高等建材复习题1.doc

“高等建筑材料”复习题1. 理解Fe-Fe3C合金相图；不同含碳量情况下析晶的过程及组织。2. 缺陷对晶体材料强度影响；钢材的几种强化手段并各举1例。晶体缺陷:类型有点、线、面。通常工业上应用的多晶体材料通过增加缺陷数目都可以提高材料的机械性能。比如加入合金元素形成固溶体可以产生固溶强化，提高强度，这主要是增加了点缺陷造成的；金属经过冷加工变形也可以提高强度，这是通过增加线缺陷-位错数目来实现的；金属通过细化晶粒提高强度的原因：增加了面缺陷：晶界的数目。3. 为什么晶体材料为各向异性，而实际工程中建筑钢材却无此表现？因为单晶体中的原子排列位向是完全一致的，因此其性能是各向异性的。 而多晶体内部是由许多位向不同的晶粒组成，各晶粒自身的各向异性彼此抵消，故显示出各向同性。4. 试计算体心立方、面心立方以及密排六方晶胞的密积系数，并证明密排六方的理想轴比c/a为。取密排六方中间层某原子，为保证密排，其投影位于底面三个原子三角形的中心，该投影距离底面某原子的距离为d1=a/（3(1/2)）,而由于该中间层原子距离底面原子距离为d2=2a,故c=2*（d2*d2-d1*d1）(1/2)=1.6335. 均质生核时，试证明，。讨论时（即半球形微粒）的异质生核，证明这时的是均质生核时的一半。6. 石膏制品具有质轻、隔热隔声、调湿、防火、装饰等优良性能，试简要说明石膏制品具有这些性能的原因。答：石膏密度：2.62.75g/cm3，孔隙率大：50%60%，所以质轻。装饰性和加工性好：石膏制品不仅表面光滑，且质地细腻，颜色洁白，装饰性好；此外，硬化石膏可锯、可刨，具有良好的可加工性。抗火性好：建筑石膏硬化后的主要成分为CaSO42H2O，遇火时，其中的结晶水脱出能吸收热量，而且生成的无水石膏是良好的热绝缘体。硬化后的建筑石膏中存在大量的微孔，故其保温性、吸声性好。建筑石膏制品还具有较高的热容量和一定的吸湿性，故可调节室内的温度和湿度，改变室内的小气候。7. 玻璃的无规网络学说和晶子学说的主要内容；晶体和玻璃体概念；玻璃的共同特性。答：无规则网络学说：认为玻璃的结构中包含许多小的结构单位，（如SiO2玻璃中由中心硅原子与四角的个氧原子通过共价键结合而成的硅氧四面体结构）这些小结构单位之间可以彼此键合形成链状或在其它金属离子的键合作用下形成三维网状结构。晶子学说：认为玻璃由无数“晶子”组成，带有点阵变形的有序排列区域，这些晶子分散在无定形介质中，晶子区到无定形区无明显界限。1、 晶体以其内部原子、离子、分子在空间作三维周期性的规则排列为其最基本的结构特征。玻璃是一种无规则结构的非晶态固体，其原子不像晶体那样在空间具有长程有序的排列，而近似于液体那样具有短程有序。2、 玻璃的原子排列是无规则的，其原子在空间中具有统计上的均匀性。在理想状态下，均质玻璃的物理、化学性质（如折射率、硬度、弹性模量、热膨胀系数、导热率、电导率等）在各方向都是相同的。2、 晶体是各向异性的均匀物体。生长良好的晶体，外观上往往呈现某种对称性。在不同方向上的物理和化学性质是不一样的。例如：石墨的电导率，当我们沿晶体不同方向测其电导率时，得到方向不同而石墨的电导率数值也不同的结果。3、 玻璃由固体转变为液体是一定温度区域（即软化温度范围）内进行的，没有固定的熔点。晶体具有固定的熔点。当加热晶体到某一特定的温度时，晶体开始熔化，且在熔化过程中保持温度不变，直至晶体全部熔化后，温度才又开始上升。4、 玻璃态物质一般是由熔融体快速冷却而得到，从熔融态向玻璃态转变时，冷却过程中黏度急剧增大，质点来不及做有规则排列而形成晶体，没有释出结晶潜热，因此，玻璃态物质比结晶态物质含有较高的内能，其能量介于熔融态和结晶态之间，属于亚稳状态。5、 玻璃态物质从熔融态到固体状态的过程是渐变的，其物理、化学性质的变化也是连续的和渐变的。这与熔体的结晶过程明显不同，结晶过程必然出现新相，在结晶温度点附近，许多性质会发生突变。