复合基材料化学问答题Word文件下载.docx
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不饱和聚酯的主要优点是：
第一，工艺性能良好，如室温下粘度低，可以在室温下固化，在常压下成型，颜色浅，可以制作彩色制品，有多种措施来调节；
第二，固化后树脂的综合性能良好，并有多种专用树脂适应不同用途的需要；
第三，价格低廉，其价格远低于环氧树脂，略高于酚醛树脂。
主要缺点是：
固化时体积收缩率较大，成型时气味和毒性较大，耐热性、强度和模量都较低，易变形，因此很少用于受力较强的制品中。
四、叙述题：
1、聚合物基复合材料的主要性能有哪些？
P49
A、聚合物的力学性能
a、具有明显的力学松驰现象。
b、在外力作用下，形变较大，当应变速度不太大时，可具有相当大的断裂延伸率。
c、抗冲击性能较好。
B、聚合物的耐热性能
①聚合物的耐热性
②聚合物的热稳定性
C、聚合物的耐腐蚀性能
D、聚合物的介电性能
2、影响玻璃纤维的拉伸强度比同成分的块状玻璃高的原因。
P19
微裂纹假说认为：
玻璃纤维比玻璃的强度高得多，这是因为玻璃纤维高温成型时减少了玻璃溶液的不均一性，使微裂纹产生的机会减少，从而使纤维具有较高的强度。
分子取向假说认为，在玻璃纤维成型过程中，由于拉丝机的牵引力作用，使玻璃纤维分子产生定向排列，从而提高了玻璃纤维的强度。
3、阐述玻璃纤维中的化学成分及其作用。
P16~P17
三、简述增强材料（增强体、功能体）在复合材料中所起的作用，并举例说明。
填充：
廉价、颗粒状填料，降低成本。
例：
PVC中添加碳酸钙粉末。
增强：
纤维状或片状增强体，提高复合材料的力学性能和热性能。
效果取决于增强体本身的力学性能、形态等。
TiC颗粒增强Si3N4复合材料、碳化钨/钴复合材料，切割工具；
碳/碳复合材料，导弹、宇航工业的防热材料（抗烧蚀），端头帽、鼻锥、喷管的喉衬。
赋予功能：
赋予复合材料特殊的物理、化学功能。
作用取决于功能体的化学组成和结构。
四、复合材料为何具有可设计性？
简述复合材料设计的意义。
如何设计防腐蚀（碱性）玻璃纤维增强塑料？
组分的选择、各组分的含量及分布设计、复合方式和程度、工艺方法和工艺条件的控制等均影响复合材料的性能，赋予了复合材料性能的可设计性。
意义：
每种组分只贡献自己的优点，避开自己的缺点。
由一组分的优点补偿另一组分的缺点，做到性能互补。
使复合材料获得一种新的、优于各组分的性能（叠加效应）。
优胜劣汰、性能互补、推陈出新。
耐碱玻璃纤维增强塑料的设计：
使用无碱玻璃纤维和耐碱性树脂（胺固化环氧树脂）。
在保证必要的力学性能的前提下，尽量减少玻璃纤维的体积比例，并使树脂基体尽量保护纤维不受介质的侵蚀。
六、简述复合材料增强体与基体之间形成良好界面的条件。
在复合过程中，基体对增强体润湿；
增强体与基体之间不产生过量的化学反应；
生成的界面相能承担传递载荷的功能。
复合材料的界面效应，取决于纤维或颗粒表面的物理和化学状态、基体本身的结构和性能、复合方式、复合工艺条件和环境条件。
三、不饱和聚酯树脂的基本配方是什么？
各起什么作用？
不饱和聚酯树脂的基本配方：
不饱和聚酯：
主要成分
稀释剂：
稀释作用（降低聚酯粘度），参与树脂固化，如苯乙烯。
引发剂：
分解产生自由基，引发树脂聚合（交联、固化），如BPO。
促进剂：
诱导引发剂分解，加快树脂固化，如环烷酸钴。
其它成分：
颜料、增稠剂、热塑性低收缩剂等。
七、如何改善聚合物的耐热性能？
产生交联结构（对于热固性树脂、有机硅树脂等，工艺条件影响聚合物的交联密度）。
增加高分子链的刚性（引进不饱和共价键或环状结构（脂环、芳环、杂环）、引入极性基团）。
