复合基材料化学问答题.docx

1什么是晶须？晶须高强的原因？ P35（1）晶须是一种短纤维状的单晶无机材料。（2）晶须高强的原因，主要由于它的直径非常小，容纳不下能使晶体削弱的空隙、位错和不完整等缺陷。晶须材料的内部结构完整，使它的强度不受表面完整性的严格限制。2.碳纤维制造过程包括哪几个阶段？碳纤维的生产的三个阶段是预氧化处理、碳化处理和石墨化处理。P323影响玻璃纤维强度的因素？ P19 纤维直径和长度对拉伸强度的影响玻璃纤维的直径愈细，抗拉强度越高；随着纤维长度的增加，拉伸强度显著下降。 化学组成对强度的影响一般是含碱量越高、强度越低。存放时间对强度的影响原因：空气中的水分和氧气对纤维侵蚀 施加负荷时间对强度的影响玻璃纤维强度随着施加负荷时间的增长而降低。环境湿度较高时，尤其明显原因：吸附在微裂纹中的水分，在外力作用下，使微裂纹扩展速度加速。4加捻的作用？通过加捻可提高纤维的抱合力，改善了单纤维的受力状况，有利于纺织工序的进行。5玻璃钢雷达天线罩的特点和应用实例FRP雷达天线罩重量轻，运输费用低，安装方便，透波能力强，耐腐蚀，电绝缘，可设计性强，设计制造方便，安装快，成本及维修费用低，在沿海、高山、沙漠以及湿冷地区等恶劣环境中应用日益剧增。应用实例：（1）直径最大的超远程精密跟踪雷达天线罩（2）高度精密跟踪雷达天线罩（3）引导雷达天线罩（4）警戒雷达天线罩（5）气象雷达天线罩6不饱和聚酯树脂的特点和缺点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？P49A、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、聚合物的耐热性能聚合物的耐热性聚合物的热稳定性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。P16P17三、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。例：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。引发剂：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)22O2、过氧化二苯甲酰(C6H5CO)2O2。促进剂：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。原因：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。q=0（glv=gsv-gsl），完全浸润；0qgsv-gsl0），部分浸润；q90（gsvgsl），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。原因：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：（shielding mechanism）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：（crack shielding mechanism）：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。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。q=0（glv=gsv-gsl），完全浸润；0qgsv-gsl0），部分浸润；q90（gsvgsl），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。原因：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，q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：gsv和glv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gsv或glv。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。例：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。例：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。