聚合物基復合材料重點內容

1、聚合物基復合材料復習要點（課后題） 高分子12-1班 王云華 2015.6考試題型一、 填空題（1分*10題=10分）二、 判斷題（1分*6=6分）三、 名詞解釋（4分*5=20分）四、 簡答題（8分*8題=64分，含1道計算題）第一章 聚合物基復合材料的概念、特性、應用與進展1. 什么是復合材料？與金屬材料相比有何主要差別？答：定義：復合材料是由有機高分子、無機非金屬或金屬等幾類不同材料通過復合工藝組合而成的新型材料。它既保持了原組分材料的主要特色，又通過符合效應獲得原組分所不具備的的新性能?？梢酝ㄟ^材料設計使各組分的性能互相補充并充分并聯(lián)，從而獲得新的優(yōu)越性能，這與一般的簡單的混合有本質的

2、區(qū)別。與金屬材料的區(qū)別：2. 復合材料有哪些優(yōu)點？存在的主要問題是什么？答：優(yōu)點：1）比強度、比模量高；2）耐疲勞性好，破損性能高；3）阻尼減振性好：a.受力結構的自振頻率除了與結構本身形狀有關以外，還與材料的比模量平方根成正比；b.復合材料具有較高的自振頻率，其結構一般不易產生共振；c.復合材料機體與纖維的界面有較大的吸收振動能量的能力，致使材料得振動阻尼很高，一旦振起來，也可在較短時間內停下來。4）具有多種功能性：a.瞬時耐高溫性、耐燒蝕性好；b.優(yōu)異的電絕緣性能和高頻介電性能；c.良好的摩擦性能；d.優(yōu)良的腐蝕性，維護成本低；e.特殊的光學、電學、磁學的特性。5）良好的加工工藝性；6）各

3、向異性和性能的可設計性。主要問題：工藝方法的自動化、機械化程度低，材料性能的一致性和產品質量的穩(wěn)定性差，質量的檢測方法不完善，破壞模式不確定和長期性能不確定，長期耐高溫和環(huán)境老化性能不好等。3. 簡述復合材料的組成。界面為什么也是一個重要組成部分？答：復合材料是由基體材料和增強體材料構成的多項體系?；w材料為連續(xù)相，按所用基體材料的不同，可分為金屬基復合材料、無機非金屬基復合材料和聚合物基復合材料。增強材料為分散相，通常為纖維狀材料，如玻璃纖維、有機纖維等。原因：界面也是重要組成部分的原因是因為增強相與基體相的界面區(qū)域因為其特殊的結構組成，這種結構對材料的宏觀性能產生影響，因此也是不可缺少的重

4、要組成部分。4. 什么是先進復合材料（ACM）？答：具有質輕、高比模量、高比強度等優(yōu)良性能的的纖維復合材料稱為先進復合材料(ACM)。第二章 增強材料1. 為什么玻璃纖維與塊狀玻璃性能不同？纖維的粗細對其強度有什么影響？為什么？答：塊狀玻璃比玻璃纖維本身尺寸大，其內部和表面存在較大缺陷的概率增大，而材料破壞就是由最危險或尺寸最大的裂紋導致的，所以塊狀玻璃壁纖維的強度低得多。而且玻璃纖維具有以下特點：1）玻璃纖維的體積效應或尺寸效應，即：體積或尺寸越大，測試的強度越低。2）玻璃纖維強度的分散性較大；3）玻璃纖維強度受濕度影響。吸水后，濕態(tài)強度下降。4）玻璃纖維的拉伸模量較低。2. 制備玻璃纖維時

