红外光谱分析在船舶复合材料老化程度评估中的试题及答案

红外光谱分析在船舶复合材料老化程度评估中的试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分。每题只有一个正确答案，请将正确选项字母填入括号内）1.在船舶复合材料老化红外光谱评估中，最常用于识别环氧基体氧化程度的特征吸收峰位于（）。A.1730cm⁻¹B.1510cm⁻¹C.1250cm⁻¹D.830cm⁻¹2.采用ATRFTIR对玻璃纤维/环氧层合板进行老化测试时，为消除表面脱模剂干扰，应优先选择的晶体材料为（）。A.ZnSeB.GeC.SiD.KRS53.当碳纤维/乙烯基酯复合材料经90℃海水加速老化1000h后，其红外谱图中1240cm⁻¹与1140cm⁻¹峰面积比（A1240/A1140）显著增大，该变化主要对应（）。A.酯键水解B.醚键断裂C.羟基氧化D.羧酸二聚4.在红外光谱定量分析中，用于校正吸光度老化时间线性关系的基础公式为（）。A.A=εbcB.A=–logTC.A=k√tD.A=A₀e^(–kt)5.对船舶甲板复合材料进行户外自然老化3年后，发现1510cm⁻¹处芳环骨架振动峰强度下降12%，该现象最可能表明（）。A.芳胺固化剂光降解B.环氧环氧基开环C.纤维/基体界面脱粘D.吸水塑化6.在红外显微成像中，若空间分辨率为3μm，则理论上可识别的最小老化区域直径约为（）。A.1.5μmB.3μmC.6μmD.9μm7.采用PAS（光声光谱）法测试厚达5mm的船舶复合材料时，其信号主要来源于（）。A.表面50nmB.表面2μmC.表面–内部热扩散长度D.整体透射8.若利用红外光谱建立老化因子R=A3400/A2925，其中A3400为羟基伸缩振动吸收，A2925为亚甲基反对称伸缩吸收，则R值随老化时间延长而（）。A.线性减小B.指数减小C.线性增大D.先增后减9.在船舶复合材料红外数据库建设中，为提高检索匹配度，通常需对谱图进行（）预处理。A.基线校正+矢量归一化B.仅平滑C.仅差减D.仅导数10.当采用红外光谱主成分分析（PCA）评估不同海域老化样本时，第一主成分贡献率≥85%，说明（）。A.老化机制单一B.光谱噪声过大C.样本数不足D.基线漂移严重二、多项选择题（每题3分，共15分。每题有两个或两个以上正确答案，请将所有正确选项字母填入括号内，漏选、错选均不得分）11.下列吸收峰中，可用于追踪船舶环氧复合材料湿热老化后化学变化的包括（）。A.3300–3600cm⁻¹B.1730cm⁻¹C.1510cm⁻¹D.915cm⁻¹E.1040cm⁻¹12.在红外光谱测试中，为降低水蒸气旋转振动干扰，可采取的措施有（）。A.吹扫干燥空气B.提高分辨率至0.1cm⁻¹C.实时扣除背景D.采用密封样品腔E.升温至200℃13.关于红外光谱结合化学计量学预测复合材料剩余弯曲强度，下列说法正确的有（）。A.PLS模型潜变量数越多，预测误差一定越小B.需将光谱与强度数据标准化C.需独立验证集D.可用RPD值评价模型稳健性E.光谱范围必须包含4000–400cm⁻¹全区间14.船舶复合材料经紫外盐雾循环老化后，其表面红外谱图可能出现（）。A.羧酸二聚体宽峰～3300cm⁻¹B.碳酸酯峰1810cm⁻¹C.脂肪胺弯曲1640cm⁻¹D.羰基分裂为1720/1735cm⁻¹双峰E.SiOSi桥接峰1100cm⁻¹15.在红外光谱机器学习建模中，可用于降低过拟合风险的方法有（）。A.L1正则化B.DropoutC.增加训练epoch至最大值D.早停策略E.数据增强三、填空题（每空1分，共20分）16.船舶环氧复合材料在加速老化中，环氧基团特征峰位于________cm⁻¹，其面积随老化时间呈________级动力学衰减。17.采用GeATR测试时，其折射率为________，临界角约为________°，若样品折射率大于________则无法获得有效谱图。18.在红外光谱差谱技术中，以未老化样本为参考，老化样本与之差谱后出现负峰，表明该官能团浓度________，定量公式为ΔA=________。19.当利用红外成像研究海水紫外耦合老化时，若羰基峰1728cm⁻¹的积分面积在50μm×50μm像素内服从________分布，则可采用________检验判断老化均匀性。20.根据朗伯比尔定律，若羟基峰摩尔吸光系数ε=45L·mol⁻¹·cm⁻¹，光程b=0.02cm，测得吸光度A=0.30，则羟基浓度为________mol·L⁻¹；若材料密度为1.2g·cm⁻³，则羟基质量分数为________（保留三位有效数字）。21.在船舶复合材料红外数据库中，采用________算法可将未知老化谱图与库谱进行相似度匹配，相似度阈值通常设为________以上视为同一老化等级。22.对于厚样本，采用________红外附件可获得深度剖析信息，其调制频率f与热扩散长度μ关系为μ=________，其中α为热扩散率。23.当红外光谱结合偏最小二乘（PLS）预测剩余压缩强度时，模型交叉验证相关系数Q²≥________且RPD≥________方可认为模型可用。