2025年大学《应用化学》专业题库- 新型聚合物复合材料的合成与应用

2025年大学《应用化学》专业题库——新型聚合物复合材料的合成与应用考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每题2分，共20分。请将正确选项字母填在题干后的括号内）1.下列哪种聚合物结构通常使其具有热塑性？（）A.具有强支化和交联的网络结构B.线性或支链结构，分子间作用力相对较弱C.只含有单一立构规整性的线性结构D.含有大量极性官能团的交联结构2.在聚合物复合材料中，通常通过增大填料与基体之间的界面结合强度来提高复合材料的（）。A.环境稳定性B.透气性C.力学性能D.介电常数3.熔融共混制备聚合物复合材料时，通常需要使用（）来改善相容性。A.增塑剂B.分子量调节剂C.相容剂或增容剂D.稳定剂4.下列哪种技术可以在聚合物基体聚合的同时，使增强体原位生成或均匀分散？（）A.熔融共混B.溶液浇铸法C.原位聚合法D.静电纺丝法5.用于表征复合材料热稳定性的重要测试方法是（）。A.拉伸试验B.硬度测试C.热重分析（TGA）D.扫描电子显微镜（SEM）观察6.静电纺丝技术主要适用于制备（）。A.大块连续纤维增强复合材料B.纳米级纤维或纳米纤维增强复合材料C.粒状填料分散的复合材料D.多层复合结构材料7.在汽车轻量化应用中，碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料之所以受欢迎，主要是因为其（）。A.良好的耐腐蚀性B.优异的比强度和比模量C.适中的成本D.易于回收再利用8.下列哪种复合材料属于生物基复合材料？（）A.聚丙烯/玻璃纤维复合材料B.聚乳酸（PLA）/木纤维复合材料C.聚氯乙烯/碳酸钙复合材料D.腈纶/涤纶混纺纤维增强复合材料9.提高聚合物复合材料导电性的主要途径是（）。A.增加填料的体积分数B.使用导电填料（如碳黑、石墨、金属粉末）并优化其分散C.降低基体的玻璃化转变温度D.增大复合材料的孔隙率10.智能复合材料是指能够对外界刺激（如温度、光、电、磁、应力等）做出（）响应的复合材料。A.永久变形B.恢复原状C.可逆的物理或化学变化D.不可逆的化学分解二、填空题（每空2分，共20分。请将答案填在题干横线上）1.聚合物复合材料通常由________和________两大组分组成。2.影响聚合物复合材料力学性能的关键因素包括基体性质、增强体性质、__________以及复合工艺。3.在聚合物基体中引入纳米填料，通常能显著改善复合材料的________、导电性或抗菌性等性能。4.通过改变聚合物大分子链的规整性，可以显著影响其________和________性能。5.原位聚合法中，增强体（或填料）通常以________、溶液或分散液的形式预先存在于基体前驱体中。6.X射线衍射（XRD）主要用于分析材料的________结构和物相组成。7.在电子封装领域，常使用具有高导热性和低热膨胀系数的________复合材料。8.自修复复合材料是指能够在受到损伤后，通过自身机制自动或在外界辅助下恢复其________的复合材料。9.为了提高聚合物基体的耐热性，常通过________或________的方法进行改性。10.选择合适的复合材料时，需要综合考虑其性能要求、制备成本、__________以及环境影响等因素。三、简答题（每题5分，共20分）1.简述聚合物基体在复合材料中的作用。2.简述表面改性对增强体在复合材料中性能的影响。3.简述熔融共混法制备聚合物复合材料时，需要考虑的主要工艺参数及其对复合材料性能的影响。4.简述“绿色复合材料”的含义及其重要性。四、论述题（每题10分，共30分）1.论述纳米复合材料的结构特点对其性能产生的影响，并举例说明至少两种不同类型的纳米复合材料及其主要应用。2.比较原位聚合法与熔融共混法在制备聚合物复合材料方面的主要区别，并分析各自的优势和适用场景。3.选择一种你感兴趣的新型聚合物复合材料（如导电复合材料、形状记忆复合材料、自修复复合材料等），阐述其基本原理、关键制备技术、主要性能特点及应用前景。五、设计/方案题（10分）假设需要为航空航天领域设计一种用于制造结构件的聚合物基复合材料，要求其具有高强度、高模量、低密度和良好的耐高温性能。