高分子基复合材料2012复习题

1、1. 复合材料的定义、特点、组成、各部分的作用复合材料的定义：由两种或两种以上不同性能的材料组元通过宏观或微观复合形成的一种新材料，组元间存在明显界面。复合材料的特点：1.各组元保持各自的固有特性2.组分间的协同作用赋予单一材料所不具备的特殊性能，与简单混合有本质的区别（性能上）3.具有可设计性：复合时综合考虑原材料选择、组分的分布设计、工艺条件选择复合材料由基体和增强体两个相组成增强相：一般具有很高的力学性能（强度、弹性模量），及特殊的功能性。增强体性能优越，会使材料的性能显著改善和增强。其主要作用是承受载荷或显示功能。基体相：保持材料的基本特性，如硬度、耐磨、耐热性等。主要作用是将增强相固

2、结成一个整体，起传递和均衡应力的作用。2. 玻纤按含碱量可分为？含碱量对其制备工艺和玻纤性能有何影响？按含碱量（碱性氧化物含量）分12%，有碱玻纤（A玻纤）,6-12%，中碱玻纤, 2-6%，低碱玻纤2%，无碱玻纤（E玻纤）（含碱量越高，玻璃越易熔、易抽丝、产品成本越低，但玻纤强度低）3. 玻纤的性能特点？影响玻纤强度的因素？(直径、老化、化学组成)(1).力学性能 抗拉强度：比块玻璃高一个数量级；直径d, 强度；长度，强度。 弹性模量：与铝相当，为钢的1/3倍。因密度低（2.5），比模量高。 断裂延伸率：低（3% ）(2).热学性能 导热系数：比块玻璃低12个数量级 耐热性：普通N

3、a-Ca-Si玻纤 < 500;耐热玻纤(石英，高硅氧) <1200(3).  电性能碱玻璃电绝缘性差，随温度、湿度，绝缘性。无碱玻璃电绝缘性好。(4). 耐蚀性纤维比表面积大，化学稳定性差。加入网络形成体可改善耐蚀性。 无碱玻璃耐水性好。 中碱玻璃耐酸性好。 无碱和中碱玻纤耐碱性相近。影响玻璃纤维强度的因素 i）直径越细，强度越高 ii）存放时间越长，强度越低（老化现象），原因是玻纤表面的微裂纹易吸附各种气体、水蒸气、易发生表面反应。老化程度取决于玻纤对大气中水分等的稳定性 iii）耐磨性差，怕打折4. 常用的玻纤类增强材料都有哪些？无捻粗砂，无捻粗砂方格布，

4、短切原丝毡，连续原丝毡，其他制品。5. （1）玻纤制品用作增强材料时，为什么要做表面处理？处理的目的和意义是什么？处理原因：玻纤表面光滑，不利于与基体相粘结；比表面积大，易吸水影响稳定性；较脆、不耐磨，纤维之间摩擦系数大，不利于纺织。处理的目的：1.使玻纤与基体形成良好的界面粘结2.利于纺织（集束、润滑、除静电）处理的意义：i）是提高玻璃钢性能的重要途径之一ii）改善了玻纤及其织物的性能，增强了玻纤与基体的界面粘结iii）改善了玻纤的界面状态（防止水分子及其它有害物质侵入、减少或消除界面弱点）（2）玻纤的表面处理分为哪两类？单丝表面处理，纤维及其织物的表面处理（3）以硅烷偶联剂为例说明表面处理

5、剂的作用机理。1) 分子间脱水，形成在玻纤表面形成copolymer薄膜层，保护玻纤表面；2) 与玻纤表面作用，形成使偶联剂与玻纤表面牢固结合，在玻纤表面形成有机硅单分子层、多分子层；3) 此外还有物理吸附引起的沉淀层；iiii) R与树脂作用机理R不同，与之反应的树脂基体的活性基团不同，如R为CH2=CH的硅烷偶联剂对UP和丙烯酸树脂有效6. 碳纤维的生产工艺中要经历哪两个重要阶段？试从碳纤维结构在生产过程中的变化说明碳纤维与石墨纤维的不同。碳化法 生产长纤维碳化:10002000，保护性气氛下，有机化合物在惰性气氛中加热到1000-1500°C时，非碳原子（氮、氢、氧等）将逐步被

