聚合物基复合材料重点内容.docx
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聚合物基复合材料重点内容
考试题型
一、填空题（1分*10题=10分）
二、判断题（1分*6=6分）
三、名词解释（4分*5=20分）
四、简答题（8分*8题=64分，含1道计算题）
第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展
1.什么是复合材料？
与金属材料相比有何主要差别？
答：
定义：
复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料。
它既保持了原组分材料的主要特色，又通过符合效应获得原组分所不具备的的新性能。
可以通过材料设计使各组分的性能互相补充并充分并联，从而获得新的优越性能，这与一般的简单的混合有本质的区别。
与金属材料的区别：
2.复合材料有哪些优点？
存在的主要问题是什么？
答：
优点：
1）比强度、比模量高；2）耐疲劳性好，破损性能高；3）阻尼减振性好：
a.受力结构的自振频率除了与结构本身形状有关以外，还与材料的比模量平方根成正比；b.复合材料具有较高的自振频率，其结构一般不易产生共振；c.复合材料机体与纤维的界面有较大的吸收振动能量的能力，致使材料得振动阻尼很高，一旦振起来，也可在较短时间内停下来。
4）具有多种功能性：
a.瞬时耐高温性、耐烧蚀性好；b.优异的电绝缘性能和高频介电性能；c.良好的摩擦性能；d.优良的腐蚀性，维护成本低；e.特殊的光学、电学、磁学的特性。
5）良好的加工工艺性；6）各向异性和性能的可设计性。
主要问题：
工艺方法的自动化、机械化程度低，材料性能的一致性和产品质量的稳定性差，质量的检测方法不完善，破坏模式不确定和长期性能不确定，长期耐高温和环境老化性能不好等。
3.简述复合材料的组成。
界面为什么也是一个重要组成部分？
答：
复合材料是由基体材料和增强体材料构成的多项体系。
基体材料为连续相，按所用基体材料的不同，可分为金属基复合材料、无机非金属基复合材料和聚合物基复合材料。
增强材料为分散相，通常为纤维状材料，如玻璃纤维、有机纤维等。
原因：
界面也是重要组成部分的原因是因为增强相与基体相的界面区域因为其特殊的结构组成，这种结构对材料的宏观性能产生影响，因此也是不可缺少的重要组成部分。
4.什么是先进复合材料（ACM）？
答：
具有质轻、高比模量、高比强度等优良性能的的纤维复合材料称为先进复合材料（ACM）。
第二章增强材料
1.为什么玻璃纤维与块状玻璃性能不同？
纤维的粗细对其强度有什么影响？
为什么？
答：
块状玻璃比玻璃纤维本身尺寸大，其内部和表面存在较大缺陷的概率增大，而材料破坏就是由最危险或尺寸最大的裂纹导致的，所以块状玻璃壁纤维的强度低得多。
而且玻璃纤维具有以下特点：
1）玻璃纤维的体积效应或尺寸效应，即：
体积或尺寸越大，测试的强度越低。
2）玻璃纤维强度的分散性较大；3）玻璃纤维强度受湿度影响。
吸水后，湿态强度下降。
4）玻璃纤维的拉伸模量较低。
2.制备玻璃纤维时，为什么要使用浸润剂？
主要有哪三类浸润剂？
各有什么不同？
答：
浸润剂的作用在于：
使单丝集束，便与后续的并股、纺织等工序；防止原纱缠绕成卷时，纤维相互粘结；保护纤维，防止纺织时，纤维的表面磨损而降低强度。
浸润剂的类型有如下三类：
1）纺织型浸润剂。
纺织型浸润剂具有良好的集束性、润滑性、成膜性和抗静电性。
主要用于玻璃纤维纺织加工制品。
2）增强型浸润剂。