提高聚合物分子链的键能，避免弱键的存在（例：
以C-F键完全取代C-H键，可大大提高聚合物的热稳定性）。
形成结晶聚合物，结晶聚合物的熔融温度大大高于相应的非结晶聚合物。
八、简述不饱和聚酯树脂基体的组成、代表物质及作用。
主要成分：
不饱和聚酯树脂，按化学结构可分为顺酐型、丙烯酸型、丙烯酸环氧酯型聚酯树脂。
辅助材料：
交联剂、引发剂和促进剂
交联剂：
烯类单体，既是溶剂，又是交联剂。
能溶解不饱和聚酯树脂，使其双键间发生共聚合反应，得到体型产物，以改善固化后树脂的性能。
常用的交联剂：
苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、邻苯二甲酸二丙烯酯、乙烯基甲苯等。
一般为有机过氧化物，在一定的温度下分解形成游离基，从而引发不饱和聚酯树脂的固化。
常用的引发剂：
过氧化二异丙苯[C6H5C（CH3）2]2O2、过氧化二苯甲酰（C6H5CO）2O2。
把引发剂的分解温度降到室温以下。
对过氧化物有效的促进剂：
二甲基苯胺、二乙基苯胺、二甲基甲苯胺等。
对氢过氧化物有效的促进剂：
具有变价的金属钴：
环烷酸钴、萘酸钴等。
九、简述不饱和聚酯树脂的固化特点。
不饱和聚酯树脂的固化是放热反应，可分为三个阶段：
胶凝阶段：
从加入促进剂到不饱和聚酯树脂变成凝胶状态的时间，是固化过程最重要的阶段。
影响胶凝时间的因素：
阻聚剂、引发剂和促进剂的加入量，交联剂的蒸发损失，环境温度和湿度等。
硬化阶段：
从树脂开始胶凝到具有一定硬度，能把制品从模具上取下为止的时间。
完全固化阶段：
通常在室温下进行，可能需要几天至几星期。
十、简述复合材料中金属基体的选择原则。
1、根据金属基复合材料的使用要求。
2、根据金属基复合材料的组成特点：
对于连续纤维增强金属基复合材料，不要求基体有很高的强度，对于非连续增强金属基复合材料（颗粒、晶须、短纤维），基体承担主要载荷，要求高强度。
3、根据金属基体与增强材料的界面状态和相容性
选择金属基体时，尽量避免基体与增强材料发生化学反应，同时应注意基体与增强材料的相容性，基体和增强材料应该有较好的浸润性。
十二、如何改善陶瓷的强度？
减少陶瓷内部和表面的裂纹：
含有裂纹是材料微观结构的本征特性。
微观夹杂、气孔、微裂纹等都能成为裂纹源，材料对表面裂纹（划伤、擦伤）也十分敏感。
提高断裂韧性（KIC）：
采用复合化的途径，添加陶瓷粒子、纤维或晶须，引入各种增韧机制（增加裂纹的扩散阻力及裂纹断裂过程消耗的能量），可提高陶瓷的韧性。
十四、玻璃纤维为何具有高强度？
试讨论影响玻璃纤维强度的因素。
玻璃的理论强度很高（2000-12000MPa），但是由于微裂纹的存在，产生应力集中，发生破坏，从而降低了玻璃的强度。
玻璃纤维经高温成型时减少了玻璃溶液的不均一性，使得裂纹产生的机会减少；
同时，玻璃纤维的横截面较小，微裂纹存在的几率也减少，导致玻璃纤维强度较高。
影响玻璃纤维强度的因素：
1、化学组成：
不同的玻璃纤维（不同系统），强度有很大差别。
一般来说，含碱量越高（K2O、PbO），玻璃纤维的强度越低。
2、玻璃纤维的直径和长度：
随着玻璃纤维的直径和长度的减小，微裂纹的数量和尺寸相应地减小，从而提高了玻璃纤维的强度。
3、存放时间：
玻璃纤维存放一定时间后，由于空气中的水分对玻璃纤维的侵蚀，导致强度下降。
4、施加负荷时间：
玻璃纤维的拉伸强度随着施加负荷时间的增加而降低，当环境湿度较高时更加明显。
吸附在微裂纹中的水分，在外力作用下，加速微裂纹的扩展，从而导致强度降低。
十七、举例说明碳纤维的应用。
作为复合材料的增强体。
航空、航天工业：
主承力结构材料（机体、舱门、主翼、尾翼）；
