2个Mg阳离子颈缩和烧结构
P: 0/1dX: 73.8 dY.-1236.Xv:0.124 Yv: 0.123 Prs: 1.50 Size: 188.度来保洪自发形核。晶核数量愈多，则晶粒愈细。23/23（2）在金属结
P: 0/1dX: 73.8 dY.-1236.Xv:0.124 Yv: 0.123 Prs: 1.50 Size: 188.
度来保洪自发形核。晶核数量愈多，则晶粒愈细。
23/23
（2）在金属结晶时，有目的地在液态金属中加入某
些杂质，做为外来晶核，进行非自发形核，以达到细
化晶粒的目的，此方法称为变质处理。
（3）在结晶过程中，采用机械振动、超声波振动、
电磁搅拌等，也可使晶粒细化。
5.若在液体中形成一个半径为r的球形晶核时，证明
临界形核功AG与临界晶核体积V之间的关系为
AGK＝-1/2VKAGV。
a）证明因为临界晶核半径TK
＝
O
20
AGY
AGy＝Gg-GL
临界晶核形成功AGK
163
3 （AGy）2
故临界晶核的体积
所以AGK
O2AGY
6、分析纯金属生长形态与温度梯度的关系
o纯金属生长形态是指晶体长大时界面的形貌，它取决于界面
前沿液体中的温度分布。
（1）当液体具有正温度梯度时，晶体以平面状方式推进长大。
此时，界面上任何偶然的小的凸起伸入液体时，都会使其过
冷度减小，长大速率降低或者停止长大，而被周围部分赶
上，因而能保持平面的推移。
（2）当液体具有负温度梯度时，晶体以树枝状方式推进长大。
此时，界面上任何偶然的小的凸起伸入到液体时，由于前方
液体有更大的过冷度，有利于晶体长大和凝固潜热的散失，
从而使长大速度增大，形成树枝状。
:45Y:930.5Xv:0.036 Yv:-0.008 Prs:1.52 Size:212.5
18/23与体心立方类似，但属于简单立方结构
atom
at 8 comers
oBCC应该是正方体的八个顶点与体心原子
相同。氯化铯位于正方体八个顶点的是氯
离子（或铯离子）处于正方体中心的是铯
离子（或氯离子），因此它的晶体结构不是
BCC。它应该是两个简单立方点阵的结
合。Cl
P82.8
（1）单体质量：
12×2＋1×2＋35.5×2＝97 g/mol
（2）聚合度＝6000/97≈620
第三章作业
o过冷度指熔体实际开始结晶温度T与理论结晶温度
Tm（熔点）之间的温度差AT＝Tm-Tn；
o动态过冷度指固体长大过程中，固-液界面液相一侧
温度T与理论结晶温度T（熔点）之间的温度差
ATK＝Tm-Ti
o临界过冷度指的是熔体中以均匀形核方式形成临界
P: 0/1TdX: 107.5 dY: -1056.Xv: 0.004 Yv: 0.014 Prs: 3.52 Size: 188.
20/23直指的是熔体中以均匀形核方式形成临界
晶核所对应的过冷度△T＊。
2、分析单晶体形成的基本条件？
o单晶材料的获得，要保证结晶时只产生一个晶核并
长大成晶体。因此，单晶体的制备关键是材料的纯
度及结晶速度的控制。
o材料必须极为纯净，避免异质或晶体结构缺陷形
核。而控制结晶速度极为缓慢，则是为了控制过冷
度，消除额外形核。
3、为什么非晶态线型高分子在Tg温度以下
呈现硬且脆的力学状态？
因为非晶态线型高分子在Tg温度以下处于玻璃
态，该状态下分子运动机制仅有链节、侧基等小
单元能运动，分子链段和整个分子链均处于冻结
状态，所以呈现硬且脆的力学性能。
4、根据凝固理论，试述细化晶粒的基本途径。
P:0/1dX:77.4dY:-765.9Xv:0.0Yv:0.0Prs: 4.73 Size: 180.04
根据凝固理论，试述细化晶粒的基本途径。23/23
（1）在液态金属结晶时，提高冷却速度，增大过冷度，来促进自发形核。晶核数量愈多，则晶粒愈细。（2）在金属结晶时，有目的地在液态金属中加入某些杂质，做为外来晶核，进行非自发形核，以达到细化晶粒的目的，此方法称为变质处理。
（3）在结晶过程中，采用机械振动、超声波振动、电磁搅拌等，也可使晶粒细化。
5.若在液体中形成一个半径为r的球形晶核时，证明临界形核功AG与临界晶核体积V之间的关系为AGK＝-1/2VK4GV。
a）证明因为临界晶核半径O
20
TK＝AG
AGy＝Gg-GL
16πc3
临界晶核形成功AGK＝
3（△Gy）2
故临界晶核的体积
所以△GK
K
AG
2
6、分析纯金属生长形态与温度梯度的关系
o纯金属生长形态是指晶体长大时界面的形貌，它取决于界面前沿液体中的温度分布。
（1）当液体具有正温度梯度时，晶体以平面状方式推进长大。此时，界面上任何偶然的小的凸起伸入液体时，都会使其过冷度减小，长大速率降低或者停止长大，而被周围部分赶上，因而能保持平面的推移。
（2）当液体具有负温度梯度时，晶体以树枝状方式推进长大。
P:0/1dX:49.0dY:-408.8Xv:0.0
Yv: 0.0
Prs: 2.41
Size: 196.
推导六系中晶向的三指数和四指数互换的公
12/23uvtw
三轴指数和四轴指数描述同一晶向，
所以：ua1＋va2＋ta3＋wc＝Ua1＋Va2＋Wc
由几何关系a1＋a2＝-a3且t＝-（u＋v）
联立以上三个方程，同矢量方向的系数相等，即可
得出结论：
U＝2u＋v， V＝2v＋u， W＝w，
代入t＝-（u＋v），得U＝u-t. V＝v-t
反推可得：
＞ u＝ （2U - V）/3， v＝ （2V - U）/3， t＝ -（U ＋V）/3
第二章作业
1.固熔体和金属间化合物在成分、结构和性能上的差异？
＞成分和结构上：固溶体保有溶剂的晶格结构，固溶体的成
分可以在或大或小的范围内变化。金属间化合物的晶体结
构不同于组成它的任一组元，以分子式来表示其成分，具
有确定的化学组成。
＞在性能上：形成固溶体和金属间化合物都能强化合金，但
固溶体的强度、硬度比金属间化合物低，塑性、韧性比金
属间化合物好，也就是固溶体有更好的综合机械性能。4.碳和氮在y-Fe（面心立方结构）中的最大固熔度分别为w（C）＝2.11％，w（N）＝2.8％。已知C、N原子均位于八面体间隙，
试分别计算八面体间隙被C、N原子占据的百分数
固熔度（质量分数）可以换算成摩尔分数，可以得到一个
晶胞中的原子个数比例为：
Fe:C:N＝81.89:8.47:9.64
面心立方结构中的堆积球和八面体空隙的比例是1：1，
P:0/1dX: 49.7
dY: -603.2 Xv: 0.100 Yv: -0.069Prs: 3.02 Size: 196.
7/236题
某温度下晶体中的空位平衡浓度
n:某温度下晶体中平衡空位个数
G W-AexplN:晶体中所含原子总个数
A:由振动熵决定的系数
E:形成一个空位所需能量；
＝AcplQ:形成1mol空位所需能量
K:玻尔兹曼常数；
T:绝对温度
6.14×1013
P55.12
（1）能够进行。因为既满足几何条件：b前＝
b后＝［11
又满足能量条件：∑b前2＝＞∑b后2＝1a
（2）b合＝；该位错为弗兰克不全位
错。［111］
3
P55.14D-
位错间距离D、伯氏矢量b与取向差0之间满足下列关系
bb
b
sin2
D
2D
2sin
对称倾斜晶界
2
P:0/1dX: 127.8dY:-770.5Xv:0.0
Yv:0.0
Prs: 1.95 Size: 155.0
位错10/23
矢量b与取向差之间满足下列关系
bb
b
sin2
D
＝
2D
2sin
对称倾斜晶界
2
当θ＝1°，D＝14nm；
＝10°，D＝1.4nm时，即位错之间仅有5～6个原子间距，此时位错密度太大，说明当角较大
时，该模型已不适用。
晶体结构（点阵）与空间点阵的区别
空间点阵（space lattice）是晶体中质点排列的几何学抽象，用以描述和分析晶体结
构的周期性和对称性，由于各阵点的周围环
境相同，它只能有14中类型。
晶体结构（crystal structure）是晶体中实际质点（原子、离子或分子）的具体排列
情况，它们能组成各种类型的排列，因此，
实际存在的晶体结构是无限的。
推导六方晶系中晶向的三指数和四指数互换的公
式：［UVW］←→［uvtw］
三轴指数和四轴指数描述同一晶向，
所以：ua1＋vaz＋tas＋wc＝Ua1＋Va2＋Wc
由几何关系a1＋a2＝-a3 且t＝-（u＋v）
联立以上三个方程，同矢量方向的系数相等，即可
得出结论：
U＝2u＋v， V＝2v＋u， W＝w，
代入t＝-（u＋v），得U＝u-t. V＝v-t
反推可得：
＞ u＝ （2U - V）/3， v＝ （2V - U）/3， t＝ -（U ＋ V）/3
）＜
P:0/1dX: 126.5 dY: -591.0Xv: 0.007 Yv: 0.004 Prs: 3.52 Size: 180.0
BC5/23晶格主要晶面的原子排列和密度
体心立方晶格面心立方晶格
晶面指数晶面原子
晶面原子密度
晶面原子
晶面原子密度
排列示意图（原子数/面积）
排列示意图
（原子数/面积）
［100｝2
［110］1.4
4x＋22＝14
2a22a
a2a
111a
Za
3x
6＝0582aa
3×1-6r3＊123
a2
22a
BCC、FCC晶格主要晶向的原子排列和密度
体心立方晶格面心立方晶格
晶向指数晶向原子
晶向原子密度
晶向原子
晶向原子密度
排列示意图（原子数/长度）
排列示意图
（原子数/长度）
＜100＞2x1
212xI
＜110＞2x1
a-
07
aaa
.
1.4
2aa
＜111＞Ba
1.16
2x1
20.58
aBaa
a
aa
P54第6题
某温度下晶体中的空位平衡浓度
n:某温度下晶体中平衡空位个数
G-W-Aexpl-T）N:晶体中所含原子总个数
A:由振动熵决定的系数
E:形成一个空位所需能量；
-Aexpl-Q:形成1mol空位所需能量
K:玻尔兹曼常数；
P:0/1dX: 192.8dY: -596.5Xv: 0.0
Yv:0.0
Prs: 4.69 Size: 163.
3/23仅适用于简单晶胞，对于复杂晶胞则
要考虑附加面的影响
立方晶系：
fcc当（hkl）不为全奇或全偶数时，有附加面
a如｛100｝，｛11/0｝
bcc当h＋k＋l＝奇数时（即两一奇或
全为奇），有附加面：
如｛100｝，｛111
密排面和密排方向
o在体心立方（BCC）晶格中，原子密度最大
的晶面为｛110｝称为密排面。原子密度最大
的晶向为＜111＞，称为密排方向。
在面心立方（FCC）晶格中，密排面为（111｝，密
排方向为＜110＞。
BCC、FCC晶格主要晶面的原子排列和密度
体心立方晶格面心立方晶格
晶面指数晶面原子
晶面原子密度
晶面原子
晶面原子密度
排列示意图（原子数/面积）
排列示意图
（原子数/面积）
［100］4x1
41
2学
［110］4×2＋1
41.4
_1.4
P:0/1dX: 32.5dY: -0.2 Xv: 0.0Yv: 0.0Prs: 3.78 Size: 171.5
作图表示立方晶体的（123）012）晶面及
1/23
0221晶碗。
第一章作业（421）
（123）（012）
T0211346］
＝
［211］2/3
1/2
1/2附图2.1有关晶面及品向
晶面间距
两近邻平行晶面间的垂直距离，用dk表示
1
正交晶系，d＝
a＝B＝y＝90°
立方晶系简化为：→dn
a
h2＋k2＋12
上述公式仅适用于简单晶胞，对于复杂晶胞则要考虑附加面的影响
立方晶系：
fcc当（hkl）不为全奇或全偶数时，有附加面d＝2
a
1a
如｛100｝，｛110｝
2√h2＋k2＋12
hec当h＋k＋＝奇数时（即两偶一奇或
P:0/1dX:76.5dY:-723.2Xv:0.0 Yv: 0.0Prs: 5.50 Size: 188.
室合金的相组成物为a＋β，组织组成物为a＋β
0/O相对量计算如下：0.90-0.20
＝×100％＝82％
0.90-0.05
0.20-0.05
W3＝×100％＝18％
组织组成物的相对量与相的一致0.90-0.05
室温下，合金的相组成物为a＋β，组织组成物为β初＋（a＋β）
相组成物相对量计算如下：0.90-0.80
W＝×100％＝12％
0.90-0.05
0.80-0.05
＝100％＝88％
0.90-0.05
0.80-0.50
＝100％＝75％
组织组成物相对量计算如下：0.90-0.50
0.90-0.80
Watp）100％＝25％
0.90-0.50
（3）设合金的成分为wB＝x，由题意知该合金为过共晶成分，于是有
x-0.50
W0.90-0.50
×100％＝5％
所以，x＝0.52，即该合金的成分为wB＝0.52。
7计算含碳wc＝0.04的铁碳合金按亚稳态冷却到室温后，组织中的珠光体、二次渗碳体和莱氏体的相对量：并计算组织组成物珠光体中渗碳体和铁素体、莱氏体中二次渗碳体、共晶渗碳体与共析渗碳体的相对量。
GE
F
K
PS
根据Fe-Fe3C相图，wc＝4％的铁碳合金为亚共晶铸铁，室温下平衡组织为 P＋ Fe3Cl＋ Ld＇，其中P和Fe3C1系由初生奥氏体转变而来，莱氏体则由共晶成分的液相转变而成，因此莱氏体可由杠杆定律直接计算，而珠光体和二次渗碳体则可通过两次使用杠杆定律间接计算出来
相组成物100
50F
相对量％0Fe3C
100Fe3Cll
组织组成物（F）
Fe3 CI
50
相对量X％P
L＇e
铁碳合金的成分与组织的关系
1600
1538L＋8
1500
1495Wc＝ 4％
8
14004-2.11
13948＋YL相对量
W×100％＝86.3％
L＇
13004.3-2.11
L＋Y1227
12001148
L＋Fe3CI
11002.11
4.30
上
1000
912Y＋aY＋Fe3C＋L
Fe3CI＋Ld
900L
770
800XY＋Fe3 C
a727
7000.02180.774.3-42.11-0.77
600-:We c4.3-2.11 6.69-0.77
×100％＝3.1％
500Fe3 CP＋Fe3CP＋Fe3 Cn＋LLFesC＋La
P: 0/1dX: 95.0dY: -681.0Xv: 0.308 Yv:-0.312 Prs: 1.29 Size: 179.
8/86.69-0.77
P中F相对量WF＝WpX×100％＝9.38％
6.69-0.001
P中Fe3C相对量： we.c＝10.6％-9.38％＝1.22％.＋
共晶渗碳体：液态铁碳合金中，由共晶反应所生成
的共晶混合物中的渗碳体，是莱氏体（La）（含碳
量4.3％）中的渗碳体.（属于一次渗碳体）
共析渗碳体：在共析温度（727℃）从珠光体（P）中
析出的渗碳体，呈片状分布在珠光体中。
一次渗碳体是从液相中直接析出的。
二次渗碳体是从奥氏体中析出的。
三次渗碳体是从铁素体中析出的。
莱氏体中共晶渗碳体、二次渗碳体及共析渗碳体
的相对量的计算，需采取杠杆定律的关联方式
注意：共晶渗碳体在共晶转变线处计算，而二次渗
碳体及共析渗碳体则在共析转变线处计算
4.3-2.11
La中共晶渗碳体相对量：w
＝w6.69-2.11
×100％＝41.27％
6.69-4.32.11-0.77
L中二次渗碳体相对量:Wcm＝6.69-2.116.69-0.77
×100％＝10.2％
La中共析渗碳体相对量：
6.69-4.36.69-2.11
0.77-0.0218
WCm共折＝w，X×100％＝3.9％
La6.69-2.116.69-0.776.69-0.0218
残余的奥氏体（发生共析转变）的量
L＇中奥氏体的量
P:0/1dX: 72.5
dY: -635.0 Xv: 0.0Yv: 0.0Prs: 5.71 Size: 188.
铁碳合金的成分与组织的关系
6/8
15001495Wc＝ 4％
14004-2.11
13948＋yLa′相对量：w，
×100％＝86.3％
L＇
130043-2.11
L＋Y1227
12001148
一--
L＋Fe3C
1100上
2.11
4.30
1000
912Y＋aY＋FeC＋Ld
LdFe3CI＋Ld
900770
800Y＋Fe3 C
727
7000.02180.774.3-4
2.11-0.77
600WFeC＝
×100％＝3.1％
-＋4.3-2.116.69-0.77
500HFe3 CP＋Fe3CP＋Fe3 C＋LFesC＋La
400a＋PFeC-
300230
200H4.3-46.69-2.11
100％＝10.6％
100H4.3-2.116.69-0.77
Fe 0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.05.56.06.69
wc（％）
珠光体中渗碳体和铁素体的相对量的计算则以共
析成分点作为支点，以wc＝0.001％和wc＝6.69％
为端点使用杠杆定律计算并与上面计算得到的珠
光体相对量关联得到6.69-0.77
P中F相对量：Wp＝Wp××100％＝9.38％
6.69-0.001
P中FeC相对量：Wec＝10.6％-9.38％＝1.22％.t
共晶渗碳体：液态铁碳合金中，由共晶反应所生成
的共晶混合物中的渗碳体，是莱氏体（L）（含碳）
量4.3％）中的渗碳体.（属于一次渗碳体）
共析渗碳体：在共析温度（727C）从珠光体（P）中
析出的渗碳体，呈片状分布在珠光体中。
一次渗碳体是从液相中直接析出的。
P:0/1dX: 104.4
dY: -1.5 Xv: 0.0 Yv: 0.0Prs: 5.75 Size: 188.
2.根据图4-17所示二元共晶相图，试完成：
1/8
析合金I，II的结晶过程，并画出冷却曲线
（2）说明室温下合金I，I的相和组织是什么，并计算出相和组织组成物的相对量
（3）如果希望得到共晶组织加上相对量为5％的β初的合金，求该合金的成分.B
I
tAL
1
22
β
33
A20
50
S0
90B
WB/10-2
T/KTK
L0Lβ
2＇L（a＋）
a→βan
I/s
合金的冷却曲线合金的冷却曲线
解（1）合金的结晶过程如下：
1以上，合金处于液相；
1～2时，发生匀晶转变L→a，即从液相L中析出固熔体a，L和a的成分沿液相线和固相线变化，达到2时，凝固过程结束；
2时，为a相；
2～3时，发生脱熔转变，a→β
合金的结晶过程如下：
1以上，处于均匀液相；
1～2时，进行匀晶转变L→β；2时，两相平衡共存；
2～2＇时，剩余液相发生共晶转变；
2～3时，发生脱熔转变a→β
（2）室温下，合金I的相组成物为α＋β，组织组成物为α＋β
相组成物相对量计算如下：0.90-0.20
＝100％＝82％
0.90-0.05
0.20-0.05
＝×100％＝18％
组织组成物的相对量与相的一致0.90-0.05
室温下，合金ll的相组成物为a＋β，组织组成物为β初＋（a＋β）.
相组成物相对量计算如下：0.90-0.80
W＝100％＝12％
0.90-0.05
0.80-0.05
W＝100％＝88％
0.90-0.05
0.80-0.50×100％＝75％
组织组成物相对量计算如下0.90-0.50
0.90-0.80
Wat p）＜100％＝25％
090-0.50
P:0/1dX: 146.1 dY: -810.7Xv: 1.110 Yv:-2.668Prs: 2.40 Size: 171.5
18/1820
号25
20sPLA
sPLA-0.5％CMC
sPLA-2.5％CMCsPLA-5％CMC
Figure 8. Ultimate tensile strength and percentage elongation of the sPLA and sPLA-CMC biocomposite.
15
Conclusions
A facile and hasty technique involving solvent-free composition has been
1adopted for the fabrication of stereocomplex PLA/CMC biocomposites
which showed outstanding thermal， mechanical， and barrier properties.
2 By the combined effect of enhanced stereocomplexation and the CMC
fillers， the improved storage modulus （～3500 MPa） and the tensile
strength （～96％） over neat sPLA。
dea from this paper
表面改性PLA
密炼机
纳米复合材料
PCL
提高NCC和高分子的相容性OH...0
0Ho
PLA和PCL二者本身相容性不好通过与NCC形成氢键作用，改善其相容性
THANK YOU ！
P:0/1dX: 40.9
dY:-336.8 Xv: 0.0Yv:0.0
Prs: 1.92 Size: 213.0
RDISCUSSIONS
15/18Fraction of stereocomplex crystallites(%)
(a)sC
11.8--20.6
(b)o
20
4060
100
HC HCHC239
sPLA-5%CMC
sPlA-5%CMCsPLA-2.5%CMC
sPLA-2.5%CMCsPLA-0 5%CMO
t.sc
16.6Xc,total
sPLAXc.
sPLAXc,hc
147PDLA
PDLAC: .HC: Hmy
51015
20
25
3020
40
60
80100
2 theta()Degree of crystallinity(%)
Figure 5. X-ray diffraction of sPLA and sPLA-CMC biocomposite (a) and its degree of crystallinity (b).RESULT AND DISCUSSIONS
Barrier Properties.
25The oxygen permeability was found to
,wrwwr wo)35C
45creduce by ~25%
This reduction can be attributed to the
increased crystalline domain in the matrix
SPLA
sPLA-0.5%CMC
SPLA-2.5%CMC
sPLA-5%CMCprevents the diffusion ofoxygen molecules
Figure 7. Oxygen permeability of sPLA and sPLA-CMC
biocomposite.
RESULT AND DISCUSSIONS
65100
60Ultimate Tensile Strength
improved ~96%
Elongation at Break80
(edw)a sual55045405202560
(%)yeaug re uogeBuol3
20
20sPLA
sPLA-0.5%CMC
sPLA-2.5%CMCsPLA-5%CMC
Figure 8. Ultimate tensile strength and percentage elongation of the sPLA and sPLA-CMC biocomposite.
15
Conclusions
A facile and hasty technique involving solvent-free composition has been
adopted for the fabrication of stereocomplex PLA/CMC biocomposites
which showed outstanding thermal, mechanical, and barrier properties.
P:0/1dX: 164.1dY: -771.5Xv: 0.0 Yv: 0.0Prs: 3.99 Size: 163.
ITRODUCTION
4/18
In this work， a simple method for chemical modification of CMC and its
subsequent use in the fabrication of stereocomplex PLA cellulose biocomposite.PDLA grafted CMC has been produced by in situ ring opening bulk polymerizationof D-lactide in the presence of CMC.
Mechanical， barrier， and thermal properties of biocomosite are significantly
improved.
EXPERIMENTAL SECTION
Preparation of PDLA Grafted CMC.Materials.
D-lactic（D-乳酸）
Tin oxide（SnO）（二氧化锡）
CMC（微晶纤维素）
Surace initiated ring opening polymerizatiorhexafluoroisopropanol（HFIP）
n-sit（六氟异丙醇），
BulkTin octoate
ROF
CMCstannous octoate（酸亚锡）
nealed at 120＂
h of PLAstals oFigure 3. Cartoon for the modification of CMC
Annealed at 120＇Cand its demonstration by AFM images
meriatin
EXPERIMENTAL SECTION
Preparation of PDLA Grafted CMC.Table 1. Molecular Weight and Specific Rotation of the
Synthesized PLA
sample nameM（kDa）
PDI
［a］2s89
LA at120
Surface initiated ring opening polymerizationPLLA
239
1.5
-157
PDLA182
15
156
in-situ
BulkPDLA-1％CMC
192
2.1
Tir
CelluloseROP
PDLA-5％CMC
222
1.9
PDLA-10％CMC217
2.1
＂M: Weight-average molecular weight， PDI: Polydispersity index
a2s9: Specific rotation
PLA CMO
Annealed at 120at room temperatur
thof PLAFigure 3. Cartoon for the modification of CMC
nnealed at 120＇
he affinity of pand its demonstration by AFM images
hains towards CM
EXPERIMENTAL SECTION
Preparation of Stereocomplex PLA CMC Biocomposite
Fabrication of stereocomplex PLA-CMC biocomposite via melt extrusion process
Hydrogen bonding between
carbonyl carbon and methyl g
PDLA grafted CMCǐ
responsible for stereocomplex
formationOH
PLLA
P:0/1dX: 179.8dY:-533.2Xy:0.0Yy: 0.0
Prs: 1.12 Size: 188.
EXPERIMENTAL SECTION
8/18
Preparation of Stereocomplex PLA CMC Biocomposite
Fabrication of stereocomplex PLA-CMC biocomposite via melt extrusion process
Hydrogen bonding betweer
carbonyl carbon and methyl group
PDLA grafted CMCresponsible for stereocomplex
formation
PLLA
Heating ZoneCooling
ExtruderExtruded
strip
PLLA:PDLA-CMC blendsPLA-CMC
in melt conditionbiocomposite
RESULT AND DISCUSSIONS
Synthesis of PDLA Graft CMC12
PDLA1453
1754382，
36868
PDLA graft CMC894
Characterisitc peak for PLA
175419001800170016001500
3287317
29051373
Wave Number（cm＇）
CMCM
Characteristic peak of
PLA＝1754 cm
3384894
Presence of C＝O peak
1427
1642
289813731317
prove that the PLA
chains are grown on
40003500
3000
1500
1000
the surface of CMC
Wave Number （cm＇）
Figure 1. FTIR spectra of CMC， graft CMC， and PDLA.
RESULT AND DISCUSSIONS
（a）（b）
（d）
CMC DispersedPDLA-1％CMC_RT
PDLA-1％CMC_120C
PDLA-1
0％CMC 120
（c）（g）
PLA
chasCMC
CMCBar Size ＝ 5 un
PDLA-120CsPLA
sPLA-5％CMC
Figure 2. AFM images of the dispersed CMC （a）， PDLA-1％CMC （room temperature）（b）， PDLA-1％CMC （annealed at 120C）（c）， PDLA-10％ CMC （annealed at 120 C） （d）， pristine PDLA （annealed at 120 C） （e）， pristine sPLA （annealed at 120C）（f）， and sPLA-5％CMC （annealed at 120C）（g）.
RESULT AND DISCUSSIONS
（a）（b）
:日
＋
（c）（d）
P:0/1dX: 145.5dY:-652.4Xv: 0.003 Yy:0.006Prs: 1.15 Size: 171.
RESDISCUSSIUNS
12/18
（c）WD
Mg0.28K.K
T1342
Figure 9. FESEM images of the CMC particles （a）， fractured surface of sPLA （b），
sPLA-2.5％CMC （c）， and sPLA-5％CMC（d） biocomposite
RESULT AND DISCUSSIONS
Exo（a）AHm:34.8 J/g
（b）
144.1°c
Cn
sPLA-5％CMC208
Hm:48.2 J/gsPLA-5％CMC
140.4c
sPLA-2.5％CMC209.8
）Hm:49.4 J
（asHo）MoH
sPLA-2.5％CMO
128°c
SPLA-0.5％CMC209.1
sPLA-0.5％CMC
-116.2
AHm:15.2-J/g
sPLA151.8
179.3211.1
sPLA
306090120150180210240306090120150180210240
Temperature（C）Temperature（C）
Figure 4. DSC thermogram of sPLA and sPLA-CMC biocomposite （heating cycle）（a） and cooling cycle （b）.
CMC helped in the formation of Stereocomplex Formation （立构复合体）
RESULT AND DISCUSSIONS
The dynamic mechanical analysis （DMA）
10000improved storage modulus to～3500MPa
1000
（edw）
sninpow100
sPLA
sPLA-0.5％ CMC
0sPLA-2.5％ CMC
-sPLA-5.0％ CMC
406080100120140
Temperature（C）
Figure 10. Storage modulus of the sPLA and sPLA-CMC biocomposite.
RESULT AND DISCUSSIONSFraction of stereocomplex crystallites（％）
（a）11.8
SC20.6SC
（b）
02040吧
80
100
so
HC HC HC23.9
sPLA-5％CMC
SPLA-5％CMOsPLA-2.5％CMC
sPLA-2.5％CMCsPLA-0.5％CMC
PLA-0f，sc
16.6Xc.total
sPLAXc，s
sPLA
P:0/1dX:0.0
dY:0.0
Xv:0.0
Yv:0.0
Prs: 1.23 Size: 188.0
Sustainable
Chemistry＆ Engineering
Cellulose Functionalized High Molecular Weight Stereocomplex
Polylactic Acid Biocomposite Films with Improved Gas Barrier，
Thermomechanical Properties
功能化纤维素高分子量聚乳酸立构复合物的制备及其气体阻隔性和热稳定性的研究
Arvind Gupta and Vimal Katiyar
ACS Sustainable Chemistry ＆ Engineering， 2017，5，6835-6844Fengcai Lin
November 2， 2017
Experimental section
Contents2
Characterization and discussion
3Idea from this paper
INTRODUCTION
立构复合体
高分子立构复合体是指高分子异构体之间通过协同性的立构选择相互作用力形
成的一类特殊的高分子晶体。高分子立构复合体以其均聚物相比具有更为优异
的性能，例如更高的熔点，更好的结晶性等。
聚乳酸（PLA）是一种生物可降解的高分子，其玻璃化温度和熔点分别为60和
175℃，有D型和L型两种光学异构体，即聚D-乳酸（PDLA）和聚L-乳酸（PLLA）INTRODUCTION
In this work， a simple method for chemical modification of CMC and its
subsequent use in the fabrication of stereocomplex PLA cellulose biocomposite.PDLA grafted CMC has been produced by in situ ring opening bulk polymerizationof D-lactide in the presence of CMC.
P:0/1dX:-6.4
dY:6.4Xv:-0.477Yv:0.490Prs: 0.84Size: 179.5
67/67（指裂纹的长度超过临界长
度而进行扩展的裂纹）尖端
Begin附近引入微裂纹，利用其所
形成的压应力场，可以起到
阻碍主裂纹扩展的作用。
线性效应平均效应，混合定则
相补效应
相抵效应
乘积效应
材料复合效应非线性效应系统效应
诱导效应
复共振效应
合界面效应
阻断效应，不连续效应，散射和
效吸收效应，感应效应，界面结晶效应、界面化学效应
弥散增强机制
应增强原理颗粒增强机制
与纤维增强机制
界机械结合，溶解和浸润结合，
面金属基及陶瓷基
反应结合，氧化结合，混合结合
界面结合类型化学键合，浸润-吸附结合，
树脂基
复合材料的界面扩散结合，机械结合，静电结合
力学要求：能传递各种类型的载荷
对界面的要求物理化学要求：界面稳定性好
可关注的学术期刊1.复合材料学报
2.高分子学报
3.高分子材料科学与工程
1. Composites Science and Technology2. Composites Part A
3. Composites Part B: Engineering
4. Materials Science and Engineering: A5. Materials Science and Engineering: B6. Acta Materialia
7. Scripta Materialia
8. Progress in Materials Science
1/33组汇报作业评分表
评价内容评价指标
评分
权值
紧扣主题、文献有代表性，能反映
质量该领域研究前沿动态，条理性强50
尽量查阅近5年的文献。
版面设计合理美观，条理清晰、字
ppt版面设体清晰，重点突出，多媒体形式多汇报内容严重抄
15
计样
袭者，将被重重
思路清晰：语言表达准确，概念
清楚，论点正确；分析归纳合理，扣分！
讲演讨论结论严谨：讲述时间符合要求。25
回答问题环节有理论根据，基本
概念清楚
认真听取汇报以及主动参与探
提问10-
讨的积极性
合计100.