例：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+2BAlB22B+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，2.5mm的碳化硅层已足以阻挡扩散。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、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此种被处理材料上涂覆一单分子层时所需要的量。偶联剂在被处理材料表面上的涂覆并非只是单分子层，被处理材料单丝之间的间隙中往往比表面上含有更多的偶联剂，也不能保证偶联剂分子全部涂覆在被处理材料的表面上，所以，偶联剂的实际用量应高于上述计算值。影响处理效果的因素：处理方法的影响：不同的处理方法会影响处理效果。一般来说，前处理法的效果最为明显。烘焙温度的选择：温度过低不起反应，达不到应有的偶联效果；温度过高会引起偶联剂分解和自聚等不良后果，以致严重影响偶联效果。烘焙时间的选择：烘焙时间应选择在一定烘焙温度下偶联剂与玻璃纤维表面的偶联反应能充分进行。随着烘焙时间的延长，被处理玻璃纤维的憎水性有所提高，但是处理时间过长生产效率就低。一般采用高温短时间的烘焙制度。处理液的配制及使用：直接影响处理效果，应该严格控制处理液的pH值，以抑制水解产物的自行缩合。在整个处理过程中，对处理液的pH值应不断调节。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。9、举例说明SMC配方中含有哪些组分，以及各组分的作用。聚酯树脂，引发剂（分解产生自由基，引发树脂聚合（交联，固化），低收缩添加剂，填料，内脱模剂，增稠剂，颜料，安定剂，玻璃纤维。（1）、不饱和聚酯树脂。作用：便于浸渍玻纤，满足增稠要求，提高生产效率，保证脱模时制品不被破坏，在制件发生某些变形是不致开裂。（2）、交联剂。作用：降低树脂粘度，可与聚酯发生共聚反应，是聚酯大分子通过交联单体自聚的“链桥”而交联固化，改善制品硬度、耐腐蚀性能等。（3）、引发剂。作用：制得的SMC贮存期长，达到温度时能迅速分解、交联。（4）、阻聚剂。作用：防止不饱和聚酯树脂在室温下交联聚合。（5）、增稠剂。作用：控制SMC从生产到使用全过程的粘度变化。（6）、低收缩添加剂。作用：可大幅度降低收缩率，是收缩率接近于零，还可使SMC制品表面光滑、无裂纹。（7）、无机填料。作用：降低材料成本，改善制品性能。（8）、内脱模剂。作用：制品加热成型时，脱模剂从内部逸出到模压料与模具接触的界面处，融化并形成障碍，阻止粘着，达到脱模的目的。（9）、增强材料。10、通常用哪些途径表征复合材料界面，试列出四种方法并简述其原理。1）. 化学分析法羧基分析：将碳纤维与0.15mol/L的乙酸钙溶液一起回流24小时，然后用0.02mol/L的NaOH溶液滴定溶液中的H，即可测得表面的-COOH量。羧基加羟基分析：R-COOH + NaOHR-COONa + H2O R-OH + NaOH R-ONa + H2O碳纤维与稀碱溶液在密封的三角烧瓶中浸泡一周，然后用稀HCl溶液滴定剩余的NaOH，即可测得-COOH和-OH量，已知-COOH量，差值即为-OH量。 2）. 热重法根据-COOH在500800分解成CO2，R-OH在9001000分解成CO，由热失重测得CO2和CO的量，可以求出表面-COOH和-OH的量。3）. 红外光谱法4）. XPS法11、有机硅烷常作为玻璃纤维的表面处理剂，请阐述其反应机理1、开始时在偶联剂Si上的三个不稳定的x基团发生水解；2、随后缩合成低聚体；3、这些低聚体与基质表面上的-OH形成氢键；4、最后在干燥或固化过程中与机制表面形成的共价键并随着少量的水。12、在片状模模压成型工艺中常需加入低收缩添加剂，试简述其低收缩机理。当SMC在模具中加热固化时，随体系的温度升高，树脂发生热膨胀，聚酯与苯乙烯开始发生聚合，相当于其在热塑性聚合物的内压力下进行固化，因而在未发生收缩前就被固定下来了。即热塑性树脂热膨胀力阻止了聚酯固化时的收缩。13、什么叫晶须？常见晶须有哪些？晶须高强的原因是什么？晶须是指由高纯度单晶生长成的直径几微米、长度几十微米的单晶纤维材料。SiC, Al2O3. 其原子排列高度有序，结构完整难以容纳大晶体中常存的缺陷故机械强度完整近似等于等于原子间价键力的理论强度。