次承力构件（Cf/环氧树脂：
起落架、发动机舱、整流罩）；
防热材料（火箭喷嘴、鼻锥（Cf/C））。
交通运输：
汽车传动轴、构架，制造快艇、巡逻艇。
运动器材：
钓鱼竿、高尔夫球杆、网球拍、滑雪板、赛艇（Cf/环氧树脂）。
九、试述影响复合材料性能的因素。
基体和增强材料（增强体或功能体）的性能；
复合材料的结构和成型技术；
复合材料中增强材料与基体的结合状态（物理的和化学的）及由此产生的复合效应。
十、复合材料的界面具有怎样的特点？
界面相的化学组成、结构和物理性能与增强材料和基体的均不相同，对复合材料的整体性能产生重大影响。
界面具有一定的厚度（约几个纳米到几个微米），厚度不均匀。
材料特性在界面是不连续的，这种不连续性可能是陡变的，也可能是渐变的。
材料特性包括元素的浓度、原子的配位、晶体结构、密度、弹性模量、热膨胀系数等。
十一、什么是浸润？
如何描述浸润程度的大小？
试讨论影响润湿角大小的因素。
浸润：
固-气界面被固-液界面置换的过程，用于描述液体在固体表面上自动铺展的程度。
固体表面的润湿程度可以用液体分子对其表面的作用力大小来表征，具体来说就是接触角。
Young公式讨论了液体对固体的润湿条件：
降低液-固表面能和液-气表面能或者增大固-气表面能有助于润湿。
=0（lv=sv-sl），完全浸润；
0<
<
90（lv>
sv-sl>
0），部分浸润；
>
90（sv<
sl），完全不浸润。
影响接触角（润湿角）大小的因素：
固体表面的原始状态，例：
吸附气体、氧化膜等均使接触角增大。
固体表面粗糙度增加将使接触角减小。
固相或液相的夹杂、相与相之间化学反应的产物都将影响润湿性。
夹杂或反应产物改变了固相的性质和固相的表面粗糙度。
十四、简述复合材料的界面结合类型及其特点。
1、机械结合：
增强材料与基体之间仅依靠纯粹的粗糙表面相互嵌入（互锁）作用进行连接（摩擦力），没有化学作用。
影响机械结合的因素：
增强材料与基体的性质、纤维表面的粗糙度、基体的收缩（正压力）有利于纤维箍紧。
2、溶解与浸润结合：
在复合材料的制造过程中，由单纯的浸润和溶解作用，使增强材料和基体形成交错的溶解扩散界面，是一种次价键力的结合。
（当基体的基团或分子与增强材料表面间距小于0.5nm时，次价键力就发生作用。
次价键力包括诱导力、色散力、氢键等。
）
形成溶解与浸润结合的基本条件：
增强材料与基体间的接触角小于90，增强材料与基体间有一定的溶解能力。
3、反应界面结合：
基体与增强材料间发生化学反应，在界面上形成新的化合物、以主价键力相互结合。
这是一种最复杂、最重要的结合方式。
反应结合受扩散控制，扩散包括反应物质在组分物质中的扩散（反应初期）和在反应产物中的扩散（反应后期）。
要实现良好的反应结合，必须选择最佳的制造工艺参数（温度、压力、时间、气氛等）来控制界面反应的程度。
界面反应层是非常复杂的组成，有时发生多个反应，产生交换反应结合。
界面的反应产物大多是脆性物质，达到一定厚度时，界面上的残余应力可使其发生破坏，因此，界面结合先随反应程度提高而增加结合强度，但反应达到一定程度后，界面结合有所减弱。
4、混合结合：
上述界面结合方式的混合，实际情况中发生的重要的界面结合形式。
十九、什么是增强材料的表面处理？
简述偶联剂的化学结构及作用。
表面处理是在增强材料的表面涂覆上表面处理剂（包括浸润剂、偶联剂、助剂等物质），它有利于增强材料与基体间形成良好的粘结界面，从而达到提高复合材料各种性能的目的。
偶联剂的化学结构：
分子两端含有性质不同的基团，一端的基团与增强材料表面发生化学作用或物理作用，另一端的基团则能和基体发生化学作用或物理作用，从而使增强材料与基体很好地偶联起来，获得良好的界面粘结，改善了多方面的性能，并有效地抵抗水的侵蚀。