小组作业汇报形式：
以ppt为主，最好有配以和主题相关的
短视频、图例或动画的实例介绍。
汇报时间：～10min
答辩环节：课后书面完成（随机抽取其
他小组成员提3个相关问题进行作答）
请各个小组务必于10月30日之前把研学作业汇报ppt等相关文档资料上传到课程Q群的“小组研学作业”文件夹，文件统一命名格式为“第？小组汇报作业”。格式要求
PPT首页应提供以下信息
8/33主要内容
1.简介主标题
2.实验说明
3.结果与讨论颜色条
4.结论编制幻灯片编号便
于听众提问7
图表化
生产情况汇总
A厂年产100吨，B厂年产200吨，C
厂年产240吨，D厂年产80吨。
5/33制作PPT的顺序1确定好一个模板确定要讲解的内容2理顺内容的逻辑关系3精雕细琢
4反复讲解
5如何制作PPT内容提示
图表化
·适宜动画、声音效果·文字相关
其它
格式要求
3/33
PPT首页应提供以下信息
1、课题名称
2、小组成员学号、姓名及其具体贡献3、汇报人和汇报日期3
为什么PPT如此重要？
学术领域论文
答辩
小组学术
岗位竞聘、述职汇报
学术
会议
产品发布和推介领域
商务会谈
大型演讲、会议论文
开题
等讲解
报告
10/33图表化
生产情况汇总
·A厂年产100吨·B厂年产200吨·C厂年产240吨·D厂年产80吨较好
图表化
生产情况汇总
公司年产量（吨）
A100
B200
240
D80
好
图表化
生产情况汇总
12/33图表化
生产情况汇总
300
250240
200200
年产量
吨150
100100
80
50
0A厂B厂C厂
厂家信息最好
11
图表化
第一类回火脆性
脆性①不可逆
特征2与回火后冷速无关
③晶界脆断
产生Fe3C薄膜在晶界形成
原因杂质元素P、S、Bi等偏聚晶界
好
产生晶界强度
原因FeC
元PS，Bi
12
表格的处理
各个公司的年产量
公司年产量（吨）
A100
难以
14/33表格的处理
各个公司的年产量
公司年产量（吨）
A100
难以
B200
读取
C240
D80
E70
F300
G40
各个公司的年产量
公司年产量（吨）
A100
B200
C240
容易
D80
读取
E70
F300
G40
13
颜色种类
材料科学与工程是非常重要的学科14
颜色反差
以染色底为侧
备注的妙用
P::11.3
Xv:0.077
Yv:0.670Prs: 1.03Size: 179.5
21/33小结
MSE
---T-m-N--0---N-m-y----m-m1
合金在热挤压过程中发生了动态再结晶且三元合
金优于二元合金
2板材的织构
典型的＜2
土织构
合金再结晶修改后的效果只构的演变起了
3重要作用
4稀土溶质元素的溶质拖拽作用也能够产生对合金
织构的弱化作用备注区
chol of MatealsZhizhong Yuan
Sence Enginering
（1）显微组织分析表明挤压合金显示了再结晶的显微组织，说明合金在热挤压过程中发生了动态再结品，三元合金的再结品情况要优于二元合金，
（2）挤压板材的织构分析显示，在合金挤压方向的极图中，没有呈现出传统的＜1010＞/ED的丝织构。而是呈现出一定角度的偏转，由＜1010＞方向朝向＜0001＞方向偏转。出现了典型的＜2-1-11＞稀土织构
（3）对Mg-1Gd-1Nd三元合金的EBSD分析显示，在两合金的kikuch取向差角分布图中，均出现了明显的30角的峰值，说明合金再结晶品粒长大过程对合金织构的演变起了重要作用。同时稀土溶质元素在合金变形加工过程中所起到的溶质拖拽作用也能够产生对合金织构的弱化作用
国）备注
批注
＋
60％E
19
研究背景及选题意义
激光材料
随着激光器功率的不断提高，人陶瓷
单晶
玻璃
们对激光材料提出更高的要求大尺寸
可
否
可
热导率高
高
低
高掺杂可
否
可
高抗热制备周期
短
长
短
震性抗热震性
高
高
低
高掺杂激光
大尺寸
材料综合比较陶瓷，单晶，玻璃性能可得，陶
高热导瓷是更符合高功率激光器发展的激光材料
率
18/33大段文字处理
小结好
1合金在热挤压过程中发生了动态再结晶且三元合
金优于二元合金
2板材的织构出现了典型的＜2-1-11＞稀土织构
3合金再结晶晶粒长大过
程对合金织构的演变起了
重要作用
稀土溶质元素的溶质拖拽作用也能够产生对合金
4织构的弱化作用
17
备注的妙用如何制作与讲解ppt报告［兼容模式］-PowerPoint
←←将大段详细文字放入备注区
信息
新建从而可以方便背诵练习
份数：1
打开打印
保存
另存为打印机
①
小结
打印Canon MP280 series Prin..
脱机合金在热挤压过程中发生了动态再结晶且三元合
共享金优于二元合金
打印机属性2
板材的织构土织构
导出设置
3
合金再结品修改后的效果构的演变起了
重要作用
关闭打印全部幻灯片
稀土溶质元素的溶质拖拽作用也能够产生对合金
打印整个演示文稿织构的化作用
帐户灯片
选项备注页
（1）显微组织分析表明挤压会金显示了再结品的显微组织，说明合金在热挤压
打印带备注的幻灯片过程中发生了动态再结品，三元合金的再结品情况要优于二元合金。
单面打印（2）挤压板材的织构分析显示，在合金挤压方向的极图中，没有呈现出传统的
只打印一侧的页面＜1010＞/ED的丝织构。而是呈现出一定角度的偏转，由＜1010＞方向朝向＜000D＞
调方向偏转，出现了典型的＜2-1-11＞稀土织构，
1.2312.312.33）对Mg-1Gd-1d三元合金的EBSD分析显示，在两合金的kuchi取向差
分布图中，均出现了明显的30角的峰值，说明合金再结晶品粒长大过程对合
纵向金织构的演变起了重要作用，同时土溶质元素在合金变形加工过程中所起到
的溶质拖拽作用也能够产生对合金织构的弱化作用
打印时选择页眉和页脚
＂备注页＂68
68共167页18
16/33颜色反差
金属材料工程金属材料工程
金属材料工程
颜色反差好颜好
最清晰最清晰
不要被电脑屏幕的绚丽色
彩和良好反差所迷惑15
大段文字处理
小结
1.显微组织分析表明挤压合金显示了再结晶的显微组织，说明合金在热挤压过程中发生了动态再结晶，三元合金的再结晶情况要优于二元合金。
2.挤压板材的织构分析显示，在合金挤压方向的极图中，没有呈现出传统的＜1010＞/ED的丝织构。而是呈现出一定角度的偏转，由＜1010＞方向朝向＜0001＞方向偏转。出现了典型的＜2-1-11＞稀土织构。
3.对Mg-1Gd-1Nd三元合金的EBSD分析显示，在两合金的kikuchi取向差角分布图中，均出现了明显的30°角的峰值，说明合金再结昌晶粒长大过程对合金织构的演变起了重要作用。同时稀土元合金变形加工过程中所起到的溶质拖拽作用也能够产生对的弱化作用。
23733橙
汁，而不是
子
PPT最核心目的是让听众理解讲授内容炫酷的各种形式是为了目的而服务
最需要下功夫的方面
内容之间的逻辑性
内容的吸引力
讲解的效果21
（明确标明PPT结束！！）
谢谢大家
请提出宝贵意见！
http:/210.34.85.102/v3/common.html夜外
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知网详细列表帮助
帮助
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多媒体数据库万方
帮助
EI（工程索引）帮助
两岸关系数据库
OvidSP
维普智立方移动端帮12
帮助
特色数据库Books/CABAbstracts ERIC FSTA
台湾农业数据库
超星读秀云舟移动图书馆帮12
Science Direct期刊帮助
台湾工程数据库
考试学习类数据库超星电子书超星期
帮12
SpringerLink期刊全文
帮助
》台湾电子书数据库（试用）23
校图书馆专业数据库
中文资源英文资源
1.CNKI（中国知1. Web of
网）Science
ScienceDirect
2.维普咨询2.
3.万方3.Wiley
SCI-Hub
https:/http://tool.yovisun.com/scihub/
27/33b
https:/http://tool.yovisun.com/scihub/
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本站实时自动检测并更新SCl-Hub的可用网址链接，由于网络及地区（学校）的限制，不一定所有网址都能在您所在的位置访问。通常情况下，一半以上是有效的。SCI-Hub:科研分享，知识无界，让我们一起消除科学的障碍。本页面长期有效，如对您有所帮助，请收藏并推荐给需要的朋友。（SCl-Hub介绍，作者自述）如有疑问：1.请先查阅《常见问题帮助》，90％的问题可以得到解决，或点击底部的意见反馈，我会第一时间回复你
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3.如果您还是无法获得文献，可以加入我建立的QQ群。【点击一键加群】或【手机扫描群二维码器】（请先自己努力尝试，尽量不要做伸手党）
域名SSL安全链接
状态
最后检测时间
http:/sci-hub.sehttps:/sci-hub.se
可用
2021-09-10
16:00:30
http:/sci-hub.sthttps:/sci-hub.st
可用
2021-09-10
16:01:14
http:/sci-hub.ruhttps:/http://sci-hub.ru
可用
2021-09-10
16:01:08
注1：2021年及以后的新论文scihub基本都没有（搜索结果为空白），请前往科研通】求助。25
循序渐进
中文英文
综述技术
经典最新
33733
学作业汇报主题
NO.5:超材料研发及其应用相关.
NO.6:形状记忆合金研发及其应用相关NO.7:柔性超薄玻璃材料研发及其应用相关NO.8:气凝胶材料研发及其应用相关.
NO.9:金属玻璃（非晶金属、液态金属）研发及其应用相关…31
小组研学作业汇报主题
NO.10:高熵合金研发及其应用相关
NO.11:自修复材料研发及其应用相关
NO.12:混合基质膜研发及其应用相关NO.13:超疏水材料研发及其应用相关.
NO.14:先进压电材料研发及其应用相
关32
几点补充说明：
小组研学作业汇报内容可以不限于上述拟定的14个研学课题方向
献资料参考者录格式
32/物［序号］主要责任者.文献题名［J刊名，出版年份，卷号（期号）：起止页码
［1］袁庆龙，候文义.Ni-P合金镀层组织形貌及显微硬度研究［J.太原理工大学学报，2001，32（1）：51-53B.专著
［序号］主要责任者.文献题名［M］.出版地：出版者，出版年：页码.
C.网站资源：需注明网址
要体现最近3年的相关文献资料！
29
小组研学作业汇报主题
NO.1:高温合金研发及其应用相关（制备方
法、结构、性能、展望）
NO.2:高性能碳纤维研发及其应用相关
NO.3:介绍有关海水淡化材料的前沿研究成
果。
NO.4:准晶材料研发及其应用相关（定义、制备方法、结构、性能、展望）
可配以和主题相关的短视频、图例或动画的
实例介绍。30
小组研学作业汇报主题
NO.5:超材料研发及其应用相关
NO.6:形状记忆合金研发及其应用相关
品
品
价开九选开27
Web of Science ［v.5.35］
http:/http://apps.webofknowledge.com/UA_GeneralSearch_input.do？product＝UA＆search_mode＝GeneralSearch＆SID＝7FwVh8CP715qk3Q5JLw＆
preferencesSaved＝
选择数据库Weof ene心集
作参文献素高检
化学结构检索
标题
检索
标题
主题检索文献名。
时间标题
献、会议录与论
近5年作書
的注若
择版名称
版名称
多出版年
Applicats of A
全机构进一步了解
机构扩28
文献资料参考著录格式
A.期刊出版物［序号］主要责任者.文献题名J刊名，出
版年份，卷号（期号）：起止页码
P:0/1dX: 46.4dY: -379.6Xv: 0.008 Yv: 0.0 Prs: 1.48 Size: 204.
NO.柔性超溥玻璃材料研发及具应用相天
33/33气凝胶材料研发及其应用相关
NO.9：金属玻璃（非晶金属、液态金属）研
发及其应用相关…31
小组研学作业汇报主题
NO.10:高熵合金研发及其应用相关.
NO.11:自修复材料研发及其应用相关
NO.12:混合基质膜研发及其应用相关.
NO.13:超疏水材料研发及其应用相关
NO.14:先进压电材料研发及其应用相
关32
几点补充说明：
小组研学作业汇报内容可以不限于上述拟定的14个
研学课题方向。
自选研学主题必须与《材料科学基础》课程相关学
习内容相关（即涉及新材料设计研发、材料生产加
工材料组成、结构与性能的关联性分析探讨、机理
解析等）
综述性研学内容应包括背景介绍、研究进展概况、
面临挑战和发展趋势等。
试验性研究论文（必须是2018年以后研究论文）
的内容应包括研究背景介绍（如研究课题概况、本
研究目的、意义和主要创新点）、实验方法或工艺
流程简介、实验结果分析与讨论、主要结论。）
33
P:0/1dX:-0.2dY:5.5Xv:-0.005Yv: 0.457Prs: 1.77 Size: 179.
颗粒变形吸收功
66/67延性颗粒强化
Begin
微裂纹增韧微裂纹的产生将在其周围产
生压应力场，如能在主裂纹
（指裂纹的长度超过临界长
度而进行扩展的裂纹）尖端
Begin附近引入微裂纹，利用其所
形成的压应力场，可以起到
阻碍主裂纹扩展的作用。
线性效应平均效应，混合定则
相补效应
相抵效应
乘积效应
材料复合效应非线性效应系统效应
诱导效应
复共振效应
合界面效应
阻断效应，不连续效应，散射和
效吸收效应，感应效应，界面结晶效应、界面化学效应
弥散增强机制
应增强原理颗粒增强机制
与纤维增强机制
界
面机械结合，溶解和浸润结合
金属基及陶瓷基反应结合，氧化结合，混合结合
P:0/1dX: 0.0 dY:0.0 Xy: 0.0 Yy:0.0Prs: 1.74 Size: 188.
量63/67偏转最大偏转面
R＝12不偏转裂纹
R＜5（R:晶须长径比）
图2-7裂纹遇到晶须时发生偏转的模型
随着晶须长径比的增大，增韧效果增加；
◆当晶须的长径比一定时，增韧效果随着晶须含量的增加而
增加。
颗粒增韧氧化锆发生马氏体相变
时，伴随着体积和形状的
变化，能吸收能量，减缓
Begin裂纹尖端的应力集中，阻
止裂纹扩展，提高陶瓷韧
性。
1170℃2370C
2680℃
单斜相（m）正方相（t）立方相（c）液相（L）
属于马氏体相变
约5％的体积相变
颗粒引起裂纹偏转Begin
P: 0/1 dX: 0.0 dY: 0.0 Xv: 0.0 Yv: 0.0Prs: 3.29 Size: 163.
（2）短纤维和晶须增强复合材料
56/67短纤维增强原理
＞基体变形量大于增强体变
形量，而两者结合紧密，
于是在界面产生剪应力。
＞剪应力将承受载荷合理分
短纤维埋入基体受力前（上图）和
受力后（下图）的变形示意图摊在纤维和基体上，纤维
所受拉应力比基体更大，
起到增强作用。
晶须增强体
晶须定义：是在人工控制条件下，以单晶形式生长
成的一种纤维，直径一般为几微米（或纳米级），
长几十微米，是一种近无缺陷的理想完整晶体。
◆由于晶须的直径非常小，所以不适合容纳在大晶体中常出
现的缺陷，因而强度接近于完整晶体的理论值。作为一种
新型增强材料近年来倍受青睐。
◆晶须自1948年美国贝尔电话公司的科学家首次发现晶须以
来，迄今为止已发了上百种晶须。从大的方面来看，晶须
分为陶瓷晶须和金属晶须两类，用作增强材料的主要是陶
瓷晶须。4、增强原理
纤维增强复合材料的机理：
1、增强纤维因直径较小，产生裂纹的几率降低。
2、纤维的表面受到基体的保护，不易在承载中
产生裂纹，增大承载力。
3、基体能阻止纤维的裂纹扩展。
P:0/1dX:0.0dY:0.0Xv: 0.0 Yv: 0.0Prs: 2.98 Size: 155.0
58/674、增强原理
纤维增强复合材料的机理：
1、增强纤维因直径较小，产生裂纹的几率降低。2、纤维的表面受到基体的保护，不易在承载中产生裂纹，增大承载力。
3、基体能阻止纤维的裂纹扩展。
4、基体对纤维的粘结作用、基体与纤维之间的摩擦力，使得材料的强度大大提高。
4、增强原理
陶瓷基复合材料增强相是具有强结合键纤维
阻止裂纹的产生，使脆性降低。
高分子基复合材料中纤维增强相有效阻止基
体分子链的运动；
金属基复合材料中纤维增强相有效阻止位错
运动而强化基体。
4、增强原理
增强体起到强化基体作用必要条
件：
A、强度和弹性模量高
B、与基体之间有良好的相容性
C、一定的含量、尺寸和分布
P:0/1dX:0.0 dY: 0.0Xv: 0.0Yv:0.0Prs: 3.71 Size: 163.
60767
含量、尺寸和分布
D、膨胀系数相匹配
材料的断裂，是由裂纹扩展引起的59
纤维增韧裂纹扩展方向
外应力纤维
纤维拔出机理增韧的原理是：
长纤维（连续纤维）强化1）纤维在拔出过程中与基体的
摩擦做功一一拔出功；
Begin2）拔出功又随着纤维的体积分
数、界面剪切力和纤维半径的的
增大而增大
晶须引起裂纹偏转
P:0/1dX: 0.0dY: 0.0Xv: 0.0 Yv: 0.0Prs: 3.29 Size: 155.4.254强型复合材料cu＝mr＋m＝（1-
）o fu
（1）连续纤维增强原理
单向连续纤维复合材料在纤维方向的
强度为：0
mu
acu＝fuPf＋om＊（1-f）
式中u为纤维抗拉强度；m＊为纤维断0＊
m
裂时的基体应力；为复合材料沿纤0中
维方向的抗拉强度。fer
1
由于纤维是复合材料的主要承载者临界纤维体积分
因此可以用基体屈服强度mu来近似代数：基体真正得到
替0m＊。增强时所应该加入
的纤维的最小体积
分数。
复合材料的目的是为了增强fer ＝ （mu-om＊） / （fu-om＊）
基体，要求0cu≥0mu
（2）短纤维和晶须增强复合材料
短纤维和晶须增强的成本低，各向异性较小，所增强复合材料的强度可大致表示为：
ocu＝（1-Lc/2L）ofuPf＋om＊（1-Pf）
L为纤维临界长度（因拉长而断裂时的增长度）；L为纤维长度。临界体积分数的导出过程与连续纤维复合材料相似，即：
Pfer ＝ （amu-am＊） （af-om＊）
短纤维和晶须增强复合
材料的临界体积分数高
于连续纤维复合材料。由于0f＜0fu
（2）短纤维和晶须增强复合材料
短纤维增强原理
＞基体变形量大于增强体变
形量，而两者结合紧密，
于是在界面产生剪应力。
P: 0/1 dX: 0.0 dY: 0.0 Xv: 0.0Yv:0.0
Prs: 3.17 Size: 155.0
4.2.2弥散强化复合材料
52/67
颗粒尺寸在0.01～1μm称为弥散强化复合材料。
弥散增强主要针对金属基，弥散分布的硬质颗粒如
Al2O3，TiC，SiC等可有效阻止位错运动，显著提高金属
及合金的强度。
为了保证弥散增强效果，增强体应该坚硬、稳定且不
与基体产生化学反应，同时颗粒尺寸、形状和体积分
数及结合情况都应合理。
根据位错绕过机制，弥散增强体的颗粒间距应在
0.01μm～0.3μm之间。
在制造声、光、电、磁等复合功能材料时，第二相粒
子尺寸必须小于其工作波长。
4.2.3纤维增强型复合材料
（1）连续纤维增强原理
若纤维在基体中呈单向均匀排列，则沿纤维方向，复合
材料的各项性能可用混合定则：Pc＝Pff＋Pmm
在制造复合材料时，难免出现一些不理想情况，为了更
准确计算纤维方向的弹性模量，混合定则可改写为：
Ec＝k（Eff＋Emm）；k取值0.9～1.0之间。
如果外载荷垂直于单向连续纤维复合材料的纤维方向，
可导出垂直于纤维方向弹性模量的计算式：
1/Ec＝P/E＋m/Em
4.2.3纤维增强型复合材料cu＝
fi
r＋m＊（1-
中）fu
（1）连续纤维增强原理
单向连续纤维复合材料在纤维方向的
强度为：0
acu＝ofupftom＊（1-f）
式中fu为纤维抗拉强度；am＊为纤维断O_
m
裂时的基体应力；cu为复合材料沿纤0中
fer1
维方向的抗拉强度。
由于纤维是复合材料的主要承载者，临界纤维体积分
因此可以用基休屈服强度来近似代数：基体真正得到
P:0/1dX: 0.0dY: 0.0Xv: 0.0 Yv:0.0Prs: 3.77 Size: 171.5
42
增强原理
49/67
基体和界面共同作用可改变复合材料的韧性、抗
疲劳性、抗蠕变性、抗冲击性和其他性能。
＞基体和增强体通过界面结合，但结合力应适当，过小容易
开裂，过大则使韧性下降。
＞陶瓷基复合的主要目的是增韧补强，而金属基和树脂基的
复合作用是增强补韧。
＞按增强体种类和形态可将复合材料分为弥散增强型、粒子
增强型和纤维增强型三类。选材方便，成
4.2.1颗粒增强复合材料本低，易于批
量生产。
增强颗粒尺寸为1～50μm的称为颗粒增强复合材料
颗粒（粒子）增强复合材料的性能与增强体和基体
的比例有关，某些性能只取决于各组成物质的相对数
量和性能。
复合材料的密度由混合定则表述：
☒Pc＝Ppp＋Pmm
式中：PcPpPm分别表示复合材料，粒子和基体的密
度；PpPm分别表示复合材料中粒子和基体的体积分
数。
颗粒增强体三种增韧机制
（1）相变增韧和微裂纹增韧：当材料受到破坏应力时，裂纹
尖端处的颗粒发生显著的物理变化，如晶形转变，体积改
变、微裂纹产生与增殖等，它们均能消耗能量，从而提高
了复合材料的韧性。
（2）颗粒使裂纹扩展路径发生改变，如裂纹偏转、弯曲、
分叉、裂纹桥接或裂纹钉扎等，从而产生增韧效果。
（3）以上两种机制同时发生，此时称为混合增韧。
P:0/1dX:0.0dY: 0.0Xv:0.0Yv:0.0Prs: 2.64 Size: 147.0
如何最大程度吸收外力做的功是关键！！！
有大量的玻纤从基体
中拔出，证明与基体
的粘接性较差，因而
体系的力学性能不
高。
结合较差：未加相容剂的玻纤增强体系。怎样通过控制界面特征对材料性能产生作用？A、改变增强材料表面性质。（增强体表面改性）B、向基体内添加特定的元素。（基体改性）
P: 0/1dX: 0.0dY: 0.0Xv:0.0Yv:0.0Prs: 2.71 Size: 147.0
怎样通过控制界面特征对材料性能产生作用？44/67
A、改变增强材料表面性质。（增强体表面改性）B、向基体内添加特定的元素。（基体改性）
C、在增强材料的表面施加涂层。（降低界面残余应力）表面改性前
表面改性后
加入相容剂的玻纤增
强体系中，玻璃纤维
与基体的结合较好
纤维拔出较少。
结合力较好
3.2复合材料的界面效应
（1）传递效应：将复合材料体系中基体承受的外力传递给增强相，起到基体和增强相之间的桥梁作用。
（2）阻断效应：有阻止裂纹扩展、减缓应力集中的作用。（3）不连续效应：在界面上产生物理性能的不连续性和界面摩擦出现的现象。
（4）散射和吸收效应：光波、声波、热弹性波、冲击波等在界面产生散射和吸收，如透光性、隔热性、隔音性、耐机械冲击性等。
（5）诱导效应：一种物质（通常是增强剂）的表面结构使另一种与之接触的物质（通常是聚合物基体）的结构由于诱作用而发生变中此生一些现免加强性低
P: 0/1 dX: 0.0 dY: 0.0 Xv: 0.0Yv: 0.0
Prs: 1.46 Size: 163.
3.2复合材料的界面效应
46/67
（1）传递效应：将复合材料体系中基体承受的外力传递给
增强相，起到基体和增强相之间的桥梁作用。
（2）阻断效应：有阻止裂纹扩展、减缓应力集中的作用。
（3）不连续效应：在界面上产生物理性能的不连续性和界
面摩擦出现的现象。
（4）散射和吸收效应：光波、声波、热弹性波、冲击波等
在界面产生散射和吸收，如透光性、隔热性、隔音性、耐机
械冲击性等。
（5）诱导效应：一种物质（通常是增强剂）的表面结构使
另一种与之接触的物质（通常是聚合物基体）的结构由于诱
导作用而发生改变，由此产生一些现象，如强弹性、低膨胀
性、耐热性和冲击性等。★界面效应是任何一种单一材
料所没有的特性，它对复合材料具
有重要的作用。45
4、增强原理
4.1复合思想
仿生思想：效仿和借鉴动植物结构形式。
绿色材料思想：环保和资源合理利用。
＞充分利用协同效应思想：使材料复合作用大于单独作
用效果之和。
＞智能材料思想：使复合材料对环境自适应（自修复、
自愈合、自调节等）。
4、增强原理
4.2增强原理
增强体、基体和界面共同作用可改变复合材料的韧性、抗
疲劳性、抗蠕变性、抗冲击性和其他性能。
＞基体和增强体通过界面结合，但结合力应适当，过小容易
开裂，过大则使韧性下降。
＞陶瓷基复合的主要目的是增韧补强，而金属基和树脂基的
复合作用是增强补韧。
＞按增强体种类和形态可将复合材料分为弥散增强型、粒子
P:0/1dX:0.0dY:0.0XV:00Prs: 3.46 Size: 163.
化学键理论（树脂基复合
材料0.0
39/67
在复合材料组分之间发生化学作用，在界面上形成价键结合。
口一般情况下结合强度随反HO
应程度增加而增加，达到
一定程度后有所减弱。增强体
OSi-R高聚物
-OH…OH
E、界面反应或界面扩散理论（金属基和陶瓷基复合材料）在复合材料组分之间发生原子或分子间的扩散或反应，从而形成反应结合或扩散（互熔）结合。如硼纤维增强钛合金在界面处生成TiB2；Ni-W、Ni-C互
熔。界
固熔体
金属化合物
MF
金属
住F
纤维
纤维
金属
界面反应结合或扩散结合示意图
3、复合材料的界面
·界面结合较差的复合材料大多呈剪切破坏，且在材料的断面可观察到脱粘、纤维拔出、纤维应力松弛等现象。
·界面结合过强的复合材料则呈脆性断裂，也降低了复合材料的整体性能。
·界面最佳态的衡量是当受力发生开裂时，裂纹能转化为区域化而不进一步界面脱粘；即这时的复合材料具有最大断裂能和一定的韧性。
P:0/1dX: 0.0dY:0.0Xv:0.0Yv: 0.0Prs: 1.19 Size: 171.5B
论
37/67
当两个表面相互接触后，仅由粗糙表面和因基体收缩包紧增强体产生的磨擦结合。复合不充分时发生此类结合，承载力小。
尽管表面积随着粗糙度增大而增大，但其中有相当多的孔穴，粘稠的液体是无法流入的。无法流入液体的孔不仅造成界面脱粘的缺陷，而且也形成了应力集中点。
C、静电理论
当复合材料不同组分表面带有异性电荷时，将发生静电吸引。仅在原子尺度量级内静电作用力才有效。
表面静电吸引结合示意图
D、化学键理论（树脂基复合材料）
在复合材料组分之间发生化学作用，在界面上形成价键结合。
口一般情况下结合强度随反HO
应程度增加而增加，达到
宁程庭丘右乐配-o
Si
R高聚物
P:0在X:0.0播Y:0即0回Prs: 1.61 Size: 188.陶瓷时，则会有电信号输出，通过数据处理时间差测距报警，
可确无误地探测汽车尾部及驾车者视角盲区的微小障碍物，实用性相当强。3、复合材料的界面
界面是基体与增强体之间化学成分有显著变化但
彼此结合的、能传递载荷作用的过渡区域
（1～102nm）。
结构和性能不同与组分材料中的任意一个，简称
为界面相或界面层。
由于增强体细小，界面层面积比例很大，其性
质、结构和完整性对复合材料的性能影响极大。
3、复合材料的界面
3.1界面形成理论当增强体表面能很小不能被润
A、润湿理论湿时，可借助涂层予以改善。
YLG
YsiYSL
b
浸润性不能表示界面的粘结性能。一种体系的两个组元可
能有极好的浸润性，但它们之间的结合可能很弱，如范德
华物理键合。因此润湿是组分良好粘结的必要条件，并非
充分条件。
B机械作用理
P:0/1dX:0.0dY:0.0Xv: 0.0Yv: 0.0Prs: 1.24 Size: 180.027/672、复合效应
2.1复合效应概念
指复合材料除保持原有组分的性能外，还增添了原有组分所没有的性能。
源于耦合：不同性质材料之间的相互作用可分为：线性效应、非线性效应、界面效应、尺寸效应和各向异性效应5种。
注：复合效应表现为复合材料的性能在其组分材料基础上的线性和非线性的综合。
2.2复合效应的类别
就其产生复合效应的特征分为两大类：
复合材料的性质与增
强组元（功能组元）
的含量有线性关系。
线性效应
非线性效应
2.2复合效应的类别
复合效应
线性效应非线性效应
平均效应相乘效应
平行效应诱导效应
相补效应共振效应
P:0/1dX:0.0dY:0.0Xv:0.0Yv:0.0Prs:1.52Size: 147.0
32/672
3430
4.非线性效应
可细分为乘积效应、系统效应、诱导效应和共振效应。
乘积效应也称交叉耦合效应或传递特性。
通常可以将一种具有两种性能相互转换的功能材料X/Y和另一种换能材料Y/Z复合起来，即可发生相乘效应：X/Y-Y/Z＝X/Z
式中，X、Y、Z分别表示各种物理性能。
电磁效应·磁光效应电光效应31
表9-2复合材料的乘积效应
A相性质X/YB相性质Y/Z
复合后的乘积性质（X/Y）（Y/Z）＝X/Z压磁效应磁阻效应
压敏电阻效应
压磁效应磁电效应
压电效应
压电效应场致发光效应
压力发光效应
磁致伸缩效应压阻效应
磁阻效应
光导效应电致效应
光致伸缩
闪烁效应光导效应
辐射诱导导电
热致变形效应压敏电阻效应热敏电阻效应
超声波倒车雷达或倒车声纳系统
原理：锆钛酸铅PZT压电陶瓷在电能与机械能之间相互转换的正、逆压电效应。
◆在压电陶瓷加一电信号，便产生机械振动而发射超声波，当超
声波在空气传播途中碰到障碍物立即被反射回来，作用于它的陶瓷时，则会有电信号输出，通过数据处理时间差测距报警，
P:0/1dX:0.0dY:0.0Xv:0.0Yv:0.0Prs: 2.91 Size: 155.029/67复合效应
非线性效应
平均效应相乘效应
平行效应诱导效应
相补效应共振效应
相抵效应系统效应
28
2.2复合效应的类别
是复合材料所显
示的最典型的一
种复合效应。
1.平均效应：
平均效应也称加和效应，由混合定则表述：◆Pc＝（Pi）nuPi（9-1）
◆指复合材料的某一性能p由单一组分的同一性能p加和而得；φ为体积分数；n是由实验确定的常数（-1sns1）。29
2.2复合效应的类别
2.平行效应：即组成复合材料的各组分在复合材料中，均保留本身的作用，既无制约也无补偿。
对于增强体（如纤维）与基体界面结合很弱的复合材料所显示的复合效应，可以看作是平行效应。
3.相补（协同）效应和相抵（不协同）效应
AB两种材料有4种组合结果，在研制复合材料时应尽量取优值互补，如图9-1。A
B
优点缺点优点缺点
P: 0/1dX: 0.0dY: 0.0Xv: 0.0Yv:0.0Prs: 2.82 Size: 155.021/671.4复合材料的特性
比强度＝强度/密度MPa/（g/cm3）
比强度、比模量（刚度）高比模量＝模量/密度
GPa
（g/cm3）
X耐磨性好（MMC、C/C复合材料；
抗疲劳性能好，通常金属材料的疲劳强度极限/拉伸强度
＝30-50％，而CFRP的疲劳强度极限/拉伸强度＝70-80％；
抗冲击能力强（如：RMC）；
高温性能好（如：MMC可达1400C、C/C复合材料可达2800℃）良好尺寸稳定性：改变增强体含量可调整复合材料的热膨胀系数良好的化学稳定性、功能性和成型性（可一次成型或整体成
型）。
a抗疲劳性能：材料在交变载荷作用下，由于内部裂纹的形成和扩展而导致的低应力破坏的抵抗性能。疲劳破坏由里向外发展，无预兆。
破坏安全性好：纤维复合材料中有大量独立纤维，当构件超载使少量纤维断裂时，载荷会迅速重新分配到未断裂纤维上，构件不至于在短期内破坏。22
1.5影响复合材料性能的主要因素
增强材料的性能；
基体材料的性能；
含量及其分布状况；
界面结合情况；
成型工艺和结构设计。
P:0/1dX:0.0dY:0.0Xv:0.0Yv:0.0Prs: 3.48 Size: 171.引19/67通性”概念，理论上可将复合材料结构划分为0-3型、1-3型2-2型、2-3型、3-3型等几种典型结构
0-3型1-3型
2-2型
6888888
2-3型3-3型
1.4复合材料的特性
复合材料最显著的特性是其性能（主要指力学性
能、物理性能和工艺性能）在一定范围内具有可设计性。选择基体、增强体的类型及其含量：
增强体在基体中的排列方式
基体与增强体之间的界面性能。
获得常规材料难以提供的某一性能或综合性能
1.4复合材料的特性
比强度＝强度/密度MPa/（g/cm3）
比强度、比模量（刚度）高比模量＝模量/密度
GPa/（g/cm3）
耐磨性好（MMC、C/C复合材料）；
抗疲劳性能好，通常金属材料的疲劳强度极限/拉伸强度
＝30-50％，而CFRP的疲劳强度极限/拉伸强度＝70-80％；
抗冲击能力强（如：RMC）；
X高温性能好（如：MMC可达1400C、C/C复合材料可达2800℃）良好尺寸稳定性：改变增强体含量可调整复合材料的热膨胀系数良好的化学稳定性、功能性和成型性（可一次成型或整体成
P:0/1dX:0.0dY:0.0Xv: 0.0Yv: 0.0Prs: 3.26 Size: 163.