增强型浸润剂是专门为生产增强用玻璃纤维而发展起来的，主要是为了改善树脂对纤维的浸润性，提高树脂与纤维的粘结力。
3）化学处理剂。
在制备玻璃纤维的过程中，直接采用玻璃纤维的化学处理剂作为浸润剂，这就是玻璃纤维的前处理法，常用于高性能无捻玻纤纱等制品。
3.什么是原纱、单丝、捻度、合股数、支数、特、旦？
答：
原纱：
是指玻璃纤维制造过程中的单丝经集束后的单股纱；市购的或用于织布的玻璃纱一般是原纱退绕后加捻或不加捻的合股纱。
单丝：
支数：
指1g原纱的长度（m）。
支数越大表示原纱越细。
特：
指1000m原纱的质量。
tex数越大，纱越粗。
旦：
指9000m原纱的质量。
den数越大，纱越粗。
合股数：
几根原纱合并起来的原纱根数即为合股数N。
捻度：
捻度表示纱的加捻程度，指每米原纱的加捻数，即捻/m。
芳纶：
芳香族聚酰胺纤维统称芳纶。
比强度：
材料的强度与密度的比值。
4.根据哪些指标来判断纱的粗细？
如何判断？
牌号6-80/2中各数字的含义是什么？
6-80/2与6-160/4两种规格的无碱纱中，哪种纱粗些？
15特的原纱与80支的原纱相比，哪种纱粗些？
答：
判断原纱粗细的指标有支数β、特（tex）和旦。
支数越大表示原纱越细。
tex数越大，纱越粗。
den数越大，纱越粗。
牌号6-80/2中各数的含义：
6表示单丝直径df为6μm，原纱支数β0位80，股数N为2。
6-80/2的纱粗些。
β0=1000/15=66.7<80,故15特的原纱更粗。
5.为什么玻璃布的强度比单丝强度要低得多？
答：
布的断裂强度σb实际上也表示了布中纤维的拉伸强度。
由于布中的玻璃纤维经过纺织以及在布中呈现弯曲及扭曲状态，其拉伸强度要低于玻璃纱的强度。
6.在PAN法制备碳纤维的工艺过程中，为什么要进行预氧化、碳化和石墨化三个过程？
这三个处理过程对碳纤维的性能有什么影响？
答：
PAN原丝的预氧化处理预氧化的目的就是为了防止原丝在碳
化时裂解，通过氧化反应使得纤维分子中含有羟基、羰基，这样可在分子间和分子内形成氢键，从而提高纤维的热稳定性。
预氧丝的碳化预氧丝的碳化一般是在惰性气氛中，将预氧丝加热至300一1500℃，从而除去纤维中的非碳原子（如H、O、N等）。
生成的碳纤维的碳含量约为95％。
碳化过程中，未反应的聚丙烯腈进一步环化，分子链间脱水、脱氢交联，末端芳构化生成氨。
随着温度的进一步升高，分子链间的交联和石墨晶体进一步增大。
PAN的石墨化石墨化过程是在高纯度惰性气体保护下于2000—3000℃温度下对碳纤维进行热处理。
碳纤维经石墨化温度处理后，纤维中残留的氮、氢等元素进一步脱除，碳一碳重新排列，层面内的芳环数增加，层片尺寸增大，结晶态碳的比例增加。
7.对生产CF的PAN原丝的质量有什么要求？
（P36）
答：
1）碳化过程不熔融，能保持纤维形态；2）碳化收率较高（碳化收率即制备出的碳纤维与原丝的质量比，他是碳纤维制造过程中重要的经济技术指标）；3）碳纤维强度、模量等性能符合要求；4）能获得稳定连续长丝。
8.简单描述一下碳纤维的结构。
结构对碳纤维的性能有什么影响？
答：
9.Ⅰ型碳纤维和Ⅱ型碳纤维在结构与性能上有什么不同？
答：
答：
结构：
碳纤维的模量随碳化过程处理温度的提高而提高，这是因为随碳化温度升高，结晶区长大，碳六元环规整排列区域扩大，结晶取向度提高。
经2500℃高温处理后，称高模量碳纤维——Ⅰ型碳纤维。
碳纤维的强度随处理温度升高，在1300-1700℃范围内，强度出现最高值，超过1700℃后处理，强度反而下降，这是由于纤维内部缺陷增多、增大所造成的，碳纤维的强度与其内部缺陷有关，内部缺陷越大，强度越低。