玻璃的特性：没有固定的熔点：当对玻璃加热时，只有一个从玻璃态转变至软化的连续变化的温度范围；各向同性：由于结构上的特点，玻璃在力学、光学、热学等中表现各向同性；内能高：与晶体相比，玻璃具有较高的内能，在一定条件下可以自动析出晶体；没有晶界：与陶瓷等到多晶材料或孪晶等晶体不同，玻璃中不存在晶粒或晶界；无固定形态：可按制作要求改变其形态；性能可设计性：通过调整成分及提纯、掺杂、表面处理及微晶化等技术改变强度、耐温等性能。8. 普通陶瓷烧结过程中的物理化学变化；微晶玻璃的特点及制备方法。答：烧结过程中，伴随着显微结构的改变，晶粒长大和晶界形成，粉末颗粒聚集成 为晶粒结合体，材料致密度增大，吸附气体和孔隙减少，颗粒间的结合力增强，从而得到所需物理和机械性能的烧结体。微晶玻璃（glass-ceramic）又称玻璃陶瓷，是将特定组成的基础玻璃，在加热过程中通过控制晶化而制得的一类含有大量微晶相及玻璃相的多晶固体材料。玻璃是一种非晶态固体，从热力学观点看，它是一种亚稳态，较之晶态具有较高的内能，在一定的条件下，可转变为结晶态。从动力学观点看，玻璃熔体在冷却过程中，黏度的快速增加抑制了晶核的形成和长大，使其难以转变为晶态。微晶玻璃就是人们充分利用玻璃在热力学上的有利条件而获得的新材料。微晶玻璃既不同于陶瓷，也不同于玻璃。微晶玻璃与陶瓷的不同之处是：玻璃微晶化过程中的晶相是从单一均匀玻璃相或已产生相分离的区域，通过成核和晶体生长而产生的致密材料；而陶瓷材料中的晶相，除了通过固相反应出现的重结晶或新晶相以外，大部分是在制备陶瓷时通过组分直接引入的。微晶玻璃与玻璃的不同之处在于微晶玻璃是微晶体（尺寸为0.10.5m）和残余玻璃组成的复相材料；而玻璃则是非晶态或无定形体。另外微晶玻璃可以是透明的或呈各种花纹和颜色的非透明体，而玻璃一般是各种颜色、透光率各异的透明体。尽管微晶玻璃的结构、性能及生产方法与玻璃和陶瓷都有一定的区别，但是微晶玻璃既有玻璃的基本性能，又具有陶瓷的多相特征，集中了玻璃和陶瓷的特点，成为一类独特的新型材料。微晶玻璃具有很多优异的性能，其性能指标往往优于同类玻璃和陶瓷。如热膨胀系数可在很大范围内调整（甚至可以制得零膨胀甚至是负膨胀的微晶玻璃）；机械强度高；硬度大，耐磨性能好；具有良好的化学稳定性和热稳定性，能适应恶劣的使用环境；软化温度高，即使在高温环境下也能保持较高的机械强度；电绝缘性能优良，介电损耗小、介电常数稳定；与相同力学性能的金属材料相比，其密度小但质地致密，不透水、不透气等。并且微晶玻璃还可以通过组成的设计来获取特殊的光学、电学、磁学、热学和生物等功能，从而可作为各种技术材料、结构材料或其他特殊材料而获得广泛的应用。微晶玻璃的性能主要决定于微晶相的种类、晶粒尺寸和数量、残余玻璃相的性质和数量。以上诸因素，又取决于原始玻璃的组成及热处理制度。热处理制度不但决定微晶体的尺寸和数量，而且在某些系统中导致主晶相的变化，从而使材料性能发生显著变化。另外，晶核剂的使用是否适当，对玻璃的微晶化也起着关键作用。微晶玻璃的原始组成不同，其主晶相的种类不同，如硅灰石、-石英、-锂辉石、氟金云母、尖晶石等。因此通过调整基础玻璃成分和工艺制度，就可以制得各种符合性能要求的微晶玻璃。 9. 名词：热固性和热塑性塑料；线型高分子和体型高分子；均聚物和共聚物；取向态和液晶态；构型和构象；时温等效原理；答：第一次加热时可以软化流动，加热到一定温度，产生化学反应一交链固化而变硬，这种变化是不可逆的，此后，再次加热时，已不能再变软流动了。正是借助这种特性进行成型加工，利用第一次加热时的塑化流动，在压力下充满型腔，进而固化成为确定形状和尺寸的制品。这种材料称为热固性塑料。热塑性塑料是一类应用最广的塑料，以热塑性树脂主要成分，并添加各种助剂而配制成塑料。在一定的温度条件下，塑料能软化或熔融成任意形状，冷却后形状不变；这种状态可多次反复而始终具有可塑性，且这种反复只是一种物理变化，称这种塑料为热塑性塑料。由一种单体聚合而成的聚合物称为均聚物。共聚物又称为共聚体。由两种或两种以上不同单体经聚合反应而得的聚合物。