聚合物复合材料作业答案

聚合物复合材料作业1、试述玻璃纤维的制备过程。

答：玻璃纤维的制备过程有两种方法：一.玻璃球法：生产玻璃纤维的过程是将硅砂、石英石、硼酸和其它成分（粘土，氟石等）干混后，经高温炉熔融，熔化后的玻璃液直接通过漏板形成了玻璃纤维。

二.直接熔融法：直接熔融法是将玻璃配合料投入熔窑熔化后直接拉制成各种支数的连续玻璃纤维。

2、玻璃纤维与块状玻璃性能为何不同？答：块状玻璃一般认为质硬易碎物体，并不适于作为结构用材，但将其抽成丝后成玻璃纤维后，则其强度大为增加且具有柔软性，故配合树脂赋予形状以后终于可以成为优良之结构用材。

玻璃纤维随其直径变小其强度增高，它具有不燃、耐高温、电绝缘、拉伸强度高、化学稳定性等优良性能。

3、玻璃纤维浸润剂的作用是什么？答：玻璃纤维浸润剂的作用有五点：（一）润滑-保护作用：在拉丝过程中，浸润剂中的“湿润滑组分”使玻璃纤维原丝与涂油器（单丝涂油器、带式涂油器或半轮式涂油器）、集束槽及排线器之间保持一定的润滑作用，避免二者间摩擦系数过大而引起原丝张力过大，造成飞丝、丝束打毛及原丝筒粘并退解困难等。

（二）粘结-集束作用：粘结组分可使玻纤单丝粘结成一根玻纤原丝，使原丝保持其完整性，避免应力集中于一根或数根单丝上，以减少散丝及断丝，便于无捻粗纱的退解及玻纤纱的纺织加工。

（三）防止玻璃纤维表面静电荷的积累：浸润剂中抗静电剂可降低玻璃纤维表面电阻并形成导电通道，此种作用对smc、喷射、石膏等用无捻粗纱、短切毡、连续原丝毡用玻纤原丝特别重要。

（四）为玻璃纤维提供进一步加工和应用所需要的特性：这些特性包括短切性、成带性、分散性等，特别是纤维在热固性或热塑性树脂，以及橡胶，石膏、水泥等基材中被迅速浸润的性能。

（五）使玻璃纤维获得与基材有良好的相容性及界面化学结合或化学吸附等性能。

4、PAN法制备碳纤维过程中，预氧化、碳化、石黑化过程的作用分别是什么？答：预氧化的作用：防止原丝在炭化时熔融，通过氧化反应使得纤维分子中含有羟基、羰基，这样可以在分子间和分子内形成氢键，从而提高纤维的热稳定性。

炭化作用：有机化合物在惰性气氛中加热到1000-2000 C时，非碳原子（氮、氢、氧等）将被逐步被驱除，碳含量逐步增加，固相间发生一系列脱氢、环化、交链和缩聚等化学反应，此阶段称为脱碳过程，形成由小的乱层石墨晶体组成的碳纤维。

石墨化的作用：当温度升到2000 -3000C 时，使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，由二维乱层石墨结构向三维有序结构转化，大大提高了石墨纤维弹性模量。