请简述你选择的基体材料和增强体材料，并说明理由，同时提出一种主要的复合制备方案。试卷答案一、选择题1.B解析思路：热塑性聚合物的分子链为线性或支链结构，分子间作用力较弱，受热时软化或熔融，冷却后固化，可以反复加工。A选项强支化和交联形成热固性或三维网络结构。C选项单一立构规整性影响结晶度和性能，但不决定热塑性。D选项交联形成热固性。2.C解析思路：复合材料的力学性能很大程度上取决于基体和增强体之间的界面。良好的界面结合能够有效地传递载荷，从而显著提高复合材料的强度、模量等力学性能。A选项环境稳定性主要与化学性质有关。B选项透气性主要与孔结构和材料厚度有关。D选项介电常数属于电学性能。3.C解析思路：聚合物复合材料中，基体和增强体往往属于不同的聚合物体系，界面存在化学相容性和物理结构上的不匹配，容易形成界面相分离。使用相容剂或增容剂可以引入能与基体和增强体都发生化学反应的官能团，或改变界面能，从而改善两者之间的相互吸引力，提高相容性，促进分散。A选项增塑剂主要降低玻璃化转变温度，改善柔韧性。B选项分子量调节剂用于控制聚合物分子量大小。D选项稳定剂主要用于防止降解。4.C解析思路：原位聚合法是指在聚合物基体材料（通常是前驱体溶液或熔体）的聚合过程中，增强体（如纳米粒子、纤维等）直接在基体内部原位生成、分散或发生化学反应，从而形成复合材料。A选项熔融共混是将已形成的聚合物和增强体混合。B选项溶液浇铸法是将聚合物和填料溶解在溶剂中，然后浇铸成型，填料是预先分散在溶液中的。D选项静电纺丝是制备纤维的过程，通常是制备纤维增强复合材料的一种方法，而非在基体聚合时原位生成。5.C解析思路：热重分析（TGA）通过测量材料在程序控温下的质量损失，来评估材料在不同温度下的热稳定性和分解行为，是表征复合材料热稳定性的常用且重要方法。A选项拉伸试验主要评估力学性能。B选项硬度测试评估材料的抵抗局部变形的能力。D选项扫描电子显微镜（SEM）主要用于观察材料的表面形貌和微观结构。6.B解析思路：静电纺丝技术利用高压静电场使带电的聚合物溶液或熔体形成喷射流，在飞行过程中溶剂蒸发（溶液纺丝）或冷却（熔体纺丝），最终沉积形成纳米级甚至亚微米级的纤维。其核心优势在于能够制备出直径在纳米级别的超细纤维，这些纤维可以用于制备高性能纤维增强复合材料。A选项大块连续纤维通常指工业丝或传统纱线。C选项粒状填料分散主要依靠其他方法如共混。D选项多层复合结构涉及多层材料叠合。7.B解析思路：汽车轻量化是提高燃油经济性和减少排放的关键。碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料具有极高的比强度（强度/密度）和比模量（模量/密度），即在保证足够强度的同时，密度非常低，能够显著减轻汽车重量，同时保持或提高刚度。A选项耐腐蚀性是塑料的优点，但不是CFRP的主要优势。C选项成本相对较高。D选项回收再利用是环保问题，但不是其首要应用驱动因素。8.B解析思路：生物基复合材料是指其基体或增强体来源于生物质（可再生资源），如天然纤维素、木质素、淀粉、聚乳酸（PLA）等。木纤维复合材料是以天然木材或植物纤维为增强体，以合成或天然高分子为基体制成的复合材料，其原料木纤维来源于生物质。A选项聚丙烯和玻璃纤维均为石油基合成材料。C选项聚氯乙烯和碳酸钙均为石油基或矿物质基。D选项腈纶和涤纶均为石油基合成纤维。9.B解析思路：导电复合材料是指通过添加导电填料（如碳黑、石墨、金属粉末、碳纳米管等）来赋予聚合物基体导电能力的复合材料。其导电性主要取决于填料的种类、性质、体积分数以及填料颗粒间的导电通路是否有效形成。A选项增加填料体积分数有利于导电通路形成，但过量或分散不好反而可能降低导电性。C选项基体玻璃化转变温度影响导电通路在低温下的灵活性。D选项增大孔隙率通常会破坏连续的导电网络。10.C解析思路：智能复合材料（也称智能材料或响应性材料）的核心特征是能够感知外界环境的变化（刺激），并对外界刺激做出可逆的物理（如形状、尺寸、刚度、颜色、电学性质等）或化学响应。这种响应使得材料能够与外界环境相互作用，并可能执行特定的功能，如自修复、自适应结构、传感与驱动等。二、填空题1.基体，增强体解析思路：聚合物复合材料由连续相的基体和分散相的增强体组成，基体提供形态和承载载荷的基体，增强体提供主要的力学性能。2.