高分子基復合材料2012復習題

1、1. 復合材料的定義、特點、組成、各部分的作用復合材料的定義：由兩種或兩種以上不同性能的材料組元通過宏觀或微觀復合形成的一種新材料，組元間存在明顯界面。復合材料的特點：1.各組元保持各自的固有特性2.組分間的協(xié)同作用賦予單一材料所不具備的特殊性能，與簡單混合有本質(zhì)的區(qū)別（性能上）3.具有可設計性：復合時綜合考慮原材料選擇、組分的分布設計、工藝條件選擇復合材料由基體和增強體兩個相組成增強相：一般具有很高的力學性能（強度、彈性模量），及特殊的功能性。增強體性能優(yōu)越，會使材料的性能顯著改善和增強。其主要作用是承受載荷或顯示功能。基體相：保持材料的基本特性，如硬度、耐磨、耐熱性等。主要作用是將增強相固

2、結(jié)成一個整體，起傳遞和均衡應力的作用。2. 玻纖按含堿量可分為？含堿量對其制備工藝和玻纖性能有何影響？按含堿量（堿性氧化物含量）分12%，有堿玻纖（A玻纖）,6-12%，中堿玻纖, 2-6%，低堿玻纖2%，無堿玻纖（E玻纖）（含堿量越高，玻璃越易熔、易抽絲、產(chǎn)品成本越低，但玻纖強度低）3. 玻纖的性能特點？影響玻纖強度的因素？(直徑、老化、化學組成)(1).力學性能 抗拉強度：比塊玻璃高一個數(shù)量級；直徑d, 強度；長度，強度。 彈性模量：與鋁相當，為鋼的1/3倍。因密度低（2.5），比模量高。 斷裂延伸率：低（3% ）(2).熱學性能 導熱系數(shù)：比塊玻璃低12個數(shù)量級 耐熱性：普通N

3、a-Ca-Si玻纖 < 500;耐熱玻纖(石英，高硅氧) <1200(3).  電性能堿玻璃電絕緣性差，隨溫度、濕度，絕緣性。無堿玻璃電絕緣性好。(4). 耐蝕性纖維比表面積大，化學穩(wěn)定性差。加入網(wǎng)絡形成體可改善耐蝕性。 無堿玻璃耐水性好。 中堿玻璃耐酸性好。 無堿和中堿玻纖耐堿性相近。影響玻璃纖維強度的因素 i）直徑越細，強度越高 ii）存放時間越長，強度越低（老化現(xiàn)象），原因是玻纖表面的微裂紋易吸附各種氣體、水蒸氣、易發(fā)生表面反應。老化程度取決于玻纖對大氣中水分等的穩(wěn)定性 iii）耐磨性差，怕打折4. 常用的玻纖類增強材料都有哪些？無捻粗砂，無捻粗砂方格布，

4、短切原絲氈，連續(xù)原絲氈，其他制品。5. （1）玻纖制品用作增強材料時，為什么要做表面處理？處理的目的和意義是什么？處理原因：玻纖表面光滑，不利于與基體相粘結(jié)；比表面積大，易吸水影響穩(wěn)定性；較脆、不耐磨，纖維之間摩擦系數(shù)大，不利于紡織。處理的目的：1.使玻纖與基體形成良好的界面粘結(jié)2.利于紡織（集束、潤滑、除靜電）處理的意義：i）是提高玻璃鋼性能的重要途徑之一ii）改善了玻纖及其織物的性能，增強了玻纖與基體的界面粘結(jié)iii）改善了玻纖的界面狀態(tài)（防止水分子及其它有害物質(zhì)侵入、減少或消除界面弱點）（2）玻纖的表面處理分為哪兩類？單絲表面處理，纖維及其織物的表面處理（3）以硅烷偶聯(lián)劑為例說明表面處理