5、试分析碳纤维结构及其对性能的影响。

答：材料的性能主要决定于材料的结构。

结构有两方面的含义，一是化学结构，二是物理结构。

碳纤维的物理结构（层状平面环）：碳纤维的结构决定于原丝结构与碳化工艺。

对有机纤维进行预氧化、碳化等工艺处理的目的是，除去有机纤维中碳以外的元素，形成聚合多环芳香族平面结构。

在碳纤维形成的过程中，随着原丝的不同，重量损失可达10％--80％，因此形成了各种微小的缺陷。

但是，无论用哪种原料，高模量碳纤维中的碳分子平面总是沿纤维轴平行地取向。

碳纤维的化学性能（不耐氧化）：碳纤维的化学性能与碳很相似。

它除能被强氧化剂氧化外，对一般酸碱是惰性的。

在空气中，当温度高于400 ℃时，则会出现明显的氧化，生成CO和CO2。

在不接触空气或氧化气氛时，碳纤维具有突出的耐热性。

当碳纤维在高于1500 ℃时，强度才开始下降；而其它类型材料包括A12O3晶须在内，在此温度下，其性能已大大下降。

另外，碳纤维还有良好的耐低温性能，如在液氮温度下也不脆化。

它还有耐油、抗放射、抗辐射、吸收有毒气体和减速中子等特性。

6、试述凯芙拉纤维的生产过程。

答：凯芙拉纤维（Kevlar）的生产过程为：①使对苯二胺与对苯二酰氯在低温下进行溶液缩聚反应生成对苯二甲酰对苯二酰的聚合体（PPTA）。

方法是将对苯二胺溶于溶剂中，边搅拌边加入等摩尔比的对苯二甲酰氯，反应温度为20℃。

②将聚芳胺聚合体溶解在浓硫酸中，在温度（51-100℃）下从喷丝头挤出纤维，穿过一小段空气层，落入冷水，洗涤后绕在筒管上干燥。

③干燥后的纤维为Kevlar29。

在氯气保护下经550℃热处理得到Kevlar49纤维。

7、凯芙拉纤维生产过程中，溶液纺丝应考虑的因素有哪些？答：溶液纺丝应考虑的因素有：纺丝时要确立合适的纺丝浓度和温度范围。

当PPTA浓度超过一定值后溶液体系才能形成均匀的各项异性液晶态溶液。

此时体系中PPTA的浓度虽高但黏度低，但当液晶达到最大浓度时，浓度再增加，溶液的黏度反而开始回升。

温度对PPTA溶液也有很大影响。

当温度达到80℃左右，PPTA溶液转变成向列型液晶，具有向列态结构的液晶分子在流动过程中易相互穿越，呈取向状态，紧密排列，且黏度比各相同性溶液低。

若进一步提高温度达到140℃左右，各向异性态有转变为各向同性态，因此溶液纺一般不宜超过80—100℃。

8、试比较玻璃纤维、碳纤维、凯芙拉纤维的主要优缺点。

答：玻璃纤维：具有原料易得、拉伸强度高、断裂伸长低、弹性模量高、防火、防霉、耐热、耐腐蚀和尺寸稳定性好的优点，是一种常用的性能优良的增强材料。

玻璃纤维最主要的缺点是脆性大和不耐磨。

碳纤维：高强度、高模量；热膨胀系数低、尺寸稳定；耐疲劳、耐高温、耐腐蚀；阻尼特性好；比较优良的导电、导热特性。

但韧性差、不耐氧化、价格昂贵。

凯芙拉纤维：具有高强度、高模量、密度低、任性好的特点。

因此它的比强度和比模量很高，超过玻璃纤维、碳纤维。

9、试分析基体在复合材料中的作用。

答：基体在复合材料中的作用为：在复合材料中，基体材料通过与增强材料界面间的粘接成为一个整体，并以剪切力的形式向增强材料传递载荷，保护增强材料免受外界环境的作用和物理损伤。

