2個Mg陽離子頸縮和燒結構
P: 0/1dX: 73.8 dY.-1236.Xv:0.124 Yv: 0.123 Prs: 1.50 Size: 188.度來保洪自發形核。晶核數量愈多，則晶粒愈細。23/23（2）在金屬結
P: 0/1dX: 73.8 dY.-1236.Xv:0.124 Yv: 0.123 Prs: 1.50 Size: 188.
度來保洪自發形核。晶核數量愈多，則晶粒愈細。
23/23
（2）在金屬結晶時，有目的地在液態金屬中加入某
些雜質，做為外來晶核，進行非自發形核，以達到細
化晶粒的目的，此方法稱為變質處理。
（3）在結晶過程中，采用機械振動、超聲波振動、
電磁攪拌等，也可使晶粒細化。
5.若在液體中形成一個半徑為r的球形晶核時，證明
臨界形核功AG與臨界晶核體積V之間的關系為
AGK＝-1/2VKAGV。
a）證明因為臨界晶核半徑TK
＝
O
20
AGY
AGy＝Gg-GL
臨界晶核形成功AGK
163
3 （AGy）2
故臨界晶核的體積
所以AGK
O2AGY
6、分析純金屬生長形態與溫度梯度的關系
o純金屬生長形態是指晶體長大時界面的形貌，它取決于界面
前沿液體中的溫度分布。
（1）當液體具有正溫度梯度時，晶體以平面狀方式推進長大。
此時，界面上任何偶然的小的凸起伸入液體時，都會使其過
冷度減小，長大速率降低或者停止長大，而被周圍部分趕
上，因而能保持平面的推移。
（2）當液體具有負溫度梯度時，晶體以樹枝狀方式推進長大。
此時，界面上任何偶然的小的凸起伸入到液體時，由于前方
液體有更大的過冷度，有利于晶體長大和凝固潛熱的散失，
從而使長大速度增大，形成樹枝狀。
:45Y:930.5Xv:0.036 Yv:-0.008 Prs:1.52 Size:212.5
18/23與體心立方類似，但屬于簡單立方結構
atom
at 8 comers
oBCC應該是正方體的八個頂點與體心原子
相同。氯化銫位于正方體八個頂點的是氯
離子（或銫離子）處于正方體中心的是銫
離子（或氯離子），因此它的晶體結構不是
BCC。它應該是兩個簡單立方點陣的結
合。Cl
P82.8
（1）單體質量：
12×2＋1×2＋35.5×2＝97 g/mol
（2）聚合度＝6000/97≈620
第三章作業
o過冷度指熔體實際開始結晶溫度T與理論結晶溫度
Tm（熔點）之間的溫度差AT＝Tm-Tn；
o動態過冷度指固體長大過程中，固-液界面液相一側
溫度T與理論結晶溫度T（熔點）之間的溫度差
ATK＝Tm-Ti
o臨界過冷度指的是熔體中以均勻形核方式形成臨界
P: 0/1TdX: 107.5 dY: -1056.Xv: 0.004 Yv: 0.014 Prs: 3.52 Size: 188.
20/23直指的是熔體中以均勻形核方式形成臨界
晶核所對應的過冷度△T＊。
2、分析單晶體形成的基本條件？
o單晶材料的獲得，要保證結晶時只產生一個晶核并
長大成晶體。因此，單晶體的制備關鍵是材料的純
度及結晶速度的控制。
o材料必須極為純凈，避免異質或晶體結構缺陷形
核。而控制結晶速度極為緩慢，則是為了控制過冷
度，消除額外形核。
3、為什么非晶態線型高分子在Tg溫度以下
呈現硬且脆的力學狀態？
因為非晶態線型高分子在Tg溫度以下處于玻璃
態，該狀態下分子運動機制僅有鏈節、側基等小
單元能運動，分子鏈段和整個分子鏈均處于凍結
狀態，所以呈現硬且脆的力學性能。
4、根據凝固理論，試述細化晶粒的基本途徑。
P:0/1dX:77.4dY:-765.9Xv:0.0Yv:0.0Prs: 4.73 Size: 180.04
根據凝固理論，試述細化晶粒的基本途徑。23/23
（1）在液態金屬結晶時，提高冷卻速度，增大過冷度，來促進自發形核。晶核數量愈多，則晶粒愈細。（2）在金屬結晶時，有目的地在液態金屬中加入某些雜質，做為外來晶核，進行非自發形核，以達到細化晶粒的目的，此方法稱為變質處理。
（3）在結晶過程中，采用機械振動、超聲波振動、電磁攪拌等，也可使晶粒細化。
5.若在液體中形成一個半徑為r的球形晶核時，證明臨界形核功AG與臨界晶核體積V之間的關系為AGK＝-1/2VK4GV。
a）證明因為臨界晶核半徑O
20
TK＝AG
AGy＝Gg-GL
16πc3
臨界晶核形成功AGK＝
3（△Gy）2
故臨界晶核的體積
所以△GK
K
AG
2
6、分析純金屬生長形態與溫度梯度的關系
o純金屬生長形態是指晶體長大時界面的形貌，它取決于界面前沿液體中的溫度分布。
（1）當液體具有正溫度梯度時，晶體以平面狀方式推進長大。此時，界面上任何偶然的小的凸起伸入液體時，都會使其過冷度減小，長大速率降低或者停止長大，而被周圍部分趕上，因而能保持平面的推移。
（2）當液體具有負溫度梯度時，晶體以樹枝狀方式推進長大。
P:0/1dX:49.0dY:-408.8Xv:0.0
Yv: 0.0
Prs: 2.41
Size: 196.
推導六系中晶向的三指數和四指數互換的公
12/23uvtw
三軸指數和四軸指數描述同一晶向，
所以：ua1＋va2＋ta3＋wc＝Ua1＋Va2＋Wc
由幾何關系a1＋a2＝-a3且t＝-（u＋v）
聯立以上三個方程，同矢量方向的系數相等，即可
得出結論：
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
第二章作業
1.固熔體和金屬間化合物在成分、結構和性能上的差異？
＞成分和結構上：固溶體保有溶劑的晶格結構，固溶體的成
分可以在或大或小的范圍內變化。金屬間化合物的晶體結
構不同于組成它的任一組元，以分子式來表示其成分，具
有確定的化學組成。
＞在性能上：形成固溶體和金屬間化合物都能強化合金，但
固溶體的強度、硬度比金屬間化合物低，塑性、韌性比金
屬間化合物好，也就是固溶體有更好的綜合機械性能。4.碳和氮在y-Fe（面心立方結構）中的最大固熔度分別為w（C）＝2.11％，w（N）＝2.8％。已知C、N原子均位于八面體間隙，
試分別計算八面體間隙被C、N原子占據的百分數
固熔度（質量分數）可以換算成摩爾分數，可以得到一個
晶胞中的原子個數比例為：
Fe:C:N＝81.89:8.47:9.64
面心立方結構中的堆積球和八面體空隙的比例是1：1，
P:0/1dX: 49.7
dY: -603.2 Xv: 0.100 Yv: -0.069Prs: 3.02 Size: 196.
7/236題
某溫度下晶體中的空位平衡濃度
n:某溫度下晶體中平衡空位個數
G W-AexplN:晶體中所含原子總個數
A:由振動熵決定的系數
E:形成一個空位所需能量；
＝AcplQ:形成1mol空位所需能量
K:玻爾茲曼常數；
T:絕對溫度
6.14×1013
P55.12
（1）能夠進行。因為既滿足幾何條件：b前＝
b后＝［11
又滿足能量條件：∑b前2＝＞∑b后2＝1a
（2）b合＝；該位錯為弗蘭克不全位
錯。［111］
3
P55.14D-
位錯間距離D、伯氏矢量b與取向差0之間滿足下列關系
bb
b
sin2
D
2D
2sin
對稱傾斜晶界
2
P:0/1dX: 127.8dY:-770.5Xv:0.0
Yv:0.0
Prs: 1.95 Size: 155.0
位錯10/23
矢量b與取向差之間滿足下列關系
bb
b
sin2
D
＝
2D
2sin
對稱傾斜晶界
2
當θ＝1°，D＝14nm；
＝10°，D＝1.4nm時，即位錯之間僅有5～6個原子間距，此時位錯密度太大，說明當角較大
時，該模型已不適用。
晶體結構（點陣）與空間點陣的區別
空間點陣（space lattice）是晶體中質點排列的幾何學抽象，用以描述和分析晶體結
構的周期性和對稱性，由于各陣點的周圍環
境相同，它只能有14中類型。
晶體結構（crystal structure）是晶體中實際質點（原子、離子或分子）的具體排列
情況，它們能組成各種類型的排列，因此，
實際存在的晶體結構是無限的。
推導六方晶系中晶向的三指數和四指數互換的公
式：［UVW］←→［uvtw］
三軸指數和四軸指數描述同一晶向，
所以：ua1＋vaz＋tas＋wc＝Ua1＋Va2＋Wc
由幾何關系a1＋a2＝-a3 且t＝-（u＋v）
聯立以上三個方程，同矢量方向的系數相等，即可
得出結論：
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
體心立方晶格面心立方晶格
晶面指數晶面原子
晶面原子密度
晶面原子
晶面原子密度
排列示意圖（原子數/面積）
排列示意圖
（原子數/面積）
［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
體心立方晶格面心立方晶格
晶向指數晶向原子
晶向原子密度
晶向原子
晶向原子密度
排列示意圖（原子數/長度）
排列示意圖
（原子數/長度）
＜100＞2x1
212xI
＜110＞2x1
a-
07
aaa
.
1.4
2aa
＜111＞Ba
1.16
2x1
20.58
aBaa
a
aa
P54第6題
某溫度下晶體中的空位平衡濃度
n:某溫度下晶體中平衡空位個數
G-W-Aexpl-T）N:晶體中所含原子總個數
A:由振動熵決定的系數
E:形成一個空位所需能量；
-Aexpl-Q:形成1mol空位所需能量
K:玻爾茲曼常數；
P:0/1dX: 192.8dY: -596.5Xv: 0.0
Yv:0.0
Prs: 4.69 Size: 163.
3/23僅適用于簡單晶胞，對于復雜晶胞則
要考慮附加面的影響
立方晶系：
fcc當（hkl）不為全奇或全偶數時，有附加面
a如｛100｝，｛11/0｝
bcc當h＋k＋l＝奇數時（即兩一奇或
全為奇），有附加面：
如｛100｝，｛111
密排面和密排方向
o在體心立方（BCC）晶格中，原子密度最大
的晶面為｛110｝稱為密排面。原子密度最大
的晶向為＜111＞，稱為密排方向。
在面心立方（FCC）晶格中，密排面為（111｝，密
排方向為＜110＞。
BCC、FCC晶格主要晶面的原子排列和密度
體心立方晶格面心立方晶格
晶面指數晶面原子
晶面原子密度
晶面原子
晶面原子密度
排列示意圖（原子數/面積）
排列示意圖
（原子數/面積）
［100］4x1
41
2學
［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
作圖表示立方晶體的（123）012）晶面及
1/23
0221晶碗。
第一章作業（421）
（123）（012）
T0211346］
＝
［211］2/3
1/2
1/2附圖2.1有關晶面及品向
晶面間距
兩近鄰平行晶面間的垂直距離，用dk表示
1
正交晶系，d＝
a＝B＝y＝90°
立方晶系簡化為：→dn
a
h2＋k2＋12
上述公式僅適用于簡單晶胞，對于復雜晶胞則要考慮附加面的影響
立方晶系：
fcc當（hkl）不為全奇或全偶數時，有附加面d＝2
a
1a
如｛100｝，｛110｝
2√h2＋k2＋12
hec當h＋k＋＝奇數時（即兩偶一奇或
P:0/1dX:76.5dY:-723.2Xv:0.0 Yv: 0.0Prs: 5.50 Size: 188.
室合金的相組成物為a＋β，組織組成物為a＋β
0/O相對量計算如下：0.90-0.20
＝×100％＝82％
0.90-0.05
0.20-0.05
W3＝×100％＝18％
組織組成物的相對量與相的一致0.90-0.05
室溫下，合金的相組成物為a＋β，組織組成物為β初＋（a＋β）
相組成物相對量計算如下：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％
組織組成物相對量計算如下：0.90-0.50
0.90-0.80
Watp）100％＝25％
0.90-0.50
（3）設合金的成分為wB＝x，由題意知該合金為過共晶成分，于是有
x-0.50
W0.90-0.50
×100％＝5％
所以，x＝0.52，即該合金的成分為wB＝0.52。
7計算含碳wc＝0.04的鐵碳合金按亞穩態冷卻到室溫后，組織中的珠光體、二次滲碳體和萊氏體的相對量：并計算組織組成物珠光體中滲碳體和鐵素體、萊氏體中二次滲碳體、共晶滲碳體與共析滲碳體的相對量。
GE
F
K
PS
根據Fe-Fe3C相圖，wc＝4％的鐵碳合金為亞共晶鑄鐵，室溫下平衡組織為 P＋ Fe3Cl＋ Ld＇，其中P和Fe3C1系由初生奧氏體轉變而來，萊氏體則由共晶成分的液相轉變而成，因此萊氏體可由杠桿定律直接計算，而珠光體和二次滲碳體則可通過兩次使用杠桿定律間接計算出來
相組成物100
50F
相對量％0Fe3C
100Fe3Cll
組織組成物（F）
Fe3 CI
50
相對量X％P
L＇e
鐵碳合金的成分與組織的關系
1600
1538L＋8
1500
1495Wc＝ 4％
8
14004-2.11
13948＋YL相對量
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相對量WF＝WpX×100％＝9.38％
6.69-0.001
P中Fe3C相對量： we.c＝10.6％-9.38％＝1.22％.＋
共晶滲碳體：液態鐵碳合金中，由共晶反應所生成
的共晶混合物中的滲碳體，是萊氏體（La）（含碳
量4.3％）中的滲碳體.（屬于一次滲碳體）
共析滲碳體：在共析溫度（727℃）從珠光體（P）中
析出的滲碳體，呈片狀分布在珠光體中。
一次滲碳體是從液相中直接析出的。
二次滲碳體是從奧氏體中析出的。
三次滲碳體是從鐵素體中析出的。
萊氏體中共晶滲碳體、二次滲碳體及共析滲碳體
的相對量的計算，需采取杠桿定律的關聯方式
注意：共晶滲碳體在共晶轉變線處計算，而二次滲
碳體及共析滲碳體則在共析轉變線處計算
4.3-2.11
La中共晶滲碳體相對量：w
＝w6.69-2.11
×100％＝41.27％
6.69-4.32.11-0.77
L中二次滲碳體相對量:Wcm＝6.69-2.116.69-0.77
×100％＝10.2％
La中共析滲碳體相對量：
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
殘余的奧氏體（發生共析轉變）的量
L＇中奧氏體的量
P:0/1dX: 72.5
dY: -635.0 Xv: 0.0Yv: 0.0Prs: 5.71 Size: 188.
鐵碳合金的成分與組織的關系
6/8
15001495Wc＝ 4％
14004-2.11
13948＋yLa′相對量：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（％）
珠光體中滲碳體和鐵素體的相對量的計算則以共
析成分點作為支點，以wc＝0.001％和wc＝6.69％
為端點使用杠桿定律計算并與上面計算得到的珠
光體相對量關聯得到6.69-0.77
P中F相對量：Wp＝Wp××100％＝9.38％
6.69-0.001
P中FeC相對量：Wec＝10.6％-9.38％＝1.22％.t
共晶滲碳體：液態鐵碳合金中，由共晶反應所生成
的共晶混合物中的滲碳體，是萊氏體（L）（含碳）
量4.3％）中的滲碳體.（屬于一次滲碳體）
共析滲碳體：在共析溫度（727C）從珠光體（P）中
析出的滲碳體，呈片狀分布在珠光體中。
一次滲碳體是從液相中直接析出的。
P:0/1dX: 104.4
dY: -1.5 Xv: 0.0 Yv: 0.0Prs: 5.75 Size: 188.
2.根據圖4-17所示二元共晶相圖，試完成：
1/8
析合金I，II的結晶過程，并畫出冷卻曲線
（2）說明室溫下合金I，I的相和組織是什么，并計算出相和組織組成物的相對量
（3）如果希望得到共晶組織加上相對量為5％的β初的合金，求該合金的成分.B
I
tAL
1
22
β
33
A20
50
S0
90B
WB/10-2
T/KTK
L0Lβ
2＇L（a＋）
a→βan
I/s
合金的冷卻曲線合金的冷卻曲線
解（1）合金的結晶過程如下：
1以上，合金處于液相；
1～2時，發生勻晶轉變L→a，即從液相L中析出固熔體a，L和a的成分沿液相線和固相線變化，達到2時，凝固過程結束；
2時，為a相；
2～3時，發生脫熔轉變，a→β
合金的結晶過程如下：
1以上，處于均勻液相；
1～2時，進行勻晶轉變L→β；2時，兩相平衡共存；
2～2＇時，剩余液相發生共晶轉變；
2～3時，發生脫熔轉變a→β
（2）室溫下，合金I的相組成物為α＋β，組織組成物為α＋β
相組成物相對量計算如下：0.90-0.20
＝100％＝82％
0.90-0.05
0.20-0.05
＝×100％＝18％
組織組成物的相對量與相的一致0.90-0.05
室溫下，合金ll的相組成物為a＋β，組織組成物為β初＋（a＋β）.