5、劑的作用機理。1) 分子間脫水，形成在玻纖表面形成copolymer薄膜層，保護玻纖表面；2) 與玻纖表面作用，形成使偶聯(lián)劑與玻纖表面牢固結(jié)合，在玻纖表面形成有機硅單分子層、多分子層；3) 此外還有物理吸附引起的沉淀層；iiii) R與樹脂作用機理R不同，與之反應的樹脂基體的活性基團不同，如R為CH2=CH的硅烷偶聯(lián)劑對UP和丙烯酸樹脂有效6. 碳纖維的生產(chǎn)工藝中要經(jīng)歷哪兩個重要階段？試從碳纖維結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)過程中的變化說明碳纖維與石墨纖維的不同。碳化法 生產(chǎn)長纖維碳化:10002000，保護性氣氛下，有機化合物在惰性氣氛中加熱到1000-1500°C時，非碳原子（氮、氫、氧等）將逐步被

6、驅(qū)除，碳含量逐步增加，隨著非碳原子的排除，固相間發(fā)生一系列脫氫、環(huán)化、交鏈和縮聚等化學反應，此階段稱為碳化過程，形成由小的亂層石墨晶體組成的碳纖維。（2）石墨化： 20003000，非碳原子進一步排除，芳環(huán)平面逐步增加，排列也較規(guī)則，取向度顯著提高,并由二維亂層石墨結(jié)構(gòu)向三維有序結(jié)構(gòu)（三維石墨結(jié)構(gòu)）轉(zhuǎn)化，形成聚合碳結(jié)晶，并平行于軸向，此階段稱為石墨化過程。形成的石墨纖維彈性模量大大提高。密度、強度也增高，熱膨脹系數(shù)下降。但溫度過高強度反而下降。碳纖維和石墨纖維的強度和模量差別很大，原因是結(jié)構(gòu)不同。碳纖維是由小的亂層石墨晶體所組成的多晶體，含碳量若為7595%。石墨纖維的結(jié)構(gòu)與石墨相似，含碳量可

7、達9899%，雜質(zhì)相當少。7. 碳纖維的特點是什么？碳纖維用作增強材料時為什么要做表面處理？表面處理的目的什么？1.怕打折、急轉(zhuǎn)彎2.價高3.目前制造方面發(fā)展趨勢：向大集束方向發(fā)展以降低成本，每束可達32萬根4.表面惰性，與樹脂粘結(jié)差處理原因：CF是沿軸向擇優(yōu)取向的同質(zhì)多晶，與樹脂粘結(jié)差，表面呈惰性，樹脂難以潤濕，具有自潤滑性。處理目的：增加表面粗糙度、增加表面活性基團、提高復合材料的層間剪切強度8. PBO纖維和超高分子量PE纖維的突出性能特點各是什么？PBO具有突出的耐熱性,高強、高模、耐高溫、阻燃等優(yōu)異特性。超高分子量PE纖維突出性能是耐磨性（在聚合物中最高）、耐沖擊性，優(yōu)異的介電性能、

8、耐化學性能9. UHMW-PE纖維制備采用什么技術(shù)？制備工藝中的兩個關鍵技術(shù)是什么？為什么？凝膠紡絲-超倍拉伸技術(shù)1. 凝膠溶液制備控制適當濃度，以維持一定量的纏結(jié)大分子存在溶液過?。悍肿渔滈g纏結(jié)幾乎不存在，拉伸時分子鏈間易滑移溶液過濃：分子鏈內(nèi)及鏈間纏結(jié)太多，流動性差，存在不穩(wěn)定流動，難以高倍拉伸。2. 超倍拉伸技術(shù)使晶區(qū)的折疊鏈逐漸伸展成伸直鏈,非晶區(qū)的大分子逐漸被拉直要提高纖維的強度和模量，必須提高拉伸倍數(shù)10. UHMW-PE表面處理的原因、目的、方法原因：i）非極性、表面能低、表面光滑、難以浸潤 ii）無化學基團、難以與樹脂間化學鍵合表面處理目的：表面引入反應性基團表面處理方法： i

9、) 低溫等離子體處理：有效改善纖維表面能、引入極性基團、表面刻蝕 ii）表面沉積聚合物：如用丙烯酰胺等離子體處理UHMW-PE，既能在纖維表面形成聚丙烯酰胺聚合物涂層，又同時生成大量的低聚物、亞胺、氰、羰基、酰胺基、氰基、醚等官能團。iii）火焰處理 iv) 電暈處理11. 碳化硅纖維、硼纖維的制備方法。陶瓷纖維的制備常用先驅(qū)體法，什么是先驅(qū)體法？SiC纖維的生產(chǎn)采用化學氣相沉積法和先驅(qū)體熱解法B纖維實際上是采用CVD法在 W絲表面沉積了一層純度很高的B層。先驅(qū)體法：12. 什么是不飽和聚酯樹脂？不飽和聚酯樹脂的特點？舉出2種最常使用的不飽和聚酯樹脂。試分析不飽和聚酯的性能與聚合所用單體的類型

