聚合物復(fù)合材料作業(yè)答案

1、 聚合物復(fù)合材料作業(yè)1、 試述玻璃纖維的制備過程。答：玻璃纖維的制備過程有兩種方法：一.玻璃球法：生產(chǎn)玻璃纖維的過程是將硅砂、石英石、硼酸和其它成分（粘土，氟石等）干混后，經(jīng)高溫爐熔融，熔化后的玻璃液直接通過漏板形成了玻璃纖維。二.直接熔融法：直接熔融法是將玻璃配合料投入熔窯熔化后直接拉制成各種支數(shù)的連續(xù)玻璃纖維。2、 玻璃纖維與塊狀玻璃性能為何不同？答：塊狀玻璃一般認(rèn)為質(zhì)硬易碎物體，并不適于作為結(jié)構(gòu)用材，但將其抽成絲后成玻璃纖維后，則其強(qiáng)度大為增加且具有柔軟性，故配合樹脂賦予形狀以后終于可以成為優(yōu)良之結(jié)構(gòu)用材。玻璃纖維隨其直徑變小其強(qiáng)度增高，它具有不燃、耐高溫、電絕緣、拉伸強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性

2、等優(yōu)良性能。3、 玻璃纖維浸潤劑的作用是什么？答：玻璃纖維浸潤劑的作用有五點(diǎn)：（一）潤滑-保護(hù)作用：在拉絲過程中，浸潤劑中的“濕潤滑組分”使玻璃纖維原絲與涂油器（單絲涂油器、帶式涂油器或半輪式涂油器）、集束槽及排線器之間保持一定的潤滑作用，避免二者間摩擦系數(shù)過大而引起原絲張力過大，造成飛絲、絲束打毛及原絲筒粘并退解困難等。（二）粘結(jié)-集束作用：粘結(jié)組分可使玻纖單絲粘結(jié)成一根玻纖原絲，使原絲保持其完整性，避免應(yīng)力集中于一根或數(shù)根單絲上，以減少散絲及斷絲，便于無捻粗紗的退解及玻纖紗的紡織加工。（三）防止玻璃纖維表面靜電荷的積累：浸潤劑中抗靜電劑可降低玻璃纖維表面電阻并形成導(dǎo)電通道，此種作用對smc

3、、噴射、石膏等用無捻粗紗、短切氈、連續(xù)原絲氈用玻纖原絲特別重要。（四）為玻璃纖維提供進(jìn)一步加工和應(yīng)用所需要的特性：這些特性包括短切性、成帶性、分散性等，特別是纖維在熱固性或熱塑性樹脂，以及橡膠，石膏、水泥等基材中被迅速浸潤的性能。（五）使玻璃纖維獲得與基材有良好的相容性及界面化學(xué)結(jié)合或化學(xué)吸附等性能。4、 PAN法制備碳纖維過程中，預(yù)氧化、碳化、石黑化過程的作用分別是什么？答：預(yù)氧化的作用：防止原絲在炭化時(shí)熔融，通過氧化反應(yīng)使得纖維分子中含有羥基、羰基，這樣可以在分子間和分子內(nèi)形成氫鍵，從而提高纖維的熱穩(wěn)定性。炭化作用：有機(jī)化合物在惰性氣氛中加熱到1000-2000 C時(shí)，非碳原子（氮、氫、氧

4、等）將被逐步被驅(qū)除，碳含量逐步增加，固相間發(fā)生一系列脫氫、環(huán)化、交鏈和縮聚等化學(xué)反應(yīng)，此階段稱為脫碳過程，形成由小的亂層石墨晶體組成的碳纖維。石墨化的作用： 當(dāng)溫度升到2000 -3000C時(shí)，使非碳原子進(jìn)一步排除，芳環(huán)平面逐步增加，排列也較規(guī)則，取向度顯著提高，由二維亂層石墨結(jié)構(gòu)向三維有序結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，大大提高了石墨纖維彈性模量。5、 試分析碳纖維結(jié)構(gòu)及其對性能的影響。答：材料的性能主要決定于材料的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)有兩方面的含義，一是化學(xué)結(jié)構(gòu)，二是物理結(jié)構(gòu)。碳纖維的物理結(jié)構(gòu)（層狀平面環(huán)）：碳纖維的結(jié)構(gòu)決定于原絲結(jié)構(gòu)與碳化工藝。對有機(jī)纖維進(jìn)行預(yù)氧化、碳化等工藝處理的目的是，除去有機(jī)纖維中碳以外的元素，形

