1、2011年，材料學院研究生復試筆試 復材專業問答題1、試結合你所學的專業簡述某種材料的生產工藝流程（可用方框圖表7K）2、試簡述金屬材料，無機非金屬材料，高分子材料的化學組成、結構特點、性能特點、以及它們密度的相對大小。3、如何提高高分子材料的耐熱性、強度以及韌性。4、聚合物的結晶程度對其各項性能有何影響？5、現代材料測試技術，簡述一種現代材料測試技術，弁舉例說明它在材料科學研究中的應用2、影響斷裂強度的因素（1）分子量的影響分子量是對高分子材料力學性能（包括強度、彈性、韌性）起決定性作用的結構參數。低分子有機化合物一般沒有力學強度（多為液體），高分子材料要獲得強度，必須具有一定聚合度，使分子

2、間作用力足夠大才行。不同聚合物，要求的最小聚合度不同。如分子間有氫 鍵作用的聚酰胺類約為 40個鏈節；聚苯乙烯約80個鏈節。超過最小聚合度，隨分子量增大， 材料強度逐步增大。 但當分子量相當大， 致使分子間作用力的總和超過了化學鍵能時，材料強度主要取決于化學鍵能的大小，這時材料強度不再依賴分子量而變化（圖4-36）。另外，分子量分布對材料強度的影響不大。圖4-36聚苯乙烯和聚碳酸酯的拉伸強度與分子量的關系（2）結晶的影響結晶對高分子材料力學性能的影響也十分顯著，主要影響因素有結晶度、晶粒尺寸和 晶體結構。一般影響規律是：隨著結晶度上升，材料的屈服強度、斷裂強度、硬度、彈性模 量均提高，但斷裂伸

3、長率和韌性下降。這是由于結晶使分子鏈排列緊密有序，孔隙率低，分 子間作用增強所致。表 4-4給出聚乙烯的斷裂性能與結晶度的關系。表4-4聚乙烯的斷裂性能與結晶度的關系結晶度/ %65758595斷裂強度/MPa14.4182540斷裂伸長率/%50030010020晶粒尺寸和晶體結構對材料強度的影響更大。均勻小球晶能使材料的強度、伸長率、 模量和韌性得到提高，而大球晶將使斷裂伸長和韌性下降。大量的均勻小球晶分布在材料內，起到類似交聯點作用，使材料應力-應變曲線由軟而弱型轉為軟而韌型，甚至轉為有屈服的硬而韌型（圖4-37）。因此改變結晶歷史，如采用淬火，或添加成核劑，如在聚丙烯中添加草酸血:作為

4、晶種，都有利于均勻小球晶生成，從而可以提高材料強度和韌性。表4-5給出聚丙烯的拉伸性能受球晶尺寸的影響。 晶體形態對聚合物拉伸強度的影響規律是， 同一聚合物， 伸直鏈晶體的拉伸強度最大，串晶次之，球晶最小。圖4-37聚丙烯應力-應變曲線與球晶尺寸的關系表4-5聚丙烯拉伸性能與球晶尺寸的關系球晶尺寸/ M-m拉伸強度/ MPa斷裂伸長率/ %1030.050010022.52520012.525（3）交聯的影響交聯一方面可以提高材料的抗蠕變能力，另一方面也能提高斷裂強度。一般認為，對 于玻璃態聚合物，交聯對脆性強度的影響不大；但對高彈態材料的強度影響很大。隨交聯程度提高，橡膠材料的拉伸模量和強度

5、都大大提高，達到極值強度后，又趨于 下降；斷裂伸長率則連續下降（圖 4-38）。熱固性樹脂，由于分子量很低，如果不進行交聯, 幾乎沒有強度（液態）。固化以后，分子間形成密集的化學交聯，使斷裂強度大幅度提高。圖4-38橡膠的拉伸強度與交聯劑用量的關系（4）取向的影響加工過程中分子鏈沿一定方向取向，使材料力學性能產生各向異性，在取向方向得到增強。對于脆性材料，取向使材料在平行于取向方向的強度、模量和伸長率提高，甚至出現脆 -韌轉變，而在垂直于取向方向的強度和伸長率降低。對于延性、易結晶材料，在平行于取 向方向的強度、模量提高，在垂直于取向方向的強度下降，伸長率增大。（5）溫度與形變速率的影響具體影