相組成物相對量計算如下：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％
組織組成物相對量計算如下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
號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
密煉機
納米復合材料
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過與NCC形成氫鍵作用，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）（二氧化錫）
CMC（微晶纖維素）
Surace initiated ring opening polymerizatiorhexafluoroisopropanol（HFIP）
n-sit（六氟異丙醇），
BulkTin octoate
ROF
CMCstannous octoate（酸亞錫）
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 （立構復合體）
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
功能化纖維素高分子量聚乳酸立構復合物的制備及其氣體阻隔性和熱穩定性的研究
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
立構復合體
高分子立構復合體是指高分子異構體之間通過協同性的立構選擇相互作用力形
成的一類特殊的高分子晶體。高分子立構復合體以其均聚物相比具有更為優異
的性能，例如更高的熔點，更好的結晶性等。
聚乳酸（PLA）是一種生物可降解的高分子，其玻璃化溫度和熔點分別為60和
175℃，有D型和L型兩種光學異構體，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（指裂紋的長度超過臨界長
度而進行擴展的裂紋）尖端
Begin附近引入微裂紋，利用其所
形成的壓應力場，可以起到
阻礙主裂紋擴展的作用。
線性效應平均效應，混合定則
相補效應
相抵效應
乘積效應
材料復合效應非線性效應系統效應
誘導效應
復共振效應
合界面效應
阻斷效應，不連續效應，散射和
效吸收效應，感應效應，界面結晶效應、界面化學效應
彌散增強機制
應增強原理顆粒增強機制
與纖維增強機制
界機械結合，溶解和浸潤結合，
面金屬基及陶瓷基
反應結合，氧化結合，混合結合
界面結合類型化學鍵合，浸潤-吸附結合，
樹脂基
復合材料的界面擴散結合，機械結合，靜電結合
力學要求：能傳遞各種類型的載荷
對界面的要求物理化學要求：界面穩定性好
可關注的學術期刊1.復合材料學報
2.高分子學報
3.高分子材料科學與工程
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組匯報作業評分表
評價內容評價指標
評分
權值
緊扣主題、文獻有代表性，能反映
質量該領域研究前沿動態，條理性強50
盡量查閱近5年的文獻。
版面設計合理美觀，條理清晰、字
ppt版面設體清晰，重點突出，多媒體形式多匯報內容嚴重抄
15
計樣
襲者，將被重重
思路清晰：語言表達準確，概念
清楚，論點正確；分析歸納合理，扣分！
講演討論結論嚴謹：講述時間符合要求。25
回答問題環節有理論根據，基本
概念清楚
認真聽取匯報以及主動參與探
提問10-
討的積極性
合計100.
小組作業匯報形式：
以ppt為主，最好有配以和主題相關的
短視頻、圖例或動畫的實例介紹。
匯報時間：～10min
答辯環節：課后書面完成（隨機抽取其
他小組成員提3個相關問題進行作答）
請各個小組務必于10月30日之前把研學作業匯報ppt等相關文檔資料上傳到課程Q群的“小組研學作業”文件夾，文件統一命名格式為“第？小組匯報作業”。格式要求
PPT首頁應提供以下信息
8/33主要內容
1.簡介主標題
2.實驗說明
3.結果與討論顏色條
4.結論編制幻燈片編號便
于聽眾提問7
圖表化
生產情況匯總
A廠年產100噸，B廠年產200噸，C
廠年產240噸，D廠年產80噸。
5/33制作PPT的順序1確定好一個模板確定要講解的內容2理順內容的邏輯關系3精雕細琢
4反復講解
5如何制作PPT內容提示
圖表化
·適宜動畫、聲音效果·文字相關
其它
格式要求
3/33
PPT首頁應提供以下信息
1、課題名稱
2、小組成員學號、姓名及其具體貢獻3、匯報人和匯報日期3
為什么PPT如此重要？
學術領域論文
答辯
小組學術
崗位競聘、述職匯報
學術
會議
產品發布和推介領域
商務會談
大型演講、會議論文
開題
等講解
報告
10/33圖表化
生產情況匯總
·A廠年產100噸·B廠年產200噸·C廠年產240噸·D廠年產80噸較好
圖表化
生產情況匯總
公司年產量（噸）
A100
B200
240
D80
好
圖表化
生產情況匯總
12/33圖表化
生產情況匯總
300
250240
200200
年產量
噸150
100100
80
50
0A廠B廠C廠
廠家信息最好
11
圖表化
第一類回火脆性
脆性①不可逆
特征2與回火后冷速無關
③晶界脆斷
產生Fe3C薄膜在晶界形成
原因雜質元素P、S、Bi等偏聚晶界
好
產生晶界強度
原因FeC
元PS，Bi
12
表格的處理
各個公司的年產量
公司年產量（噸）
A100
難以
14/33表格的處理
各個公司的年產量
公司年產量（噸）
A100
難以
B200
讀取
C240
D80
E70
F300
G40
各個公司的年產量
公司年產量（噸）
A100
B200
C240
容易
D80
讀取
E70
F300
G40
13
顏色種類
材料科學與工程是非常重要的學科14
顏色反差
以染色底為側
備注的妙用
P::11.3
Xv:0.077
Yv:0.670Prs: 1.03Size: 179.5
21/33小結
MSE
---T-m-N--0---N-m-y----m-m1
合金在熱擠壓過程中發生了動態再結晶且三元合
金優于二元合金
2板材的織構
典型的＜2
土織構
合金再結晶修改后的效果只構的演變起了
3重要作用
4稀土溶質元素的溶質拖拽作用也能夠產生對合金
織構的弱化作用備注區
chol of MatealsZhizhong Yuan
Sence Enginering
（1）顯微組織分析表明擠壓合金顯示了再結晶的顯微組織，說明合金在熱擠壓過程中發生了動態再結品，三元合金的再結品情況要優于二元合金，
（2）擠壓板材的織構分析顯示，在合金擠壓方向的極圖中，沒有呈現出傳統的＜1010＞/ED的絲織構。而是呈現出一定角度的偏轉，由＜1010＞方向朝向＜0001＞方向偏轉。出現了典型的＜2-1-11＞稀土織構
（3）對Mg-1Gd-1Nd三元合金的EBSD分析顯示，在兩合金的kikuch取向差角分布圖中，均出現了明顯的30角的峰值，說明合金再結晶品粒長大過程對合金織構的演變起了重要作用。同時稀土溶質元素在合金變形加工過程中所起到的溶質拖拽作用也能夠產生對合金織構的弱化作用
國）備注
批注
＋
60％E
19
研究背景及選題意義
激光材料
隨著激光器功率的不斷提高，人陶瓷
單晶
玻璃
們對激光材料提出更高的要求大尺寸
可
否
可
熱導率高
高
低
高摻雜可
否
可
高抗熱制備周期
短
長
短
震性抗熱震性
高
高
低
高摻雜激光
大尺寸
材料綜合比較陶瓷，單晶，玻璃性能可得，陶
高熱導瓷是更符合高功率激光器發展的激光材料
率
18/33大段文字處理
小結好
1合金在熱擠壓過程中發生了動態再結晶且三元合
金優于二元合金
2板材的織構出現了典型的＜2-1-11＞稀土織構
3合金再結晶晶粒長大過
程對合金織構的演變起了
重要作用
稀土溶質元素的溶質拖拽作用也能夠產生對合金
4織構的弱化作用
17
備注的妙用如何制作與講解ppt報告［兼容模式］-PowerPoint
←←將大段詳細文字放入備注區
信息
新建從而可以方便背誦練習
份數：1
打開打印
保存
另存為打印機
①
小結
打印Canon MP280 series Prin..
脫機合金在熱擠壓過程中發生了動態再結晶且三元合
共享金優于二元合金
打印機屬性2
板材的織構土織構
導出設置
3
合金再結品修改后的效果構的演變起了
重要作用
關閉打印全部幻燈片
稀土溶質元素的溶質拖拽作用也能夠產生對合金
打印整個演示文稿織構的化作用
帳戶燈片
選項備注頁
（1）顯微組織分析表明擠壓會金顯示了再結品的顯微組織，說明合金在熱擠壓
打印帶備注的幻燈片過程中發生了動態再結品，三元合金的再結品情況要優于二元合金。
單面打印（2）擠壓板材的織構分析顯示，在合金擠壓方向的極圖中，沒有呈現出傳統的
只打印一側的頁面＜1010＞/ED的絲織構。而是呈現出一定角度的偏轉，由＜1010＞方向朝向＜000D＞
調方向偏轉，出現了典型的＜2-1-11＞稀土織構，
1.2312.312.33）對Mg-1Gd-1d三元合金的EBSD分析顯示，在兩合金的kuchi取向差
分布圖中，均出現了明顯的30角的峰值，說明合金再結晶品粒長大過程對合
縱向金織構的演變起了重要作用，同時土溶質元素在合金變形加工過程中所起到
的溶質拖拽作用也能夠產生對合金織構的弱化作用
打印時選擇頁眉和頁腳
＂備注頁＂68
68共167頁18
16/33顏色反差
金屬材料工程金屬材料工程
金屬材料工程
顏色反差好顏好
最清晰最清晰
不要被電腦屏幕的絢麗色
彩和良好反差所迷惑15
大段文字處理
小結
1.顯微組織分析表明擠壓合金顯示了再結晶的顯微組織，說明合金在熱擠壓過程中發生了動態再結晶，三元合金的再結晶情況要優于二元合金。
2.擠壓板材的織構分析顯示，在合金擠壓方向的極圖中，沒有呈現出傳統的＜1010＞/ED的絲織構。而是呈現出一定角度的偏轉，由＜1010＞方向朝向＜0001＞方向偏轉。出現了典型的＜2-1-11＞稀土織構。
3.對Mg-1Gd-1Nd三元合金的EBSD分析顯示，在兩合金的kikuchi取向差角分布圖中，均出現了明顯的30°角的峰值，說明合金再結昌晶粒長大過程對合金織構的演變起了重要作用。同時稀土元合金變形加工過程中所起到的溶質拖拽作用也能夠產生對的弱化作用。
23733橙
汁，而不是
子
PPT最核心目的是讓聽眾理解講授內容炫酷的各種形式是為了目的而服務
最需要下功夫的方面
內容之間的邏輯性
內容的吸引力
講解的效果21
（明確標明PPT結束！！）
謝謝大家
請提出寶貴意見！
http:/210.34.85.102/v3/common.html夜外
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27/33b
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狀態
最后檢測時間
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年及以后的新論文scihub基本都沒有（搜索結果為空白），請前往科研通】求助。25
循序漸進
中文英文
綜述技術
經典最新
33733
學作業匯報主題
NO.5:超材料研發及其應用相關.
NO.6:形狀記憶合金研發及其應用相關NO.7:柔性超薄玻璃材料研發及其應用相關NO.8:氣凝膠材料研發及其應用相關.
NO.9:金屬玻璃（非晶金屬、液態金屬）研發及其應用相關…31
小組研學作業匯報主題
NO.10:高熵合金研發及其應用相關
NO.11:自修復材料研發及其應用相關
NO.12:混合基質膜研發及其應用相關NO.13:超疏水材料研發及其應用相關.
NO.14:先進壓電材料研發及其應用相
關32
幾點補充說明：
小組研學作業匯報內容可以不限于上述擬定的14個研學課題方向
獻資料參考者錄格式
32/物［序號］主要責任者.文獻題名［J刊名，出版年份，卷號（期號）：起止頁碼
［1］袁慶龍，候文義.Ni-P合金鍍層組織形貌及顯微硬度研究［J.太原理工大學學報，2001，32（1）：51-53B.專著
［序號］主要責任者.文獻題名［M］.出版地：出版者，出版年：頁碼.
C.網站資源：需注明網址
要體現最近3年的相關文獻資料！
29
小組研學作業匯報主題
NO.1:高溫合金研發及其應用相關（制備方
法、結構、性能、展望）
NO.2:高性能碳纖維研發及其應用相關
NO.3:介紹有關海水淡化材料的前沿研究成
果。
NO.4:準晶材料研發及其應用相關（定義、制備方法、結構、性能、展望）
可配以和主題相關的短視頻、圖例或動畫的
實例介紹。30
小組研學作業匯報主題
NO.5:超材料研發及其應用相關
NO.6:形狀記憶合金研發及其應用相關
品
品
價開九選開27
Web of Science ［v.5.35］
http:/http://apps.webofknowledge.com/UA_GeneralSearch_input.do？product＝UA＆search_mode＝GeneralSearch＆SID＝7FwVh8CP715qk3Q5JLw＆
preferencesSaved＝
選擇數據庫Weof ene心集
作參文獻素高檢
化學結構檢索
標題
檢索
標題
主題檢索文獻名。
時間標題
獻、會議錄與論
近5年作書
的注若
擇版名稱
版名稱
多出版年
Applicats of A
全機構進一步了解
機構擴28
文獻資料參考著錄格式
A.期刊出版物［序號］主要責任者.文獻題名J刊名，出
版年份，卷號（期號）：起止頁碼
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發及具應用相天
33/33氣凝膠材料研發及其應用相關
NO.9：金屬玻璃（非晶金屬、液態金屬）研
發及其應用相關…31
小組研學作業匯報主題
NO.10:高熵合金研發及其應用相關.
NO.11:自修復材料研發及其應用相關
NO.12:混合基質膜研發及其應用相關.
NO.13:超疏水材料研發及其應用相關
NO.14:先進壓電材料研發及其應用相
關32
幾點補充說明：
小組研學作業匯報內容可以不限于上述擬定的14個
研學課題方向。
自選研學主題必須與《材料科學基礎》課程相關學
習內容相關（即涉及新材料設計研發、材料生產加
工材料組成、結構與性能的關聯性分析探討、機理
解析等）
綜述性研學內容應包括背景介紹、研究進展概況、
面臨挑戰和發展趨勢等。
試驗性研究論文（必須是2018年以后研究論文）
的內容應包括研究背景介紹（如研究課題概況、本
研究目的、意義和主要創新點）、實驗方法或工藝
流程簡介、實驗結果分析與討論、主要結論。）
33
P:0/1dX:-0.2dY:5.5Xv:-0.005Yv: 0.457Prs: 1.77 Size: 179.
顆粒變形吸收功
66/67延性顆粒強化
Begin
微裂紋增韌微裂紋的產生將在其周圍產
生壓應力場，如能在主裂紋
（指裂紋的長度超過臨界長
度而進行擴展的裂紋）尖端
Begin附近引入微裂紋，利用其所
形成的壓應力場，可以起到
阻礙主裂紋擴展的作用。
線性效應平均效應，混合定則
相補效應
相抵效應
乘積效應
材料復合效應非線性效應系統效應
誘導效應
復共振效應
合界面效應
阻斷效應，不連續效應，散射和
效吸收效應，感應效應，界面結晶效應、界面化學效應
彌散增強機制
應增強原理顆粒增強機制
與纖維增強機制
界
面機械結合，溶解和浸潤結合
金屬基及陶瓷基反應結合，氧化結合，混合結合
P:0/1dX: 0.0 dY:0.0 Xy: 0.0 Yy:0.0Prs: 1.74 Size: 188.
量63/67偏轉最大偏轉面
R＝12不偏轉裂紋
R＜5（R:晶須長徑比）
圖2-7裂紋遇到晶須時發生偏轉的模型
隨著晶須長徑比的增大，增韌效果增加；
◆當晶須的長徑比一定時，增韌效果隨著晶須含量的增加而
增加。
顆粒增韌氧化鋯發生馬氏體相變
時，伴隨著體積和形狀的
變化，能吸收能量，減緩
Begin裂紋尖端的應力集中，阻
止裂紋擴展，提高陶瓷韌
性。
1170℃2370C
2680℃
單斜相（m）正方相（t）立方相（c）液相（L）
屬于馬氏體相變
約5％的體積相變
顆粒引起裂紋偏轉Begin
P: 0/1 dX: 0.0 dY: 0.0 Xv: 0.0 Yv: 0.0Prs: 3.29 Size: 163.