如丁苯橡胶是丁二烯和苯乙烯的共聚物。根据各种单体在共聚物分子链中排列方式，可分为无规共聚物、交替共聚物、嵌段共聚物和接枝共聚物。许多重复单元以共价键连接而成的线形结构高分子化合物。线型高分子不含分支。 由单体分子中的某些部分转变成的高分子链上的短侧链,不属于分支。例如,线型聚苯乙烯虽然有许多苯基侧链，但仍属于线型高分子。合成线型高分子用的单体，其官能度等于2,即每个单体分子在聚合反应（如烯类加成聚合或缩合聚合）时，能形成两个共价键，与其他分子相连接，因而只能生成线型高分子。线型高分子加热可以熔融，在适当溶剂中可以溶解。许多重复单元以共价键连接而成的网状结构高分子化合物。这种网状结构，一般都是立体的，所以这种高分子既称为体型高分子，又称网状高分子。单体的平均官能度大于2,即其每个分子能与两个以上的分子或官能团以共价键连接时，聚合（见聚合反应）后生成体型高分子。取向态：聚合物中的分子链或链段或微晶的某一晶轴或晶面，朝着某一方向或平行 于某一平面占优势的排列，即取向，这种聚合物就处于取向态。取向又可分为单轴取向和双轴取向，单轴取向是一维有序的过程，而双轴取向是二 维有序的过程。液晶态：物质在熔融状态或在溶液状态下虽然获得了液态物质的流动性，但在材料 内部仍然保留有分子排列的一维或二维有序，在物理性质上表现出各向异性。这种 兼有晶体和液体部分性质的状态称为液晶态。液晶可根据以下不同条件来进行分类。根据形成条件液晶根据分子排列方式根据液晶原的位置根据液晶晶原的刚性结构热致型液晶主链型近晶型侧链型筷型碟型碗型胆甾型向列型溶致型液晶近晶型 向列型 胆甾型结晶：热的饱和溶液冷却后，溶质以晶体的形式析出，这一过程叫结晶。构型(configuration)是指具有一定构造的分子中原子或基团的固有空间排列,其构型的改变必须依靠共价键的断裂和生成。 构象(conformation)是描述分子结构特征最为丰富的概念。广义的构象是指分子中原子或基团在三维空间的取向和定位,狭义的构象是指具有相同构造和构型分子中原子或基团在空间的取向和定位。构型和构象区别和联系：联系：构象和构型都是表示分子中原子或原子团在空间的排列。区别：1.构象异构体之间可以通过单键的旋转或扭曲而相互转变，而构型异构体之间在化学键不发生断裂的情况下是不能互相转变的。2.一般情况下，不能把构象异构体分离开来，而可通过适当方法对构型异构体进行分离（顺式与反式）或拆分（R-型与S-型）。时温等效原理（1）要使高分子链段产生足够大的活动性才能表现出高弹态形变，需要一定的松弛时间；要使整个高分子链能够移动而表现出粘性流动，也需要一定的松弛时间。（2）当温度升高时，所以同一个力学行为在较高温度下，在较短时间内看到；同一力学行为也可以在较低温度，较长时间内看到。所以升高温度等效于延长观察时间。对于交变力的情况下，降低频率等效于延长观察时间。（3）借助于转换因子可以将在某一温度下测定的力学数据，变成另一温度下的力学数据，这就是时温等效原理。（4）实用意义通过不同温度下可以试验测得的力学性质进行比较或换算，得到有些高聚物实际上无法实测的结果。10. 理解工程高聚物的玻璃态、高弹态和粘流态，结合高分子材料的结构加以说明。答：若对某一非晶态聚合物试样施加一恒定外力，观察试样在等速升温过程中发生的形变与温度的关系，便得到该聚合物试样的温度-形变曲线（或称热-机械曲线）。非晶态聚合物典型的热-机械曲线如下图，存在两个斜率突变区，这两个突变区把热-机械曲线分为三个区域，分别对应于三种不同的力学状态，三种状态的性能与分子运动特征各有不同。在区域I，温度低，链段运动被冻结，只有侧基、链节、链长、键角等的局部运动，因此聚合物在外力作用下的形变小，具有虎克弹性行为：形变在瞬间完成，当外力除去后，形变又立即恢复，表现为质硬而脆，这种力学状态与无机玻璃相似，称为玻璃态。随着温度的升高，链段运动逐渐“解冻”，形变逐渐增大，当温度升高到某一程度时，链段运动得以充分发展，形变发生突变，进入区域II，这时即使在较小的外力作用下，也能迅速产生很大的形变，并且当外力除去后，形变又可逐渐恢复。