl2O36SiO2 钠长石：Na2OAl2O36SiO2 钙长石：CaOAl2O32SiO2 含锂矿物：锂云母、磷铝石、锂辉石、叶长石等。锂与钠、钾类似作用，以锂替代钠时，具有可减少密度，减少热膨胀，增加流动性，降低熔化温度，缩短烧成时间。6、陶瓷工业中，烧成的作用是什么，烧结的分类及各自的特征是什么，影响烧结的主要因素是什么，影响如何？答：陶瓷的烧制在专业上称为烧成。烧成作用：将由粉末制成的坯体，利用热的作用使之硬固。粉末构成的固体颗粒推集紧密，再加热至其熔点附近。由粉体成型的坯体，经过烧成而变硬，成为烧结，机理为：颗粒在接触点处的离子，因热的 7振动扩散而成。规律：颗粒接触点愈多（即颗粒越细时），填充越致密，反应愈快。烧结：固相烧结：烧结后并不生成玻璃相而固结。如 Al2O3粉末加压成型。液相烧结：坯体的烧成后产生玻璃相而固结，成为液相烧结。影响烧结的因素：-化学组成及矿物组成：烧结温度由化学组成决定；矿物相在化学上的不连续性、粒度有影响作用。-粒度分布：烧结从表面开始进行；表面积越大（越细），可改善烧成过程；颗粒粉碎时，可降低烧结温度，节约燃料。-充填密度及体积密度：颗粒堆积愈致密，愈容易烧结。-烧成温度与时间：提高烧成温度，则应缩短烧成时间。如果温度低，则延长烧成时间。-冷却速度：烧成坯体中晶体大小，晶体应力状态的影响。含有玻璃相熔体的坯体，玻璃相发生应变（在玻璃中可以通过偏光检查出来，在瓷器中则无法查出）-烧成中的气氛：分为氧化、中性、还原三种。如含有容易还原氧化物或容易氧化的非氧化物，加热时会发生化学反应。例如；含有氧化铁的坯体，在还原气氛中烧结容易。含有氧化铁的坯体，在氧化气氛中烧结，会放出氧气，坯体起泡。第第 5 章章 聚合物材料聚合物材料 1、聚合物按应用分类，各是什么？答：按应用分类：塑料、合成橡胶、纤维、涂料、粘合剂。2、塑料的定义及特点，成分是什么，按受热加工状态分为几类，各是什么？答：塑料：塑料：一般指以有机高分子（树脂）为基体，在一定温度和压力下可塑制成型的合成材料。特点：特点：密度小、强度比较高、具有良好的机械性能、电性能、光性能和化学稳定性。成分：成分：以高分子为主要基体外，还需要加入增塑剂、润滑剂、稳定剂、填料、颜料等。品种：投入大规模生产的有 300 多种，常用的有 40 多种。分类：分类：按受热加工状态，可分为热塑性和热固性两种。3、热塑性及热固性塑料的定义，结构特点是什么，各举出三个例子。答：热塑性塑料：热塑性塑料：加热到一定温度可转为甚至流动，可塑制加工成一定形状，冷却后变硬，在加热可以转化。属于线型或支链型结构。常见塑料常见塑料：PE、PP、聚丁烯、聚醋酸乙烯、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚苯乙烯、ABS、聚酰 8胺、PC、聚甲醛、PMMA 等。热固性塑料：热固性塑料：在初次受热时变软，可塑制加工成一定形状，随着加热的进行，或加入固化剂后，会逐步凝胶以至固化成型，在加热也不会软化，不溶不融，属于网状结构。常见的热固性塑料：不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、脲醛树脂、三聚氰胺、有机硅树脂、邻（间）苯二甲酸二丙烯酯树脂。4、简述丁苯、顺丁、氯丁、丁腈、丁基、异戊二烯、硅、氟橡胶的最突出的特点是什么？