材料工程基础复习题

1、以纳米金属为例说明粉未材料细化后的特性。

答：当粉体细化到纳米粉时就会表现出一些异常的功能特性：

① 纳米金属的熔点比金属块的熔点低很多，例如，金的熔点为1337K，而2ｕｍ的金颗粒的熔点则降低到600K；

② 纳米粉在很宽的频谱范围内都呈现出物理学的黑体现象，即不仅对可见光吸收，为黑色粉末，同时对电磁波也完全吸收；

③ 纳米磁性粉末颗粒以成为单磁畴结构，具有很高的矫顽力，例如纳米磁性金属的磁化率为普通金属的20倍，而饱和磁矩则是普通的二分之一；

④ 一些纳米颗粒的导电性能明显改善，呈现出超导特性，并且具有较高的超导临界转变。

纳米粉体之所以具有不同于一般块体材料的属性，是由于纳米颗粒的四个效应所决定的，即：小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应。 2、请叙述机械制粉法、物理制粉法与化学制粉法的定义，并比较三者之间的区别。答：①定义：机械制粉：通过机械破碎、研磨或气流研磨方法将大块材料或粗大颗粒细化的方法；

物理制粉：采用蒸发凝聚成粉或液体雾化的方法使材料的聚集状态发生改变，获得粉末；

化学制粉：依靠化学反应或电化学反应过程，生成新的粉态物质。化学制粉的方法很多，主要有还法、热分析法、沉淀法、电解法等。

②区别：

3、请比较机械研磨法中几种不同球磨方式的定义、工作原理及异同点。

答：机械研磨法中三种不同球磨方式。

①定义：滚筒式球磨：滚筒式球磨是磨球对粉料的撞击来实现的。

振动球磨：是通过机械振动使磨球产生很强的惯性力，从而使磨球间及磨球与磨筒间产生激烈冲击、摩擦等作用力，达到细化颗粒的目的。

搅拌球磨：又称为高能球磨，在球磨过程中，磨筒并不转动，磨球与粉料的运动是通过带有横臂的中心搅拌棒高速转动实现的。

②工作原理：滚筒式球磨：滚筒以速度V

实际（V

临1

实际

临2

）转动，磨球开始抛落

下来，形成磨球与滚筒及磨球与磨球之间的碰撞，从而将颗粒细化的过程。

振动球磨：装有粉料及磨球的磨筒固定于工作台上，整个工作台置于弹簧支撑上，工作台偏心激振装置使磨筒产生高频振动，然后将振动的能量传递到筒内的磨球，从而将颗粒细化的过程。

搅拌球磨：搅拌磨球的横臂均匀分布在不同高度上，并呈现一定角度。球磨过程中，磨球与粉料一起呈螺旋上升，到了上端后中心搅拌棒周围产生漩涡，然后沿轴线下降，如此循环往复，从而将颗粒细化的过程。

③异同点：以上三种的相同点是：都是利用动能来破坏材料的内结合力，使材料产生新的界面；不同点是：滚动式球墨主要是利用磨球与磨球及磨球和磨球与筒的撞击来实现研磨的；而震动球墨是利用磨球的惯性力来产生冲击，摩擦等；搅拌球磨则是利用中心搅拌的高速转动来实现运动的。

4、气流研磨法制粉有几种类型?请比较各自的定义、工作原理及工艺特点。

答：气流研磨法制粉有三种种类型。

①定义：旋涡研磨：为了研磨软金属粉末而开发出的一种制粉方法。

冷流冲击：利用金属的冷脆性而开发的一种粉末制取技术。

流态化床气流磨：粉碎作业时，高压气体通过特殊的喷嘴进入研磨室，使物料流态化，粉末颗粒被压缩气体加速后，自身相互碰撞、摩擦，达到粉末细化的目的。

②工作原理：旋涡研磨：研磨时，气体的流动是通过一对高速旋转的螺旋桨产生的，形成的两股相对气流，夹带着被研磨的粉末物料，使颗粒间或颗粒与螺旋桨间相互碰撞、摩擦，达到粉末细化的目的。

冷流冲击：将高速运动的粉末颗粒喷射到一个固定的硬质靶上，通过强烈碰撞而使粉末颗粒破碎。

流态化床气流磨：粉碎作业时，高压气体通过特殊的喷嘴进入研磨室，使物料流态化，粉末颗粒被压缩气体加速后，自身相互碰撞、摩擦，达到粉末细化的目的。

③工艺特点：旋涡研磨：为了防止金属氧化和安全起见，在研磨时需要通入惰性气体或还原性气体作为保护气氛。使用的原料可以是细金属丝、切削等。

冷流冲击：加速后的气体可超过音速，气粉混合物的温度迅速降低，这两点对颗粒的粉碎十分有利。粉末粒度与气流压力有关，气压越大，则粉末越细。

流态化床气流磨：可获得超细粉体，并且粉末粒度均匀；由于气体绝热膨胀造成温度下降，所以可研磨低熔点 物料；粉末不与研磨系统部件发生过度的摩损，因此粉末杂质含量少；针对不同性质的粉末，可使用空气、Ｎ２、Ar等惰性气体。

5、请叙述雾化法的类型、定义、基本原理及工艺特点。

答：雾化法的类型有：双流雾化法、离心雾化法。

①定义：双流雾化法：分为气雾化和水雾化两种方法，适合于金属粉末制备。

离心雾化法：是借助离心力的作用，将液态金属破碎为小液滴，然后凝固为固态粉末颗粒的方法。

②基本原理：双流雾化法：雾化制粉时，先由电炉或感应电炉将金属或合金熔化，再注入金属液中间包含。金属液由底部露孔流出时液流与沿一定角度高速射击的气体或水相遇，然后被击碎成小液滴。随着液滴与气体或水流的混合流动，液滴的热量被雾化介质迅速带走，使液滴在很短的时间内凝固成为粉末颗粒。