5、成聚合多環(huán)芳香族平面結(jié)構(gòu)。在碳纖維形成的過程中，隨著原絲的不同，重量損失可達(dá)10-80，因此形成了各種微小的缺陷。但是，無論用哪種原料，高模量碳纖維中的碳分子平面總是沿纖維軸平行地取向。碳纖維的化學(xué)性能（不耐氧化）：碳纖維的化學(xué)性能與碳很相似。它除能被強(qiáng)氧化劑氧化外，對一般酸堿是惰性的。在空氣中，當(dāng)溫度高于400 時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)明顯的氧化，生成CO和CO2。在不接觸空氣或氧化氣氛時(shí)，碳纖維具有突出的耐熱性。當(dāng)碳纖維在高于1500 時(shí)，強(qiáng)度才開始下降；而其它類型材料包括A12O3晶須在內(nèi)，在此溫度下，其性能已大大下降。另外，碳纖維還有良好的耐低溫性能，如在液氮溫度下也不脆化。它還有耐油、抗放射、抗

6、輻射、吸收有毒氣體和減速中子等特性。6、 試述凱芙拉纖維的生產(chǎn)過程。答：凱芙拉纖維（Kevlar）的生產(chǎn)過程為：使對苯二胺與對苯二酰氯在低溫下進(jìn)行溶液縮聚反應(yīng)生成對苯二甲酰對苯二酰的聚合體（PPTA）。方法是將對苯二胺溶于溶劑中，邊攪拌邊加入等摩爾比的對苯二甲酰氯，反應(yīng)溫度為20。將聚芳胺聚合體溶解在濃硫酸中，在溫度（51-100）下從噴絲頭擠出纖維，穿過一小段空氣層，落入冷水，洗滌后繞在筒管上干燥。干燥后的纖維為Kevlar29。在氯氣保護(hù)下經(jīng)550熱處理得到Kevlar49纖維。7、 凱芙拉纖維生產(chǎn)過程中，溶液紡絲應(yīng)考慮的因素有哪些？答：溶液紡絲應(yīng)考慮的因素有：紡絲時(shí)要確立合適的紡絲濃度和

7、溫度范圍。當(dāng)PPTA濃度超過一定值后溶液體系才能形成均勻的各項(xiàng)異性液晶態(tài)溶液。此時(shí)體系中PPTA的濃度雖高但黏度低，但當(dāng)液晶達(dá)到最大濃度時(shí)，濃度再增加，溶液的黏度反而開始回升。溫度對PPTA溶液也有很大影響。當(dāng)溫度達(dá)到80左右，PPTA溶液轉(zhuǎn)變成向列型液晶，具有向列態(tài)結(jié)構(gòu)的液晶分子在流動(dòng)過程中易相互穿越，呈取向狀態(tài)，緊密排列，且黏度比各相同性溶液低。若進(jìn)一步提高溫度達(dá)到140左右，各向異性態(tài)有轉(zhuǎn)變?yōu)楦飨蛲詰B(tài)，因此溶液紡一般不宜超過80100。8、 試比較玻璃纖維、碳纖維、凱芙拉纖維的主要優(yōu)缺點(diǎn)。答：玻璃纖維：具有原料易得、拉伸強(qiáng)度高、斷裂伸長低、彈性模量高、防火、防霉、耐熱、耐腐蝕和尺寸穩(wěn)定