答：丁苯橡胶：加入碳黑增强后与天然橡胶相仿；顺丁橡胶：结构与性能类似天然橡胶；氯丁橡胶：耐油、耐氧化、耐老化、耐燃烧、耐腐蚀等，但耐寒性差；丁腈橡胶：因为-CN 的存在，耐油性良好；丁基橡胶（异丁烯+异戊二烯）：透气性极小、耐热、耐老化、电绝缘性能好；异戊二烯：结构同天然橡胶；硅橡胶：（聚二甲基硅氧烷）-70 度300 度之间应用；氟橡胶（原料含有氟的有机化合物）：耐高温、耐油、耐腐蚀。5、对比阐述热塑性、热固性高分子的分子间作用力、柔顺性、溶解性、加热行为方面的差异。答：线型高分子：线型高分子：具有柔顺性，且其强度、塑性和弹性都很好。线型高分子链间一般仅有范德华力，分子较容易相互滑动，并且可在适当的溶剂中溶解，溶解后溶液的粘度较大。升高温度时，可熔融而不分解，成为粘度较大、可流动的液体，可模塑成型。可以多次反复加热模塑，热塑性树脂大都属于此类。体型高分子：体型高分子：为巨型大分子。分子的体积和分子量都没有一定的限度。各个单体结构单元与共价键的方式相结合，不能被溶剂分子所分散，不溶与任何溶剂，最多只能溶胀。体型高分子加热后不会软化，也不能流动，不能再次模塑。体形高分子是无定型的，只有玻璃态，且有较高的硬度和脆性，没有塑性。6、影响高分子材料机械性能的主要因素是什么？如何从链结构及聚集态结构方面改善高分子抵抗热变形的能力？答：链间的作用力：大时，一般含有极性基团，分子间引力增强，有利于定向排列；大分子链的主价力：共价键；大分子链的柔顺性；聚合度：M 到了一定程度后，就不明显了；结晶度：当晶体的晶格轴与应力方向完全平行时，取向结晶结构更高机械强度，纤维成型后，经过拉伸处理，为了使形成取向结晶结构。9引入大体积侧基，可提高 Tg，主链引入环状结构，使主链僵硬，熔点提高；高分子链间进行交联，可提高 Tg和 Tm。热固性材料交联后，分子间不会滑动，没有软化点和熔点，只有超过分解温度时，才能使结构破坏而失去强度。结晶高分子排列紧密，分子间作用力大，抵抗热变形能力较强。7、简述塑料的优点及缺点？答：质轻：一般塑料的密度为 0.92.3g/cm3,只有钢铁的 1/41/8，铝的 1/2 左右，泡沫塑料的密度则更低，一般在 0.010.5g/cm3左右。（包装用泡沫 10-30Kg/m3,冰箱泡沫层为 30Kg/m3左右）优良的电绝缘性能。极小的介电损耗和优良的耐电弧特征，较高的电阻率。优良的化学稳定性。一般塑料对酸、碱等化学药品具有良好的耐腐蚀能力；尤其聚四氟乙烯的耐化学腐蚀比黄金还好，可耐王水等强腐蚀性电解质的腐蚀，被成为“塑料王”。绝大多数塑料的摩擦系数小，耐磨损好，具有消音、减震作用，许多工程塑料用于制造耐磨损的零件，如齿轮、轴承等，如 PA66。透光和防护性能：多数塑料可制成透明或半透明的制品，其中 PS、PC、PMMA 的透光率可以达到 8892%，接近于玻璃，可制造各种透光材料；防护方面则用于包装材料，如薄膜，容器，周转箱等。成型加工容易。加工容易，品种繁多，制品从刚性到海绵状、透明制品。缺点：缺点：-耐热性能较低，一般塑料仅能于 100 度以下使用，少数可以在 200 度左右使用；-热膨胀系数比金属大 3-8 倍，温度变化时，影响尺寸稳定性；-蠕变值大，在载荷作用下，塑料会缓慢产生粘性流动或变形；-导热性能差，导热系数为金属的 1/2001/600，不容易散热，但可作为隔热材料；-耐老化性能差，在日光、大气、长期机械力、某些介质的作用下，发生老化，并-表现出氧化、变色，开裂及力学强度下降。