这种受力能产生很大的形变，除去外力后能恢复原状的性能称高弹性，相应的力学状态称高弹态。由玻璃态向高弹态发生突变的区域叫玻璃化转变区，玻璃态开始向高弹态转变的温度称为玻璃化转变温度（glass temperature)，以Tg表示。当温度升到足够高时，在外力作用下，由于链段运动剧烈，导致整个分子链质量中心发生相对位移，聚合物完全变为粘性流体，其形变不可逆，这种力学状称为粘流态。高弹态开始向粘流态转变的温度称为粘流温度，以Tf表示，其间的形变突变区域称为粘弹态转变区。分子量越大，Tf越高。交联聚合物由于分子链间有化学键连接，不能发生相对位移，不出现粘流态。玻璃态、高弹态和粘流态称为聚合物的力学三态。聚合物力学三态的分子运动单元各不相同：玻璃态：温度低，链段的运动处于冻结，只有侧基、链节、链长、键角等局部运动，形变小；高弹态：链段运动充分发展，形变大，可恢复；粘流态：链段运动剧烈，导致分子链发生相对位移，形变不可逆。11. 理解工程高聚物的粘弹性和高弹性，有哪些力学松弛现象，高弹性与普弹性的区别。答：高聚物的形变与时间有关，这种关系介于理想弹性体和理想粘性体之间，也就是说，应变和应变速率同时与应力有关，因此高分子材料常称为粘弹性材料。力学松弛高聚物的力学性能随时间的变化统称力学松弛。最基本的有：蠕变、应力松弛、滞后和力学损耗。1 普弹形变高分子材料受到外力作用时，分子链内部键长和键角立刻发生变化，形变量很小，外力除去后，普弹形变立刻完全恢复，与时间无关。 示意图：（2）高弹形变是分子链通过链段运动逐渐伸展的过程，形变量比普弹形变大得多，形变与时间成指数关系，外力除去高弹形变逐渐恢复。示意图：（3）粘性流动分子间无交联的线形高聚物，则会产生分子间的相对滑移，它与时间成线性关系，外力除去后，粘性形变不能恢复，是不可逆形变。 应力、本体粘度示意图：高聚物受到外力作用时，三种形变是一起发生的，材料总形变为：12. 聚合物的柔顺性及其影响因素。答：高分子链能够通过内旋转作用改变其构象的性能称为高分子链的柔顺性。 高分子链能形成的构象数越多，柔顺性越大。由于分子内旋转是导致分子链柔顺性的根本原因，而高分子链的内旋转又主要受其分子结构的制约，因而分子链的柔顺性与其分子结构密切相关。分子结构对柔顺性的影响主要表现在以下几方面：（1）主链结构当主链中含C-O，C-N，Si-O-Si键时，柔顺性好。（2）侧基侧基的极性越大，极性基团数目越多，相互作用越强，单键内旋转越困难，分子链柔顺性越差。如：非极性侧基的体积越大，内旋转位阻越大，柔顺性越差；如： 对称性侧基，可使主链分子链间的距离增大，相互作用减弱，柔顺性大。侧基对称性越高，分子链柔顺性越好。如：（3）氢键如果高分子链的分子内或分子间可以形成氢键，氢键的影响比极性更显著，可大大增加分子链的刚性。如聚酰胺类，分子链间可以形成氢键，排列规整度增大，甚至可以结晶。在晶区，高分子链的构象是无法改变的。纤维素分子中形成氢键，妨碍了分子链的内旋转，使链比较刚硬。蛋白质分子为螺旋形构象，螺圈之间以氢键相连，所以刚性更强。（4）链的长短如果分子链较短，内旋转产生的构象数小，刚性大。如果分子链较长，主链所含的单键数目多，因此内旋转而产生的构象数目多，柔顺性好。小分子有机化合物没有柔顺性就是例子。但链长超过一定值后，分子链的构象服从统计规律，链长对柔顺性的影响不大。 13. 试述钢纤维水泥石的界面微观结构及其改性措施；影响FRC（fiber reinforced cementitious materials）力学性能的主要因素在纤维增强水泥基复合材料中，纤维的主要作用在于阻止微裂缝的扩展，具体表现在提高复合材料的抗拉、抗裂、抗渗及抗冲击、抗冻性等。在水泥基复合材料（FRC）受力过程中纤维与基体共同受力变形，纤维的牵连作用使基体裂而不断并能进一步承受载荷，可使水泥基材的抗拉强度得到充分保证；当所用纤维的力学性能、几何