8、性好的優(yōu)點(diǎn)，是一種常用的性能優(yōu)良的增強(qiáng)材料。玻璃纖維最主要的缺點(diǎn)是脆性大和不耐磨。碳纖維：高強(qiáng)度、高模量；熱膨脹系數(shù)低、尺寸穩(wěn)定；耐疲勞、耐高溫、耐腐蝕；阻尼特性好；比較優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱特性。但韌性差、不耐氧化、價(jià)格昂貴。凱芙拉纖維：具有高強(qiáng)度、高模量、密度低、任性好的特點(diǎn)。因此它的比強(qiáng)度和比模量很高，超過玻璃纖維、碳纖維。9、 試分析基體在復(fù)合材料中的作用。答：基體在復(fù)合材料中的作用為：在復(fù)合材料中，基體材料通過與增強(qiáng)材料界面間的粘接成為一個(gè)整體，并以剪切力的形式向增強(qiáng)材料傳遞載荷，保護(hù)增強(qiáng)材料免受外界環(huán)境的作用和物理損傷。同時(shí)基體還像隔膜一樣，使增加材料彼此分開。這樣，對于纖維增加復(fù)合材料

9、來說，即使是個(gè)別纖維斷裂，裂紋也不會(huì)迅速的從一根纖維擴(kuò)展到其他纖維。另外，復(fù)合材料的拉伸性能、壓縮性能、剪切性能、耐熱性能、耐腐蝕性能都與基體材料有密切的關(guān)系。10、 在選用復(fù)合材料樹脂基體時(shí)，應(yīng)考慮的因素有哪些？答：考慮的因素有：1基體材料自身的性能，力學(xué)性能、耐熱性能、耐腐蝕性能等滿足產(chǎn)品的使用要求。2對增強(qiáng)材料有良好的浸潤性與粘附力。3.具有良好的工藝性能：容易操作，膠液具有足夠長的適用期、預(yù)浸料具有足夠長的貯藏期、固化收縮小等。4.低毒性、低刺激性。保證生產(chǎn)工人的安全。5.來源方便、價(jià)格合理。11、 環(huán)氧樹脂質(zhì)量指標(biāo)有哪些？如何測定？答：環(huán)氧樹脂質(zhì)量指標(biāo)有：環(huán)氧值和環(huán)氧當(dāng)值。測定方法：

10、環(huán)氧值是指每100g樹脂中所含環(huán)氧基的克當(dāng)量數(shù)。環(huán)氧當(dāng)量：含1g當(dāng)量環(huán)氧基的環(huán)氧樹脂克數(shù)。12、 環(huán)氧樹脂特點(diǎn)有哪些？答：環(huán)氧樹脂特點(diǎn)有：1.工藝性好。室溫操作、固化劑種類多，適用期、粘度、與固化時(shí)間均可在很大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。2.韌性好。固化后的韌性約為酚醛樹脂的 7 倍.。3.良好的粘合性。-OH, - C-O-C-使EP可形成H鍵等。4.收縮性小。固化時(shí)無其它產(chǎn)物，一般 < 2 %。5.化學(xué)穩(wěn)定性好。苯環(huán)與脂肪羥基不受堿的侵蝕，耐酸。13、 簡述樹脂固化過程。答：樹脂固化過程為：黏流態(tài)樹脂體系發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)而轉(zhuǎn)變成不溶不熔的具有體型網(wǎng)絡(luò)的固態(tài)樹脂的全過程稱為樹脂的固化。不飽和聚酯樹脂的固化

11、過程可以分為三個(gè)階段：凝膠階段、硬化階段和完全固化階段。14、 不飽和聚酯樹脂固化方式有哪些？各有什么特點(diǎn)？答：不飽和聚酯樹脂固化方式有：交聯(lián)劑固化、引發(fā)劑固化和促進(jìn)劑固化。交聯(lián)劑固化特點(diǎn)：不飽和聚酯樹脂中的不飽和雙鍵，在交聯(lián)劑或熱的作用下發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，成為具有不溶不熔體型結(jié)構(gòu)的固化產(chǎn)物。引發(fā)劑固化：1可以有效地控制反應(yīng)速度。2最終固化可趨于完全，固化后樹脂性能穩(wěn)定。3在配以適當(dāng)?shù)拇龠M(jìn)劑后，可以滿足各種固化工藝的要求。促進(jìn)劑固化特點(diǎn)：單用引發(fā)劑時(shí)其固化效果不佳，通常同時(shí)加入促進(jìn)劑，使引發(fā)劑的分解溫度降至室溫。多種引發(fā)劑并用能引發(fā)協(xié)同效應(yīng)。配膠時(shí)，引發(fā)劑和促進(jìn)劑不允許直接混合，以免引起爆炸。 1