第第 6 章章 其它基体材料其它基体材料 复合材料中，除了常见的结构材料基体外，还包括那些功能材料基体。答：半导体材料、磁性材料、超导材料、光功能材料、功能转换材料。第第 7 章章 玻璃纤维及其制品玻璃纤维及其制品 1、增强材料的定义，复合材料体系中各相分别是什么，通过什么结构而成为统一的结构。答：增强材料：增强材料：复合材料中，凡是能提高基体材料机械强度、弹性模量等力学性能的材料统称为增强材料。基体材料基体材料分散介质（连续相）增强材料增强材料分散相 10互不相容，通过基体材料和增强材料的界面成为统一的结构。2、增强材料在复合材料中的作用是什么。答：-提高复合材料的强度和弹性模量；-降低收缩率；-提高热变形温度；-并在热、电、磁等方面赋予新的性能。3、玻璃纤维的常见分类方法，按单丝直径可分为几类。答：分类方法很多，一般可以从原料成分、单丝直径、纤维的外观及特征等方面来分类。按单丝的直径：按单丝的直径：-粗纤维：30m；-初级纤维：20m；-中级纤维：10-20m-高级纤维：3-10m；-超细纤维：4m 4、玻璃纤维的主要化学组成及各自作用。答：玻璃纤维的化学组成玻璃纤维的化学组成：主要由二氧化硅、三氧化二硼、氧化钙、三氧化二铝等，它们对玻璃纤维的性质和生产工艺起着决定性的作用。以 SiO2为主的是硅酸盐玻璃；以三氧化二硼为主的是硼酸盐玻璃；氧化钠、氧化钾等碱性氧化物：为助熔氧化物，可降低玻璃熔化温度和粘度，使气泡容易排除。机理：机理：通过破坏玻璃骨架，使结构疏松，达到助熔的目的。缺点：缺点：含量越高，玻璃纤维的强度、电绝缘性能、化学稳定性能会相应的降低。氧化钙、三氧化二铝：氧化钙、三氧化二铝：在一定的条件下会成为玻璃网络的一部分，改善性质及工艺性能。氧化钙替代二氧化硅氧化钙替代二氧化硅：降低拉丝的温度。三氧化二铝：三氧化二铝：提高耐水性能。5、玻璃纤维高强度的原因是什么，其强度与直径、长度、组分、存放时间、施加负荷有何关系。答：玻璃纤维强度高的原因分析；微裂纹假说：理论强度取决于分子或原子间的引力，实际测试时，微裂纹存在，大大降低了强度；玻璃纤维熔体高温成型时，微裂纹的产生机会减少，使强度提高。表面微裂纹尺寸和数量减少后，减少了应力集中，使强度提高。分子取向假说：玻璃成型时，拉丝机牵引作用，使玻璃纤维的分子定向排列，从而提高了强度。影响强度的因素：影响强度的因素：-纤维直径和程度的影响。直径减少，强度提高；长度减少，长度提高。原因：微裂纹减少，从而提高了纤维的强度。11-化学组成的影响。含碱量提高，强度减少。对于无碱玻璃，由于成型温度高，硬化速度快，结构键能大，强度提高。-存放时间的影响。存放一定时间后，强度降低，称为玻璃纤维的老化。空气中的水分侵蚀玻璃纤维。化学稳定性高的纤维则下降少。例如：放置 2 年，有碱玻璃的强度下降 33%；而无碱玻璃则下降很少。-施加负荷的影响。外力时间成，强度下降；外力加快了微裂纹的扩展速度加快。6、中碱玻璃对酸稳定性高的原因是什么。答：中碱玻璃纤维对酸稳定性较高，对水稳定性较差。原因：含有 Na2O、K2O 比无碱玻璃高 20 倍，遇到酸时，表面浸析出较多的碱金属氧化物。