（2）短纖維和晶須增強復合材料
56/67短纖維增強原理
＞基體變形量大于增強體變
形量，而兩者結合緊密，
于是在界面產生剪應力。
＞剪應力將承受載荷合理分
短纖維埋入基體受力前（上圖）和
受力后（下圖）的變形示意圖攤在纖維和基體上，纖維
所受拉應力比基體更大，
起到增強作用。
晶須增強體
晶須定義：是在人工控制條件下，以單晶形式生長
成的一種纖維，直徑一般為幾微米（或納米級），
長幾十微米，是一種近無缺陷的理想完整晶體。
◆由于晶須的直徑非常小，所以不適合容納在大晶體中常出
現的缺陷，因而強度接近于完整晶體的理論值。作為一種
新型增強材料近年來倍受青睞。
◆晶須自1948年美國貝爾電話公司的科學家首次發現晶須以
來，迄今為止已發了上百種晶須。從大的方面來看，晶須
分為陶瓷晶須和金屬晶須兩類，用作增強材料的主要是陶
瓷晶須。4、增強原理
纖維增強復合材料的機理：
1、增強纖維因直徑較小，產生裂紋的幾率降低。
2、纖維的表面受到基體的保護，不易在承載中
產生裂紋，增大承載力。
3、基體能阻止纖維的裂紋擴展。
P:0/1dX:0.0dY:0.0Xv: 0.0 Yv: 0.0Prs: 2.98 Size: 155.0
58/674、增強原理
纖維增強復合材料的機理：
1、增強纖維因直徑較小，產生裂紋的幾率降低。2、纖維的表面受到基體的保護，不易在承載中產生裂紋，增大承載力。
3、基體能阻止纖維的裂紋擴展。
4、基體對纖維的粘結作用、基體與纖維之間的摩擦力，使得材料的強度大大提高。
4、增強原理
陶瓷基復合材料增強相是具有強結合鍵纖維
阻止裂紋的產生，使脆性降低。
高分子基復合材料中纖維增強相有效阻止基
體分子鏈的運動；
金屬基復合材料中纖維增強相有效阻止位錯
運動而強化基體。
4、增強原理
增強體起到強化基體作用必要條
件：
A、強度和彈性模量高
B、與基體之間有良好的相容性
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、膨脹系數相匹配
材料的斷裂，是由裂紋擴展引起的59
纖維增韌裂紋擴展方向
外應力纖維
纖維拔出機理增韌的原理是：
長纖維（連續纖維）強化1）纖維在拔出過程中與基體的
摩擦做功一一拔出功；
Begin2）拔出功又隨著纖維的體積分
數、界面剪切力和纖維半徑的的
增大而增大
晶須引起裂紋偏轉
P:0/1dX: 0.0dY: 0.0Xv: 0.0 Yv: 0.0Prs: 3.29 Size: 155.4.254強型復合材料cu＝mr＋m＝（1-
）o fu
（1）連續纖維增強原理
單向連續纖維復合材料在纖維方向的
強度為：0
mu
acu＝fuPf＋om＊（1-f）
式中u為纖維抗拉強度；m＊為纖維斷0＊
m
裂時的基體應力；為復合材料沿纖0中
維方向的抗拉強度。fer
1
由于纖維是復合材料的主要承載者臨界纖維體積分
因此可以用基體屈服強度mu來近似代數：基體真正得到
替0m＊。增強時所應該加入
的纖維的最小體積
分數。
復合材料的目的是為了增強fer ＝ （mu-om＊） / （fu-om＊）
基體，要求0cu≥0mu
（2）短纖維和晶須增強復合材料
短纖維和晶須增強的成本低，各向異性較小，所增強復合材料的強度可大致表示為：
ocu＝（1-Lc/2L）ofuPf＋om＊（1-Pf）
L為纖維臨界長度（因拉長而斷裂時的增長度）；L為纖維長度。臨界體積分數的導出過程與連續纖維復合材料相似，即：
Pfer ＝ （amu-am＊） （af-om＊）
短纖維和晶須增強復合
材料的臨界體積分數高
于連續纖維復合材料。由于0f＜0fu
（2）短纖維和晶須增強復合材料
短纖維增強原理
＞基體變形量大于增強體變
形量，而兩者結合緊密，
于是在界面產生剪應力。
P: 0/1 dX: 0.0 dY: 0.0 Xv: 0.0Yv:0.0
Prs: 3.17 Size: 155.0
4.2.2彌散強化復合材料
52/67
顆粒尺寸在0.01～1μm稱為彌散強化復合材料。
彌散增強主要針對金屬基，彌散分布的硬質顆粒如
Al2O3，TiC，SiC等可有效阻止位錯運動，顯著提高金屬
及合金的強度。
為了保證彌散增強效果，增強體應該堅硬、穩定且不
與基體產生化學反應，同時顆粒尺寸、形狀和體積分
數及結合情況都應合理。
根據位錯繞過機制，彌散增強體的顆粒間距應在
0.01μm～0.3μm之間。
在制造聲、光、電、磁等復合功能材料時，第二相粒
子尺寸必須小于其工作波長。
4.2.3纖維增強型復合材料
（1）連續纖維增強原理
若纖維在基體中呈單向均勻排列，則沿纖維方向，復合
材料的各項性能可用混合定則：Pc＝Pff＋Pmm
在制造復合材料時，難免出現一些不理想情況，為了更
準確計算纖維方向的彈性模量，混合定則可改寫為：
Ec＝k（Eff＋Emm）；k取值0.9～1.0之間。
如果外載荷垂直于單向連續纖維復合材料的纖維方向，
可導出垂直于纖維方向彈性模量的計算式：
1/Ec＝P/E＋m/Em
4.2.3纖維增強型復合材料cu＝
fi
r＋m＊（1-
中）fu
（1）連續纖維增強原理
單向連續纖維復合材料在纖維方向的
強度為：0
acu＝ofupftom＊（1-f）
式中fu為纖維抗拉強度；am＊為纖維斷O_
m
裂時的基體應力；cu為復合材料沿纖0中
fer1
維方向的抗拉強度。
由于纖維是復合材料的主要承載者，臨界纖維體積分
因此可以用基休屈服強度來近似代數：基體真正得到
P:0/1dX: 0.0dY: 0.0Xv: 0.0 Yv:0.0Prs: 3.77 Size: 171.5
42
增強原理
49/67
基體和界面共同作用可改變復合材料的韌性、抗
疲勞性、抗蠕變性、抗沖擊性和其他性能。
＞基體和增強體通過界面結合，但結合力應適當，過小容易
開裂，過大則使韌性下降。
＞陶瓷基復合的主要目的是增韌補強，而金屬基和樹脂基的
復合作用是增強補韌。
＞按增強體種類和形態可將復合材料分為彌散增強型、粒子
增強型和纖維增強型三類。選材方便，成
4.2.1顆粒增強復合材料本低，易于批
量生產。
增強顆粒尺寸為1～50μm的稱為顆粒增強復合材料
顆粒（粒子）增強復合材料的性能與增強體和基體
的比例有關，某些性能只取決于各組成物質的相對數
量和性能。
復合材料的密度由混合定則表述：
?Pc＝Ppp＋Pmm
式中：PcPpPm分別表示復合材料，粒子和基體的密
度；PpPm分別表示復合材料中粒子和基體的體積分
數。
顆粒增強體三種增韌機制
（1）相變增韌和微裂紋增韌：當材料受到破壞應力時，裂紋
尖端處的顆粒發生顯著的物理變化，如晶形轉變，體積改
變、微裂紋產生與增殖等，它們均能消耗能量，從而提高
了復合材料的韌性。
（2）顆粒使裂紋擴展路徑發生改變，如裂紋偏轉、彎曲、
分叉、裂紋橋接或裂紋釘扎等，從而產生增韌效果。
（3）以上兩種機制同時發生，此時稱為混合增韌。
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關鍵！！！
有大量的玻纖從基體
中拔出，證明與基體
的粘接性較差，因而
體系的力學性能不
高。
結合較差：未加相容劑的玻纖增強體系。怎樣通過控制界面特征對材料性能產生作用？A、改變增強材料表面性質。（增強體表面改性）B、向基體內添加特定的元素。（基體改性）
P: 0/1dX: 0.0dY: 0.0Xv:0.0Yv:0.0Prs: 2.71 Size: 147.0
怎樣通過控制界面特征對材料性能產生作用？44/67
A、改變增強材料表面性質。（增強體表面改性）B、向基體內添加特定的元素。（基體改性）
C、在增強材料的表面施加涂層。（降低界面殘余應力）表面改性前
表面改性后
加入相容劑的玻纖增
強體系中，玻璃纖維
與基體的結合較好
纖維拔出較少。
結合力較好
3.2復合材料的界面效應
（1）傳遞效應：將復合材料體系中基體承受的外力傳遞給增強相，起到基體和增強相之間的橋梁作用。
（2）阻斷效應：有阻止裂紋擴展、減緩應力集中的作用。（3）不連續效應：在界面上產生物理性能的不連續性和界面摩擦出現的現象。
（4）散射和吸收效應：光波、聲波、熱彈性波、沖擊波等在界面產生散射和吸收，如透光性、隔熱性、隔音性、耐機械沖擊性等。
（5）誘導效應：一種物質（通常是增強劑）的表面結構使另一種與之接觸的物質（通常是聚合物基體）的結構由于誘作用而發生變中此生一些現免加強性低
P: 0/1 dX: 0.0 dY: 0.0 Xv: 0.0Yv: 0.0
Prs: 1.46 Size: 163.
3.2復合材料的界面效應
46/67
（1）傳遞效應：將復合材料體系中基體承受的外力傳遞給
增強相，起到基體和增強相之間的橋梁作用。
（2）阻斷效應：有阻止裂紋擴展、減緩應力集中的作用。
（3）不連續效應：在界面上產生物理性能的不連續性和界
面摩擦出現的現象。
（4）散射和吸收效應：光波、聲波、熱彈性波、沖擊波等
在界面產生散射和吸收，如透光性、隔熱性、隔音性、耐機
械沖擊性等。
（5）誘導效應：一種物質（通常是增強劑）的表面結構使
另一種與之接觸的物質（通常是聚合物基體）的結構由于誘
導作用而發生改變，由此產生一些現象，如強彈性、低膨脹
性、耐熱性和沖擊性等。★界面效應是任何一種單一材
料所沒有的特性，它對復合材料具
有重要的作用。45
4、增強原理
4.1復合思想
仿生思想：效仿和借鑒動植物結構形式。
綠色材料思想：環保和資源合理利用。
＞充分利用協同效應思想：使材料復合作用大于單獨作
用效果之和。
＞智能材料思想：使復合材料對環境自適應（自修復、
自愈合、自調節等）。
4、增強原理
4.2增強原理
增強體、基體和界面共同作用可改變復合材料的韌性、抗
疲勞性、抗蠕變性、抗沖擊性和其他性能。
＞基體和增強體通過界面結合，但結合力應適當，過小容易
開裂，過大則使韌性下降。
＞陶瓷基復合的主要目的是增韌補強，而金屬基和樹脂基的
復合作用是增強補韌。
＞按增強體種類和形態可將復合材料分為彌散增強型、粒子
P:0/1dX:0.0dY:0.0XV:00Prs: 3.46 Size: 163.
化學鍵理論（樹脂基復合
材料0.0
39/67
在復合材料組分之間發生化學作用，在界面上形成價鍵結合。
口一般情況下結合強度隨反HO
應程度增加而增加，達到
一定程度后有所減弱。增強體
OSi-R高聚物
-OH…OH
E、界面反應或界面擴散理論（金屬基和陶瓷基復合材料）在復合材料組分之間發生原子或分子間的擴散或反應，從而形成反應結合或擴散（互熔）結合。如硼纖維增強鈦合金在界面處生成TiB2；Ni-W、Ni-C互
熔。界
固熔體
金屬化合物
MF
金屬
住F
纖維
纖維
金屬
界面反應結合或擴散結合示意圖
3、復合材料的界面
·界面結合較差的復合材料大多呈剪切破壞，且在材料的斷面可觀察到脫粘、纖維拔出、纖維應力松弛等現象。
·界面結合過強的復合材料則呈脆性斷裂，也降低了復合材料的整體性能。
·界面最佳態的衡量是當受力發生開裂時，裂紋能轉化為區域化而不進一步界面脫粘；即這時的復合材料具有最大斷裂能和一定的韌性。
P:0/1dX: 0.0dY:0.0Xv:0.0Yv: 0.0Prs: 1.19 Size: 171.5B
論
37/67
當兩個表面相互接觸后，僅由粗糙表面和因基體收縮包緊增強體產生的磨擦結合。復合不充分時發生此類結合，承載力小。
盡管表面積隨著粗糙度增大而增大，但其中有相當多的孔穴，粘稠的液體是無法流入的。無法流入液體的孔不僅造成界面脫粘的缺陷，而且也形成了應力集中點。
C、靜電理論
當復合材料不同組分表面帶有異性電荷時，將發生靜電吸引。僅在原子尺度量級內靜電作用力才有效。
表面靜電吸引結合示意圖
D、化學鍵理論（樹脂基復合材料）
在復合材料組分之間發生化學作用，在界面上形成價鍵結合。
口一般情況下結合強度隨反HO
應程度增加而增加，達到
寧程庭丘右樂配-o
Si
R高聚物
P:0在X:0.0播Y:0即0回Prs: 1.61 Size: 188.陶瓷時，則會有電信號輸出，通過數據處理時間差測距報警，
可確無誤地探測汽車尾部及駕車者視角盲區的微小障礙物，實用性相當強。3、復合材料的界面
界面是基體與增強體之間化學成分有顯著變化但
彼此結合的、能傳遞載荷作用的過渡區域
（1～102nm）。
結構和性能不同與組分材料中的任意一個，簡稱
為界面相或界面層。
由于增強體細小，界面層面積比例很大，其性
質、結構和完整性對復合材料的性能影響極大。
3、復合材料的界面
3.1界面形成理論當增強體表面能很小不能被潤
A、潤濕理論濕時，可借助涂層予以改善。
YLG
YsiYSL
b
浸潤性不能表示界面的粘結性能。一種體系的兩個組元可
能有極好的浸潤性，但它們之間的結合可能很弱，如范德
華物理鍵合。因此潤濕是組分良好粘結的必要條件，并非
充分條件。
B機械作用理
P:0/1dX:0.0dY:0.0Xv: 0.0Yv: 0.0Prs: 1.24 Size: 180.027/672、復合效應
2.1復合效應概念
指復合材料除保持原有組分的性能外，還增添了原有組分所沒有的性能。
源于耦合：不同性質材料之間的相互作用可分為：線性效應、非線性效應、界面效應、尺寸效應和各向異性效應5種。
注：復合效應表現為復合材料的性能在其組分材料基礎上的線性和非線性的綜合。
2.2復合效應的類別
就其產生復合效應的特征分為兩大類：
復合材料的性質與增
強組元（功能組元）
的含量有線性關系。
線性效應
非線性效應
2.2復合效應的類別
復合效應
線性效應非線性效應
平均效應相乘效應
平行效應誘導效應
相補效應共振效應
P:0/1dX:0.0dY:0.0Xv:0.0Yv:0.0Prs:1.52Size: 147.0
32/672
3430
4.非線性效應
可細分為乘積效應、系統效應、誘導效應和共振效應。
乘積效應也稱交叉耦合效應或傳遞特性。
通常可以將一種具有兩種性能相互轉換的功能材料X/Y和另一種換能材料Y/Z復合起來，即可發生相乘效應：X/Y-Y/Z＝X/Z
式中，X、Y、Z分別表示各種物理性能。
電磁效應·磁光效應電光效應31
表9-2復合材料的乘積效應
A相性質X/YB相性質Y/Z
復合后的乘積性質（X/Y）（Y/Z）＝X/Z壓磁效應磁阻效應
壓敏電阻效應
壓磁效應磁電效應
壓電效應
壓電效應場致發光效應
壓力發光效應
磁致伸縮效應壓阻效應
磁阻效應
光導效應電致效應
光致伸縮
閃爍效應光導效應
輻射誘導導電
熱致變形效應壓敏電阻效應熱敏電阻效應
超聲波倒車雷達或倒車聲納系統
原理：鋯鈦酸鉛PZT壓電陶瓷在電能與機械能之間相互轉換的正、逆壓電效應。
◆在壓電陶瓷加一電信號，便產生機械振動而發射超聲波，當超
聲波在空氣傳播途中碰到障礙物立即被反射回來，作用于它的陶瓷時，則會有電信號輸出，通過數據處理時間差測距報警，
P:0/1dX:0.0dY:0.0Xv:0.0Yv:0.0Prs: 2.91 Size: 155.029/67復合效應
非線性效應
平均效應相乘效應
平行效應誘導效應
相補效應共振效應
相抵效應系統效應
28
2.2復合效應的類別
是復合材料所顯
示的最典型的一
種復合效應。
1.平均效應：
平均效應也稱加和效應，由混合定則表述：◆Pc＝（Pi）nuPi（9-1）
◆指復合材料的某一性能p由單一組分的同一性能p加和而得；φ為體積分數；n是由實驗確定的常數（-1sns1）。29
2.2復合效應的類別
2.平行效應：即組成復合材料的各組分在復合材料中，均保留本身的作用，既無制約也無補償。
對于增強體（如纖維）與基體界面結合很弱的復合材料所顯示的復合效應，可以看作是平行效應。
3.相補（協同）效應和相抵（不協同）效應
AB兩種材料有4種組合結果，在研制復合材料時應盡量取優值互補，如圖9-1。A
B
優點缺點優點缺點
P: 0/1dX: 0.0dY: 0.0Xv: 0.0Yv:0.0Prs: 2.82 Size: 155.021/671.4復合材料的特性
比強度＝強度/密度MPa/（g/cm3）
比強度、比模量（剛度）高比模量＝模量/密度
GPa
（g/cm3）
X耐磨性好（MMC、C/C復合材料；
抗疲勞性能好，通常金屬材料的疲勞強度極限/拉伸強度
＝30-50％，而CFRP的疲勞強度極限/拉伸強度＝70-80％；
抗沖擊能力強（如：RMC）；
高溫性能好（如：MMC可達1400C、C/C復合材料可達2800℃）良好尺寸穩定性：改變增強體含量可調整復合材料的熱膨脹系數良好的化學穩定性、功能性和成型性（可一次成型或整體成
型）。
a抗疲勞性能：材料在交變載荷作用下，由于內部裂紋的形成和擴展而導致的低應力破壞的抵抗性能。疲勞破壞由里向外發展，無預兆。
破壞安全性好：纖維復合材料中有大量獨立纖維，當構件超載使少量纖維斷裂時，載荷會迅速重新分配到未斷裂纖維上，構件不至于在短期內破壞。22
1.5影響復合材料性能的主要因素
增強材料的性能；
基體材料的性能；
含量及其分布狀況；
界面結合情況；
成型工藝和結構設計。
P:0/1dX:0.0dY:0.0Xv:0.0Yv:0.0Prs: 3.48 Size: 171.引19/67通性”概念，理論上可將復合材料結構劃分為0-3型、1-3型2-2型、2-3型、3-3型等幾種典型結構
0-3型1-3型
2-2型
6888888
2-3型3-3型
1.4復合材料的特性
復合材料最顯著的特性是其性能（主要指力學性
能、物理性能和工藝性能）在一定范圍內具有可設計性。選擇基體、增強體的類型及其含量：
增強體在基體中的排列方式
基體與增強體之間的界面性能。
獲得常規材料難以提供的某一性能或綜合性能
1.4復合材料的特性
比強度＝強度/密度MPa/（g/cm3）
比強度、比模量（剛度）高比模量＝模量/密度
GPa/（g/cm3）
耐磨性好（MMC、C/C復合材料）；
抗疲勞性能好，通常金屬材料的疲勞強度極限/拉伸強度
＝30-50％，而CFRP的疲勞強度極限/拉伸強度＝70-80％；
抗沖擊能力強（如：RMC）；
X高溫性能好（如：MMC可達1400C、C/C復合材料可達2800℃）良好尺寸穩定性：改變增強體含量可調整復合材料的熱膨脹系數良好的化學穩定性、功能性和成型性（可一次成型或整體成
P:0/1dX:0.0dY:0.0Xv: 0.0Yv: 0.0Prs: 3.26 Size: 163.