24.在红外光谱图中，若观察到________cm⁻¹处出现尖锐双峰，且伴有877cm⁻¹和712cm⁻¹吸收，则表明复合材料表面有________盐析出，其来源于海水中的________离子与基体降解产物反应。25.船舶复合材料经5年实船暴露后，其表面红外谱图出现________cm⁻¹新峰，对应芳族磺酸盐结构，说明________固化剂发生了________反应。四、简答题（每题8分，共24分）26.简述采用红外光谱评估船舶复合材料老化程度时，为何需同时追踪羰基区（1700–1750cm⁻¹）与羟基区（3200–3600cm⁻¹）的变化，并说明两区域吸收峰的归属及互补性。27.某船厂采用环氧/碳纤维复合材料舵叶，在红海高盐高温环境使用2年后出现表面微裂纹。试述如何利用红外显微成像主成分分析（PCA）快速定位老化最严重区域，并给出实验步骤与数据解析要点。28.说明在红外光谱机器学习框架中，如何通过特征选择（如SPA、GA）减少光谱变量，从而提高船舶复合材料老化寿命预测模型的稳健性，并列举两种评价指标。五、综合应用题（共41分）29.（计算题，12分）某船舶舱壁采用玻璃纤维/环氧层合板，密度1.8g·cm⁻³，厚度10mm。实验室加速老化实验得到如下数据：老化时间t(h):0,200,400,600,800羰基峰面积A1720(a.u.):0.50,1.20,2.00,2.90,3.80羟基峰面积A3400(a.u.):1.00,2.20,3.60,5.10,6.80已知剩余弯曲强度σ与老化因子R=A3400/A2925满足线性关系：σ=–120R+380(MPa)，其中A2925=2.00a.u.（恒定）。（1）计算各老化时间点的R值；（3分）（2）建立A1720与t的二级动力学方程，并求速率常数k；（4分）（3）预测t=1000h时的剩余弯曲强度；（2分）（4）若实船环境老化速率是实验室的1/5，求对应实船老化时间。（3分）30.（分析题，14分）某远洋货轮救生艇复合材料壳体采用乙烯基酯/玻纤，服役8年后取样。红外谱图显示：a)1728cm⁻¹处出现明显肩峰，半高宽由18cm⁻¹增至32cm⁻¹；b)1640cm⁻¹处出现弱峰；c)1045cm⁻¹与1175cm⁻¹峰强度比由1.2降至0.7；d)3400cm⁻¹区出现宽化且可分解为3420cm⁻¹与3230cm⁻¹两个高斯峰。试结合乙烯基酯化学结构，分析上述变化对应的降解机制，写出关键反应式，并判断该壳体是否适合继续服役3年，需给出量化判据。31.（设计题，15分）请设计一套基于便携式FTIR的船舶复合材料现场老化评估方案，要求：（1）给出仪器参数（分辨率、扫描次数、检测器类型、附件选择）；（3分）（2）制定采样策略（部位、数量、环境记录、对照样）；（3分）（3）建立快速分级模型：以A1720/A1510为老化指数I，划分I≤0.5、0.5<I≤1.0、I>1.0三级，分别对应“轻微、中等、严重”，并说明标定方法；（4分）（4）列出现场操作安全注意事项及数据质量控制措施；（3分）（5）给出报告模板（含光谱图、分级结果、建议措施）。（2分）六、答案与评分标准一、单项选择题1.A2.B3.A4.A5.A6.B7.C8.C9.A10.A二、多项选择题11.ABDE12.ACD13.BCD14.ADE15.ABDE三、填空题16.915，一17.4.0，14，4.018.减少，A_sample–A_reference19.正态，卡方20.0.333，0.50%21.相关系数法或欧氏距离法，0.9522.光声，√（α/πf）23.0.9，2.524.1415–1450，碳酸钙，Ca²⁺25.1040与1120，芳胺，磺化四、简答题（答案要点）26.羰基区吸收源于氧化生成醛、酮、羧酸，羟基区源于过氧化物、醇、酸及吸水；两区域同时增长表明氧化与水解协同，羰基定量灵敏，羟基易与氢键关联，互补可区分氧化/水解主导机制。27.步骤：切片→金相抛光→GeATR成像→4000–900cm⁻¹→PCA→得分图找异常点→载荷图确认1720/1510贡献→定位最严重50μm区域→SEM验证。要点：空间分辨3μm，吹扫干燥，得分图PC1<–2区域为严重老化。28.SPA通过投影选最小共线变量，GA用适应度函数筛选最优波长组合；减少变量可降低噪声、共线，提高稳健性；评价指标：预测均方根误差RMSEP、相关系数R²。五、综合应用题29.（1）R值：0.50,1.10,1.80,2.55,3.40（2）二级动力学：1/Avst线性，斜率k=0.104cm·mg⁻¹·h⁻¹（3）t=1000h，A1720=4.63，R=4.15，σ=–120×4.15+380=–118MPa（已失效）（4）实船时间=1000×5=5000h≈0.57年30.肩峰宽化表明生成多种羰基（酯、羧酸、醛）；1640cm⁻¹为C=C或酰胺；1045/1175下降表明酯键断裂；3420/3230为氢键羟基。反应：酯水解→羧酸+醇，C=C氧化→酮。以I=A1720/A1510=1.35>1.0判为严重，剩余强度<60%，不宜继续服役。31.方案：