主要为 Na20、K2O 的离析、溶解；同时酸与玻璃纤维中的硅酸盐生成硅酸，之后迅速聚合成胶体，并于玻璃纤维的表面形成 SiO2的保护膜，减缓了酸的浸析与离子交换速度，强度下降减缓。Na20、K2O 的存在，有利于保护膜的形成。水与玻璃纤维接触时，主要是 Na2O、K2O 溶解并呈现碱性，碱液与玻璃纤维继续反应，使 SiO2的骨架受到破坏。7、玻璃纤维单丝及织物表面处理的常见方式，玻璃钢制品中，偶联剂的作用是什么。答：单丝处理：单丝处理：处理剂为浸润剂；织物的表面处理：织物的表面处理：处理剂为中间粘合剂；表面处理：在玻璃纤维的表面被覆一种表面活性剂物质，使玻璃纤维与树脂牢固地粘结在一起。表面处理剂有时又成为偶联剂。作用：作用：提高基本性能，表面处理后，不仅改进了玻璃纤维的耐磨性，防水、电磁、绝缘等性能，而且对于玻璃钢的强度，尤其湿态下强度的保持具有显著的效果。第第 8 章章 碳纤维碳纤维 1、碳纤维定义；石墨纤维及碳纤维的差异。答：碳纤维是有机纤维在惰性气氛中经过高温碳化而成的纤维状碳化合物。石墨纤维：含有较多的结晶碳，碳含量在 99%以上，热处理温度在 2000以上。碳纤维：主要含有无定型碳，碳含量为 95%，特处理温度为 1200-1500。2、简述以聚丙烯腈为原料制备碳纤维及石墨纤维的工艺。答：碳纤维的制备过程：预氧化：200-300 度氧化气氛中，原丝受张力情况下进行；碳化。在 400-1900 度下的惰性气氛中进行，碳纤维生成的主要阶段，此阶段去除了大量氮、氢、氧等非碳元素，改变了原 PAN 的结构，形成了碳纤维。石墨化，碳化后纤维可经过石墨化，制造石墨纤维。3、碳纤维的各个层次的结构单元是什么。答：真正的碳纤维：乱层石墨结构，12基本结构单元：石墨层片；二级结构单元：数张数十张层片组成石墨微晶。三级结构：石墨微晶组成的原纤维。（直径 50nm,长度数百纳米）单丝：由原纤维构成。（直径 6-8 微米）4、碳纤维表面处理的原因是什么，途径及方法为什么？答：目的：提高碳纤维增强复合材料中碳纤维与基体的结合强度。途径：清除表面的杂质；在多纤维表面形成微孔或刻蚀沟槽，增加表面积；引进具有极性或反应性官能团以及形成能与树脂起作用的中间层。表面清洁法：碳纤维具有一定的吸水性，纤维空隙中可能残留有机热降解产物以及沾染环境杂质。气相氧化法：在管式炉中进行，温度在 350-600 度之间。液相氧化法：效果好于气相氧化法，可能是因为：液相时，氧化纤维的表面，而气相氧化剂可能渗透较深，尤其表面有微裂纹和缺陷处。表面涂层法：聚合物涂覆，溶液还原，气相沉积。第第 9 章章 其它无机纤维增强材料其它无机纤维增强材料 1、举例常见的无机纤维增强材料。答：硼纤维为新型的无机纤维，为复合纤维；碳化硅纤维；氧化铝纤维；石棉纤维；硅灰石。2、碳化硅纤维生产过程中的不熔化处理的原因是什么，产物强度高的原因是什么。答：不熔化处理：不熔化处理：聚碳硅烷烃纤维脆，容易软化 150-200 度；受热后容易熔融和分解；为了后续高温烧结过程中保持纤维状态，需将纤维在氧化介质中，一定温度下，纤维表面的 Si-H键与氧作用，生成不熔交联结构，800 度时，基本完成了纤维从有机到无机的转变，但为非晶态，1250 度时微晶形成。组成：组成：-SiC、石墨微晶，尺寸 5nm 左右，均匀分散体。