24/67复合材料结构设计方法
设计条件选材
·结构性能要求·基体材料
成型方法、工
·载荷情况●增强体材料
艺以及工艺过
·环境条件程优化的设计
●几何形状
·结构的可靠性与经济性
损伤及破坏分析复合材料的响应
代表性单元的性能考察
·强度准则·细观力学方法
●
应力场、温度场等●
·损伤机理有限元方法
·设计变量的优化●
·破坏过程实验力学方法
交流·讨论预测
复合材料性能
基体材料增强体材料
金属C
强度高，抗冲击，绝缘性好，耐热
温度低物300℃
陶瓷Sic
耐高温，强度高，导电性好，导
热性好
耐1600℃以上的高温，强度高，
合成树脂AI2O3
密度小
2、复合效应
2.1复合效应概念
指复合材料除保持原有组分的性能外，还增
添了原有组分所没有的性能。
源于耦合：不同性质材料之间的相互作用
P:0/1dX: 0.0dY: 0.0 Xv: 0.0Yv: 0.0Prs: 3.05Size: 155.0
飞船降：航天员返回的安全保障
载人飞船返回舱用的降落伞是利用气动阻力减速，伞
衣和伞绳使用的材料都是经过了精挑细选，不仅举重
若轻，且更安全可靠。
科研人员们精心挑选了高强度芳纶纤维来制作伞布和
伞绳，让它薄如蝉翼却异常结实。每根降落伞的伞绳
的直径只有几mm，却能承受数十公斤的拉力。返回舱的降落伞不仅要轻薄兼顾，而且还要经过特殊
的耐热处理，可以承受400摄氏度的高温，防止返回
舱与大气层摩擦产生的热烧坏降落伞。
增强材料形状增强相形状示意图
颗粒增强
层压复合材料00
复合材料长纤维
增强定向排布
纤维增强复合材料短纤维
混乱排布
增强取向性排布
引入相的“连通性”概念，理论上可将复合材料结构划分
为
0-3型、1-3型2-2型、2-3型、3-3型等几种典型结构0-3型1-3型
2-2型
＜
P:0/1dX:0.0dY:0.0Xv:0.0Yv:0.0Prs: 2.91 Size: 171.5
13/67增强体的性能要求：
增强体应具有能明显提高基体某种所需特
性的性能，如高的强度、高导热性、耐热
性、导电性
增强体应具有良好的化学稳定性。
增强体与基体有良好的润湿性，或通过表
面处理能与基体良好润湿性。
增强体性能参数
生产厂家商品名及牌号直径密度抗拉强度弹性模量
umg/cm3MPaGPa
E玻璃纤维9～15
2.6323272
日本东丽T300碳纤维7
1.763500230
日本东丽T一1000碳纤维51.827060294
日本东丽M60J碳纤维5
1943820588
3M公司Nextel480A12O3纤维10-123.052275224
日本碳（株）Nicalon SiC10～152.552450-2940167-176
美AVCOSCS-6SiC纤维1403＞4000400
法SNPEB4C涂复钨芯硼纤维1402.53700400
美Kevlar49芳纶纤维121.44176062
（原）苏联APMOC芳纤维1.43
5000150
W丝13
19.44020407
钢丝13
7.744120193
β-siC晶须0.1～13.85～70000＞6000
美杜邦公司a-A12O3晶须203.95379
芳纶（凯夫拉纤维）
玻璃纤维纤维毡
纱）高强度强拉力
P:0/1dX:0.0dY:0.0Xv:0.0Yv:0.0Prs: 1.35 Size: 171.5
芳纶（凯夫拉纤维）
玻璃纤维纤维毡
纱）高强度强拉力
碳纤维纱（含碳防弹衣材料耐温300度
于99％的称石墨纤
维）全碳纤维改装版保时捷911TurboS车身
飞船降落伞：航天员返回的安全保障
直击神十二返回舱主降落伞打开过程引导伞、减速伞、主伞依次打开
飞船降落伞：航天员返回的安全保障
载人飞船返回舱用的降落伞是利用气动阻力减速，伞衣和伞绳使用的材料都是经过了精挑细选，不仅举重若轻，且更安全可靠。
科研人员们精心挑选了高强度芳纶纤维来制作伞布和伞绳，让它薄如蝉翼却异常结实。每根降落伞的伞绳的直径只有几mm，却能承受数十公斤的拉力。
L
P:0/1dX:0.0dY: 0.0 Xv: 0.0 Yv: 0.0Prs: 2.79 Size: 155.
基体①将增强材料粘合成整体并使增强材料的位置固定。
Matlix强材料间传递载荷，并使载荷均匀，自身承受一定载荷。
③保护增强体免受各种损伤。
④很大程度上决定成型工艺方法及工艺参数选择。
⑤决定部分性能。
增强体主要承受绝大部分载荷、增强、增韧
Reinforcement赋予一定功能·传递效应
·阻断效应
界面复合材料产生组合力学及其它性能·不连续效应
Interface复合效应产生的根源。·散射和吸收效应
·诱导效应
1.3复合材料的分类和命名
聚合物基复合材料：树脂基、橡胶基等
基体种类金属基复合材料：铝基、镍基、钛基、镁基等
无机非金属基复合材料：陶瓷基、水泥基、碳基等
聚脂树脂飞机、汽车、
树脂基（玻璃钢）玻璃纤维船舶、建筑
结构金属
复合金属基耐热纤维航空、航天
Al203、SiO2、SiC、..
用途基体陶瓷
陶瓷基增强纤维C、SiC、航空航天
功能功能体换能、导电、导磁
复合基体屏蔽吸波材料
增强纤维隐形飞机
增强体的性能要求：
增强体应具有能明显提高基体某种所需特
性的性能，如高的强度、高导热性、耐热
性、导电性
增强体应具有良好的化学稳定性。
增强体与基体有良好的润湿性，或通过表
P:0/1dX:0.0dY:0.0Xv:0.0Yv:0.0Prs:3.98Size: 171.5
9/67现代复合材料
数千年前
早期复合材料20世纪70年代
20世纪40年代20世纪50/60年代起
第一代现代复合材料碳纤维、硼纤金属基、陶瓷
维、碳纤维增基、混杂复合
强树脂等材料、功能复
稻草强化土坯，合材料，梯
混凝土，度、机敏等
玻璃纤维增强材
竹制品等料（玻璃钢）
第二代现代复合材料
GERP第三代现代复合材料
基体：合成材料
基体：天然材料1.3复合材料的组成
INTERPHASE
（BONDING AGENT
界面相基体
MATRIX
FIBER纤维增强体
各部分的作用？INTERFACE
界面
复合材料结构示意图
基体①将增强材料粘合成整体并使增强材料的位置固定。
Matrix②增强材料间传递载荷，并使载荷均匀，自身承受一定载荷。③保护增强体免受各种损伤。
④很大程度上决定成型工艺方法及工艺参数选择。
⑤决定部分性能。
增强体主要承受绝大部分载荷、增强、增韧
Reinforcement赋予一定功能·传递效应
阻断效应
P:0/1dX: 0.0dY: 0.0 Xv: 0.0 Yv: 0.0Prs: 3.49 Size: 163.
7/6复合材料
近代复合材料的发展主要从军事上轻质、高性能需求发展起来的。
纤维增强橡胶：轮胎是以帘子线增强橡胶复合材料：玻璃钢：1932年在美国出现。1940年制成了玻璃纤维增强聚酯（GFRP）的军用飞机雷达罩，其后莱特空军发展中心设计制造了GFRP为机身和机翼的飞机。随后迅速扩展到民用材料。
现代复合材料（1970～至今）
复合材料
生产生活中常航空、航天领域中
用的复合材料的复合材料
玻璃纤维增强树脂基复合材料纤维增强金属基复合材料
碳纤维增强树脂基复合材料纤维增强陶瓷基复合材料
主承力件上。VWW.CFRP.COM.C
1980～1990年，纤维增强金属基复合材料和陶瓷基复合材料得到广泛研究和发展，用于航天飞行器。
现代复合材料
数千年前
早期复合材料20世纪70年代
20世纪40年代20世纪50/60年代起
第一代现代复合材料碳纤维、硼纤
金属基、陶瓷
维、碳纤维增基、混杂复合
强树脂等材料、功能复
稻草强化土坯，合材料，梯
混凝土，度、机敏等
玻璃纤维增强材
竹制品等料（玻璃钢）
第二代现代复合材料
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Prs: 2.78
Size: 155.0
4/67
由葡萄糖以β-1，4糖苷键连接成的高分子化合物，
被木质素与半纤维素交联包裹形成了致密的木质纤维结
构OH
OH
OH
组成木质素的三种单体
植物粗纤维
植物细胞微纤维
细胞壁木质素
木质素
半纤维素10-20纳米
木糖
其他糖类纤维素
葡萄糖
中国古建筑千年不倒的秘密：糯米砂浆◆石灰、黏土、沙子--“三
合土＂
◆将糯米熬成汤作为有机粘
结剂，掺和到砂浆中制成
的糯米灰浆具有耐久性
好、自身强度和黏结强度
高、韧性强、防渗性好等
特点。
近代复合材料
近代复合材料的发展主要从军事上轻质、高性能需
求发展起来的。
纤维增强橡胶：轮胎是以帘子线增强橡胶复合材料：
P:0/1dX: 0.0 dY: 0.0 Xv: 0.0 Yv: 0.0
Prs: 1.78 Size: 147.0
1.2复合材料发展概况
3/67
古代-近代-先进复合材料
天然复合材料1＋1＞2
一木材：纤维素和木质素的复合体
一动物骨骼和牙齿：无机磷酸盐和蛋白质胶原复合而成
·古代：使用、效仿
一半坡人：草梗合泥筑墙，且延用至今
一漆器：麻纤维和生漆复合而成，至今已四千多年
◆复合思想的产生：单一材料无法满足人们
对结构性能的要求。
木质部细胞壁木质纤维素结构示意图
木质素-半纤维素木质素
阵列半纤维素
←纤维素
纤维素是由葡萄糖以β-1，4糖苷键连接成的高分子化合物
被木质素与半纤维素交联包裹形成了致密的木质纤维结
构。OH
OH
OH
OH组成木质素的三种单体
植物粗纤维
植物细胞
一起编辑
P:0/1dX:0.0dY:0.0Xv:0.0Yv:0.0Prs: 3.02 Size: 163.
第九章复合效应与界面
了解复合材料的定义、种类及性
能特点，掌握复合理论（复合效应和
增强原理）、界面理论。
1、概述
1.1复材料定义composite materials；composites
ISO定义：由两种或两种以上物理和化学性质不同的物
质通过复合工艺制成的新型多相固体材料。通常由基体、增强体及两者的界面组成。三个要点：
（1）材料组元——两种或以上不同组元具有可设计性
（2）制备工艺——不是简单的混合
（3）新型材料——具有原组元所不具备的新性能
1.2复合材料发展概况
古代-近代-先进复合材料
天然复合材料1＋1＞2
木材：纤维素和木质素的复合体
一动物骨骼和牙齿：无机磷酸盐和蛋白质胶原复合而成
古代：使用、效仿
一半坡人：草梗合泥筑墙，且延用至今
一漆器：麻纤维和生漆复合而成，至今已四千多年
P:0/1dX:0.0
dY: 0.0 Xv: 0.0 Yv: 0.0Prs:2.67
Size: 155.0
2.设有一条直径为3cm的厚壁管道，被厚度为0.001cm的铁膜隔开，通过输
2以保持在膜片一边氮气浓度为1000mol/m3；膜片另一边氮气浓度为
mol/m3.若氮在铁中700℃时的扩散系数为4×107cm2/s，试计算通过
铁膜片的氮原子总数
解：设铁膜片左右两边的氮气浓度分别为c1，c2，则铁膜片处浓度梯
度为c Acc-c100-1000
x A Ar 1x10-＝-9.0x107mol/m4
根据扩散第一定律计算出氮气扩散通量为：
J＝-D＝-4×10-×（102）2×（-9.0×10）＝3.6×103mol/（m2）
于是，单位时间通过铁膜片的氮气量为
J×A＝3.6×103x×（3×102）2＝2.54×102mol/s
最终得到单位时间通过铁膜片的氮原子总数为
N＝（J×A）×N＝2.54×10×6.02×1023×2＝3.06×1018s-1
4.用限定源方法向单晶硅总扩散硼。若t＝0时硅片表面硼总量为
5X1010mol/m3，在1473k时，硼的扩散系数为4X10-m2/s，在硅片表层深度为
8微米处，若要求硼的浓度为3X1010mol/m3，问需进行多少小时的扩散？解：把题目中已知数据代入由限定源扩散公式
可得：
3×1010＝5×101exp（-（8×10-6）2/4×4×10-r）/（3.14×4×10t）12化简后e/t＝0.001281
解得t＝（1/0.001281）＝609400s≈169.3h
8.为什么钢铁零件渗碳温度一般要选择y相区中进行？若不在y相区进行会有什么结果？
答：y-Fe相区的温度较高，碳在y-Fe相区中的扩散速度快，有利于促进
扩散的进行，渗碳可以均匀分布在组织结构中。y-Fe相区中C的溶解度高，最大溶解度为2.11％，渗碳时在表层可获得较高的碳浓度梯度，使
渗碳顺利进行，便于获得预期的渗碳强化效果。
若在其他低温相区中进行渗碳，温度低，原子扩散慢，得到的组织偏析
程度大，会导致材料力学性能较差。例如，若在a-Fe相中渗碳，它的C
的最大溶解度只有0.0218％，对于含碳质量分数大于0.0218％的钢铁，渗
碳无法进行。即使是纯铁，在α相区渗碳时铁中的浓度梯度很小，在表
面也不能获得高的含碳层。另外，由于温度低，扩散系数也很小，渗碳
过程极慢，没有实际意义。
如果在其他高温相区渗碳，由于温度过高，组织会发生形核长大而使得
晶粒粗大，达不到强化效果。
P:0/1dX:0.0
dY:0.0
Xv:0.0
Yv:0.0
Prs: 1.91 Size: 147.
第六章作业参考解答
1/2有一70MPa应力作用在fcc晶体的［001］方向上，求作用在（111）［101］和（111）［110］滑移系上的分切应力。
t＝ocoscos
［001］方向与［101］滑移方向的夹角：
cos＝ uu＋uv2＋o0×1＋0×0＋1×（-1）-
2＋2＋2u2＋U2＋2√√1＋1
2
［001］方向与（111）面法线方向夹角：
cos＝＋kk2＋l12
0×1＋0×1＋1×11
n2＋k2＋22＋k2＋2＝11＋1＋13
t＝coscos＝70x-
＝28.6MPa
在（111）面上的［101］方向的分切应力应为。
［001］方向与［110］滑移方向的夹角：
cosA＝MH1＋002＋002 Ox（-1）＋0x1＋1x0＝（
u2＋2＋c22＋2＋c2I＋1
t＝ocoscos＝0MPa
在（111）面上的［110］方向的分切应力应为0Mpa。
2、铝的临界分切应力为0.24MPa，当拉伸轴为［001］时，引起屈服所需要的拉伸应力是多大？解：拉伸应力与滑移系上的分切应力t间的关系为t＝cos cos。
铝的晶体结构是fcc，滑移系是｛111｝＜110＞。
拉伸轴是［001］时，因它与［110］及［-110］垂直，所以由它组成的滑移系上的分切应力为0，它们不会开动。而［001］轴对其它的滑移系的集合关系是等同的，在它们的分切应力相等。以（111）［011］滑移系为例计算引起屈服所需要的拉伸应力。［001］与滑移面法线［111］夹角中的余弦cos以及［001］与滑移方向［011］夹角）的余弦cos）分别是：
11
cos＝I33cosA＝
11
I22
当临界分切应力r为0.24MPa时对应的应力a就是屈服应力：
o-a2415x√3×2a＝.915a
3、Zn单晶在拉伸之前的滑移方向与拉伸轴的夹角为45度，拉伸后滑移方向与拉伸轴的夹角为30度，求拉伸后的延伸率。
解：如图所示，AC和A’C’分别为拉伸前后晶体中两相邻滑移面之间的距离。因为拉伸前后滑移面间距不变，即AC＝A＇C
拉伸轴方向拉伸轴方向
滑移方向滑移方向
45
AA＇
C
BB
a）拉伸前b）拉伸后
A＇C＇AC
因此有A＇B＇- AB sin 30° sin 45° 2-2＝41.4％
ABAC
2
P:0/1dX:0.0
的［IdY:0.0］应力Xv:0.0Yv:0.0
Prs: 2.70 Size: 147.0
2/2
铝的临界分切应力为0.24MPa，当拉伸轴为［001］时，引起屈服所需要的拉伸应力是多大？
拉伸应力与滑移系上的分切应力t间的关系为t＝coscos
铝的晶体结构是fcc，滑移系是｛111｝＜110＞。
拉伸轴是［001］时，因它与［110］及［-110］垂直，所以由它组成的滑移系上的分切应力为0，它们不会开动。而［001］轴对其它的滑移系的集合关系是等同的，在它们的分切应力相等。以（111）［011］滑移系为例计算引起屈服所需要的拉伸应力。［001］与滑移面法线［111］夹角的余弦cos以及［001］与滑移方向［011］夹角的余弦cos）分别是：
11
cos＝cosA＝
11
√I3√3I22
当临界分切应力r为0.24MPa时对应的应力a就是屈服应力：
＝＝2.4×103×√3×√2Pa＝5.89×103Pa
coscos
3、Zn单晶在拉伸之前的滑移方向与拉伸轴的夹角为45度，拉伸后滑移方向与拉伸轴的夹角为30度，求拉伸后的延伸率。
解：如图所示，AC和A’C＇分别为拉伸前后晶体中两相邻滑移面之间的距离。因为拉伸前后滑移面间距不变，即AC＝A＇C
拉伸轴方向拉伸轴方向
滑移方向，滑移方向
45
AA＇
C
BB
a）拉伸前b）拉伸后
A＇C＇AC
因此有_A＇B-AB_sin 30°sin 45°_2-2＝41.4％
ABAc
sin45°O
P:0/1dX:0.0
dY:0.0
Xv:0.0
Yv:0.0
Prs: 3.38 Size: 163.
1/1
1.已知锌单晶体的回复激活能为8.37×10J/mol，将冷变形的锌单晶体在-50C进行回复处理，如去除加工硬化效应的25％需要17d，问若在5min内达到同样效果，需将温度提高多少摄氏度？
解根据回复动力学，采用两个不同温度将同一冷变形金属的加工硬化效应回复到同样程度，回复时间、温度满足下述关系：
（（）
整理后得到T2＝1＋Rn2
I.Q t
将T＝223K./1＝5/（17×24×60）＝4896Q＝8.37×10＊J/mol，.R＝8.314.J/（mol-K）代入上式得到T＝274.7K.
因此，需将温度提高AT＝T，-T＝274.7-223＝51.7℃。
6.为细化某纯铝件晶粒，将其冷变形5％后于650℃退火1h，组织反而粗化；增大冷变形量至80％，再于650℃退火1h，仍然得到粗大晶粒。试分析其原因，指出上述工艺不合理处，并制定一种合理的晶粒细化工艺。
答：前者由于将处于临界变形度下的铝件进行再结晶退火处理，导致退火时只形成数量很少的再结晶核心，最终晶粒极为粗大。而后种工艺，是由于进行再结晶退火时的温度选择不合理（温度过高）。若按T＝0.4T熔估算，则T再＝100℃，故再结晶退火温度以不超过200℃为宜。由于采用630℃退火1h，故晶粒仍然粗大。综上分析，在80％变形量条件下，可采用～150℃退火1h，则可使其晶粒细化。
9.冷拉铜导线在用作架空导线时（要求一定的强度）和电灯花导线（要求韧性好）时，应分别采用什么样的最终热处理工艺才合适？
答：前者采用去应力退火（低温退火）：后者采用再结晶退火（高温退火）。
O
P:0/1dX:0.0dY:0.0Xv:0.0Yv:0.0Prs: 1.13 Size: 188.0
4.回复、再结晶、晶粒长大和二次再结晶的驱动力
3/4
5.再结晶退火工艺的制定与应用
6.热加工处理后对材料组织结构和性能的影响
第八章固态相变
一、重要的概念（术语）和知识点
1.固态相变、扩散型相变、无扩散型相变、脱熔转变、调幅分解、马氏体相变、Ms点的物理意义。
二、本章重点和难点
1.典型固态相变的特点。
从能量角度阐明相界面特点（共格，非共格，弹性应变能和界面能）；相变的热力学条件；固态相变的阻力和驱动力，缺陷对形核的贡献；相变动力学曲线特点（逊-迈尔方程，S曲线、TTT曲线，C曲线）
2.固态相变和液-固相变在形核和长大规律方面的异同点。
相变类型
特点与影响固态相变
液-固相变
对比内容因比体积差而引起的畸变能及新相出现而
形成新相而增加的
形核阻力增加的表面能（相变阻力大）表面能
形核的形状片状、针状球状
核大部分在缺陷处或晶界上非均匀形核。可
在各种晶体表面非
核的位置能出现亚稳相形成共格、半共格界面，出均匀形核
现取向关系；尚有无核转变
新相生长受扩散或界面控制（原子迁移率新相生长受温度和
长大低），以团状或球状方式长大；可能获得
扩散速率的控制，
大的过冷度，导致无扩散相变以枝晶方式长大
3.脱熔转变与调幅（spinodal）分解在形成析出相时的主要区别。
第九章复合效应与界面
一、重要的概念（术语）和知识点O
P:0/1dX:0.0dY:0.0Xv:0.0Yv:0.0Prs: 2.76 Size: 155.03/4
第九章复合效应与界面
一、重要的概念（术语）和知识点
1.复合材料、复合效应、混合定则、界面及界面效应、纤维增强的临界体积分数和临界长度。
二、本章重点和难点
1.理解线性效应、非线性效应及界面效应。
2.弥散增强、粒子增强和纤维增强机制。
3.界面结合的类型及改善途径。O
ina Telecom5
5
K/s80％
16:20
P:0/1dX:0.0dY: 0.0 Xv: 0.0Yv:0.0Prs: 1.80Size: 171.5
＜材料科.