6、響效果見圖 4-30、4-31。由圖可見，溫度對斷裂強度影響較小，而對屈服強度 影響較大，溫度升高，材料屈服強度明顯降低。按照時-溫等效原則，形變速率對材料屈服強度的影響也較明顯。拉伸速率提高，屈服強度上升。當屈服強度大到超過斷裂強度時，材 料受力后，尚未屈服已先行斷裂，呈現脆性斷裂特征。因此評價高分子材料的脆、韌性質是有條件的，一個原本在高溫下、 低拉伸速率時的韌性材料，處于低溫或用高速率拉伸時，會 呈現脆性破壞。所以就材料增韌改性而言，提高材料的低溫韌性是十分重要的。（一）高分子材料的增強改性由于高分子材料的實際力學強度、模量比金屬、陶瓷低得多，應用受到限制，因而高分子材料的增強改性十分重

7、要。改性的基本思想是用填充、混合、復合等方法，將增強材料加入到聚合物基體中， 提高材料的力學強度或其它性能。常用的增強材料有粉狀填料（零維材料），纖維（一維材料），片狀填料（二維材料）等。除增強材料本身應具有較高力學強度外， 增強材料的均勻分散、取向以及增強材料與聚合物基體的良好界面親和也是提高增強改性效 果的重要措施。1、粉狀填料增強粉狀填料的增強效果主要取決于填料的種類、尺寸、用量、表面性質以及填料在高分子基材中的分散狀況。按性能分粉狀填料可分為活性填料和惰性填料兩類；按尺寸分有微米級填料、納米級填料等。由于在高分子材料中加入填料等于加入雜質和缺陷，有引發裂紋和加速破壞的副作用，因此對填料

8、表面進行恰當處理，加強它與高分子基體的親合性，同時防止填料結團，促進填料均勻分散，始終是粉狀填料增強改性中人們關心的焦點。這些除與填料本身性質有關外，改性工藝、條件、設備等也都起重要作用。炭黑是典型活性填料， 尺寸在亞微米級，炭黑增強橡膠是最突出的粉狀填料增強聚合物 材料的例子，增強效果十分顯著。表4-6列出幾種橡膠用炭黑或白炭黑（二氧化硅）增強改性的效果。可以看出，尤其對非結晶性的丁苯橡膠和丁睛橡膠，經炭黑增強后拉伸強度提高10倍之多，否則這些橡膠沒有多大實用價值。活性填料的增強效果主要來自其表面活性。炭黑粒子表面帶有好幾種活性基團（竣基、 酚基、醍基等），這些活性基團與橡膠大分子鏈接觸，會

9、發生物理的或化學的吸附。吸附有 多條大分子鏈的炭黑粒子具有均勻分布應力的作用，當其中某一條大分子鏈受到應力時，可通過炭黑粒子將應力傳遞到其他分子鏈上，使應力分散。而且即便發生某一處網鏈斷裂，由于炭黑粒子的“類交聯”作用，其他分子鏈仍能承受應力，不致迅速危及整體，降低發生斷 裂的可能性而起增強作用。表4-6幾種橡膠采用炭黑增強的效果對比橡膠拉伸強度/ MPa增強倍數純膠含炭黑橡膠非結晶型硅橡膠0.3413.740丁苯橡膠1.9619.010丁睛橡膠1.9619.610結晶型天然橡膠19.031.41.6氯丁橡膠14.725.01.7丁基橡膠17.618.61.1白炭黑補強碳酸鈣、滑石粉、陶土以及

10、各種金屬或金屬氧化物粉末屬于惰性填料。對于惰性填料，需要經過化學改性賦予粒子表面一定的活性，才具有增強作用。例如用表面活性物質如脂肪酸、樹脂酸處理，或用鈦酸酯、 硅烷等偶聯劑處理，或在填料粒子表面化學接枝大分子等都 有很好的效果。惰性填料除增強作用外， 還能賦予高分子材料其他特殊性能和功能，如導電性、潤滑性、高剛性等，提高材料的性/價比。2、纖維增強纖維增強塑料是利用纖維的高強度、 高模量、尺寸穩定性和樹脂的低密度、強韌性設計 制備的一種復合材料。 兩者取長補短，復合的同時既克服了纖維的脆性， 也提高了樹脂基體 的強度、剛性、耐蠕變和耐熱性。常用的纖維材料有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、天然纖維等