24/67復合材料結構設計方法
設計條件選材
·結構性能要求·基體材料
成型方法、工
·載荷情況●增強體材料
藝以及工藝過
·環境條件程優化的設計
●幾何形狀
·結構的可靠性與經濟性
損傷及破壞分析復合材料的響應
代表性單元的性能考察
·強度準則·細觀力學方法
●
應力場、溫度場等●
·損傷機理有限元方法
·設計變量的優化●
·破壞過程實驗力學方法
交流·討論預測
復合材料性能
基體材料增強體材料
金屬C
強度高，抗沖擊，絕緣性好，耐熱
溫度低物300℃
陶瓷Sic
耐高溫，強度高，導電性好，導
熱性好
耐1600℃以上的高溫，強度高，
合成樹脂AI2O3
密度小
2、復合效應
2.1復合效應概念
指復合材料除保持原有組分的性能外，還增
添了原有組分所沒有的性能。
源于耦合：不同性質材料之間的相互作用
P:0/1dX: 0.0dY: 0.0 Xv: 0.0Yv: 0.0Prs: 3.05Size: 155.0
飛船降：航天員返回的安全保障
載人飛船返回艙用的降落傘是利用氣動阻力減速，傘
衣和傘繩使用的材料都是經過了精挑細選，不僅舉重
若輕，且更安全可靠。
科研人員們精心挑選了高強度芳綸纖維來制作傘布和
傘繩，讓它薄如蟬翼卻異常結實。每根降落傘的傘繩
的直徑只有幾mm，卻能承受數十公斤的拉力。返回艙的降落傘不僅要輕薄兼顧，而且還要經過特殊
的耐熱處理，可以承受400攝氏度的高溫，防止返回
艙與大氣層摩擦產生的熱燒壞降落傘。
增強材料形狀增強相形狀示意圖
顆粒增強
層壓復合材料00
復合材料長纖維
增強定向排布
纖維增強復合材料短纖維
混亂排布
增強取向性排布
引入相的“連通性”概念，理論上可將復合材料結構劃分
為
0-3型、1-3型2-2型、2-3型、3-3型等幾種典型結構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增強體的性能要求：
增強體應具有能明顯提高基體某種所需特
性的性能，如高的強度、高導熱性、耐熱
性、導電性
增強體應具有良好的化學穩定性。
增強體與基體有良好的潤濕性，或通過表
面處理能與基體良好潤濕性。
增強體性能參數
生產廠家商品名及牌號直徑密度抗拉強度彈性模量
umg/cm3MPaGPa
E玻璃纖維9～15
2.6323272
日本東麗T300碳纖維7
1.763500230
日本東麗T一1000碳纖維51.827060294
日本東麗M60J碳纖維5
1943820588
3M公司Nextel480A12O3纖維10-123.052275224
日本碳（株）Nicalon SiC10～152.552450-2940167-176
美AVCOSCS-6SiC纖維1403＞4000400
法SNPEB4C涂復鎢芯硼纖維1402.53700400
美Kevlar49芳綸纖維121.44176062
（原）蘇聯APMOC芳纖維1.43
5000150
W絲13
19.44020407
鋼絲13
7.744120193
β-siC晶須0.1～13.85～70000＞6000
美杜邦公司a-A12O3晶須203.95379
芳綸（凱夫拉纖維）
玻璃纖維纖維氈
紗）高強度強拉力
P:0/1dX:0.0dY:0.0Xv:0.0Yv:0.0Prs: 1.35 Size: 171.5
芳綸（凱夫拉纖維）
玻璃纖維纖維氈
紗）高強度強拉力
碳纖維紗（含碳防彈衣材料耐溫300度
于99％的稱石墨纖
維）全碳纖維改裝版保時捷911TurboS車身
飛船降落傘：航天員返回的安全保障
直擊神十二返回艙主降落傘打開過程引導傘、減速傘、主傘依次打開
飛船降落傘：航天員返回的安全保障
載人飛船返回艙用的降落傘是利用氣動阻力減速，傘衣和傘繩使用的材料都是經過了精挑細選，不僅舉重若輕，且更安全可靠。
科研人員們精心挑選了高強度芳綸纖維來制作傘布和傘繩，讓它薄如蟬翼卻異常結實。每根降落傘的傘繩的直徑只有幾mm，卻能承受數十公斤的拉力。
L
P:0/1dX:0.0dY: 0.0 Xv: 0.0 Yv: 0.0Prs: 2.79 Size: 155.
基體①將增強材料粘合成整體并使增強材料的位置固定。
Matlix強材料間傳遞載荷，并使載荷均勻，自身承受一定載荷。
③保護增強體免受各種損傷。
④很大程度上決定成型工藝方法及工藝參數選擇。
⑤決定部分性能。
增強體主要承受絕大部分載荷、增強、增韌
Reinforcement賦予一定功能·傳遞效應
·阻斷效應
界面復合材料產生組合力學及其它性能·不連續效應
Interface復合效應產生的根源。·散射和吸收效應
·誘導效應
1.3復合材料的分類和命名
聚合物基復合材料：樹脂基、橡膠基等
基體種類金屬基復合材料：鋁基、鎳基、鈦基、鎂基等
無機非金屬基復合材料：陶瓷基、水泥基、碳基等
聚脂樹脂飛機、汽車、
樹脂基（玻璃鋼）玻璃纖維船舶、建筑
結構金屬
復合金屬基耐熱纖維航空、航天
Al203、SiO2、SiC、..
用途基體陶瓷
陶瓷基增強纖維C、SiC、航空航天
功能功能體換能、導電、導磁
復合基體屏蔽吸波材料
增強纖維隱形飛機
增強體的性能要求：
增強體應具有能明顯提高基體某種所需特
性的性能，如高的強度、高導熱性、耐熱
性、導電性
增強體應具有良好的化學穩定性。
增強體與基體有良好的潤濕性，或通過表
P:0/1dX:0.0dY:0.0Xv:0.0Yv:0.0Prs:3.98Size: 171.5
9/67現代復合材料
數千年前
早期復合材料20世紀70年代
20世紀40年代20世紀50/60年代起
第一代現代復合材料碳纖維、硼纖金屬基、陶瓷
維、碳纖維增基、混雜復合
強樹脂等材料、功能復
稻草強化土坯，合材料，梯
混凝土，度、機敏等
玻璃纖維增強材
竹制品等料（玻璃鋼）
第二代現代復合材料
GERP第三代現代復合材料
基體：合成材料
基體：天然材料1.3復合材料的組成
INTERPHASE
（BONDING AGENT
界面相基體
MATRIX
FIBER纖維增強體
各部分的作用？INTERFACE
界面
復合材料結構示意圖
基體①將增強材料粘合成整體并使增強材料的位置固定。
Matrix②增強材料間傳遞載荷，并使載荷均勻，自身承受一定載荷。③保護增強體免受各種損傷。
④很大程度上決定成型工藝方法及工藝參數選擇。
⑤決定部分性能。
增強體主要承受絕大部分載荷、增強、增韌
Reinforcement賦予一定功能·傳遞效應
阻斷效應
P:0/1dX: 0.0dY: 0.0 Xv: 0.0 Yv: 0.0Prs: 3.49 Size: 163.
7/6復合材料
近代復合材料的發展主要從軍事上輕質、高性能需求發展起來的。
纖維增強橡膠：輪胎是以簾子線增強橡膠復合材料：玻璃鋼：1932年在美國出現。1940年制成了玻璃纖維增強聚酯（GFRP）的軍用飛機雷達罩，其后萊特空軍發展中心設計制造了GFRP為機身和機翼的飛機。隨后迅速擴展到民用材料。
現代復合材料（1970～至今）
復合材料
生產生活中常航空、航天領域中
用的復合材料的復合材料
玻璃纖維增強樹脂基復合材料纖維增強金屬基復合材料
碳纖維增強樹脂基復合材料纖維增強陶瓷基復合材料
主承力件上。VWW.CFRP.COM.C
1980～1990年，纖維增強金屬基復合材料和陶瓷基復合材料得到廣泛研究和發展，用于航天飛行器。
現代復合材料
數千年前
早期復合材料20世紀70年代
20世紀40年代20世紀50/60年代起
第一代現代復合材料碳纖維、硼纖
金屬基、陶瓷
維、碳纖維增基、混雜復合
強樹脂等材料、功能復
稻草強化土坯，合材料，梯
混凝土，度、機敏等
玻璃纖維增強材
竹制品等料（玻璃鋼）
第二代現代復合材料
P:0/1dX: 0.0 dY: 0.0 Xv: 0.0 Yv: 0.0
Prs: 2.78
Size: 155.0
4/67
由葡萄糖以β-1，4糖苷鍵連接成的高分子化合物，
被木質素與半纖維素交聯包裹形成了致密的木質纖維結
構OH
OH
OH
組成木質素的三種單體
植物粗纖維
植物細胞微纖維
細胞壁木質素
木質素
半纖維素10-20納米
木糖
其他糖類纖維素
葡萄糖
中國古建筑千年不倒的秘密：糯米砂漿◆石灰、黏土、沙子--“三
合土＂
◆將糯米熬成湯作為有機粘
結劑，摻和到砂漿中制成
的糯米灰漿具有耐久性
好、自身強度和黏結強度
高、韌性強、防滲性好等
特點。
近代復合材料
近代復合材料的發展主要從軍事上輕質、高性能需
求發展起來的。
纖維增強橡膠：輪胎是以簾子線增強橡膠復合材料：
P:0/1dX: 0.0 dY: 0.0 Xv: 0.0 Yv: 0.0
Prs: 1.78 Size: 147.0
1.2復合材料發展概況
3/67
古代-近代-先進復合材料
天然復合材料1＋1＞2
一木材：纖維素和木質素的復合體
一動物骨骼和牙齒：無機磷酸鹽和蛋白質膠原復合而成
·古代：使用、效仿
一半坡人：草梗合泥筑墻，且延用至今
一漆器：麻纖維和生漆復合而成，至今已四千多年
◆復合思想的產生：單一材料無法滿足人們
對結構性能的要求。
木質部細胞壁木質纖維素結構示意圖
木質素-半纖維素木質素
陣列半纖維素
←纖維素
纖維素是由葡萄糖以β-1，4糖苷鍵連接成的高分子化合物
被木質素與半纖維素交聯包裹形成了致密的木質纖維結
構。OH
OH
OH
OH組成木質素的三種單體
植物粗纖維
植物細胞
一起編輯
P:0/1dX:0.0dY:0.0Xv:0.0Yv:0.0Prs: 3.02 Size: 163.
第九章復合效應與界面
了解復合材料的定義、種類及性
能特點，掌握復合理論（復合效應和
增強原理）、界面理論。
1、概述
1.1復材料定義composite materials；composites
ISO定義：由兩種或兩種以上物理和化學性質不同的物
質通過復合工藝制成的新型多相固體材料。通常由基體、增強體及兩者的界面組成。三個要點：
（1）材料組元——兩種或以上不同組元具有可設計性
（2）制備工藝——不是簡單的混合
（3）新型材料——具有原組元所不具備的新性能
1.2復合材料發展概況
古代-近代-先進復合材料
天然復合材料1＋1＞2
木材：纖維素和木質素的復合體
一動物骨骼和牙齒：無機磷酸鹽和蛋白質膠原復合而成
古代：使用、效仿
一半坡人：草梗合泥筑墻，且延用至今
一漆器：麻纖維和生漆復合而成，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.設有一條直徑為3cm的厚壁管道，被厚度為0.001cm的鐵膜隔開，通過輸
2以保持在膜片一邊氮氣濃度為1000mol/m3；膜片另一邊氮氣濃度為
mol/m3.若氮在鐵中700℃時的擴散系數為4×107cm2/s，試計算通過
鐵膜片的氮原子總數
解：設鐵膜片左右兩邊的氮氣濃度分別為c1，c2，則鐵膜片處濃度梯
度為c Acc-c100-1000
x A Ar 1x10-＝-9.0x107mol/m4
根據擴散第一定律計算出氮氣擴散通量為：
J＝-D＝-4×10-×（102）2×（-9.0×10）＝3.6×103mol/（m2）
于是，單位時間通過鐵膜片的氮氣量為
J×A＝3.6×103x×（3×102）2＝2.54×102mol/s
最終得到單位時間通過鐵膜片的氮原子總數為
N＝（J×A）×N＝2.54×10×6.02×1023×2＝3.06×1018s-1
4.用限定源方法向單晶硅總擴散硼。若t＝0時硅片表面硼總量為
5X1010mol/m3，在1473k時，硼的擴散系數為4X10-m2/s，在硅片表層深度為
8微米處，若要求硼的濃度為3X1010mol/m3，問需進行多少小時的擴散？解：把題目中已知數據代入由限定源擴散公式
可得：
3×1010＝5×101exp（-（8×10-6）2/4×4×10-r）/（3.14×4×10t）12化簡后e/t＝0.001281
解得t＝（1/0.001281）＝609400s≈169.3h
8.為什么鋼鐵零件滲碳溫度一般要選擇y相區中進行？若不在y相區進行會有什么結果？
答：y-Fe相區的溫度較高，碳在y-Fe相區中的擴散速度快，有利于促進
擴散的進行，滲碳可以均勻分布在組織結構中。y-Fe相區中C的溶解度高，最大溶解度為2.11％，滲碳時在表層可獲得較高的碳濃度梯度，使
滲碳順利進行，便于獲得預期的滲碳強化效果。
若在其他低溫相區中進行滲碳，溫度低，原子擴散慢，得到的組織偏析
程度大，會導致材料力學性能較差。例如，若在a-Fe相中滲碳，它的C
的最大溶解度只有0.0218％，對于含碳質量分數大于0.0218％的鋼鐵，滲
碳無法進行。即使是純鐵，在α相區滲碳時鐵中的濃度梯度很小，在表
面也不能獲得高的含碳層。另外，由于溫度低，擴散系數也很小，滲碳
過程極慢，沒有實際意義。
如果在其他高溫相區滲碳，由于溫度過高，組織會發生形核長大而使得
晶粒粗大，達不到強化效果。
P:0/1dX:0.0
dY:0.0
Xv:0.0
Yv:0.0
Prs: 1.91 Size: 147.
第六章作業參考解答
1/2有一70MPa應力作用在fcc晶體的［001］方向上，求作用在（111）［101］和（111）［110］滑移系上的分切應力。
t＝ocoscos
［001］方向與［101］滑移方向的夾角：
cos＝ uu＋uv2＋o0×1＋0×0＋1×（-1）-
2＋2＋2u2＋U2＋2√√1＋1
2
［001］方向與（111）面法線方向夾角：
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］方向的分切應力應為。
［001］方向與［110］滑移方向的夾角：
cosA＝MH1＋002＋002 Ox（-1）＋0x1＋1x0＝（
u2＋2＋c22＋2＋c2I＋1
t＝ocoscos＝0MPa
在（111）面上的［110］方向的分切應力應為0Mpa。
2、鋁的臨界分切應力為0.24MPa，當拉伸軸為［001］時，引起屈服所需要的拉伸應力是多大？解：拉伸應力與滑移系上的分切應力t間的關系為t＝cos cos。
鋁的晶體結構是fcc，滑移系是｛111｝＜110＞。
拉伸軸是［001］時，因它與［110］及［-110］垂直，所以由它組成的滑移系上的分切應力為0，它們不會開動。而［001］軸對其它的滑移系的集合關系是等同的，在它們的分切應力相等。以（111）［011］滑移系為例計算引起屈服所需要的拉伸應力。［001］與滑移面法線［111］夾角中的余弦cos以及［001］與滑移方向［011］夾角）的余弦cos）分別是：
11
cos＝I33cosA＝
11
I22
當臨界分切應力r為0.24MPa時對應的應力a就是屈服應力：
o-a2415x√3×2a＝.915a
3、Zn單晶在拉伸之前的滑移方向與拉伸軸的夾角為45度，拉伸后滑移方向與拉伸軸的夾角為30度，求拉伸后的延伸率。
解：如圖所示，AC和A’C’分別為拉伸前后晶體中兩相鄰滑移面之間的距離。因為拉伸前后滑移面間距不變，即AC＝A＇C
拉伸軸方向拉伸軸方向
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］應力Xv:0.0Yv:0.0
Prs: 2.70 Size: 147.0
2/2
鋁的臨界分切應力為0.24MPa，當拉伸軸為［001］時，引起屈服所需要的拉伸應力是多大？
拉伸應力與滑移系上的分切應力t間的關系為t＝coscos
鋁的晶體結構是fcc，滑移系是｛111｝＜110＞。
拉伸軸是［001］時，因它與［110］及［-110］垂直，所以由它組成的滑移系上的分切應力為0，它們不會開動。而［001］軸對其它的滑移系的集合關系是等同的，在它們的分切應力相等。以（111）［011］滑移系為例計算引起屈服所需要的拉伸應力。［001］與滑移面法線［111］夾角的余弦cos以及［001］與滑移方向［011］夾角的余弦cos）分別是：
11
cos＝cosA＝
11
√I3√3I22
當臨界分切應力r為0.24MPa時對應的應力a就是屈服應力：
＝＝2.4×103×√3×√2Pa＝5.89×103Pa
coscos
3、Zn單晶在拉伸之前的滑移方向與拉伸軸的夾角為45度，拉伸后滑移方向與拉伸軸的夾角為30度，求拉伸后的延伸率。
解：如圖所示，AC和A’C＇分別為拉伸前后晶體中兩相鄰滑移面之間的距離。因為拉伸前后滑移面間距不變，即AC＝A＇C
拉伸軸方向拉伸軸方向
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.已知鋅單晶體的回復激活能為8.37×10J/mol，將冷變形的鋅單晶體在-50C進行回復處理，如去除加工硬化效應的25％需要17d，問若在5min內達到同樣效果，需將溫度提高多少攝氏度？
解根據回復動力學，采用兩個不同溫度將同一冷變形金屬的加工硬化效應回復到同樣程度，回復時間、溫度滿足下述關系：
（（）
整理后得到T2＝1＋Rn2
I.Q t
將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，需將溫度提高AT＝T，-T＝274.7-223＝51.7℃。
6.為細化某純鋁件晶粒，將其冷變形5％后于650℃退火1h，組織反而粗化；增大冷變形量至80％，再于650℃退火1h，仍然得到粗大晶粒。試分析其原因，指出上述工藝不合理處，并制定一種合理的晶粒細化工藝。
答：前者由于將處于臨界變形度下的鋁件進行再結晶退火處理，導致退火時只形成數量很少的再結晶核心，最終晶粒極為粗大。而后種工藝，是由于進行再結晶退火時的溫度選擇不合理（溫度過高）。若按T＝0.4T熔估算，則T再＝100℃，故再結晶退火溫度以不超過200℃為宜。由于采用630℃退火1h，故晶粒仍然粗大。綜上分析，在80％變形量條件下，可采用～150℃退火1h，則可使其晶粒細化。
9.冷拉銅導線在用作架空導線時（要求一定的強度）和電燈花導線（要求韌性好）時，應分別采用什么樣的最終熱處理工藝才合適？
答：前者采用去應力退火（低溫退火）：后者采用再結晶退火（高溫退火）。
O
P:0/1dX:0.0dY:0.0Xv:0.0Yv:0.0Prs: 1.13 Size: 188.0
4.回復、再結晶、晶粒長大和二次再結晶的驅動力
3/4
5.再結晶退火工藝的制定與應用
6.熱加工處理后對材料組織結構和性能的影響
第八章固態相變
一、重要的概念（術語）和知識點
1.固態相變、擴散型相變、無擴散型相變、脫熔轉變、調幅分解、馬氏體相變、Ms點的物理意義。
二、本章重點和難點
1.典型固態相變的特點。
從能量角度闡明相界面特點（共格，非共格，彈性應變能和界面能）；相變的熱力學條件；固態相變的阻力和驅動力，缺陷對形核的貢獻；相變動力學曲線特點（遜-邁爾方程，S曲線、TTT曲線，C曲線）
2.固態相變和液-固相變在形核和長大規律方面的異同點。
相變類型
特點與影響固態相變
液-固相變
對比內容因比體積差而引起的畸變能及新相出現而
形成新相而增加的
形核阻力增加的表面能（相變阻力大）表面能
形核的形狀片狀、針狀球狀
核大部分在缺陷處或晶界上非均勻形核。可
在各種晶體表面非
核的位置能出現亞穩相形成共格、半共格界面，出均勻形核
現取向關系；尚有無核轉變
新相生長受擴散或界面控制（原子遷移率新相生長受溫度和
長大低），以團狀或球狀方式長大；可能獲得
擴散速率的控制，
大的過冷度，導致無擴散相變以枝晶方式長大
3.脫熔轉變與調幅（spinodal）分解在形成析出相時的主要區別。
第九章復合效應與界面
一、重要的概念（術語）和知識點O
P:0/1dX:0.0dY:0.0Xv:0.0Yv:0.0Prs: 2.76 Size: 155.03/4
第九章復合效應與界面
一、重要的概念（術語）和知識點
1.復合材料、復合效應、混合定則、界面及界面效應、纖維增強的臨界體積分數和臨界長度。
二、本章重點和難點
1.理解線性效應、非線性效應及界面效應。
2.彌散增強、粒子增強和纖維增強機制。
3.界面結合的類型及改善途徑。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.