性能：性能：由微晶组成，凝聚力大，应力沿着致密粒子界面分散，力学性能优异，良好的耐热性能，1000 度以下，力学性能基本上没有变化。第第 10 章章 芳纶纤维芳纶纤维 1、芳纶纤维的定义，聚对苯二甲酰对苯二胺纤维的结构式和原料。答：芳纶纤维：芳纶纤维：芳香族聚酰胺类纤维的统称。中国称之为芳纶纤维；国外称之为 Kevlar（凯 13芙拉）。原料：对苯二甲酰氯，对苯二胺。2、芳纶纤维分子结构特点是什么，力学性能、热性能、耐化学稳定性方面的突出优点是什么。答：分子结构特点：分子结构特点：分子链由苯环、酰胺基按一定规律排列，酰胺基处于苯环的直位上，具有良好的规整性，高度的结晶性。链上氢原子与其它链上酰胺对 C=O 成氢键，分子横向联结。结构：结构：分子链难以旋转，呈伸展状态，形成棒状结构，有很高的模量；线型结构使分子排列紧密，高密实性。由于苯环内电子共扼作用，具有化学稳定性，苯环刚性，结晶使具有高温尺寸稳定性，不发生高温分解。力学性能：力学性能：力学性能与其它有机纤维不同，拉伸强度，初始模量高，而延伸率低；芳纶纤维拉伸强度约为 E 玻璃纤维高 1.5 倍，与碳纤维相当或略高，拉伸模量仅次于碳纤维和硼纤维。热性能热性能：良好的热稳定性，高达 180 度，保持性能。芳纶不熔融也不助燃，短时间内 300 度以下，对强度几乎没有影响。在-170 度低温下也不会变脆，仍保持其性能。耐化学稳定性耐化学稳定性：除了强酸、强碱为，芳纶几乎不受有机溶剂、油类的影响。芳纶湿强度几乎与干强度相等；对于饱和水蒸汽的稳定性比其它有机纤维好。芳纶纤维对紫外线较敏感，长期裸露阳光下，强度损失很大，应加保护层。第第 11 章章 填料填料 1、填料按外形，可分为几类？答：按外形：按外形：粒状、片状、纤维状、中空微球等。2、填料的主要功能是什么，活性及惰性填料的差异是什么。答：填料的主要功能：填料的主要功能：降低复合材料的价格；显著改善的性质。填料的活性：填料的活性：有活性的，起到补强作用，显著提高制品的强度。惰性材料，添加后起到稀释作用，降低了机械强度。活性与惰性的界限：活性与惰性的界限：无明显的界限，随着树脂品种、填料表面处理与否，成型加工条件的不同而发生变化。3、填料的补强理论是什么。答：填料的补强理论：填料的补强理论：CO-COnNHNH 14最重要的是填料同树脂链所形成的界面层的相互作用；直接作用：粒子和高分子链的直接发生作用；间接作用：通过表面活性剂或偶联剂发生作用。包含了粒子表面对高分子链的物理或化学作用力；又包含了界面层高分子链的取向和结晶（指结晶聚合物）。惰性材料：惰性材料：与基体高分子链几乎没有作用，无补强效果；相反，填料的存在，引起应力集中，导致填充材料的强度下降。活性填料：活性填料：一定范围内，用量约大，粒度越细或粒子内部空隙较大，填料与高分子链间相互作用越强，补强效果明显。4、列举五种填料应用的例子。答：例：一辆轿车中，塑料的用量为 100-200Kg，其中 20%为 30%碳酸钙填充 PP 材料；按中国年产 100 万辆计算，每年需要 3 万吨 PP；1 万吨碳酸钙。塑钢门窗：100 万吨/年，填料占 3-10 份。矿物填料：用于 20 多种塑料制品中，其中，PP、PA、PVC、ABS 等塑料占 90%以上；5、列举常用填料，并简要介绍其突出的性能特点。