材料科学基础2复习纲要（2022.11.17）
第五章材料中的扩散
一、重要的概念（术语）和知识点
1.扩散的方程（菲克第一、二定律）、稳态、非稳态扩散、扩散通量2.空位和间隙扩散机制
3.扩散的驱动力
4.自扩散、互（异）扩散；上坡扩散；反应扩散；短路扩散
5.Kirkendall效应、扩散激活能
7.扩散系数、影响扩散的因素
二、本章重点和难点
（1）扩散定律及其应用：如渗碳过程；
（2）扩散的微观机理，影响扩散的因素；
第六章塑性变形
一、重要的概念（术语）和知识点
1.弹性变形、塑性变形、材料应力-应变曲线所对应的强度指标；
2.塑性变形的实质、方式-一滑移、孪生（异同点）；
3.滑移带、滑移线、滑移系、多滑移、交滑移；
4.软（硬）位向，临界分切应力
5.固溶强化、细晶（晶界）强化、弥散（沉淀）强化、形变强化（加工硬化）、应变时效、吕德斯带、霍尔-佩奇齐公式
6.纤维组织、形变织构、带状组织、残余应力、去应力退火
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一起编辑
P:0/1dX:0.0dY:0.0Xv:0.0Yv:0.0Prs: 3.16 Size: 155.02/4
点和难点
1.位错理论在解释各类塑性变形等问题的应用。如各种强化机理（如：固溶强化、细晶（晶界）强化、弥散（沉淀）强化、形变强化（加工硬化）等
2.滑移的临界分切应力定律
t:在滑移面上沿滑移方面开始滑移的最小分切应力。
tc取决于金属的本性，不受j，的影响；
te＝sscosjcoslss的取值
jl＝90°时，ss￥；
j，l＝45°时，s最小，晶体易滑移；
取向因子：cosjcosl软取向：值大；
硬取向：值小。
3.多晶材料塑性变形的特点
4.冷塑性变形对材料组织和性能的影响
5.聚合物和陶瓷材料塑性变形的主要特点
第七章回复与与结晶
一、重要的概念（术语）和知识点
1.回复（低、中、高温）、再结晶（动、静态的），晶粒长大；
2.再结晶温度及影响因素、临界变形度、二次再结晶。
3.热变形（热加工）、超塑性
二、本章重点和难点
1.冷变形金属在加热时的变化
2.回复：机制，热力学，动力学，应用，影响因素；
3.再结晶：机制，热力学，动力学，应用，影响因素；
4.回复、再结晶、晶粒长大和二次再结晶的驱动力
5.再结晶退火工艺的制定与应用
又称半擦胶，通常用三辊压延机加工，操作方法与贴胶相同，只是胶布表面的的附胶层厚度比贴胶法的稍低，
对操作技术要求较高。擦胶，是利用压延机辊筒速比的搓擦挤压作用增加胶料对织物渗透与结合力的挂胶方法，适用于未经浸渍处理的结构紧密型纺织物。
26.什么叫挤出口型膨胀？其产生的原因何在？主要影响因素有哪些？为了减轻口型膨胀可采用的措施有哪些？
答：所谓挤出口型膨胀，指压出后胶料断面尺寸大于口型尺寸的现象。产生的原因：胶料流过口型时，同时经历粘性流动和弹性变形。由于入口效应，在流动方向上形成速度梯度（拉伸弹性变形）。拉伸变形来不及恢复，压出后由于口型壁的挤压力消失，由于橡胶的弹性记忆效应，使胶料沿挤出方向收缩，径向膨胀。压出膨胀量主要取决于胶料流动时可恢复变形量和松弛时间的长短。影响因素：（1）口型结构：口型形状、口型（板厚度）壁长度：（2）工艺因素:机头、口型温度、压出速度等； （3）配方因素:生胶和配合剂的种类、用量、胶料可塑性等。减轻口型膨胀的措施:胶料方面，适当降低含胶率（增加填料用量）、适当降低胶料的黏度（增加增塑剂用量、使用分散剂、润滑剂、塑炼、混炼、热炼）、适当提高胶料温度（热炼）；挤出工艺方面，适当减小挤出速度、适当提高机头和口型的温度:设备方面，适当增加口型板的厚度、增加机头和口型内壁光滑程度、机头和口型尺寸与螺杆尺寸匹配27，橡胶的硫化过程可分为哪几个阶段？试以硫化历程来加以说明。
答:从化学反应角度看，第一阶段:诱导期，各组分相互作用，生成有侧基的橡胶大分子。第二阶段:交联反应，带有侧基的橡胶大分子与橡胶大分子发生交联反应。第三阶段：网络熟化阶段，交联键发生短化、重排、裂解，趋于稳定。从宏观角度看，分为焦烧阶段、热硫化阶段、平坦硫化阶段和过硫化阶段。
28. 在硫化工艺中常见的质量毛病有哪些？产生原因是什么？
答: 1、缺胶:装胶量不足、平板上升太快、磨具排气不佳、模温过高。2、胶边过厚:装胶量过大、平板压力不足、模具没有余胶槽3、气泡:胶料含水率或挥发组分含量高、窝气、模具无排气线或排气线堵塞4、出模制品撕裂:隔离剂过多或过少、起模太快，受力不均匀、胶料粘合性差、模具棱角、倒角不合理5、表面粗糙:模具表面粗糙、模具结垢、混炼胶焦烧时间过短 6、表面明疤：胶料流动性差、胶料焦烧、胶片厚度不均匀、模具瞬间掉压平板上升过快，排气不畅、压力不足
29，理想的橡胶硫化曲线应满足那些条件？
答:较为理想的橡胶硫化曲线应满足下列条件: （1）硫化诱导期要足够长，充分保证生产加工的安全性； （2）硫化速度要快，提高生产效率，降低能耗：（3）硫化平坦期要长，无返原。
四.计算题
1已知某一胶料在140℃时的正硫化时间是20min，试利用范特霍夫方程计算出130℃和150℃时的等效硫化时间。硫化温度系数K为2.0解: P421 2.某一产品胶料的正硫化时间为130℃×20min，其中平坦硫化时间围为20～100min，为了提高生产效率，硫化温度改为140℃；
①求本产品在 140℃时的硫化平坦期范围的时间：
2求本胶料的最小和最大硫化效应（K＝2.0）。 P421-P425 3.已知一胶料正硫化条件为 135℃x30 min，平坦范围为 301t（min） 05 10 15 20 25 30 35 40 T（℃） 70 115 120 125 130 135 135 135 135 i判断该加 40 min B是否达到正硫化？有无过硫？
50min，已测出该胶料在实际硫化中的升温情况如下：
4，在橡胶制品硫化时为何要加压？硫化时间与硫化温度之间有何关系？当胶料在140℃时正硫化时间为30min，试分别用范特霍夫公式和阿累尼乌斯方程计算在硫化温度为 150℃的等效硫化时间。（设 K＝2，E＝92KJ/mol，R＝8.31431/mo-K）
解：P421、P422
答:内因有橡胶分子链结构（双键、a-H）、橡胶内金属离子、橡胶中的配合剂:外因有物理因素（热、光、电、应力、应变、辐射、水）、化学因素（02、03、SO2、H2S、酸、碱、金属离子）、生物因素（微生物（细菌、酶）、昆虫（白蚁）
16，为什么IR （异戊橡胶）、NR （天然橡胶）热氧老化后变软， BR （顺丁橡胶）、SBR （丁苯橡胶）和NBR （丁腈橡胶）热氧老化后变硬？
答:因为IR、NR的化学结构主要是顺-1，4-聚异戊二烯，链稀烃发生a-H反应， a-H易于脱掉形成烯丙基自由基，分子链裂解，形成小的分子链，故热氧老化后变软。BR、SBR、 NBR结构中都含有丁二烯，在进行氧化后发生分子间的交联，所以热氧老化后变硬。
17，不饱和碳链橡胶的吸氧曲线是什么形状的？曲线可分为几个阶段？每个阶段各有何特点？
根据下图三种橡胶吸氧动力学曲线判断它们的耐热氧化的顺序。
吸氧量b
试验时间，小时
答:不饱和碳链橡胶的吸氧曲线呈s型，可分为三个阶段。第一阶段吸氧量小，吸氧速度基本恒定，此阶段橡胶性能虽有所下降但不显著，是橡胶的使用期。第二阶段是自动催化氧化阶段，吸氧速度急剧增大，在此段后期，橡胶已深度氧化变质，丧失使用价值。第三阶段是氧化反应结束阶段，吸氧速度先变慢后趋于恒速最后降至零，氧化反应结束。判断顺序：？
18，橡胶臭氧老化的物理防护方法有几种？
答:四种，分别是橡胶并用、橡塑共混、表面涂层、加抗臭氧蜡。
19，试分析轮胎的胎侧在使用过程中发生的老化形式，根据所发生的老化形式应选用何种防老剂？
答：
20，炭黑的粒径、结构度、表面活性及表面含氧基团对胶料的混炼、加工工艺性能和焦烧性有何影响？
答:对于混炼，粒径:粒径小，吃料慢，难分散，生热高，黏度高；结构:结构高，吃料慢，易分散，生热高，黏度高:活性:活性高，生热高，黏度高，对吃料、分散影响不显著。对于加工工艺（压延、挤出），炭黑粒径小、结构度高、用量大，压延挤出半成品表面光滑，收缩率低，压出速度快。对于焦烧性，炭黑表面含氧基团多，pH值低，硫化速度慢；炭黑粒径小，结构高，易焦烧，硫化速度快。
21. 炭黑聚集体表面有什么基团？炭黑的 PH 值与表面基团有什么关 系？
答:炭黑表面上有自由基、氢、含氧基团（羟基、羧基、内酯基、醌基）。炭黑的PH值与表面的含氧基团有关，含氧基团含量高，PH值低，反之亦然。
22，什么是结合橡胶？结合橡胶形成的途径有哪些？哪些因素影响结合橡胶的生成量？
答:结合橡胶，也称为炭黑凝胶（bound-rubber），是指炭黑混炼胶中不能被它的良溶剂溶解的那部分橡胶。形成途径有两个，一是化学吸附，二是物理吸附。影响结合橡胶的因素炭黑的因素，炭黑的比表面积（比表面积增大，结合橡胶增加）、混炼薄通次数、温度（温度升高结合胶量升高）、橡胶性质（不饱和度高，分子量大的橡胶生成的结合胶多）、陈化时间（时间增加，结合胶量增加，约一周后趋于平衡）。
23. 干法白炭黑的粒径大小和硬质炭黑相近，为何其补强性较差？
答:其与干法白炭黑的结构有关。干法白炭黑内部除三维结构的二氧化硅外，还残存有较多的二维结构，致使分子间排列较为疏松，有很多毛细结构，易吸湿，降低了补强性。
24. 什么叫压延效应？它对制品性能有何影响？如何消除压延效应？
答:压延效应是指压延后胶片出现性能上的各项异性的现象。对性能的影响: ？消除办法:提高压延温度和半成品停放温度、减慢压延速度、适当提高胶料可塑度、将胶料调转方向、使用各向同性的填料
25. 什么叫贴胶、压力贴胶和擦胶？
答：贴胶即胶片贴合，是指将两层以上的胶片贴合在一起的压延作业，用于制造厚度大、质量高的胶片。压力贴胶，
答：对于丁基橡胶，
ChCH3
CH
结构式CH）CHCH-CHz
-CH
Ch
可以看出分子主链周围有密集的侧甲基，且无极性基团和活性基团。异戊二烯的数量相当于主链上每100个碳原子才有一个双键（单个存在），可近似看作饱和橡胶，所以它耐老化，透气性好。对于硅橡胶来说，硅橡胶是分子主链中为—Si—o—无机结构，热稳定性好，因此耐高温。
6，为什么丁苯胶的硫化速度比天然胶慢？
答:因为NR有推电子的侧甲基，而丁苯橡胶有弱吸电子的苯基和乙烯基侧基
7. 什么是再生胶？橡胶再生过程的实质是什么？再生胶有何用途？
答:再生胶的定义:由废旧橡胶制品和硫化胶的边角废料、经粉碎、脱硫等加工处理制得的具有塑性和粘性的材料。实质:橡胶的再生是废胶在增塑剂（软化剂和活化剂）、氧、热和机械剪切的综合作用下，部分分子链和交联点发生断裂的过程。应用: （1）在轮胎工业中，再生胶主要用于制造垫带，另外也可用于外胎中的钢丝胶、三角胶条以及小型轮胎、力车胎中等。（2）在工业用橡胶制品中也有应用，如胶管、胶板等橡胶制品中
8. 硫化剂的作用是什么？焦烧现象产生的原因有哪些？如何预防焦烧现象？
答:硫化的本质是橡胶线型大分子网络化，硫化剂会与橡胶反应生成交联键，使之成为三维网状结构。焦烧现象产生的原因有（1）促进剂选用不当（内因） （2）加工温度过高（3）冷却不充分（4）加工时间过长（5）配合剂分散不均匀。预防焦烧现象的措施: （1）使用迟效性促进剂，如次磺酰胺类促进剂（2）控制加工温度不要过高；冷却充分才折叠停放（3）在保证配合剂分散的情况下，尽可能缩短加工时间（4）使用防焦剂（scorch retarder）如CTP9. 喷霜产生的原因是什么？为避免喷霜应采取哪些措施？
答:混炼胶产生喷霜的原因:配合剂与橡胶的相容性差、配合剂用量过多、加工温度过高，时间过长、停放时降温过快，温度过低、配合剂分散不均匀。硫化胶产生喷霜的原因：与橡胶相容性差的防老剂或促进剂用量多了、胶料硫化不熟，欠硫、使用温度过高，贮存温度过低、胶料过硫，产生返原。减轻喷霜的措施:低温炼胶、使用不溶性硫黄、用硫载体取代部分硫黄、适当提高混炼胶的停放温度（25～30 ℃）、采用促进剂或防老剂并用，减少单一品种的用量、胶料中添加能够溶解硫黄的增塑剂如煤焦油、古马隆树脂、使用防喷剂（blooming inhibitor）。
10. CR（氯丁橡胶）适用的硫化剂是什么？为什么不用硫磺硫化？
答:过氧化物。与硫磺硫化的硫化胶相比，过氧化物硫化胶的网络结构中的交联键为C-C键，键能高，热、化学稳定性高，具有优异的抗热氧老化性能，且无硫化返原现象，故而不用硫磺硫化。
11. 促进剂 DM、TMTD、NOBS、D、DZ、CZ 在天然橡胶中的抗硫化返原能力的顺序如何？
答: DM＞NOBS＞TMTD＞DZ＞CZ＞D
12.已知有下列交联网络，请你说出与其相对应的硫化体系①-C-C-2-C-O-C-3-C-S1-C-和-C-S2-C-＠-C-S1-C---C-S2-C-和-C-SX-C-（其中以多硫交联键为主）⑤-C-S1-C-、-C-S2-C-和-C-SX-C-（其中以单硫键和双硫键为主）
答:依次是:过氧化物硫化体系、酚醛树脂硫化体系、有效硫化体系、传统硫化体系、半有效硫化体系
13，什么是传统硫化体系、有效硫化体系和半有效硫化体系？
答:传统硫磺硫化体系是指二烯类橡胶的通常硫磺用量范围的硫化体系，可制得软质高弹性硫化胶，配合方式:硫黄和促进剂用量为通常用量。有效硫化体系是在传统硫化体系的基础上改变了硫/促进剂的比例，配合得到的硫化胶网络中单键和双键的含量占90％以上，网络具有极少主链改性，硫磺的利用率很高。半有效硫化体系是一种促进剂和硫磺的用量介于以上两种之间，所得硫化胶即具有适量的多硫键，又有适量的单、双硫交联键，使其具有较好
的动态性能，又有中等的耐热氧老化性能的硫化体系。
14，试说明NR中不同硫磺用量和促进剂用量对硫化体系类型、交联结构及硫化胶性能的影响。
答: NR的普通硫磺硫化体系，促进剂0.5-0.6份，硫磺2.5份，所得硫化胶网络70％以上为多硫交联键，硫化胶具有良好的初始疲劳性能，室温下有优良的动静态性能，但不耐热氧老化。高促低硫（促进剂3-5 份，硫化剂0.3-0.5份）或无硫，为有效硫化体系，交联结构中单、双硫键占90％，硫化橡胶有较高的抗热氧老化性能，但起始动态疲劳性差。促进剂、硫磺用量介于以上两种之间，为半有效硫化体系，交联结构中多硫键与单双硫键相当，硫化胶有较好的动态性能，又有中等程度的耐热氧老化性能。促进剂与硫等物质的量，为平衡硫化体系，交联结构有单硫、多硫、双硫，硫化胶有优良的耐热老化性和耐疲劳性。
15. 引起橡胶老化的内因、外因有哪些？
＋/橡胶:是一种有机高分子材料，能够在大的变形（高弹性）下迅速恢复其形变；能够被改性（硫化）；改性的橡胶不溶于（但能溶胀于）沸腾的苯、甲乙酮、乙醇和甲苯混合液等溶剂中；改性的橡胶在室温下被拉伸到原长的2 倍并保持 1min 后除掉外力，它能在 1min 内恢复到原长的 1.5 倍以下。
2. 格林强度：未经硫化的拉伸强度
3，冷流性:生胶或未硫化胶在停放过程中因为自身重量而产生流动的现象
4，活性剂:配入橡胶后能增加促进剂活性，能减少促进剂用量或降低硫化反应温度，缩短硫化时间的物质
5. 促进剂的迟效性
6，焦烧:加有硫化剂的混炼胶在加工或停放过程中产生的早期硫化现象。焦烧现象本质是硫化，胶料局部交联7. 工艺正硫化时间：胶料从加入模具中受热开始到转矩达到 M90 所需要的 时间。％90）（9OLHLMMMM
8.硫化返原：又称返硫，是胶料处于过硫化状态，胶料的性能不断下降的现象。
9. 硫化效应：硫化强度与硫化时间的乘积，用 E 表示。？
10.防老剂的对抗效应：防老剂（抗氧剂）并用后产生的防护效能低于参 加并用的各抗氧剂单独使用的防护效能之和
11.防老剂的协同效应：防老剂（抗氧剂）并用后的防护效能大于各抗氧 剂单独使用的效能之和，是一种正效应。12，软质炭黑:粒径在40nm以上，补强性低的炭黑
13. 硬质炭黑：粒径在 40nm 以下补强性高的炭黑
14. 结合橡胶：也称为炭黑凝胶，是指炭黑混炼胶中不能被它的良溶剂溶解 的那部分橡胶。
15.炭黑的二次结构：又称为附聚体，凝聚体或次生结构，它是炭黑聚集体间以范德华力相互聚集形成的空间网状结构，不牢固，在与橡胶混炼是易被碾压粉碎成为聚集体。
16.增塑剂：增塑剂又称为软化剂，是指能够降低橡胶分子链间的作用力，改善加工工艺性能，并能提高胶料的物理机械性能，降低成本的一类低分子量化合物。
17 塑炼：塑炼是指通过机械应力、热、氧或加入某些化学试剂等方式，使橡 胶由强韧的高弹性状态转变为柔软的塑性状态的过程
18. 压延效应压延后胶片出现性能上的各项异性现象
19，抗氧指数又称塑性保持率，是指生胶在140℃×30min前后华莱士塑性值的比值，其大小反映生胶抗热氧化断链的能力。
三.简答题：
1. 简述天然橡胶的化学结构及其特性。
答：NR 链烯烃的特CHz CCH
NR
中有双键，能够与自由 基、氧、过氧化物、紫外光及自由基抑制剂反应。NR 中有甲基（供电基），
使双键的电子云密度增加，a -H 的活性大，使 NR 更易反应（易老化、硫化速度快）。2.回答问题并解释原因 ：①SBR 与 NR 相比，哪一种更耐热氧老化？
答：SBR（丁苯橡胶），②EPDM 与 IIR 相比，哪一种更耐臭氧老化？
答：EPDM（乙丙橡胶）③NBR 与 CR 相比，哪一种更耐石油类油类？、
答：NBR（丁腈橡胶）④CR 与 BR
相比，哪一种更耐臭氧老化？
答：CR（氯丁橡胶），⑤BR 与 NR 相比，哪一种冷流性大？哪一种回弹性大？
答: BR冷流性、回弹性较大，、
3.根据用途选择一种适当的橡胶①制造水胎或硫化胶囊（乙丙橡胶）②制造内胎（丁基橡胶）③制造耐230℃在石油介质中连续工作的密封件（氟橡胶）④具有一定阻燃性、机械强度较高、耐酸碱的运输带覆盖胶（氯 丁橡胶）4. 鉴别橡胶： ①两包生胶标识模糊，已知其中一包是SBR-1502，另一包是 BR-DJ9000，试选择一种方法，将其准确地区分开来。②有两块外观均为黑色的混炼胶，已知其一是掺有少许炭黑的 CR，另一块是掺有少许炭黑的 BR 胶，试至少用两种最简单（不用任何仪器）的方法，将它们分辨开来。
5. 试从化学结构上说明 IIR（丁基橡胶）为何具有优良的耐老化和耐气透性？硅橡胶为何耐高温？
75/75
5.3 力学性能及其他
力学性能：随着PP-g-GMA的Gr增加，其拉伸强度增加，由于接枝共聚物分子间作用力增大，缺口冲击强度在Gr为1.8％处出现极大值。
机械性能:发现聚烯烃接枝AA后其强度和韧性得到提高，但接枝丙烯酸丁酯，其性能反而下降。
流变性质：PP-g-GMA在熔融流动时，一般具有剪切变稀行为，属于假塑性流体。当剪切速率增大到一定程度后，其流变行为类似于牛顿流体。熔体粘度:由于在接枝过程中，PP的分子量下降，因此，接枝共聚物通常具有较低的熔体粘度，且Gr越高，其熔体粘度越低。
5接枝共聚物的结构及性能
5.1热学性能
对于PP，接枝物的热分解温度高于纯PP，如熔融法制备的PP-g-GMA和溶液法制备的PP-g-GMA随Gr的增大而提高，在接枝物的分子量低于未接枝PP的情况下，接枝物的起始分解温度和半分解温度仍得到提高，同时耐氧化性得到提高，这些都是因为不稳定的次甲基在接枝过程中的被脱除的缘故。
5.2粘合性能
水解接枝物和去除未反应单体对接枝共聚物的化学键接。若对接枝物进行化学水解，则剥离强度迅速提高。表面化学分析表明，粘合是因极性基团与金属表面的金属氧化物发生了化学键接，其破坏断裂发生在MAH分子和PP主链之间。
19/762.己糖
·自然界常见的己糖有D-葡萄糖、D-半乳糖、D-果糖、D-甘露糖。
D-葡萄糖是自然界分布最广、最重要的单糖，可以为人体直接吸收。工业上以淀粉为原料用无机酸或酶水解的方法大量制得。
D-果糖也是自然界中最重要的单糖。工业上用异构化酶将葡萄糖转化为果糖，甜度很高。·D-半乳糖和D-甘露糖在生物体中很少游离存在。CHOCHO
CH2OH
CHO
H-C-OHH-C-OHC-OHO-C-H
HO-C-HHO-C-HHO-C-HHO-C-H
H-C-OHHO-C-HH-C-OHH-C-OH
H-C-OHH-C-OHH-C-OHH-C-OH
CH2OHCH2OH
CH2OH
CH2OH
D-葡萄糖D-半乳糖
D-果糖
D-甘露糖
图2-2己糖结构式
阿拉伯糖又称果胶糖，广泛存在于高等植物17/76
中，通常与其他单糖结合，以多糖的形式存在于果胶、半纤维素及某些糖苷中。
·L-阿拉伯糖可以抑制血糖增高和胰岛素分泌，还可以抑制脂肪堆积，其甜度只有蔗糖一半左右，对酸、热度稳定，用于医药和作微生物培养剂。
·D-核酮糖和D-木酮糖是重要的糖代谢中间产物，可进一步经其他途径为人体提供能量。
·D-核糖和D-2-脱氧核糖广泛存在于动植物细胞核中，是核酸的重要成分，是人类生命活动中不可缺少的物质。
D-木糖在农产品的废弃部分中（如玉米的穗轴、秸秆、麦麸等）含量很多，不被消化吸收，适于肥胖病和糖尿病患者的甜味剂。
二、功能性低聚糖
33/76
·与普通低聚糖相比，功能性低聚糖对人体具有特殊的保健和生理功能。
·功能性低聚糖的保健功能在于它们能够被肠道内的双歧杆菌等有益菌群消化利用，促进它们的生长繁殖，起到了益菌因子的作用。功能性低聚糖以二至六糖较为多见，大多数是通过生物或化学方法生产的，少数几种可通过提取法获得。
功能性低聚糖的独特的生理功能·1.促进双歧杆菌增殖，是双歧杆菌的增殖因子。·2.低能量或零能量。
·3.防止龋齿。
·4.防止便秘、腹泻。
·5.生成营养物质。
·6.降低血清胆固醇，改善脂质代谢，降低血压。·7.增强机体免疫能力，抵抗肿瘤。
2.乳糖
29/76游离半缩醛羟基
CH2OHCH2OH
OHO.0.
OHOH
OH
OHOH
图2-4乳糖的结构式
①乳糖是由1分子β-D一半乳糖与1分子α-D-葡萄糖以β-1，4-糖苷键连接的二糖，属杂聚糖。
②乳糖分子中保留了一个半缩醛羟基，是还原糖。·乳糖来源较少，主要存在哺乳动物乳中。牛乳中含4.5～5.5％，猪乳中含4.9％，山羊乳中含4.6％，人乳中含5.5％～8.0％。
·乳糖能溶于水，甜度较低为蔗糖的40％。
·乳糖具右旋光性，［α］D20为＋55.4°；是还原性糖，所以有变旋现象。
·乳糖不能被酵母发酵，而能被乳酸菌发酵。
葡萄糖的变旋光现象
27/76还原糖放入溶液中，
它的旋光度逐渐变化，
α-型
＋1120乙醇溶液最后达到一个稳定的
平衡值，这种现象称
为变旋现象。
＋52.5水溶液
β-型
＋18.70吡啶溶液
所有的糖类都具有旋光性，但只有还原糖具有变旋光现象。
葡萄糖在水中的存在形式
CH2OHCH2OH
HOH
H
H
H63％
36％
H
OHHOH
H
OHH
OH
OH
HOHCHO
H
OH
β-D-吡喃葡萄糖2
α-D-吡喃葡萄糖
3
5
CH2OHCH2OH
CH2OH
HOH
HO-H5
5＜0.01％
OH
1OH
OH3
2
OH
32
H
HOH
OH＜1％
β-D-呋喃葡萄糖α-D-呋喃葡萄糖
3，蔗糖
31/76CH2OH
HHOH2C
HO
H
HHH
HO
OHO
HOCH2OH
HOHOH
H
图2-5蔗糖的结构式
①蔗糖由1分子α-D-葡萄糖与1分子β-D-果糖通过α-1，2糖苷键连接形成，属于杂聚双糖。
②蔗糖分子中不含有半缩醛羟基，是非还原糖。·蔗糖是是自然界中分布最广泛也是最重要的一种双糖。
·蔗糖根据纯度高低可分为：白糖、砂糖和片糖。·蔗糖是白色晶体，熔点186℃，甜味仅次于果糖，易溶于水，难溶于乙醇，其［α］D20为＋66.5°，是右旋糖。
蔗糖是非还原糖，因此不具变旋光现象
果糖β-型甜度约为α-型的3倍，果糖结晶一般37/76
则为β-型，所以也是溶解时间越长甜度越低。与葡萄糖不同，果糖的甜度还受温度的影响。10％果糖液，0℃α：β＝3：7，80℃为7：3，因此温度越低，果糖越甜。
蔗糖是非还原糖，没有α-型和β-型的转变，因此甜味不随时间、温度等发生改变。
·甜度还受浓度影响，一般浓度越高甜度越大。
表2-3糖的相对甜度
糖类名称相对甜度
蔗糖1.0
果糖1.5
葡萄糖0.7
半乳糖0.6
麦芽糖0.5
乳糖0.3
麦芽糖醇0.9
山梨醇0.5
木糖醇1.0
果葡糖浆（转化率16％）0.8
淀粉糖浆（葡萄糖值42％）0.5
淀粉糖浆（葡萄糖值20％）0.8
39/76（2）溶解度
各种单糖和低聚糖都较易溶于水，其溶解度随温度升高而增大。表2-4糖的溶解度
20℃30℃
40℃
50℃
糖浓度溶解度浓度溶解度浓度溶解度浓度溶解度
（％）（g/100g水）（％）（g/100g水）（％）（g/100g水）（％）（g/100g水）
果糖78.94374.7881.54441.7084.34538.6386.94665.58
蔗糖66.60199.468.18214.370.01233.472.04257.6
葡萄糖46.7187.6754.64120.4661.89162.3870.91243.76
·一般溶解度越高，以饱和溶液储存时稳定性越高。工业上储存葡萄糖溶液时，则需在较高的温度下，提高其溶解度，以利于储存。溶解度越高，越难以结晶。因此工业上生产的和市售的葡萄糖、蔗糖多为结晶固态，而果糖多为液态。
35/76表2-2
国际上最近开发的主要低聚糖名称主要成分与结合类型
主要用途
麦芽低聚糖葡萄糖（a-1，4糖苷键结合）
滋补营养性，抗菌性
分支低聚糖葡萄糖（a-1，6糖苷键结合）
防龋齿，促进双歧杆菌增殖
环状糊精葡萄糖（环状a-1，4糖苷键结合）
低热值，防止胆固醇蓄积
龙胆二糖葡萄糖（β-1，6糖苷键结合），苦味
能形成包接体
防龋齿
偶联糖葡萄糖（a-1，4糖苷键结合），蔗糖
果糖（β-1，2糖苷键结合）
果糖低聚糖促进双歧杆菌增殖
果糖（β-1，2糖苷键结合），蔗糖
潘糖葡萄糖（a-1，6糖苷键结合），果糖
防龋齿
海藻糖葡萄糖（a-1，1糖苷键结合），果糖
防龋齿，优质甜味
防龋齿，促进双歧杆菌增殖蔗糖低聚糖葡萄糖（a-1，6糖苷键结合），蔗糖
半乳糖（B-1，4糖苷键结合），葡萄糖骨架、防龋齿，促进双歧杆菌增殖牛乳低聚糖半乳糖（β-1，3糖苷键结合），乙酰氨基葡
糖等
壳质低聚糖乙酰氨基葡糖（B-1，4糖苷键结合）
抗肿瘤性
大豆低聚糖半乳糖（a-1，6糖苷键结合），蔗糖
促进双歧杆菌增殖
半乳糖低聚糖半乳糖（β-1，6糖苷键结合），葡萄糖促进双歧杆菌增殖
木低聚糖木糖（-1，4糖苷键结合）
水分活性调节
三、单糖、低聚糖与食品加工有关的性质·1.单糖、低聚糖与食品加工有关的物理性质·（1）糖的甜度
·糖甜味的高低称糖的甜度，它是糖的重要性质。·糖的甜度与其构型（a-型和β-型）有关。
·葡萄糖的α-比β-型甜1.5倍。
·葡萄糖结晶一般为α-型，在水溶液中达到平衡时，α：β＝1：1.7，所以葡萄糖溶解时间越长甜度越低，温度对葡萄糖天都几乎无影响。
41/76（3）结晶性
·蔗糖易于结晶，晶体较大；葡萄糖易于结晶，但晶体细小；麦芽糖也易结晶；转化糖、果糖难以结晶；中转化糖浆不能结晶。
·单糖和低聚糖的结晶性与其溶解度和纯度有关。·溶解度越高，越难以结晶；
·纯度越低，越难以结晶。
·结晶性质的差别与应用有关。
（4）吸湿性和保湿性
吸湿性：是指糖在空气湿度较高情况下吸收水分的性质。
保湿性：是指糖在较高湿度吸收水分和在较低湿度散失水分的性质。
不同种类糖的吸湿性：果糖、转化糖＞葡萄糖、麦芽糖＞蔗糖＞乳糖。
·果糖的吸湿性是各种糖中最高的。
·此外，各种糖醇也具有较好的吸湿性和保湿性。
（5）渗透压
43/76
·同种糖的渗透压随浓度升高而增大
·相同浓度下，相对分子量愈小，渗透压愈大。·即溶液的渗透压与其中溶质分子数目成正比。·渗透压与食品贮藏性有关，渗透压力越高，储存性越好，越不易感染微生物而腐败变质。·渗透压对于抑制不同微生物的生长有差别。敏感性上酵母菌＞细菌＞霉菌。
（6）黏度
·同种糖，浓度越高粘度溶解度
葡萄糖
500蔗糖
20
·相同浓度下，相对分子黏度
葡萄糖
·粘度还与温度有关。400
蔗糖
15
·与一般物质不同，葡萄030010
升高而增大。200
浓度相同时，葡萄糖、5
100
转化糖浆。2030405060708090
温度/℃
CH2OH
51/76o
HO1
OH4 CH2OH
＞
直链淀粉HO
1
α-1，4-糖苷键OH
4 CH2OH
ICH2OHHO
OH
HOHOCH2OH
HOOHα-1，6-糖苷键
CH2OH
HO支链淀粉
HO6CH2
HOHOCH2OH
α-1，4-糖苷键HO
HO
a-1，4直链
a-74～6支链淀粉
①直链淀粉直链淀粉全部是以α-D-葡萄糖通过α-1，4-键连接而成的，聚合度（指组成淀粉分子的葡萄糖单位的数目）以200～300个葡萄糖分子为多见。
直链淀粉可被人体内淀粉酶完全水解，最终转变为葡萄糖，容易被人体吸收。
分类
49/76同聚多糖
淀粉、纤维素和糖原等
组成杂聚多糖果胶、粘多糖等
支持性多糖纤维素
半纤维素甲壳素
贮存性多糖淀粉
糖原
功能凝胶性多糖果胶
琼脂黄原胶
生物活性多糖黄芪糖V-岩藻多糖
香菇多糖茯苓多糖
一、淀粉
·淀粉是植物光合作用的主要产物，是我们食物的主要来源。
·它广泛存在于植物的种子、根和茎中。
·1.淀粉的结构
·淀粉的基本组成单位是D-葡萄糖，属于同聚糖。·经旋光度测定，组成淀粉的葡萄糖全部为α型，因此淀粉中葡萄糖分子间的键称为α-键。
（8）抗氧化性
47/76
·糖溶液具有一定的抗氧化性是由于氧气在糖溶液中溶解量比在水溶液中低很多。
·饮食中抗氧化剂长期以来倍受关注，这是因为①抗氧化剂能够保护食物免受氧化损伤而变质；②在人体消化道内具有抗氧化作用，防止消化道和其他组织器官发生氧化损伤；③来源于食物的某些具有抗氧化作用的物质可以作为治疗药品。第四节
多糖
·多糖是由多个单糖分子通过脱水、缩合而形成的，是一类分子结构复杂且庞大的糖类物质，可用通式（C6H10O5）n表示。
多糖的糖基单位绝大多数在200以上。
·多糖与单糖、低聚糖的性质相差较大。
·多糖大部分为粉末，没有甜味，不能溶解，没有变旋现象，也不具有单糖的许多化学性质。
直链淀粉并不是
53/76
完全伸直的。
直链淀粉借助分
子内羟基间的氢
键卷曲成螺旋状，α-1，4-苷键
每一圈螺旋有六
个葡萄糖单位。
②支链淀粉
支链淀粉的分子量比直链淀粉大的多（聚合度600～6000），结构也复杂的多。
∞
支链淀粉实际上是许多直链淀粉通过α-1，6-55/76
苷键连接起来，即各分支链内都由α-1，4-键连接而成，仅分支点处为α-1，6-苷键。
·经测定，这两种键的比约为15～30：1，即每隔15～30葡萄糖单位就有一个分支。·人体内的淀粉酶只有α-1，4-淀粉酶，因此，α-1，6-键须在酸和多种酶的作用下才能被水解消化。
2.淀粉的性质
（1）物理性质
淀粉呈白色粉末状，无味，无嗅不能溶于冷水，平均密度1.5。
植物组织中淀粉以独立的淀粉粒形式存在。·天然淀粉粒不溶于冷水。支链淀粉易分散于冷水中形成凝胶，直链淀粉可在热水中形成凝胶。
淀粉颗粒的形状大致分为圆形、卵形和多角形。
马铃薯淀粉颗粒为卵形或圆形；玉米淀粉颗粒有圆形和多角形两种；大米淀粉颗粒为多角形。
不同品种淀粉颗粒的大小也很不同，直径在几57/76到几十个微米之间
颗粒由大到小：马铃薯＞小麦＞玉米＞大米。
马铃薯淀粉玉米淀粉
（2）化学性质
①还原性
·淀粉链末端虽然也有游离的半缩醛羟基，但是在数百以至数万个葡萄糖单位中才存在一个游离的半缩醛基，还原性仅相当于单糖的几百至几万分之一，极不明显。
糊化必须要经过三个阶段：
63/76
可逆吸水阶段、不可逆吸水阶段、颗粒解体阶段。
糊化作用的本质是淀粉分子间的氢键断开，分散在水中成为胶体溶液。
糊化使淀粉颗粒破裂解体，淀粉分子充分的伸展松散或断裂形成了分子链较短的糊精。这使酸、各种酶能够更加充分和直接的地对其作用，糊化后的淀粉也更容易被人体消化利用。
·糊化温度：通常用糊化开始的温度和完成的温度表示淀粉糊化温度，即糊化温度不是一个点，而是一个范围。
表2-6几种粮食淀粉的糊化温度
粮食种类起始一完成/℃粮食种类起始～完成/℃
大米65～73
甘薯
82～83
小麦53～64
马铃薯
62～68
玉米64～71
络合物颜色会受温度影响。
61/76
络合物颜色还会受聚合度影响。聚合度为8～12时，络合物显红色，13～30时显紫红色，大于30时则显蓝色。当淀粉链长小于6时不显色。
淀粉水解过程中产物的链长始终是下降的，因此与碘反应的颜色也逐渐变浅。
淀粉→蓝紫糊精→红糊精→无色糊精→麦芽糖→葡萄糖
颜色兰色兰紫色红色不显色不显色不显色
4糊化
·淀粉在植物中是以淀粉粒的形式存在的，我们把这种淀粉称为生淀粉。
生淀粉常温下不溶于水，但当水温达到一定温度时，淀粉能够发生糊化。
定义：将淀粉的乳状悬浮液加热到一定温度淀粉液变成黏稠状的淀粉糊，这种现象称为淀粉的糊化。
第一章 淀粉基础理论
一、填空题
、淀粉是由单一类型的（糖单元 ）组成的（ 多糖 ），而与淀粉的来源无关。
、淀粉的分子式为（ （C6H1005）n） ，严格的分子式为（ C6H1206（C6H1005）。
、淀粉主要是由（ 直链淀粉）和（支链淀粉1）两级分组成。根据分离分级技术的进步，淀粉还分
出（中间级分 ），一般称为（支化较少的支链淀粉或轻度支化的直链淀粉）。
、一般直链淀粉的分子量为（ 5-20万），相当于由（ 300-1200）个葡萄糖残基聚合而成。支链淀分分子量要比直链淀粉大得多，大约为（ 20-600）万，一般集合度为（ 4000-40000），大部分在（5000-13000 ）.
、淀粉颗粒不是一种（淀粉）分子，而是由许多（直链淀粉）和（支链淀粉）分子构成的聚合体，
这种（聚合体）不是无规律的，它是由两部分组成，即有序的（结晶区）和无序的（无定形区）。
、直链淀粉分子呈（ 螺旋）结构。直链淀粉与碘和脂肪酸的不是（化学）反应，而是形成了（螺
旋）包合物。
、直链淀粉呈右手螺旋结构，每六个葡萄糖单位组成螺旋的每一个节距，螺旋上重复单元之间的距
离为（1.06） nm
、人们对支链淀粉分子结构模型的认识分为以下六个阶段（层叠式）结构、（梳 子）结构、
（树
支状）结构、（对树枝状模型）修正、（束簇）模型、
（对束簇模型）
、淀粉在胚乳细胞中以（颗粒状修正。
）存在，一般（ 17）亿个颗粒/克。
0、淀粉颗粒的形状，不同种类的淀粉颗粒一般具有（圆形（或球形））
（卵形（或 椭圆形））和
（多角形（或不规则形））。同一种来源淀粉颗粒也有（差异）
1、淀粉颗粒的大小，不同来源的淀粉颗粒大小 （相差）很大，同一种淀粉来源 其大小也有（ 差异 ）定粉糊化温度的测定方法:偏光显微镜法、分光光度法、电导法、差示扫描量热法（DSQ P20 重点
二、简答题
、轻度分支直链淀粉分子与直链淀粉中的支链淀粉分子的不同点：
（1）支链淀粉的分子量比轻度分支直链淀粉分子大。
（2）轻度分支直链淀粉 β-淀粉酶的分解极限只有 40 ％左右，而支链淀粉的分解极限为 55 ％～
60％.
