材料结构与性能试题-答案.doc

材料结构与性能试题1、高分子结构特点：包括近程结构和远程结构。近程包括原子种类和排列、结构单元链接方式、支化与交联、序列结构和构型。原子种类和排列：碳链高分子、杂链高分子、元素有机高分子、梯形和双螺旋形高分子、端基。结构单元链接方式：是指结构单元在高分子链中的联结方式，如头尾、头头、尾尾等。支化与交联：支化破坏了分子的规整性，故结晶度大大降低。交联是指高分子链之间通过支链连接成一个空间三维网状结构。序列结构：以A、B两种单体单元所构成的共聚物为例，按连接方式可分为：交替共聚物、无规共聚物、嵌段共聚物、接枝共聚物。构型：指分子中由化学键所固定的原子在空间的几何排列。远程结构包括高分子链的大小和形态。高分子链的大小（质量）包括相对分子质量(分子量)和相对分子质量分布(分子量分布)。高分子链的形态(构象)：由于单键内旋转而产生的分子在空间的不同形态。工程塑料ABS：由丙稀腈，丁二烯和苯乙烯的三元接枝共聚物，因此兼具三种组分的特性：质硬、耐腐蚀、提高制品的拉伸强度和硬度。SBS嵌段共聚物：由阴离子聚合法制得的苯乙烯与丁二烯的共聚物。聚丁二烯（PB）常温下是橡胶，聚苯乙烯（PS）则是硬性塑料，二者不相容，因此是两相结构。PB相形成连续的橡胶相，PS则形成微区分散于树脂中对PB起交联作用.丁苯橡胶SBR：是由苯乙烯与丁二烯在BPO或氧化还原引发剂作用下，按照自由基聚合机理得到的无规共聚物。2、答:非晶态聚合物典型的热-机械曲线如下图，存在两个斜率突变区，这两个突变区把热-机械曲线分为三个区域，分别对应于三种不同的力学状态，三种状态的性能与分子运动特征各有不同。温度形变IIIIII在区域I，温度低，链段运动被冻结，只有侧基、链节、链长、键角等的局部运动，因此聚合物在外力作用下的形变小，具有胡克弹性行为：形变在瞬间完成，当外力除去后，形变又立即恢复，表现为质硬而脆，这种力学状态与无机玻璃相似，称为玻璃态。随着温度的升高，链段运动逐渐“解冻”，形变逐渐增大，当温度升高到某一程度时，链段运动得以充分发展，形变发生突变，进入区域II，这时即使在较小的外力作用下，也能迅速产生很大的形变，并且当外力除去后，形变又可逐渐恢复。这种受力能产生很大的形变，除去外力后能恢复原状的性能称高弹性，相应的力学状态称高弹态。由玻璃态向高弹态发生突变的区域叫玻璃化转变区，玻璃态开始向高弹态转变的温度称为玻璃化转变温度（glass temperature)，以Tg表示。当温度升到足够高时，在外力作用下，由于链段运动剧烈，导致整个分子链质量中心发生相对位移，聚合物完全变为粘性流体，其形变不可逆，这种力学状称为粘流态。高弹态开始向粘流态转变的温度称为粘流温度，以Tf表示，其间的形变突变区域称为粘弹态转变区。分子量越大，Tf越高。交联聚合物由于分子链间有化学键连接，不能发生相对位移，不出现粘流态。因此玻璃态、高弹态和粘流态称为无定形聚合物的力学三态。3、答：高弹性的特点：弹性模量小，比其它固体物质小得多，如：钢：20000MPa(210 ）;（公斤m=9.807MPa)，PE: 200MPa 结晶物； PS:2500MPa;橡胶: 0.2-8MPa.形变量大。可达1000%,一般在500%左右,而普通金属材料的形变量1。弹性模量随温度上升而增大，温度升高，链段运动加剧，回缩力增大，抵抗变形的能力升高。高弹形变有时间依赖性力学松弛特性，高弹形变时分子运动需要时间形变过程有明显的热效应，橡胶：拉伸放热；回缩吸热高弹性的本质：高弹性是由熵变引起的，在外力作用下，橡胶分子链由卷曲状态变为伸展状态，熵减小，当外力移去后，由于热运动，分子链自发地趋向熵增大的状态，分子链由伸展再回复卷曲状态，因而形变可逆。高弹性的热力学分析：高弹形变的热力学方程外力下发生高弹形变，除去外力后又可恢复原状，即形变是可逆的，因此可用热力学第一定律和第二定律进行分析。对轻度交联橡胶在等温（dT=0）下拉伸。物理意义:外力作用在橡胶上使橡胶的内能随伸长变化、使橡胶的熵变随伸长变化。熵弹性的分析。橡胶拉伸时，内能几乎不变，主要引起熵变，因此称高弹性为熵弹性。热力学分析得到的一条重要的结论：弹性力主要来自熵的贡献，故称橡胶弹性熵弹性。交联橡胶的统计理论。橡胶不交联，几乎没有使用价值，因此研究交联橡胶的高弹形变具有重要的实际意义。统计理论讨论的是橡胶弹性问题的核心形变过程中突出的熵效应，而忽略内能的贡献。4、答：室温下介电常数氯丁橡胶几乎是聚氯乙烯的3倍，因此室温下氯丁橡胶的介电常数大。