晶须是含缺陷很少的单晶纤维，其拉伸强度接近其纯晶体的理论强度。14、沃兰常作为玻璃纤维的表面处理剂，请阐述其反应机理小结： 沃兰处理剂一端的活性基团水解后产生的羟基能与玻璃纤维表面的硅醇基发生缩水反应，从而在玻璃纤维表面形成另一端则通过不饱和双键与合成树脂中的活性基团发生化学反应，使表面处理剂通过化学键合把玻璃纤维与合成树脂有机地结合为一体。2009年硕士研究生复合材料原理复习题1.为什么Nicalon sic纤维使用温度低于1100？怎样提高使用温度？ 从热力学上讲，C-SIO2界面在1000时界面气相CO压力可能很高，相应的O2浓度也较高。只有O2扩散使界面上O2浓度达到较高水平时，才能反应生成CO。但是温度较低时扩散较慢，因此C-SiO2仍然在1000左右共存。当温度升到1100，1200时，CO的压力将会更高，此时O2的浓度也较高，而扩散速度却加快。因而，SiC的氧化速度加快，导致Nicalon纤维在1100，1200时性能下降很快。 要提高Nicalon纤维的使用温度，需降低Nicalon纤维的游离C和O的含量，以防止游离C继续与界面O反应。2.复合材料的界面应力是怎样产生的？对复合材料的性能有何影响？复合材料的界面应力主要是由于从制备温度冷却到室温的温度变化T或是使用过程中的温度变化T使得复合材料中纤维和基体CTE不同而导致系统在界面强结合的情况下界面应力与T有着对应关系；在界面弱结合的情况下，由于滑移摩擦引起界面应力。除了热物理不相容外，还有制备过程也能产生很大甚至更大的界面应力。如：PMC的固化收缩，MMC的金属凝固收缩，CMC的凝固收缩等。CTE限制界面应力将导致基体开裂，留下很多裂纹，裂纹严重时将使复合材料解体，使复合材料制备失败，或是使其性能严重下降，CTE不大时，弹塑性作用，不会出现裂纹。而对于CMC，即使不会出现明显的裂纹，基体也已经出现了微裂纹。这些微裂纹对复合材料的性能不会有很的影响，相反，这些微裂纹对CMC复合材料的增韧有帮助，因为微裂纹在裂纹扩展过程中将会再主裂纹上形成很多与裂纹而消耗能量，从而达到增韧的目的。3金属基复合材料界面控制的一般原则是什么？ 金属基复合材料要求强结合，此时能提高轻度但不会发生脆性破坏。 均存在界面化学反应趋势，温度足够高时将发生界面化学反应，一定的界面化学反应能增加界面的结合强度，对增强有利。过量的界面化学反应能增加界面的脆性倾向对增韧不利。因此，MMC的界面化学反应是所希望的，但是应该控制适度。具体原则有：纤维表面涂层处理：改善润湿性，提高界面的结合强度，并防止不利的界面反应。基体改性：改变合金的成分，是活性的偏聚在f/m界面上降低界面能，提高润湿性。控制界面层：必须考虑在室温下熔体对纤维及纤维表面层的溶解侵蚀。纤维及其表面层金属熔体中均具有一定的溶解度。因而，溶解和侵蚀是不可避免的。4.为什么玻璃陶瓷/Nicalon复合材料不需要制备界面层？ 氧化物玻璃基体很容易与Nicalon SiC纤维反应：SiC+O2=SiO2+C 这一反应可以被利用来制备界面层。氧化物玻璃基体与Nicalon SiC纤维还可能发生其它氧化反应，但由于需要气相产物扩散离开界面，因为其他热力学趋向很大，但反应驱动力相对较小。因上述反应生成的SiO2 在SiO2基玻璃中很容易溶入玻璃基体。如果使用的玻璃基体不发生饱和分相的话，反应的结果将在界面上生成C界面层或纤维的表面层，因而不需要预先制备界面层，这就是玻璃陶瓷的最大优点。 5复合材料有哪三个组元组成，作用分别是什么？复合材料是由：基体，增强体，界面。基体：是复合材料中的连续相，可以将增强体粘结成整体，并赋予复合材料一定形状。有传递外界作用力，保护增强体免受外界环境侵蚀的作用。增强体：主要是承载，一般承受90%以上的载荷，起着增大强度，改善复合材料性能的作用。界面：1.传递作用：载荷施加在基体上，只有通过界面才能传递到增强体上，发挥纤维的承载能力，所以界面是传递载荷的桥梁。2.阻断作用：结合适当的界面有阻止裂纹扩展，中断材料破坏，减缓应力集中的作用。 3.保护作用：界面相可以保护增强体免受环境的腐蚀，防止基体与增强体之间的化学反应，起到保护增强体的作用。6. 请说明临界纤维长度的物理意义？ 能够达到最大纤维应力，即极限强度fu的最小纤维长度，称为临界长度Lc，临界纤维长度是载荷传递长度的最大值。LLc时，纤维承受的载荷达不到fu，纤维也不可能断裂，或由复合材料断裂破坏引起纤维断裂很少，也就很难达到增强的效果。LLc时，纤维能够承受最大载荷（最大应力），达到增强的效果复合材料断裂破坏后能在断口上观察到纤维的断裂、拔出、脱粘现象。