（3）淀粉颗粒随处理温度升高时，最先溶出的是线状直链分子，之后是轻度
连淀粉则在最后被溶出。分支直链淀粉分子，支
、淀粉遇碘产生蓝色反应，这种反应是什么反应？
不是化学反应。 而是呈螺旋状态的直链淀粉分子能够吸附碘形成螺旋包合物。每 6 个葡萄糖残基形
成一个螺圈，恰好能容纳 1 个分子碘，碘分子位于螺旋中央。
、吸附碘的颜色反应与直链淀粉分子大小如何？
聚合度不同，其颜色变化也不同。聚合度 12 以下不呈颜色变化；12-15 棕色；20-30 红色；35-40 紫色；45 以上蓝色。
、什么叫淀粉颗粒的单粒、复粒和半复粒，并画出简图？
只有一个粒心为单粒。在一个淀粉质体内包含有同时发育生成的多个淀粉颗粒称为复粒。由两
个或更多个原系独立的团粒融合在一起，各有各的粒心和环层，但最外
是半复粒。围的几个环轮则是共同的，
、什么叫淀粉颗粒的偏光十字？什么叫淀粉颗粒的结晶化度？
在偏光显微镜下观察，淀粉颗粒呈现黑色的十字，将淀粉颗粒分成 4 个白色的区域称为偏光十字或马耳它十字。淀粉颗粒的结晶态部分占整个颗粒的百分比，称为结晶化度。
、淀粉组分分离的原则是什么？
一是不能使淀粉的性质发生变化 （如仍保持螺旋结构 ）；二是淀粉不能发生降解。
7、什么是淀粉的糊化？什么是淀粉的糊化温度？
若把淀粉的悬浮液加热，到达一定温度时（一般在55℃以上），淀粉颗粒突然膨胀，因膨胀后的体积达到原来体积的数百倍之大，所以悬浮液就变成黏稠的胶体溶液。这种现象称为淀粉的糊化
（gelatinization）。淀粉颗粒突然胀的温度称为糊化温度，又称糊化开始温度。
8、影响淀粉糊化的因素有哪些？为什么？p22
（1）淀粉颗粒晶体结构的影响（2）水分的影响（3）碱的影响（4）盐类的影响（5）糖类的影响（6）极性高
分子有机化合物的影响（7）脂类的影响（8）化学变性的影响
9、什么是淀粉的回生？
淀粉稀溶液或淀粉糊在低温下静置一定的时间，混浊度增加，溶解度减少，在稀溶液中会有沉
淀析出，如果冷却速度快，特别是高浓度的淀粉糊，就会变成凝胶体（凝胶长时间保持时，即出现回
生），好像冷凝的果胶或动物胶溶液，这种现象称为淀粉的回生或老化，这种淀粉称为回生淀粉（或
称β-淀粉）。
10、淀粉回生的本质是什么？
回生的本质是糊化的淀粉分子在温度降低时由于分子运动减慢，此时直链淀粉分子和支链淀粉
分子的分支都回头趋向于平行排列，互相靠拢，彼此以氢键结合，重新组成混合微晶束。其结构与
原来的生淀粉颗粒的结构很相似，但不成放射状，而是零乱地组合。（由于其所得的淀粉糊中分子中氢键很多，分子间缔合很牢固，水溶解性下降，如果淀粉糊的冷却速度很快，特别是较高浓度的
淀粉糊，直链淀粉分子来不及重新排列结成束状结构，便形成凝胶体。）
11、影响淀粉回生的因素有哪些？为什么？
（1）分子组成（直链淀粉的含量）（2）分子的大小（链长）（3）淀粉溶液的浓度（4）温度（5）冷却速度（6）pH值（7）各种无机离子及添加剂等措施：快速冷却干燥，加乳化剂等。
12、淀粉颗粒不溶于冷水的原因是什么？
①淀粉分子间是经由水分子进行氢键结合的，有如架桥，氢键数量众多，使分子间结合特别牢固，
以至不再溶于水中；
②由淀粉颗粒的紧密结构所决定的。（结晶区和无定形区；淀粉颗粒受损或经物理化学变性）
13、玉米、小麦淀粉中高含量脂类化合物的存在会造成哪些影响？
①抑制玉米和小麦淀粉颗粒的膨胀和溶解；
②直链淀粉-脂类螺旋包合物会使淀粉糊和淀粉膜不透明度或混浊度增加，影响糊化淀粉增稠能力和
黏合能力；
③不饱和脂类化合物在贮存期因氧化作用而酸败，影响其应用。
14、淀粉中蛋白质含量高会带来哪些不利的影响？
（1）淀粉使用时会产生臭味或者其他气味；
（2）蒸煮时易产生泡沫；
（3）水解时易变色（褐色：美拉德）。
15、什么是淀粉的轮文结构？
在显微镜下细心观察，可以看到有些淀粉颗粒呈若干细纹。
16、高蛋白质含量对马铃薯淀粉性质产生的影响：
（1）糊化温度低（2）水分和膨胀快速（3）淀粉糊的高度黏性和膜的高度透明（4）马铃薯的高
含水量。
三、论述题：
1、试述淀粉的糊化过程？P18
2、布拉班德淀粉糊黏度曲线测定步骤？并做图说明各关键点？P20
一、名词解释
1、生物质能：是蕴藏在生物质中的能量，是绿色植物通过叶绿素将太阳能转化为化学能而贮存在生物质内部的能量。煤、石油和天然气等化石能源也是由生物质能转变而来的。
2、能源植物：广义：几乎可以包括所有植物。
狭义：是指那些利用光能效率高、可合成类似石油或柴油成分的植物以及富含油脂或者碳水化合物或者产氢的植物。
3、沼气：沼气是各种有机物质在一定的温度、水分、酸碱度和隔绝空气的条件下，经过嫌气性细菌的发酵作用，产生的一种可燃气体
4、生物柴油：指以各种油脂（包括植物油、动物油脂、废餐饮油等）为原料，经一系列加工处理过程而生产出的一种液体燃料。属于长链脂肪酸的单烷基酯
5、燃料乙醇：一般是指体积浓度达到99.5％以上的无水乙醇。燃料乙醇是燃烧清洁的高辛烷值燃料，是可再生能源。主要是以雅津甜高粱加工而成
6、生物质发电：利用生物质资源进行的发电。一般分直接燃烧发电和气化发电两种类型，主要包括农林废弃物直接燃烧发电、农林废弃物气化发电、垃圾焚烧发电、垃圾填埋气发电、沼气发电
二、简答题
1、生物质能的开发利用是在怎样的背景下提出来的？有何重要意义？
答：背景：1.能源的开发和利用一直以来见证着人类文明的进步，能源的更新替换，成为人类适应环境、利用环境、改造环境的重要标志之一。当今的新型替代能源，如风能、太阳能、生物能、地热能等纷纷涌现，各具优势，且利用技术不断成熟和发展，其中生物能在实用性、可行性、广泛性方面，显现出独有的优势，被认为是未来30～50年里，最具大规模产业化开发前景的新型能源。
2.能源危机与生态危机：煤炭、石油只能开采100年：天然气只能开采50～60年：空气污染、
水污染、土壤污染、温室效应、物种绝灭。
发展意义（自由扩展）：1.传统能源有限、不可再生及环境危害性2.生物质能源丰富、可再生及环境友好性2、汽车使用乙醇汽油的好处。
第一，乙醇汽油增加汽油中的含氧量，使燃烧更充分，有效地降低了尾气中有害物质的排放；
第二，有效提高汽油的标号，使发动机运行更平稳；
第三，可有效消除火花塞、气门、活塞顶部及排气管、消声器部位的积炭，延长主要部件的使用寿命。
3、概述世界主要国家生物质能开发利用现状。
目前，生物质能技术的研究与开发已成为世界重大热门课题之一，受到世界各国政府与科学家的关注。许多国家都制定了相应的开发研究计划，如美国的能源农场计划、日本的阳光计划（是日本政府为对付能源危机和建设无公害社会制定并推行的新能源开发计划）、巴西的酒精能源计划（以甘蔗为原料生产酒精，将使用的所有汽油都添加20％到25％的酒精）等，其中生物质能源的开发利用占有相当的比重。
4、我国能源植物开发利用现状。P47
5、（P26）列举十个生物质能研究热点问题。
1、合成生物学与生物质能的生产用化学物质造出合成DNA，由DNA组成基因，再由基因形成基因组，最终在实验室造出全新生物体的分子系统
2、斯坦福大学有一个国际研究机构正在开展土壤微生物吸收光能分解水制氢的研究
3、美国一家绿色燃料科技公司研究将海藻作为生物反应器（bioreator），它吸收光能、水与C02之后，再转变为生物质燃料。
4、光合作用的模拟
5、遗传工程改变生物质以遗传工程改良技术，提高纤维素利用效率
6藻类产柴油部份藻类含油量高，生长快速，因此成为制造生物质柴油的理想物种。
7.利用光能效率高、可合成类似石油或柴油成分的植物以及富含油脂或者碳水化合物或者产氢的植物8.生物质能直燃发电是以农作物秸秆和林木废弃物为原料，进行简单加工，然后输送至生物质发电锅炉，
5、什么是果葡糖浆？
果葡糖浆是淀粉先经酶法水解为葡萄糖浆后将精制后的葡萄糖液流经固定化葡萄糖异构酶柱，使其中
葡萄糖一部分发生异构化反应转变成异构体果糖，得到糖分组成主要为果糖和葡萄糖混合糖浆，再经
活性炭和离子交换树脂精制浓缩的无色透明的果葡糖浆。
6、什么是麦芽低聚糖？
麦芽低聚糖，是由特异的麦芽低聚糖酶作用于淀粉而得致电的一种新型营养甜味剂。它是一种混
合糖，主要由麦芽糖、麦芽三糖至麦芽八糖组成，不含糊精。
三、问答题：
2、淀粉液化机理有哪些？为什么淀粉糖酶法制备工艺过程中淀粉要先液化后糖化？
利用液化酶质糊化淀粉水解到糊精和低聚糖程度，使甜度大为降低，流动性增高
3、淀粉酶法糖化机理？
糖化是利用葡萄糖淀粉酶从淀粉的非还原末端开始水解a-1，4和a-1，6糖苷键，使葡萄糖单位逐个
分离出来，从而产生葡萄糖，键的断裂位置在C1-O处。
4、请叙述糖化液的精制和浓缩过程？
中和，过滤，脱色，离子交换树脂处理，浓缩。
5、果葡糖浆生产工艺流程图？P180
6、酶法工艺制备葡萄糖的工艺流程？
淀粉-调浆-液化-脱色-离子交换-真空浓缩-成品
第五章变性淀粉
一、填空题
1、变性淀粉分类按变性处理方法有（物理变性淀粉）、（化学变性淀粉）、（酶法变性淀粉）和（复合变性淀粉）。
2、工业化生产中酸解淀粉变性程度一般采用（流度）作为衡量指标。
3、预糊化淀粉生产方法有（滚筒干燥法）、（喷雾干燥法）和（挤压法）。
4、酯化淀粉分（无机酸酯）和（有机酸酯）两类。
5、工业上生产的糊精产物（麦芽糊精）、（环糊精）、（热解糊精）。
6、糊精转化过程中发生的化学反应主要为（水解反应）、（复合反应）、（葡萄糖基转移反应）。
7、淀粉的交联形式主要有（酰化交联）、（酯化交联）、（醚化交联）。
8、酯化淀粉分（有机酸酯）和（无机酸酯）两类。
二、简答题
1、什么是变性淀粉？
变性淀粉是指为改善其性能和扩大应用范围，在保持淀粉固有特性的基础上，利用物理方法、化学方法和酶法，改变淀粉结构、物理性质和化学性质，从而出现特定的性能和用途的产品。
2、全球变性淀粉的品种、规格多达4000多种。按处理方式分主要有哪几种变性类型，并举例说明？（1）物理变性淀粉，如预糊化淀粉和机械研磨淀粉；
（2）化学变性淀粉，如氧化淀粉和交联淀粉；
（3）酶法变性淀粉，他、如麦芽糊精和直连淀粉；
（4）复合变性淀粉，如氧化交联淀粉和交联酯化淀粉。
3、什么是复合变性淀粉？
采用两种或两种以上改性处理方法所得到的变性淀粉。
4、什么是干法生产变性淀粉？有哪些变性淀粉通常采用干法生产？
用少量的水，通常在20％左右，含水20％以下的淀粉，几乎看不大盘有水分存在。白糊精、黄糊精及
其酸降解的变性淀粉。
5、什么是湿法生产变性淀粉？
也称为浆法，是将淀粉分散在睡或其他液体介质中，配成一定浓度悬浮液，在中等温度下与化学试剂进行氧化、酸化、酯化、交联等改性反应生成变性淀粉。
三、论述题
1、不同类型的淀粉变性程度的衡量指标有哪些？
预糊化淀粉评价指标为糊化度；
酶法糊精评价指标为DE；
酸解淀粉用黏度和分子质量评价水解程度；
氧化淀粉用羧基含量等评价其氧化程度；
接枝淀粉用接枝比率评价接枝程度；
交联淀粉用沉降体积或溶胀度评价交联程度；
其他变性淀粉用取代度（DS）或摩尔取代度（MS）表示。
2、麦芽糊精、环糊精、热解糊精三者间的区别？
麦芽糊精：淀粉经酸、酶或酸与酶合并催化水解，DE在20％以下的产物。
环糊精：淀粉经用嗜碱芽孢杆菌发酵发生葡萄糖基转移反应得环状分子。
热解糊精：利用干热法使淀粉降解所得到的产物。
3、写出酸变性淀粉的生产工艺流程，并简要说明具体操作流程？P196
目前，酯交换法是生产生物柴油的主要研究方向，包括酶促合成法、固体酸碱法、离子液体法、
离子交换树脂法和超临界甲醇法。
16、酸碱催化酯交换的反应机理如何？
一、酸性催化剂：质子先与甘油三酯的羰基结合，形成碳阳离子中间体。亲质子的甲醇与碳阳离子
结合并形成四面体结构的中间体，然后这个中间体分解成甲酯和甘油二酯，并产生质
子催化下一轮反应。甘油二酯及甘油单酯也按这个过程反应。
二、碱性催化剂：催化的酯交换反应中，真正起活性作用的是甲氧阴离子，它攻击甘油三酯的羰基
碳原子，形成一个四面体结构的中间体，然后这个中间体分解成一个脂肪酸甲酯和一
个甘油二酯阴离子，这个阴离子与甲醇反应生成一个甲氧阴离子和一个甘油二酯分
子，后者会进一步转化成甘油单酯，然后转化成甘油。所生成的甲氧阴离子又循环进
行下一个的催化反应。
17、微藻作为生物柴油生产的优势与应用前景分析。
答：生产优势：1.占地球表面积71％的是水体，每年能提供非常丰富的藻类生物量；
2.藻类容易繁殖，生长周期短，光合作用效率高：
3.藻类的生长繁殖不依靠土壤，不占用农业用地，而且其养殖过程可以实现自动化控制；
4.藻类是一种单细胞生物，它没有叶、茎、根。即没有无用生物量，整个藻体都可用于热转化。
5.藻类含有较高的脂类、可溶性多糖和蛋白质等易热解的化学组分；藻类热解所获得的生物质燃油热值高，平均高达33MJ/kg，是木材或农作物秸秆的1.6倍。
6.藻类不含纤维素等难分解成分，易被粉碎和干燥，所需热解条件相对较低，可使生产成本降低：
7.藻类可塑性大，可以通过改变培养条件或诱导，提高其产油能力；
8.从藻类获取的油是没有污染、可再生的能量资源，它的应用不需要改变汽车、飞机的发动机。
前景分析：1）和现已初步实现产业化的玉米等粮食作物制取生物柴油的方式相比，海洋微藻产量高，单位面积产量是粮食的几十倍，生长周期短、繁殖快，并且培养时间短，在很短的时间内可获得大量产品。2）微藻在水域（淡水或海水均可）中生长繁殖，不依靠土壤，不存在与农业用地相竞争的问题，不占用耕地，不影响农业生产。
3）微藻的含油量相对较高，其生长繁殖和油脂的制备都可以实现工业自动化。
4）微藻个体小、木素含量很低，易粉碎干燥，用藻类来生产液体燃料所需处理和加工条件相对较低，生产成本与其他生物燃料原料相比相对较低。
5）微藻生长可以消耗大量的二氧化碳，并且在微藻培育过程中加人二氧化碳，可令微藻的产量大幅度增加，从微藻到油的生产过程也可以实现零排放，具有良好的环保效益。
18、燃料乙醇原料的发展趋势。《生物质能学》173页
燃料乙醇生产仅仅依靠粮食来提供原料，已不能满足燃料乙醇生产的需求，我国需要走多元化供应的路子，未来我国燃料乙醇发展更多的应是依靠非粮食原料。
我国燃料乙醇生产企业的发展主要是两个方向；一是木薯乙醇；二是纤维素乙醇。两者都属于非粮食作物，其中，木薯乙醇已处于规模化生产阶段，技术发展已相对完善；而纤维素乙醇在我国还处在试验阶段，技术还有待完善。
木薯是替代玉米的最佳选择：木薯是取代玉米等原料生产酒精的理想替代物，开发木薯酒精资源前景看好。在同样土地资源条件下，种植木薯可比种植玉米多产近2倍酒精。利用木薯进行酒精生产，整株作物无废料，利用效率很高。
纤维素乙醇发展潜力最大：长期来看，木薯也只是中国生产燃料乙醇的过渡性原料，还不足以改变中国整个能源结构。承担改变中国能源结构重任的是以秸秆为代表的植物纤维。开发大规模生产木质纤维类生物质燃料乙醇的工业技术，是解决燃料乙醇原料成本高、原料有限的根本出路。
19.燃料乙醇的优点：
1、可作为新的燃料替代品，减少对石油的消耗。2、辛烷值高，抗爆性能就好3、减少矿物燃料的
4HCO0HCH＋3C0＋2H04CHOH→3CH＋CO＋2H-0
11、简述沼气发酵过程。
（一）液化（水解）阶段
在沼气发酵中首先是发酵性细菌群利用它所分泌的胞外酶（淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶）等，对有机物进行体外酶解，也就是把畜禽粪便、作物秸秆、豆制品加工后的废水等大分子有机物分解成能溶于水的单糖、氨基酸、甘油和脂肪酸等小分子化合物。这个阶段叫液化阶段。
（二）产酸阶段
这个阶段是三个细菌群体的联合作用，先由发酵性细菌将液化阶段产生的小分子化合物吸收进细胞内，并将其分解为乙酸、丙酸、丁酸、氢和二氧化碳等，再由产氢产乙酸菌把发酵性细菌产生的丙酸、丁酸转化为产甲烷菌可利用的乙酸、氢和二氧化碳。另外还有耗氢产乙酸菌群，这种细菌群体利用氢和二氧化碳生成乙酸，还能代谢糖类产生乙酸，它们能转变多种有机物为乙酸。
（三）产甲烷阶段
在此阶段中，产甲烷细菌群，可以分为为食氢产甲烷菌和食乙酸菌两大类群，已研究过的就有70多种产甲烷菌。它们利用以上不产甲烷的三种菌群所分解转化的甲酸、乙酸等简单有机物分解成甲烷和二氧化碳，其中二氧化碳在氢气的作用下还原成甲烷。这一阶段叫产甲烷阶段，或叫产气阶段。
12、沼气发酵的基本条件。
一、适宜的发酵原料二、质优足量的菌种三、严格的厌氧环境四、适宜的发酵温度五、适度的发酵浓度六、适宜的酸碱度
13、生物柴油的优点与缺点
优点：1.具有优良的环保特性
2.具有较好的低温发动机启动性能
3.具有较好的润滑性能、安全性能、燃料性能、再生性能
4.无须改动柴油机
5.生物柴油以一定比例与石化柴油调和使用，可以降低油耗、提高动力性，并降低尾气污染
缺点：1.以菜籽油为原料生产的生物柴油成本高
2.用化学方法合成生物柴油有以下缺点
3.低温启动性能不佳。
4.燃烧排放物中NOx含量较高。
5.含有微量甲醇与甘油，会使接触的橡胶零件，如橡胶膜、密封圈、燃油管等逐渐降解。
6、油脂来源分散，品种复杂。
14、目前利用生物酶法制备生物柴油存在哪些亟待解决的问题？
答：（1）脂肪酶对长链脂肪醇的酯化或转酯化有效，而对短链脂肪醇（如甲醇或乙醇等）转化率低，一般仅为40％-60％：
（2）甲醇和乙醇对酶有一定的毒性，容易使酶失活
（3）副产物甘油和水难以回收，不但对产物形成一致，而且甘油也对酶有毒性；
（4）短链脂肪醇和甘油的存在都影响酶的反应活性及稳定性，使固化酶的使用寿命大大缩短。
15、生物柴油的制备方法有哪些？
答：可分为两大类：物理法和化学法。
一、物理法：通过物理机械的方法，改变原料油脂或脂肪的黏度和流动性等得到生物柴油，包括直
接混合法和微乳液法。
①直接混合法：将植物油与矿物柴油按一定的比例混合后作为发动机燃料使用。
②微乳液法：将动植物油与溶剂混合制成微乳状液也是解决动植物油高黏度的办法之一。
二、化学法：通过原料油脂或脂肪，与低碳醇在催化剂存在的情况下，进行化学反应生成相应酯
的过程，分为高温裂解法和酯交换法。
经充分燃烧后产生蒸汽推动汽轮发电机发电
9沼气的产生，发酵原料来源于人畜粪便及废弃有机物（如秸杆、污水等）
6、简述能源植物的优点。
（1）环保性。不含硫化物，因此不会形成酸雨。还可以通过生物降解，从而避免对土壤和地下水的污染。
（2）低成本。能源植物的分布广，若能因地制宜地进行种植，便能就地取材生产燃料酒精或者生物柴油，
不需要进行勘探、钻井、采矿和提炼等过程，也减少了长途运输、管道输送等成本。
（3）可再生性：只要有光、水和土壤，它就能生长，取之不尽，用之不竭。
（4）安全性：使用起来比核能安全，不发生爆炸、泄漏。
7、简述世界燃料酒精生产现状及发展趋势。
答：国外应用现状及发展趋势：世界酒精的66％用于燃料，14％用于食用，11％用于工业溶剂，9％用于其它
化学工业。发酵酒精作车用燃料有两种方式：其一是配制汽油和无水酒精的混合物——汽油醇.其二是直接
利用酒精作为汽车燃料，这时必需使用专门设计的，具有更高压缩比的发动机。
国内现状：生物乙醇汽油的消费量已占到全国汽油消费总量的20％。2006年，我国燃料乙醇的生产达
到130万吨。我国生物乙醇汽油在生产、混配、储运及销售等方面已拥有较成熟的技术。目前我国发展非粮乙醇的可行之路，在于发展用甜高粱、甘薯、木薯等原料来替代粮食。8、（P187）简述世界生物柴油生产现状及发展趋势。
答：世界各国，尤其是发达国家，都在致力于开发高效、无污染的生物质能利用技术，欧洲已成为全球
生化柴油的主要生产地。美国、意大利、法国已相继建成生物柴油生产装置数百座。
截止2007年，中国有大小生物柴油生产厂2000多家。生物柴油的需求量在不断增加，预计到2012年，
中国生物柴油的需求量将达到2000万吨/年，按国家再生能源中长期规划，那时的产能是20万吨/年。需
求与产量的反差，将会是形成产品供不应求的局面。向基地化和规模化方向发展，实行集约经营，形成产
业化目前，原料短缺是制约生物柴油产业化发展的重要瓶颈。
9、沼气工程的意义。
答：1.生产清洁能源一高效、可再生能源
2.治理环境污染一处理粪便、垃圾、有机废水、废渣
3.提高企业经济效益一综合利用、改善生产条件
4.形成新的产业一设计、施工、副产品生产销售、配套设备加工
5.发展农村户式沼气具有极高的经济性和实用性。
10、简述沼气发酵的基本原理。
答：在沼气发酵过程中，主要有：“发酵性细菌、产氢产乙酸菌、耗氧产乙酸菌、食氢产甲烷菌和食乙
酸产甲烷菌”等五大菌群参与活动。
①.发酵性细菌：一些不溶性物质被发酵性细菌所分泌的胞外酶水解为可溶性的糖、肽、氨基酸和脂酸，再
将吸入细胞，发酵为乙酸、丙酸、丁酸等和醇类及一定量的H及CO
以纤维素为例，反应过程如下：（CH0）＋nHO→n（CHO）
CHO CHCOOH ＋ CHCHCOOH ＋ CHCHCHCOOH ＋3C0＋3H
②.产氢产乙酸菌：除甲酸、乙酸和甲醇外的物质均不能被产甲烷菌所利用，所以必须由产氢产乙酸菌将其
分解转化为乙酸、氢和二氧化碳反应过程如下：
CHCHCOOH＋2H0 CHCOOH ＋ CO＋ 3H CHCHCHCOOH ＋ 2H0 2CHCOOH ＋ 2H③.耗氢产乙酸菌：它们既能利用H2＋C02生成乙酸，也能代谢糖类生成乙酸。
2CO2＋4H2→CH3COOH＋2H2OC4H12O4→3CH2COOH
④.产甲烷菌（食氢、食乙酸）：它们在厌氧条件下将前三群细菌代谢的终产物，在没有外源受氢体的情况
下，把乙酸和H2/C02转化成CH4/C02。产甲烷菌广泛存在于水底沉积物和动物消化道等极端厌氧的环境
中。生成CH4的主要反应如下：
CHCOOH→CH＋CO4H＋CO→CH＋2H0
5、湿法生产玉米淀粉中玉米籽粒的破碎目的是什么？一般采用什么设备？
玉米破碎的目的就是要把玉米破碎吃呢个碎块，使胚乳和胚芽分开，并释放出一定数量的淀粉。
设备：脱胚磨。
6、影响玉米破碎效果的因素有哪些？
（1）玉米品种和浸泡质量（2）脱胚磨工作情况（3）进料固液比：1：3（4）破碎质量控制：两次破碎工艺
7、分离胚芽的设备：
旋液分离器（水力旋流分离器和气体旋流分离器）：原理：利用离心力使颗粒大小、相对密度不同的
悬浮颗粒分离。
8、玉米精磨主要采用什么设备？其目的是什么？
设备：沙盘磨、锤碎机、冲击磨
目的：破坏玉米碎块中淀粉与非淀粉成分的结合，使淀粉最大限度的游离出来，分出纤维渣，并使胚
乳中蛋白质与淀粉颗粒分开，以便进一步分离和精制。
9、纤维的分离及洗涤采用什么设备？
压力曲筛。
三、论述题
1、玉米是世界上主要粮食作物之一，在农业生产中占有重要的地位。请写出玉米淀粉生产的主要工
艺流程？
净化玉米送至浸泡罐浸泡，浸泡完成后软化玉米松土一次磨进行破粹和脱胚，脱胚后混合物送入精磨，分理处纤维的细淀粉乳进行主分离，多级淀粉洗涤。
2、玉米子粒中含淀粉70％～72％，较先进的淀粉提取工艺可提取淀粉65％～70％。在淀粉生产工艺
过程中未提取出来的淀粉和子粒中的其他成分均为淀粉厂的副产品。请问对玉米淀粉厂副产物综合利
用的具体措施主要体现在那几个方面？
（1）浸出液可提取植酸，浓缩生产玉米浆可做饲料和送至生产抗生素、酵母及酒精的工产使用；
（2）胚芽可提炼玉米油；
（3）敖质制成的成品称玉米蛋白粉；
（4）玉米纤维通过分离手段去除玉米皮中的淀粉、蛋白质、脂肪等物质可制成食物纤维，用作高纤
维食品的添加剂。
第四章淀粉糖
一、填空题
1、淀粉糖品的种类有（液体葡萄糖）、（结晶葡萄糖）、（麦芽糖浆）、（麦芽糊精）、（麦芽低
聚糖）和（果葡糖浆）。根据工艺和纯度（结晶葡萄糖）、（全糖）。
2、淀粉液化方法有三种，分别是（升温液化法）、（高温液化法）和（喷射液化法）。
3、酸法糖化工艺中，糖液精制方法，一般采用（碱中和）、（活性炭吸附脱色）和（离子交换脱盐）二、简答题
1、什么是液体葡萄糖？
液体葡萄糖是控制淀粉适度水解得到的以葡萄糖、麦芽糖、低聚麦芽糖以及糊精组成的淀粉糖浆，主
要成分为葡萄糖和麦芽糖，又称葡麦糖浆。
2、在糖工业中经常用DE值，请问DE值表示什么？
即葡萄糖值，表示淀粉水解的程度。
3、什么是麦芽糖浆？
麦芽糖浆是以淀粉为原料，经酶或酸-酶结合法水解制成的一种淀粉糖浆
4、什么是麦芽糊精？
麦芽糊精是指以淀粉为原料。经酸法或酶法低程度水解，得到的DE在20％以下的产品。
第二章玉米淀粉生产技术
一、填空题
1、玉米属禾本科玉米属，按GB依种皮颜色分为（黄玉米）、（白玉米）和（混合玉米）三类。按籽粒性状可分为（马齿型）、（半马齿型）等。
2、玉米子粒的化学组成主要是（淀粉），约占子粒质量的（71.8）％，还含有（蛋白质）、（脂肪）（纤维素）和（半纤维素）。
3、玉米籽粒中所含的各种化学物质在籽粒的各个部位的分布是不均匀的，胚乳中含量最高的是（淀
粉），胚芽中含量最高的是（脂肪），皮层中含量最高的是（半纤维素）。
4、玉米籽粒中的碳水化合物主要是（淀粉）和（糖类）。
5、玉米籽粒含有约（8％～14％）的蛋白质，这些蛋白质，（75％）在胚乳中，（20％）在胚芽中。6、玉米籽粒各部位中各类蛋白质含量不同，在籽粒中主要含有（醇溶蛋白）和（谷蛋白），而胚芽
中主要含有（白蛋白）和（球蛋白）。
7、提取玉米淀粉的方法，一般有（干法）和（湿法）两种。
8、玉米浸泡操作过程中，一般情将玉米子粒浸泡在含有（0.25-0.35）％浓度的亚硫酸水中。在
（49-53℃）的温度下，保持（50h）时间，即完成浸泡操作。
9、玉米中的杂质分（有机杂质）和（无机杂质）两类。
10、玉米浸泡方法分为（静止浸泡法）和（逆流扩散浸泡法）。
10、玉米破碎、胚芽分离的工艺流程一般采用二次（破碎），二次（分离胚芽）的方法。胚芽洗涤要
在胚芽洗涤（曲筛）上进行，洗涤（曲筛）也是（重力曲筛）。
11、玉米经过破碎和分离胚芽之后，含有（胚乳碎粒）、（麸质）、（皮层）和（部分淀粉颗粒）。
13、玉米分离纤维后的淀粉悬浮液中的干物质，除（淀粉）外还有较多的（非淀粉类）物质，如（蛋
白质）、（脂肪）、（灰分）等。
14、淀粉与麸质分离的工艺流程有三种：（分离机分离）工艺流程、（分离机-旋流器分离）工艺流
程、（全旋流器分离）工艺流程
15、淀粉乳洗涤精制常用（旋液分离器）、（沉降式离心机）和（真空过滤机），现已普遍使用专供
淀粉洗涤用的（旋流分液器）。
16、生产流程图P41
玉米淀粉湿磨法加工的核心是（热环流原理），包括：物环流、水环流、热环流。
二、简答题
1、玉米子粒的结构特征有哪些？
主要由皮层、胚乳、胚芽和根帽等部分组成。
2、利用亚硫酸溶液浸泡玉米的作用是什么（玉米淀粉制备工艺过程中，一般采用亚硫酸作为浸泡液，浸泡作用主要有哪几点）？
亚硫酸在一定的浓度和温度条件下有较好的氧化还原和防腐作用。
（1）氧化还原和防腐作用（2）溶解（3）解聚蛋白质分子的二硫键
3、玉米浸泡中产生乳酸的作用是什么？
（1）促进玉米蛋白质软化和膨胀
（2）保持溶液中钙离子和镁离子，减少蒸发设备不溶性物质的沉积；
（3）过量的乳酸在能增加蛋白质的溶解度的同时也会促进蛋白质的变性，使淀粉和蛋白质的分离更
加困难。
4、对浸泡罐中的每个浸泡罐来说，完整的浸泡过程包括哪四步？
（1）向浸泡罐投入浸泡液和玉米（2）玉米的浸泡
（3）浸泡液的排放（4）浸泡玉米的排放
应用以及污染4、可再生能源5、不会增加大气中的C02
20.乙醇脱水制备燃料乙醇的方法：
目前制备燃料乙醇的方法主要有化学反应脱水法、恒沸精馏、萃取精馏、吸附、膜分离、真空蒸馏法、离子交换树脂法等。
21.木质纤维素糖化发酵的四种类型及其目前各自面临的技术难题：
（1）物理法：球磨、压缩球磨、爆破粉碎、冷冻粉碎、声波、电子射线。
弊端：效果不明显、处理成本高、条件苛刻。
（2）化学法：酸、碱、有机溶剂。
弊端：污染严重、设备要求高、损失大、收率低。
（3）理化法
（4）生物法：木质素降解微生物：白腐真菌为主、木质素降解酶类：Lacs、Lips、MnPs等、木质素降解条件、木质素降解分子生物学
22.生物质发电的意义：
1、缓解能源短缺；
2、增加我国清洁能源比重：
3、改善环境：
4、扩大乡镇产业规模，增加农民收入，缩小城乡差距。
23.氢能的特点：
（1）所有元素中，氢重量最轻：
（2）所有气体中，氢气的导热性最好；
（3）氢是自然界存在最普遍的元素，据估计它构成了宇宙质量的75％；
（4）除核燃料外，氢的发热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的；
（5）氢燃烧性能好，点燃快：
（6）氢本身无毒，与其他燃料相比氢燃烧时最清洁；
（7）氢能利用形式多，既可以通过燃烧产生热能，又可以作为能源材料用于燃料电池，或转换成固态氢用作结构材料。
三、设计题
1、沼气池的类型、组成和设计原理。
沼气池组成
1进料口和进料管
进料口位于畜禽舍地面下，由设在地下的进料管与发酵间连通。进料口将厕所、畜禽粪便污水通过进料管流入沼气池发酵间。进料管内径一般为200-300mm，采取直管斜插于池墙中部或直插与池顶部的方式
与发酵间连通，目的是保持进料顺畅、搅拌方便、施工方便。
2、发酵间和储气室
是沼气池的主体，可分为发酵间和储气室。发酵原料在发酵间进行发酵，产生的沼气溢出水面进入上部的削球形储气室储存。因此，要求发酵间不漏水，储气室不漏气。
3、水压间（出料间）
主要功能是为储存沼气、维持正常气压和便于出料而设置的，其容积由沼气池产气量来决定，一般为沼气池24小时所产沼气的一半。水压间与发酵间的连接，随着出料方式的不同而存在两种方式：
①当满足沉降、杀灭寄生虫卵的需要，采取中层出料时，水压间通过安装于其中部的出料管与发酵间连接
②为便于出料、免除一年一度的大换料，采取底层出料时，水压间通过其下部的出料口与发酵间直接相通
4、活动盖
设计在池盖的顶部，呈瓶塞状，上大下小。活动盖可以按需要开启或关闭，是一个装配式的部件。其功能主要有：
（1）在进行沼气池的维修和清除沉渣时，打开活动盖可以排除池内残存有害气体，并利于通风、采光，使操作安全。
（2）当遇到导气管堵塞、气压表失灵等特殊情况，造成池内气压过大时，活动盖即被冲开，从而降低池内气压，使池体得到保护。
（3）当池内发酵表面严重结壳，影响产气时，可以打开活动盖，破碎浮渣层，搅动料液。
5导气管
固定在沼气池拱顶最高处或活动盖上的一根内径1.2cm，长25-30cm左右的铜管、钢管或PVC硬塑管等，下端与储气室相通，上端连接输气管道，将沼气输送至农户，用于炊事与照明。
沼气池的设计原理
建造“模式”中的沼气池，首先要做好设计工作。总结多年来科学实验和生产实践的经验，设计与模式配套的沼气池必须坚持下列原则：
（1）必须坚持“四结合”原则“四结合”是指沼气池与畜圈、厕所、日光温室相连，使人畜粪便不断进入沼气池内，保证正常产气、持续产气，并有利于粪便管理，改善环境卫生，沼液可方便地运送到日光温室蔬菜地里作肥料使用。
（2）坚持“圆、小、浅”的原则“圆、小、浅”是指池型以圆柱形为主，池容6～12立方米，池深2米左右，圆形沼气池具有以下优点：第一，根据几何学原理，相同容积的沼气池，圆形比方形或长方形的表面积小，比较省料。第二，密闭性好，且较牢固。圆形池内部结构合理，池壁没有直角，容易解决密闭问题，而且四周受力均匀，池体较牢固。第三，我国北方气温较低，圆形池置于地下，有利于冬季保温和安全越冬。第四，适于推广。无论南方、北方，建造圆形沼气池都有利于保证建池质量，做到建造一个，成功一个，使用一个，巩固一个，积极稳步地普及推广。小，是指主池容积不宜过大。浅，是为了减少挖土深度，也便于避开地下水，同时发酵液的表面积相对扩大，有利于产气，也便于出料。
（3）坚持直管进料，进料口加算子、出料口加盖的原则直管进料的目的是使进料流畅，也便于搅拌。进料口加算子是防止猪陷入沼气池进料管中。出料口加盖是为了保持环境卫生，消灭蚊蝇孳生场所和防止人、畜掉进池内。
沼气池分类
1、按储气方式有水压式、浮罩式和气袋式三大类，在实际应用中，水压式最为普遍，浮罩式次之。
2、按几何形状有圆筒形、球形、椭球形、长方形、方形、拱形等多种形状，其中，圆筒形池和球形池应用最为普遍。
3、按建池材料有混凝土结构池、砖结构池、塑料（或橡胶）池、玻璃钢池、钢丝网水泥池、钢结构池等，在实际应用中，最为普遍的是混凝土结构池。
4、按沼气池埋设位置有地下式、半埋式和地上式，在实际应用中以地下式为主。
5、按发酵温度有常温发酵池、中温发酵池和高温发酵池。除此以外，也有按照发酵工艺进行分类的。2、以餐饮业废弃油脂为原料生产生物柴油的工艺流程图及文字说明。
3、以木薯为原料生产燃料乙醇的工艺流程图及文字说明。P159
4、木质纤维素生产燃料乙醇的工艺流程图及文字说明。P166
四、能力拓展题
1、请对目前我国生物柴油（P188）、燃料乙醇（P173）和生物质发电（P203小）等生物质能产业面临的主要困难进行分析，并提出你的解决方案。
2、如果要你自主创业，筹建一家生物质发电厂，你将如何实施？
3、我国生物柴油产业如何才能走出困境？请谈谈你的看法。P189-190
4、利用微藻生产生物柴油是一种很好的发展思路，但目前已知的微藻合成生物柴油的产量低，请问：从理论上来说，可以通过哪些途径获得高生物柴油产量的微藻？
生物柴油的“工程微藻”法：
提高微藻油脂总产量的根本思路是提高细胞油脂合成途径相关酶的总活力，并通过代谢调控使代谢中间物更多地分流到油脂合成途径，在生物量和细胞含油率之间寻求平衡乃至从根本上解决生长率和含油率之间的矛盾，以获得最多的油脂产量（油脂产量＝含油率×生物量）。目前主要有两种方法：优化培养法和基因工程法。
4.1优化培养法
优化培养是以实验藻种现有的代谢体系为基础，通过创造一种生理压力（如氮源短缺等逆境条件）来调整代谢流适当向油脂合成方向转换，是从生理生化水平对微藻进行代谢调控来增加油脂总产量。
优化培养法增油脂的技术手段优化培养法增油脂主要通过优化营养供应和培养环境、采用最佳培养方式和培养流程等技术手段来进行。研究者通过对碳源、氨源、磷源、铁离子、硅等的种类或供应量的优化，摸索出利于微藻产油的营养条件；通过对培养液的pH值、光照强度、温度、盐度等环境条件的优化，总结出适于微藻产油的最佳培养环境；通过对分批培养、分批补料培养、半连续培养、连续培养，静置培养、通气培养，单一藻种培养、多种藻混合培养，两步培养法等多种培养方式的摸索，选择适合微藻产油的最佳培养方式。鉴于微藻的优化培养在很多综述和专著中曾多次讨论过，故不再赘述。
4.2基因工程法
基因工程法增油脂是指通过对微藻油脂合成相关途径关键基因的操作，从分子水平化解高生长率和高含油率之间的矛盾，以构建出能够快速积累油脂的工程微藻藻株。目前，研究者主要通过两个方面的基因操作来提升油脂合成能力：（1）超表达与油脂合成直接或间接相关的关键酶；（2）阻断与油脂合成途径竞争中间代谢物的其他途径的关键酶。
4.2.1超表达与油脂合成直接或间接相关的关键酶乙酰辅酶A羧化酶（ACC）:鉴于ACC对脂肪酸合成途径代谢流的重要调控作用，ACC被转入到很多不同物种中超表达以求增加油脂产量。
4.2.2阻断油脂合成的竞争途径由PEPC催化的将PEP催化为草酰乙酸的途径：根据陈锦清的“底物竞争”理论，ACC和PEPC的相对活性影响着脂类合成途径的原料供应量：PEPC会催化磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）羧化为草酸乙酸进入氨基酸生物合成途径，因而导致分流到脂肪酸合成方向的PEP减少，脂肪酸合成量降低；故抑制PEPC活性有助于使进入脂肪酸合成途径的丙酮酸增多，为脂肪酸合成提供更多原料。
采用基因工程手段，培育出遗传稳定、生长迅速的微藻产油株系，以此为基础构建起较为简单的培养流程并因而降低生产成本，这是促使微藻生物柴油迅速工业化生产的最关键问题。虽然通过基因工程法促使微藻大量生产油脂尚未成功，但是油料作物如大豆、油
菜中的成功案例使我们看到了希望。
补充：“工程微藻”生产柴油，为柴油生产开辟了一条新的技术途径。美国国家可更新实验室（NREL）通过现代生物技术建成“工程微藻”，即硅藻类的一种“工程小环藻”。在实验室条件下可使“工程微藻”中脂质含量增加到60％以上，户外生产也可增加到40％以上，而一般自然状态下微藻的脂质含量为5％-20％。“工程微藻”中脂质含量的提高主要由于乙酰辅酶A羧化酶（ACC）基因在微藻细胞中的高效表达，在控制脂质积累水平方面起到了重要作用。目前，正在研究选择合适的分子载体，使ACC基因在细菌、酵母和植物中充分表达，还进一步将修饰的ACC基因引入微藻中以获得更高效表达。
1. 2mol 298K， 5dm2的He（g），经过下列可逆变化:
（1） 等温压缩到体积为原来的一半；
（2） 再等容冷却到初始的压力。
求此过程的Q、W、AU、△H和AS.已知C，（He，g）＝20.8J-K-mol＂＇。
解：体系变化过程可表示为
等温压缩 等容冷却
W-W，＋W:-nRTin＋0-2x8.314x 298x In0.5＝-3435（0）
Q-Qi＋Q2＝Wi＋△U2＝-3435＋nC，ΔT＝-3435＋nC，（298-298/2）
＝-3435＋（-3716）＝7151（J）
ΔU＝ΔU＋ΔU2＝ΔU2＝-3716（J）
AS＝AS＋AS:＝nRin＋C＝2x8.314X In0.5＋2X1.5x8.314ln0.5
＝-2818（J.K-）
2. 10mol 理想气体从 40℃冷却到 20℃，同时体积从 250dm3变化到 50dm’。已知该气体的
Cp.＝29.20J-K＂-mol＇，求△s.