离心雾化法：主要有旋转电极法、旋转锭模法、旋转盘法、旋转轮、旋转杯和旋转网方法，原理如图所示。

③工艺特点：双流雾化法：

离心雾化法：

6、请叙述物理蒸发冷凝法的类型、定义、基本原理及工艺特点。

答：物理蒸发冷凝法的类型有：电阻加热方式、等离子加热方式、激光加热方式、电子束加热方式、高频感应加热方式。

①定义：利用金属蒸气冷凝制备超微金属粉末的方法。根据能量输入方式的不同可分为电阻加热方式、等离子加热方式、激光加热方式、电子束加热方式、高频感应加热方式。

②基本原理：

③工艺特点：

7、请叙述化学气相沉积的定义、基本原理、步骤、类型及工艺特点。

答：①定义：化学气相沉积：通过某种形式的能量输入（如加热分解）使气体原料发生化学反应，生成固态金属或陶瓷粉体的制粉方法。

②基本原理：（1）反应类型：①分解反应：aA(气）→m M（固） + nN(气）②化合反应：aA(气） + bB(气）→ m M（固） + nN(气）

③步骤：①化学反应：热力学判据 a. 分解反应 b.

②均匀形核：产物蒸气浓度过饱和等形成产物晶核（均匀形核过程）

（a）临界晶核r*

i)当rii)当r>r*时，随r增加，G减少，体系稳定，r应不断增大；

故临界晶核越小越好。

（b）温度升高， r*增大；过饱和程度 P/P0增大和r*减小，均有利于晶核形成。

③晶粒生长：受产物分子从反应体系中向晶粒表面扩散迁移速率控制。

④团聚： 颗粒之间聚集作用。颗粒越小越明显，应予以消除。

④类型：（1）热分解法（2）气相还原法（3）复合反应法

⑤工艺特点：（1）可以在常压或者真空条件下(负压“进行沉积、通常真空沉积膜层质量较好)（2）

可以控制涂层的密度和涂层纯度（3）可以通过各种反应形成多种金属、合金、陶瓷和化合物涂层

8、请说出金属氧化物还原反应的热力学与动力学条件。

答：①热力学条件：还原反应可以用一般的化学式表示：MeO+x(还原剂)=Me(金属)+XO ②动力学条件：①粉末制备出多数是多相反应而非均相反应，特别是固一气多相反应。②多相反应的特点：反应速度受反应物及生成物浓度、温度、界面特性及几何形状、反应相比例，溶体速度，形核，扩散等因素影响。③多相反应速度的控制环节，低温下化学反应控制，高温下扩散控制。

9、请叙述还原化合法制取金属粉未的类型及特点。

答：①类型：碳还原法、气体还原法、金属热还原法和还原——化合法。

②特点：

10、以电解法制取铜粉为例叙述影响制备过程与粉末粒度的因素与控制措施。

答：①因素：① 电流密度：电解制粉的电流密度比致密金属电解精练时的电流密度高得多。在能够析出粉末的电流密度范围内，电流密度越高，粉末越细，因为电流密度增大时，在阴极上单位时间内放电的离子数目越多，形成的晶核数愈多，所以粉末愈细。

② 金属离子浓度：电解制粉的金属离子浓度比电解精练时的饿金属离子浓度低得多。金属离子浓度越低，向阴极扩散的金属离子数量越少，粉末颗粒长大趋势减少，而形成松散粉末。

③ 氢离子浓度：氢离子浓度愈高，氢愈易于析出，愈有利于松散粉末的形成。

④ 电解液温度：温度升高时，电解粉末变粗。

②控制措施：

11、单颗粒及粉体粒径的表示方法有哪些?请说明粒度测定的方法及原理。

答：单颗粒及粉体粒径的表示方法有三轴径、当量径、定向径三种。

①方法：筛分析法、激光衍射法、沉降法。

②原理：筛分析法：筛分法有标准筛制和非标准筛制。

激光衍射法：①光照到颗粒时产生衍射现象。②小颗粒衍射角大，大颗粒衍射角小。

③某衍射角光强度与相应粒度的颗粒数量有关。

沉降法：a）沉降规律：在具有一定粘度的粉末悬浊液内，大小不等的颗粒自由沉降时，其速度是不同的，颗粒越大沉降速度越快。如果大小不同的颗粒从同一起点高度同时沉降，经过一定距离（时间）后，就能将粉末按粒度差别分开。b）光吸收率 I=f1（t）=f2（d）

第1章第6节玻璃的熔炼与凝固

1、简述玻璃的性质与结构特征。

答：①性质：五点特性；各向同性、无固定熔点、亚稳性、变化的可逆性、可变性。

②结构特征：从目前有关玻璃性质及其结构的研究资料看，可以认为短程有序和长程无序是玻璃态物质的结构特点。在宏观上玻璃主要表现在无序均匀和连续性方面，而在微观上它又是有序、不均匀和不连续的。

2、请叙述熔融冷却法形成非晶态玻璃的动力学条件，熔制原理与工艺流程。

答：①动力学条件：从动力学的角度讲，析晶过程必须克、克服一定的势垒，包括成核所需建立新界面的界面能以及晶核长大所需的质点扩散的激活能等。如果这些势垒较大，尤其当熔体冷却速度很快时粘度增加很大，质点来不及进行有规则排列，晶核形成和长大均难以实现， 有利于玻璃的形成。

②熔制原理：利用高温加热熔化配合料，制成均匀、无气泡并能成形的玻璃熔融液的过程。

③工艺流程：

第3章高分子材料的聚合

1、什么是高分子化合物?与小分子物质相比，材料有哪些结构特点?

答：①高分子化合物：高分子化合物又称高聚物，是由一种或多种低分子化合物（单体）通过化学聚合反应而形成，以共价键联结若干重复单元所形成的长链结构为基础的高分子量化合物。

②结构特点：1、高分子是由很大数目的机构单元组成的。2、一般高分子的主链都有一定的内旋转自由度。3、高分子有很多结构单元组成。4、只要有高分子链中存在交联，即使交联度很小，高聚物的物理力学性能也会发生很大的变化，最主要的是不溶解和不熔融。5、高聚物的聚集态有晶态和非晶态之分。6、要将高聚物加工成为有用的材料，往往需要在树脂中加入填料、各种助剂、色料等。

2、请写出加聚反应、缩聚反应、连锁聚合反应与逐步聚合反应的定义。与连锁聚合反应相比，逐步聚合反应有哪些特点?