10.玻璃纤维和碳纤维的表面各有什么特点？参考146页答：（1）表面物理特性： 碳纤维：碳纤维比表面积大,碳纤维内存在内孔和孔洞，内表面积较高，内孔和孔洞通常是沿纤维轴向排列，一般不延伸到纤维表面，这些内表面不吸附气体，与树脂黏结无关。玻璃纤维：比表面积居中，表面光滑，相对粗糙度小，横截面为对称圆形。（2）表面化学特性：碳纤维：1）石墨纤维的本体化学组成含有C、0、N、H及微量的金属杂质，而其表面化学组成为C、H、0；2）碳纤维表面经处理后可存在酮基、羧基和羟基等极性的高反性的官能团，可与树脂发生次价力和化学键结合，故能大大的提高碳纤维复合材料的剪切强度。玻璃纤维：1）玻璃纤维本体的化学组成与其表面化学组成不完全相同；2）在玻璃纤维表面，阳离子与阴离子的作用力处于不平衡状态，由此产生了表面吉布斯自由能，使玻璃纤维具有吸附外界物质的趋向；3）玻璃纤维的Si02网络中分散着碱金属氧化物，这些氧化物吸湿性很大。且在SiO2网络表面存在大量的极性SiOH基团，吸湿性强；4）水与玻璃组成中的碱金属或碱土金属作用，形成羟基。羟基的形成导致玻璃纤维表面吸附水呈碱性，OH进一步与网络反应，使纤维强度下降。另外，部分吸附水与玻璃纤维表面的SiOH之间，以及相邻SiOH之间均可形成氢键结合。大量的SiOH基团，具有活泼氢基团所具有的反应性质，有利于表面改性和化学键粘合。（3）表面吉布斯自由能：都有明显的氧化表面，有利于形成高表面吉布斯自由能的表面，若表面被污染，则会降低表面能，影响极性基体对它们的湿润，如玻璃纤维表面上吸附的单分子层水会影响极性基体对其表面的润湿。14.长纤维增强粒料与短纤维增强粒料的优缺点。答：（1）长纤维增强粒料：缺点：1）高熔融粘度树脂的长纤维型粒料因纤维在树脂中分散不好易引起制品性能和外观不理想；2）长纤维增强粒料并没有真正体现出增强塑料的性能，因而粒料硬度低。（在注射成型机中，依靠螺杆的混合作用，才使玻璃纤维均匀散布于树脂之中，在表面处理剂的偶联下，两相才起到全面的、完全的作用，注射出的成品才真正体现了增强塑料的性质）。优点：没找到。（2）短纤维型增强粒料：优点：1）短纤维型粒料具有较好的成型加工性和表面平滑性，用柱塞式和螺杆式注射成型机均可成型；2）由于短纤维型粒料的加工流动性较好，适合于制造壁薄和形状复杂的制品；3）短纤维增强粒料，由于玻璃纤维已与树脂均匀混合，表面处理剂已发挥全部作用，所以粒料已体现了增强塑料的性质，因而很硬。缺点：1）纤维在造粒时磨损严重、长度短，制品强度不高；2）加料时易爆裂，对螺杆及料筒侵蚀力强，机械易受损伤。16.试比较预混法和预浸法制备纤维模塑料的优缺点。 答：（1）预混法制备纤维模塑料的特点：纤维较松散而无定向，流动性较好，宜做形状复杂的小型模压制品；但在制造过程中纤维的强度损失较大，不宜制作成强度要求很高的模压制品；模塑料的质量均匀性较差，比体积大，压模要有较大的装料室，装模困难，劳动条件差。 （2）预浸法制造短纤维模塑料模塑料的特点：1）成束状，比较紧密；2）生产过程中纤维损伤较少，质量均匀，比体积小。易制造形状较复杂的高强度模压制品；3）预浸法的生产量一般比预混法低，而且模塑料的流动性及料束间的互溶性较差。18.复合材料预浸料的制造方法有哪几种？高质量的预浸料应该符合哪些条件？答：（1）方法：预浸料的制备方法按照树脂浸渍纤维的方法不同分为：1）溶液浸渍法;2）热熔浸渍法和胶膜辗压法（干法）；3）粉末工艺法等。（2）条件：教材199页的中间部位。21.什么是复合材料成型成型三要素？并说明其对产品性能和生产效率的影响？答：（1）三要素：1）赋形；2）浸渍；3）固化（2）影响：浸渍的好坏、赋形的快慢、固化的快慢同时影响产品性能和生产效率两个对立的方面。若强调经济性，加快成型周期，那就要牺牲一部分性能；反之，若重视性能，那就要牺牲经济性。24.简述RFI工艺的成型过程。答：1）将树脂制成树脂膜或稠状树脂块，安放于模具的底部。2）在其上层覆以三维编织等方法制成的纤维预制体。3）将模腔封装，随着温度的升高，并在一定的真空下，树脂软化(熔融)并由下向上爬升(流动)，浸渍预成型体，并填满整个预制体的每一个空间，达到树脂均匀分布，最后固化成型。1.试述玻璃纤维的制备过程，玻璃纤维的主要成分及结构，说明特性。答：玻璃纤维的制备有两种方法：一玻璃球法：生产玻璃纤维的过程将硅砂、石英、硼酸和其他组分（粘土粘氟石等）干混后经高温熔融，融化后的玻璃液直接通过漏板形成了玻璃纤维。