10、和比例的關系。不飽和聚酯樹脂是不飽和聚酯在乙烯類交聯(lián)單體（如：St）中的溶液。由不飽和的二元酸（酐）+飽和二元酸（酐）+二元醇 低聚物（線型）（稱為不飽和聚酯樹脂）最常用的不飽和聚酯樹脂：乙烯基樹脂，烯丙基樹脂。性能取決于單體類型和比例。飽和二元酸/不飽和二元酸比例越大，雙鍵比例越小，樹脂韌性越強，耐熱性越差；反丁烯二酸（酐）中的反式雙鍵使不飽和聚酯樹脂有較快的固化速率和固化溫度，聚酯分子鏈的排列也較規(guī)整；間苯二酸可使樹脂固化后有較強的力學強度、堅韌性、耐熱性、耐腐蝕性；用對苯二甲酸制備的不飽和聚酯的拉伸強度高；用脂肪族二元酸制備的不飽和聚酯的韌性好；用1,2-丙二醇制備的不飽和聚酯，樹脂固化

11、后具有較高的硬度，用于制備剛性聚酯；用乙二醇制備的不飽和聚酯樹脂有強烈的結(jié)晶傾向。用多元醇制備的不飽和聚酯樹脂，可提高樹脂的耐熱性與硬度。13. 不飽和聚酯樹脂所用固化劑為？固化反應的機理為？固化劑：乙烯基類單體（St、乙烯基甲苯、二乙烯基苯等）反應機理：自由基共聚合反應機理：鏈引發(fā)、鏈增長、鏈終止鏈引發(fā)從過氧化物引發(fā)劑分解形成游離基到這種游離基加到不飽和基團上的過程。鏈增長單體不斷地加合到新產(chǎn)生的游離基上的過程。與鏈引發(fā)相比，鏈增長所需的活化能要低得多。鏈終止兩個游離基結(jié)合，終止了增長著的聚合鏈。14. 不飽和聚酯樹脂的固化過程分為哪三個階段？在制備半成品的模塑料時，浸漬的樹脂應處于哪個階段

12、？凝膠階段：樹脂從液態(tài)到失去流動性成為半固體凝膠定型階段：從凝膠到具有一定的硬度和固定的形狀（還未完全固化）熟化階段：從定型階段到表觀上已經(jīng)變硬并具有一定力學性能，經(jīng)過后處理后即具有穩(wěn)定的化學與物理性能可供使用。應處于凝膠前階段15. 什么是乙烯基樹脂？乙烯基樹脂的特點？若以反丁烯二酸代替乙烯基樹脂中的甲基丙烯酸，可以改善樹脂的何項性能？乙烯基樹脂結(jié)構(gòu)特點：1) 乙烯基端基活性高，既能使分子間均聚，也能與交聯(lián)單體共聚2) 甲基可屏蔽酯基，提高耐化學性能和耐水解性能3) 仲羥基有利于與玻纖表面粘結(jié)4) 耐水解性能比UP好（單位分子量的酯基含量比UP少）5) 環(huán)氧骨架賦予樹脂韌性、耐酸性、耐腐蝕性

13、、熱機械性能乙烯基樹脂性能特點：1）綜合了EP和UP的優(yōu)點，固化后的樹脂性能類似EP2）雙鍵位于端部，固化時不受空間障礙影響，既可自聚固化，也可與交聯(lián)單體共聚固化。工藝性能和固化性能優(yōu)于EP3）耐腐蝕性能優(yōu)良：耐酸性超過胺固化EP，耐堿性超過酸固化EP以及UP4）良好韌性及對玻纖的浸潤性提高樹脂的固化性能和熱變形溫度以柔性的己二酸代替甲基丙烯酸，制備柔性樹脂；酸酐改性：引入羧基，提高樹脂的增稠特性；異氰酸酯改性：提高耐熱性和對玻纖的浸潤性；橡膠改性：改善韌性16. 什么是環(huán)氧樹脂？環(huán)氧樹脂主要有哪幾大類？最常用的為哪類？什么是環(huán)氧值？環(huán)氧值與環(huán)氧當量間如何換算？環(huán)氧樹脂是指分子中含有兩個或兩個