材料科學基礎2復習綱要（2022.11.17）
第五章材料中的擴散
一、重要的概念（術語）和知識點
1.擴散的方程（菲克第一、二定律）、穩態、非穩態擴散、擴散通量2.空位和間隙擴散機制
3.擴散的驅動力
4.自擴散、互（異）擴散；上坡擴散；反應擴散；短路擴散
5.Kirkendall效應、擴散激活能
7.擴散系數、影響擴散的因素
二、本章重點和難點
（1）擴散定律及其應用：如滲碳過程；
（2）擴散的微觀機理，影響擴散的因素；
第六章塑性變形
一、重要的概念（術語）和知識點
1.彈性變形、塑性變形、材料應力-應變曲線所對應的強度指標；
2.塑性變形的實質、方式-一滑移、孿生（異同點）；
3.滑移帶、滑移線、滑移系、多滑移、交滑移；
4.軟（硬）位向，臨界分切應力
5.固溶強化、細晶（晶界）強化、彌散（沉淀）強化、形變強化（加工硬化）、應變時效、呂德斯帶、霍爾-佩奇齊公式
6.纖維組織、形變織構、帶狀組織、殘余應力、去應力退火
通過QQ瀏覽器或騰訊文檔可使用以下功能
一起編輯
P:0/1dX:0.0dY:0.0Xv:0.0Yv:0.0Prs: 3.16 Size: 155.02/4
點和難點
1.位錯理論在解釋各類塑性變形等問題的應用。如各種強化機理（如：固溶強化、細晶（晶界）強化、彌散（沉淀）強化、形變強化（加工硬化）等
2.滑移的臨界分切應力定律
t:在滑移面上沿滑移方面開始滑移的最小分切應力。
tc取決于金屬的本性，不受j，的影響；
te＝sscosjcoslss的取值
jl＝90°時，ss￥；
j，l＝45°時，s最小，晶體易滑移；
取向因子：cosjcosl軟取向：值大；
硬取向：值小。
3.多晶材料塑性變形的特點
4.冷塑性變形對材料組織和性能的影響
5.聚合物和陶瓷材料塑性變形的主要特點
第七章回復與與結晶
一、重要的概念（術語）和知識點
1.回復（低、中、高溫）、再結晶（動、靜態的），晶粒長大；
2.再結晶溫度及影響因素、臨界變形度、二次再結晶。
3.熱變形（熱加工）、超塑性
二、本章重點和難點
1.冷變形金屬在加熱時的變化
2.回復：機制，熱力學，動力學，應用，影響因素；
3.再結晶：機制，熱力學，動力學，應用，影響因素；
4.回復、再結晶、晶粒長大和二次再結晶的驅動力
5.再結晶退火工藝的制定與應用
又稱半擦膠，通常用三輥壓延機加工，操作方法與貼膠相同，只是膠布表面的的附膠層厚度比貼膠法的稍低，
對操作技術要求較高。擦膠，是利用壓延機輥筒速比的搓擦擠壓作用增加膠料對織物滲透與結合力的掛膠方法，適用于未經浸漬處理的結構緊密型紡織物。
26.什么叫擠出口型膨脹？其產生的原因何在？主要影響因素有哪些？為了減輕口型膨脹可采用的措施有哪些？
答：所謂擠出口型膨脹，指壓出后膠料斷面尺寸大于口型尺寸的現象。產生的原因：膠料流過口型時，同時經歷粘性流動和彈性變形。由于入口效應，在流動方向上形成速度梯度（拉伸彈性變形）。拉伸變形來不及恢復，壓出后由于口型壁的擠壓力消失，由于橡膠的彈性記憶效應，使膠料沿擠出方向收縮，徑向膨脹。壓出膨脹量主要取決于膠料流動時可恢復變形量和松弛時間的長短。影響因素：（1）口型結構：口型形狀、口型（板厚度）壁長度：（2）工藝因素:機頭、口型溫度、壓出速度等； （3）配方因素:生膠和配合劑的種類、用量、膠料可塑性等。減輕口型膨脹的措施:膠料方面，適當降低含膠率（增加填料用量）、適當降低膠料的黏度（增加增塑劑用量、使用分散劑、潤滑劑、塑煉、混煉、熱煉）、適當提高膠料溫度（熱煉）；擠出工藝方面，適當減小擠出速度、適當提高機頭和口型的溫度:設備方面，適當增加口型板的厚度、增加機頭和口型內壁光滑程度、機頭和口型尺寸與螺桿尺寸匹配27，橡膠的硫化過程可分為哪幾個階段？試以硫化歷程來加以說明。
答:從化學反應角度看，第一階段:誘導期，各組分相互作用，生成有側基的橡膠大分子。第二階段:交聯反應，帶有側基的橡膠大分子與橡膠大分子發生交聯反應。第三階段：網絡熟化階段，交聯鍵發生短化、重排、裂解，趨于穩定。從宏觀角度看，分為焦燒階段、熱硫化階段、平坦硫化階段和過硫化階段。
28. 在硫化工藝中常見的質量毛病有哪些？產生原因是什么？
答: 1、缺膠:裝膠量不足、平板上升太快、磨具排氣不佳、模溫過高。2、膠邊過厚:裝膠量過大、平板壓力不足、模具沒有余膠槽3、氣泡:膠料含水率或揮發組分含量高、窩氣、模具無排氣線或排氣線堵塞4、出模制品撕裂:隔離劑過多或過少、起模太快，受力不均勻、膠料粘合性差、模具棱角、倒角不合理5、表面粗糙:模具表面粗糙、模具結垢、混煉膠焦燒時間過短 6、表面明疤：膠料流動性差、膠料焦燒、膠片厚度不均勻、模具瞬間掉壓平板上升過快，排氣不暢、壓力不足
29，理想的橡膠硫化曲線應滿足那些條件？
答:較為理想的橡膠硫化曲線應滿足下列條件: （1）硫化誘導期要足夠長，充分保證生產加工的安全性； （2）硫化速度要快，提高生產效率，降低能耗：（3）硫化平坦期要長，無返原。
四.計算題
1已知某一膠料在140℃時的正硫化時間是20min，試利用范特霍夫方程計算出130℃和150℃時的等效硫化時間。硫化溫度系數K為2.0解: P421 2.某一產品膠料的正硫化時間為130℃×20min，其中平坦硫化時間圍為20～100min，為了提高生產效率，硫化溫度改為140℃；
①求本產品在 140℃時的硫化平坦期范圍的時間：
2求本膠料的最小和最大硫化效應（K＝2.0）。 P421-P425 3.已知一膠料正硫化條件為 135℃x30 min，平坦范圍為 301t（min） 05 10 15 20 25 30 35 40 T（℃） 70 115 120 125 130 135 135 135 135 i判斷該加 40 min B是否達到正硫化？有無過硫？
50min，已測出該膠料在實際硫化中的升溫情況如下：
4，在橡膠制品硫化時為何要加壓？硫化時間與硫化溫度之間有何關系？當膠料在140℃時正硫化時間為30min，試分別用范特霍夫公式和阿累尼烏斯方程計算在硫化溫度為 150℃的等效硫化時間。（設 K＝2，E＝92KJ/mol，R＝8.31431/mo-K）
解：P421、P422
答:內因有橡膠分子鏈結構（雙鍵、a-H）、橡膠內金屬離子、橡膠中的配合劑:外因有物理因素（熱、光、電、應力、應變、輻射、水）、化學因素（02、03、SO2、H2S、酸、堿、金屬離子）、生物因素（微生物（細菌、酶）、昆蟲（白蟻）
16，為什么IR （異戊橡膠）、NR （天然橡膠）熱氧老化后變軟， BR （順丁橡膠）、SBR （丁苯橡膠）和NBR （丁腈橡膠）熱氧老化后變硬？
答:因為IR、NR的化學結構主要是順-1，4-聚異戊二烯，鏈稀烴發生a-H反應， a-H易于脫掉形成烯丙基自由基，分子鏈裂解，形成小的分子鏈，故熱氧老化后變軟。BR、SBR、 NBR結構中都含有丁二烯，在進行氧化后發生分子間的交聯，所以熱氧老化后變硬。
17，不飽和碳鏈橡膠的吸氧曲線是什么形狀的？曲線可分為幾個階段？每個階段各有何特點？
根據下圖三種橡膠吸氧動力學曲線判斷它們的耐熱氧化的順序。
吸氧量b
試驗時間，小時
答:不飽和碳鏈橡膠的吸氧曲線呈s型，可分為三個階段。第一階段吸氧量小，吸氧速度基本恒定，此階段橡膠性能雖有所下降但不顯著，是橡膠的使用期。第二階段是自動催化氧化階段，吸氧速度急劇增大，在此段后期，橡膠已深度氧化變質，喪失使用價值。第三階段是氧化反應結束階段，吸氧速度先變慢后趨于恒速最后降至零，氧化反應結束。判斷順序：？
18，橡膠臭氧老化的物理防護方法有幾種？
答:四種，分別是橡膠并用、橡塑共混、表面涂層、加抗臭氧蠟。
19，試分析輪胎的胎側在使用過程中發生的老化形式，根據所發生的老化形式應選用何種防老劑？
答：
20，炭黑的粒徑、結構度、表面活性及表面含氧基團對膠料的混煉、加工工藝性能和焦燒性有何影響？
答:對于混煉，粒徑:粒徑小，吃料慢，難分散，生熱高，黏度高；結構:結構高，吃料慢，易分散，生熱高，黏度高:活性:活性高，生熱高，黏度高，對吃料、分散影響不顯著。對于加工工藝（壓延、擠出），炭黑粒徑小、結構度高、用量大，壓延擠出半成品表面光滑，收縮率低，壓出速度快。對于焦燒性，炭黑表面含氧基團多，pH值低，硫化速度慢；炭黑粒徑小，結構高，易焦燒，硫化速度快。
21. 炭黑聚集體表面有什么基團？炭黑的 PH 值與表面基團有什么關 系？
答:炭黑表面上有自由基、氫、含氧基團（羥基、羧基、內酯基、醌基）。炭黑的PH值與表面的含氧基團有關，含氧基團含量高，PH值低，反之亦然。
22，什么是結合橡膠？結合橡膠形成的途徑有哪些？哪些因素影響結合橡膠的生成量？
答:結合橡膠，也稱為炭黑凝膠（bound-rubber），是指炭黑混煉膠中不能被它的良溶劑溶解的那部分橡膠。形成途徑有兩個，一是化學吸附，二是物理吸附。影響結合橡膠的因素炭黑的因素，炭黑的比表面積（比表面積增大，結合橡膠增加）、混煉薄通次數、溫度（溫度升高結合膠量升高）、橡膠性質（不飽和度高，分子量大的橡膠生成的結合膠多）、陳化時間（時間增加，結合膠量增加，約一周后趨于平衡）。
23. 干法白炭黑的粒徑大小和硬質炭黑相近，為何其補強性較差？
答:其與干法白炭黑的結構有關。干法白炭黑內部除三維結構的二氧化硅外，還殘存有較多的二維結構，致使分子間排列較為疏松，有很多毛細結構，易吸濕，降低了補強性。
24. 什么叫壓延效應？它對制品性能有何影響？如何消除壓延效應？
答:壓延效應是指壓延后膠片出現性能上的各項異性的現象。對性能的影響: ？消除辦法:提高壓延溫度和半成品停放溫度、減慢壓延速度、適當提高膠料可塑度、將膠料調轉方向、使用各向同性的填料
25. 什么叫貼膠、壓力貼膠和擦膠？
答：貼膠即膠片貼合，是指將兩層以上的膠片貼合在一起的壓延作業，用于制造厚度大、質量高的膠片。壓力貼膠，
答：對于丁基橡膠，
ChCH3
CH
結構式CH）CHCH-CHz
-CH
Ch
可以看出分子主鏈周圍有密集的側甲基，且無極性基團和活性基團。異戊二烯的數量相當于主鏈上每100個碳原子才有一個雙鍵（單個存在），可近似看作飽和橡膠，所以它耐老化，透氣性好。對于硅橡膠來說，硅橡膠是分子主鏈中為—Si—o—無機結構，熱穩定性好，因此耐高溫。
6，為什么丁苯膠的硫化速度比天然膠慢？
答:因為NR有推電子的側甲基，而丁苯橡膠有弱吸電子的苯基和乙烯基側基
7. 什么是再生膠？橡膠再生過程的實質是什么？再生膠有何用途？
答:再生膠的定義:由廢舊橡膠制品和硫化膠的邊角廢料、經粉碎、脫硫等加工處理制得的具有塑性和粘性的材料。實質:橡膠的再生是廢膠在增塑劑（軟化劑和活化劑）、氧、熱和機械剪切的綜合作用下，部分分子鏈和交聯點發生斷裂的過程。應用: （1）在輪胎工業中，再生膠主要用于制造墊帶，另外也可用于外胎中的鋼絲膠、三角膠條以及小型輪胎、力車胎中等。（2）在工業用橡膠制品中也有應用，如膠管、膠板等橡膠制品中
8. 硫化劑的作用是什么？焦燒現象產生的原因有哪些？如何預防焦燒現象？
答:硫化的本質是橡膠線型大分子網絡化，硫化劑會與橡膠反應生成交聯鍵，使之成為三維網狀結構。焦燒現象產生的原因有（1）促進劑選用不當（內因） （2）加工溫度過高（3）冷卻不充分（4）加工時間過長（5）配合劑分散不均勻。預防焦燒現象的措施: （1）使用遲效性促進劑，如次磺酰胺類促進劑（2）控制加工溫度不要過高；冷卻充分才折疊停放（3）在保證配合劑分散的情況下，盡可能縮短加工時間（4）使用防焦劑（scorch retarder）如CTP9. 噴霜產生的原因是什么？為避免噴霜應采取哪些措施？
答:混煉膠產生噴霜的原因:配合劑與橡膠的相容性差、配合劑用量過多、加工溫度過高，時間過長、停放時降溫過快，溫度過低、配合劑分散不均勻。硫化膠產生噴霜的原因：與橡膠相容性差的防老劑或促進劑用量多了、膠料硫化不熟，欠硫、使用溫度過高，貯存溫度過低、膠料過硫，產生返原。減輕噴霜的措施:低溫煉膠、使用不溶性硫黃、用硫載體取代部分硫黃、適當提高混煉膠的停放溫度（25～30 ℃）、采用促進劑或防老劑并用，減少單一品種的用量、膠料中添加能夠溶解硫黃的增塑劑如煤焦油、古馬隆樹脂、使用防噴劑（blooming inhibitor）。
10. CR（氯丁橡膠）適用的硫化劑是什么？為什么不用硫磺硫化？
答:過氧化物。與硫磺硫化的硫化膠相比，過氧化物硫化膠的網絡結構中的交聯鍵為C-C鍵，鍵能高，熱、化學穩定性高，具有優異的抗熱氧老化性能，且無硫化返原現象，故而不用硫磺硫化。
11. 促進劑 DM、TMTD、NOBS、D、DZ、CZ 在天然橡膠中的抗硫化返原能力的順序如何？
答: DM＞NOBS＞TMTD＞DZ＞CZ＞D
12.已知有下列交聯網絡，請你說出與其相對應的硫化體系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-（其中以多硫交聯鍵為主）⑤-C-S1-C-、-C-S2-C-和-C-SX-C-（其中以單硫鍵和雙硫鍵為主）
答:依次是:過氧化物硫化體系、酚醛樹脂硫化體系、有效硫化體系、傳統硫化體系、半有效硫化體系
13，什么是傳統硫化體系、有效硫化體系和半有效硫化體系？
答:傳統硫磺硫化體系是指二烯類橡膠的通常硫磺用量范圍的硫化體系，可制得軟質高彈性硫化膠，配合方式:硫黃和促進劑用量為通常用量。有效硫化體系是在傳統硫化體系的基礎上改變了硫/促進劑的比例，配合得到的硫化膠網絡中單鍵和雙鍵的含量占90％以上，網絡具有極少主鏈改性，硫磺的利用率很高。半有效硫化體系是一種促進劑和硫磺的用量介于以上兩種之間，所得硫化膠即具有適量的多硫鍵，又有適量的單、雙硫交聯鍵，使其具有較好
的動態性能，又有中等的耐熱氧老化性能的硫化體系。
14，試說明NR中不同硫磺用量和促進劑用量對硫化體系類型、交聯結構及硫化膠性能的影響。
答: NR的普通硫磺硫化體系，促進劑0.5-0.6份，硫磺2.5份，所得硫化膠網絡70％以上為多硫交聯鍵，硫化膠具有良好的初始疲勞性能，室溫下有優良的動靜態性能，但不耐熱氧老化。高促低硫（促進劑3-5 份，硫化劑0.3-0.5份）或無硫，為有效硫化體系，交聯結構中單、雙硫鍵占90％，硫化橡膠有較高的抗熱氧老化性能，但起始動態疲勞性差。促進劑、硫磺用量介于以上兩種之間，為半有效硫化體系，交聯結構中多硫鍵與單雙硫鍵相當，硫化膠有較好的動態性能，又有中等程度的耐熱氧老化性能。促進劑與硫等物質的量，為平衡硫化體系，交聯結構有單硫、多硫、雙硫，硫化膠有優良的耐熱老化性和耐疲勞性。
15. 引起橡膠老化的內因、外因有哪些？
＋/橡膠:是一種有機高分子材料，能夠在大的變形（高彈性）下迅速恢復其形變；能夠被改性（硫化）；改性的橡膠不溶于（但能溶脹于）沸騰的苯、甲乙酮、乙醇和甲苯混合液等溶劑中；改性的橡膠在室溫下被拉伸到原長的2 倍并保持 1min 后除掉外力，它能在 1min 內恢復到原長的 1.5 倍以下。
2. 格林強度：未經硫化的拉伸強度
3，冷流性:生膠或未硫化膠在停放過程中因為自身重量而產生流動的現象
4，活性劑:配入橡膠后能增加促進劑活性，能減少促進劑用量或降低硫化反應溫度，縮短硫化時間的物質
5. 促進劑的遲效性
6，焦燒:加有硫化劑的混煉膠在加工或停放過程中產生的早期硫化現象。焦燒現象本質是硫化，膠料局部交聯7. 工藝正硫化時間：膠料從加入模具中受熱開始到轉矩達到 M90 所需要的 時間。％90）（9OLHLMMMM
8.硫化返原：又稱返硫，是膠料處于過硫化狀態，膠料的性能不斷下降的現象。
9. 硫化效應：硫化強度與硫化時間的乘積，用 E 表示。？
10.防老劑的對抗效應：防老劑（抗氧劑）并用后產生的防護效能低于參 加并用的各抗氧劑單獨使用的防護效能之和
11.防老劑的協同效應：防老劑（抗氧劑）并用后的防護效能大于各抗氧 劑單獨使用的效能之和，是一種正效應。12，軟質炭黑:粒徑在40nm以上，補強性低的炭黑
13. 硬質炭黑：粒徑在 40nm 以下補強性高的炭黑
14. 結合橡膠：也稱為炭黑凝膠，是指炭黑混煉膠中不能被它的良溶劑溶解 的那部分橡膠。
15.炭黑的二次結構：又稱為附聚體，凝聚體或次生結構，它是炭黑聚集體間以范德華力相互聚集形成的空間網狀結構，不牢固，在與橡膠混煉是易被碾壓粉碎成為聚集體。
16.增塑劑：增塑劑又稱為軟化劑，是指能夠降低橡膠分子鏈間的作用力，改善加工工藝性能，并能提高膠料的物理機械性能，降低成本的一類低分子量化合物。