界面结合强度解析思路：界面的性质，特别是界面结合强度，是决定载荷如何在基体和增强体之间有效传递的关键。良好的界面结合是发挥增强体性能的前提。3.界面改性解析思路：纳米填料的尺寸小、比表面积大，表面能高，容易团聚。对其进行表面改性（如硅烷化处理），可以改善其与聚合物基体的相容性，阻止团聚，从而更好地发挥其改性效果，如改善界面结合、增强力学性能、导电性等。4.力学，热学解析思路：聚合物大分子的规整性（如全同、间同立构）有利于形成规整的结晶结构。结晶度提高会增大分子链间作用力，从而显著提高材料的力学性能（强度、模量）。规整结构也往往导致熔点升高，影响玻璃化转变温度，因此也显著影响其热学性能。5.溶液，分散液解析思路：原位聚合法要求增强体在基体聚合前以能够参与聚合或稳定存在于聚合体系中的形式存在。对于液体基体，增强体通常以溶液或分散液的形式预先混合在前驱体中。对于熔体基体，增强体可能是粉末状的，但在加入熔体前需预先处理或分散。6.微观，原子解析思路：X射线具有穿透能力，当与物质相互作用时，会因原子或分子的电子云散射而改变方向。不同晶体结构对X射线的散射模式不同，通过分析散射图谱，可以确定材料的晶体结构类型、晶粒尺寸、物相组成等信息，主要反映物质在原子或微观尺度上的结构特征。7.硅质填料/陶瓷填料解析思路：电子封装材料需要在高温下保持稳定，并具有良好的散热能力。硅质填料（如二氧化硅）或陶瓷填料（如氮化硅、碳化硅）具有高熔点和良好的导热性，同时能提高聚合物的耐热性和尺寸稳定性。低热膨胀系数（CTE）对于防止封装器件因温度变化产生应力至关重要。8.力学性能/结构完整性解析思路：自修复复合材料的核心目标是恢复材料因损伤（如裂纹、断裂）造成的性能下降或结构破坏。其最终目的是恢复或维持材料的力学性能，如强度、刚度，或整体结构的完整性，使其能够继续正常工作。9.芳香族化，交联解析思路：提高聚合物耐热性的方法主要有两种：一是提高其玻璃化转变温度（Tg），二是提高其热分解温度。芳香族结构（如苯环）的引入可以增大分子链间作用力，阻碍链段运动，从而提高Tg。引入化学交联点可以形成三维网络结构，限制分子链的运动，提高热变形温度和热稳定性。10.使用寿命/服役环境解析思路：选择复合材料时，除了要满足性能要求（力学、热、电、化学等）和制备成本，还需要考虑材料在实际使用环境中的表现，即使用寿命。同时，服役环境（如温度、湿度、化学介质、机械载荷等）会严重影响材料的选择，必须确保所选材料能够在预期的服役环境中稳定可靠地工作。三、简答题1.答：聚合物基体在复合材料中主要起到以下几个作用：①将增强体分散并包裹起来，形成复合材料的基本结构骨架；②承受载荷中的一部分，并将载荷传递给增强体；③保护增强体免受环境因素（如水分、氧气、化学品）的侵蚀和破坏；④提供材料的整体形状和尺寸稳定性；⑤决定材料的基本物理性质（如密度、热性能、电性能等）。2.答：表面改性可以显著改善增强体在复合材料中的性能。①提高界面相容性：通过改变增强体表面化学组成或物理结构，使其与聚合物基体更“兼容”，减少界面能，促进界面结合，从而提高载荷传递效率，显著提升复合材料的力学性能（强度、模量）。②改善分散性：表面改性可以改变增强体颗粒表面的亲疏水性或电荷状态，抑制其团聚，促进在基体中的均匀分散。良好的分散性有利于形成连续的增强网络，充分发挥增强体作用。③提供特定功能：可以通过表面接枝特定官能团，赋予增强体表面特殊功能，如憎水性、抗菌性、生物相容性等，从而赋予复合材料相应的性能。3.答：熔融共混法制备聚合物复合材料时，需要考虑的主要工艺参数及其对性能的影响包括：①温度：熔融温度需高于基体和填料的熔点（或玻璃化转变温度），但应低于基体的热分解温度。温度影响混合效率、分散均匀性、分子链活动能力以及复合材料的最终性能。过高温度可能导致聚合物降解或填料烧蚀。②剪切速率/转速：高剪切速率/转速有利于填料的分散和破碎团聚体，提高混合均匀度，改善界面结合，从而提高复合材料的力学性能。但过高剪切可能引起聚合物分子链降解或填料破碎。③时间：混合时间需足够长，以确保填料在基体中达到良好的分散状态和分子级复合。时间过长可能导致聚合物降解或加工设备磨损。④添加量：填料添加量在一定范围内通常能提高复合材料的性能，但过量添加可能导致分散困难、团聚严重、基体相容性变差，反而使性能下降。