答：石墨：石墨：碳结晶矿物之一，呈现铅灰色或黑色不溶于水，质软而滑腻，片状填料；目前最耐高温材料之一；在耐高温材料中，损失量是最小的。云母：云母：是含有钾、铝、镁、铁、锂等元素的片状含水硅酸盐矿物。作为填料填充热塑性塑料（PE、PP、PVC、PA、PET、ABS）、热固性塑料（酚醛、环氧），提高拉伸弹性模量，弯曲模量。树脂中的添加量为 10-40%，无毒，可用于与食品接触的制品。高岭土：高岭土：俗称为瓷土，以高岭石或多水高岭石为主要成分。有强的吸水性，不膨胀，化学性质稳定，比较耐酸，作为塑料填料，有优良的电绝缘性能，可用于电线、电缆、涂料；膨润土：膨润土：是吸水后能高度膨胀的粘土岩，主要矿物成分为：蒙托土，含量 85-90%；目前用于橡胶、塑料、油墨、复合材料工业中不可缺少的材料。碳酸钙：碳酸钙：目前最常用的无机粉状填料，资源丰富，属于廉价填料。从填料的角度看，可分为轻质碳酸钙、重质碳酸钙、胶质碳酸钙。滑石粉：滑石粉：含水硅酸镁矿物，分子式为 Mg3Si4O10(OH)2,粉末为白色，质软有滑腻感，常呈现片鳞状或密块状集合体，典型的鳞片状填料。滑石粉作为塑料填料，可提高制品的硬度、耐火性、抗酸、碱性，电绝缘性能，尺寸稳定性，耐蠕变性，并有润滑性，可减少对机械及模具的磨损；滑石粉加入塑料，改善了耐热性能，力学性能（拉伸、冲击、弯曲性能等）。对于晶态高分子，使球晶微细化，提高结晶度，增强刚性。白碳黑：白碳黑：人工合成的白色二氧化硅微粉，超细粒子填料。表面积大于 50m2/g 时具有补强作用，补强作用次于碳黑，提高塑料的电绝缘性能，提高刚度和硬度。整体为无定形态，表面的羟基有亲水性，在塑料中有消光的作用，在不饱和树脂中，如 PVC糊中有增稠作用。空心玻璃微球：空心玻璃微球：加入树脂中改性，降低了密度。修复用复合材料，使砂磨和抛光操作容易进 15行。加入复合材料泡沫材料中，生产具有漂浮能力的制品。6、了解填料行业国内外动态及现状。答：按照国际惯例，填料一般为塑料产量的按照国际惯例，填料一般为塑料产量的 10%左右；左右；在中国，则更高些，13%左右；年填料用量：300 万吨；在中国，无机填料的用量：在中国，无机填料的用量：2000 年，200 万吨；2005 年，250 万吨；2010 年，500 万吨。在 PVC 地板砖中，碳酸钙填料的含量高达 80%。1999 年，中国塑料制品 1900 万吨；2000 年，中国塑料制品 2100 万吨；2010 年，中国塑料制品 3270 万吨；中国橡胶制品 112-142 万吨；第第 12 章章 聚合物基复合材料聚合物基复合材料 1、现代高技术中，三大支柱技术是什么，复合材料的特点是什么。答：现代高技术中，并列三大支柱技术（信息技术、能源技术、材料技术）。复合材料的优点：复合材料的优点：高比强度和比刚度；性能可设计自由度高；抗腐蚀及抗疲劳能力高，减震性能好；可制成任意形状的产品，可综合发挥各组分材料的优点。2、简述复合材料学科发展的三个阶段及主要进展。答：20 世纪 40 年代60 年代，复合材料的第一代，重点：开发重量轻、强度高、价格便宜的复合材料为中心（以 E（无碱）玻璃纤维增强不饱和聚酯为代表），是玻璃纤维增强树脂的时代。20 世纪 60 年代-80 年代，玻璃纤维增强树脂得到了进一步的完善，同时出现了硼纤维、碳纤维和对位芳纶纤维增强材料；以及各种金属基、陶瓷基、碳基等复合材料，该 20 年是先进复合材料的开发时期。