二直接熔融法，将玻璃玻璃配合料投入熔窑熔化后直接制成各种支数的连续玻璃纤维。主要成分：其主要成分为二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化硼、氧化镁、氧化钠等。结构：。特性：拉伸强度高，伸长小(3%)。弹性系数高，刚性佳。弹性限度内伸长量大且拉伸强度高，故吸收冲击能量大。为无机纤维，具不燃性，耐化学性佳。吸水性小。尺度安定性，耐热性均佳。加工性佳，可作成股、束、毡、织布等不同形态之产品。透明可透过光线。与树脂接着性良好之表面处理剂之开发完成。价格便宜。不易燃烧，高温下可熔成玻璃状小珠。2.在制备碳纤维的过程中，预氧化，碳化，石墨化过程的作用分别是什么？并分析结构和性能间的关系。答。以聚丙烯基（PAN）为原料制备的碳纤维为例。预氧化：PAN的玻璃化温度低于100度，分解前或软化熔融，不能直接在惰性气体中进行碳化。先在空气中进行预氧化处理，使PAN的结构转化为稳定的六元环结构，就不易熔融。另外当加热足够长的时间将产生纤维吸氧作用，形成PAN分子间的化学键合。碳化：除去大量NHO等非碳元素，改变PAN纤维的结构，形成了碳纤维。石墨化：使纤维中结晶碳向石墨晶体取向，使之与纤维轴方向的夹角进一步减小以提高纤维的弹性模量。结构与性能的关系：碳纤维是含碳量高于90%的无机高分子纤维。其中含碳量高于99%的称石墨纤维。碳纤维的轴向强度和模量高，无蠕变，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小，耐腐蚀性好，纤维的密度低，X射线透过性好。但其耐冲击性较差，容易损伤，在强酸作用下发生氧化，与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。因此，碳纤维在使用前须进行表面处理。3.简述芳纶纤维的生产过程答。芳纶纤维的生产工艺可以根据纺丝流程的不同分为一步法和两步法。一步法：直接纺丝法，主要是通过溶液缩聚进行纺丝（该法是目前常用的方法之一，其优点是生产工艺流程短，成不相对较低）。两步法：通过先制备PPTA聚合物，再将聚合物溶于溶剂中进行纺丝得到需要的纤维材料，具体过程：首先对苯二甲胺和对苯二甲酸酰氯进行缩聚得到聚合物，然后沉淀、洗涤（中和）、干燥，然后溶解，干、湿法纺丝，水洗（中和），卷曲、干燥，直接得到凯夫拉（凯夫拉-29）或进行热处理得到凯夫拉-49。4.试比较玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维的主要优缺点。答。玻璃纤维：具有原料易得、拉伸强度高、弹性模量高、防火、防霉、耐热、耐腐蚀和尺寸稳定的优点，是一种常用的性能优良的增强材料。玻璃纤维的主要缺点是脆性大和不耐磨。碳纤维：高强度高模量，热膨胀系数低，尺寸稳定，耐疲劳耐高温耐腐蚀，阻尼特性好， 导热导电性能优良，但韧性差，不耐氧化，价格昂贵。芳纶纤维：高强度高模量密度低韧性好，比强度比模量很高，超过玻璃纤维和碳纤维。5试分析基体在材料中的作用。答。在复合材料中，基体材料通过与增强材料界面间的粘结成为一体，并以剪切力的形式向增强材料传递载荷，保护增强材料免受外界环境的作用和物理损伤。同时基体还像隔膜一样，使增加材料彼此分开。这样，对于纤维增加复合材料来说，即使是个别纤维断裂，裂纹也不会迅速的从一根纤维扩展到其他纤维。另外，复合材料的拉伸性能、压缩性能、剪切性能、耐热性能的关系。6在选用复合材料树脂基体时，应考虑的因素有哪些？答。1 基体材料自身的基体材料自身的基体材料自身的基体材料自身的性能性能性能性能，力学性能、耐热性能、耐腐蚀性能等满足产品的使用要求。2对增强材料有良好的浸润性与粘附力3.具有良好的工艺性能：容易操作，胶液具有足够长的适用期胶液具有足够长的适用期、预浸料具有足够长的贮藏期、固化收缩小等。4.低毒性、低刺激性。保证生产工人的安全。5.来源方便、价格合理。7.常用环氧树脂分子式以及特点有哪些？简述其固化过程。答。特点：力学性能、高附着力强、固化收缩率小、优良的电绝缘性、稳定性好、抗化学药品性优良、耐热性好。固化过程：树脂固化过程为：黏流态树脂体系发生交联反应而转变成不溶不熔的具有体型网络的固态树脂的全过程称为树脂的固化。凝胶阶段、硬化阶段和完全固化阶段。8酚醛树脂的合成反应式，热固性和热塑性酚醛树脂的固化反应式？答。9. 试比较预混法和预浸法制备纤维模塑的优缺点。答。预混法制备纤维模塑优点：适合所有的热塑性树脂，简单高效。缺点：树脂粘度大，纤维浸渍不好（树脂粘度控制）。预浸法制备纤维模