6、驱除，碳含量逐步增加，随着非碳原子的排除，固相间发生一系列脱氢、环化、交链和缩聚等化学反应，此阶段称为碳化过程，形成由小的乱层石墨晶体组成的碳纤维。（2）石墨化： 20003000，非碳原子进一步排除，芳环平面逐步增加，排列也较规则，取向度显著提高,并由二维乱层石墨结构向三维有序结构（三维石墨结构）转化，形成聚合碳结晶，并平行于轴向，此阶段称为石墨化过程。形成的石墨纤维弹性模量大大提高。密度、强度也增高，热膨胀系数下降。但温度过高强度反而下降。碳纤维和石墨纤维的强度和模量差别很大，原因是结构不同。碳纤维是由小的乱层石墨晶体所组成的多晶体，含碳量若为7595%。石墨纤维的结构与石墨相似，含碳量可

7、达9899%，杂质相当少。7. 碳纤维的特点是什么？碳纤维用作增强材料时为什么要做表面处理？表面处理的目的什么？1.怕打折、急转弯2.价高3.目前制造方面发展趋势：向大集束方向发展以降低成本，每束可达32万根4.表面惰性，与树脂粘结差处理原因：CF是沿轴向择优取向的同质多晶，与树脂粘结差，表面呈惰性，树脂难以润湿，具有自润滑性。处理目的：增加表面粗糙度、增加表面活性基团、提高复合材料的层间剪切强度8. PBO纤维和超高分子量PE纤维的突出性能特点各是什么？PBO具有突出的耐热性,高强、高模、耐高温、阻燃等优异特性。超高分子量PE纤维突出性能是耐磨性（在聚合物中最高）、耐冲击性，优异的介电性能、

8、耐化学性能9. UHMW-PE纤维制备采用什么技术？制备工艺中的两个关键技术是什么？为什么？凝胶纺丝-超倍拉伸技术1. 凝胶溶液制备控制适当浓度，以维持一定量的缠结大分子存在溶液过稀：分子链间缠结几乎不存在，拉伸时分子链间易滑移溶液过浓：分子链内及链间缠结太多，流动性差，存在不稳定流动，难以高倍拉伸。2. 超倍拉伸技术使晶区的折叠链逐渐伸展成伸直链,非晶区的大分子逐渐被拉直要提高纤维的强度和模量，必须提高拉伸倍数10. UHMW-PE表面处理的原因、目的、方法原因：i）非极性、表面能低、表面光滑、难以浸润 ii）无化学基团、难以与树脂间化学键合表面处理目的：表面引入反应性基团表面处理方法： i

9、) 低温等离子体处理：有效改善纤维表面能、引入极性基团、表面刻蚀 ii）表面沉积聚合物：如用丙烯酰胺等离子体处理UHMW-PE，既能在纤维表面形成聚丙烯酰胺聚合物涂层，又同时生成大量的低聚物、亚胺、氰、羰基、酰胺基、氰基、醚等官能团。iii）火焰处理 iv) 电晕处理11. 碳化硅纤维、硼纤维的制备方法。陶瓷纤维的制备常用先驱体法，什么是先驱体法？SiC纤维的生产采用化学气相沉积法和先驱体热解法B纤维实际上是采用CVD法在 W丝表面沉积了一层纯度很高的B层。先驱体法：12. 什么是不饱和聚酯树脂？不饱和聚酯树脂的特点？举出2种最常使用的不饱和聚酯树脂。试分析不饱和聚酯的性能与聚合所用单体的类型

10、和比例的关系。不饱和聚酯树脂是不饱和聚酯在乙烯类交联单体（如：St）中的溶液。由不饱和的二元酸（酐）+饱和二元酸（酐）+二元醇 低聚物（线型）（称为不饱和聚酯树脂）最常用的不饱和聚酯树脂：乙烯基树脂，烯丙基树脂。性能取决于单体类型和比例。饱和二元酸/不饱和二元酸比例越大，双键比例越小，树脂韧性越强，耐热性越差；反丁烯二酸（酐）中的反式双键使不饱和聚酯树脂有较快的固化速率和固化温度，聚酯分子链的排列也较规整；间苯二酸可使树脂固化后有较强的力学强度、坚韧性、耐热性、耐腐蚀性；用对苯二甲酸制备的不饱和聚酯的拉伸强度高；用脂肪族二元酸制备的不饱和聚酯的韧性好；用1,2-丙二醇制备的不饱和聚酯，树脂固化