5、，為什么要使用浸潤劑？主要有哪三類浸潤劑？各有什么不同？答：浸潤劑的作用在于：使單絲集束，便與后續(xù)的并股、紡織等工序；防止原紗纏繞成卷時，纖維相互粘結；保護纖維，防止紡織時，纖維的表面磨損而降低強度。浸潤劑的類型有如下三類：1）紡織型浸潤劑。紡織型浸潤劑具有良好的集束性、潤滑性、成膜性和抗靜電性。主要用于玻璃纖維紡織加工制品。2）增強型浸潤劑。增強型浸潤劑是專門為生產增強用玻璃纖維而發(fā)展起來的，主要是為了改善樹脂對纖維的浸潤性，提高樹脂與纖維的粘結力。3）化學處理劑。在制備玻璃纖維的過程中，直接采用玻璃纖維的化學處理劑作為浸潤劑，這就是玻璃纖維的前處理法，常用于高性能無捻玻纖紗等制品。3. 什

6、么是原紗、單絲、捻度、合股數(shù)、支數(shù)、特、旦？答：原紗：是指玻璃纖維制造過程中的單絲經集束后的單股紗；市購的或用于織布的玻璃紗一般是原紗退繞后加捻或不加捻的合股紗。單絲：支數(shù)：指1g原紗的長度（m）。支數(shù)越大表示原紗越細。特：指1000m原紗的質量。tex數(shù)越大，紗越粗。旦：指9000m原紗的質量。den數(shù)越大，紗越粗。合股數(shù)：幾根原紗合并起來的原紗根數(shù)即為合股數(shù)N。捻度：捻度表示紗的加捻程度，指每米原紗的加捻數(shù)，即捻/m。芳綸：芳香族聚酰胺纖維統(tǒng)稱芳綸。比強度：材料的強度與密度的比值。4. 根據(jù)哪些指標來判斷紗的粗細？如何判斷？牌號6-80/2中各數(shù)字的含義是什么？6-80/2與6-160/4

7、兩種規(guī)格的無堿紗中，哪種紗粗些？15特的原紗與80支的原紗相比，哪種紗粗些？答：判斷原紗粗細的指標有支數(shù)、特（tex）和旦。支數(shù)越大表示原紗越細。tex數(shù)越大，紗越粗。den數(shù)越大，紗越粗。牌號6-80/2中各數(shù)的含義：6表示單絲直徑df為6m，原紗支數(shù)0位80，股數(shù)N為2。6-80/2的紗粗些。0=1000/15=66.7<80,故15特的原紗更粗。5. 為什么玻璃布的強度比單絲強度要低得多？答：布的斷裂強度b實際上也表示了布中纖維的拉伸強度。由于布中的玻璃纖維經過紡織以及在布中呈現(xiàn)彎曲及扭曲狀態(tài)，其拉伸強度要低于玻璃紗的強度。6. 在PAN法制備碳纖維的工藝過程中，為什么要進行預氧化

8、、碳化和石墨化三個過程？這三個處理過程對碳纖維的性能有什么影響？答：PAN原絲的預氧化處理 預氧化的目的就是為了防止原絲在碳化時裂解，通過氧化反應使得纖維分子中含有羥基、羰基，這樣可在分子間和分子內形成氫鍵，從而提高纖維的熱穩(wěn)定性。預氧絲的碳化 預氧絲的碳化一般是在惰性氣氛中，將預氧絲加熱至300一1500 ，從而除去纖維中的非碳原子(如H、O、N等)。生成的碳纖維的碳含量約為95。碳化過程中，未反應的聚丙烯腈進一步環(huán)化，分子鏈間脫水、脫氫交聯(lián)，末端芳構化生成氨。隨著溫度的進一步升高，分子鏈間的交聯(lián)和石墨晶體進一步增大。PAN的石墨化 石墨化過程是在高純度惰性氣體保護下于20003000溫度下

9、對碳纖維進行熱處理。碳纖維經石墨化溫度處理后，纖維中殘留的氮、氫等元素進一步脫除，碳一碳重新排列，層面內的芳環(huán)數(shù)增加，層片尺寸增大，結晶態(tài)碳的比例增加。7. 對生產CF的PAN原絲的質量有什么要求？（P36）答：1）碳化過程不熔融，能保持纖維形態(tài)；2）碳化收率較高（碳化收率即制備出的碳纖維與原絲的質量比，他是碳纖維制造過程中重要的經濟技術指標）；3）碳纖維強度、模量等性能符合要求；4）能獲得穩(wěn)定連續(xù)長絲。8. 簡單描述一下碳纖維的結構。結構對碳纖維的性能有什么影響？答：9. 型碳纖維和型碳纖維在結構與性能上有什么不同？答：答：結構：碳纖維的模量隨碳化過程處理溫度的提高而提高，這是因為隨碳化溫度