解：假设体系发生如下两个可逆变化过程
等温50dm3
等容
40℃AS
40℃
ΔS2
AS-AS＋AS:-nRin＋
250dm50dm
20℃
10R ＋10x（29.20-8.314）27＋2
＝-147.6（J.K-）
3. 2mol某理想气体（C，-29.36 J-K＂-mol＂）在绝热条件下由273.2K，1.0MPa膨胀到203.6K，
0.1MPa 求该过程的Q、W、△U、△H和△S。
解：273.2K绝热
203.6K
1.0MPa膨胀
0.1MPa
:Cp＝29.36J.K-.mol
: C＝29.36-8.314＝21.046J.K-1
且 Q-0
ΔU＝nC，dT＝2×21.046×（203.6-273.2）--2930（J）
W＝ΔU＝2930（J）
4. 有一带隔板的绝热恒容箱，在隔板两侧分别充以不同温度的 H2和 O2，且 Vi＝V2（见图），
若将隔板抽去，试求算两种气体混合过程的As （假设此两种气体均为理想气体）。
1mol O2
10℃，Vi1mol H2
20℃，V2
解：先由能量衡算求终温。O2 与 H2 均为双原子分子理想气体，故均有 C，，＝5R/2，设终温为 T，则Cvm（H2） （293.2-T）＝C（O2） （T-283.2）
T＝288.2K
整个混合过程可分以下三个过程进行：
恒容△S
1 mol，O2，283.2K1mol，O2，T
恒容△S2在恒温恒压下混合达状态
1mol，H2，293.2K1mol，H2，T
△S
当过程①与②进行后，容器两侧气体物质的量相同，温度与体积也相同，故压力也必然相同，即可进行过程③。三步的熵变分别为：
△S＝C（O2） In288.2x8.314m 28.2.0.364 אJ.א
283.2
5. 100g、10℃的水与200g、40℃的水在绝热的条件下混合，求此过程的熵变。已知水的比热
容为4.184J.K1.g1.
解：：绝热混合:Q＋0 ＝0
Q破＝Q枚
C＋my（t-ty）＝-C＊m2（t-t2）
20t-10＝2（40-t） ＝ t＝30℃＝303.15K
△S＝100C，In303.15
303.15 ＋200C， In
283.15313.15
t为混合后的温度
＝1.40（J.к-）
6，过冷CO2（1）在-59℃时其蒸气压为465.96kPa，而同温度下CO2（s）的蒸气压为439.30kPa.求在-59℃、101.325kPa 下，1mol 过冷 CO2（1）变成同温、同压的固态 CO2（s）时过程的 △S，设压力对液体与固体的影响可以忽略不计。已知过程中放热189.54J-g＇.
解：-59℃，p°
CO2（1）CO2（s）
AG-59℃，p°
AGAG，
CO2（1）
-59℃， p （I）
GCO2（s）
-59℃，p（s）
AG
CO2（g）A
CO2（g）
-59℃， p （I）-59℃， p（s）
△G＝0，△Gs＝0△G2＝△G4＝0
•P（s）
: ΔG＝ΔG＝
Jp（/）Vdp ＝nRTin P）＝1×8.314×214.2n 439.30104.9J
p（1）465.96
: ΔG＝ΔH-TASΔΗ＝-189.54X44＝-8339.76J
:. ΔS＝（ΔΗ-ΔG）/T＝-8339.76 - （-104.9）
2＝-38.5J.K-
214.2
7. 2molO2（g）在正常沸点-182.97℃时蒸发为101325Pa的气体，求此过程的As。已知在正常沸点时 O2（1）的 △nH＝6.820kJ-K＂1。
解：O2在 p°，—182.97℃时的饱和蒸气压为 101.325Pa，该相变为等温可逆相变
Q＝nΔpHm故AS-QT＝ΔHT2x620x10＝151J.
已知此过程的AG＝-800J.mol，AV＝2.75cm3.mol。试求在298K时最少需
施加多大压力方能使文石成为稳定相？
解：CaCO3（文石）
CaCO3（方解石）
298K，p298K， p
GAGs
文石△G2＞
方解石
298K，p298K，p
设298K，压力p时，CaCO3（文石）→CaCO3（方解石）这个反应以可逆方式进行，
即△G2＝0
∴A1G＝AG1＋AG2＋AG3
＋1-1f .p
＝（V1-V2）fndp＝△mVn（p-p）
＝2.75×10×（p-101325）＝800
∴p＝2.91×10Pa
13.在一3℃时，冰的蒸气压为475.4Pa，过冷水的蒸气压为489.2Pa，试求在-3℃时1mol过冷H2O转变为冰的AG。
解：H2O（1）
→
H2O（s）
-3℃，p△G
-3℃，P
A
H2O（）H2O（s）
-3C， p（1）-3C， p（s）
GAG
H2O（g）H2O（g）
-3C， p（1）-3C， p（s）
△G1≈0，△G5≈0△G2＝△G4＝0
△G＝AG3＝fdp＝nRTln＝18.314×270.2n475.4
p（1）489.2
＝-64.27J
10.1mol0℃，101325Pa的理想气体反抗恒定的外压力等温膨胀到压力等于外压力，体积为原
来的10倍，试计算此过程的O、W、AU、AH、AS、AG和AF。
解：W＝P外△V＝-P外（V2-V1）-P外（10V1-V1）
＝pV1＝-0.9RT＝-0.9×8.314×273.15＝-2.04kJ
Q＝-W＝2.04kJ
△U＝△H＝0AS＝nRIn.＝8.314×In10＝19.14J.K
△G＝△H-T△S＝-5229J≈-5.23kJ
△F＝△U-T△S＝-5229J≈-5.23kJ
11.若-5C时，C6H（s）的蒸气压为2280Pa， -5℃时 C6H6（l）凝固时AS_＝-35.65J·Kmol＇，
放热9874J-mol，试求-5C时CH（l）的饱和蒸气压为多少？
解：CoH（1）
C6H6（s）
-5C，p-5℃，P
G
CoH（1）CH（s）
-5C，p（1）-5C， p（s）
AGA
C6H6（g）CH（g）
-5C， p（1）-5C， p（s）
△G1≈0，△G5≈0△G2＝△G4＝0
∴△G＝△G3
△G＝△H-T△S＝-9874-268.2×（-35.65）＝-312.67J. mol
AG3＝Vdp＝nRTIn:（）＝1×834×2682×In2
2280＝-312.67
p（1）
p（1）＝2632Pa
12.在298K及101325Pa下有下列相变化：
CaCO3（文石）→CaCO3（方解石）
8. 1mol 水在 100℃及标准压力下向真空蒸发变成 100℃及标准压力的水蒸气，试计算此过程
的As，并与实际过程的热温熵相比较以判断此过程是否自发。
解: AS--4067x10 -10898J.K.mol
向真空膨胀， W＝0， Q＝△U＝△H-△（pV）＝△H-nRT＝40.67×103-8.314×373.2
＝37.567 kJ.mol
QT-37.567 -100.6J.κ.mo
△S＞Q/T， 所以此过程为不可逆过程
9. 1molH20（1）在100℃， 101325Pa下变成同温同压下的H20（g），然后等温可逆膨胀到
4x10＊Pa，求整个过程的As。已知水的蒸发焓AH＝40.67kJ-K＂1.
解: Wi＝p AV＝p°（RT M.）＝nRT-3.1J
W＝nRTin＝8.314×373.15×In 101325＝2.883kJ
40000
故 W＝Wi＋W2＝5.983kJ
Qi＝n ApH＝40.67kJ
Q2＝W2＝2.883kJ
故 Q＝Qi＋Q2＝40.67＋2.883-43.55kJ
ΔU＝Qi-Wi＝37.57kJ
ΔU＝ΔU＝37.57kJ
ΔΗ＝nΔρΗ＝40.67kJ
ΔΗ2＝0
ΗΔΗ＝ΔΗ＋ΔΗ2＝40.67kJ
ΔS＝Q/T＝
40.67 ×103＝109J.к-
373.15ΔS2＝nRIn＝8.314×0.93＝7.73J.K-
P2
＃AS＝ASi＋AS2＝116.73J.K-1
灰锡-2197
44.76
25.73
解：Sn（白）
Sn（灰）
Δ，Η（298.2K）＝-2197J.mol -1
Δ，S （298.2K）＝44.76-52.30＝7.54 （J.K-.mol-）
2832
Δ，Η°（283.2K）＝Δ，Η°（298.2K）＋A，CdT
＝-2197＋（25.73-26.15）×（283.2-298.2）
J298.2
＝-2197＋6.3＝-2190.7（J.mol-＇）
Δ.S （283.2K）＝ Δ，S （298.2K）＋
＝-7.54＋（25.73-26.15）XIn 283.2
＝-7.52（J.K-.mol-）
Δ.G （283.2K）-Δ，Η（283.2K）-ΤΔ，S （283.2K）
＝-2190.7-283.2×（-7.52）
＝-61.0（J.mol-＇）
:Sn（白）→→ Sn（灰）的反应可自发进行
灰锡较白锡稳定
14.已知298.15K下有关数据如下：
物质O2（g）
C6H12O6（s）
CO2（g）
H2O（1）
A HJ-K1-mol0
-1274.5
-393.5
-285.8
S/J.K.mol205.1
212.1
213.6
69.9
求在298.15K标准状态下，1molα-右旋糖［CH12O（s）］与氧反应的标准摩尔吉布斯自由
能。
解：因为化学反应一般是在恒T、恒V下或者在恒T、恒下进行，所以求化学反应的AG最
基本公式应为A，G（T）＝A，H（T）-TA，Sm（T）
本题求298.15K、标准状态下α-右旋糖的氧化反应如下
298.15K标准状态下
C6H12O6（s）＋602（g6CO2（g）＋6H2O（1）
故的计算式为A，G.A，H.AS
AG（298.15K）的计算式为
AG（298.15K） ＝A H（298.15K）-298.15KX AS（298.15K）
据题给数据
H（298.15K）＝BAH（298.15K）
＝6A H（H2O，I）＝6A H（CO2，g）-AH（C6H12O6，s）
＝6×（-285.8 kJ. mol）＋6×（-393.6 kJ . mol）-（-1274.5 kJ . mol ＇）＝-2801.3 kJmol
S（298.15K）＝ S（298.15K）
＝6（H2O，）-6（CO2g）-（（C6H12O6，s）-6（O2，g）
＝258.3J. K. mol
AG（298.15K）＝AH（298.15K）-298.15KX AS（298.15K）
-2801.3 kJ. mol-298.15KX258.3×103k. mol-
＝-2878.3 k. mol
15.
生物合成天冬酰胺的A.G为-19.25kJ-mol，反应式为：
天冬氨酸＋NH＋ATP
天冬酰胺＋AMP＋PPi（无机焦磷酸）（0）
已知此反应是由下面四步完成的：
天冬氨酸＋ATPB-天冬氨酰腺苷酸＋PPi
（1）
B-天冬氨酰腺苷酸＋NH天冬酰胺＋AMP（2）
B-天冬氨酰腺苷酸＋H2O天冬氨酸＋AMP（3）
ATP＋H2O AMP ＋PPi（4）
已知反应（3）和（4）的△，G分别为一41.84kJ-mol和-33.47kJ-mol，求反应（2）的△，G值.
解：反应方程式（1）＋（2）（0）
∴A，G（1）＋A，G（2）＝A，G
又有反应方程式2×（1）＋（2）＋（3）-（4）＝（0）
∴2△，G0（1）＋A，G（2）＋A，G（3）-A，G（4）＝A，G
∴A，G（1）＋A，G（2）-19.25
2AG（1）＋AG（2）19.25-33.47＋41.84
AG（2）-27.62 kJ. mol
16.固体碘化银AgI有a和β两种晶型，这两种晶型的平衡转化温度为146.5℃，由α型转化
为B型时，转化热等于6462J·mol-1。试计算由α型转化为β型时的AS。
解：AgI（a）AgI（B）
AS＝Q/T＝AH/T＝6462/419.7＝15.4J. K. mol
17.试判断在10℃及标准压力下，白锡和灰锡哪一种晶形稳定。已知在25℃及标准压力下有
下列数据：
物质△HJmol＇）
S298 /（JKmol） Cp.m /（JKmol）
白锡0
52.30
26.15
一、填空题（30分）
1、钢的合金化基本原则是多元适量、复合加入。在钢中细化晶粒作用较大的合金元素有Ti、V、Nb等，细化晶粒对钢性能的作用是既强化又韧化
2、在钢中，常见碳化物形成元素有Ti、Nb、V、Mo、W、Cr、（按强弱顺序排列，列举5个以上）。钢中二元碳化物分为两类：rrM≤0.59为简单点阵结构，有MC和M2C型；r/＞0.59为复杂点阵结构，有M23C6、M2C3和M3C型。3、选择零件材料的一般原则是使用性能要求、工艺性要求和经济性要求等。汽车变速箱齿轮常用20CrMnTi钢制造，经渗碳和淬回火热处理。
4、奥氏体不锈钢1Cr18Ni9晶界腐蚀倾向比较大，产生晶界腐蚀的主要原因是晶界析出Cr2C，导致晶界区贫Cr，为防止或减轻晶界腐蚀，在合金化方面主要措施有降低碳量、加入Ti、V、Nb强碳化物元素
5、影响铸铁石墨化的主要因素有碳当量、冷却速度。球墨铸铁在浇注时要经过孕育处理和
球化处理。
6、铁基固溶体的形成有一定规律，影响组元在置换固溶体中溶解情况的因素有：溶剂与溶质原子的点阵结构、原子尺寸因素电子结构
7、对耐热钢最基本的性能要求是良好的高温强度和塑性、良好的化学稳定性
常用的抗氧化合金元素是Cr、Al、Si
二、解释题（30分）
1、40Mn2钢淬火加热时，过热敏感性比较大。
答案要点：在C％较低时，Mn可以细化珠光体。在C％较高时，Mn加强了C促进奥氏体晶粒长大的作用，且降低了A1温度。因此40Mn2钢过热敏感性比较大。
2、40CrNiMo钢正火后，切削性能比较差。
答案要点：40CrNiMo钢因含有Ni、Cr能提高淬透性，正火后都能得到许多马氏体组织，使切削性能变差。
3、球墨铸铁的强度和塑韧性都要比灰口铸铁好。
答案要点：球铁中，石墨呈球形，灰口铁石墨呈片状。球状石墨对基体的切割作用和石墨的应力集中效应大大小于片状，球铁基体的利用率大大高于灰口铁，所以球墨铸铁的强度和塑韧性都要比灰口铸铁好。
4、铝合金的晶粒粗大，不能靠重新加热热处理来细化。
答案要点：由于铝合金不象钢基体在加热或冷却时可以发生同素异构转变，因此不能像钢一样可以通过加热和冷却发生重结晶而细化晶粒。
5、H68、H70俗称弹壳黄铜，常用于制造炮弹壳、子弹壳。
答案要点：H68、H70组织中只有单相α组织，它的塑性较好，因此适合制造一些需要进行深冲加工的零件如炮弹壳、子弹壳等。
6、在一般钢中，应严格控制杂质元素S、P的含量。
答案要点：S元素在钢中会形成低熔点（989℃）FeS，在1000℃以上的热压力加工过程中会熔化，使钢在热压力加工中产生热脆；P元素在钢中会形成硬脆的Fe3P相，使钢在冷加工中产生应力集中而发生冷脆。所以，一般钢中S、P常看作杂质元素，应严格控制的含量。
三、问答题（40分）
1、试总结Si元素在合金钢中的作用，并简要说明原因。
答案要点：Si的作用如下：
1）提高钢强度；Si是铁素体形成元素，有较强的固溶强化作用；
2）提高钢的淬透性；可阻止铁素体形核和长大，使“C”曲线右移；
3）提高低温回火稳定性；因Si可以抑制回火时K的形核、长大及转变；
4）提高淬火加热温度；，Si提高A1温度。
5）提高抗氧化性，因为它可以形成致密稳定的氧化膜，同时可以提高FeO
的形成温度。
6）加热时易脱碳；Si是促进石墨化的元素。
2、画出示意图说明高速钢的铸态组织。简述高速钢中W、V、Cr合金元素的主要作用。高速钢在淬火加热时，如产生欠热、过热和过烧现象，在金相组织上各有什么特征。
答案要点：高速钢铸态组织中有鱼骨状莱氏体Ld、黑色共析体、白亮马氏体
和残余奥氏体组成（图略）
W的作用主要是提高钢红硬性。主要形成WC，淬火加热时未溶K
阻碍晶粒长大，溶解部分提高抗回火稳定性，在回火时弥散析出WC，
提高耐磨性。但是W降低了钢的导热性。V显著提高红硬性、硬度和耐
磨性，同时可有效降低过热敏感性。Cr提高淬透性，提高耐蚀性和抗氧
化性，提高切削性。
高速钢在加热时如如产生欠热、过热和过烧现象，在金相组织上各有
不同的特征。欠热组织有大量的未溶碳化物，晶粒细小；过热组织晶粒
粗大，未溶碳化物少而角状化；过烧组织中有晶界溶化现象，出现莱氏
体和黑色组织。
3、钢的强化机制主要有哪些？从合金化角度考虑，提高钢的韧度主要有哪些途径？
答案要点：钢的强化记者主意有：固溶强化、细化强化、位错强化、第二相强
化。从合金化角度考虑，提高钢的韧度主要途径有：
1）细化奥氏体晶粒。如强碳化物形成元素Ti、Nb、V、W、Mo等。
2）提高钢的回火稳定性。在相同强度水平下能提高塑性和韧度。
3）改善基体的韧度。如加Ni.
4）细化碳化物。碳化物细小、园整、分布均匀和适量对韧度有利。
5）降低或消除回火脆性。如加入W、Mo。
6）保证强度时，降低才C％.