11、后具有较高的硬度，用于制备刚性聚酯；用乙二醇制备的不饱和聚酯树脂有强烈的结晶倾向。用多元醇制备的不饱和聚酯树脂，可提高树脂的耐热性与硬度。13. 不饱和聚酯树脂所用固化剂为？固化反应的机理为？固化剂：乙烯基类单体（St、乙烯基甲苯、二乙烯基苯等）反应机理：自由基共聚合反应机理：链引发、链增长、链终止链引发从过氧化物引发剂分解形成游离基到这种游离基加到不饱和基团上的过程。链增长单体不断地加合到新产生的游离基上的过程。与链引发相比，链增长所需的活化能要低得多。链终止两个游离基结合，终止了增长着的聚合链。14. 不饱和聚酯树脂的固化过程分为哪三个阶段？在制备半成品的模塑料时，浸渍的树脂应处于哪个阶段

12、？凝胶阶段：树脂从液态到失去流动性成为半固体凝胶定型阶段：从凝胶到具有一定的硬度和固定的形状（还未完全固化）熟化阶段：从定型阶段到表观上已经变硬并具有一定力学性能，经过后处理后即具有稳定的化学与物理性能可供使用。应处于凝胶前阶段15. 什么是乙烯基树脂？乙烯基树脂的特点？若以反丁烯二酸代替乙烯基树脂中的甲基丙烯酸，可以改善树脂的何项性能？乙烯基树脂结构特点：1) 乙烯基端基活性高，既能使分子间均聚，也能与交联单体共聚2) 甲基可屏蔽酯基，提高耐化学性能和耐水解性能3) 仲羟基有利于与玻纤表面粘结4) 耐水解性能比UP好（单位分子量的酯基含量比UP少）5) 环氧骨架赋予树脂韧性、耐酸性、耐腐蚀性

13、、热机械性能乙烯基树脂性能特点：1）综合了EP和UP的优点，固化后的树脂性能类似EP2）双键位于端部，固化时不受空间障碍影响，既可自聚固化，也可与交联单体共聚固化。工艺性能和固化性能优于EP3）耐腐蚀性能优良：耐酸性超过胺固化EP，耐碱性超过酸固化EP以及UP4）良好韧性及对玻纤的浸润性提高树脂的固化性能和热变形温度以柔性的己二酸代替甲基丙烯酸，制备柔性树脂；酸酐改性：引入羧基，提高树脂的增稠特性；异氰酸酯改性：提高耐热性和对玻纤的浸润性；橡胶改性：改善韧性16. 什么是环氧树脂？环氧树脂主要有哪几大类？最常用的为哪类？什么是环氧值？环氧值与环氧当量间如何换算？环氧树脂是指分子中含有两个或两个

14、以上环氧基团的化合物，化学性质活泼，可与多种固化剂反应。缩水甘油醚类（最常用的）环氧氯丙烷与酚类反应；缩水甘油酯类环氧氯丙烷与醇类（有机羧酸）反应；缩水甘油胺类环氧氯丙烷与胺类反应；脂环族环氧树脂脂环族烯烃的双键经环氧化制得线型脂肪族类分子中仅有脂肪链和环氧基环氧值：100g树脂中所含环氧基的摩尔数。其大小对树脂固化和性能有很大影响。工业上用环氧值表示树脂型号。环氧当量=100×1/环氧值17. 环氧树脂的特点？其典型特点是什么？针对这一典型特点，目前的改性方法有哪些？1.性能多样化，适应性强。2.固化方便。固化温度5oC-180oC.3.粘附力强。分子结构中存在极性羟基和醚键。4.

15、固化收缩率低。固化时无小分子放出。5.力学性能优异。6.介电性能优异。7.耐化学性能优异。耐酸碱、耐溶剂。8.尺寸稳定性好。9耐霉菌。(2)典型特点：EP固化物的抗冲击性能和耐热冲击性能差。(3)改性方法：需增韧：1）非活性增韧剂2）活性增韧剂：a) 低分子量聚酰胺b) 低分子量液态聚硫橡胶c) 韧性环氧树脂d) 环氧化聚丁二烯树脂e) 端羧基丁氰胶f) 丙烯酸树脂g）热塑性树脂18. 按固化反应的性质，环氧树脂用固化剂可分为哪两大类？各举一例。反应型固化剂，多元伯胺。催化型固化剂，叔胺。19. 胺类和酸酐类环氧树脂用固化剂的特点？1）胺类环氧树脂：i）树脂固化活性极高，用脂肪胺固化时甚至会发