答：①定义：加聚反应：将单体相互之间加成而聚合起来形成高分子的反应称作加聚反应。

缩聚反应：将单体相互化合形成高分子化合物，同时还有低分子副产物产生的反应，称作缩聚反应。

连锁聚合反应：用物理或化学方法产生活性中心，并且一个个向下传递的连续反应称为连锁反应。烯类单体一经引发产生了活性中心，若此活性中心有足够的能量，即能打开烯烃类单体的π键，连续反应生成活性链，称为连锁聚合反应。

逐步聚合反应：具有两个或两个以上反应官能团的低分子化合物相互作用，形成具有新的键合基团的聚合物的反应过程。

②特点：（a）由单体合成聚合物的过程是逐步完成的。（b）单体的转化率在反应初期就很大，中、末期转化率随反应时间变化不大。（c）聚合物的相对分子质量随反应时间的增加而增大。（d）反应活化能较高，反应热效应小，放热较少。

3、什么是自由基聚合?请叙述自由基聚合的特征。

答：①自由基聚合：在连锁聚合反应中，其中有一种形式是以自由基形式激活单体，即链增长活性中心为自由基，这种聚合反应称为自由基聚合。

②特征：① 自由基聚合反应在微观上可以明显的分为链引发、链增长、链终止[如偶合终止、歧化终止]及链转移等基元反应。其中引发速率最小，是控制总聚合速率的关键，可以概括为慢引发、快增长、速终止。② 绝大多数是不可逆反应。③ 绝大多数是连锁反应，只有增长反应才使聚合度增加，一个单体分子转变成大分子时间极短，不能停留在中间聚合度阶段。④ 聚合过程中，单体浓度逐渐减小，聚合物浓度相应提高。延长时间主要提高转化率，对分子质量影响较小。⑤ 少量（0.01%～0.1%）阻聚剂足以使自由基聚合反应终止。

4、请叙述本体聚合、溶液聚合、悬浮聚合与乳液聚合的定义及各自的优缺点。 答：①定义：本体聚合：除少量引发剂外，不另加溶剂或分散介质,只有单体本身在或催化剂、热、光、辐射的作用下进行的聚合反应。

溶液聚合：将单体和引发剂溶解于溶剂中进行聚合的方法称为溶液聚合，又将溶液聚合分为均相和非均相两种，后者也称为沉淀聚合。

悬浮聚合：是以水为介质并加入分散剂，在强烈搅拌之下将单体分散为无数个液珠，经溶于单体内的引发剂引发而进行的聚合。

乳液聚合：单体借助于乳化剂和机械搅拌作用分散在水中形成乳状液而进行的聚合反应。

②优缺点：本体聚合的特点：

（A）优点：

(a) 组分少，产品纯度高，是制备高分子透明材料常采用的方法。(b) 制成工艺较简单，操作也较容易。

（B）缺点：

（a）由于不加入溶剂或介质，使聚合体系粘度大，聚合热不易散除，反应温度难以控制，易产生局部过热，反应不均，生成气泡，甚至爆聚等。但这些缺点可通过缓和反应或在聚合前先溶入少量聚合物以及严格控制反应温度(逐渐升温)得以克服。 （b）由于聚合物的密度通常大于单体密度，而本体聚合又通常是在封闭的模具中进行的，所以聚合过程中的体积收缩问题比较突出，如处理不当，则会因收缩不均而产生皱纹，影响产品的光学及力学性能。

溶液聚合的特点：

（A） 优点：

（a）大量溶剂作为传热介质存在，使聚合热容易去，反应温度也较容易控制。 （b）对均相溶液聚合来说，产物粘壁的较少，容易实现大型化、连续化生产。 （B）缺点：

（a）由于溶剂的存在，常常会引起活性大分子链的溶剂链转移反应，使产物的相对分子质量降低，并产生支化。（b）聚合速率低，聚合度较小。（c）除净溶剂难。

悬浮聚合特点

（A） 优点：

(a) 体系组分较少，产品纯度较高；所以产品透明性和电性能均较好。

(b) 由于小液滴的比表面较大，水的比热容较大，所以散热、控温都比本体聚合好得多。通常悬浮聚合产品都为珠胶状，故又称为珠状聚合。(c) 悬浮聚合产品的分离、提纯比较容易。

（B） 缺点：

产品多少附有少量分散剂残留物，要生产透明和绝缘性能高的产品，须将残留分散剂除净。

乳液聚合特点：

（A） 优点：以大量水为介质，成本低，易于散热，反应过程容易控制，便于大规模生产，聚合反应温度较低，聚合速率快同时相对分子质量高。

（B） 缺点：需要固体聚合物时，要经过凝聚、洗涤、脱水、干燥等程序，因而工艺过程复杂；由于聚合体系组分多，产品中乳化剂难以除净，致使产品纯度不够高，产品热稳定性、透明度、电性能均受到影响。

第6章粉末材料的成形和固结

1、请分析粉未的形状、尺寸、堆积密度、粉末材料在压力下的运动行为对粉未材料成形工艺的影响情况。

答：（1）粉末的形状：颗粒形状不规则，流动性差，松散密度小，不利于成形工艺的控制。（2）粉末尺寸：颗粒尺寸小，松散密度小，成形性能差。（3）堆积密度：小颗粒加入大颗粒间，使堆积密度增大，从而使成形性能变好。（4）粉末在压力下的运动行为：a. 颗粒重排，颗粒间的架桥现象被部分消除，且颗粒间的接触程度增加。b. 颗粒发生弹塑性变形。c. 颗粒断裂。

