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粉煤灰的化学成分与矿物组成

粉煤灰是一种火山灰质材料，来源于煤中无机组分，而煤中无机组分以粘土矿物为主，另外有少量黄铁矿、方解石、石英等矿物。因此粉煤灰化学成份以二氧化硅和三氧化二铝为主(氧化硅含量在48%左右，氧化铝含量在27%左右)，其它成分为三氧化二铁、氧化钙、氧化镁、氧化钾、氧化钠、三氧化硫及未燃尽有机质(烧失量)。不同来源的煤和不同燃烧条件下产生的粉煤灰，其化学成分差别很大。

粉煤灰以玻璃质微珠为主，其次为结晶相，主要结晶相为莫来石、磁铁矿、赤铁矿、石英、方解石等。玻璃相是粉煤灰的主要结晶相，粉煤灰玻璃质微珠及多孔体均以玻璃体为主，玻璃体含量为50%～80%，玻璃体在高温缎烧中储存了较高的化学内能，是粉煤灰活性的来源。莫来石是粉煤灰中存在的二氧化硅和三氧化二铝在电厂锅炉燃烧过程中形成的。SEM下偶尔可以见到莫来石的针状形集合晶体，莫来石含量在1.3%～3.6%之间，其变化与煤粉中三氧化二铝含量及煤粉燃烧时的炉膛温度等诸多因素有关。磁铁矿和赤铁矿是粉煤灰中铁的主要赋存状态，一般磁铁矿含量较高。石英为粉煤灰中的原生矿物，常呈棱角状，不规则粒径，含量不高。

纯净的硅(Si)是从自然界中的石英矿石(主要成分二氧化硅)中提取出来的,分几步反应:

1.二氧化硅和炭粉在高温条件下反应,生成粗硅:

SiO2+2C==Si(粗)+2CO

2.粗硅和氯气在高温条件下反应生成氯化硅:

Si(粗)+2Cl2==SiCl4

3.氯化硅和氢气在高温条件下反应得到纯净硅:

SiCl4+2H2==Si(纯)+4HCl

以上是硅的工业制法,在实验室中可以用以下方法制得较纯的硅:

1.将细砂粉(SiO2)和镁粉混合加热,制得粗硅:

SiO2+2Mg==2MgO+Si(粗)

2.这些粗硅中往往含有镁,氧化镁和硅化镁,这些杂质可以用盐酸除去:

Mg+2HCl==MgCl2+H2

MgO+2HCl==MgCl2+H2O

Mg2Si+4HCl==2MgCl2+SiH4

3.过滤,滤渣即为纯硅

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高分子复合材料

高分子复合材料

姓名：顾大伟学号：5091109012班级：F0911001

1.简述聚合物复合混凝土材料。

混凝土聚合物复合材料是利用水泥混凝土的制造方法和施工技术与高分子材料有效结合而产生的一种新型材料。用于水泥混凝土改性的聚合物种类很多,对水泥混凝土进行改性的具体工艺也多种多样,最终获得的改性水泥混凝土主要有三种:(1)

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聚合物混凝土或树脂混凝土(PC)(2)聚合物浸渍混凝土(PIC)(3)聚合物改性水泥混凝土(PMC)。

(1)聚合物混凝土或树脂混凝土(PC)

聚合物混凝土是指在集料中加入一种或几种树脂（或单体）作为粘合剂，在固化剂的作用下经聚合反应即为聚合物混凝土。

Ⅰ.聚合物混凝土原材料：包括粘合剂、集料、填料和其他材料等。

A.粘合剂聚合物混凝土制造中采

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用的粘合剂种类很多，参见表1。粘合剂中以不饱和聚酯树脂的价格较低，对聚合物混凝土的固化控制较容易；采用MMA时，由于粘度低，聚合物混凝土的工作度好，施工方便，其低温（-22℃）固化性能较优。

B.集料聚合物混凝土中采用的集料有河砂、碎石、河砾石和人造轻骨料等。日本通常要求集料的含水率＜0.5%，美国的一些规范要求＜1%，否则应进行电热强制干燥。

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C.填料用以改善聚合物混凝土的流动性，防止离析，并可提高其表面硬度。填料一般粒径为1～30微米。常用填料有:重质碳酸钙（日本多采用，但耐酸工程中不能用）、硅灰、粉煤灰和矿渣粉等。使用的填料要求干燥。

D.其他材料聚合物混凝土中要掺入相应的固化剂或固化促进剂，以控制混凝土的固化时间和施工时间。掺入偶联剂以提高粘合剂和集料界面间的粘结力，改善聚合物混凝土的耐久性并提高强度；掺入某

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种颜料以获得特殊的色彩效果。为了提高聚合物混凝土的性能，也可在聚合物混凝土中配备或掺入补强材料，如圆钢、预应力钢筋、玻璃纤维强化塑料棒材、钢纤维、聚酰胺纤维等。