17 塑煉：塑煉是指通過機械應力、熱、氧或加入某些化學試劑等方式，使橡 膠由強韌的高彈性狀態轉變為柔軟的塑性狀態的過程
18. 壓延效應壓延后膠片出現性能上的各項異性現象
19，抗氧指數又稱塑性保持率，是指生膠在140℃×30min前后華萊士塑性值的比值，其大小反映生膠抗熱氧化斷鏈的能力。
三.簡答題：
1. 簡述天然橡膠的化學結構及其特性。
答：NR 鏈烯烴的特CHz CCH
NR
中有雙鍵，能夠與自由 基、氧、過氧化物、紫外光及自由基抑制劑反應。NR 中有甲基（供電基），
使雙鍵的電子云密度增加，a -H 的活性大，使 NR 更易反應（易老化、硫化速度快）。2.回答問題并解釋原因 ：①SBR 與 NR 相比，哪一種更耐熱氧老化？
答：SBR（丁苯橡膠），②EPDM 與 IIR 相比，哪一種更耐臭氧老化？
答：EPDM（乙丙橡膠）③NBR 與 CR 相比，哪一種更耐石油類油類？、
答：NBR（丁腈橡膠）④CR 與 BR
相比，哪一種更耐臭氧老化？
答：CR（氯丁橡膠），⑤BR 與 NR 相比，哪一種冷流性大？哪一種回彈性大？
答: BR冷流性、回彈性較大，、
3.根據用途選擇一種適當的橡膠①制造水胎或硫化膠囊（乙丙橡膠）②制造內胎（丁基橡膠）③制造耐230℃在石油介質中連續工作的密封件（氟橡膠）④具有一定阻燃性、機械強度較高、耐酸堿的運輸帶覆蓋膠（氯 丁橡膠）4. 鑒別橡膠： ①兩包生膠標識模糊，已知其中一包是SBR-1502，另一包是 BR-DJ9000，試選擇一種方法，將其準確地區分開來。②有兩塊外觀均為黑色的混煉膠，已知其一是摻有少許炭黑的 CR，另一塊是摻有少許炭黑的 BR 膠，試至少用兩種最簡單（不用任何儀器）的方法，將它們分辨開來。
5. 試從化學結構上說明 IIR（丁基橡膠）為何具有優良的耐老化和耐氣透性？硅橡膠為何耐高溫？
75/75
5.3 力學性能及其他
力學性能：隨著PP-g-GMA的Gr增加，其拉伸強度增加，由于接枝共聚物分子間作用力增大，缺口沖擊強度在Gr為1.8％處出現極大值。
機械性能:發現聚烯烴接枝AA后其強度和韌性得到提高，但接枝丙烯酸丁酯，其性能反而下降。
流變性質：PP-g-GMA在熔融流動時，一般具有剪切變稀行為，屬于假塑性流體。當剪切速率增大到一定程度后，其流變行為類似于牛頓流體。熔體粘度:由于在接枝過程中，PP的分子量下降，因此，接枝共聚物通常具有較低的熔體粘度，且Gr越高，其熔體粘度越低。
5接枝共聚物的結構及性能
5.1熱學性能
對于PP，接枝物的熱分解溫度高于純PP，如熔融法制備的PP-g-GMA和溶液法制備的PP-g-GMA隨Gr的增大而提高，在接枝物的分子量低于未接枝PP的情況下，接枝物的起始分解溫度和半分解溫度仍得到提高，同時耐氧化性得到提高，這些都是因為不穩定的次甲基在接枝過程中的被脫除的緣故。
5.2粘合性能
水解接枝物和去除未反應單體對接枝共聚物的化學鍵接。若對接枝物進行化學水解，則剝離強度迅速提高。表面化學分析表明，粘合是因極性基團與金屬表面的金屬氧化物發生了化學鍵接，其破壞斷裂發生在MAH分子和PP主鏈之間。
19/762.己糖
·自然界常見的己糖有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廣、最重要的單糖，可以為人體直接吸收。工業上以淀粉為原料用無機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單糖。工業上用異構化酶將葡萄糖轉化為果糖，甜度很高。·D-半乳糖和D-甘露糖在生物體中很少游離存在。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
圖2-2己糖結構式
阿拉伯糖又稱果膠糖，廣泛存在于高等植物17/76
中，通常與其他單糖結合，以多糖的形式存在于果膠、半纖維素及某些糖苷中。
·L-阿拉伯糖可以抑制血糖增高和胰島素分泌，還可以抑制脂肪堆積，其甜度只有蔗糖一半左右，對酸、熱度穩定，用于醫藥和作微生物培養劑。
·D-核酮糖和D-木酮糖是重要的糖代謝中間產物，可進一步經其他途徑為人體提供能量。
·D-核糖和D-2-脫氧核糖廣泛存在于動植物細胞核中，是核酸的重要成分，是人類生命活動中不可缺少的物質。
D-木糖在農產品的廢棄部分中（如玉米的穗軸、秸稈、麥麩等）含量很多，不被消化吸收，適于肥胖病和糖尿病患者的甜味劑。
二、功能性低聚糖
33/76
·與普通低聚糖相比，功能性低聚糖對人體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們能夠被腸道內的雙歧桿菌等有益菌群消化利用，促進它們的生長繁殖，起到了益菌因子的作用。功能性低聚糖以二至六糖較為多見，大多數是通過生物或化學方法生產的，少數幾種可通過提取法獲得。
功能性低聚糖的獨特的生理功能·1.促進雙歧桿菌增殖，是雙歧桿菌的增殖因子。·2.低能量或零能量。
·3.防止齲齒。
·4.防止便秘、腹瀉。
·5.生成營養物質。
·6.降低血清膽固醇，改善脂質代謝，降低血壓。·7.增強機體免疫能力，抵抗腫瘤。
2.乳糖
29/76游離半縮醛羥基
CH2OHCH2OH
OHO.0.
OHOH
OH
OHOH
圖2-4乳糖的結構式
①乳糖是由1分子β-D一半乳糖與1分子α-D-葡萄糖以β-1，4-糖苷鍵連接的二糖，屬雜聚糖。
②乳糖分子中保留了一個半縮醛羥基，是還原糖。·乳糖來源較少，主要存在哺乳動物乳中。牛乳中含4.5～5.5％，豬乳中含4.9％，山羊乳中含4.6％，人乳中含5.5％～8.0％。
·乳糖能溶于水，甜度較低為蔗糖的40％。
·乳糖具右旋光性，［α］D20為＋55.4°；是還原性糖，所以有變旋現象。
·乳糖不能被酵母發酵，而能被乳酸菌發酵。
葡萄糖的變旋光現象
27/76還原糖放入溶液中，
它的旋光度逐漸變化，
α-型
＋1120乙醇溶液最后達到一個穩定的
平衡值，這種現象稱
為變旋現象。
＋52.5水溶液
β-型
＋18.70吡啶溶液
所有的糖類都具有旋光性，但只有還原糖具有變旋光現象。
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
圖2-5蔗糖的結構式
①蔗糖由1分子α-D-葡萄糖與1分子β-D-果糖通過α-1，2糖苷鍵連接形成，屬于雜聚雙糖。
②蔗糖分子中不含有半縮醛羥基，是非還原糖。·蔗糖是是自然界中分布最廣泛也是最重要的一種雙糖。
·蔗糖根據純度高低可分為：白糖、砂糖和片糖。·蔗糖是白色晶體，熔點186℃，甜味僅次于果糖，易溶于水，難溶于乙醇，其［α］D20為＋66.5°，是右旋糖。
蔗糖是非還原糖，因此不具變旋光現象
果糖β-型甜度約為α-型的3倍，果糖結晶一般37/76
則為β-型，所以也是溶解時間越長甜度越低。與葡萄糖不同，果糖的甜度還受溫度的影響。10％果糖液，0℃α：β＝3：7，80℃為7：3，因此溫度越低，果糖越甜。
蔗糖是非還原糖，沒有α-型和β-型的轉變，因此甜味不隨時間、溫度等發生改變。
·甜度還受濃度影響，一般濃度越高甜度越大。
表2-3糖的相對甜度
糖類名稱相對甜度
蔗糖1.0
果糖1.5
葡萄糖0.7
半乳糖0.6
麥芽糖0.5
乳糖0.3
麥芽糖醇0.9
山梨醇0.5
木糖醇1.0
果葡糖漿（轉化率16％）0.8
淀粉糖漿（葡萄糖值42％）0.5
淀粉糖漿（葡萄糖值20％）0.8
39/76（2）溶解度
各種單糖和低聚糖都較易溶于水，其溶解度隨溫度升高而增大。表2-4糖的溶解度
20℃30℃
40℃
50℃
糖濃度溶解度濃度溶解度濃度溶解度濃度溶解度
（％）（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，以飽和溶液儲存時穩定性越高。工業上儲存葡萄糖溶液時，則需在較高的溫度下，提高其溶解度，以利于儲存。溶解度越高，越難以結晶。因此工業上生產的和市售的葡萄糖、蔗糖多為結晶固態，而果糖多為液態。
35/76表2-2
國際上最近開發的主要低聚糖名稱主要成分與結合類型
主要用途
麥芽低聚糖葡萄糖（a-1，4糖苷鍵結合）
滋補營養性，抗菌性
分支低聚糖葡萄糖（a-1，6糖苷鍵結合）
防齲齒，促進雙歧桿菌增殖
環狀糊精葡萄糖（環狀a-1，4糖苷鍵結合）
低熱值，防止膽固醇蓄積
龍膽二糖葡萄糖（β-1，6糖苷鍵結合），苦味
能形成包接體
防齲齒
偶聯糖葡萄糖（a-1，4糖苷鍵結合），蔗糖
果糖（β-1，2糖苷鍵結合）
果糖低聚糖促進雙歧桿菌增殖
果糖（β-1，2糖苷鍵結合），蔗糖
潘糖葡萄糖（a-1，6糖苷鍵結合），果糖
防齲齒
海藻糖葡萄糖（a-1，1糖苷鍵結合），果糖
防齲齒，優質甜味
防齲齒，促進雙歧桿菌增殖蔗糖低聚糖葡萄糖（a-1，6糖苷鍵結合），蔗糖
半乳糖（B-1，4糖苷鍵結合），葡萄糖骨架、防齲齒，促進雙歧桿菌增殖牛乳低聚糖半乳糖（β-1，3糖苷鍵結合），乙酰氨基葡
糖等
殼質低聚糖乙酰氨基葡糖（B-1，4糖苷鍵結合）
抗腫瘤性
大豆低聚糖半乳糖（a-1，6糖苷鍵結合），蔗糖
促進雙歧桿菌增殖
半乳糖低聚糖半乳糖（β-1，6糖苷鍵結合），葡萄糖促進雙歧桿菌增殖
木低聚糖木糖（-1，4糖苷鍵結合）
水分活性調節
三、單糖、低聚糖與食品加工有關的性質·1.單糖、低聚糖與食品加工有關的物理性質·（1）糖的甜度
·糖甜味的高低稱糖的甜度，它是糖的重要性質。·糖的甜度與其構型（a-型和β-型）有關。
·葡萄糖的α-比β-型甜1.5倍。
·葡萄糖結晶一般為α-型，在水溶液中達到平衡時，α：β＝1：1.7，所以葡萄糖溶解時間越長甜度越低，溫度對葡萄糖天都幾乎無影響。
41/76（3）結晶性
·蔗糖易于結晶，晶體較大；葡萄糖易于結晶，但晶體細小；麥芽糖也易結晶；轉化糖、果糖難以結晶；中轉化糖漿不能結晶。
·單糖和低聚糖的結晶性與其溶解度和純度有關。·溶解度越高，越難以結晶；
·純度越低，越難以結晶。
·結晶性質的差別與應用有關。
（4）吸濕性和保濕性
吸濕性：是指糖在空氣濕度較高情況下吸收水分的性質。
保濕性：是指糖在較高濕度吸收水分和在較低濕度散失水分的性質。
不同種類糖的吸濕性：果糖、轉化糖＞葡萄糖、麥芽糖＞蔗糖＞乳糖。
·果糖的吸濕性是各種糖中最高的。
·此外，各種糖醇也具有較好的吸濕性和保濕性。
（5）滲透壓
43/76
·同種糖的滲透壓隨濃度升高而增大
·相同濃度下，相對分子量愈小，滲透壓愈大。·即溶液的滲透壓與其中溶質分子數目成正比。·滲透壓與食品貯藏性有關，滲透壓力越高，儲存性越好，越不易感染微生物而腐敗變質。·滲透壓對于抑制不同微生物的生長有差別。敏感性上酵母菌＞細菌＞霉菌。
（6）黏度
·同種糖，濃度越高粘度溶解度
葡萄糖
500蔗糖
20
·相同濃度下，相對分子黏度
葡萄糖
·粘度還與溫度有關。400
蔗糖
15
·與一般物質不同，葡萄030010
升高而增大。200
濃度相同時，葡萄糖、5
100
轉化糖漿。2030405060708090
溫度/℃
CH2OH
51/76o
HO1
OH4 CH2OH
＞
直鏈淀粉HO
1
α-1，4-糖苷鍵OH
4 CH2OH
ICH2OHHO
OH
HOHOCH2OH
HOOHα-1，6-糖苷鍵
CH2OH
HO支鏈淀粉
HO6CH2
HOHOCH2OH
α-1，4-糖苷鍵HO
HO
a-1，4直鏈
a-74～6支鏈淀粉
①直鏈淀粉直鏈淀粉全部是以α-D-葡萄糖通過α-1，4-鍵連接而成的，聚合度（指組成淀粉分子的葡萄糖單位的數目）以200～300個葡萄糖分子為多見。
直鏈淀粉可被人體內淀粉酶完全水解，最終轉變為葡萄糖，容易被人體吸收。
分類
49/76同聚多糖
淀粉、纖維素和糖原等
組成雜聚多糖果膠、粘多糖等
支持性多糖纖維素
半纖維素甲殼素
貯存性多糖淀粉
糖原
功能凝膠性多糖果膠
瓊脂黃原膠
生物活性多糖黃芪糖V-巖藻多糖
香菇多糖茯苓多糖
一、淀粉
·淀粉是植物光合作用的主要產物，是我們食物的主要來源。
·它廣泛存在于植物的種子、根和莖中。
·1.淀粉的結構
·淀粉的基本組成單位是D-葡萄糖，屬于同聚糖。·經旋光度測定，組成淀粉的葡萄糖全部為α型，因此淀粉中葡萄糖分子間的鍵稱為α-鍵。
（8）抗氧化性
47/76
·糖溶液具有一定的抗氧化性是由于氧氣在糖溶液中溶解量比在水溶液中低很多。
·飲食中抗氧化劑長期以來倍受關注，這是因為①抗氧化劑能夠保護食物免受氧化損傷而變質；②在人體消化道內具有抗氧化作用，防止消化道和其他組織器官發生氧化損傷；③來源于食物的某些具有抗氧化作用的物質可以作為治療藥品。第四節
多糖
·多糖是由多個單糖分子通過脫水、縮合而形成的，是一類分子結構復雜且龐大的糖類物質，可用通式（C6H10O5）n表示。
多糖的糖基單位絕大多數在200以上。
·多糖與單糖、低聚糖的性質相差較大。
·多糖大部分為粉末，沒有甜味，不能溶解，沒有變旋現象，也不具有單糖的許多化學性質。
直鏈淀粉并不是
53/76
完全伸直的。
直鏈淀粉借助分
子內羥基間的氫
鍵卷曲成螺旋狀，α-1，4-苷鍵
每一圈螺旋有六
個葡萄糖單位。
②支鏈淀粉
支鏈淀粉的分子量比直鏈淀粉大的多（聚合度600～6000），結構也復雜的多。
∞
支鏈淀粉實際上是許多直鏈淀粉通過α-1，6-55/76
苷鍵連接起來，即各分支鏈內都由α-1，4-鍵連接而成，僅分支點處為α-1，6-苷鍵。
·經測定，這兩種鍵的比約為15～30：1，即每隔15～30葡萄糖單位就有一個分支。·人體內的淀粉酶只有α-1，4-淀粉酶，因此，α-1，6-鍵須在酸和多種酶的作用下才能被水解消化。
2.淀粉的性質
（1）物理性質
淀粉呈白色粉末狀，無味，無嗅不能溶于冷水，平均密度1.5。
植物組織中淀粉以獨立的淀粉粒形式存在。·天然淀粉粒不溶于冷水。支鏈淀粉易分散于冷水中形成凝膠，直鏈淀粉可在熱水中形成凝膠。
淀粉顆粒的形狀大致分為圓形、卵形和多角形。
馬鈴薯淀粉顆粒為卵形或圓形；玉米淀粉顆粒有圓形和多角形兩種；大米淀粉顆粒為多角形。
不同品種淀粉顆粒的大小也很不同，直徑在幾57/76到幾十個微米之間
顆粒由大到小：馬鈴薯＞小麥＞玉米＞大米。
馬鈴薯淀粉玉米淀粉
（2）化學性質
①還原性
·淀粉鏈末端雖然也有游離的半縮醛羥基，但是在數百以至數萬個葡萄糖單位中才存在一個游離的半縮醛基，還原性僅相當于單糖的幾百至幾萬分之一，極不明顯。
糊化必須要經過三個階段：
63/76
可逆吸水階段、不可逆吸水階段、顆粒解體階段。
糊化作用的本質是淀粉分子間的氫鍵斷開，分散在水中成為膠體溶液。
糊化使淀粉顆粒破裂解體，淀粉分子充分的伸展松散或斷裂形成了分子鏈較短的糊精。這使酸、各種酶能夠更加充分和直接的地對其作用，糊化后的淀粉也更容易被人體消化利用。
·糊化溫度：通常用糊化開始的溫度和完成的溫度表示淀粉糊化溫度，即糊化溫度不是一個點，而是一個范圍。
表2-6幾種糧食淀粉的糊化溫度
糧食種類起始一完成/℃糧食種類起始～完成/℃
大米65～73
甘薯
82～83
小麥53～64
馬鈴薯
62～68
玉米64～71
絡合物顏色會受溫度影響。
61/76
絡合物顏色還會受聚合度影響。聚合度為8～12時，絡合物顯紅色，13～30時顯紫紅色，大于30時則顯藍色。當淀粉鏈長小于6時不顯色。
淀粉水解過程中產物的鏈長始終是下降的，因此與碘反應的顏色也逐漸變淺。
淀粉→藍紫糊精→紅糊精→無色糊精→麥芽糖→葡萄糖
顏色蘭色蘭紫色紅色不顯色不顯色不顯色
4糊化
·淀粉在植物中是以淀粉粒的形式存在的，我們把這種淀粉稱為生淀粉。
生淀粉常溫下不溶于水，但當水溫達到一定溫度時，淀粉能夠發生糊化。
定義：將淀粉的乳狀懸浮液加熱到一定溫度淀粉液變成黏稠狀的淀粉糊，這種現象稱為淀粉的糊化。
第一章 淀粉基礎理論
一、填空題
、淀粉是由單一類型的（糖單元 ）組成的（ 多糖 ），而與淀粉的來源無關。
、淀粉的分子式為（ （C6H1005）n） ，嚴格的分子式為（ C6H1206（C6H1005）。
、淀粉主要是由（ 直鏈淀粉）和（支鏈淀粉1）兩級分組成。根據分離分級技術的進步，淀粉還分
出（中間級分 ），一般稱為（支化較少的支鏈淀粉或輕度支化的直鏈淀粉）。
、一般直鏈淀粉的分子量為（ 5-20萬），相當于由（ 300-1200）個葡萄糖殘基聚合而成。支鏈淀分分子量要比直鏈淀粉大得多，大約為（ 20-600）萬，一般集合度為（ 4000-40000），大部分在（5000-13000 ）.