12、5、 為了加快不飽和聚酯樹脂固化，可采取什么方法？答：16、 酚醛樹脂固化方式及影響因素有哪些答：酚醛樹脂固化方式有：一.酚醛樹脂固化可以在酸性條件下固化。二.酚醛樹脂也可以在較低溫度或室溫下固化，但需在樹脂中加入合適的無機(jī)酸或有機(jī)酸，工業(yè)上稱為酸類固化劑。三熱固性PF常溫固化時(shí)，常用的酸類固化劑有：鹽酸、磷酸、對甲苯磺酸、苯酚磺酸或其它的磺酸。四.熱塑性PF加入的固化劑：聚甲醛、六次甲基四胺。影響因素有：制備樹脂時(shí)酚與醛的比列和體系合適的官能度。固化時(shí)的加熱溫度一般為145175，熱固性樹脂在PH=3-5的范圍內(nèi)非常穩(wěn)定。17、 試述顆粒增強(qiáng)熱塑性塑料粒料的制造工藝。答：此題找不到答案。18

13、、 試比較長纖維增強(qiáng)和短纖維增強(qiáng)粒料的優(yōu)缺點(diǎn)。答：長纖維粒料增強(qiáng)與短纖維增強(qiáng)強(qiáng)粒料的主要區(qū)別，也就是優(yōu)點(diǎn)在于采用長纖維增強(qiáng)粒料的填充產(chǎn)品中纖維長度很長，一般為2-3mm，甚至可以達(dá)到10mm以上，則與短纖維增強(qiáng)粒料填充的產(chǎn)品的0.5mm左右的纖維長度有了顯著的提高。而且長纖維增強(qiáng)粒料長度較長，而且長纖維長度分布更好，可以提高制品的力學(xué)性能，特別是沖擊強(qiáng)度提高顯著。獨(dú)有的無取向的纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使材料高低溫度條件下及高低溫高頻交變的環(huán)境中的高力學(xué)性能保持性；優(yōu)異的抗沖擊性能， 高模量、高強(qiáng)度、低翹曲、與金屬相近的熱膨脹系數(shù)；各向同性，低收縮率，低蠕變，高尺寸穩(wěn)定性；優(yōu)異的耐磨和耐疲勞性；優(yōu)異的耐化學(xué)

14、性；優(yōu)異的表面光潔度。優(yōu)異的成型加工性能：高流動(dòng)，易脫模，對螺桿傷害低 19、 試比較預(yù)混法和預(yù)浸法制備纖維模塑的優(yōu)缺點(diǎn)。答：預(yù)混法制備纖維模塑優(yōu)點(diǎn)：適合所有的熱塑性樹脂，簡單高效。缺點(diǎn)：樹脂粘度大，纖維浸漬不好（樹脂粘度控制）。預(yù)浸法制備纖維模塑優(yōu)點(diǎn)：纖維易被樹脂浸透，便于制造薄厚兩型預(yù)浸料，設(shè)備造價(jià)較低。缺點(diǎn)：需要去除并回收溶劑，樹脂體積含量不易控制。20、 復(fù)合材料預(yù)浸料的主要質(zhì)量指標(biāo)有哪些？如何控制？答：預(yù)浸料的質(zhì)量指標(biāo)有：外觀、物理性能和成型工藝性能指標(biāo)。應(yīng)該這樣控制：（1）要求外觀纖維應(yīng)相互平行，依次密排，不允許有明顯的交叉和松散；所以樹脂分布均勻并完全潤濕纖維；沒有外來雜物和已固