图1.日本聚合物混凝土、砂浆用聚合物粘合剂或液体树脂的分类

Ⅱ聚合物混凝土性能：

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聚合物混凝土的强度和其粘合剂、集料等的性能及配比关系很大。（见表1）

聚合物混凝土强度的增长与龄期、养护方式的关系。（见图2）

聚合物混凝土采用低含水率的集料、填料，否则聚合物混凝土的强度显著下降（见图3）

表1.聚合物混凝土的一般性能（大

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滨）

图2.聚酯混凝土的强度与龄期关系（大滨）

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图3.聚酯混凝土的强度与集料含水率的关系（大滨）

此外聚合物混凝土组织构造致密，吸水率小，抵抗水蒸气、空气和其他气体的渗透性能优异，抗冻性能也很好；电绝缘性能很好，可达陶瓷的两倍；耐磨性能良好，减震性能优异比铸铁高5～6倍；但由于有聚合物组分，耐火性较差；化学耐久性较优良但氧化剂作用下性能较差；耐候性因成分不同会有差异，一般认为可保证使用20年。

2)聚合物浸渍混凝土(PIC)

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聚合物浸渍混凝土是一种有机材料和无机材料相结合的复合材料。液态有机单体或聚合物渗入已硬化混凝土的空隙或裂缝中，并在其中聚合成坚硬的聚合物使混凝土和聚合物形成一个统一的整体。由于混凝土的孔隙和裂缝被有机物填充和加固，提高了水泥石结构的致密度，因而不但大幅度提高了混凝土的抗压、抗拉和抗弯强度，而且显著改善了混凝土的抗渗、抗冻和耐腐蚀性能，其他性能也有很大改善。从而扩大了混凝土的使用范围。

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Ⅰ.聚合物浸渍混凝土原材料：主要是基材和浸渍液两大部分。

A.基材一般采用水泥混凝土及其制品

B.浸渍液要求有较好的耐腐蚀性能外，还要有适当的粘度和较小的挥发性；聚合后与基材有较好的粘结力；毒性小；成本低，来源广。可采用S-P、S-E、MMA、S-P-MA等。

Ⅱ.浸渍工艺:

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图4.浸渍工艺流程

A.干燥除去水泥混凝土中的游离水分，使浸渍液较易渗入。

B.真空抽气将混凝土空隙中的空气抽出，以便提高单体的浸渍率。

C.浸渍为提高混凝土的耐腐蚀性、抗冻性和抗渗性采用表面浸渍；为提高混凝土的强度或改善全面性能采用完全浸渍。

D.聚合将渗入到混凝土中的浸渍

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液由低分子单体变成高分聚合物，方法有：采用高能辐射聚合；掺加引发剂的加热聚合；掺加引发剂和促进剂的化学聚合。

Ⅲ.聚合物浸渍混凝土性能：

经过浸渍的混凝土在力学性能方面有很大提升，抗冲刷性能、耐冻融性、抗渗性和耐盐卤腐蚀性都有增强，数据见表2～表7

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表2.聚合物浸渍混凝土的强度

表3.聚合物浸渍砂浆的抗冲击强度表4.浸渍混凝土的抗冲刷性能

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表5.浸渍混凝土耐冻融性能表6.浸渍混凝土的抗渗性能

表7.浸渍混凝土耐盐卤腐蚀快速实验结果

(3)聚合物改性水泥混凝土(PMC)

普通水泥混凝土加入聚合物材料后,水泥基材料的诸多性能如强度、变形能力、粘结性能、防水性能以及

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耐久性等都会有所改善。目前,聚合物水泥混凝土在国内是以聚合物改性水泥砂浆的形式用于结构修补、粘合剂、防水材料、耐蚀防护材料为主,同时在钢结构保护、水工建筑耐水层、高速公路路面等工程也得到了成功的应用。但很少用聚合物改性水泥混凝土作为建筑材料,因为与PC和PIC材料相比,聚合物改性水泥砂浆或聚合物改性水泥混凝土的强度提高不明显,而与普通混凝土相比,PMC材料的成本较高,因此,除了某些特殊使用场合,如隔振、抗冲击

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结构以外,还没有采用PMC材料作大体积的结构材料。

表8.羧基丁苯乳液改性水泥混凝土的强度

2.简述碳/碳复合材料。

由碳纤维为增强体,以碳为基体的复合材料。碳/碳复合材料具有低密度、高强度、

高比模、低烧蚀率、高抗热震性、低热膨胀系数、零湿膨胀、不放气

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、在2000℃以内强度和模量随温度升高二而增加、良好的抗疲劳性能、优异的摩擦磨损性能和生物相容性（组织成分及力学性能上均相容）、对宇宙辐射不敏感及在核辐射下强度增加等性能，尤其是碳/碳复合材料强度随温度的升高不降反升的独特性能使其作为高性能发动机热端部件和使用于高超声飞行器热防护系统具有其它材料难以比拟的优势。

