新材料

1、材料科学的任务是什么？材料研究方法分几类?

任务：根据工程和科学技术发展的需要设计研制新型工程材料；解决材料制备原理和工艺方法，获取可供使用的工程材料；解决材料在加工和使用过程中组织结构和性能变化的微观机理，从中找出合宜的加工工艺、强化工艺和延寿措施；创新测试材料成分、组织结构和性能的方法，完善测试技术；合理的选择和使用工程材料。

常用方法：光学显微分析、x 射线衍射分析、电子衍射分析、电子显微分析、热分析、光谱分析、核磁共振分析、色谱分析、质谱分析等。

2、四种热分析技术的适用研究范围有哪些?以硅酸盐水泥的水化为例，分析采用差热分析技术解决了什么问题？

热分析技术是在温度程序控制下研究材料的各种转变和反应,如脱水,结晶-熔融,蒸发,相变等以及各种无机和有机材料的热分解过程和反应动力学问题等,是一种十分重要的分析测试方法。

差示扫描量热法（DSC ）是在程序控制温度下，测量样品的热流随温度或时间变化而变化的技术,适用范围：温度范围725~170 ℃，分析研究范围大致与DTA 相同，但能够量测定多种热力学和动力学参数，如比热、反应热、转变热、反应速度和高聚物结晶度等。

热机械分析(TMA)可以测量样品在一定应力下的位移变化，适用范围：温度范围600~150℃，用于膨胀系数、体积变化、相转变程度、应力应变关系测定，重结晶效应分析等。

差热分析(DTA)适用范围：温度范围1699~20℃，适用于熔化及结晶转变、二级转变、氧化还原反应、裂变反应等的分析研究，主要用于定性分析。

热重量法(TGA)是在一定的气氛中，测量样品的质量随温度或时间变化而变化的技术,适用范围：温度范围1000~20℃，用于熔点、沸点测定，热分解反应过程分析与脱水量测定等；生成挥发性物质的固相反应分析，固体与气体反应分析等。

解决的问题：不同品种的水泥在水化过程中得到的水化产物是不同的,即使是同种水泥,由于生产或水化过程的环境、条件不同,得到的水化产物的品种及数量也不尽相同。不同的水化产物在加热过程中脱水、分解的温度各不相同,体现在DTA 曲线上就会在不同温度下出现不同的峰和谷。

图 1 普通硅酸盐水泥水化图 2 某高铝水泥水化3d 的DTA曲线

28d的DTA曲线

图3 高铝水泥掺量不同的试样图4 某高掺量粉煤灰水泥水化

水化3d的DTA曲线 3d的DTA曲线综上所述,根据水泥水化后的DTA曲线上各种峰或谷出现的温度范围及TG曲线上反映出的重量变化情况,可以确定其水化产物的种类。此外还可以用于确定水化产物在加热过程中转变的温度范围、热效应以及研究水泥水化的进程、水化速率等。

3、扫描电镜是水泥基材料研究中常用的微观分析技术，举例说明扫描电镜在水泥基材料组成、构造及内部结构研究中解决的问题。

‘水泥基’是指以水泥作为胶凝材料的工程材料。混凝土、砂浆是最常见水泥基材料。

扫描电镜的具有制样简单、放大倍数可调范围宽、图像的分辨率高、景深大等特点。

在水泥基材料中的应用

1）观察厚混凝土试样

其在观察厚试样时，能得到高的分辨率和最真实的形貌，更能得到真实的试样表面资料。

2）环境扫描电镜用于硫铝酸钡钙水泥，硅酸盐水泥早期水化过程的研究

它能在高真空(Hv)、低真空(LV)和使用环境这3种条件下进行样品形貌分析，在接近工作环境条件下，直接观察样品的实际表面特征，避免了制样过程对表面的损伤。研究结果表明：两种水泥的水化过程可分为诱导期前期、诱导期、加速期、减速期和稳定期5个阶段。

3）环境扫描电镜对水泥基复合材料中的水化产物、聚合物乳液及膜、界面及微裂缝的观测。

环境扫描电镜打破了传统扫描电镜只能观测硬化的、某一阶段的水化产物的局限性，通过调节样品室内的温湿度，使得水泥继续水化，实现了对早期水泥水化原位定点连续观测，同时还可以用于研究聚合物乳液的分布、破乳成膜、以及其对水泥水化的影响：而当用于界面与微裂缝观测时。避免了温湿度和真空度对原始形貌的破坏，精确真实地反映出水泥基复合材料的微观原始形貌。

