武漢理工大學(xué)2011材料學(xué)院研究生復(fù)試筆試真題

1、2011年，材料學(xué)院研究生復(fù)試筆試復(fù)材專業(yè)問答題1、試結(jié)合你所學(xué)的專業(yè)簡述某種材料的生產(chǎn)工藝流程（可用方框圖表示）2、試簡述金屬材料，無機非金屬材料，高分子材料的化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)特點、性能特點、以及它們密度的相對大小。3、如何提高高分子材料的耐熱性、強度以及韌性。4、聚合物的結(jié)晶程度對其各項性能有何影響？5、現(xiàn)代材料測試技術(shù)，簡述一種現(xiàn)代材料測試技術(shù)，并舉例說明它在材料科學(xué)研究中的應(yīng)用2、影響斷裂強度的因素（1）分子量的影響分子量是對高分子材料力學(xué)性能（包括強度、彈性、韌性）起決定性作用的結(jié)構(gòu)參數(shù)。低分子有機化合物一般沒有力學(xué)強度（多為液體），高分子材料要獲得強度，必須具有一定聚合度，使分子間作

2、用力足夠大才行。不同聚合物，要求的最小聚合度不同。如分子間有氫鍵作用的聚酰胺類約為40個鏈節(jié)；聚苯乙烯約80個鏈節(jié)。超過最小聚合度，隨分子量增大，材料強度逐步增大。但當(dāng)分子量相當(dāng)大，致使分子間作用力的總和超過了化學(xué)鍵能時，材料強度主要取決于化學(xué)鍵能的大小，這時材料強度不再依賴分子量而變化（圖4-36）。另外，分子量分布對材料強度的影響不大。圖4-36 聚苯乙烯和聚碳酸酯的拉伸強度與分子量的關(guān)系（2）結(jié)晶的影響結(jié)晶對高分子材料力學(xué)性能的影響也十分顯著，主要影響因素有結(jié)晶度、晶粒尺寸和晶體結(jié)構(gòu)。一般影響規(guī)律是：隨著結(jié)晶度上升，材料的屈服強度、斷裂強度、硬度、彈性模量均提高，但斷裂伸長率和韌性下降。

3、這是由于結(jié)晶使分子鏈排列緊密有序，孔隙率低，分子間作用增強所致。表4-4給出聚乙烯的斷裂性能與結(jié)晶度的關(guān)系。表4-4 聚乙烯的斷裂性能與結(jié)晶度的關(guān)系結(jié)晶度 / 65758595斷裂強度 /14.4182540斷裂伸長率 / 50030010020晶粒尺寸和晶體結(jié)構(gòu)對材料強度的影響更大。均勻小球晶能使材料的強度、伸長率、模量和韌性得到提高，而大球晶將使斷裂伸長和韌性下降。大量的均勻小球晶分布在材料內(nèi)，起到類似交聯(lián)點作用，使材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線由軟而弱型轉(zhuǎn)為軟而韌型，甚至轉(zhuǎn)為有屈服的硬而韌型（圖4-37）。因此改變結(jié)晶歷史，如采用淬火，或添加成核劑，如在聚丙烯中添加草酸酞作為晶種，都有利于均勻小球晶

4、生成，從而可以提高材料強度和韌性。表4-5給出聚丙烯的拉伸性能受球晶尺寸的影響。晶體形態(tài)對聚合物拉伸強度的影響規(guī)律是，同一聚合物，伸直鏈晶體的拉伸強度最大，串晶次之，球晶最小。圖4-37 聚丙烯應(yīng)力-應(yīng)變曲線與球晶尺寸的關(guān)系表4-5 聚丙烯拉伸性能與球晶尺寸的關(guān)系球晶尺寸 /拉伸強度 / MPa斷裂伸長率 / 1030.050010022.52520012.525（3）交聯(lián)的影響交聯(lián)一方面可以提高材料的抗蠕變能力，另一方面也能提高斷裂強度。一般認(rèn)為，對于玻璃態(tài)聚合物，交聯(lián)對脆性強度的影響不大；但對高彈態(tài)材料的強度影響很大。隨交聯(lián)程度提高，橡膠材料的拉伸模量和強度都大大提高，達(dá)到極值強度后，又趨

5、于下降；斷裂伸長率則連續(xù)下降（圖4-38）。熱固性樹脂，由于分子量很低，如果不進(jìn)行交聯(lián)，幾乎沒有強度（液態(tài)）。固化以后，分子間形成密集的化學(xué)交聯(lián)，使斷裂強度大幅度提高。圖4-38 橡膠的拉伸強度與交聯(lián)劑用量的關(guān)系（4）取向的影響加工過程中分子鏈沿一定方向取向，使材料力學(xué)性能產(chǎn)生各向異性，在取向方向得到增強。對于脆性材料，取向使材料在平行于取向方向的強度、模量和伸長率提高，甚至出現(xiàn)脆-韌轉(zhuǎn)變，而在垂直于取向方向的強度和伸長率降低。對于延性、易結(jié)晶材料，在平行于取向方向的強度、模量提高，在垂直于取向方向的強度下降，伸長率增大。（5）溫度與形變速率的影響具體影響效果見圖4-30、4-31。由圖可見，