15、化樹脂顆粒及絲頭、絲團(tuán)等物。(2)物理性能主要是預(yù)浸料單位面積質(zhì)量AP，纖維單位面積質(zhì)量Af和含膠量R。所以要求三者之的關(guān)系：預(yù)浸料的單位面積質(zhì)量和厚度可以通過選擇和控制纖維單位面積質(zhì)量Af和含膠量R來調(diào)節(jié)。如纖維均勻且制備預(yù)浸料的工藝過程穩(wěn)定，控制嚴(yán)格，則纖維單位面積質(zhì)量Af的偏差能控制在±3，含膠量的偏差也可控制在±3范圍。(3)成型工藝性：1)預(yù)浸料的黏度和鋪覆性黏度直接影響后續(xù)的鋪層操作。2)預(yù)浸料的凝膠時(shí)間是確定固化加壓時(shí)機(jī)的依據(jù)，對制品質(zhì)量影響很大。3)預(yù)浸料樹脂的流出量在成型固化過程中有部分多余的樹脂從復(fù)合材料中流出。4)預(yù)浸料的揮發(fā)分含量少量揮發(fā)分有助于成型

16、時(shí)樹脂的流動(dòng)，但揮發(fā)分過多會(huì)增加制品中的孔隙率，還會(huì)降低制品性能，尤其是層間剪切性能。21、 如何選擇復(fù)合材料成型方法？答：選擇選擇復(fù)合材料成型方法:：一根據(jù)材料的形成與制品的形成是同時(shí)完成的。復(fù)合材料的生產(chǎn)過程也就是復(fù)合材料制品的生產(chǎn)過程。材料的性能必須根據(jù)制品的使用要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此在造反材料、設(shè)計(jì)配比、確定纖維鋪層和成型方法時(shí)，都必須滿足制品的物化性能、結(jié)構(gòu)形狀和外觀質(zhì)量要求等。二要求復(fù)合材料的成型比較方便。一般熱固性復(fù)合材料的樹脂基體，成型前是流動(dòng)液體，增強(qiáng)材料是柔軟纖維或織物，故用這些材料生產(chǎn)復(fù)合材料制品，所需工序及設(shè)備要比其它 材料簡單的多，對于某些制品僅需一套模具便能生產(chǎn)。22、

17、 試述手糊成型過程、特點(diǎn)、應(yīng)用。答：成型過程：手糊成型是用于制備熱固性樹脂復(fù)合材料的一種最原始、最簡單的成型工藝。用手工將增強(qiáng)材料的紗或氈鋪放在模具中，通過澆、刷或噴的方法加上樹脂；紗或氈也可在鋪放前用樹脂浸漬，用橡皮輥或涂刷的方法趕出其中的空氣。如此反復(fù)，直到所需厚度。固化通常在常溫、常壓下進(jìn)行，也可適當(dāng)加熱，或常溫時(shí)加入催化劑或促進(jìn)劑以加快固。特點(diǎn)：用濕態(tài)樹脂成型，設(shè)備簡單，費(fèi)用少，一次能糊10m以上的整體產(chǎn)品。缺點(diǎn)是機(jī)械化程度低，生產(chǎn)周期長，質(zhì)量不穩(wěn)定。應(yīng)用：中國有30%以上的FRP產(chǎn)品是手糊法生產(chǎn)的，其他有模壓法、纏繞法、層壓法等23、 試述噴射成型過程、特點(diǎn)、應(yīng)用。答：過程：這是一種

18、半機(jī)械化成型技術(shù)。它是將混有引發(fā)劑的樹脂和混有促進(jìn)劑的樹脂分別從噴兩側(cè)噴出或混合后噴出，同時(shí)將纖維用切斷器切斷并從噴槍中心噴出，與樹脂一起均勻地沉積在模具上，待材料在模具上沉積一定厚度后，用手輥壓實(shí)，除去氣泡并使纖維浸透樹脂，最后固化成制品。特點(diǎn)：是一種半機(jī)械化操作，生產(chǎn)效率比手糊成型高24倍，勞動(dòng)強(qiáng)度低，尤其對于大制品，其優(yōu)點(diǎn)更加突出。應(yīng)用：游艇、船舶、汽車體、槽、罐、家具、浴缸等。增強(qiáng)材料可采用最廉價(jià)的粗紗，從而降低了材料的費(fèi)用。另外成型裝置結(jié)構(gòu)緊湊且容易搬運(yùn)。24、 試分析樹脂固化過程中體積變化。答：樹脂的固化過程是由液體變?yōu)楣腆w的過程，期間會(huì)產(chǎn)生體積的變化，這種體積變化將直接導(dǎo)致固化物