二十一、试述碳纤维的表面处理方法及作用效果：
1、表面浸涂有机化合物：
采用类似纺织中的浆纱工艺，在碳纤维表面涂覆含有反应性端基的树脂（羟端基的丁二烯/丙烯酸共聚物等），以改善碳纤维的界面粘结性。
2、表面涂覆无机化合物：
表面上沉积无定形碳：
在高模量结晶型碳纤维表面加涂一层低模量无定形碳，无定形碳活性大，易与树脂浸润，提高界面粘结力，能显著提高碳纤维复合材料的层间剪切强度。
加涂碳化物：
用化学气相沉积（CVD）的方法加涂碳化物。
3、表面化学处理：
臭氧氧化法：
臭氧极易分解成一个氧分子和一个新生态活泼氧原子，氧化碳纤维表面的不饱和碳原子，生成含氧官能团。
阳极电解氧化法：
靠电解产生的新生态氧对碳纤维表面进行氧化和腐蚀，碳纤维表面被氧化腐蚀，使比表面积增大、化学基团增加。
盐溶液处理：
先浸涂甲酸、乙酸、硝酸等的铜、铅、钴等盐类溶液，然后在空气或氧气中于200-600℃下氧化，使碳纤维表面粗糙而达到改善效果。
一、简述陶瓷基复合材料的特点。
陶瓷基复合材料的特点：
Ef和Em的数量级相当；
陶瓷基体的韧性有限；
增强材料与陶瓷基体之间的热膨胀系数不匹配、化学相容性问题突出。
五、简述碳/碳复合材料的性能。
力学性能：
密度小；
拉伸强度、弯曲强度、杨氏模量高；
脆性大，应力-应变曲线呈现“假塑性效应”：
施加载荷初期呈线性关系，随后变为双线性。
卸载后再加载荷，曲线仍为线性，并可达到原来的载荷水平。
热物理性能：
热膨胀系数小，尺寸稳定；
热导率高，并可以调节；
比热容高；
抗热震因子大。
烧蚀性能（蒸发升华、热化学氧化）：
碳/碳复合材料烧蚀均匀、烧蚀凹陷浅，能良好地保持制件外形；
烧蚀热高，为内层材料和存放的器件提供保护。
化学稳定性：
具有与碳一样的化学稳定性；
抗氧化性能差。
改善碳/碳复合材料抗氧化性能的方法：
浸渍树脂时加入抗氧化物质；
气相沉积碳时加入抗氧元素；
碳化硅涂层。
六、简述陶瓷的增韧方法。
1、晶须和纤维增韧：
吸收能量。
裂纹扩展受阻：
当增强体（纤维或颗粒）的断裂韧性大于基体中某些区域的断裂韧性时，纤维受到的残余应力为拉应力，具有收缩趋势，可以使基体裂纹压缩并闭合，阻止裂纹的扩展。
纤维（或晶须）拔出：
具有较高断裂韧性的纤维，当基体裂纹扩展至纤维时，应力集中导致结合较弱的纤维与基体之间的界面解离，在进一步应变时，将导致纤维在弱点处断裂，随后纤维的断头从基体中拔出。
纤维（或晶须）桥联：
在基体开裂后，纤维承受外加载荷，并在基体的裂纹面之间架桥。
桥联的纤维对基体产生使裂纹闭合的力，消耗外加载荷做功，从而增大材料的韧性。
2、相变增韧：
（shieldingmechanism）
在含有部分稳定的氧化锆粒子的氧化铝复合材料中：
在裂纹尖端的应力区域，稳定的氧化锆（ZrO2+Y2O3）发生应力诱导的马氏体相变（一部分断裂能量被用于应力诱发转移）：
ZrO2（t）ZrO2（m），产生约5%的体积膨胀和约16%的剪切变形（剪切变形由产生孪晶等方式抵消）。
这种体积膨胀和切变，在裂纹尖端产生了一种封闭裂纹的应力，减少了集中在裂纹尖端的拉伸应力，使裂纹扩展困难，达到增韧效果。
3、微裂纹韧化：
（crackshieldingmechanism）：
吸收能量
主裂纹扩展时，其尖端高应力区域容易产生微裂纹，微裂纹是产生膨胀应变的机理之一：
在微裂纹产生之前，存在有局部的拉伸残余应力。
微裂纹增韧机制适合于基体弹性模量较低的陶瓷基复合材料。
4、非屏蔽机理：