14、以上環(huán)氧基團的化合物，化學性質(zhì)活潑，可與多種固化劑反應?？s水甘油醚類（最常用的）環(huán)氧氯丙烷與酚類反應；縮水甘油酯類環(huán)氧氯丙烷與醇類（有機羧酸）反應；縮水甘油胺類環(huán)氧氯丙烷與胺類反應；脂環(huán)族環(huán)氧樹脂脂環(huán)族烯烴的雙鍵經(jīng)環(huán)氧化制得線型脂肪族類分子中僅有脂肪鏈和環(huán)氧基環(huán)氧值：100g樹脂中所含環(huán)氧基的摩爾數(shù)。其大小對樹脂固化和性能有很大影響。工業(yè)上用環(huán)氧值表示樹脂型號。環(huán)氧當量=100×1/環(huán)氧值17. 環(huán)氧樹脂的特點？其典型特點是什么？針對這一典型特點，目前的改性方法有哪些？1.性能多樣化，適應性強。2.固化方便。固化溫度5oC-180oC.3.粘附力強。分子結(jié)構(gòu)中存在極性羥基和醚鍵。4.

15、固化收縮率低。固化時無小分子放出。5.力學性能優(yōu)異。6.介電性能優(yōu)異。7.耐化學性能優(yōu)異。耐酸堿、耐溶劑。8.尺寸穩(wěn)定性好。9耐霉菌。(2)典型特點：EP固化物的抗沖擊性能和耐熱沖擊性能差。(3)改性方法：需增韌：1）非活性增韌劑2）活性增韌劑：a) 低分子量聚酰胺b) 低分子量液態(tài)聚硫橡膠c) 韌性環(huán)氧樹脂d) 環(huán)氧化聚丁二烯樹脂e) 端羧基丁氰膠f) 丙烯酸樹脂g）熱塑性樹脂18. 按固化反應的性質(zhì)，環(huán)氧樹脂用固化劑可分為哪兩大類？各舉一例。反應型固化劑，多元伯胺。催化型固化劑，叔胺。19. 胺類和酸酐類環(huán)氧樹脂用固化劑的特點？1）胺類環(huán)氧樹脂：i）樹脂固化活性極高，用脂肪胺固化時甚至會發(fā)

16、生碳化；ii）固化物有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性；iii）制得的復合材料有耐燒蝕性能和耐輻射性能；v）也可用作膠黏劑和高性能涂料。（2）與胺類固化劑相比，酸酐固化劑：i）固化后，樹脂的色澤淺，力學及電性能優(yōu)良，熱穩(wěn)定性高。ii）樹脂-酸酐混合物粘度低、適用期長、低揮發(fā)性、低毒性。iii）固化收縮率及放熱效應低。v）固化溫度較高、固化時間較長。20. 何為A、B、C階酚醛？何為凝膠速度？何為固化速度？（1）A階酚醛：可熔、可溶（凝膠前）,（2） B階酚醛：半溶（凝膠化）（3）C階酚醛：不溶、不熔的體型結(jié)構(gòu)（4）凝膠速度：由A階轉(zhuǎn)化為B階的速度（5）固化速度：由B階轉(zhuǎn)化為C階的速度21. 酚醛樹脂

17、為什么要改性？試舉例說明改性的目的和思路。改性緣由：（1）熱固性樹脂性脆；（2）酚羥基易吸水，制品的耐潮濕性差，致使其介電性能、機械性能下降；（3） 酚羥基易熱及紫外氧化；（4）與樹脂的粘結(jié)性能不高改性目的：提高韌性、改善與增強材料的粘結(jié)性能、提高耐潮濕性能、耐溫性能改性思路：封鎖酚羥基；引入第三組分22. 列舉幾種聚合物基復合材料用高性能樹脂，并簡要說明其性能特點。聚酰亞胺（ PI）樹脂性能特點:突出的熱穩(wěn)定性（長期使用溫度250oC）和氧化性能；優(yōu)異的耐輻射性和介電性能；聚苯并咪唑（ PBI）樹脂性能特點：（1）優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，Tg=430oC，在270-300oC長期使用，在350-38