4）扫描电镜被用来研究水泥浆体原始断面的形貌，特别是低真空和环境扫描电镜的出现，使观察潮湿水泥浆体成为可能(这减少了样品的干燥损伤和真空损伤)，人们观察到的浆体形貌更为“真实”。

5）扫描电镜用于水泥基渗透结晶型防水材料渗透深度的研究

利用扫描电镜和x射线能谱仪，测定水泥基渗透结晶型防水涂料在不同深度的主要元素，并计算其相对百分比，根据元素含量的变化来推断该材料在砂浆中的渗透深度。

6）扫描电镜用于水泥浆——集料界面过渡区显微硬度的研究。

通过对水泥浆——集料界面过渡区的显般硬度测试，并辅之扫描电镜观察，探明了集料周围过渡区的分布状况，以度水灰比，案料粒径、案料闯隔等因素对界面过渡区性能的影响。

4、高性能混凝土在我国土木工程领域的应用已有十多年的历史，在内部结构、制备技术上与普通混凝土有何区别？早期开裂问题一直困扰高性能混凝土的工程应用，分析其易开裂的原因，并提出抑制和减少开裂的技术措施。

区别：

1）水泥石与粗骨料之间的界面结构差异：普通混凝土粗骨料与水泥石之间的界面上积滞着大量的氢氧化钙，且在界面上的结晶与定向排列；而高性能混凝土中，典型的之谜结构扩展到骨料表面，大大消除了过渡区的不均衡性。

2）水泥石的孔结构的差异：高性能混凝土中添加了一定比例的超细粉以代替部分水泥，有效降低了水泥石中的“孔洞”数量，改善了水泥石的孔结构；这两点是通过矿物质超细粉在混凝土中的应用实现的。

3）高性能混凝土在制备时，使用了高效减水剂，降低混凝土的水灰比，并使混凝土具有比较大的流动性和保塑功能，保证施工和浇筑混凝土密实性。

开裂原因：

1)温度应力

在水化热的作用下，混凝土内部温度迅速升高，而与空气接触的混凝土表面温升值相对较低。因此混凝土内部受热膨胀的程度较外部混凝土大，外部混凝土对混凝土内部膨胀的约束导致混凝土内部承受压应力，外部承受拉应力。在降温阶段，混凝土的膨胀变形逐渐减小，内部的压应力和表面的拉应力也相应减小。随着混凝土的温度场趋于稳定，混凝土内部降温收缩的程度要远大于外部混凝土。此时混凝土自身较大的强度会约束混凝土的降温收缩，使得混凝土内部承受较大的拉应力。此外，温度应力随混凝土深度增加将迅速减小，因此，早期开裂往往起裂于混凝土表面．

2)自收缩与干燥收缩

高性能混凝土的自收缩主要发生在初凝后1天龄期内，1天后的自收缩增长缓慢；初始收缩速率大于普通混凝土，后期收缩速率小于普通混凝土。在约束的作用下，自收缩势必在混凝土中产生拉应力，但是对于尚处于凝结硬化阶段的混凝土，其弹性模量较小，所以拉应力较小。干燥收缩在混凝土浇筑后持续很长时间，影响干燥收缩的因素有水灰比、外加剂、相对湿度和环境温度，所以养护条件对早期的干燥收缩影响很大。在工程实际中，养护不当也会导致混凝土早期开裂，特别是对于夏季施工的混凝土更要加强混凝土的早期养护。

措施：

1)减小混凝土的自收缩

工程中通常采用的措施主要有控制骨料质量、合理选择水泥、优化水灰比、掺粉煤灰、掺外加剂、采用MgO微膨胀混凝土、掺纤维、掺饱和轻集料以及加强早期养护等方法来减小混凝土的自收缩．然而减小混凝土自收缩的问题十分复杂，每一种减缩措施都有许多不确定性，而且目前并无统一的模型来描述上述任何一种减缩措施的效果，必须根据以往的工程经验，并通过具体的试验来确定合