最新高分子基复合材料复习题精编版
2020年高分子基复合材料复习题精编版
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1～2个数量级
? 耐热性：普通Na-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，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剂的作用机理。
玻璃表面
O
O
Si O Si
O
Si CH 2=CH
CH 2=CH CH 2=CH CH 2=CH O
Si
O O Si
O
O O
O
O +3C 2H 5OH
3H 2O
+O
O
O Si
O
Si
OH OH OH OH CH 2=CH Si
H 5C 2O
OC 2H 5OC 2H 5
水解
CH 2=CH Si HO
OH
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
O
Si O
O Si
CH 2=CH
CH 2=CH CH 2=CH
O
O
O
C
O CH=CH
O C
O CH-CH C
O CH- C H O Si
O
O
2
树脂引发剂
玻纤
也可通过单体苯乙烯与UP 反应
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。
⑴．碳化法 —— 生产长纤维
碳化:1000～2000℃，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： 2000～3000℃，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75~95%。石墨纤维的结构与石墨相似，含碳量可达98~99%，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、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) 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：
中，使纤维表面的1000-1500oC 具有黑色金属光泽的
不熔化处理（在氧化介质
Si-H 与氧作用，生成不熔的交联结构）
，在张力下烧结，完成有机纤维向
无机纤维转变
真空烧结
SiC 纤维
熔融纺丝成（脆、易软化易熔融）
10-15um 细丝
Si CH 2
3n
有机硅烷
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？
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？
1. 乙烯基树脂
不饱和酸
烯酸）
带活性基团的低聚物（环氧
树脂）
含有不饱和双键
的树脂，并使之
溶于S
t
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、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EP
2）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EP
3）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UP
4）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.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？