、淀粉顆粒不是一種（淀粉）分子，而是由許多（直鏈淀粉）和（支鏈淀粉）分子構成的聚合體，
這種（聚合體）不是無規律的，它是由兩部分組成，即有序的（結晶區）和無序的（無定形區）。
、直鏈淀粉分子呈（ 螺旋）結構。直鏈淀粉與碘和脂肪酸的不是（化學）反應，而是形成了（螺
旋）包合物。
、直鏈淀粉呈右手螺旋結構，每六個葡萄糖單位組成螺旋的每一個節距，螺旋上重復單元之間的距
離為（1.06） nm
、人們對支鏈淀粉分子結構模型的認識分為以下六個階段（層疊式）結構、（梳 子）結構、
（樹
支狀）結構、（對樹枝狀模型）修正、（束簇）模型、
（對束簇模型）
、淀粉在胚乳細胞中以（顆粒狀修正。
）存在，一般（ 17）億個顆粒/克。
0、淀粉顆粒的形狀，不同種類的淀粉顆粒一般具有（圓形（或球形））
（卵形（或 橢圓形））和
（多角形（或不規則形））。同一種來源淀粉顆粒也有（差異）
1、淀粉顆粒的大小，不同來源的淀粉顆粒大小 （相差）很大，同一種淀粉來源 其大小也有（ 差異 ）定粉糊化溫度的測定方法:偏光顯微鏡法、分光光度法、電導法、差示掃描量熱法（DSQ P20 重點
二、簡答題
、輕度分支直鏈淀粉分子與直鏈淀粉中的支鏈淀粉分子的不同點：
（1）支鏈淀粉的分子量比輕度分支直鏈淀粉分子大。
（2）輕度分支直鏈淀粉 β-淀粉酶的分解極限只有 40 ％左右，而支鏈淀粉的分解極限為 55 ％～
60％.
（3）淀粉顆粒隨處理溫度升高時，最先溶出的是線狀直鏈分子，之后是輕度
連淀粉則在最后被溶出。分支直鏈淀粉分子，支
、淀粉遇碘產生藍色反應，這種反應是什么反應？
不是化學反應。 而是呈螺旋狀態的直鏈淀粉分子能夠吸附碘形成螺旋包合物。每 6 個葡萄糖殘基形
成一個螺圈，恰好能容納 1 個分子碘，碘分子位于螺旋中央。
、吸附碘的顏色反應與直鏈淀粉分子大小如何？
聚合度不同，其顏色變化也不同。聚合度 12 以下不呈顏色變化；12-15 棕色；20-30 紅色；35-40 紫色；45 以上藍色。
、什么叫淀粉顆粒的單粒、復粒和半復粒，并畫出簡圖？
只有一個粒心為單粒。在一個淀粉質體內包含有同時發育生成的多個淀粉顆粒稱為復粒。由兩
個或更多個原系獨立的團粒融合在一起，各有各的粒心和環層，但最外
是半復粒。圍的幾個環輪則是共同的，
、什么叫淀粉顆粒的偏光十字？什么叫淀粉顆粒的結晶化度？
在偏光顯微鏡下觀察，淀粉顆粒呈現黑色的十字，將淀粉顆粒分成 4 個白色的區域稱為偏光十字或馬耳它十字。淀粉顆粒的結晶態部分占整個顆粒的百分比，稱為結晶化度。
、淀粉組分分離的原則是什么？
一是不能使淀粉的性質發生變化 （如仍保持螺旋結構 ）；二是淀粉不能發生降解。
7、什么是淀粉的糊化？什么是淀粉的糊化溫度？
若把淀粉的懸浮液加熱，到達一定溫度時（一般在55℃以上），淀粉顆粒突然膨脹，因膨脹后的體積達到原來體積的數百倍之大，所以懸浮液就變成黏稠的膠體溶液。這種現象稱為淀粉的糊化
（gelatinization）。淀粉顆粒突然脹的溫度稱為糊化溫度，又稱糊化開始溫度。
8、影響淀粉糊化的因素有哪些？為什么？p22
（1）淀粉顆粒晶體結構的影響（2）水分的影響（3）堿的影響（4）鹽類的影響（5）糖類的影響（6）極性高
分子有機化合物的影響（7）脂類的影響（8）化學變性的影響
9、什么是淀粉的回生？
淀粉稀溶液或淀粉糊在低溫下靜置一定的時間，混濁度增加，溶解度減少，在稀溶液中會有沉
淀析出，如果冷卻速度快，特別是高濃度的淀粉糊，就會變成凝膠體（凝膠長時間保持時，即出現回
生），好像冷凝的果膠或動物膠溶液，這種現象稱為淀粉的回生或老化，這種淀粉稱為回生淀粉（或
稱β-淀粉）。
10、淀粉回生的本質是什么？
回生的本質是糊化的淀粉分子在溫度降低時由于分子運動減慢，此時直鏈淀粉分子和支鏈淀粉
分子的分支都回頭趨向于平行排列，互相靠攏，彼此以氫鍵結合，重新組成混合微晶束。其結構與
原來的生淀粉顆粒的結構很相似，但不成放射狀，而是零亂地組合。（由于其所得的淀粉糊中分子中氫鍵很多，分子間締合很牢固，水溶解性下降，如果淀粉糊的冷卻速度很快，特別是較高濃度的
淀粉糊，直鏈淀粉分子來不及重新排列結成束狀結構，便形成凝膠體。）
11、影響淀粉回生的因素有哪些？為什么？
（1）分子組成（直鏈淀粉的含量）（2）分子的大小（鏈長）（3）淀粉溶液的濃度（4）溫度（5）冷卻速度（6）pH值（7）各種無機離子及添加劑等措施：快速冷卻干燥，加乳化劑等。
12、淀粉顆粒不溶于冷水的原因是什么？
①淀粉分子間是經由水分子進行氫鍵結合的，有如架橋，氫鍵數量眾多，使分子間結合特別牢固，
以至不再溶于水中；
②由淀粉顆粒的緊密結構所決定的。（結晶區和無定形區；淀粉顆粒受損或經物理化學變性）
13、玉米、小麥淀粉中高含量脂類化合物的存在會造成哪些影響？
①抑制玉米和小麥淀粉顆粒的膨脹和溶解；
②直鏈淀粉-脂類螺旋包合物會使淀粉糊和淀粉膜不透明度或混濁度增加，影響糊化淀粉增稠能力和
黏合能力；
③不飽和脂類化合物在貯存期因氧化作用而酸敗，影響其應用。
14、淀粉中蛋白質含量高會帶來哪些不利的影響？
（1）淀粉使用時會產生臭味或者其他氣味；
（2）蒸煮時易產生泡沫；
（3）水解時易變色（褐色：美拉德）。
15、什么是淀粉的輪文結構？
在顯微鏡下細心觀察，可以看到有些淀粉顆粒呈若干細紋。
16、高蛋白質含量對馬鈴薯淀粉性質產生的影響：
（1）糊化溫度低（2）水分和膨脹快速（3）淀粉糊的高度黏性和膜的高度透明（4）馬鈴薯的高
含水量。
三、論述題：
1、試述淀粉的糊化過程？P18
2、布拉班德淀粉糊黏度曲線測定步驟？并做圖說明各關鍵點？P20
一、名詞解釋
1、生物質能：是蘊藏在生物質中的能量，是綠色植物通過葉綠素將太陽能轉化為化學能而貯存在生物質內部的能量。煤、石油和天然氣等化石能源也是由生物質能轉變而來的。
2、能源植物：廣義：幾乎可以包括所有植物。
狹義：是指那些利用光能效率高、可合成類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產氫的植物。
3、沼氣：沼氣是各種有機物質在一定的溫度、水分、酸堿度和隔絕空氣的條件下，經過嫌氣性細菌的發酵作用，產生的一種可燃氣體
4、生物柴油：指以各種油脂（包括植物油、動物油脂、廢餐飲油等）為原料，經一系列加工處理過程而生產出的一種液體燃料。屬于長鏈脂肪酸的單烷基酯
5、燃料乙醇：一般是指體積濃度達到99.5％以上的無水乙醇。燃料乙醇是燃燒清潔的高辛烷值燃料，是可再生能源。主要是以雅津甜高粱加工而成
6、生物質發電：利用生物質資源進行的發電。一般分直接燃燒發電和氣化發電兩種類型，主要包括農林廢棄物直接燃燒發電、農林廢棄物氣化發電、垃圾焚燒發電、垃圾填埋氣發電、沼氣發電
二、簡答題
1、生物質能的開發利用是在怎樣的背景下提出來的？有何重要意義？
答：背景：1.能源的開發和利用一直以來見證著人類文明的進步，能源的更新替換，成為人類適應環境、利用環境、改造環境的重要標志之一。當今的新型替代能源，如風能、太陽能、生物能、地熱能等紛紛涌現，各具優勢，且利用技術不斷成熟和發展，其中生物能在實用性、可行性、廣泛性方面，顯現出獨有的優勢，被認為是未來30～50年里，最具大規模產業化開發前景的新型能源。
2.能源危機與生態危機：煤炭、石油只能開采100年：天然氣只能開采50～60年：空氣污染、
水污染、土壤污染、溫室效應、物種絕滅。
發展意義（自由擴展）：1.傳統能源有限、不可再生及環境危害性2.生物質能源豐富、可再生及環境友好性2、汽車使用乙醇汽油的好處。
第一，乙醇汽油增加汽油中的含氧量，使燃燒更充分，有效地降低了尾氣中有害物質的排放；
第二，有效提高汽油的標號，使發動機運行更平穩；
第三，可有效消除火花塞、氣門、活塞頂部及排氣管、消聲器部位的積炭，延長主要部件的使用壽命。
3、概述世界主要國家生物質能開發利用現狀。
目前，生物質能技術的研究與開發已成為世界重大熱門課題之一，受到世界各國政府與科學家的關注。許多國家都制定了相應的開發研究計劃，如美國的能源農場計劃、日本的陽光計劃（是日本政府為對付能源危機和建設無公害社會制定并推行的新能源開發計劃）、巴西的酒精能源計劃（以甘蔗為原料生產酒精，將使用的所有汽油都添加20％到25％的酒精）等，其中生物質能源的開發利用占有相當的比重。
4、我國能源植物開發利用現狀。P47
5、（P26）列舉十個生物質能研究熱點問題。
1、合成生物學與生物質能的生產用化學物質造出合成DNA，由DNA組成基因，再由基因形成基因組，最終在實驗室造出全新生物體的分子系統
2、斯坦福大學有一個國際研究機構正在開展土壤微生物吸收光能分解水制氫的研究
3、美國一家綠色燃料科技公司研究將海藻作為生物反應器（bioreator），它吸收光能、水與C02之后，再轉變為生物質燃料。
4、光合作用的模擬
5、遺傳工程改變生物質以遺傳工程改良技術，提高纖維素利用效率
6藻類產柴油部份藻類含油量高，生長快速，因此成為制造生物質柴油的理想物種。
7.利用光能效率高、可合成類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產氫的植物8.生物質能直燃發電是以農作物秸稈和林木廢棄物為原料，進行簡單加工，然后輸送至生物質發電鍋爐，
5、什么是果葡糖漿？
果葡糖漿是淀粉先經酶法水解為葡萄糖漿后將精制后的葡萄糖液流經固定化葡萄糖異構酶柱，使其中
葡萄糖一部分發生異構化反應轉變成異構體果糖，得到糖分組成主要為果糖和葡萄糖混合糖漿，再經
活性炭和離子交換樹脂精制濃縮的無色透明的果葡糖漿。
6、什么是麥芽低聚糖？
麥芽低聚糖，是由特異的麥芽低聚糖酶作用于淀粉而得致電的一種新型營養甜味劑。它是一種混
合糖，主要由麥芽糖、麥芽三糖至麥芽八糖組成，不含糊精。
三、問答題：
2、淀粉液化機理有哪些？為什么淀粉糖酶法制備工藝過程中淀粉要先液化后糖化？
利用液化酶質糊化淀粉水解到糊精和低聚糖程度，使甜度大為降低，流動性增高
3、淀粉酶法糖化機理？
糖化是利用葡萄糖淀粉酶從淀粉的非還原末端開始水解a-1，4和a-1，6糖苷鍵，使葡萄糖單位逐個
分離出來，從而產生葡萄糖，鍵的斷裂位置在C1-O處。
4、請敘述糖化液的精制和濃縮過程？
中和，過濾，脫色，離子交換樹脂處理，濃縮。
5、果葡糖漿生產工藝流程圖？P180
6、酶法工藝制備葡萄糖的工藝流程？
淀粉-調漿-液化-脫色-離子交換-真空濃縮-成品
第五章變性淀粉
一、填空題
1、變性淀粉分類按變性處理方法有（物理變性淀粉）、（化學變性淀粉）、（酶法變性淀粉）和（復合變性淀粉）。
2、工業化生產中酸解淀粉變性程度一般采用（流度）作為衡量指標。
3、預糊化淀粉生產方法有（滾筒干燥法）、（噴霧干燥法）和（擠壓法）。
4、酯化淀粉分（無機酸酯）和（有機酸酯）兩類。
5、工業上生產的糊精產物（麥芽糊精）、（環糊精）、（熱解糊精）。
6、糊精轉化過程中發生的化學反應主要為（水解反應）、（復合反應）、（葡萄糖基轉移反應）。
7、淀粉的交聯形式主要有（酰化交聯）、（酯化交聯）、（醚化交聯）。
8、酯化淀粉分（有機酸酯）和（無機酸酯）兩類。
二、簡答題
1、什么是變性淀粉？
變性淀粉是指為改善其性能和擴大應用范圍，在保持淀粉固有特性的基礎上，利用物理方法、化學方法和酶法，改變淀粉結構、物理性質和化學性質，從而出現特定的性能和用途的產品。
2、全球變性淀粉的品種、規格多達4000多種。按處理方式分主要有哪幾種變性類型，并舉例說明？（1）物理變性淀粉，如預糊化淀粉和機械研磨淀粉；
（2）化學變性淀粉，如氧化淀粉和交聯淀粉；
（3）酶法變性淀粉，他、如麥芽糊精和直連淀粉；
（4）復合變性淀粉，如氧化交聯淀粉和交聯酯化淀粉。
3、什么是復合變性淀粉？
采用兩種或兩種以上改性處理方法所得到的變性淀粉。
4、什么是干法生產變性淀粉？有哪些變性淀粉通常采用干法生產？
用少量的水，通常在20％左右，含水20％以下的淀粉，幾乎看不大盤有水分存在。白糊精、黃糊精及
其酸降解的變性淀粉。
5、什么是濕法生產變性淀粉？
也稱為漿法，是將淀粉分散在睡或其他液體介質中，配成一定濃度懸浮液，在中等溫度下與化學試劑進行氧化、酸化、酯化、交聯等改性反應生成變性淀粉。
三、論述題
1、不同類型的淀粉變性程度的衡量指標有哪些？
預糊化淀粉評價指標為糊化度；
酶法糊精評價指標為DE；
酸解淀粉用黏度和分子質量評價水解程度；
氧化淀粉用羧基含量等評價其氧化程度；
接枝淀粉用接枝比率評價接枝程度；
交聯淀粉用沉降體積或溶脹度評價交聯程度；
其他變性淀粉用取代度（DS）或摩爾取代度（MS）表示。
2、麥芽糊精、環糊精、熱解糊精三者間的區別？
麥芽糊精：淀粉經酸、酶或酸與酶合并催化水解，DE在20％以下的產物。
環糊精：淀粉經用嗜堿芽孢桿菌發酵發生葡萄糖基轉移反應得環狀分子。
熱解糊精：利用干熱法使淀粉降解所得到的產物。
3、寫出酸變性淀粉的生產工藝流程，并簡要說明具體操作流程？P196
目前，酯交換法是生產生物柴油的主要研究方向，包括酶促合成法、固體酸堿法、離子液體法、
離子交換樹脂法和超臨界甲醇法。
16、酸堿催化酯交換的反應機理如何？
一、酸性催化劑：質子先與甘油三酯的羰基結合，形成碳陽離子中間體。親質子的甲醇與碳陽離子