4、从热力学和动力学条件分析壁厚铸件可得到石墨组织，而在壁薄时却得到白口组织？答案要点：从热力学而言，高温铁水冷却时对石墨的形成是有利的。而从动力
学条件看，形成石墨需要高的C浓度起伏和Fe、C长距离的扩散，而Fe3C
的形成只需要C浓度起伏和Fe、C短距离的扩散，因此不利于石墨的形
成但有利于Fe3C的形成。铸件在壁厚时，由于冷速慢，C原子可充分扩
散，石墨形成的动力学条件较好，有利于石墨形成。壁薄时，由于铁水冷
却快，C原子不能充分扩散，所以易得到Fe3C白口组织。
有一定厚度，一定光洁度以及一定表面要求的连续薄片卷材。
9.帕斯卡定律：加在密闭液体上的压强，能够大小不变地由液体向各个方向传递。
二、选择题
1.液压控制系统中通过压力、流量及流向三个参数控制能量的传递。
2.对于开炼机，要使物料不断进入辊隙，必须使摩擦角大于接触角。
3.密炼机中的椭圆形转子需做成中空结构，其目的是便于涌入蒸汽加热。
4.物料在螺槽中的整个挤出过程的状态为三段七区，在压缩段中，其物料形态可分为四个区。
5.挤出机的螺杆表面与物料的摩擦系数 f， 和料简表面与物料的摩擦系数 f。之间的关系为6.柱塞式注射装置的塑化部件主要是由料筒、柱塞、分流梭和喷嘴等组成。
三、填空题
1.塑料挤出中常用的油泵有三种：叶片泵，齿轮泵和柱塞泵，他们都是容积式泵。
2.聚合物材料在加工之前常需要进行预处理，预处理设备包括筛析设备，预热干燥设备及研磨设备。
3.开炼机前辊速度一般小于后辊速度，这可使物料产生一个对前辊包辊的趋势。
4·密炼机的驱动方式主要有带大驱动齿轮驱动，无大驱动齿轮驱动和双输出轴驱动三种。5·一般将挤压，传动，加压冷却和控制系统四个部分作为挤出机的主机。
6.从挤出机的螺杆特性线可知，机头的压力升高，挤出量增大，螺杆转速越高，挤出量就越大。
7.注射机按塑化方式分类可分为柱塞式注射成型机，橡胶注射成型机和预塑式注射成型机。8.一个完善的合模装置，应满足在规定的注射范围内对加速度，安装模具和取出制品时的空间位置三个基本条件。
四、作图题
1.画出进油节流调速回路图，并简要说明。P273
2.画出挤出机的工作图之一，并作简要说明。P88
五、简答题
1.液压系统一般由哪几个部分组成，并说明各部分的作用。
答：一、动力元件：油泵，将机械能转变成液压能；二、执行元件：将液压能转变为机械能，推动执行机械动作对外做功；三、控制元件:以便控制系统中的压力，流量和流向，实现所需的运动规律和动力参数。
2.开炼机辊筒为何采用表面白口铸铁、芯层灰口铸铁材料？
答：辊筒工作时承受很大的模压力，外表面常会有材料的磨损和工具的划拉，所以要有较高的机械强度，选用白口铸铁；而辊内还需要加热或通水冷却，要有极好的导热性，优良的耐磨耐蚀性，选用芯层灰口铸铁材料。
3.椭圆形转子密炼机的工作原理。
答：一、转子混炼室壁间的捏炼作用；二、两个转子的折卷与往返切割作用；三、转子卸料门间的搅拌作用；四、转子与上下顶栓间的作用，密炼机是利用上顶栓对物料施加压力在特殊形状的转子和混炼室之间形成连续变化的速度梯度等，实现对预混料的强烈混炼塑化。4.提高挤出机固体输送段的固体输送率的主要途径有哪些？
答：一、降低螺杆表面摩擦系数，增大机筒内表面摩擦系数；二、加大固体表面输送段或加大固体输送段以增大固体输送率；三、对固体输送段进行强力冷却。
5.挤出机的常规单螺杆存在哪些不足，新型螺杆有哪些基本类型？
答：不足：产量低，质量差，适应性窄；
1.画出锁紧回路图，并作简要说明。
2.画出挤出机的工作图之二，并作简要说明。P88
五、简答题
1.简述液压传动原理，并指出容器内决定压力极限值的因素。
答：根据帕斯卡定理，利用密封容积的变化来实现对外做功或传递能量，决定容器内压力极限的因素主要为:容器的密封性，容器或管道的承压性及驱动力的大小。
2.简述开炼机的正常工作条件，并指出影响辊筒对物料的剪切塑化效果的主要因素。
答:正常工作条件:一是接触角小于摩擦角，二是辊筒间应有足够的速度梯度；影响辊筒对物料剪切塑化的主要因素：辊简速比与辊距的大小。
3.密炼机的常用上顶栓压力为多少？增加密炼机上顶压力将会带来什么影响？
答:密炼机常用的上顶栓压力为0.2-0.6MPa之间，增大上顶栓压力，可提高物料填充率，加剧挤压混炼作用，增强剪切作用，改善密炼效果及缩短混炼周期，但过大而无特殊的转子相配合，反而会造成混炼效果差。
4.挤出机主要由哪几部分组成？通常挤出机的配套辅机主要有哪些？
答:挤出机主机主要包括挤压系统，传动系统，加料冷却系统和控制系统四部分；通常辅机包括机头，定型装置，冷却装置，牵引装置，切割装置，卷曲装置六个部分。
5.挤出机的分流板和滤网的作用是什么？
答：挤出机的分流板和滤网的作用是使料流由螺旋运动变为直线运动；阻止未熔融的粒子进入口模：滤去金属等杂质；提高熔体压力。
6，简述注射机注射装置的作用及对其要求，注射机装置主要形式有哪些？
答：作用：在注射成型过程中，实现塑化质量，注射和保压补缩等功能。
要求:能够提供合适的压力和速度，以保证物料能塑化均匀地注入模腔。
主要形式有柱塞式和预塑料式两大类。
六、分析题
试分析挤出设备的技术发展趋势。
答:为满足塑料工业的快速发展需要，挤出生产设备近年来继续朝着高速、高效、多效能、更精密、更节能、多规格品种及更高的自动化辅机配套方向发展，其发展趋势：1.高速挤出机的开发； 2.大型挤出机的研制； 3.大长径比螺杆的开发； 4.新型高效螺杆和机筒的研制和应用: 5.螺杆与机筒的材料和热处理方式不断进步； 6.精密挤出成型的研究和应用: 7.辅机配套水平及专用挤出机的发展。
一、名词解释
1.液压冲击：液压系统中，当油路突然关闭或换向时产生急剧压力峰值的现象。
2.重力筛析:利用物料间颗粒尺寸或比重差异，利用自有落体的重力差实现分选。
3.开炼机的横压力: P＝F/1，即一堆辊筒的分离力/辊筒工作长度。
4.锥形单螺杆：锥形螺杆的螺距与螺槽深度 H 均不变，依靠外径的逐渐减小来达到压缩物螺料的目的。
5.挤出机的工作点：螺杆特性曲线和口模特性曲线的交点。
6·注射速率:单位时间内熔料从喷嘴射出的理论容量。
7·塑化能力:注射装置在1h内所能塑化物料的能力。
8·压延成型:将基本塑化的热塑性塑料送入一组相对转动的平行金属辊筒间隙中，在辊筒的进一步加热及辊筒表面给予的挤压作用下，使物料延展、拉伸，并利用辊筒间隙加工成具
一、名词解释
1.气蚀现象：当液流中某处的局部压力低于一定压力时，溶解在液体中的气体开始游离而形成气泡，压力继续降低到低于液体的饱和蒸汽压力时，液体就会大量蒸发而产生气泡。这些气泡混在液体中，使本来充满着管路或元件的液体变成不连续的。气泡随着液流进入高压区便迅速破裂而消失，破裂时因液体碰撞而引起局部的高压冲击和高温，并产生噪声，而辅机你的金属表面被氧化和剥蚀的现象。
2.帕斯卡现象：
3.溶剂分选：利用不同品种的聚合物材料在溶剂中的溶解度存在差异区分物料。
4.密炼机的生产能力：单位时间内密炼机混炼塑化的能力。
5.SJ-65＊25:螺杆直径为65mm，长径比为25的塑料挤出机。
6.等深变距螺杆：整根螺槽深度不变，而螺距则从加料段第一个螺槽开始至计量段末端由宽变窄。
7.挤出机的口模特性线：在流率Q-机头压力P坐标上画一条通过坐标原点的直线，其斜率为ku（口模常数/物料的粘度），不同的直线代表着不同的口模。将这条直线称为口模特性线。
8.辊筒挠度：辊筒弯曲变形时横截面形心沿与轴线垂直方向的线位移。
9.注射量：机器在对空注射条件下，注射螺杆或柱塞做一次最大注射行程时，注射装置所能达到的最大注射量。
10.注射机的空循环时间：没有进行塑化、注射、保压、冷却与取制品等动作情况下，完成一次循环所需的时间。
二、选择题
1.容积式油泵的理论流量与压力无关。
2.液体静压力是一种纯粹的压应力，其作用方向与承压面的法线重合。
3.密炼机的上顶栓对预混料的压力增大，将会提高密炼机的生产能力。
4.开炼机的辊距是可调的，通常调距装置可满足辊距约在0.1-15mm范围内可调。
5.物料在螺槽中的整个挤出过程的状态为三段七区，在计量段（亦称为熔体输送段）中，其物料形态存在一个区。
6.与挤出螺杆相比，注射螺杆的压缩比较小。
7.注射螺杆头与挤出螺杆头不一样，注射螺杆头多为尖头。
三、填空题
1.液压传动具有形小而力大，易实现无极调速和远程控制等特点，在各工业部门都有广泛的应用，也是塑料成型机械不可缺少的组成部门。
2.油缸与油马达一样，是将液压能变为机械能的能量转换装置。
3.常用的筛析设备有平动筛析和转动筛析。
4.开炼机的螺距的调距装置，按结构形式可分为手动，电动和液压传动三种。
5.密炼机下部设有卸料装置，它的主要形式有滑动式和摆动式两种。
6.根据物料在螺杆中的三态变化过程，人们把挤出机螺杆分成三个功能区，即固体输送区，熔融区和熔体输送区。
7.渐变型螺杆多用于无定形塑料的加工，突变型螺杆适用于黏度小且具有突变熔点的塑料的加工。
8.注射机螺杆的传动装置多种多样，若按螺杆变速方式分类，可分为无级变速和有级变速两大类，无级变速主要有液压马达传动，有级变速主要有变速箱传动。
9.一台通用型注射机主要包括注射装置，合模装置，液压和电气控制系统。
四、作图题
三、名词解释题（每题2分，共12分）
1、挤出成型——是将物料送入加热的机筒与旋转着的螺杆之间进行固体物料的输送、熔融压缩、熔体均化，最后定量、定速和定压地通过机头口模而获得所需的挤出制品。
4、接触角——即辊筒断面中心线的水平线和物料在辊筒上接触点与辊筒断面圆心连线的交角，以α表示。5、聚合物成型机械——所有能对高聚物原料进行加工和成型制品的机械设备。
6、螺杆的压缩比A——指螺杆加料段第一个螺槽的容积与均化段最后一个螺槽的容积之比。
7、注射量——是指注射机在注射螺杆（或柱塞）作一次最大注射行程时，注射装置所能达到的最大注射量。8、锁模力——是指注射机的合模机构对模具所能施加的最大夹紧力。
9、空循环时间——是指在没有塑化、注射保压、冷却与取出制品等动作的情况下，完成一次动作循环所需的时间。
11、吹胀比——吹胀后膜管的直径与环形口模直径之比。
12、牵伸比——牵引辊的牵引速度和机头口模处物料的挤出速度之比。
13、移模力——注射机合模系统在启、闭模时，对动模板的推动力。
14、胀模力——注射机在注射时，因模腔内熔料压力作用而产生的欲使模具撑开的力。
17、螺杆长径比——指螺杆工作部分长度1（螺杆上有螺纹部分长度，即由加料口后壁至螺纹末端之间的长度）与螺杆外径D之比，用L/D表示。
21、渐变型螺杆——是指由加料段较深螺槽向均化段较浅螺槽的过渡，是在一个较长的螺杆轴向距离内完
成的。
22、突变型螺杆——是指由加料段较深螺槽向均化段较浅螺槽的过渡是在较短的螺杆轴向距离内完成的。23、机头和口模——机头是口模与料筒的过渡连接部分，口模——是制品的成型部件。
24、共挤复合——是使用两台或两台以上的挤出机，共同使用一个模头，从而生产出多层的复合薄膜或片
材等的工艺方法。
27、“泵比”x——挤出机的第二均化段螺槽深度h与第一均化段螺槽深度hI之比。
28、注射压力——指注射时为了克服熔料流经喷嘴、浇道和模腔等处时的流动阻力，螺杆（或柱塞）端面处
对熔料所必须施加的压力。
29、注射速率——是指在注射时单位时间内从喷嘴射出的熔料体积流率。
30、注射速度——是指螺杆或柱塞在注射时移动速度的计算值。
31、注射时间——是指螺杆或柱塞完成一次最大注射行程所用的最短时间。
32、合模装置——是为保证成型模具可靠闭紧、实现模具启闭动作及顶出制品的机械部件。
33、合模力——合模终结时，模板对模具形成的锁紧力。
35、变形力——在锁紧模具过程中，机构由于变形而产生的内力。
37、模板最大开距——表示注射机所能加工制品最大高度的特征参数，即指动模开启后，动模板与定模板之间包括调模行程在内所能达到的最大距离。
38、动模板行程——是指动模板能够移动的最大距离。
39、模具最大厚度与最小厚度（8max、8min）——是指动模板闭合后，达到规定合模力时，动模板与前定模板之间所达到的最大（或最小）距离。
40、空循环时间——是指在没有塑化、注射保压、冷却与取出制品等动作的情况下，完成一次动作循环所需的时间。
41、机械顶出——利用固定在后模板或其他非移动件上的顶杆，在开模过程中与移动件形成相对运动，从
而推动模具的顶板，使制品顶出的工艺过程。
42、气动顶出——是利用压缩空气，通过模具上的微小气孔，直接把制品从型腔内吹出的工艺过程。
43、压延成型——是将接近粘流温度的物料通过一系列相向旋转的平行辊筒的间隙，使其受到挤压和延展的作用，成为具有一定厚度和宽度的高聚物薄膜和片材制品的生产方法。
45、分离力——辊筒挤压延展物料时，对物料施加一个挤压力，而物料则对辊筒有一个反作用力，企图把
6.目前固体输送理论研究成果的实际应用，就是对单螺杆的螺杆表面实施超光洁处理，对加料段机筒内壁开设带锥度的纵向沟槽及对此段进行强力冷却以提高固体的输送率。
7.挤出机的有效工作区是由三条线所组成的，即质量线，温度上限线，经济线。
8.注射机的合模装置种类很多，按照工作原理分主要有液压式和液压机械式。
四、作图题
1.绘制注射成型机的工作原理图
五、简答题
1.开炼机的主要技术参数？
答：生产能力，辊径和辊长，辊筒线速度及速比分离力，合模压力，混炼功率。
2.密炼机的基本构造及分类？
答：基本构造：由密炼，加料，卸料，传动与机座五部分组成。
按混炼室的结构形式分前后组合式和上下组合式，按转子的几何形状分为椭圆形转子、三棱形转子和圆筒形转子的密炼机。
3.增大挤出机螺杆长径比的优点？
答：一、螺杆的长度增加，塑料在料筒中停留的时间更长，使塑化更充分均匀，制品质量可以提高。二、在此前提下下，可以提高螺杆的转速，从而提高挤出产量。三、长径比增大后，L可以增加，压力流和漏流随之减小，故可提高产率。四、可使螺杆特性线变硬，使挤出波动减小。五、有助于调整料筒轴向温度、轮廓的形状，更能适应特殊聚合物加工的需要。
4.双螺杆挤出机的优点？
答：加料容易；物料停留时间短；排气性能优异；优异的塑化和混合能力；低的电工流率消耗；螺杆特性硬和容积效率高。
5.调模装置的作用是什么？常用的形式有哪些？
答：作用：调节动模板与定模板间距，以适应不同厚度模具的要求，同时可对合模力进行精调。常用的调模装置：肘杆调距，移动合模缸位置调距，拉杆螺母调距，动模板间连接大螺母调距，动模板行程调节。
基本类型：分离型螺杆，屏障型螺杆，分流型螺杆，变流道型螺杆，组合螺杆。
6.波能振动注射的波能主要有哪几种？波能振动注射对聚合物成型产生什么影响？
答：波能包括超声波能，冲击波能和磁场能：波能振动力场通过模具传递至模腔中的熔体，导致聚合物球晶生长，同时又搅动熔体和冷却面之间的分子，加速热传导，促使熔体冷却可成型出具有优良性能的制品。
六、分析题
试分析注射成型机的未来发展和展望。
答：目前注射机发展趋势：高速、高效、自动化，并注重低能耗和环境保护，高速高效在新型注射面型装置中已有体现，自动化包括注射机的自动化，注射成型自动化系统两方面的研究和发展；新型注射装置的发展由于高聚物的发展趋势是高性能化、高功能性、复合化、精细化和智能化，对加工的设备及技术提出新的要求，注射成型装置必须满足加工的需要，以适应新型高聚物材料成型，目前正在研究的注射装置有层状注射，推拉注射，装配注射，整体注射，层叠注射，注射合金等。
一、名词解释
1.液压传动：利用液体作为工作介质来传递能量和进行控制的流动方式。
2.风选：利用物体对空气的阻力差和在空气下落的速度差来分选物料。
3.密炼机的总容积：密炼室溶剂减去转子的占据体积。
4.SJP-45＊25:螺杆直径为45mm，长径比为25的塑料排气挤出机。
5.等距突变螺杆：加料段和计量段的螺槽深度不变，但在熔融段内极短的螺杆轴向距离内螺槽深度突然由深变浅。
6.挤出机的螺杆特性线：表示出螺杆均化段熔体的流率和压力的关系。
7.注射压力：注射时，为了克服熔料流经喷嘴和模腔等处的流动阻力，螺杆对熔料必须施加足够的压力。
8.锁模力：注射成型机的合模机构对成型模具施加的足够夹紧力。
9.压延机的超时现象：长度增加使料片的出片速度大于原来的辊速。
二、选择题
1.静止液体中的任何一点，其各个方向的压力均相等。
2.对于双叶片泵，一般将叶片相对转子半径方向前倾一个角度0放置，以免叶片卡住并减少磨损，该角度0一般取10—14。
3.物料在螺槽中的整个挤出过程的状态为三段七区，在加料段中，其物料形态可分为2个区。
4.螺杆挤出机的螺纹和料筒间隙δ增加将不利于物料熔融。
5.与挤出螺杆相比，注射螺杆的压缩比较小。
三、填空题
1.在液压传动系统中，不可避免地存在着三种能量损失：压力损失，容积损失，机械损失。2.油泵是液压传动的动力源，它是将机械能变为液压能的能量转换装置。
3.常见的筛析方法主要有重力筛析，风选和溶剂分选。
4.开炼机正常工作必须有两个条件：一是接触角小于摩擦角，二是辊筒间有足够的速度梯度
5.密炼机转子的几何形状主要有：椭圆形，三棱形，圆筒形三种。
相近的两只辊筒分开的力。
四、简答题、简述题（下列5题可任作4题。每题7分，共28分）
1、简述塑料成型中，初混（预混）的目的。
答：初混（预混）的目的是通过一定加料顺序，将树脂、增塑剂、稳定剂、润滑剂、填充剂、着色剂、偶联剂等组分充分混合，使增塑剂等液体添加剂充分地渗入树脂中，并保证各组分分散均匀。
2、简述聚合物成型机械的分类。
答：聚合物成型机械可分：（1）预处理机械；（2）独立成型机械；（3）组合成型机；（4）二次加工机械：（5）成型辅机等。
3、高速捏合机中的折流板起什么作用？
答：折流板的作用是进一步搅乱物料流态，使物料形成不规则运动，并在折流板附近形成很强的涡旋，更有利于物料分散均匀。
4、开炼机和密炼机各有什么优点？
答：开炼机：结构简单、操作和维护容易、加工适应性强、使用方便、价格低等：
密炼机：环保、节能、生产率高、工作安全性和混炼效果都更好。
6、开炼机的主要作用是什么？
答：开炼机的主要作用是将已配好的配料、捏合的物料的各组分料进行进一步的分散和混合塑化，由此制成塑料半成品（如压片）或者给压延机供料。
7、简述开炼机的正常工作条件。
答：开炼机正常工作需要具备两个条件：
第一个条件是根据辊筒与物料的受力平衡关系，引料入辊的必要条件是物料与辊筒的接触角a必须小于物料的摩擦角β，即a＜β；
第二个条件是辊筒间应有足够的速度梯度，这也是物料能在辊隙受挤压和剪切的重要条件。
8、密炼机的椭圆形转子从两棱做成四棱的主要目的是什么？
答：密炼机的椭圆形转子从两棱做成四棱的主要目的是为了提高转子刚性和增大转子与物料的接触面积，提高传热效果，另外，同样规格的四棱转子密炼机，四棱转子比二棱转子的体积缩小10％，这也就直接提高了密炼容量。
9、试述吹膜辅机冷却定型装置所必须满足的要求。
答：1）要有与挤出机生产能力相适应的冷却效率，使薄膜能充分冷却，避免薄膜在牵引和卷取过程中产生粘连和打褶的现象。
2）薄膜应能被均匀冷却，膜管稳定，且能对薄膜厚度进行调整。
3）为了适应多种幅宽薄膜的生产，其安装高度应能有一定的调节范围。
4）易于操作和调整，以保证薄膜的透明度、质量和物理力学性能良好。
10、反应型同向旋转双螺杆挤出机有哪些改进？
答：1）为了延长物料停留时间，长径比不断加大。
2）增加了螺槽深度。
3）设置大体积的排气口。
11、试述注射速率、注射速度、注射时间的定义，并用关系式表示它们三者之间的关系。
答：注射速率是指在注射时单位时间内从喷嘴射出的熔料体积流率；注射速度是指螺杆或柱塞在注射时移动速度的计算值；注射时间是指螺杆或柱塞完成一次最大注射行程所用的最短时间。三者之间的关系可用下式表示：
A注＝D2SD2理
注
T注4注
＊在气体蒸发法制备纳米颗粒中如何调节纳米微粒的粒径？
答：用气体蒸汽法可通过调节惰性气体压力，蒸发物质的分压即蒸发温度或速率，或惰性气体的温度，来控制纳米微粒的大小。一般，随蒸发速率的增加（等效于蒸发源温度的升高）粒子变大，或随着原物质蒸汽压的增加，粒子变大。
＊直流电弧等离子法制备金属纳米粒子，为何Cu、Al两种元素的生成速率低？答：在惰性或者反应性气氛下，通过直流放电使气体电离产生高温等离子体，使原料熔化、蒸发，蒸气遇到周围的气体就会被冷却或发生反应形成纳米颗粒得方法称为直流电弧等离子法。Cu、AI的熔点低、热导率高，当蒸发原料在水冷铜坩埚中，用等离子喷枪进行加热，蒸发原料与水冷铜坩埚相接触，在坩埚壁上的热损失较大，而由于Cu、Al的高热导率，使得蒸发原料整体温度降低，从而降低了生产速度。
1、纳米材料按照维数可以分为哪几类？并各举一例。
答：（1）零维材料：指其在空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米颗粒、人造超原子
（2）一维材料：在三维空间有两维处于纳米尺度，如纳米丝、纳米棒等
（3）二维材料：在三维空间有一维处于纳米尺度，如超薄膜
2、简述气体蒸发法制备纳
米颗粒的原理，可以画示
意图。E
答：气体蒸发法是在惰性气E.惰性气体（Ar、He气等）
D.连成链状的超微粒子
体（或活泼性气体）中将金C.成长的超微粒子
属、合金或陶瓷蒸发气化，B.刚诞生的超微粒子
A.蒸气
然后与惰性气体发生碰撞，
冷却、凝结而形成纳米微粒，
或者是与活泼性气体反应后
再冷却、凝结而形成纳米微坩锅
粒。其示意图如右图所示。熔化的金属、合金或离子化合物、氧化物
3、气体蒸发法与液相法、固图1-1气体冷凝法（高频感应加热法）
相法相比，有哪些显著优点。
答：气体蒸发法是在惰性气体（或活泼性气体）中将金属、合金或陶瓷蒸发气化，然后与惰性气体发生碰撞，冷却、凝结而形成纳米微粒，或者是与活泼性气体反应后再冷却、凝结而形成纳米微粒。相对于液相法、固相法，有以下显著优点：（1）表面光洁；
（2）粒度齐整，粒径分布窄；
（3）颗粒度容易控制。
4、在使用气体蒸发法制备纳米颗粒时，一般如何控制粒径？
答：用气体蒸汽法可通过调节惰性气体压力，蒸发物质的分压即蒸发温度或速率，或惰性气体的温度，来控制纳米微粒的大小。一般，随蒸发速率的增加（等效于蒸发源温度的升高）粒子变大，或随着原物质蒸汽压的增加，粒子变大。
5、在使用气体蒸发法制备纳米颗粒时，有几种加热方式？
答：在使用气体蒸发法制备纳米颗粒时，有以下六种加热方式：
（1）电阻加热法：其热源为一个由W、Mo或Ta制成的舟状加热器，把被蒸发材料放在舟状加热器上加热蒸发；
（2）高频感应加热法：通过高频感应的方式加热被蒸发材料从而制得纳米颗粒；（3）等离子体加热法：将高温等离子体喷射到被蒸发材料表面，材料吸收等离子体的热量而蒸发；
（4）电子束加热法：使由电子枪发射出来的电子束打到被蒸发材料上，从而加热材料使其蒸发；适合于制备高熔点金属的纳米颗粒，如W、Ta、Pt等
（5）激光加热法：使激光束（CO2激光或Nd:YAG激光）照射蒸发材料，使其蒸发气化，遇到周围的冷气体而冷凝成纳米颗粒；
（6）爆炸丝法：金属丝在500-800kA大电流下加热，熔断后在电流中断的瞬间，卡头上的高压在熔断处放电，使熔融的金属在放电过程中进一步加热变成蒸气，在惰性气体碰撞下沉积到容器底部，得到纳米颗粒。
6、哪两种情况下不适合用电阻加热法制备纳米颗粒？
答：热源为一个由W、Mo或Ta制成的舟状加热器，把被蒸发材料放在舟状加热器上加热蒸发随后遇到冷气氛而冷凝下来形成纳米颗粒的方法。在以下两种情况下不适合用电阻加热法：
1.两种材料（被蒸发的材料和发热体）在高温下熔融形成合金，
2.被蒸发的材料的蒸发温度高于发热体的软化温度，因此该法重要用于低熔点金属的蒸发：Ag、Al、Cu、Au。
7、高频感应加热法制备纳米颗粒有何特点？
答：通过高频感应的方式加热被蒸发材料从而制得纳米颗粒的方法称为高频感应加热法。其特点为：
（1）高频感应具有感应搅拌作用，坩埚内合金均匀性好；
（2）可以将熔体的温度保持恒定；
（3）可以在长时间内以恒定的功率运转：
（4）加热源的功率大：MW级：
（5）加热体中可以放入50g左右的样品，一次可以得到0.5～1g左右的纳米样品（6）粒径分布窄，粒径均匀性好。
8、在使用直流电弧等离子法制备金属纳米离子时，为何能使用铜坩埚？
答：直流电弧等离子体法是在惰性或者反应性气氛下，通过直流放电使气体电离产生高温等离子体，使原料熔化、蒸发，蒸气遇到周围的气体就会被冷却或发生反应形成纳米颗粒。由于等离子体温度高，几乎可以制备任何金属的纳米微粒。如Ta，熔点高（2996℃）。因为铜的热导率比较高，在冷水冷却铜坩埚的情况下，坩埚壁的热量会迅速地传导出去，不会造成坩埚的熔化，所以能用铜坩埚。
因为在惰性或者反应性气氛下，通过直流放电使气体电离产生高温等离子体，使原料熔化、蒸发，蒸气遇到周围的气体就会被冷却或发生反应形成纳米颗粒。不通过坩埚传热，所以不用担心被蒸发材料与坩埚反应
（5）提高温度可缩短凝胶形成时间。
14、写出六种制备金属醇盐的方法，写出方程式。
答：（1）金属与醇反应：电负性很强的金属，与醇在惰性气体（N2、Ar）保护下：
M＋nROH→M（OR）n＋n/2H2，M: Li、 Na、K、Ca、Sr、Ba等
（2）金属卤化物与醇反应：
B、Si、P等元素的氯化物与醇作用，可以完全醇解：
BCl3＋3C2H5OH→B（OC2H3）3＋3HCI
SiCl4＋C2H5OH→Si（OC2H5）4＋4HCI
PCI3＋3C2H5OH→P（OC2H3）3＋3HCI
（3）金属卤化物与碱金属醇盐反应-醇钠法：使用金属卤化物与乙醇钠反应可以制得许多金属的醇盐：MXn＋nNaOC2H5→M（OC2H5）n＋nNaX
M:镓、硅、锗、锡、铁、砷、铟、锑、铋、钍、铀、硒、碲、钨、镧、镨、钕、钐、钇、镱、铒、钬、镍、铬、铜、钴等。
（4）氧化物及氢氧化物与醇反应：氧化物与氢氧化物相当于酸酐和酸，与醇进行“酯化”反应时，存在下列反应：
MOn＋2nROHM（OR）2n＋nH2O
M（OH）n＋nROHM（OR）n＋nH2O
使用该法已成功地用于下列金属醇盐的制备：钠、铊、硼、硅、锗、锡、铅、砷、硒、钒和汞。
（5）醇交换反应：醇盐可与醇发生醇解反应，制备混合醇盐或另一种醇的盐：
M（OR）n＋xR＇OHM（OR）n-x（OR）＋xR＇OH
该反应广泛地于不同元素的醇盐的制备中，例如：锌、铍、硼、铝、镓、碳、硅、锗、锡、钛、锆、铪、铈、钍、钒、铁、铌、硒、碲、铀、镨、钕、钐、铒、镱、钇等。
（6）酯交换反应
醇盐与酯反应，可得到另一种醇盐和另一种酯。酯比醇稳定，在高温下不易氧化，这种方法较醇交换法优越。此法一般用于异丙醇盐制备叔丁醇盐：
M［O-CH（CH3）2］4＋4CH3COOC（CH3）3→
M［O-CH（CH3）3］4＋4CH3COOC（CH3）2
M:铅、镓、铁、钒、钛、铪、钽、镧系元素等。
（7）复合醇盐：酸性醇盐和碱性醇盐的中和反应主要基于构成醇盐的金属元素的电负性，碱性醇盐＋酸性醇盐一复合醇盐。
15、尿素作为沉淀剂有何优点？
答：沉淀法：溶液中含有一种或多种金属离子，加入一些阴离子后（如OH、C2O42CO32），生成沉淀，将沉淀加热脱水得到金属的氧化物颗粒。用尿素作为沉淀剂，＞70C后，尿素分解，（NH2）2CO＋3H2O→2NH4OH＋CO2，提供OH，因为在溶液中尿素分解产生OH均匀，使得各处沉淀均匀，从而所得金属氧化物颗粒分布均匀，粒径分布窄。
9、为何Cu、Al两种元素的生成速率低？
答：在惰性或者反应性气氛下，通过直流放电使气体电离产生高温等离子体，使原料熔化、蒸发，蒸气遇到周围的气体就会被冷却或发生反应形成纳米颗粒得方法称为直流电弧等离子法。Cu、AI的熔点低、热导率高，当蒸发原料在水冷铜坩埚中，用等离子喷枪进行加热，蒸发原料与水冷铜坩埚相接触，在坩埚壁上的热损失较大，而由于Cu、Al的高热导率，使得蒸发原料整体温度降低，从而降低了生产速度。
答：因为这两种元素的导热性好。
10、化学气相反应法可以分为哪两种？各举一例。
答：利用挥发性金属化合物的蒸气，通过化学反应生成所需要的化合物，在保护气体环境下快速冷凝，从而制备各类物质的纳米微粒的方法称为化学气相反应法，此法分为以下两种：
（1）气相分解法：单一化合物热分解法，如A（g）→B（s）＋C（g）
（CH3）4Si→SiC（s）＋3CH4（g），
（2）气相合成法，如A（g）＋B（g）→C（s）＋D（g）
2SiH4（g）＋C2H4（g）2SiC（s）＋6H2（g）
11、液相法制备纳米颗粒又可分为哪几种？
答：（1）沉淀法，溶液中含有一种或多种金属离子，加入一些阴离子后（如OH、C2O42、CO3），生成沉淀，将沉淀加热脱水得到金属的氧化物颗粒，
（2）水解法：将原料分体放入水中使其充分水解，然后加热水解产物使其分解得到纳米颗粒，
（3）水热法:使混合原料在高温高压在水溶液中进行反应直接生成氧化物纳米颗粒，
（4）溶胶-凝胶法：指金属有机或无机化合物经过溶液、溶胶、凝胶而固化，再经热处理而成固体氧化物或其它化合物的方法。
12、何谓溶胶-凝胶法？叙其优点，其关键是？
答：溶胶-凝胶法是指金属有机或无机化合物经过溶液、溶胶、凝胶而固化，再经热处理而成固体氧化物或其它化合物的方法。
其优点有：
（1）除了可制备粉末外，还可以制备薄膜、纤维、体材和复合材料：
（2）该方法原材料在分子级水平上混合，高度混合，所以制得的产品纯度高；（3）合成温度低，比传统方法低50-500℃；
（4）材料的组成容易控制，制备设备简单。
该方法的关键：
（1）金属醇盐的合成：
（2）控制水解-聚合反应以形成溶胶和凝胶；
（3）热处理
13、以乙醇钾、乙醇钽、乙醇为原料合成KTaNbO3为例说明溶胶-凝胶形成时发生的反应，简述前躯体浓度、苯乙酸、湿度、温度等因素如何影响凝胶的形成。
答：（1）醇盐间的反应
三种醇盐：KOC2H---碱性醇盐
Ta（OC2H5）5-酸性醇盐
Nb（OC2H5）5--酸性醇盐
KOC2H5＋Ta（OC2H5）5→KTa（OC2H5）6
KOC2H5＋Nb（OC2H5）5→KNb（OC2H5）6
（2）溶胶-凝胶的形成（分2个过程）
A:五种物质的水解
完全水解：KOC2H5＋H2O→KOH＋C2HOH
部分水解：Ta（OC2H5）5＋H2O→Ta（OC2H5）4 OH＋ C2H5OH
Nb（OC2H5）5＋H2O→Nb（OC2H5）4OH＋ C2H5OH
KTa（OC2H5）6＋H2O→KTa（OC2H5）5OH＋C2H5OH
KNb（OC2H5）6＋H2O→KNb（OC2H5）5OH＋ C2H5OH
B:缩合-聚合反应
水解产物与前驱体、水解产物之间发生缩合--聚合反应：
KM（OC2H5）5OH＋KM（OC2H5）5（OR）
（OC2H5）5KM-O-MK（OC2H5）5＋ROH （ M＝Ta， Nb）
（OC2H5）5KM-O-MK（OC2H5）5＋KM（OC2H5）5OH
R＝H（去水缩聚），R＝C2H3（去醇缩聚）。
影响溶胶-凝胶形成的因素有溶液浓度、有机介质组成、添加剂、湿度、温度等。（1）前驱体浓度的影响：将总盐浓度为1mol/L的溶液分别使用乙醇稀释为：0.7、0.5、0.3、0.1、0.05mol/L，在温度11C、相对湿度50％的空气中放置一段时间后观察溶液情况，结果发现四种浓度（1.0、0.7、0.1、0.05）出现沉淀，只有两种浓度（0.5、0.3）形成凝胶。