碳/碳复合材料的碳基体可以从很多碳源采用不同的方法获得，典型

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的基体有树脂碳和热解碳，前者是合成树脂或沥青经碳化和石墨化而得，后者由烃类气体的气相沉积而成。碳/碳复合材料胚体所用碳纤维、碳纤维织物或碳毡等的选择是根据复合材料所制成构件的使用要求来确定，同时要考虑到胚体与基体碳的界面配合。碳/碳复合材料的胚体可分为单向、二向和三向，甚至可以是多向方式，大多采用编织方法制备。在制备圆桶、圆锥或圆柱等胚体时需要采用计算机控制来进行编织。

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碳/碳复合材料制备方法有气相氧化法；化学气相反应法；表面涂层法。

Ⅰ.气相氧化法空气中加入一定量的氧或臭氧进行氧化，一般在管式炉中进行，温度控制在350～600℃之间，时间根据碳纤维种类和所需氧化程度而定。此法设备简单，反应时间短，易和碳纤维生产线衔接进行连续处理，如果反应条件缓和，处理后碳纤维的抗拉强度可基本保持不变或稍有增加。

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Ⅱ.液相氧化法一般，液相氧化的效果比气相氧化法好，条件适当时，复合材料的剪切强度可增加1倍以上，而纤维的强度仅略有下降。液相时只氧化纤维表面，而气相氧化剂可能渗透较深，尤其在表面有微裂和缺陷处。但液相氧化多为间歇操作，处理时间长，操作繁杂，难以和碳纤维生产线直接相连接。

Ⅲ.表面涂层法将某种聚合物、表面处理剂、偶联剂或金属等涂覆在碳纤维的表面上，减弱碳纤维表面的缺陷，缓和界面应力，使碳纤维

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与基体材料之间产生偶联等，从而提高复合材料的性能。途径有聚合物涂覆、溶液还原、气相沉积等。

碳/碳复合材料的性能因所用原料、合成方法、处理方式、针织形态等因素而不同，在此仅讨论高温对碳/碳复合材料性能的影响。

表9.不同试样的弯曲性能

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图5.不同试样歪曲应力-应变曲线图6.未石墨化处理 C/C室温弯曲破坏形貌

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图7.石墨化处理 C/C室温弯曲破坏形貌图8.C/C 1700℃弯曲破坏形貌

从上述数据和SEM可见用石墨化处理的C/C复合材料力学性能稍有提高，但更重要的是温度的影响，在室温下C/C复合材料的性能比某些结构材料差，但高温下强度保持率高甚至超过室温。

4.简述玻璃纤维表面处理方法及目的。

因为玻璃纤维一般是作为树脂的

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增强材料，但玻璃纤维增强树脂基复合材料，只有形成有效的界面粘结才能具有优良的性能。由于玻璃纤维与树脂基体之间的模量相差很大，在受到外界载荷作用时树脂基体首先发生较大变形，要把应力有效传递到纤维就需要有较强的界面结合，然而由于玻璃纤维与树脂间的润湿不是很好，而且不易发生界面反应所以界面结合较弱。在玻璃纤维增强树脂基复合材料中，玻璃纤维起重要承载作用，为了充分发挥其承载作用，需要对其表面进行

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处理，调整到与基体树脂的表面性能相匹配，减少玻璃纤维与树脂基体差异对复合材料性能的影响，提高其与树脂基体的相容性、浸润性、反应性，达到与树脂基体很好的结合，形成性能优异的界面层，从而提高复合材料的综合性能。事实证明，玻璃纤维及织物经过适当的表面处理后，不仅改进了玻璃纤维的耐磨、防水、电磁绝缘等性能，且对玻璃钢的强度，特别是湿态下的强度提高有显著的效果。因此，对于玻璃纤维增强的树脂基复

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合材料而言，提高界面结合强度是提高其力学性能的重要保证。

常用方法有热处理法；酸碱刻蚀法；偶联剂法；此外还有等离子体表面处理法和稀土元素处理法。

Ⅰ.热处理法热处理就是利用高温使玻璃纤维表面的原有胶料氧化分解，同时除去玻璃纤维由于储存而吸附的水。如果是纺织型浸润剂处理的玻璃纤维，高温下还可除去其润滑油。热处理法工艺简单，实用性强，只是该法单独使用的效果欠

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佳，一般都作为玻璃纤维表面处理的预处理工序，与其它表面处理方法配合使用。

Ⅱ.酸碱刻蚀法刻蚀是通过酸碱在玻纤表面进行化学反应形成一些凹陷或微孔，用碱刻蚀时，利用碱与SiO2生成可溶的硅酸盐。用酸刻蚀时，利用酸与玻纤表面的碱金属的氧化物Al2O3、MgO、Na2O等反应生成可溶的碱金属盐，在玻璃纤维表面形成大量的Si-OH键，待玻璃纤维与基体进行复合时，一些高聚物的链段进入到空穴中，起到类

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似锚固作用，增加了玻纤与聚合物界面之间的结合力，同时在增加玻璃纤维表面反应性硅烷醇的数量。其最终处理效果主要与酸碱种类、浓度、处理时间和处理温度有关。

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