在1300-1700℃范围内处理的碳纤维强度称为高强度碳纤维或Ⅱ型纤维。
性能：
Ⅰ型CF模量最高，强度最低，断裂伸长率最小，密度最大；Ⅱ型CF模量介质中，强度最高，断裂伸长率最大，密度最小。
10.比较CF、GF和KF性能上的差异？
答：
CF和GF比较：
CF在空气下的耐热性比GF差，CF不像GF那样在湿空气中会发生水解反应，其耐水性比GF好。
Σfu：
S-GF最高，Ⅰ型CF最低，E-GF与Ⅱ型CF差不多。
Ef：
Ⅱ型CF是GF的3倍，Ⅰ型CF是GF的5-7倍；CF密度小，断裂伸长率低。
KF与GF的比较：
KF韧性比CF好，强度与S-GF、CF-Ⅱ相当，断裂伸长率高于CF，低于GF；密度低于CF、GF，界面粘结性比CF差，介电性能比GF好，模量比CF低。
11.影响碳纤维强度的主要因素是什么？
答：
影响碳纤维强度的主要因素是温度。
CF强度随处理温度升高，在1300-1700℃后，强度反而下降，这是由于内部缺陷增多、增大造成的。
12.Nomex纤维与Kelvar-49的化学纤维结构式有什么不同？
13.杜邦公司的新芳纶纤维Kelvar-49在性能上有什么主要特点？
答：
1）力学性能（弹性模量高；（强度高；（σ-ε曲线为直线，具有脆性材料特征，断裂伸长率εfu为2.5%，高于CF，低于GF。
④密度最小；⑤良好的韧性；⑥各向异性；⑦抗压性能、抗扭性能较低；⑧强度分散性大；⑨防止性能好；⑩抗蠕变性、抗疲劳性好。
2）热性能：
Kelvar-49具有良好的热稳定性和良好的耐低温性。
3）化学性能除强酸强碱以外，芳纶几乎不受有机溶剂、油类的影响。
4）其他性能。
芳纶与树脂的界面粘性不好，甚至比CF差。
芳纶的介电性能比GF好，可做雷达罩透波材料。
14.Kelvar纤维结构是什么？
它是如何影响纤维性能的？
答：
1）模量高。
结构含有大量苯环，分子链刚性大，使分子链难以旋转。
高聚物分子不能折叠，又呈伸展状态，形成棒状结构，并具有极高结晶度，从而使纤维具有很高的模量。
2）强度高。
聚合物的线形结构使分子间排列的十分紧密，分子链堆积密度大，单位面积的分子链数目多，纤维具有较高的强度。
3）各向异性。
沿纤维方向是强的共价键，而在纤维的横向是较弱的氢键，是纤维力学性能各向异性的主要原因。
4）韧性比CF好。
主链有柔性链节。
5）耐热性好，尺寸稳定性好。
由于苯环结构的刚性，高聚物具有晶体的本质，使纤维具有高温尺寸的稳定性，如不发生高温分解，其热焓不会有很大变化，这又使纤维在高温下不致热塑化。
6）耐腐蚀性。
这种苯环结构环内电子的共轭作用使纤维具有化学稳定性。
15.比较GF、CF和KF的主要优缺点。
答：
GF
CF
KF
优点
强度高
强度高，模量高，耐高低性能好
强度高，密度小，具有一定韧性
缺点
模量较低
冲击性能差，表面活性低，与基体黏结性差
抗压、抗扭性能较低，耐水性、耐紫外光差
第三章基体材料
1.简要说明基体在复合材料中的作用。
答：
1）基体起着均衡载荷、传递载荷的作用。
2）纤维只有在基体的支撑下才能承受压力，同时基体防止纤维屈曲。
3）在复合材料的生产与应用中，基体起着保护纤维、防止纤维磨损的作用。
4）复合材料的耐热性、耐腐蚀性、阻燃性、抗辐射、耐溶剂及吸湿性，复合材料的工艺性以及制件的成型方法都取决于基体。
2.在选择复合材料应用树脂基体时，主要考虑哪几个方面的问题？
答：
1）使用性。
使用性时首先要考虑的条件。
2）工艺性。