2、叙述传统模压成形的主要步骤并分析影响成形的主要因素及改进措施。

答：①步骤：原料准备（粉末退火、混合、筛分、制粒、以及添加润滑剂和成形剂）→装模→加压→保压→脱模

②主要因素：

③改进措施：3、等静压成型有几种类型?请比较各自的定义、工艺特点。

答：等静压成型有四种类型。

①定义：湿法等静压：将粉末装入橡胶等可变形的容器中，密封后放入液压油或水等流体介质中，加压获得所需的形状。

干式等静压：将模具固定在高压容器中密封，加料后的弹性模送入压力室中，加压成形后退出来脱模。

软模压制：利用橡胶、塑料等弹性好、能装入其中，然后将装有粉末的软模放入钢模中，在普通压力机上加压，获得所需的形状。

热等静压：

②工艺特点：湿法等静压：无需粘合剂，烧结性能好，制品尺寸不受限。

干式等静压：适于大量同类型形状简单产品。

软模压制：生产效率不高，但在生产高密度的小型、异形等形状复杂制品上，应用起来比较方便。

热等静压：将加热与加压同时结合的方法。

4、增塑成形有哪几种方法?请比较其各自的定义、工艺特点。

答：增塑成形有四种类型。

①定义：挤压成形：又称为挤制或挤出成形，是利用压力把具有塑性的粉料通过模具挤出来成形的，模具的形状就是成形坯体的形状。

轧膜成形：a）辊压成形：对于非金属粉末，将加入粘结剂的粉料放入反向滚动的轧辊之间，使物料不断受到挤压，从而得到薄膜状坯体的一种成形方法。b）粉末轧制：对一定塑性的金属粉末，直接将其通过特制漏斗喂入反向滚动的轧辊缝隙，可轧出具有一定厚度、长度连续且强度适宜的板带坯料的方法。

注射成形：把粉料与热塑性树脂等有机物混练后得到的混合料，在注射机上于一定温度和压力下高速注入模具，迅速冷凝后脱模取出坯体的方法。

车坯成形：利用粘土的可塑性，采用真空练泥机挤出的泥段或注浆成形出的粗泥坯，在车床上加工成形的。

②工艺特点：挤压成形：生产效率高，产量大，操作简便。

轧膜成形：滚压成形生产效率高、薄片厚度均匀、设备较简单，能够成形出厚度很薄（可达10um）的膜片。

i）金属的粉末轧制与熔铸轧制比较有以下优点：

a. 能够生产常规轧制法难于或无法生产的板带材；

b. 能够轧制成分比较均匀的带材；

c. 粉末轧制的板带材具有各向同性的特点；

d. 粉末轧制工艺过程短，节约能源；

e. 粉末轧制法的成材率高，一般可达到80%～90%，而熔铸轧制法仅为60%或者更低。ii）金属粉末轧制与模压相比，优点是长度原则上不受，轧制的制品密度比较均匀。但是粉末轧制法生产的带材厚度受轧辊直径的（一般不超过10mm），宽度也受到轧辊尺寸的。

注射成形：注射成形的主要优点：适合大量生产，且大批量生产时成本可很低，成品的最终尺寸可以控制，一般不必再修整，易于经济地制作具有不规则表面、孔道等复杂形状的制品。缺点：时间长，浇口封凝后内部不均匀。

车坯成形：

5、浆料成形有哪几种方法?请比较其各自的定义、工艺特点。

答：增塑成形有六种类型。

①定义：注浆成形：把一定浓度的浆料注入石膏模中，与石膏相接触的外围首先脱水（或脱其它有机溶液）、硬化，粉料沿石膏模内壁成形出所需形状，经脱模、干燥后得到具有一定形状和强度的坯体，该方法称为注浆成形。

热压铸成形：先将粉料与蜡或有机高分子粘结剂混合、加热，使混合料具有一定流动性，然后将混合料加压注入模具，冷却后即可得到致密的、较硬实的坯体，该方法称为热压铸成形。

流延法成形：将超细粉中混入适当的粘结剂制成流延浆料，然后通过固定的流延嘴及依靠浆料本身的自重，将浆料刮成薄片状，经过烘干后得到所需的薄膜坯体，该方法称为流延法成形。

压力渗滤工艺和离心成形：料浆通过静压让模腔内液态介质通过多孔模壁排除，而使粉料固化成坯体，该工艺称为压力渗滤工艺。也称为离心注浆成形，是将料浆注入容器中，利用大的离心力使固态颗粒沉降在容器内壁而成形的方法。

凝胶铸模成形：把陶瓷粉体分散于含有有机单体的溶液中形成泥浆，然后将泥浆填充到模具中，在一定温度和催化剂条件下有机单体发生聚合，使体系发生凝胶，这样模内的料浆在原位成形，经干燥后可得到强度较高的坯体，该方法称为凝胶铸模成形。

直接凝固成形：利用胶体颗粒的静电效应制备出固相体积分数高、分散性好的悬浮体或料浆，再加入催化剂。料浆注入模具后，通过酶在料浆中的催化反应使泥浆聚沉成形的方法称为直接凝固成形。

②工艺特点：注浆成形：a.优点：可制造大而复杂的制品，且成本较低，设备简单。

b.缺点：生产周期长，生产效率低。

热压铸成形：A）采用熟料，即坯料需预先煅烧，这主要是为了形成具有良好流动性的铸浆和减少瓷件的收缩率，提高产品的尺寸精度。B）合理控制铸浆温度、模具温度、压力大小及持续时间。A）优点：适用于形状比较复杂的部件，易于工业规模生产。B）缺点：坯体中的蜡含量较高（约为23%），烧成时排蜡周期长，薄壁且大而长的制品易变形翘曲。

流延法成形：A）优点：生产效率比轧模成形大大提高，易于连续自动化生产；流延膜的厚度可薄至2～3um、厚至2～3mm，膜片弹性好、坯体致密度高。B）缺点：这种工艺对有机溶剂的选择比较敏感，同时水含量及水质对料浆流变性、坯体密度、产品部件的拉伸强度均有较大的影响。

压力渗滤工艺和离心成形：

凝胶铸模成形：A）优点：收缩小（干燥收缩为1%～4%，烧结收缩为16%～17%），生坯强度高，有机粘结剂用量低（2%～5%），并且可以成形形状复杂及大截面尺寸的部件。B）缺点：坯体干燥缓慢，颗粒分散不易均匀。

直接凝固成形：A）优点：可成形显微结构均匀的复杂形状的陶瓷制品。B）缺点：湿坯强度低，对异形大件脱模不利，颗粒分散不易均匀。

6、注浆成形与注射成形有何不同?影响工艺的关键因素是什么?如何保证?