10、升高，結晶區(qū)長大，碳六元環(huán)規(guī)整排列區(qū)域擴大，結晶取向度提高。經2500高溫處理后，稱高模量碳纖維型碳纖維。碳纖維的強度隨處理溫度升高，在1300-1700范圍內，強度出現(xiàn)最高值，超過1700后處理，強度反而下降，這是由于纖維內部缺陷增多、增大所造成的，碳纖維的強度與其內部缺陷有關，內部缺陷越大，強度越低。在1300-1700范圍內處理的碳纖維強度稱為高強度碳纖維或型纖維。性能：型CF模量最高，強度最低，斷裂伸長率最小，密度最大；型CF模量介質中，強度最高，斷裂伸長率最大，密度最小。10. 比較CF、GF和KF性能上的差異？答：CF和GF比較：CF在空氣下的耐熱性比GF差，CF不像GF那樣在濕空

11、氣中會發(fā)生水解反應，其耐水性比GF好。fu：S-GF最高，型CF最低，E-GF與型CF差不多。Ef：型CF是GF的3倍，型CF是GF的5-7倍；CF密度小，斷裂伸長率低。KF與GF的比較：KF韌性比CF好，強度與S-GF、CF-相當，斷裂伸長率高于CF，低于GF；密度低于CF、GF，界面粘結性比CF差，介電性能比GF好，模量比CF低。11. 影響碳纖維強度的主要因素是什么？答：影響碳纖維強度的主要因素是溫度。CF強度隨處理溫度升高，在1300-1700后，強度反而下降，這是由于內部缺陷增多、增大造成的。12. Nomex纖維與Kelvar-49的化學纖維結構式有什么不同？13. 杜邦公司的新芳

12、綸纖維Kelvar-49在性能上有什么主要特點？答：1）力學性能 ( 彈性模量高；( 強度高；(-曲線為直線，具有脆性材料特征，斷裂伸長率fu為2.5%，高于CF，低于GF。密度最??；良好的韌性；各向異性；抗壓性能、抗扭性能較低；強度分散性大；防止性能好；抗蠕變性、抗疲勞性好。2）熱性能：Kelvar-49具有良好的熱穩(wěn)定性和良好的耐低溫性。3）化學性能除強酸強堿以外，芳綸幾乎不受有機溶劑、油類的影響。4）其他性能。 芳綸與樹脂的界面粘性不好，甚至比CF差。 芳綸的介電性能比GF好，可做雷達罩透波材料。14. Kelvar纖維結構是什么？它是如何影響纖維性能的？答：1）模量高。結構含有大量苯環(huán)

13、，分子鏈剛性大，使分子鏈難以旋轉。高聚物分子不能折疊，又呈伸展狀態(tài)，形成棒狀結構，并具有極高結晶度，從而使纖維具有很高的模量。2）強度高。聚合物的線形結構使分子間排列的十分緊密，分子鏈堆積密度大，單位面積的分子鏈數(shù)目多，纖維具有較高的強度。3）各向異性。沿纖維方向是強的共價鍵，而在纖維的橫向是較弱的氫鍵，是纖維力學性能各向異性的主要原因。4）韌性比CF好。主鏈有柔性鏈節(jié)。5）耐熱性好，尺寸穩(wěn)定性好。由于苯環(huán)結構的剛性，高聚物具有晶體的本質，使纖維具有高溫尺寸的穩(wěn)定性，如不發(fā)生高溫分解，其熱焓不會有很大變化，這又使纖維在高溫下不致熱塑化。6）耐腐蝕性。這種苯環(huán)結構環(huán)內電子的共軛作用使纖維具有化學