19、內(nèi)部的應(yīng)力變化，進(jìn)而影響固化物的最終性能及電力設(shè)備的品質(zhì)。 固化溫度玻璃化溫度起始溫度液體反應(yīng)收縮凝膠液體固體固體熱收縮樹脂固化過程比容積變化原理圖比容積反應(yīng)溫度l 起始溫度：環(huán)氧樹脂/固化劑/填料終混溫度及初固化溫度l 固化溫度：固化過程中后固化溫度l 玻璃化溫度：固化物開始產(chǎn)生分子蠕動(dòng)的溫度l 凝膠：混合物料由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)l 反應(yīng)收縮：因?yàn)榉肿娱g化學(xué)反應(yīng)引起的體積減小l 熱收縮：因?yàn)闇囟冉档鸵鸬捏w積減小l 比容積：單位重量的體積25、 復(fù)合材料固化應(yīng)力來源有哪些？減少應(yīng)力措施有哪些？答：復(fù)合材料固化應(yīng)力來源：反應(yīng)收縮和熱收縮帶來的體積變化的固化應(yīng)力。減少應(yīng)力措施有：在進(jìn)行配方和固化工藝設(shè)

20、計(jì)時(shí)，盡可能降低由反應(yīng)收縮和熱收縮帶來的體積變化，從而可以減少固化物內(nèi)部的應(yīng)力集中，降低固化物開裂的可能性，提高電力設(shè)備的穩(wěn)定性和安全性。26、 復(fù)合材料界面效應(yīng)有哪些？答：復(fù)合材料界面效應(yīng)有：1、傳遞效應(yīng)：界面可將復(fù)合材料體系中基體承受的外力傳遞給增強(qiáng)相，起到基體和增強(qiáng)相之間的橋梁作用。2、阻斷效應(yīng)：基體和增強(qiáng)相之間結(jié)合力適當(dāng)?shù)慕缑嬗凶柚沽鸭y擴(kuò)展、減緩應(yīng)力集中的作用。3、不連續(xù)效應(yīng)：在界面上產(chǎn)生物理性能的不連續(xù)性和界面摩擦出現(xiàn)的現(xiàn)象，如抗電性、電感應(yīng)性、磁性、耐熱性和磁場尺寸穩(wěn)定性等。4、散射和吸收效應(yīng)：光波、聲波、熱彈性波、沖擊波等在界面產(chǎn)生散射和吸收，如透光性、隔熱性、隔音性、耐機(jī)械沖擊

21、性等。5、誘導(dǎo)效應(yīng)：一種物質(zhì)（通常是增強(qiáng)劑）的表面結(jié)構(gòu)使另一種（通常是聚合物基體）與之接觸的物質(zhì)的結(jié)構(gòu)由于誘導(dǎo)作用而發(fā)生改變，由此產(chǎn)生一些現(xiàn)象，如強(qiáng)彈性、低膨脹性、耐熱性和沖擊性等。27、 復(fù)合材料界面的形成有哪幾個(gè)階段？答：復(fù)合材料界面的形成有三個(gè)階段：1、增強(qiáng)體表面預(yù)處理或改性階段（減小增強(qiáng)體和基體表面張力差距）2、基體材料和增強(qiáng)材料之間的浸潤、接觸（界面形成與發(fā)展的關(guān)鍵階段）：接觸吸附與浸潤交互擴(kuò)散化學(xué)結(jié)合或物理結(jié)合3、液態(tài)或粘流態(tài)組分的固化過程，即凝固或化學(xué)反應(yīng)（界面形成與發(fā)展的關(guān)鍵階段）a、界面的固定b、界面的穩(wěn)定 28、 提高界面結(jié)合強(qiáng)度的途徑有哪些？答：提高界面結(jié)合強(qiáng)度的途徑有：1、反應(yīng)結(jié)合： 在復(fù)