答：①不同：

②关键因素：

③如何保证：

7、为什么要对压坯进行干燥、脱脂处理?干燥过程有哪些特点?

答：①原因：含水的坯体具有可塑性，强度低且易变形，烧成易开裂且延长烧成时间。含有较多有机物的坯体烧成前必须单独氧化和分解掉，否则易形成烧成缺陷。在烧成前必须干燥（脱水）或脱脂（排蜡）以提高坯体强度，缩短烧成周期，避免 烧成缺陷，提高产品质量。

②特点：干燥过程可分为三个阶段：

第一阶段是干燥过程中最主要的阶段，此阶段排出大量水分，在整个阶段中，排出速度始终是恒定的，故称等速干燥阶段。在此阶段中，水分的蒸发仅发生在坯体表面上，干燥速度等于自由水面的蒸发速度，故凡足以影响表面蒸发速度的因素都可以影响干燥速度。因此，在等速干燥阶段中，干燥速度与坯体的厚度（或粒度）及最初含水量无关。而与干燥介质（空气）的温度、湿度及运动速度有关。

第二阶段是降速干燥阶段，随着干燥时间的延长，或坯体含水量的减少，坯体表面的有效蒸发面积逐渐减少，干燥速度逐渐降低。此时，水分从表面蒸发的速度超过自坯体内部向表面扩散的速度，因此干燥速度受空气的温度、湿度及运动速度的影响较小。水分向表面扩散速度取决于含水量、坯体内部结构（毛细管状况）、水的粘度和物料性质等。通常非塑性和弱塑性料水分的内扩散作用较强。粗颗粒比细颗粒的强，水的温度越高，扩散也越容易。

第三阶段干燥速度逐渐接近零，最终坯体水分不再减少。当空气中干球温度小于100℃时，此时保留在坯体中的水分称为平衡水分。这部分水分被固体颗粒牢固地吸附着。平衡水分的多少，取决于物料性质、颗粒大小和干燥介质的温度与相对湿度。

8、请叙述固相烧结的定义、机理及基本过程。

答：①定义：在高温作用下，坯体发生一系列物理化学变化（包括有机物挥发、坯体内应力的消除、气孔率的减少物质迁移、二次再结晶和晶粒长大）,由松散状态逐渐致密化，且机械强度大大提高的过程称为烧结。没有液相参加的烧结。

②机理：① 扩散过程：粒子（空位）借助于浓度梯度进行的传质。

a 表面扩散：属表面迁移机制（烧结体基本尺寸不发生变化），指沿颗粒表面进行的扩散。

b 界面扩散：属表面迁移机制，指沿沿晶粒表面进行的扩散。

c 体积扩散：属体积迁移机制（烧结体基本尺寸发生变化），指沿沿晶粒内部进行的扩散。

② 蒸发—凝聚过程：属表面迁移机制。

颗粒之间存在不同的表面由率，因此各部分蒸气压不同（P凸>P平>P凹 ），各部分表面自由能不同（Q凸>Q平>Q凹），故物质从蒸气压高（凸面，表面）的地方蒸发而凝聚到蒸气压低的地方（凹面，颈部界面），引起物质迁移，使颈部不断长大。

③ 塑性流动过程：属体积迁移机制。

常温下粉末表面能不可能使粉末发生变形（剪切变形或流动），但高温时，粉末物质的塑性和液体性质大大增加，表面能大于粉末临界切应力，使粉末发生剪切变形或流动而发生凝结作用。固相烧结，高温下为塑性流动的流体而非牛顿型流体。

③基本过程：① 初期烧结颈形成阶段：主要为表面扩散与界面扩散，蒸发—凝聚过程（点接触变晶粒结合）。② 中间烧结颈长大解阶段：主要为界面扩散、塑性流动与体积扩散（形成连续孔隙网络，晶粒长大且孔隙不断减小）。③ 最终烧结阶段：主要为塑性流动与体积扩散（孔隙孤立、球化、收缩且不断消失）。

9、请叙述液相烧结的定义、机理及基本过程。

答：①定义：在高温作用下，坯体发生一系列物理化学变化（包括有机物挥发、坯体内应力的消除、气孔率的减少物质迁移、二次再结晶和晶粒长大）,由松散状态逐渐致密化，且机械强度大大提高的过程称为烧结。有液相参加的烧结称为液相烧结。

②机理：① 粘性流动过程：液相含量高时，液相具有牛顿型液体的流动性质。第1步，物质在高温下形成粘性流体，颗粒中心互相逼近，增加接触面积，发生颗粒间粘合作用，形成封闭气孔。第2步，封闭气孔的粘性压紧（在玻璃相包围压力下，由于粘性流动而密实化）。② 溶解沉析过程：细小粉末，小颗粒溶解于液相，再通过液相扩散在大颗粒上沉淀析出，导致大颗粒的长大与球化。③ 同“固相烧结机理”。

③基本过程：① 液相形成及颗粒重排阶段：坯体中气体通过扩散逸出，在液相毛细管力作用下，颗粒粘性流动而重排，得到更紧密堆积。（粘性流动过程）② 溶解与沉析阶段：液相扩散机制，加快物质迁移速度③ 固相形成刚性骨架阶段：由于固相颗粒移动、重排、溶解、沉淀，使固相结合成骨架。这样，在固相烧结中的许多过程在此阶段起作用（相邻粒子向接能点颈部扩散、塑性流动，并发生晶粒长大，使产品致密化）。

10、影响烧结的主要因素有哪些?应如何控制?