应考虑树脂基体的操作工艺性，例如，是室温固化还是加热固化，是否需要加压，树脂粘度大小，使用周期长短，毒性大小等。
3）经济性。
例如，原料来源是否丰富，成本高低，是否具有打入市场的竞争力等。
3.环氧树脂、酚醛及不饱和聚酯树脂的固化各有什么特点？
对制备工艺有什么影响？
答：
1）酚醛树脂固化：
A阶段（可溶、可熔）——B阶段（转变阶段）——C阶段（不溶、不熔）。
固化阶段界限明显，干法工艺可根据固化阶段性把浸渍和压制分别在不同的工段进行。
2）不饱和聚酯树脂：
不饱和聚酯在湿法工艺中，其固化阶段分为凝胶、定型、和熟化三个阶段。
固化阶段不明显，一般采用从粘流态树脂到固化定型一次完成的工艺方法。
3）环氧树脂：
环氧树脂固化阶段也可分为凝胶、定型、和熟化三个阶段。
由于其固化是借助于分子中的环氧基团与固化剂分子间开环加成反应，且具有逐步的性质，因此其三个阶段比聚酯树脂明显。
同时，环氧树脂的固化条件随固化剂不同可在很大范围内变动。
所有这些，使环氧树脂比聚酯树脂有更好的工艺适应性，几乎对所有成型工艺都能适应。
4.双酚A型环氧树脂有什么特点？
试写出其结构式。
答：
1）大分子的两端是反应能力很强得环氧基。
2）分子链上有很多醚键，是一种线型聚醚结构。
3）n值较大的树脂分子链上有规律的，相距较远的出现许多种羟基，可以看成是一种长链多元醇。
4）主链上还有大量苯环次甲基和异丙基。
5.环氧值为0.51当量/100g的618#环氧树脂，用苯酐作固化剂，试计算100g环氧树脂所需苯酐的量。
phr=0.85*148*0.51=64
6.目前，环氧树脂的增韧有几种方法？
简要说明其增韧机理。
答：
1）橡胶弹性体增韧：
具有活性端基的弹性分子可以通过活性端基与环氧基的反应嵌段进入环氧的交联网络中。
2）热塑性树脂增韧；3）热致液晶增韧；4）核壳结构聚合物增韧；5）刚性粒子纳米增韧。
增韧机理：
1）“银纹钉锚”机理：
银纹钉锚机理又称为“颗粒撕裂拉伸机理”。
指向环氧相引入外来相，外来相在连续的环氧相中以颗粒、条状或其他形状分散存在，外来相有与环氧相相当的弹性模量和远大于基体的断裂伸长率。
微裂纹在环氧相中产生并延伸，外来相颗粒在微裂纹中起桥梁或钉锚作用，对微裂纹的进一步扩大或延伸起到约束作用，阻止形成宏观断裂。
外来相颗粒拉长或撕裂所吸收的能量就是断裂韧性的增加值。
2）银纹剪切带机理：
外来相颗粒作为应力集中物在外力作用下诱发大量银纹和剪切带，吸收能量。
外来相颗粒和剪切带控制和终止银纹。
3）空穴增韧机理：
体系相容性较差时分散相以规整的球状均匀分散在基体连续相中，两相之间有明显的界面，甚至在分散相粒子周围存在着空穴。
4）协同效应。
第四章聚合物基复合材料的界面
1.复合材料的界面效应应该有哪些？
如何影响复合材料的性能？
答：
复合材料的界面效应包括：
1）物理效应，引起各组分之间相互浸润、扩散、相溶性、界面吉布斯自由能、结构网络互传的变化；2）化学效应，导致界面上的化学效应，形成新的界面层结构；3）力学效应，引起界面上的应力分布。
界面对复合材料的断裂韧性及对潮湿和腐蚀环境的反应起着决定性作用。
具有弱界面的复合材料有较低的强度和刚度，但它的断裂抗力较高；具有强界面的复合材料有高的刚度和强度，但非常脆，这个效应与裂纹扩展过程中发生脱粘和纤维从基体中拔出的难易有关。
2.复合材料界面的形成有几个阶段？
答：
界面的形成可以分成两个阶段：
第一阶段是基体与增强纤维的接触与浸润过程。
第二个阶段是聚合物的固化阶段。
3.影响界面粘结强度的因素有哪些？
答：
1）纤维表面晶体大小及比表面积：