6、溫度對斷裂強度影響較小，而對屈服強度影響較大，溫度升高，材料屈服強度明顯降低。按照時-溫等效原則，形變速率對材料屈服強度的影響也較明顯。拉伸速率提高，屈服強度上升。當(dāng)屈服強度大到超過斷裂強度時，材料受力后，尚未屈服已先行斷裂，呈現(xiàn)脆性斷裂特征。因此評價高分子材料的脆、韌性質(zhì)是有條件的，一個原本在高溫下、低拉伸速率時的韌性材料，處于低溫或用高速率拉伸時，會呈現(xiàn)脆性破壞。所以就材料增韌改性而言，提高材料的低溫韌性是十分重要的。（一） 高分子材料的增強改性由于高分子材料的實際力學(xué)強度、模量比金屬、陶瓷低得多，應(yīng)用受到限制，因而高分子材料的增強改性十分重要。改性的基本思想是用填充、混合、復(fù)合等方法，將

7、增強材料加入到聚合物基體中，提高材料的力學(xué)強度或其它性能。常用的增強材料有粉狀填料（零維材料），纖維（一維材料），片狀填料（二維材料）等。除增強材料本身應(yīng)具有較高力學(xué)強度外，增強材料的均勻分散、取向以及增強材料與聚合物基體的良好界面親和也是提高增強改性效果的重要措施。1、粉狀填料增強粉狀填料的增強效果主要取決于填料的種類、尺寸、用量、表面性質(zhì)以及填料在高分子基材中的分散狀況。按性能分粉狀填料可分為活性填料和惰性填料兩類；按尺寸分有微米級填料、納米級填料等。由于在高分子材料中加入填料等于加入雜質(zhì)和缺陷，有引發(fā)裂紋和加速破壞的副作用，因此對填料表面進(jìn)行恰當(dāng)處理，加強它與高分子基體的親合性，同時防止

8、填料結(jié)團(tuán)，促進(jìn)填料均勻分散，始終是粉狀填料增強改性中人們關(guān)心的焦點。這些除與填料本身性質(zhì)有關(guān)外，改性工藝、條件、設(shè)備等也都起重要作用。炭黑是典型活性填料，尺寸在亞微米級，炭黑增強橡膠是最突出的粉狀填料增強聚合物材料的例子，增強效果十分顯著。表4-6列出幾種橡膠用炭黑或白炭黑（二氧化硅）增強改性的效果?？梢钥闯?，尤其對非結(jié)晶性的丁苯橡膠和丁腈橡膠，經(jīng)炭黑增強后拉伸強度提高10倍之多，否則這些橡膠沒有多大實用價值?；钚蕴盍系脑鰪娦Ч饕獊碜云浔砻婊钚?。炭黑粒子表面帶有好幾種活性基團(tuán)（羧基、酚基、醌基等），這些活性基團(tuán)與橡膠大分子鏈接觸，會發(fā)生物理的或化學(xué)的吸附。吸附有多條大分子鏈的炭黑粒子具有均勻

9、分布應(yīng)力的作用，當(dāng)其中某一條大分子鏈?zhǔn)艿綉?yīng)力時，可通過炭黑粒子將應(yīng)力傳遞到其他分子鏈上，使應(yīng)力分散。而且即便發(fā)生某一處網(wǎng)鏈斷裂，由于炭黑粒子的“類交聯(lián)”作用，其他分子鏈仍能承受應(yīng)力，不致迅速危及整體，降低發(fā)生斷裂的可能性而起增強作用。表4-6 幾種橡膠采用炭黑增強的效果對比橡膠拉伸強度 / MPa增強倍數(shù)純膠含炭黑橡膠非結(jié)晶型硅橡膠0.3413.740丁苯橡膠1.9619.010丁腈橡膠1.9619.610結(jié)晶型天然橡膠19.031.41.6氯丁橡膠14.725.01.7丁基橡膠17.618.61.1 白炭黑補強碳酸鈣、滑石粉、陶土以及各種金屬或金屬氧化物粉末屬于惰性填料。對于惰性填料，需要經(jīng)