16、生碳化；ii）固化物有优良的热稳定性和化学稳定性；iii）制得的复合材料有耐烧蚀性能和耐辐射性能；v）也可用作胶黏剂和高性能涂料。（2）与胺类固化剂相比，酸酐固化剂：i）固化后，树脂的色泽浅，力学及电性能优良，热稳定性高。ii）树脂-酸酐混合物粘度低、适用期长、低挥发性、低毒性。iii）固化收缩率及放热效应低。v）固化温度较高、固化时间较长。20. 何为A、B、C阶酚醛？何为凝胶速度？何为固化速度？（1）A阶酚醛：可熔、可溶（凝胶前）,（2） B阶酚醛：半溶（凝胶化）（3）C阶酚醛：不溶、不熔的体型结构（4）凝胶速度：由A阶转化为B阶的速度（5）固化速度：由B阶转化为C阶的速度21. 酚醛树脂

17、为什么要改性？试举例说明改性的目的和思路。改性缘由：（1）热固性树脂性脆；（2）酚羟基易吸水，制品的耐潮湿性差，致使其介电性能、机械性能下降；（3） 酚羟基易热及紫外氧化；（4）与树脂的粘结性能不高改性目的：提高韧性、改善与增强材料的粘结性能、提高耐潮湿性能、耐温性能改性思路：封锁酚羟基；引入第三组分22. 列举几种聚合物基复合材料用高性能树脂，并简要说明其性能特点。聚酰亚胺（ PI）树脂性能特点:突出的热稳定性（长期使用温度250oC）和氧化性能；优异的耐辐射性和介电性能；聚苯并咪唑（ PBI）树脂性能特点：（1）优异的热稳定性，Tg=430oC，在270-300oC长期使用，在350-38

18、0oC仍非常稳定，在400-700oC短期使用。（2）拉伸强度420MPa，弯曲强度780MPa，压缩强度560MPa23. 列举5种以上热固性树脂复合材料的成型方法。采用热固性树脂成型时，生产前为何要先做凝胶实验？手糊成型（简单手糊成型、喷射成型、袋压成型）、模压成型、层压成型、缠绕成型、拉挤成型、玻璃钢波纹板连续成型一般希望：树脂在糊完玻璃钢后一段时间内凝胶。若过短：施工中发粘，难浸透玻璃布，造成粘结不良。若过长：施工完后长时间不能凝胶，引起树脂流失，交联剂挥发，固化不完全。24. 手糊成型的特点？手糊成型可分为接触成型和低压成型。喷射成型和低压成型分别在简单手糊成型的基础上做了哪些改进？

19、这些改进对制品性能有何影响？手糊成型特点：（1）操作简便（2）投资少、费用低、能生产大型和复杂制品、制品可设计性好；（3）属劳动密集型、成型效率低；制品质量受操作者技术水平限制；生产周期长，产品强度较其它方法低。喷射成型半机械化手糊用喷枪将玻纤和树脂同时均匀喷到模具上，经小辊压实后，固化成玻璃钢制品。采用三个喷枪：（1 ）树脂+引发剂（2）树脂+固化剂（3 ）玻纤对制品性能的影响：1）利用粗纱代替玻璃布，降低成本（2）生产效率比手糊法高3-4倍 （3）制品无搭缝，整体性好（4）减少了飞边，裁屑，胶乳剩余损耗低压成型：<1>与手糊成型工艺的区别仅在于加压固化这道工序。<2>

20、;可提高制品的密实度和层间粘接强度。袋压成型：在手糊成型的制品上，装上橡胶袋或PE、PVA袋，并加压到未固化的制品表面而使之成型。一般采用加热固化，使成型周期缩短。对制品性能的影响：制品两面平滑，质量高，成型周期短，适合聚酯、环氧、酚醛树脂25. 模压成型的特点？什么是SMC和BMC？模压成型的特点：生产效率高、适合大批量生产；制品尺寸精确、表面光洁、有两个精致表面；价廉；易实现机械化和自动化；一次成型，无需二次加工。但模具设计、制造复杂；初次投资大，制品尺寸受限制。 SMC（片状膜塑料模压法）:SMC是短纤维或毡片充分浸渍树脂糊后，两面覆盖PE膜形成的片状半成品模塑料。BMC(块状膜塑料模压