这些主链含极性基团或极性基团与主链硬链接的聚合物，当温度提高到玻璃化温度Tg以上时，其介电常数将大幅度地升高，聚氯乙烯的介电常数将从3.5增加到15，因此PVC的介电常数会增大。5、答：小尺寸效应：随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。当粒子的尺度与光波波长、德波罗意波长及超导态的相干长度或透射深度等物理特性尺寸相当或更小时晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小，导致声、光、电磁、热力学等均呈现新的尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生如下一系列新奇的性质。特殊的光学性质特殊的热学性质特殊的磁学性质特殊的力学性质。表面效应：球状颗粒的表面积与直径的平方成正比，体积与直径的立方成正比，故其比表面积与直径成反比。对半径为r的球状超微颗粒而言，设原子直径为a，则表面原子所占的百分比例大体上为ar。对于普通物质，ar，表面原子所占比例很小，其呈现的性质对整个物质的性质没多大影响。而对于纳米颗粒，不能忽视表面性质。在更一般的情况下，纳米颗粒不可能是理想的球形，表面原子的影响就会更大，这就是人们所称的表面效应。量子尺寸效应（久保效应）：当粒子的尺寸降到一定值时金属费米能级附近的电子能级由准连续变为分立（离散）能级的现象、纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级和能隙变宽现象均称为量子尺寸效应。宏观量子隧道效应：微观粒子具有粒子性又具有波动性，因此具有贯穿势垒的能力，称之为隧道效应。近年来科学家们发现，一些宏观量如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量以及电荷等也具有隧道效应，它们可以贯穿宏观系统的势垒而产生变化，故称为宏观量子隧道效应。6、陶瓷材料加工主要分粉体合成、成型和烧结三步。制备粉体的方法主要有液相法、固相法和气相法三种。液相法的缺点是：存在硬团聚、粒径大小不均匀、纯度低以及性能不稳定。固相法的缺点是：反应只在相界面进行，随后扩散过程困难；难得到纯相体系；反应容器污染容器。成型方法分干法成型、塑性成型和料浆成型。干法又分为干压和等静压成型。干压的缺点是：各向异性；不适于尺寸大、形状复杂制品的设计；设备、模具费用较高。等静压成型缺点是：工艺效率较低，设备昂贵。先进陶瓷塑性成型方法主要有注射成型和挤出成型两种。注射成型缺点是：生产周期长、金属模具设计困难、费用昂贵等。挤出成型缺点是：物料强度低、容易变形；表面凹坑和起泡；开裂及内部裂纹；模具制造成本高；导致烧结收缩大。料浆成型主要分为注浆成型和流延成型两种。注浆成型缺点是：成型形状粗糙；注浆时间较长，劳动强度大；不易实现自动化；缺陷多，外观尺寸精度低。流延成型缺点是：有机溶剂具有一定的毒性，使生产条件恶化并造成环境污染；生产成本较高。烧结方法主要有无压烧结、热压烧结、热等静压烧结、微波烧结、SPS和反应烧结。热压烧结缺点是：热压炉非常昂贵，而且难以实现连续化大批量生产。微波烧结的缺点是：设备昂贵，需要专门设计；难于维持某个精确温度；有时会与不希望的杂质反应或与绝热层相污染；微波透明型材料很难被加热，不良热导体内部会形成大的温度梯度导致非均匀加热。SPS和热等静压烧结的缺点都是成本太高。反应烧结的缺点是：工艺过程复杂；成本高；素坯易开裂。7、答：高分子不是由单一分子量的化合物所组成，即使是一种“纯粹”的高分子，也是由化学组成相同、分子量不等、结构不同的同系聚合物的混合物所组成。这种高分子的分子量不均一(即分子量大小不一、参差不齐）的特性，就称为分子量的多分散性。高分子分子量多分散性的表示方法：以分子量分布指数表示，即质均分子量与数均分子量的比值，Mw / Mn Mw / Mn 分子量分布情况 1 均一分布 接近 1 (1.5-2） 分布较窄 远离 1 (20-50) 分布较宽 以分子量分布曲线表示。以被分离的各级分的质量分率对平均分子量作图，得到分子量质量分率分布曲线。可通过曲线形状，直观判断分子量分布的宽窄。绿线：分子量分布较宽，即分散程度大；红线：分子量分布较窄，即分散程度小。影响：分子量分布是影响聚合物性能的因素之一，分子量过高的部分使聚合物强度增加，但加工成型时塑化困难;低分子量部分使聚合物强度降低，但易于加工;不同用途的聚合物应有其合适的分子量分布:合成纤维是分子量分布易窄，而塑料薄膜和橡胶则分子量分布较宽。