18、0oC仍非常穩(wěn)定，在400-700oC短期使用。（2）拉伸強度420MPa，彎曲強度780MPa，壓縮強度560MPa23. 列舉5種以上熱固性樹脂復合材料的成型方法。采用熱固性樹脂成型時，生產(chǎn)前為何要先做凝膠實驗？手糊成型（簡單手糊成型、噴射成型、袋壓成型）、模壓成型、層壓成型、纏繞成型、拉擠成型、玻璃鋼波紋板連續(xù)成型一般希望：樹脂在糊完玻璃鋼后一段時間內(nèi)凝膠。若過短：施工中發(fā)粘，難浸透玻璃布，造成粘結(jié)不良。若過長：施工完后長時間不能凝膠，引起樹脂流失，交聯(lián)劑揮發(fā)，固化不完全。24. 手糊成型的特點？手糊成型可分為接觸成型和低壓成型。噴射成型和低壓成型分別在簡單手糊成型的基礎上做了哪些改進？

19、這些改進對制品性能有何影響？手糊成型特點：（1）操作簡便（2）投資少、費用低、能生產(chǎn)大型和復雜制品、制品可設計性好；（3）屬勞動密集型、成型效率低；制品質(zhì)量受操作者技術(shù)水平限制；生產(chǎn)周期長，產(chǎn)品強度較其它方法低。噴射成型半機械化手糊用噴槍將玻纖和樹脂同時均勻噴到模具上，經(jīng)小輥壓實后，固化成玻璃鋼制品。采用三個噴槍：（1 ）樹脂+引發(fā)劑（2）樹脂+固化劑（3 ）玻纖對制品性能的影響：1）利用粗紗代替玻璃布，降低成本（2）生產(chǎn)效率比手糊法高3-4倍 （3）制品無搭縫，整體性好（4）減少了飛邊，裁屑，膠乳剩余損耗低壓成型：<1>與手糊成型工藝的區(qū)別僅在于加壓固化這道工序。<2>

20、;可提高制品的密實度和層間粘接強度。袋壓成型：在手糊成型的制品上，裝上橡膠袋或PE、PVA袋，并加壓到未固化的制品表面而使之成型。一般采用加熱固化，使成型周期縮短。對制品性能的影響：制品兩面平滑，質(zhì)量高，成型周期短，適合聚酯、環(huán)氧、酚醛樹脂25. 模壓成型的特點？什么是SMC和BMC？模壓成型的特點：生產(chǎn)效率高、適合大批量生產(chǎn)；制品尺寸精確、表面光潔、有兩個精致表面；價廉；易實現(xiàn)機械化和自動化；一次成型，無需二次加工。但模具設計、制造復雜；初次投資大，制品尺寸受限制。 SMC（片狀膜塑料模壓法）:SMC是短纖維或氈片充分浸漬樹脂糊后，兩面覆蓋PE膜形成的片狀半成品模塑料。BMC(塊狀膜塑料模壓

21、法):BMC是短切玻纖浸漬加增稠劑的樹脂（也可是熱塑性的）后形成的一種半成品料。多為聚酯模塑料。26. 什么是模壓料的啟用期和存放期？啟用期：3-7天，制備后不可即用，存放幾天后揮發(fā)減少，質(zhì)量均勻性提高。存放期：存放期是指模壓料可以存放的日期，即有效期，與氣候有關27. 模壓成型工藝中，為何存在一個加壓時機問題？加壓的目的是粘結(jié)、密實、排氣加壓時機是指裝模后在一定時間一定溫度下適宜的操作。加壓過早：樹脂本身反應程度低，分子量小粘度低，壓力下易流失，在制品中產(chǎn)生局部樹脂聚集或局部纖維裸露。加壓過緩：樹脂反應程度高，分子量劇增，粘度大，物料難以充滿模腔。28. 纏繞成型制品的形狀和性能各有何特點？

