高分子复合材料作业

1 / 20 第一章 1、什么叫复合材料？其主要性能特点？答： 复合材料是由两种或两种以上的物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。

复合材料具有如下特征： 1、细观上是非均相材料，组分材料间有明显的界面； 2、组分材料性能差异很大； 3、组成复合材料后性能有较大改进； 4、组分材料的体积分数应大于10%。 2、如何命名复合材料？答： 复合材料在世界各国还没有统一的名称和命名方法。 比较共同的趋势是根据增强体和基体的名称来命名，一般有以下三种情况：

(1)强调基体时以基体材料的名称为主。 如树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料等。 (2)强调增强体时以增强体材料的名称为主。 如玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料、陶瓷颗粒增强复合材料等。

(3)基体材料名称与增强体材料名称并用。 物质的命名原则： 根据物质的组成、结构和特征的相互关系来确定名称，名称应在一定程度上反映事物的特征。 2 / 20

复合材料的命名——增强材料+基体材料+复合材料写作： 为书写简便，也可仅写增强材料与基体材料的缩写名称，中间加一斜线隔开，后面再加复合材料。

增强材料／基体材料+复合材料 3、简述复合材料的民用前景，谈谈复合材料的发展。 复合材料自上世纪60年代中期诞生以来，其应用历来分为三大领域： 以航空航天为主的国防军工领域、体育休闲用品和工业领域的应用。 此处所言的先进复合材料，主要系指碳纤维增强树脂基复合材料。 我多年来是从碳纤维的产耗量入手研究先进复合材料在民用领域的应用发展情况。

据统计，目前世界碳纤维总产能约在66000吨/年左右，产量约为46000吨/年左右。

第二章 1.简要说明基体在复合材料中的作用。 答： ①基体材料通过界面与增强材料粘结成一体，并使纤维位置固定，赋予复合材料一定的形状，并以剪应力的形式向增强材料传递载荷，并使载荷均衡；②保护增强材料免受外界环境的作用和物理损伤。

③决定复合材料的一些性能。 如复合材料的高温使用性能(耐热性)、横向性能、剪切性能、耐介质性能(如耐水性、耐化学品性能)等；④对复合材料一些性能有重要影响，如纵向拉伸、压缩性能、疲劳性能、断裂韧性等。

⑤决定复合材料的成型工艺方法及工艺参数的选择；如： 3 / 20

基体的粘度、使用期直接影响增强材料的浸渍、复合材料的铺层和预浸料的储存。

2.选择复合材料用树脂基体时，主要应考虑哪几方面问题？答： 1)能够满足产品的使用需要，如使用温度、强度、刚度、耐药品性、耐腐蚀性等。

高拉伸模量、高拉伸强度、高断裂韧性的基体有利于提高复合材料的力学性能；2)对纤维具有良好的润湿性和粘结性；3)容易操作，如要求胶液具有足够的适用期、预浸料具有足够长的储存期、固化收缩小等；4)低毒性、低刺激性；5)价格合理

3.环氧树脂、酚醛树脂及不饱和聚酯树脂的固化各有什么特点？对制备工艺有什么影响？答：

不饱和聚酯树脂的固化： 交联单体的种类和用量： 对固化树脂的性能有很大影响，并直接影响树脂的工艺性能。 单靠加热也可以固化： 但反应诱导期长，放热量大，难以控制，反应不完全，因此常采用加引发剂并加热固化、加引发剂和促进剂室温固化。

引发剂—促进剂的种类和用量： 不仅影响固化温度和速度，而且可根据不同工艺方法及制品大小等，有效地控制树脂的各项工艺性能。

复合引发体系： 引发剂之间的协同效应，增加或降低引发活性。 环氧树脂的固化： 4 / 20

环氧树脂本身是热塑性的线型结构，不能直接使用，必须再向树脂中加入第二组分，在一定的温度条件下进行交联固化反应，生成体型网状结构的高聚物之后才能使用。

这个第二组分就叫做固化剂。 酚醛树脂的固化： 固化方法有两种： (一)加热固化，不加任何固化剂通过加热的办法，依靠酚醛结构本身的羟甲基等活性基团，进行化学反应而固化：

(二)通过加入固化剂使树脂发生固化。 4.若要使环氧树脂室温固化，可采用哪几种固化剂？是写出其结构式。 答： 脂肪族胺类是较常用的室温固化剂，它的固化速度快，反应时放出的热量又能促进树脂与固化剂反应。