碳纤维表面晶体增大，碳纤维石墨化程度上升，模量增高，导致表面光滑、更惰性，它与树脂粘附性和反应性变得更差，所以界面粘结强度下降；纤维的比表面积，粘结的物理界面大，粘结强度高。
2）界面的粘结强度随浸润性增加而增大，随空隙率的上升而下降。
3）界面反应性：
界面粘结强度随界面反应性的增大而增大，界面的反应性大小与复合材料层剪强度紧密相关。
4）残余力对界面粘结强度的影响：
对于高聚物基复合材料而言，界面残余应力的产生是由树脂和纤维热膨胀系数不同所产生的热应力与固化过程树脂体积收缩所产生的化学应力所致。
界面内应力的存在，使试件破坏所需的外力相应的下降。
4.简述水对复合材料的破坏机理。
答：
1）水的进入；2）水对玻璃纤维表面的化学腐蚀作用；3）水对树脂的降解作用；4）水溶胀树脂界面脱粘破坏；5）水进入孔隙产生渗透压导致界面脱粘破坏；6）水促使破坏裂纹的扩展
5.什么是偶联剂？
简述用于玻璃纤维的偶联剂类型以及作用机理。
答：
表面处理剂的分子在化学结构上至少带有两类反应性官能团；一类官能团与玻璃纤维表面的Si-OH发生反应而与之聚合；另一类官能团能够参与树脂的固化反应而与之结合。
类型：
作用机理：
1）水解；2）与玻璃纤维表面作用；3）与树脂基体作用
第八章
1.复合材料的疲劳性有哪些特点？
在破坏模式和能量吸收机理上与金属有什么不同？
答：
1）复合材料在稍低的静态强度的应力水平上，可使试样达到较高的循环次数。
2）复合材料试样温度升高，有时会高达40~50摄氏度，温度升高会削弱基体材料性能，从而使材料的疲劳寿命下降。
当一个固体承受静载荷或冲击载荷时，能量吸收的机理有两种：
①形成新的表面；②材料变形。
材料形变首先发生；如果能量足够大，裂纹可能产生并扩展；在裂纹扩展的过程中，裂纹前沿又总存在材料形变。
热固性塑料是脆性材料，基体形变很小，不像金属基体那样可产生打的塑性形变从而对冲击能贡献很大。
2.什么是复合材料的持久强度和耐持久性？
复合材料的蠕变有什么特点?
答：
材料长时期在静载荷作用下，保持一定时间不破坏，所能承受的最大静载荷，称为材料的持久强度；材料长期在一定的静载荷作用下，保持不破坏所能承受的最大时间，称为材料的耐持久性。
蠕变特点：
①碳纤维复合材料的蠕变比玻璃钢小；②沿纤维方向拉伸作用下的蠕变现象最不明显；③沿与纤维成任意角α方向拉伸时，蠕变现象逐渐明显，沿45度方向拉伸时最为明显；④持久弯曲再喝下的蠕变，比持久拉伸载荷作用下的蠕变明显；⑤温度升高，复合材料的蠕变显著。
第十章
1.聚合物基复合材料的阻燃机理是什么？
怎样提高阻燃性？
答：
燃烧的发生和维持需要三要素的同时满足，即燃烧性物质，氧化和热源，能消除一个或一个以上要素的措施都能称为阻燃机理。
1）减少可燃性物质
在聚合物基复合材料中加入某种物质，使其在燃烧时可产生碳化层，抑制可燃性气体的产生，另外在燃烧过程中，HO▪游离基起了很重要作用，在材料中加入某种物质，燃烧时分解初能接受和捕捉HO▪基团，可终止燃烧过程中的连锁反应。
2）隔绝热源
大密度气体和碳化层都可以有效地延缓表面燃烧产生的热量向内层传递，阻燃剂能更好地消除加热内层材料的热源，抑制燃烧的进一步蔓延。
3）冲稀或隔绝氧气
是聚合物基复合材料燃烧时产生碳化层，一方面可以隔绝氧气与内层聚合物的接触；另一方面可以有效地延缓热量向内层的传递，起到助燃作用。
燃烧过程中产生密度大的气体可以覆盖与材料的表面，同样起到冲稀或隔绝氧气的作用。
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