答：①主要因素：⑴ 烧结气氛 ⑵ 烧结压力 ⑶添加剂与活化烧结：

①如何控制：

11、请说出常见的烧结工艺有哪些?请比较其各自的定义、工艺特点。

答：①常见烧结工艺：无压烧结、加压烧结、反应烧结、微波烧结、电火花等离子烧结。

②定义：无压烧结：无压烧结指在大气压或真空状态下，将压制的坯体置于烧结炉中，按一定的烧结制度进行加热的普通烧结，是相对与加压烧结而言的。

加压烧结：加压烧结是将加压和加热同时并用，以达到消除孔隙的目的，从而大幅度提高粉末制品的性能的烧结工艺。

反应烧结：先将原材料（如制备Si3N4时使用Si粉）粉末以适当方式成形后，在一定气氛中（如氮气）加热发生原位反应合成所要的材料并同时发生烧结，该方法称为反应烧结。

微波烧结：

电火花等离子烧结：电火花烧结也叫等离子活化烧结或电火花等离子烧结，是利用粉末间火花放电所产生的等离子活化颗粒，同时在外力作用下进行的一种特殊烧结方法。

③工艺特点：无压烧结：

加压烧结：① 热压烧结：特点：热压压力比冷压压力小，且时间短，故产品晶粒细化，性能良好。

真空热压防止粉末被气氛污染② 热等静压特点：压力较热压法高，粉末体受压均匀，制品密度高。③ 烧结—热等静压特点：不需要包套（与热等静压比）压力较热等静压低，但产品性能优。

反应烧结：能够很精确地控制制品的尺寸变化，烧成致密度不高，一般低于90%

微波烧结：

电火花等离子烧结：① 烧结速率非常快；② 烧结体具有较小的晶粒尺寸，比非等离子体环境烧结得到的材料晶粒小一个数量级；③ 可烧成难烧结的材料，并且获得较高的烧结密度，达98%～99.5%；④ 烧结材料的最终收缩和收缩率均很大；⑤ 烧结得到的材料具有较高的室温力学性能。

12、什么是气硬固化?常用的气硬性胶凝材料有哪些?请分别叙述其气硬固化的机理。答：①气硬固化：指胶凝材料水化形成的胶粒或胶粒晶体在水中具有溶解性，因而材料只能在空气中保持强度，在水中则由于胶粒的溶解而不发生凝结或使已凝固的材料发生破坏。

②常用的气硬性胶凝材料有石膏、石灰、氯氧镁水泥、水玻璃等。

③机理：⑴ 石膏① 成分：CaSO4·0.5H2O

② 凝结硬化机理：

a）CaSO4·0.5H2O+1.5H2O→ CaSO4·0.5H2O

b）CaSO4·2H2O 溶解度小于CaSO4·0.5H2O，比表面积大于后者，需更多水包裹，使浆体变稠失去可塑性而凝结。

c）CaSO4·2H2O胶粒凝聚成晶核长大使浆体产生强度直至完全干燥。

⑵ 石灰① 成分：CaO

② 气硬固化机理：

a）CaO+H2O →Ca(OH)2

b）结晶作用：Ca(OH)2从饱和溶液中结晶。（位于石灰硬化体内部）

c）碳化作用： Ca(OH)2+CO2+n H2O →CaCO3+(n+1)H2O（位于石灰硬化体表层）

⑶ 菱苦土① 成分：MgO

② 凝结硬化机理：xMgO+yMgCl2·6H2O→xMgO·yMgCl2·z H2O

⑷ 水玻璃① 成分：不同比例碱金属与SiO2组成

② 凝结硬化机理：Na2O·SiO2+CO2+mH2O→ NaCO3+nSiO2·mH2O

13、什么是水硬固化?请叙述硅酸盐水泥的主要矿物成分及其水化产物与凝结、硬化机理及过程。

答：①水硬固化：指水泥材料的固化，即水泥加水搅和后，先成为可塑性的水泥浆体，随着水化反应的不断进行，浆体逐渐变稠而失去可塑性，转变为具有一定强度的固体，切能在水中继续硬化并增长或保持其强度。

②硅酸盐水泥的主要矿物成分及其水化产物：硅酸盐水泥中的水硬性材料主要是硅酸盐，其次是少量的铝酸盐，包括硅酸三钙（3CaO·SiO2）、硅酸二钙（2CaO·SiO2）、铝酸三钙（3CaO·Al2O3）和铁铝酸四钙（4CaO·AlO3·Fe2O3）。这些硅酸盐等与水发生的水解或水化作用。

③机理：① 概念：水化是水泥产生凝结硬化的前提，凝结硬化则是水泥水化结果。凝结是水泥浆体失去流动性而有一定塑性强度，硬化是水泥浆固化后而具有一定机械强度。两者指同一过程的不同阶段。

② 结晶理论：水泥熟料矿物与水发生水化反应，由于水化产物溶解度小于反应物，故结晶沉淀，水化产物不断沉淀，即在液相中溶解-沉淀过程不断进行，使结晶体交联而凝结、硬化。

③ 胶体理论：水泥水化时产生大量含水的胶体物质，内部未水化颗粒水化（内吸作用）而使外部颗粒失水，这个过程（从外到内）不断进行，使胶体凝聚变硬。

④过程：① 水泥加水—水泥浆体具有可塑性阶段：水泥加水拌和后，水泥颗粒表面的熟料矿物先溶于水，形成相应的水化物，由于各种水化物的溶解度很小，水化物的生成速度大于水化物向溶液中扩散的速度，在几分钟内，水泥颗粒周围的溶液成为水化物的过饱和溶液，先后析出Aft，C-S-H，CH等水化物，包裹于水泥颗粒表面。在水化初期，水化物不多，包有水化物膜层的水泥颗粒之间还是分离的，水泥浆具有可塑性。

② 水泥浆体具有可塑性阶段—水泥初凝：水泥颗粒不断水化，新生水化物增多，使包在水泥颗粒表面的水化物膜层增厚，颗粒间的空隙逐渐缩小并逐渐接触，形成多孔的空间网状凝聚结构。水泥浆开始失去可塑性，即水泥发生初凝（但不具有强度）。

③ 水泥初凝—水泥终凝：随着以上过程的不断进行，固态水化物不断增多，结晶体和凝胶体相互贯穿形成的凝聚—结晶网状结构不断加强。而固相颗粒之间的空隙不断减少，结构紧密。这时水泥失去可塑性并有一定强度，表现为终凝，并开始进入硬化阶段。