（2）溶剂组成的影响：无水乙醇吸湿性强，浓度高和浓度低的溶液不易形成凝胶；因此降低溶液的吸湿性，对凝胶的形成有利；苯的吸湿性低，挥发性与乙醇接近，因此用苯-乙醇组成的混合溶剂有利于凝胶的形成。苯各种浓度下，11℃，50％相对温度下72h后发现，当苯含量大于40％时始终生成凝胶
（3）添加剂的影响：实验中加入乙酸含量大于5％（V％）后，均可形成凝胶，因为KM（OC2H5）6＋HOAC→KM（OC2H5）5（OAC）＋C2H5OH，乙酸根替代了乙醇盐中部分乙氧基，降低了醇盐的活性，防止了醇盐的快速分解，有利于缩聚反应。（4）湿度的影响：实验发现，湿度越大，吸收水分越快，水解越快，不利于形成凝胶。因此相对湿度一般控制在50％。
（5）温度的影响：温度高即加快了水解，缩聚反应的速度，又促进了溶剂的挥发，大大缩短了凝胶的形成时间。
结论：
（1）浓度太高、太低都易形成沉淀。
（2）加入吸湿性低的溶剂有利凝胶形成。
（3）一些添加剂可以降低醇盐活性，防止水解太快。
（4）湿度高，水解快不利形成凝胶。
16、如何合成TaTiO3？
17、机械合金化，零电点PH值的概念。
答：在球磨机中放入两种或两种以上的金属粉，在研磨过程中，金属复合粉组织
结构不断细化并发生扩散和固相反应，从而形成合金粉。由于此种方法是利用机
械能达到合金化，而不是用热能或电能，所以把高能球磨制备合金粉末的方法称
为机械合金化，此时发生了化学反应。
微粒表面既不带正电荷，也不带负电荷时的溶液pH值称为零电点pH值。
18、固相法制备纳米颗粒又细分为哪几种？
答：固相法制备纳米颗粒分为以下几种：
（1）热分解法：S1→S2＋G1＋G2
S1→S2＋S3（不能）
（2）固相合成法：S1＋S2→S3
（3）球磨法，又分为物理粉碎和化学粉碎两种，①机械粉粹，尺寸降低过程，物理
变化；②化学变化
19、球磨法的作用？
答：将元素粉末或合金粉末与磨球按一定比例放入密封的球磨机中，球磨机激烈
旋转、振动或摇动，由于磨球与磨球，磨球与磨罐之间的高速撞击和摩擦，使得
处于它们之间的粉末受到冲击、剪切和压缩等多种力的作用，发生形变直至断裂，
该过程反复进行，因此粒子尺寸可以减小，达到混合粉末均匀的目的。球磨法主
要作用是减小粒子尺寸，机械合金化，混合均匀，改变粒子的形状。
20、草酸盐的分解机理有哪两种？
答：草酸盐的热分解机理：
机理1：MC2O4.nH2O→MC2O4＋nH2O→MCO3＋CO→MO＋CO2机理2：MC2O4.nH2O→MC2O4＋nH2O→MO＋CO＋CO2
或者：MC2O4→M＋2CO2
21、为何一般要对无机纳米粒子进行表面修饰？
答：纳米粒子之间团聚，从纳米变成微米，失去纳米的作用，一般无机纳米粒子
表面能较高，与表面能较低的有机高聚物的亲和性差，两者在相互混合时，不能
相溶，导致界面上出现微空隙。空气中的水分进入上述空隙就会引起界面处高聚
物的降解、脆化。所以常常要对无机纳米粒子进行表面改性，以保持其纳米作用，
表面修饰的目的：
（1）改善或改变纳米粒子的分散性，使纳米粒子与其它物质之间具有更好的相容
性，
（2）提高微粒表面活性，
（3）使微粒表面具有新的物理、化学、机械性能及新的功能。
22、纳米颗粒表面修饰方法按照大类可分为哪两种？
答：纳米颗粒表面修饰方法分为物理修饰和化学修饰两种：
物理修饰为通过吸附、涂敷、包覆等物理作用对微粒进行表面改性。物理修饰分
又以下两种方法：（1）通过范德华力等将异质材料吸附在纳米微粒的表面，可防
（5）提高温度可缩短凝胶形成时间。
14、写出六种制备金属醇盐的方法，写出方程式。
答：（1）金属与醇反应：电负性很强的金属，与醇在惰性气体（N2、Ar）保护下：
M＋nROH→M（OR）n＋n/2H2，M: Li、Na、K、Ca、Sr、Ba等
（2）金属卤化物与醇反应：
B、Si、P等元素的氯化物与醇作用，可以完全醇解：
BCl3＋3C2H5OH→B（OC2H5）3＋3HC↑
SiCl4＋C2H5OH-Si（OC2H5）4＋4HCI
PCI3＋3C2H5OH→P（OC2H5）3＋3HCI1
（3）金属卤化物与碱金属醇盐反应-醇钠法：使用金属卤化物与乙醇钠反应可以制得许多金属的醇盐：MXn＋nNaOC2H5→M（OC2H5）n＋nNaX
M:镓、硅、锗、锡、铁、砷、铟、锑、铋、钍、铀、硒、碲、钨、、镨、钕、钐、钇、镱、铒、钬、镍、铬、铜、钴等。
（4）氧化物及氢氧化物与醇反应：氧化物与氢氧化物相当于酸酐和酸，与醇进行“酯化”反应时，存在下列反应：
MOn＋2nROHM（OR）2n＋nH2O
M（OH）n＋nROHM（OR）n＋nH2O
使用该法已成功地用于下列金属醇盐的制备：钠、铊、硼、硅、锗、锡、铅、砷、硒、钒和汞。
5）醇交换反应：醇盐可与醇发生醇解反应，制备混合醇盐或另一种醇的盐
M（OR）n＋xROHM（OR）n-x（OR＇）x＋xR＇OH
该反应广泛地于不同元素的醇盐的制备中，例如：锌、铍、硼、铝、镓、碳、硅、锗、锡、钛、锆、铪、铈、钍、钒、铁、铌、硒、碲、铀、镨、钕、钐、铒、镱、钇等。
（6）酯交换反应
醇盐与酯反应，可得到另一种醇盐和另一种酯。酯比醇稳定，在高温下不易氧化，这种方法较醇交换法优越。此法一般用于异丙醇盐制备叔丁醇盐：
M［O-CH（CH3）2］4＋4CH3COOC（CH3）3→
M［O-CH（CH3）3］4＋4CH3COOC（CH3）2
M:铅、镓、铁、钒、钛、铪、钽、镧系元素等。
（7）复合醇盐：酸性醇盐和碱性醇盐的中和反应主要基于构成醇盐的金属元素的电负性，碱性醇盐＋酸性醇盐一复合醇盐。
15、尿素作为沉淀剂有何优点？
答：沉淀法：溶液中含有一种或多种金属离子，加入一些阴离子后（如OH、C2O42、CO32），生成沉淀，将沉淀加热脱水得到金属的氧化物颗粒。用尿素作为沉淀剂，＞70℃后，尿素分解，（NH2）2CO＋3H2O→2NH4OH＋CO2，提供OH，因为在溶液中尿素分解产生OH均匀，使得各处沉淀均匀，从而所得金属氧化物颗粒分布均匀，粒径分布窄。
止纳米微粒的团聚：（2）表面沉积法。
化学修饰是通过化学反应来达到纳米粒子表面修饰效果，又分为以下几种：（1）与脂肪醇反应（酯化反应法）
（2）偶联剂法
（3）表面接枝改性法
（4）与脂肪酸反应。
23、何为纳米粒子的硬团聚和软团聚？
答：纳米粒子的团聚分为硬团聚和软团聚两种：
软团聚主要是由于颗粒之间的范德华力和库仑力所致，该种团聚可以通过一些化学作用或施加机械能的方法加以消除：
硬团聚：纳米粒子之间除了以上力之外，还存在化学键的作用，由此形成的团聚为硬团聚。
24、纳米粒子表面修饰可分为哪四种方法？
答：
（1）酯化反应法，金属氧化物与脂肪醇的反应，亦称为酯化反应；
（2）与偶联剂反应；
（3）表面接枝改性法，通过化学反应将高分子链接到无机纳米粒子表面上的方法（4）与脂肪酸反应；
（5）其他方法：双十六烷基二硫代磷酸吡啶（PyDDP。
25、试述铝阳极氧化膜的结构。a）
小孔细胞
答：经过阳极氧化处理的铝及铝合金表
面为蜂窝的多孔结构，这些微孔具有极
强的化学活性和物理吸附性能，铝阳极
氧化膜的结构：Keller-Hunter-Robinson
模型，蜂窝状结构，六角晶胞型，阻挡
层；多孔层，其结构件图如右图所示。阻挡层
Al
金属
26、铝阳极氧化膜的剥离方法？可以画图说明。
答：膜的剥离方法：逆电剥离。
十电流
电压电压
电流B→
D
HiC
时间
图1逆电剥离法操作过程示意图
27、欲对一铝板进行阳极氧化，试画简图，并标明电源的正负极。
V1直流/脉冲电源
A＋2温度计
3工件（阳极）
4阳极氧化槽
5铅板（辅助阴极）
6恒温水浴锅
28、铝阳极氧化膜的封闭通常有哪几种方法？为何要进行封闭？
答：铝阳极氧化膜多孔，易吸附侵蚀性离子，所以从耐蚀性考虑，需要对其进行封闭处理。常用的封闭方式主要有：沸水法、铬酸盐封孔法、常温封孔法、有机酸封孔法等。各种封闭方法的机理各不相同。
29、铝阳极氧化膜有哪些用途？
答：针对铝的多孔性，制备具有各种功能性的膜材料，如：（1）研究新型的超精密分离膜：（2）通过在纳米级微孔中沉积各种性质不同的物质，如金属、半导体、高分子材料等，来制备新型功能材料。现在铝阳极氧化膜用途主要有：
分离膜：与有机分离膜相比，这种膜具有较好的机械强度、耐热性、化学稳定性及尺寸稳定性。可以用做气体、液体及血液的分离膜：也可用于烟道气的脱氧
第三章粉末烧结材料合成与制备
第一节烧结过程
对于不同的粉末系统，应用不同的烧结技术，烧结过程也就各有不同。下图给出典型的烧结过程类型。一般地讲，烧结过程可以分为两大类，不施加外压力的烧结和施加外压力的烧结，简称不加（无）压烧结和
加压烧结。粉末烧结类型
不施加外压力施加外压力
固相烧结液相烧结
热压热锻热等静压
单相粉末多相粉末长存液相
瞬时液相
反应烧结活化烧结超固相线烧结
强化烧结液相热压一
反应热压一反应热等静压
典型粉末烧结过程分类示意
固相烧结是指松散的粉末或经压制具有一定形状的粉末压坯被置于不超过其熔点的设定温度中在一定
的气氛保护下，保温一段时间的操作过程。所设定的温度称为烧结温度，所用的气氛称为烧结气氛，所用的保温时间称为烧结时间。
固相多元系反应烧结一般是以形成被期望的化合物为目的的烧结。化合物可以是金属间化合物，也
可以是陶瓷。烧结过程中颗粒或粉末之间发生的化学反应可以是吸热的，也可以是放热的。
活化烧结是指固相多元系，一般是二元系粉末固相烧结。常常通过将微量第二相粉末（常称之为添加
剂、活化剂、烧结助剂）加入到主相粉末中去的方法，以达到降低主相粉末烧结温度，增加烧结速率或抑
制晶粒长大和提高烧结材料性能的目的。
液相烧结也是二元系或多元系粉末烧结过程，但烧结温度超过某一组元的熔点，因而形成液相。液相可能在烧结的一个较长时间内存在，称为长存液相烧结，也可能在一个相对较短的时间内存在，称之为瞬
时液相烧结。比如，存在着共晶成分的二元粉末系统，当烧结温度稍高于共晶温度时出现共晶液相，是一
种典型的瞬时液相烧结过程。
值得指出的是，活化烧结和液相烧结可以大大提高原子的扩散速率，加速烧结过程，因而出现了把它们统称为强化烧结的趋势。
对松散粉末或粉末压坯同时施以高温和外压，则是所谓的加压烧结。
热压是指在对置于限定形状的石墨模具中的松散粉末或对粉末压坯加热的同时对其施加单轴压力的烧
结过程。
热等静压是指对装于包套之中的松散粉末加热的同时对其施加答向同性的等静压力的烧结过程。
粉末热锻，又称烧结锻造，一般是先对压坯预烧结，然后在适当的高温下再实施锻造。
更复杂一点的烧结是将上述典型烧结过程进行“排列组合”，形成一系列的液相热压、反应热压和反应热等静压等复杂的烧结过程。
烧结过程一般可以被分解为下述7个阶段：（1）颗粒之间形成接触；（2）烧结颈长大（颈长）；（3）连通孔洞闭合；（4）孔洞圆化；（5）孔洞收缩和致密化；（6）孔洞粗化；（7）晶粒长大。
一般讲烧结初期指的是颗粒之间形成接触和烧结颈长大阶段，烧结中期包括了连通孔洞闭合、孔洞圆滑和孔洞收缩与致密化阶段；烧结后期是指孔洞粗化和晶粒长大阶段。
1.1颗粒的烧结活性
（a）扩散性
理论上，单个颗粒作为一种晶体物质，它的烧结性取决于其原子扩散的难易程度。扩散理论给出了原子
扩散能力的表征，其中包括自扩散系数D，即晶体内无化学位梯度时原子扩散的能力。对于实际晶体，如金属体系中，原子的自扩散系数又通常可以用三个扩散系数表示：
（1）体积扩散系数D:原子在晶体内部或晶格内的扩散能力，亦称为晶格扩散系数；
（2）晶界扩散系数Dgb:原子沿晶界的扩散能力；
和脱硫等。
太阳能吸收膜：通过对氧化铝多孔膜的功能化处理来制备太阳能吸收膜的研究，已显示出良好的应用前景。
磁性薄膜：采用真空电沉积在氧化铝薄膜孔内填充磁性材料，如Fe、Co、Ni，可以得到具有磁性功能的薄膜。可制成磁卡、磁带、磁盘等，具有广泛的应用前景。
发光膜和感光显像膜：在氧化膜微孔内填充荧光物质、感光剂等，采用浸泡法填充Ta3，在外加电场下氧化膜发出绿光，可制成超微细的光电元件。
高效催化剂：利用阳极氧化铝膜多孔层具有大的内表面积，在其细孔中还可以填充催化剂。
其他：还可利用其特殊结构进行分子组装得到具有特殊结构的高分子材料。另外，阳极氧化铝膜还可以用在湿度传感器、印刷电路板、混合集成电路板等领域。总之，利用阳极氧化铝膜的纳米孔径特殊结构开发新型功能膜材料具有十分广阔的研究价值和应用前景。
30、试述陶瓷制备的一般工艺。
答：陶瓷制备的一般工艺为：
（1）原料配制：包括破碎、配料、混合、细磨和过筛等工艺；
（2）坯料成型；
（3）制品干燥和预热；
（4）涂釉或上色；
（5）烧制；
（6）冷却与后处理。
（3）表面扩散系数D:原子沿各种表面，主要是自由表面的扩散能力。
对于离子晶体，物质的扩散能力还可由阴、阳离子在化学位梯度下的化学扩散系数、以晶体本身热运动产生的点缺陷作为迁移载体的本征扩散系数、以掺杂引起的点缺陷作为迁移载体的非本征扩散系数来表征。
晶体内原子从一个位置跳到另一个位置的运动必然要受到某种“阻力”。从自由能的角度考虑，这个“阻力”就是原子扩散所需要克服的势垒。实验表明，温度升高，能够克服这个势垒的原子数目增加。因此，原子自扩散系数可表示为
D＝D。exp（-）
式中D:对于纯固体为自扩散系数；D:指前因子；AG:自扩散激活能；R:气体常数；T:热力学温度。上式中指数项表示的是能够克服势垒而跃迁的原子的几率。由此可知，烧结温度越高，颗粒内原子扩散系数越大，而且按指数规律迅速增大，烧结进行得越迅速，扩散系数越大的物质，在给定的烧结温度下原子扩散的能力越强。所以，在给定烧结温度的晶体粉末的扩散系数值，可以代表粉末本征的烧结活性。（b）晶体缺陷
若一原子邻近有一个空位，这个原子移动到空位上，则原来的位置就成了空位。原子与空位的这种交换，可以认为是原子向空位位置运动，也可以认为是空位向原子位置运动。不论哪种说法，都是说同时出现了原子扩散和方向相反的空位扩散。这样，在平衡状态下，原子的自扩散系数就可以与空位扩散系数及空位平衡浓度联系起来
D-DN，-D Aexpl r）
式中D:空位扩散系数；N:平衡的空位摩尔浓度；A:常数；Q:空位形成能。
实际晶体中相应的体积扩散系数、晶界扩散系数与空位扩散系数和空位浓度也类似于上式的关系。
因此，原子的扩散能力受空位浓度的高低所影响。这是粉末烧结活性的一个判据。如金属Cu粉，由上式计算接近熔点的空位平衡浓度（Qv＝117kJ/mol，T＝1356k，R＝1.987）得：N≈10-3，而共价键的陶瓷粉（如SiC）N≈0。因此，金属Cu粉被称为易烧结粉末，烧结活性高，而SiC粉为难烧结粉末，烧结活性几乎等于零，甚至被称为不可烧结的物质。
1.2颗粒系统的烧结性与本征热力学驱动力
（a）本征过剩表面能驱动力
致密的晶体如果以细分的大量颗粒形态存在，这个颗粒系统就必然处于一个高能状态，因为它本征地具有发达的颗粒表面，与同质量的未细分晶体相比具有过剩的表面能。
烧结的主要目的是把颗粒系统烧结成为一个致密的晶体，是向低能状态过渡。因此烧结前，颗粒系统具有的过剩的表面能越高，这个过渡过程就越容易，它的烧结活性就越大。另一方面，烧结是一个热力学无可逆过程，它的自由能降低就是过程进行的驱动力，所以可以把颗粒系统的烧结性和其本征的过剩表面能驱动力联系在一起。
我们可以用下述简单方法估计本征过剩表面能驱动力数量级。假定烧结前粉末系统的表面能为E，烧结成一个致密的立方体后的表面能为E，忽略形成晶界能量的消耗，则本征驱动力为。
AE＝Ep-Ed
代入晶体材料的摩尔质量Wm（g/mol），固-气表面能（J/m2），粉末比表面S（cm2/g），致密固体密度d（g/cm3），则有
http://AE-.Ws，＂
/3
由于，S36（）则可近似为
AE＝YsWmSp
由此式可大致给出1摩尔质量分数粉末的过剩表面能。下表列出几种典型粉末的相应数据及计算的AE
典型粉末的本征驱动力AE及计算参考数值
粉末粒度比表面积
固体密度摩尔质量Ysv
本征驱动力
/um/cm＇g＇
/g.cm
/g.mol/J.m-2
AE/J.mol
Cu1505×102
8.9
63.55
1.6
5.1
Ni10
4×103
8.9
58.69
1.9
4.5×10
W0.3
10
19.3
183.85
2.9
5.3×102
A2O30.2105
4.0
12.0
1.5
1.5X103
总之，粉末粒度越粗，比表面越小，本征表面能驱动力就越小，而粒度越细，比表面越大，本征表面能驱动力就越大。这也是实际烧结中细粉比粗粉易于烧结的原因。
在不同种粉末之间比较颗粒系统的烧结活性时，不要忘记单个颗粒的烧结活住即粉末晶体的自扩散性。综合考虑这两个因素来确定烧结活性，有一个判据是值得注意的。
要想在适当的烧结时间内获得饶结体的充分致密化，粉末颗粒系统应当满足下示关系：
D≈1
（2a）
式中D:体积扩散系数（cm2/s）:2a:粉末粒度（um）
例如，D的数量级为10cm3/s，则粉末粒度要在lum左右。如果D太低，则某些共价键材料（如Si的D为10＊cm2/s）若要充分地烧结致密化就要求使用粒度为0.5μm左右的粉末。
一般金属粉末的D、比陶瓷粉末的D大，因而金属粉末的粒度可以粗些，而陶瓷则须细粉末才能获得好的烧结结果，这与烧结经验是完全吻合的。
（b）本征Laplace应力
除了松散烧结（也称重力烧结）之外，粉末总是在被压制成某种形状的压坯后再进行烧结的。这样的颗粒系统就有另外两个本征的特点：颗粒之间的接触和颗粒之间存在着“空隙”或称孔洞；系统表面的减少。
粒
粒3颗粒
烧结初期十烧结中期烧结后期
不加压固相烧结孔洞形状变化示意
自由能的降低主要是通过孔洞的收缩来实现的。
烧结开始时，孔洞的形状并不是球形，而是由尖角形、圆滑菱形、近球形逐渐向球形过渡，如下图所示。此时，孔洞的收缩必然伴随着颗粒接触区的扩展。这个接触区最先被称作金属颗粒之间的“桥”，或定义为颈。
颗粒之间接触的直接结果是颈部出现了曲率半径。Laplace和Young以弯曲液体表面为例，给出了表面的曲率半径、表面张力和表面所受的应力差值：
Ao-yRR？
式中R1与R2表示表面上相互垂直的两个曲线的曲率半径，称为主曲率半径。
对于不加压固相烧结的颗粒系统，由颗粒接触形成的曲率半径对Laplace应力有重要影响。颗粒接触形成的颈如下图所示。图中，x表示接触面积的半径，pp表示颈部的曲率半径，即上式中R1与R2，则颗粒接触的本征Laplace应力为
△o＝y（-）
X
式中负号表示p从孔洞内计算，正号表示x在颗粒内计算半径值。同时可注意到，颈部凹表面拉伸应力的存在，相当于有压应力P作用在两球接触面的中心线上，使两球靠近。
两球形颗粒接触颈部主曲率半径示意
应当强调指出，影响颈部Laplace应力的主要因素是颈部的曲率半径，而不是表面张力。比如纯固体的表面张力y在低于熔点的烧结温度下，其值变化不大，如铜，熔点下为1.65N/m，室温下为1.37N/m，可视为常数。而x和p与颗粒半径有关，对不同粒度粉末颗粒变化是相当大的，由亚微米到几十微米之间至少变化三个数量级。
1.3反致密化
烧结过程中，烧结体膨胀而不是收缩是一种反致密化现象。典型的例子如：金属Cu粉压坯在氢气中于800～1000℃烧结10h以上，K-Si-Al掺杂的W的电直热烧结的末期，Mo-O-C-H系统的烧结，Bi系高温超导体2212相转变为2223相的烧结，高比重W-Ni-Fe合金在氢气中于1450℃接近8h的烧结，Fe-10％Cu的液相烧结，甚至在ZnO的热压过程中也会发生这种反致密化现象。其诱发因素，反致密化的机制可以包括：（1）烧结末期闭孔中气体压强的作用；（2）液相存在时，固-液与液一固溶解度失配；（3）相变引起的晶粒形状的改变；（4）不等量互扩散。
（a）封闭孔洞中的气体
首先考虑气体在固相粉末颗粒内溶解度为零的情况，即不溶性气体问题。这时，处理问题的基本模型是
＝-K（）［-P2（2T）＋P2
式中，r:闭孔洞的半径；K（r）:某一函数关系与孔洞半径有关，并取决于孔洞胀大机制；P（r，T）:闭孔内气体压强；P:施加的外压强；2y/r:使孔洞收缩的本征Laplace应力。
一般金属粉末在空气中压制，比如电解Cu粉在空气中压制，压坯的某些封闭孔隙之内会有氮气存在。烧结时还会由于氢还原氧化物而产生水汽。氮气与水汽都不溶于金属Cu下图是该压坯于900C在氢气中
8090t
H
7.8
7.6
742
6
8
10
12
时间/h
电解Cu粉压坯烧结密度随烧结时间变化的规律101
（压制压力520MPa）
的饶结密度随烧结时间变化的实验曲线。可以发现超过6h的长时间烧结，烧结密度明显降低。因此，根据上述典型可认为其原因是由于封闭孔洞中的氮气与水汽的压力造成了压坯体积膨胀。作为理论估计，由上式右边，令括号内两项之和等于0，不加外压，即Pe＝0，则有下列判据判断孔洞膨胀或收缩。
2/r＝P（T）孔洞尺寸不变
2/r＞P（T）孔收缩
2/r＜P（T）孔洞胀
很容易计算出封闭孔洞内气压。用理想气体PV＝nRT关系，可计算出由室温300K升至烧结温度1200K时压力约增加（1200/300×0.1）-0.1＝0.3MPa，取表面张力y＝1.65N/m。那么，22μm（r＝1.1×10m）的孔洞刚好
b＝0.541nm，c＝3.704nm。最大的差别出现在c值上。它们的晶体结构都是以超导Cu2O氧化物层和绝缘氧化物层［AO］∞（A＝Bi，Sr，Ca）按一定次序排列的岩盐结构。80K超导氧化物层为［Cu2O-CaO-Cu2O-Cu2O］，而110K超导氧化物甚在此基础上又镶嵌一层CuO和CaO，成为［Cu2O-CaO-CuO-CaO-Cu2O］。可见，80K相的堆层次序为：［Cu2O-SrO-BiO-BiO-SrO-Cu2O-CaO-Cu2O-SrO-BiO-BiO-SrO-CuO2］。110K为：［Cu2O-SrO-BiO-BiO-SrO-Cu2O-CaO-CuO-CaO-CuO2-SrO-BiO-BiO-SrO-CuO2］。多晶的结构更加复杂，不同成分的超结构在（100）平面上能被观察到，而多晶粉末还包含有不同堆垛数量的氧化物层的交联
上图清晰地表明，在850℃烧结温度下，超导体的80K相，由于CuO和CaO层的插入，110K相开始形成。并最终形成薄片状晶粒，原等轴晶粒处被薄片晶粒取代，而留下较大的孔隙。层状超导晶体的生长方式已通过单晶生长的方式加以证实。
X射线和电子探针分析表明，所谓X射线衍射谱标定的“纯”110K相粉末，并不是100％的纯相，总会有80K相和其它非超导相存在。这样，在企图致密化110K相的烧结过程中，就会随残留80K相的转变同时发生体积膨胀的反致密化过程。
残留在110K相粉末的80K相数量决定膨胀的相对量。下图示出体积膨胀的实验规律性。实验时，按不同的质量分数混合80K相和110K相粉末，压成压坯在空气中于845℃处理不同时间。结果表明，当80K相为10％～20％时，48小时后试样膨胀了5％左右；80K相为50％时，96小时膨胀量为8％左右；而基本上是80K相（＞90％），在有1.6％Pb的掺杂下，膨胀量可达35％。在制备银包覆的110K相超导带时也发现，随着烧结的进行，超导体密度由65％降低到55％，并完成80K相到110K相的转变。近完全的致密化，必须多次进行轧
40250h
845℃空气中
30
哥碎过20200h
130h
1096h
48h
020
4060
80
100
80K相质量分数/％
80K相粉末质量分数对110K相烧结致密化的影响7
制、烧结后才能实现。
（d）不等量扩散
无论是金属粉末还是陶瓷粉末，只要在烧结过程中出现了物质（原子、离子、空位）的不等量扩散，都会导致致密化的反常现象。
在Cu-Ni，Au-Ag，Cu-Ag，Cu-Fe。Fe-Ni，Cu-Zn，Ni-Zn，70/30黄铜和Cu之间烧结颈部的“烧结沟”。金相考查表明，当用相应金属的细线（0.127～0.254mm）缠绕在粗线（6.3mm）上，在氢气、氮气或真空（对于含Zn的金属对）中烧结时，都会在低熔点金属一侧，比如Cu-Ni995℃烧结1.5h在Cu一侧；Cu-Fe1013℃烧结16.5h在Cu一侧；Fe-Ni1185℃烧结6h在Fe一侧；Zn-Ni300℃烧结1～16h在Zn一侧；形成烧结颈部区的下陷的“烧结沟”，如下图示意。进一步烧结并不是烧结颈的横向长大，而是颈部下陷长入低熔点金属中，从
烧结沟
T＞TDAD＜D
B
原子不等量扩散造成的烧结沟
扩散性D＜D，熔点TA＞T
曲型成分收缩膨胀
T
AB
△L/L
入△L/L。
T△L/L。
TT
AB
△L/L。
A一添加剂（较少相）
B一基体（主要相）
利用二元相图预测致密化（收缩）与反致密化
（膨胀）行为
二元相图为利用溶解度比的概念判断升温过程及烧结温度下出现的烧结体尺寸变化提供了某些重要的信息。上图是一些理想化了的典型二元相图。A组元表示添加的形成液相的元素粉末。B组元表示作为基体的元素粉末。典型成分为B组元为主相，A组元为较少相，相应的粉末合金成分线由图中虚线示出。当SA～SB时，如图a所示，升温的缓慢加热不会导致烧结体尺寸变化，而达到共晶温度以上，液相形成并出现收缩致密化。图b和c是两个极端情况。图b相当于溶解度比判据式Sg/S＞1，从升温开始便有微量收缩。达到或超过共晶温度，烧结出现显著致密化。而图c相当于式S/S＜1，从升温开始便有膨胀，达到共晶液相温度时膨胀达到最大，进一步提高烧结温度可以出现一定的收缩，但最终仍不能实现烧结致密化。图d是一个有趣的情况，虽然S/S＞l，但该系统有二个共晶温度，其间有金属间化合物形成。在低于第一个共品温度的升温过程中，尺寸变化不显著，达到第一个共晶温度时出现了一定量的膨胀，这时SB/SA＜1（SB为金属间化合物中B的浓度），达到第二个共晶温度，膨胀量最大，进一步升高温度，烧结在S/S＞l条件下进行，可能进入收缩致密化状态。
（c）相变引起的晶粒形状改变
Bi系高温超导体，无毒，价廉，转变温度高（80～100K，液氮温度为77.3K），是有可能大规模开发的块材系列，但在致密化方面遇到了困难，如热等静压过程出现110K相的分解，不加压烧结中出现试洋体积膨胀。这些是典型的由相变引起的反致化现象。
理想80K相粒110K品粒
sSr
I……
850t
80K相110K相
近等轴品类850t平板品粒
Bi系陶瓷高温超导体晶粒由近等轴形转变为
平板形造成体积膨胀示意图
-80K相晶体结构；-110K相晶粒形成示意图；-110K相晶体结构
X射线衍射、中子衍射和高分辨电子显微术分析表明，80K相和110K相单晶都具有正交对称性（Fmmm），80K相的晶格常数d＝0.5410nm，b＝0.5401nm，c＝3.083nm。而110K相（2223相Bi2Sr2Ca2Cu3O10）a＝0.540nm，
满足式2y/r＝P（T），即保持平衡。凡是小于22um的孔洞，由于满足式2y/r＞P（T）孔洞的本征Laplace应力大于孔洞气体膨胀应力而收缩；而大于22um的孔洞将膨胀。
（b）溶解度失配
烧结过程出现液相，随之而来也就出现了两个溶解度一固相在液相中的溶解度和液相在固相中的溶解度。这两个溶解度之间的匹配是否合适，决定了烧结体是收缩致密化还是膨胀反致密化。在大量的实验结果中，发现凡是固相在液相的溶解度（记为Sg）大于液相在固相中的溶解度（S）的粉末系统，都发生收缩致密化，如Cu-Ti， Fe-B，W-Fe系；反之，则发生膨胀反致密化，如Al-Zn， Cu-Al， Cu-Sn，Fe-Al， Fe-Cu， Fe-Sn和Ti-Al系等。这个定性的判据可以表示为：
SB/SA＞1收缩致密化，SB/SA＜1膨胀反致密化
溶解度影响的一个定性解释由下图给出。高的溶解度比，如式1-231a的情况，存在于固相颗粒之间的
生坯基体
添加剂
SB/S＞1Sa/SA＜1
致密化廖胀
孔洞
1-35溶解度比对致密化（收缩）或反致密化（膨胀）的影响［110
液相相当于一个润滑剂的作用。它既可以作为颗粒滑动的载体，又可以溶解掉颗粒的某些尖角、凸棱，使之易于流动而实现颗粒重排致密化。这样的致密化过程是一个快速完成的过程，一般在液相形成几分钟后可完成。因而，相对不加压固相烧结来说，它是一个强化了的致密化过程。低的溶解度之比，表示液相在固相中有大的溶解度，它可以在适当大的品界两面角的情况下贯穿入晶界，而在原先液相存在的位置留下大的孔洞。大孔的出现造成了烧结体的膨胀，这种反致密化过程不能通过液相消失后的固相烧结加以改善。最典型、最常见的例子是铁基材料的Fe-Cu系（（Cu）＞3％）的铜熔化时出现的瞬时液相烧结。
而妨碍了致密化过程的进行。
这种现象的定性解释为：低熔点金属有较低的表面能和较高的自扩散率，对于颈部同一表面曲率。在过剩空位的流动中，会有较多的空位从低熔点金属一侧流走，而高熔点金属一侧的空位流出较少。在流动过程中，不等量空位流动导致在低熔点一侧空位积累，形成观察到的“烧结沟”。
同样，对于氧化物粉末，金属阳离子的不等量扩散也会引起空位的反向聚集和烧结颈的下陷。在研究MgO-Al2O3MgO-SiO2和2MgO-TiO2坯体在1500℃空气中烧结过程中发现发生膨胀而不是致密化的实验结果。如下图所示，当粉末坯体中MgO和TiO2摩尔比为2：I时，即2MgO.TiO2，1500℃烧结2h体积膨胀
25
20
15
103
524681012
时间/h
不同成分的氧化物粉末压坯烧结不同时间的体积膨胀
1-2MgO＋TiO2； 2-2MgO＋SiO2； 3-MgO＋Al2O； 4-MgO＋Fe2O
20％，烧结4h膨胀增加到22％Mg（Mg，Ti）O4，同时形成尖晶石结构。由于Mg和Ti的阳离子的互扩散造成的不等量物质迁移可以由下图示意。MgO和TiO2粉末相互接触，两个颗粒之间就发生2个2价Mg阳离子向TiO2和1个4价Ti阳离子向MgO方向的不等量阳离子数目的扩散。这是离子化合物由扩散保持电中性所要求的。另一方面，为了保持空位个数的平衡，必有一个阳离子空位由TiO2向MgO扩散，以弥补阳离子数目扩散的差别。这样，空位就在MgO一侧聚集形成孔洞。于是，烧结颈长大就被阻碍致密化的颈缩和烧结沟所替代。L＜L（膨张）
MgOTO:
MgO
TiO
Mg（MgTi）O.
2个Mg阳离子颈缩和烧结构
一1个T阳离子
1个阳离子空位
金属阳离子数目不等量扩散下的空位聚集
造成的颗粒烧结颈缩和体积膨胀
第二节强化烧结
强化烧结是泛指能够使烧结温度降低，或是能够增加烧结速率，或是能够强化烧结体性能（包括合金化或是抑制晶粒生长）的所有烧结过程。
位错自激活烧结是针对不加压烧结初期阶段位错萌生对物质迁移贡献的进一步验证和肯定。
固相活化烧结和液相烧结是典型的不加压强化烧结过程。其中，金属与金属、金属与非金属能否相互润湿是强化烧结的决定性因素。对金属粉末烧结活化剂和陶瓷粉末烧结助剂的理论分析是极为活跃的研究领域。而强化烧结的致密化规律仍需进一步研究。
2.1活化剂扩散强化烧结
2.1.1扩散强化烧结途径与活化剂
（a）扩散强化途径：强化烧结的核心问题是强化原子的扩散过程。扩散过程的强化可以通过下列途径实
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