20 世纪 80 年代以后，复合材料不仅在宇航及飞机材料中应用，而且在所有的工业领域中都得到了应用，性能不断改善，功能性复合材料不断出现，这一时期是先进复合材料得到充分发展的时期，为复合材料发展的第三代。3、聚合物基复合材料的定义是什么，按基体可分为几类，各是什么。答：定义：凡是以聚合物为基体的复合材料统称为聚合物基复合材料。按基体的结构分类：按基体的结构分类：热固性树脂，热塑料性树脂（按此分类法最能体现复合材料的本质）4、简述不饱和树脂、环氧树脂、酚醛树脂的固化机理。答：不饱和聚酯树脂：不饱和聚酯树脂：具有线型结构的、可溶的、分子量不高，而主链上同时具有重复酯键及不饱和双键的一类有机高分子化合物。固化机理：固化机理：分子中的双键在引发剂的作用下，与可聚合的乙烯类单体进行共聚反应，线型分 16子交联成三维网状结构体型分子。环氧树脂：环氧树脂：分子中含有两个或两个以上环氧基团的一类有机高分子化合物。固化机理：固化机理：活性环氧基团可与多种类型的固化剂发生交联反应，而生成三维网状不溶不熔化体型高分子。酚醛树脂：酚醛树脂：由酚与醛按一定比例在酸或碱催化剂作用下缩合而成。固化机理：固化机理：在加热条件下，可转变为不溶不熔的三维网络结构。5、热固性基（聚合物）复合材料成型特点是什么，介绍其主要的应用领域，性能方面的优点是什么。答：首先：材料的形成与制品的成型。首先：材料的形成与制品的成型。成型时，增强材料的性能和形状变化不大；基体的性状变化大。影响性能的因素：影响性能的因素：工艺水平，增强体的表面质量；重要因素是制品中的空隙率；纤维的预处理，排列方式；驱除气泡程度；加工温度，压力和时间控制。其次：成型比较方便。其次：成型比较方便。原因：原因：树脂在固化前具有一定的流动性，纤维很柔软，依靠模具很容易形成要求的形状和尺寸。有时可采用廉价的简易的设备和模具，不用加热加压，由原材料直接成型出大尺寸的制品。热固性复合材料的应用及性能特点：热固性复合材料的应用及性能特点：1、在航天和航空方面的应用 比强度、比模量和耐烧蚀性能；减轻飞行器的结构质量；2、在交通运输方面的应用 比强度、比模量、具有隔音、隔热、减轻、阻燃等性能。用于造船业：耐海水腐蚀、抗微生物附着性能、吸收撞击性能 3、在石油化学工业 纤维增强基复合材料中突出的耐酸、耐碱、耐其它介质腐蚀；在石油化工设备和化学防腐工程中广泛的应用。4、在建筑工程方面的应用 透光，隔热，隔音，耐腐蚀。5、在电气，机械方面的应用 具有优异的介电性能，又耐腐蚀，隔音，隔热等性能。6、在体育、医疗方面的应用 特点：使用时变形程度较大，可在反复承受无规则交变震动和冲击作用。玻璃纤维增强高分子材料：高强度，耐疲劳，高弹性。例如：夹层结构滑雪板，撑杆。第第 13 章章 金属基复合材料金属基复合材料 171、金属基复合材料与树脂基复合材料比，优点是什么。答：金属基复合材料与树脂基复合材料比，优点在于：金属基复合材料与树脂基复合材料比，优点在于：工作温度高；横向机械性能好；层间剪切强度高；耐磨损、导电、导热；不吸湿、不老化；尺寸稳定，可采用金属加工方法。2、金属基复合材料中的结构型材料如何分类，按温度和增强体分别分类。答：结构型结构型 低温：铝（合金）、镁（合金）基复合材料，350 度或略高；中温：钛（合金）基 600-650 度