④ 水泥硬化阶段：水化速度逐渐减慢，水化物随时间的增长而逐渐增加，扩散到毛细孔中，使结构更趋致密，强度不断提高。

第7章高分子材料的聚合

1、什么是塑料的挤出成形?塑料的挤出过程分为哪几个阶段?请叙述各阶段的工艺特点。

答：①塑料的挤出成形：是借助与螺杆或柱塞的挤压作用，使受热融化的塑料在压力的推动下连续通过模口，而成为具有恒定截面的连续型材的成形方法。

②塑料的挤出过程分为熔融、成形和定性三个阶段。

③工艺特点：在熔融阶段，将固态塑料通过螺杆转动向前输送，在外部机筒加热器和内部螺杆对物料剪切作用产生的摩擦热的作用下，逐渐融化，最后完全转变成熔体，并在压力下压实。在成形阶段，熔体通过口模，在压力的作用下成为形状与口模截面形状相似的一个连续体。在定行阶段，将从机头中挤出的塑料的既定形状稳定下来，对其进行精整，从而获得更为精确的截面形状、尺寸和光滑的表面。

2、什么是塑料的注射成形?注射成形工艺过程包括那几个阶段?请叙述各阶段的工艺特点。

答：①塑料的注塑成形：是将粒状或粉状塑料从注射成形机的料斗送入机筒内，加热熔融塑化后，在柱塞或螺杆加压下，物料被压缩并向前移动，通过机筒前端的喷嘴，以很快的速度注入闭合模具内，经过一定时间的冷却定形后，开启模具即得制品。

②注塑成形过程分为成形前的准备、注射、制件的后处理等。

③工艺特点：成形前的准备：包括原料的检验、原料的预热及干燥、嵌件的预热和安放、试摸等；

注射：包括加料、塑化、注射入模(要求较高的注射压力）、保压冷却和脱模等几个步骤。

制件的后处理（a）原因：塑料在机筒由塑化不均匀或在模腔内冷却速度不同，常会发生不均匀的结晶和收缩，使制品存内应力而影响性能。（b）处理方法：使制品在室温的加热液体介质或在热空气循环烘箱中静置一段时间。

3、什么是塑料的中空吹塑成形?吹塑工艺可分为哪三种方法?请叙述挤出吹塑中空成形的工艺过程。

答：①塑料的中空吹塑成形：塑料的中空吹塑成形是将挤出或注射成形所得的半熔融态管坯置于各种形状的模具中，在管坯中通入压缩空气将其吹胀，使之紧贴于模腔壁上，再经冷却脱模得到中空制品的成形方法。

②吹塑工艺分为吹塑工艺可分为挤出吹塑、注塑吹塑和拉伸吹塑。

③工艺过程：挤出吹塑工艺过程是：通过挤出机将塑料熔融并成形管坯，再闭合模具夹住管坯，插入吹塑头，通入压缩空气，在压缩空气的作用下形坯并附着在型腔壁上成形，成形后进行保压、冷却、定形并放出制品内的压缩空气、开模取出制品、切除尾料。

注射吹塑工艺可分为两个阶段：第一阶段，由注射机将熔体注入带吹气芯管的管坯模具中成形管坯、启模、管坯带着芯管转到吹塑模具中；第二阶段，闭合吹塑模具，压缩空气通入芯管吹胀管坯成形制品，当管坯转到吹塑模具中时，下一管坯成形即开始。

拉伸吹塑工艺过程：管坯除了吹塑使其径向拉伸外，借助拉伸芯管使管坯轴向也产生拉伸，拉伸吹塑制品内聚合物分子链沿两个方向整齐排列。

第4篇材料的复合(第13、14、15、17章)

1、请叙述复合材料的定义、种类及其组成。

答：①定义：采用物理或化学的方法，使两种或两种以上的材料在相态（如连续相：基体；不连续体：增强相）与性能相互的形式下共存于一体之中，以达到提高材料的某些性能，或互补其缺点，或获得新的性能（或功能）的目的。

②种类：（1）按用途分为结构材料（用于制造受力构件的复合材料）和功能材料（具有各种特殊性能，如阻尼、导电、导磁、换能、摩擦、屏蔽等）两类。

（2）按复合材料各成分在材料集散情况，分为三类：分散（掺和）强化型复合材料、层状（结合型）复合材料、梯度（功能型）复合材料。

（3）按基体材料类型分为金属基复合材料（如铝基复合材料、钛基复合材料等）、聚合物基复合材料、陶瓷基复合材料。

（4）按增强原理分为弥散增强型复合材料、晶须增强型复合材料、纤维增强型复合材料。

③组成：

2、复合材料的界面的结合形式有哪几种?界面结合强度是如何影响复合材料的

强化效应?答：复合材料的界面的结合形式有粘结结合、溶解结合、反应结合。

3、简单复合准则的模型有几种?如何利用以上准则进行弹性模量的设计?

答：简单复合准则的模型有并列模型、串列模型这两种。

4、陶瓷复合材料的韧化机制分为哪几种?叙述其各自的基本原理。

答：①：陶瓷复合材料的韧化机制分为桥梁机制、相变机制、微裂纹机制、残余应力机制、裂纹偏转机制、弯曲机制、韧性与强度的关系。

②基本原理：桥梁机制：强化相直接承受压力，阻止裂纹扩展【对裂纹施加一种闭合作用力（桥接作用）】

复合材料，由于存在少量不稳定的，裂纹尖端附相变机制：典型的是部分稳定ZrO

2

近应力集中部位的拉应力将会诱发t- ZrO2→m- ZrO2相变，使体积膨胀，在裂纹尖端附近形成膨胀，在裂纹尖端附近形成膨胀压缩压变场，从而导致压应力场的产生，起到阻碍裂纹扩展的作用。