同时基体还像隔膜一样，使增加材料彼此分开。

这样，对于纤维增加复合材料来说，即使是个别纤维断裂，裂纹也不会迅速的从一根纤维扩展到其他纤维。

另外，复合材料的拉伸性能、压缩性能、剪切性能、耐热性能、耐腐蚀性能都与基体材料有密切的关系。

10、在选用复合材料树脂基体时，应考虑的因素有哪些？答：考虑的因素有：1 基体材料自身的性能，力学性能、耐热性能、耐腐蚀性能等→满足产品的使用要求。

2对增强材料有良好的浸润性与粘附力。

3.具有良好的工艺性能：容易操作，胶液具有足够长的适用期、预浸料具有足够长的贮藏期、固化收缩小等。

4.低毒性、低刺激性。

保证生产工人的安全。

5.来源方便、价格合理。

11、环氧树脂质量指标有哪些？如何测定？答：环氧树脂质量指标有：环氧值和环氧当值。

测定方法：环氧值是指每100g树脂中所含环氧基的克当量数。

环氧当量：含1g当量环氧基的环氧树脂克数。

12、环氧树脂特点有哪些？答：环氧树脂特点有：1.工艺性好。

室温操作、固化剂种类多，适用期、粘度、与固化时间均可在很大范围内调节。

2.韧性好。

固化后的韧性约为酚醛树脂的7 倍.。

3.良好的粘合性。

-OH, - C-O-C-使EP可形成H键等。

4.收缩性小。

固化时无其它产物，一般< 2 %。

5.化学稳定性好。

苯环与脂肪羟基不受碱的侵蚀，耐酸。

13、简述树脂固化过程。

答：树脂固化过程为：黏流态树脂体系发生交联反应而转变成不溶不熔的具有体型网络的固态树脂的全过程称为树脂的固化。

不饱和聚酯树脂的固化过程可以分为三个阶段：凝胶阶段、硬化阶段和完全固化阶段。

14、不饱和聚酯树脂固化方式有哪些？各有什么特点？答：不饱和聚酯树脂固化方式有：交联剂固化、引发剂固化和促进剂固化。

交联剂固化特点：不饱和聚酯树脂中的不饱和双键，在交联剂或热的作用下发生交联反应，成为具有不溶不熔体型结构的固化产物。

引发剂固化：1可以有效地控制反应速度。

2最终固化可趋于完全，固化后树脂性能稳定。

3在配以适当的促进剂后，可以满足各种固化工艺的要求。

促进剂固化特点：单用引发剂时其固化效果不佳，通常同时加入促进剂，使引发剂的分解温度降至室温。

多种引发剂并用能引发协同效应。

配胶时，引发剂和促进剂不允许直接混合，以免引起爆炸。

15、为了加快不饱和聚酯树脂固化，可采取什么方法？答：16、酚醛树脂固化方式及影响因素有哪些答：酚醛树脂固化方式有：一.酚醛树脂固化可以在酸性条件下固化。

二.酚醛树脂也可以在较低温度或室温下固化，但需在树脂中加入合适的无机酸或有机酸，工业上称为酸类固化剂。

三．热固性PF常温固化时，常用的酸类固化剂有：盐酸、磷酸、对甲苯磺酸、苯酚磺酸或其它的磺酸。

四.热塑性PF加入的固化剂：聚甲醛、六次甲基四胺。

影响因素有：制备树脂时酚与醛的比列和体系合适的官能度。

固化时的加热温度一般为145—175℃，热固性树脂在PH=3-5的范围内非常稳定。

17、试述颗粒增强热塑性塑料粒料的制造工艺。

答：此题找不到答案。

18、试比较长纤维增强和短纤维增强粒料的优缺点。

答：长纤维粒料增强与短纤维增强强粒料的主要区别，也就是优点在于采用长纤维增强粒料的填充产品中纤维长度很长，一般为2-3mm，甚至可以达到10mm以上，则与短纤维增强粒料填充的产品的0.5mm左右的纤维长度有了显著的提高。

而且长纤维增强粒料长度较长，而且长纤维长度分布更好，可以提高制品的力学性能，特别是冲击强度提高显著。

独有的无取向的纤维网络结构使材料高低温度条件下及高低温高频交变的环境中的高力学性能保持性；优异的抗冲击性能，高模量、高强度、低翘曲、与金属相近的热膨胀系数；各向同性，低收缩率，低蠕变，高尺寸稳定性；优异的耐磨和耐疲劳性；优异的耐化学性；优异的表面光洁度。

优异的成型加工性能：高流动，易脱模，对螺杆伤害低19、试比较预混法和预浸法制备纤维模塑的优缺点。

答：预混法制备纤维模塑优点：适合所有的热塑性树脂，简单高效。

缺点：树脂粘度大，纤维浸渍不好（树脂粘度控制）。

预浸法制备纤维模塑优点：纤维易被树脂浸透，便于制造薄厚两型预浸料，设备造价较低。

缺点：需要去除并回收溶剂，树脂体积含量不易控制。

20、复合材料预浸料的主要质量指标有哪些？如何控制？答：预浸料的质量指标有：外观、物理性能和成型工艺性能指标。

应该这样控制：（1）要求外观纤维应相互平行，依次密排，不允许有明显的交叉和松散；所以树脂分布均匀并完全润湿纤维；没有外来杂物和已固化树脂颗粒及丝头、丝团等物。

(2)物理性能主要是预浸料单位面积质量ρAP，纤维单位面积质量ρAf和含胶量R。

所以要求三者之的关系：预浸料的单位面积质量和厚度可以通过选择和控制纤维单位面积质量ρAf和含胶量R来调节。

如纤维均匀且制备预浸料的工艺过程稳定，控制严格，则纤维单位面积质量ρAf的偏差能控制在±3％，含胶量的偏差也可控制在±3％范围。

(3)成型工艺性：1)预浸料的黏度和铺覆性黏度直接影响后续的铺层操作。