但这类固化剂对人体有刺激作用，固化产物较脆而且耐热性差，在复合材料方面应用不多。

阴离子及阳离子型固化剂： 是催化性固化剂，仅仅起到固化反应的催化作用，这类物质主要是引发树脂分子中环氧基的开环聚合反应，从而交联成体型结构的高聚物。

由于树脂分子间的直接相互反应，使固化后的体型结构高聚物基本具有聚醚的结构。

5.目前环氧树脂的增韧有哪几种方法？简要说明增韧机理。 答： 增韧剂： 5 / 20

提高抗冲击性、降低脆性、改进抗弯曲性能，能够改善固化物的抗冲击强度及耐热冲击性能，提高粘合剂的剥离强度，减少固化时的反应热及收缩性。

但对固化物的某些力学性能、电性能、化学稳定性（耐溶剂和耐热性）产生不良影响。

非活性增韧剂： 与环氧树脂相容性良好，但不参加固化反应；主要是聚氯乙烯用的增塑剂及磷酸、亚磷酸酯类的。

它们不参与固化反应，只起减小交联密度、削弱固化树脂刚性的作用，但同时会影响固化产物的强度和耐热性。

活性增韧剂： 在分子链上含有活性基团，能参与固化反应；多为含有活性基团的柔性高分子化合物，它们直接参与固化反应，可以改善产物的韧性，常用的如丁腈橡胶、聚硫橡胶、低相对分子质量聚酰胺等。

6.列举几种高性能热塑性树脂的结构及性能特点。 答： 聚烯烃（主要有聚乙烯、聚丙烯）聚酰胺（PA）主链上含有酰胺基团（—NHCO—），基团上的氢与羰基上的氧结合形成强大的氢键，易发生结晶，分子间作用力较大，使其具有较高机械强度和熔点；次甲基使分子链较柔顺，有较高韧性。

聚酰胺具有良好的力学性能、热稳定性、耐磨性、耐油性、耐化学药品性。

聚碳酸酯分子主链中含有（—OROCO—）的线性高分子化合物。 根据R基种类不同，可以是脂肪族、脂环族、芳香族的聚碳酸酯。 熔融温度可达225~250°C，玻璃化温度为145°C。 6 / 20

具有较高的冲击强度、透明性、刚性、抗蠕变性能好，耐火焰性、优良的电绝缘性以及耐热性；它的尺寸稳定性高，可替代金属和其他材料；第三章

1.比较G F、CF和KF主要优缺点？答： 玻璃纤维的特点： 拉伸强度和冲击强度高，延伸率小；弹性模量较大；耐热，属于无机材料，不可燃；化学耐久性好；绝缘性和绝热性好；吸水率较低；与基体材料粘结性好；价格较其他增强材料低；可作为有机聚合物基或无机非金属材料基复合材料的增强体。

碳纤维的性能特点： 优点： 强度高；弹性模量高；密度小（ 1.5~ 2.0），比强度高；耐高温，耐高温蠕变，一般在1900℃以上才出现永久塑性形变；耐低温，在液氮温度下也不脆化；耐酸；热膨胀系数小（有方向性），甚至为负值（轴向）；制品具有高度的尺寸稳定性；导热系数大；摩擦系数小并具有润滑性；防原子辐射，能使中子减速；导电性能好。

缺点： 脆性很大，冲击性能差；碳纤维的抗氧化能力较差，在高温有氧时会生成二氧化碳；碳纤维怕“打折”和“急转弯”，极易断裂；表面活性低，粘接力差，须经表面处理提高表面活性；碳纤维价格昂贵，50~2000$/Kg，而玻璃纤维2$/Kg。

产量低。 芳香族聚酰胺纤维： 7 / 20

外观呈黄色；强度高、弹性模量高，密度小( 1.44~ 1.45)，比强度极高（与S-G F、CF-Ⅱ相当）、比模量高（约为GF的2倍），韧性好，耐冲击，抗疲劳抗蠕变；除少数强酸强碱外，对其他介质（普通有机溶剂、盐类溶液等）有很好的耐化学药品性；具有自熄性和良好的热稳定性；高温下不溶，300℃以上短时间强度不变，温度上升纤维逐渐热分解或碳化；热膨胀系数为各向异性，纵向热膨胀系数为负值；但对紫外线较敏感，不宜曝光使用；抗压抗扭性差；耐水性差。

2.玻璃纤维是如何制备的？制备过程需控制哪些工艺因素？对玻纤结构和性能有何影响？答：

①坩埚拉丝法（玻璃球法）坩埚拉丝法生产工艺由制球和拉丝两个部分组成。

根据纤维质量要求，将砂、石灰石、硼酸等玻璃原料，按一定的比例干混后，装人大约1260℃熔炼炉中熔融，熔融的玻璃流经造球机制成直径为15～18mm（质量为10 g）的玻璃球供拉丝选用。

将配制好的玻璃球经热水清洗、去污和挑选后进人铂金坩埚（或陶土坩埚）加热熔融，再由高速(1000~3000m／min)转动的拉丝机拉丝制成直径很细(3—20μm)的玻璃纤维。

②池窑拉丝法（直接熔融法）玻璃纤维是由含有各种金属氧化物的硅酸盐类（硅砂、石英石、硼酸、粘土、氟石等），经熔融（1300℃）后，借自重由坩埚底部的漏丝板流出，孔径为

1.5～2mm，流出的玻璃液温度约为1190℃，在迅速冷却的过程中，借助高速（1000～3000m／min）转动，拉制成直径很细（3～20μm）的玻璃纤维。

从坩埚中拉出的每根纤维叫单丝，一个坩埚拉出的所有单丝经过浸润剂槽后，集束成一根原纱。