21、法):BMC是短切玻纤浸渍加增稠剂的树脂（也可是热塑性的）后形成的一种半成品料。多为聚酯模塑料。26. 什么是模压料的启用期和存放期？启用期：3-7天，制备后不可即用，存放几天后挥发减少，质量均匀性提高。存放期：存放期是指模压料可以存放的日期，即有效期，与气候有关27. 模压成型工艺中，为何存在一个加压时机问题？加压的目的是粘结、密实、排气加压时机是指装模后在一定时间一定温度下适宜的操作。加压过早：树脂本身反应程度低，分子量小粘度低，压力下易流失，在制品中产生局部树脂聚集或局部纤维裸露。加压过缓：树脂反应程度高，分子量剧增，粘度大，物料难以充满模腔。28. 缠绕成型制品的形状和性能各有何特点？

22、制品的几何形状有局限性，适用于制造圆柱体、球体、正曲率回转体制品，负曲率回转体制品难以缠绕。缠绕成型制品比强度高，可超过Ti合金，制品质量高而稳定，制品各向异性，强度方向性明显，层间剪切强度低。29. 缠绕成型时，为什么要遵循一定的缠绕规律？缠绕成型工艺要求连续纤维和芯膜相对运动，在芯模上绕制各种花纹，类似于在车床上车螺纹。如果任意地将纤维缠到芯模上，这很容易，但这样的制品有的地方厚，有的地方薄，有的地方架空。我们的目的是按照制品的受力要求缠绕出所需的制品。所以，把纤维按一定的规律均匀地缠绕在芯模上，称为缠绕规律缠绕规律可以为制品结构设计提供重要依据； 保证缠绕过程中纤维位置稳定，不打滑，是制

23、品质量均匀性的重要条件； 为缠绕机的设计提供重要参数。30. 为保证和提高制品质量，缠绕成型工艺中通常采用哪些措施？（1）张力逐层递减制度: 由于缠绕张力的作用，使后缠绕上的一层纤维会对先绕上的纤维发生压缩变形造成内松外紧，纤维不能同时受力，影响制品强度和疲劳性能。采用逐层递减张力制度： 各层都具有相同的初应力和紧张程度，受压时同时受力; 纤维强度发挥好，制品质量高（2）分层固化措施：内衬上缠上一空厚度的缠绕层后，固化，打磨，再缠绕，再固化，打磨（3）真空固化：（1）低分子物挥发较完全，制品密室，强度提高10%左右 (2)要求固化剂在真空条件下挥发性小31. 拉挤成型制品的力学性能有何特点？为

24、克服其力学性能缺陷，对增强材料可做哪些改进？制品的横向强度低改进：确保增强材料适合拉挤成型工艺要求，通常采用以下措施：（1）广泛采用连续纤维原纱毡与通用型无捻粗纱的组合。（2）为改善制品的横向性能，开发了两种无捻粗纱。吹纺型，旋纺型(3) 为拉挤成型专门编制的织物：单向纤维编织物，双向纤维编织物32. 拉挤成型工艺中，为何要采用增效固化？(a ) 模具的瞬时温度随物料在模具内的运动而变化; (b) 树脂的放热反应是热源;(c) 模具热容和固化时间影响固化; (d) 拉挤制品各向异性导致横向、纵向的热传导不同这四方面原因致使材料横截面存在复杂温度梯度，纵向也有梯度，所以单纯采用热传导加热，难实现

25、制品的均匀固化，尤其对于厚制品，由于固化时的加热和收缩，内部易开裂。进模前用高频发生器预热，使整个受热截面的温度均匀提高，促进基体的均匀固化。高频加热与热传导加热结合使用，可实现厚制品的拉挤成型，又可提高拉挤速度。33. 热塑性基体复合材料的拉挤成型工艺与热固性基体复合材料拉挤成型工艺的主要区别为？热塑性基体复合材料的拉挤成型工艺与热固性基体的区别在于浸渍工艺和模具。浸渍工艺：流态化床，热塑性基体粉料在空气或静电场的作用下于浸渍槽中悬浮，连续纤维从粉料中通过浸渍粉料，加热装置将粉料熔化并粘结到纤维上。模具系统：加热模具，长3m，模具入口到模具2/3长度上有13°的锥度；冷却模具，长1.5m34. 简述拉挤成型工艺的新进展。拉挤成型不仅是一门技术，也是一门科学， 可以采用有限元法和计算机建模等方法分析：模具内物料的纵横向温度分布情况、树脂粘度、内压力的变化情况。 用DSC分析树脂及填料不同配比的固化特性和工艺参数等。以指导制品设计、选择原材料体系、设计模具及