10、過化學(xué)改性賦予粒子表面一定的活性，才具有增強作用。例如用表面活性物質(zhì)如脂肪酸、樹脂酸處理，或用鈦酸酯、硅烷等偶聯(lián)劑處理，或在填料粒子表面化學(xué)接枝大分子等都有很好的效果。惰性填料除增強作用外，還能賦予高分子材料其他特殊性能和功能，如導(dǎo)電性、潤滑性、高剛性等，提高材料的性/價比。2、纖維增強纖維增強塑料是利用纖維的高強度、高模量、尺寸穩(wěn)定性和樹脂的低密度、強韌性設(shè)計制備的一種復(fù)合材料。兩者取長補短，復(fù)合的同時既克服了纖維的脆性，也提高了樹脂基體的強度、剛性、耐蠕變和耐熱性。常用的纖維材料有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、天然纖維等?；w材料有熱固性樹脂，如環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯樹脂、酚醛樹脂；也有熱塑性樹

11、脂，如聚乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯等。用玻璃纖維或其他織物與環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯等復(fù)合制備的玻璃鋼材料是一種力學(xué)性能很好的高強輕質(zhì)材料，其比強度、比模量不僅超過鋼材，也超過其他許多材料，成為航空航天技術(shù)中的重要材料。表4-7給出用玻璃纖維增強熱塑性塑料的性能數(shù)據(jù)，可以看到，增強后復(fù)合材料的性能均超過純塑料性能，特別拉伸強度、彈性模量得到大幅度提高。纖維增強塑料的機理是依靠兩者復(fù)合作用。纖維具有高強度可以承受高應(yīng)力，樹脂基體容易發(fā)生粘彈變形和塑性流動，它們與纖維粘結(jié)在一起可以傳遞應(yīng)力。圖4-39給出這種復(fù)合作用示意圖。材料受力時，首先由纖維承受應(yīng)力，個別纖維即使發(fā)生斷裂，由于樹脂的粘結(jié)作用和塑性流

12、動，斷纖維被拉開的趨勢得到抑制，斷纖維仍能承受應(yīng)力。樹脂與纖維的粘結(jié)還具有抑制裂紋傳播的效用。材料受力引發(fā)裂紋時，軟基體依靠切變作用能使裂紋不沿垂直應(yīng)力的方向發(fā)展，而發(fā)生偏斜，使斷裂功有很大一部分消耗于反抗基體對纖維的粘著力，阻止裂紋傳播。由此可見，纖維增強塑料時，纖維與樹脂基體界面粘合性的好壞是復(fù)合的關(guān)鍵。對于與樹脂親合性較差的纖維，如玻璃纖維，使用前應(yīng)采用化學(xué)或物理方法對表面改性，提高其與基體的粘合力?；谏鲜鰴C理也可得知，在基體中，即使纖維都已斷裂，或者直接在基體中加入經(jīng)過表面處理的短纖維，只要纖維具有一定的長徑比，使復(fù)合作用有效，仍可以達(dá)到增強效果。實際上短纖維增強塑料、橡膠的技術(shù)都有

13、很好的發(fā)展，部分已應(yīng)用于生產(chǎn)實踐。按復(fù)合作用原理，短纖維的臨界長度Lc可按下式計算：三、高分子材料的抗沖擊強度和增韌改性高分子材料抗沖擊強度是指標(biāo)準(zhǔn)試樣受高速沖擊作用斷裂時，單位斷面面積（或單位缺口長度）所消耗的能量。它描述了高分子材料在高速沖擊作用下抵抗沖擊破壞的能力和材料的抗沖擊韌性，有重要工藝意義。但它不是材料基本常數(shù)，其量值與實驗方法和實驗條件有關(guān)。它也不是標(biāo)準(zhǔn)的材料強度性能指標(biāo)。（一） 抗沖擊強度實驗測定材料抗沖擊強度的實驗方法有：（1）高速拉伸試驗；（2）落錘式?jīng)_擊試驗；（3）擺錘式?jīng)_擊試驗。經(jīng)常使用的是擺錘式?jīng)_擊試驗，根據(jù)試樣夾持方式的不同，又分為懸臂梁式?jīng)_擊試驗機（Izod）和

14、簡支梁式?jīng)_擊試驗機（Charpy，圖4-40）。采用簡支梁式?jīng)_擊試驗時，將試樣放于支架上（有缺口時，缺口背向沖錘），釋放事先架起的沖錘，讓其自由下落，打斷試樣，利用沖錘回升的高度，求出沖斷試樣所消耗的功A，按下式計算抗沖擊強度： （4-68）式中分別為試樣沖擊斷面的寬和厚，抗沖擊強度單位為。若實驗求算的是單位缺口長度所消耗的能量，單位為。圖4-40 簡支梁式?jīng)_擊試驗機（Charpy）示意圖由公式（4-59）得知，材料拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的面積相當(dāng)于試樣拉伸斷裂所消耗的能量，也表征材料韌性的大小。它與抗沖擊強度不同，但兩者密切相關(guān)。很顯然，斷裂強度高和斷裂伸長率大的材料韌性也好，抗沖擊強度大。不同在于，兩種實驗的應(yīng)變速率不同