14、穩(wěn)定性。15. 比較GF、CF和KF的主要優(yōu)缺點。答：GFCFKF優(yōu)點強度高強度高，模量高，耐高低性能好強度高，密度小，具有一定韌性缺點模量較低沖擊性能差，表面活性低，與基體黏結性差抗壓、抗扭性能較低，耐水性、耐紫外光差第三章 基體材料1.簡要說明基體在復合材料中的作用。答：1）基體起著均衡載荷、傳遞載荷的作用。2）纖維只有在基體的支撐下才能承受壓力，同時基體防止纖維屈曲。3）在復合材料的生產與應用中，基體起著保護纖維、防止纖維磨損的作用。4）復合材料的耐熱性、耐腐蝕性、阻燃性、抗輻射、耐溶劑及吸濕性，復合材料的工藝性以及制件的成型方法都取決于基體。2.在選擇復合材料應用樹脂基體時，主要考慮哪

15、幾個方面的問題？答：1）使用性。使用性時首先要考慮的條件。2）工藝性。應考慮樹脂基體的操作工藝性，例如，是室溫固化還是加熱固化，是否需要加壓，樹脂粘度大小，使用周期長短，毒性大小等。3）經濟性。例如，原料來源是否豐富，成本高低，是否具有打入市場的競爭力等。3.環(huán)氧樹脂、酚醛及不飽和聚酯樹脂的固化各有什么特點？對制備工藝有什么影響？答：1）酚醛樹脂固化：A階段（可溶、可熔）B階段（轉變階段）C階段（不溶、不熔）。固化階段界限明顯，干法工藝可根據(jù)固化階段性把浸漬和壓制分別在不同的工段進行。2）不飽和聚酯樹脂：不飽和聚酯在濕法工藝中，其固化階段分為凝膠、定型、和熟化三個階段。固化階段不明顯，一般采用

16、從粘流態(tài)樹脂到固化定型一次完成的工藝方法。3）環(huán)氧樹脂：環(huán)氧樹脂固化階段也可分為凝膠、定型、和熟化三個階段。由于其固化是借助于分子中的環(huán)氧基團與固化劑分子間開環(huán)加成反應，且具有逐步的性質，因此其三個階段比聚酯樹脂明顯。同時，環(huán)氧樹脂的固化條件隨固化劑不同可在很大范圍內變動。所有這些，使環(huán)氧樹脂比聚酯樹脂有更好的工藝適應性，幾乎對所有成型工藝都能適應。4.雙酚A型環(huán)氧樹脂有什么特點？試寫出其結構式。答：1）大分子的兩端是反應能力很強得環(huán)氧基。2）分子鏈上有很多醚鍵，是一種線型聚醚結構。3）n值較大的樹脂分子鏈上有規(guī)律的，相距較遠的出現(xiàn)許多種羥基，可以看成是一種長鏈多元醇。4）主鏈上還有大量苯環(huán)次

17、甲基和異丙基。5.環(huán)氧值為0.51當量/100g的618#環(huán)氧樹脂，用苯酐作固化劑，試計算100g環(huán)氧樹脂所需苯酐的量。phr=0.85*148*0.51=646.目前，環(huán)氧樹脂的增韌有幾種方法？簡要說明其增韌機理。答：1）橡膠彈性體增韌：具有活性端基的彈性分子可以通過活性端基與環(huán)氧基的反應嵌段進入環(huán)氧的交聯(lián)網絡中。2）熱塑性樹脂增韌；3）熱致液晶增韌；4）核殼結構聚合物增韌；5）剛性粒子納米增韌。增韌機理：1）“銀紋釘錨”機理：銀紋釘錨機理又稱為“顆粒撕裂拉伸機理”。指向環(huán)氧相引入外來相，外來相在連續(xù)的環(huán)氧相中以顆粒、條狀或其他形狀分散存在，外來相有與環(huán)氧相相當?shù)膹椥阅Ａ亢瓦h大于基體的斷裂伸