利用裂纹与材料间的相互作用消耗额外的能量，使断裂能量提高，对应力强度因子的贡献很小，包括裂纹偏转（裂纹沿着结合较弱的纤维/基体界面弯折，偏离原来的扩展方向，呈锯齿状扩展，从而使断裂路径增加）或裂纹弯曲（裂纹扩展时由于强化相的阻碍使得尖端路径弯曲，从而使测得的断裂韧性值提高）。
复合材料习题
第四章
十二、如何改善基体对增强材料的润湿性？
1、纤维表面处理：
清除纤维表面的杂质、气泡、用化学方法去除纤维表面的氧化膜，或者表面涂层，这些操作都能增进液态基体对纤维的润湿性。
2、变更基体成分：
对于金属基复合材料，合金化改善润湿性最方便、有效。
加入合金元素后，角的变化还与熔化时间有关。
3、改变温度：
一般，提高制造温度可以增加润湿性，但是，过高的温度会产生一些不利影响：
基体严重过热、氧化、基体与增强材料在高温下发生化学反应、增强材料损伤等。
4、增加液体压力：
对于不润湿的情况，必须施加大于Pc（
）的外压才能使液体渗入纤维束。
5、改变加工气氛：
sv和lv值随气体性质的不同而变化，因此改变制造过程中的环境气氛可以控制液体与固体之间的润湿状况。
固体或液体表面吸附某种气体，也可以改变sv或lv。
十五、简述影响增强材料与基体粘结性能的因素。
固-液复合过程中，固体表面与液体的浸润性。
不同组分的分子或原子彼此相互接近时的状态，形成化学结合时相互作用的强弱。
化学结合的形式（主价键结合：
共价键、离子键、金属键等；
次价键作用：
静电作用、诱导力、色散力、氢键、分子间的扩散等）。
十七、试讨论玻璃纤维增强混凝土中玻璃受到侵蚀的类型及其防护方法。
中碱、无碱玻璃纤维在硅酸盐水泥水化物中受到侵蚀，导致玻璃纤维增强混凝土的抗拉强度大幅度下降，甚至丧失殆尽。
化学侵蚀：
水泥水化生成的Ca（OH）2与玻璃纤维的硅氧骨架之间发生化学反应生成水化硅酸钙，当水泥液相中有NaOH、KOH存在时会加速反应。
应力侵蚀：
由于玻璃纤维表面存在缺陷，水泥水化生成的晶体可进入这些缺陷中，在缺陷端部造成应力集中并使缺陷扩展。
防止水泥水化物对玻璃纤维侵蚀的措施：
改变玻璃纤维的化学组分。
加入较多量的ZrO2可提高玻璃纤维的抗碱性。
对玻璃纤维表面进行被覆处理，以隔绝水泥水化物对纤维的侵蚀。
可用锆、钛、锌、铝等金属的水溶性盐对玻璃纤维进行处理；
也可用抗碱性好的树脂（环氧树脂、呋喃）对玻璃纤维进行浸渍处理而后使之固化。
使用水化物碱度低的水泥以减缓或防止对玻璃纤维的侵蚀。
采用水化产物中Ca（OH）2含量低的甚至无Ca（OH）2的水泥（高铝水泥、硫铝酸盐水泥）。
十八、试讨论硼纤维-铝基复合体系的界面反应及其防护。
B在高温下，除Ag、Cu、Sn、Be外，可以与其它金属发生反应生成不规则的结构，形成脆性的反应层。
硼纤维和铝的界面反应由于渗入氧生成氧化物而发生破坏，即B2O3层的破坏。
当铝的纯度较高时，在纤维上生成AlB2：
Al+2BAlB2
2B+3OB2O3
碳化硅涂层能使硼纤维具有突出的抗氧化性。
因为硼接触不到铝，硼化物的形成完全被抑制。
铝与硅不形成化合物，而铝与碳的反应在碳化硅存在的情况下，在热力学上是非常困难的。
硼或铝穿过碳化硅移动的扩散系数在800K时非常小，2.5m的碳化硅层已足以阻挡扩散。
二十、试讨论玻璃纤维的表面处理中偶联剂用量的确定及影响表面处理效果的因素。
偶联剂的用量会影响最后处理效果，在实际应用中起偶联作用的是偶联剂单分子层。
过多地使用偶联剂是不必要和有害的。
每种偶联剂的实际最佳用量，多数要从实验中确定。
偶联剂用量也可采用计算法求得：
100g给定被处理的增强材料的表面积，被1g硅烷偶联剂的最小涂覆面积除，即得该硅烷偶联剂在100g此种被处理材
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