11、?；w材料有熱固性樹脂，如環氧樹脂、不飽和聚酯樹脂、酚醛樹脂；也有熱塑性樹脂，如聚乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸 酯等。用玻璃纖維或其他織物與環氧樹脂、不飽和聚酯等復合制備的玻璃鋼材料是一種力學性能很好的高強輕質材料，其比強度、比模量不僅超過鋼材，也超過其他許多材料，成為航空航天技術中的重要材料。表 4-7給出用玻璃纖維增強熱塑性塑料的性能數據，可以看到， 增強后復合材料的性能均超過純塑料性能，特別拉伸強度、彈性模量得到大幅度提高。纖維增強塑料的機理是依靠兩者復合作用。纖維具有高強度可以承受高應力，樹脂基體容易發生粘彈變形和塑性流動，它們與纖維粘結在一起可以傳遞應力。圖4-39給出這種復合作用示意圖。

12、材料受力時，首先由纖維承受應力，個別纖維即使發生斷裂，由于樹脂的粘 結作用和塑性流動，斷纖維被拉開的趨勢得到抑制，斷纖維仍能承受應力。 樹脂與纖維的粘結還具有抑制裂紋傳播的效用。材料受力引發裂紋時， 軟基體依靠切變作用能使裂紋不沿垂直應力的方向發展，而發生偏斜，使斷裂功有很大一部分消耗于反抗基體對纖維的粘著力， 阻止裂紋傳播。由此可見，纖維增強塑料時，纖維與樹脂基體界面粘合性的好壞是復合的關 鍵。對于與樹脂親合性較差的纖維，如玻璃纖維，使用前應采用化學或物理方法對表面改性，提高其與基體的粘合力?；谏鲜鰴C理也可得知， 在基體中，即使纖維都已斷裂， 或者直接在基體中加入經過表面處理的短纖維，只要

13、纖維具有一定的長徑比，使復合作用有效，仍可以達到增強效果。實際上短纖維增強塑料、橡膠的技術都有很好的發展，部分已應用于生產實踐。按復合作用原理，短纖維的臨界長度Lc可按下式計算：三、高分子材料的抗沖擊強度和增韌改性高分子材料抗沖擊強度是指標準試樣受高速沖擊作用斷裂時，單位斷面面積（或單位缺口長度）所消耗的能量。它描述了高分子材料在高速沖擊作用下抵抗沖擊破壞的能力和材料 的抗沖擊韌性，有重要工藝意義。但它不是材料基本常數，其量值與實驗方法和實驗條件有關。它也不是標準的材料強度性能指標。（一） 抗沖擊強度實驗測定材料抗沖擊強度的實驗方法有：（1）高速拉伸試驗；（2）落錘式沖擊試驗；（3）擺錘式沖擊

14、試驗。經常使用的是擺錘式沖擊試驗，根據試樣夾持方式的不同，又分為懸臂梁式沖擊試驗機（Izod）和簡支梁式沖擊試驗機（ Charpy,圖4-40）。采用簡支梁式沖擊試驗時，將試樣放于支架上（有缺口時，缺口背向沖錘），釋放事先架起的沖錘，讓其自由下落，打斷試樣，利用沖錘回升的高度，求出沖斷試樣所消耗的功 A, 按下式計算抗沖擊強度：, A,、Is=（4-68）s b “式中b和d分別為試樣沖擊斷面的寬和厚，抗沖擊強度單位為kJ m。若實驗求算的是單位缺口長度所消耗的能量，單位為kJ m 。圖4-40簡支梁式沖擊試驗機（Charpy）示意圖由公式（4-59）得知，材料拉伸應力-應變曲線下的面積相當于試樣拉伸斷裂所消耗的 能量，也表征材料韌性的大小。它與抗沖擊強度不同，但兩者密切相關。很顯然，斷裂強度高和斷裂伸長率電大的材料韌性也好，抗沖擊強度大。不同在于，兩種實驗的應變速率 不