18、長率。微裂紋在環(huán)氧相中產生并延伸，外來相顆粒在微裂紋中起橋梁或釘錨作用，對微裂紋的進一步擴大或延伸起到約束作用，阻止形成宏觀斷裂。外來相顆粒拉長或撕裂所吸收的能量就是斷裂韌性的增加值。2）銀紋剪切帶機理：外來相顆粒作為應力集中物在外力作用下誘發(fā)大量銀紋和剪切帶，吸收能量。外來相顆粒和剪切帶控制和終止銀紋。3)空穴增韌機理：體系相容性較差時分散相以規(guī)整的球狀均勻分散在基體連續(xù)相中，兩相之間有明顯的界面，甚至在分散相粒子周圍存在著空穴。4)協(xié)同效應。第四章 聚合物基復合材料的界面1. 復合材料的界面效應應該有哪些？如何影響復合材料的性能？答：復合材料的界面效應包括：1）物理效應，引起各組分之間相互

19、浸潤、擴散、相溶性、界面吉布斯自由能、結構網絡互傳的變化；2）化學效應，導致界面上的化學效應，形成新的界面層結構；3）力學效應，引起界面上的應力分布。界面對復合材料的斷裂韌性及對潮濕和腐蝕環(huán)境的反應起著決定性作用。具有弱界面的復合材料有較低的強度和剛度，但它的斷裂抗力較高；具有強界面的復合材料有高的剛度和強度，但非常脆，這個效應與裂紋擴展過程中發(fā)生脫粘和纖維從基體中拔出的難易有關。2.復合材料界面的形成有幾個階段？答：界面的形成可以分成兩個階段：第一階段是基體與增強纖維的接觸與浸潤過程。第二個階段是聚合物的固化階段。3.影響界面粘結強度的因素有哪些？答：1）纖維表面晶體大小及比表面積：碳纖維表

20、面晶體增大，碳纖維石墨化程度上升，模量增高，導致表面光滑、更惰性，它與樹脂粘附性和反應性變得更差，所以界面粘結強度下降；纖維的比表面積，粘結的物理界面大，粘結強度高。2）界面的粘結強度隨浸潤性增加而增大，隨空隙率的上升而下降。3）界面反應性：界面粘結強度隨界面反應性的增大而增大，界面的反應性大小與復合材料層剪強度緊密相關。4）殘余力對界面粘結強度的影響：對于高聚物基復合材料而言，界面殘余應力的產生是由樹脂和纖維熱膨脹系數(shù)不同所產生的熱應力與固化過程樹脂體積收縮所產生的化學應力所致。界面內應力的存在，使試件破壞所需的外力相應的下降。4.簡述水對復合材料的破壞機理。答：1）水的進入；2）水對玻璃纖

21、維表面的化學腐蝕作用；3）水對樹脂的降解作用；4）水溶脹樹脂界面脫粘破壞；5）水進入孔隙產生滲透壓導致界面脫粘破壞；6）水促使破壞裂紋的擴展5.什么是偶聯(lián)劑？簡述用于玻璃纖維的偶聯(lián)劑類型以及作用機理。答：表面處理劑的分子在化學結構上至少帶有兩類反應性官能團；一類官能團與玻璃纖維表面的Si-OH發(fā)生反應而與之聚合；另一類官能團能夠參與樹脂的固化反應而與之結合。類型：作用機理：1)水解；2)與玻璃纖維表面作用；3)與樹脂基體作用第八章1.復合材料的疲勞性有哪些特點？在破壞模式和能量吸收機理上與金屬有什么不同？答：1）復合材料在稍低的靜態(tài)強度的應力水平上，可使試樣達到較高的循環(huán)次數(shù)。2） 復合材料試樣溫度升高，有時會高達4050攝氏度，溫度升高會削弱基體材料性能，從而使材料的疲勞壽命下降。 當一個固體承受靜載荷或沖擊載荷時，能量吸收的機理有兩種：形成新的表面；材料變形。材料形變首先發(fā)生；如果能