微裂纹机制：微裂纹的产生将在其周围产生压应力场。主裂纹尖端引入微裂纹，形成压应力场，阻碍主裂纹扩展。

残余应力机制：通过复合，材料内部产生一定的残余压应力场，不利裂纹扩展。

裂纹偏转机制：由于强化相存在，使裂纹在材料中扩展发生偏转（呈锯齿形扩展），导致能量消耗而使扩展困难。

弯曲机制：强化相对裂纹的扩展起阻碍作用，使裂纹的先端路径产生弯曲，扩展所需能量增加。 韧性与强度的关系：

(1) 金属基复合材料：对颗粒分散型而言，随强化相的含量增加，韧性降低。

(2) 陶瓷基复合材料：加入适当的强化相，利用上述增韧机制，可使强度与韧性同时提高。

5、简述陶瓷基复合材料中增强体的种类、特性及制备方法。

答：①种类：增强纤维、晶须、陶瓷片状晶体与硬质颗粒。

②特性：增强纤维：．金属纤维特性：密度大、热膨胀系数大、易氧化、高导电率、延展性大。陶瓷纤维特性：高温下使用受限。碳纤维特性：抗氧化性能差。

晶须：SiC晶须高强度。NbC晶须其成分与生物骨骼成分相近，可取代之。

陶瓷片状晶体与硬质颗粒：

③制备方法：增强纤维：金属纤维制备方法：由拉丝法制成。陶瓷纤维制备方法：有机硅前驱体分解法制成。碳纤维

晶须：SiC晶须氧化硅热碳还原法、升华法、热分解法和气相反应法。NbC晶须用氧化铌（Nb2O5）和活性炭作原料，添加少量NaCl和蔗糖，在1150～1300度的氮气和氩气条件下，合成NbC晶须。

陶瓷片状晶体与硬质颗粒：片状陶瓷晶体（晶片）：SiC和Al2O3晶片，其制造方法同晶须；硬质颗粒：常见SiC和Al2O3，制造方法同陶瓷粉体。

6、请叙述颗粒弥散陶瓷基复合材料的组成、制备方法及强韧化的机理。

答：①组成：硬质陶瓷相（SiC、Al2O3、TiN、BN等）、可相变相（t-ZrO2）、金属及其合金等延性相（Fe、Co、Ni等）、基础材料主要有Al2O3、ZrO2、Si3N4、SiC等各种陶瓷材料。

②制备方法：SiC、Al2O3、TiN、BN等硬质颗粒弥散强化的陶瓷复合材料的制备方法，一般与典型的陶瓷单体材料的制备方法相同，例如需要粉料处理、混合、烧结以及后续热处理等。工艺上特别需要注意之外，

c如何让使密度不同的物相能够均匀的混合在一起；d要考虑添加的物相可能形成的热失配（过大的热膨胀系数差）。

③强韧化机理：利用氧化锆在压力下的不可逆相变消耗的能量达到增韧补强的效果。 1．ZrO2从高温液相冷却时，L 立方相（C） 四方相（t） 单斜相（m）；

2．稳定化ZrO2：添加固溶体CaO、MgO等使立方相保持室温而不相变，单韧性不高；

3．部分稳定ZrO2：减少固溶体量，使C→t→m相变量较少，则在冷却过程发生微裂纹尾部由于相变产生的体积膨胀而闭合，从而达到增韧效果。

7、请叙述晶须强韧化陶瓷基复合材料的制备方法及增韧机理。

答：①制备方法：一、晶须的表面处理：（影响晶须的增韧效果的主要因素）

1．原位处理方法：将晶须表面物质除去或改性；

2．（电）化学涂层法：使晶须表面形成氧化物凝胶包覆层。

二、晶须在基体中的均匀分散

1．晶须分离

由于纤维状的晶须容易结团，在液态介质中容易絮状集结，故需要将拟使用的晶须单根单根地分离开来。

分离地方法有两种：

（1）机械力的方法：即将晶须放入液态介质中，进行强力搅拌，以打散团聚； （2）用辅助电化学的方法：即使晶须在介质中“电泳”，以将单根单根的晶须从团聚体中分离出来并沉淀道电极的一端。

2．晶须与基体混合：可以采用球磨的方式。

3．干燥是为了以防止已经均匀分散的晶须重新分离和团聚，其方法有抽真空过滤、快速冷冻干燥及搅拌蒸发等措施。

三、晶须复合材料的烧结

由于晶须的架桥作用而比粉末单体材料要困难一些，因而多采用加压烧结的方法，例如热压烧结、热等静压烧结、气压烧结、高温熔融压力渗透反应等。

②增韧机理：在颗粒弥散强化陶瓷材料中，ZrO2颗粒的相变增韧占有重要地位。其原理是利用氧化锆在压力下的不可逆相变所消耗的能量达到增韧补强的效果。

8、请叙述纤维增强陶瓷基复合材料的制备方法及增韧机理。

答：①制备方法：（1） 工艺：纤维处理（涂层）→纤维的编织和叠层→将基体物质充填到纤维之间→压制和烧结等。（2） 充填方法：化学气相沉积、化学气相渗透、高温熔融渗透、室温浆料浸渍、反应烧结等。

②增韧机理：1．纤维加入可增加材料强度；2．纤维增强陶瓷材料的断裂方式有脆性断裂转变为非脆性断裂。

9、简述纳米陶瓷复合材料的类型。

答：①类型：1．晶内型 2.晶界型 3.晶内——晶界混合型 4.纳米——纳米型 10、简述陶瓷基功能复合材料的性能及制各工艺。

答：①性能：可变电阻、多层电容器、柔性压电陶瓷复合材料。

②工艺：可以分为粉末烧结法、气相析出法、有机高分子合成法、液态基体复合法、自蔓延燃烧合成法、等离子体喷射法以及电解析出法等。

11、简述陶瓷与金属接合的目的及结合方法。

答：①目的：由于两者机械强度与耐高温性能各有所长，另外出于降低成本考虑。

②结合方法：1．机械接合：如陶瓷管封装到金属管内部（外部）。2．夹杂粘结剂的接合：Mo中加入少量有机粘结剂及Mn到陶瓷表面。3．陶瓷表面金属化的接合：将金、银等金属涂到陶瓷上，用于还原气氛烧结。