22、制品的幾何形狀有局限性，適用于制造圓柱體、球體、正曲率回轉(zhuǎn)體制品，負曲率回轉(zhuǎn)體制品難以纏繞。纏繞成型制品比強度高，可超過Ti合金，制品質(zhì)量高而穩(wěn)定，制品各向異性，強度方向性明顯，層間剪切強度低。29. 纏繞成型時，為什么要遵循一定的纏繞規(guī)律？纏繞成型工藝要求連續(xù)纖維和芯膜相對運動，在芯模上繞制各種花紋，類似于在車床上車螺紋。如果任意地將纖維纏到芯模上，這很容易，但這樣的制品有的地方厚，有的地方薄，有的地方架空。我們的目的是按照制品的受力要求纏繞出所需的制品。所以，把纖維按一定的規(guī)律均勻地纏繞在芯模上，稱為纏繞規(guī)律纏繞規(guī)律可以為制品結(jié)構(gòu)設計提供重要依據(jù)； 保證纏繞過程中纖維位置穩(wěn)定，不打滑，是制

23、品質(zhì)量均勻性的重要條件； 為纏繞機的設計提供重要參數(shù)。30. 為保證和提高制品質(zhì)量，纏繞成型工藝中通常采用哪些措施？（1）張力逐層遞減制度: 由于纏繞張力的作用，使后纏繞上的一層纖維會對先繞上的纖維發(fā)生壓縮變形造成內(nèi)松外緊，纖維不能同時受力，影響制品強度和疲勞性能。采用逐層遞減張力制度： 各層都具有相同的初應力和緊張程度，受壓時同時受力; 纖維強度發(fā)揮好，制品質(zhì)量高（2）分層固化措施：內(nèi)襯上纏上一空厚度的纏繞層后，固化，打磨，再纏繞，再固化，打磨（3）真空固化：（1）低分子物揮發(fā)較完全，制品密室，強度提高10%左右 (2)要求固化劑在真空條件下?lián)]發(fā)性小31. 拉擠成型制品的力學性能有何特點？為

24、克服其力學性能缺陷，對增強材料可做哪些改進？制品的橫向強度低改進：確保增強材料適合拉擠成型工藝要求，通常采用以下措施：（1）廣泛采用連續(xù)纖維原紗氈與通用型無捻粗紗的組合。（2）為改善制品的橫向性能，開發(fā)了兩種無捻粗紗。吹紡型，旋紡型(3) 為拉擠成型專門編制的織物：單向纖維編織物，雙向纖維編織物32. 拉擠成型工藝中，為何要采用增效固化？(a ) 模具的瞬時溫度隨物料在模具內(nèi)的運動而變化; (b) 樹脂的放熱反應是熱源;(c) 模具熱容和固化時間影響固化; (d) 拉擠制品各向異性導致橫向、縱向的熱傳導不同這四方面原因致使材料橫截面存在復雜溫度梯度，縱向也有梯度，所以單純采用熱傳導加熱，難實現(xiàn)

25、制品的均勻固化，尤其對于厚制品，由于固化時的加熱和收縮，內(nèi)部易開裂。進模前用高頻發(fā)生器預熱，使整個受熱截面的溫度均勻提高，促進基體的均勻固化。高頻加熱與熱傳導加熱結(jié)合使用，可實現(xiàn)厚制品的拉擠成型，又可提高拉擠速度。33. 熱塑性基體復合材料的拉擠成型工藝與熱固性基體復合材料拉擠成型工藝的主要區(qū)別為？熱塑性基體復合材料的拉擠成型工藝與熱固性基體的區(qū)別在于浸漬工藝和模具。浸漬工藝：流態(tài)化床，熱塑性基體粉料在空氣或靜電場的作用下于浸漬槽中懸浮，連續(xù)纖維從粉料中通過浸漬粉料，加熱裝置將粉料熔化并粘結(jié)到纖維上。模具系統(tǒng)：加熱模具，長3m，模具入口到模具2/3長度上有13°的錐度；冷卻模具，長1.5m34. 簡述拉擠成型工藝的新進展。拉擠成型不僅是一門技術(shù)，也是一門科學， 可以采用有限元法和計算機建模等方法分析：模具內(nèi)物料的縱橫向溫度分布情況、樹脂粘度、內(nèi)壓力的變化情況。 用DSC分析樹脂及填料不同配比的固化特性和工藝參數(shù)等。以指導制品設計、選擇原材料體系、設計模具及