⑤混合设备：不同的混合设备（如双螺杆挤出机、捏合机、密炼机）具有不同的混合方式和剪切力，适用于不同类型和含量的复合材料制备。4.答：“绿色复合材料”是指在其设计、制造、使用和废弃回收全过程都注重环境保护和资源节约的复合材料。它通常具有以下特点：①基体或增强体来源于可再生生物质资源，减少对不可再生石油资源的依赖。②制造过程能耗低、污染小，采用环境友好的工艺和添加剂。③材料本身具有优异的环境友好性，如生物降解性、可回收性、低毒性等。④在使用阶段具有良好的性能和寿命，减少资源消耗。⑤废弃后易于回收利用或安全处置，减少环境污染。绿色复合材料的重要性体现在：①响应全球可持续发展和环境保护的迫切需求。②节约宝贵的不可再生资源。③减少工业生产和生活废弃物的环境负荷。④满足市场对环保产品的日益增长的需求。⑤促进复合材料产业的可持续发展。四、论述题1.答：纳米复合材料的结构特点（如纳米填料的尺寸、形状、分散状态、界面结构等）对其性能产生着决定性的影响。①纳米填料的尺寸效应：当填料尺寸缩小到纳米级别（通常1-100nm）时，其表面原子所占比例急剧增大，表面能很高，表面原子具有高度的活性，这导致纳米填料往往具有与宏观颗粒不同的物理化学性质，如极高的比表面积、更强的界面作用能力等。在复合材料中，纳米填料的高比表面积提供了更多的界面接触点，有利于与基体形成更强的相互作用，从而显著增强复合材料的力学性能、热性能或阻隔性能。②纳米填料的分散效应：纳米填料极易团聚，形成较大的团簇。团簇的尺寸如果接近或大于纳米填料与基体的特征相互作用距离，其增强效果将大打折扣。只有当纳米填料能够均匀分散在基体中，形成纳米级分散结构时，才能充分发挥其高比表面积和界面作用的优势。③界面结构效应：纳米填料与基体之间的界面结合状态是影响复合材料性能的关键。良好的界面结合能够有效地将载荷从基体传递到高模量的纳米填料上，从而显著提高复合材料的模量和强度。界面的性质（如厚度、化学键合、应力分布）受填料表面改性、基体与填料的化学相容性等因素影响。纳米尺寸效应和分散效应共同决定了界面的性质。举例：①碳纳米管/聚合物纳米复合材料：碳纳米管（CNTs）具有极高的长径比和巨大的比表面积。将其分散在聚合物基体中，即使添加量不高，也能因CNTs的优异力学性能和巨大的界面接触面积，显著提高复合材料的拉伸模量、剪切模量和抗疲劳性能。②二氧化硅纳米粒子/聚合物纳米复合材料：二氧化硅（SiO2）纳米粒子表面通常进行硅烷化等改性，以改善其与聚合物基体的相容性。分散良好的SiO2纳米粒子可以显著提高聚合物的力学强度（尤其是韧性）、热稳定性、尺寸稳定性和阻隔性能。应用：碳纳米管复合材料用于高性能纤维、电子器件、储能器件等；二氧化硅纳米复合材料用于汽车零部件、包装材料、耐高温涂料等。2.答：原位聚合法与熔融共混法在制备聚合物复合材料方面存在主要区别：①基体/增强体状态：熔融共混法是将已经形成的聚合物基体和增强体（通常是粉末、纤维或填料）在熔融状态下混合均匀；原位聚合法是在聚合物基体材料（通常是前驱体单体、低聚物或溶液）的聚合过程中，同时加入或使增强体（如纳米粒子前驱体、纤维前驱体）在基体内部原位生成或参与反应。②增强体分散：在熔融共混中，增强体的分散主要依赖于混合设备的剪切力，对于纳米填料或长纤维，分散均匀性往往难以保证，容易发生团聚；在原位聚合法中，增强体前驱体（如纳米粒子前驱体）在聚合反应初期就均匀分散在前驱体体系中，随着聚合的进行，增强体物质在基体内部均匀析出或生成，更容易获得纳米级或分子级的分散。③界面结合：由于增强体是在基体聚合过程中原位生成或与其同时反应，增强体与基体之间能够形成非常均匀、紧密结合的界面，甚至可能形成化学键合，有利于充分发挥增强体的性能。而熔融共混中，界面结合主要依赖于物理吸附和范德华力，通过表面改性可以改善，但有时仍存在界面薄弱区。④适用范围：熔融共混法适用于大多数聚合物基体和增强体的组合，工艺相对成熟；原位聚合法特别适用于制备含有难分散填料（如纳米粒子）、难熔或难加工填料（如陶瓷颗粒、金属粉末）或需要特殊结构增强体（如原位生长的纤维）的复合材料。各自优势：熔融共混法工艺相对简单、快速、成本较低，适合大规模工业化生产；原位聚合法能够获得优异的分散性和界面结合，特别适合制备高性能、多功能复合材料，可以制备出结构更复杂、性能更优异的材料。适用场景：熔融