結合并形成四面體結構的中間體，然后這個中間體分解成甲酯和甘油二酯，并產生質
子催化下一輪反應。甘油二酯及甘油單酯也按這個過程反應。
二、堿性催化劑：催化的酯交換反應中，真正起活性作用的是甲氧陰離子，它攻擊甘油三酯的羰基
碳原子，形成一個四面體結構的中間體，然后這個中間體分解成一個脂肪酸甲酯和一
個甘油二酯陰離子，這個陰離子與甲醇反應生成一個甲氧陰離子和一個甘油二酯分
子，后者會進一步轉化成甘油單酯，然后轉化成甘油。所生成的甲氧陰離子又循環進
行下一個的催化反應。
17、微藻作為生物柴油生產的優勢與應用前景分析。
答：生產優勢：1.占地球表面積71％的是水體，每年能提供非常豐富的藻類生物量；
2.藻類容易繁殖，生長周期短，光合作用效率高：
3.藻類的生長繁殖不依靠土壤，不占用農業用地，而且其養殖過程可以實現自動化控制；
4.藻類是一種單細胞生物，它沒有葉、莖、根。即沒有無用生物量，整個藻體都可用于熱轉化。
5.藻類含有較高的脂類、可溶性多糖和蛋白質等易熱解的化學組分；藻類熱解所獲得的生物質燃油熱值高，平均高達33MJ/kg，是木材或農作物秸稈的1.6倍。
6.藻類不含纖維素等難分解成分，易被粉碎和干燥，所需熱解條件相對較低，可使生產成本降低：
7.藻類可塑性大，可以通過改變培養條件或誘導，提高其產油能力；
8.從藻類獲取的油是沒有污染、可再生的能量資源，它的應用不需要改變汽車、飛機的發動機。
前景分析：1）和現已初步實現產業化的玉米等糧食作物制取生物柴油的方式相比，海洋微藻產量高，單位面積產量是糧食的幾十倍，生長周期短、繁殖快，并且培養時間短，在很短的時間內可獲得大量產品。2）微藻在水域（淡水或海水均可）中生長繁殖，不依靠土壤，不存在與農業用地相競爭的問題，不占用耕地，不影響農業生產。
3）微藻的含油量相對較高，其生長繁殖和油脂的制備都可以實現工業自動化。
4）微藻個體小、木素含量很低，易粉碎干燥，用藻類來生產液體燃料所需處理和加工條件相對較低，生產成本與其他生物燃料原料相比相對較低。
5）微藻生長可以消耗大量的二氧化碳，并且在微藻培育過程中加人二氧化碳，可令微藻的產量大幅度增加，從微藻到油的生產過程也可以實現零排放，具有良好的環保效益。
18、燃料乙醇原料的發展趨勢。《生物質能學》173頁
燃料乙醇生產僅僅依靠糧食來提供原料，已不能滿足燃料乙醇生產的需求，我國需要走多元化供應的路子，未來我國燃料乙醇發展更多的應是依靠非糧食原料。
我國燃料乙醇生產企業的發展主要是兩個方向；一是木薯乙醇；二是纖維素乙醇。兩者都屬于非糧食作物，其中，木薯乙醇已處于規模化生產階段，技術發展已相對完善；而纖維素乙醇在我國還處在試驗階段，技術還有待完善。
木薯是替代玉米的最佳選擇：木薯是取代玉米等原料生產酒精的理想替代物，開發木薯酒精資源前景看好。在同樣土地資源條件下，種植木薯可比種植玉米多產近2倍酒精。利用木薯進行酒精生產，整株作物無廢料，利用效率很高。
纖維素乙醇發展潛力最大：長期來看，木薯也只是中國生產燃料乙醇的過渡性原料，還不足以改變中國整個能源結構。承擔改變中國能源結構重任的是以秸稈為代表的植物纖維。開發大規模生產木質纖維類生物質燃料乙醇的工業技術，是解決燃料乙醇原料成本高、原料有限的根本出路。
19.燃料乙醇的優點：
1、可作為新的燃料替代品，減少對石油的消耗。2、辛烷值高，抗爆性能就好3、減少礦物燃料的
4HCO0HCH＋3C0＋2H04CHOH→3CH＋CO＋2H-0
11、簡述沼氣發酵過程。
（一）液化（水解）階段
在沼氣發酵中首先是發酵性細菌群利用它所分泌的胞外酶（淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶）等，對有機物進行體外酶解，也就是把畜禽糞便、作物秸稈、豆制品加工后的廢水等大分子有機物分解成能溶于水的單糖、氨基酸、甘油和脂肪酸等小分子化合物。這個階段叫液化階段。
（二）產酸階段
這個階段是三個細菌群體的聯合作用，先由發酵性細菌將液化階段產生的小分子化合物吸收進細胞內，并將其分解為乙酸、丙酸、丁酸、氫和二氧化碳等，再由產氫產乙酸菌把發酵性細菌產生的丙酸、丁酸轉化為產甲烷菌可利用的乙酸、氫和二氧化碳。另外還有耗氫產乙酸菌群，這種細菌群體利用氫和二氧化碳生成乙酸，還能代謝糖類產生乙酸，它們能轉變多種有機物為乙酸。
（三）產甲烷階段
在此階段中，產甲烷細菌群，可以分為為食氫產甲烷菌和食乙酸菌兩大類群，已研究過的就有70多種產甲烷菌。它們利用以上不產甲烷的三種菌群所分解轉化的甲酸、乙酸等簡單有機物分解成甲烷和二氧化碳，其中二氧化碳在氫氣的作用下還原成甲烷。這一階段叫產甲烷階段，或叫產氣階段。
12、沼氣發酵的基本條件。
一、適宜的發酵原料二、質優足量的菌種三、嚴格的厭氧環境四、適宜的發酵溫度五、適度的發酵濃度六、適宜的酸堿度
13、生物柴油的優點與缺點
優點：1.具有優良的環保特性
2.具有較好的低溫發動機啟動性能
3.具有較好的潤滑性能、安全性能、燃料性能、再生性能
4.無須改動柴油機
5.生物柴油以一定比例與石化柴油調和使用，可以降低油耗、提高動力性，并降低尾氣污染
缺點：1.以菜籽油為原料生產的生物柴油成本高
2.用化學方法合成生物柴油有以下缺點
3.低溫啟動性能不佳。
4.燃燒排放物中NOx含量較高。
5.含有微量甲醇與甘油，會使接觸的橡膠零件，如橡膠膜、密封圈、燃油管等逐漸降解。
6、油脂來源分散，品種復雜。
14、目前利用生物酶法制備生物柴油存在哪些亟待解決的問題？
答：（1）脂肪酶對長鏈脂肪醇的酯化或轉酯化有效，而對短鏈脂肪醇（如甲醇或乙醇等）轉化率低，一般僅為40％-60％：
（2）甲醇和乙醇對酶有一定的毒性，容易使酶失活
（3）副產物甘油和水難以回收，不但對產物形成一致，而且甘油也對酶有毒性；
（4）短鏈脂肪醇和甘油的存在都影響酶的反應活性及穩定性，使固化酶的使用壽命大大縮短。
15、生物柴油的制備方法有哪些？
答：可分為兩大類：物理法和化學法。
一、物理法：通過物理機械的方法，改變原料油脂或脂肪的黏度和流動性等得到生物柴油，包括直
接混合法和微乳液法。
①直接混合法：將植物油與礦物柴油按一定的比例混合后作為發動機燃料使用。
②微乳液法：將動植物油與溶劑混合制成微乳狀液也是解決動植物油高黏度的辦法之一。
二、化學法：通過原料油脂或脂肪，與低碳醇在催化劑存在的情況下，進行化學反應生成相應酯
的過程，分為高溫裂解法和酯交換法。
經充分燃燒后產生蒸汽推動汽輪發電機發電
9沼氣的產生，發酵原料來源于人畜糞便及廢棄有機物（如秸桿、污水等）
6、簡述能源植物的優點。
（1）環保性。不含硫化物，因此不會形成酸雨。還可以通過生物降解，從而避免對土壤和地下水的污染。
（2）低成本。能源植物的分布廣，若能因地制宜地進行種植，便能就地取材生產燃料酒精或者生物柴油，
不需要進行勘探、鉆井、采礦和提煉等過程，也減少了長途運輸、管道輸送等成本。
（3）可再生性：只要有光、水和土壤，它就能生長，取之不盡，用之不竭。
（4）安全性：使用起來比核能安全，不發生爆炸、泄漏。
7、簡述世界燃料酒精生產現狀及發展趨勢。
答：國外應用現狀及發展趨勢：世界酒精的66％用于燃料，14％用于食用，11％用于工業溶劑，9％用于其它
化學工業。發酵酒精作車用燃料有兩種方式：其一是配制汽油和無水酒精的混合物——汽油醇.其二是直接
利用酒精作為汽車燃料，這時必需使用專門設計的，具有更高壓縮比的發動機。
國內現狀：生物乙醇汽油的消費量已占到全國汽油消費總量的20％。2006年，我國燃料乙醇的生產達
到130萬噸。我國生物乙醇汽油在生產、混配、儲運及銷售等方面已擁有較成熟的技術。目前我國發展非糧乙醇的可行之路，在于發展用甜高粱、甘薯、木薯等原料來替代糧食。8、（P187）簡述世界生物柴油生產現狀及發展趨勢。
答：世界各國，尤其是發達國家，都在致力于開發高效、無污染的生物質能利用技術，歐洲已成為全球
生化柴油的主要生產地。美國、意大利、法國已相繼建成生物柴油生產裝置數百座。
截止2007年，中國有大小生物柴油生產廠2000多家。生物柴油的需求量在不斷增加，預計到2012年，
中國生物柴油的需求量將達到2000萬噸/年，按國家再生能源中長期規劃，那時的產能是20萬噸/年。需
求與產量的反差，將會是形成產品供不應求的局面。向基地化和規模化方向發展，實行集約經營，形成產
業化目前，原料短缺是制約生物柴油產業化發展的重要瓶頸。
9、沼氣工程的意義。
答：1.生產清潔能源一高效、可再生能源
2.治理環境污染一處理糞便、垃圾、有機廢水、廢渣
3.提高企業經濟效益一綜合利用、改善生產條件
4.形成新的產業一設計、施工、副產品生產銷售、配套設備加工
5.發展農村戶式沼氣具有極高的經濟性和實用性。
10、簡述沼氣發酵的基本原理。
答：在沼氣發酵過程中，主要有：“發酵性細菌、產氫產乙酸菌、耗氧產乙酸菌、食氫產甲烷菌和食乙
酸產甲烷菌”等五大菌群參與活動。
①.發酵性細菌：一些不溶性物質被發酵性細菌所分泌的胞外酶水解為可溶性的糖、肽、氨基酸和脂酸，再
將吸入細胞，發酵為乙酸、丙酸、丁酸等和醇類及一定量的H及CO
以纖維素為例，反應過程如下：（CH0）＋nHO→n（CHO）
CHO CHCOOH ＋ CHCHCOOH ＋ CHCHCHCOOH ＋3C0＋3H
②.產氫產乙酸菌：除甲酸、乙酸和甲醇外的物質均不能被產甲烷菌所利用，所以必須由產氫產乙酸菌將其
分解轉化為乙酸、氫和二氧化碳反應過程如下：
CHCHCOOH＋2H0 CHCOOH ＋ CO＋ 3H CHCHCHCOOH ＋ 2H0 2CHCOOH ＋ 2H③.耗氫產乙酸菌：它們既能利用H2＋C02生成乙酸，也能代謝糖類生成乙酸。
2CO2＋4H2→CH3COOH＋2H2OC4H12O4→3CH2COOH
④.產甲烷菌（食氫、食乙酸）：它們在厭氧條件下將前三群細菌代謝的終產物，在沒有外源受氫體的情況
下，把乙酸和H2/C02轉化成CH4/C02。產甲烷菌廣泛存在于水底沉積物和動物消化道等極端厭氧的環境
中。生成CH4的主要反應如下：
CHCOOH→CH＋CO4H＋CO→CH＋2H0
5、濕法生產玉米淀粉中玉米籽粒的破碎目的是什么？一般采用什么設備？
玉米破碎的目的就是要把玉米破碎吃呢個碎塊，使胚乳和胚芽分開，并釋放出一定數量的淀粉。
設備：脫胚磨。
6、影響玉米破碎效果的因素有哪些？
（1）玉米品種和浸泡質量（2）脫胚磨工作情況（3）進料固液比：1：3（4）破碎質量控制：兩次破碎工藝
7、分離胚芽的設備：
旋液分離器（水力旋流分離器和氣體旋流分離器）：原理：利用離心力使顆粒大小、相對密度不同的
懸浮顆粒分離。
8、玉米精磨主要采用什么設備？其目的是什么？
設備：沙盤磨、錘碎機、沖擊磨
目的：破壞玉米碎塊中淀粉與非淀粉成分的結合，使淀粉最大限度的游離出來，分出纖維渣，并使胚
乳中蛋白質與淀粉顆粒分開，以便進一步分離和精制。
9、纖維的分離及洗滌采用什么設備？
壓力曲篩。
三、論述題
1、玉米是世界上主要糧食作物之一，在農業生產中占有重要的地位。請寫出玉米淀粉生產的主要工
藝流程？
凈化玉米送至浸泡罐浸泡，浸泡完成后軟化玉米松土一次磨進行破粹和脫胚，脫胚后混合物送入精磨，分理處纖維的細淀粉乳進行主分離，多級淀粉洗滌。
2、玉米子粒中含淀粉70％～72％，較先進的淀粉提取工藝可提取淀粉65％～70％。在淀粉生產工藝
過程中未提取出來的淀粉和子粒中的其他成分均為淀粉廠的副產品。請問對玉米淀粉廠副產物綜合利
用的具體措施主要體現在那幾個方面？
（1）浸出液可提取植酸，濃縮生產玉米漿可做飼料和送至生產抗生素、酵母及酒精的工產使用；
（2）胚芽可提煉玉米油；
（3）敖質制成的成品稱玉米蛋白粉；
（4）玉米纖維通過分離手段去除玉米皮中的淀粉、蛋白質、脂肪等物質可制成食物纖維，用作高纖
維食品的添加劑。
第四章淀粉糖
一、填空題
1、淀粉糖品的種類有（液體葡萄糖）、（結晶葡萄糖）、（麥芽糖漿）、（麥芽糊精）、（麥芽低
聚糖）和（果葡糖漿）。根據工藝和純度（結晶葡萄糖）、（全糖）。
2、淀粉液化方法有三種，分別是（升溫液化法）、（高溫液化法）和（噴射液化法）。
3、酸法糖化工藝中，糖液精制方法，一般采用（堿中和）、（活性炭吸附脫色）和（離子交換脫鹽）二、簡答題
1、什么是液體葡萄糖？
液體葡萄糖是控制淀粉適度水解得到的以葡萄糖、麥芽糖、低聚麥芽糖以及糊精組成的淀粉糖漿，主
要成分為葡萄糖和麥芽糖，又稱葡麥糖漿。
2、在糖工業中經常用DE值，請問DE值表示什么？
即葡萄糖值，表示淀粉水解的程度。
3、什么是麥芽糖漿？
麥芽糖漿是以淀粉為原料，經酶或酸-酶結合法水解制成的一種淀粉糖漿
4、什么是麥芽糊精？
麥芽糊精是指以淀粉為原料。經酸法或酶法低程度水解，得到的DE在20％以下的產品。
第二章玉米淀粉生產技術
一、填空題
1、玉米屬禾本科玉米屬，按GB依種皮顏色分為（黃玉米）、（白玉米）和（混合玉米）三類。按籽粒性狀可分為（馬齒型）、（半馬齒型）等。
2、玉米子粒的化學組成主要是（淀粉），約占子粒質量的（71.8）％，還含有（蛋白質）、（脂肪）（纖維素）和（半纖維素）。
3、玉米籽粒中所含的各種化學物質在籽粒的各個部位的分布是不均勻的，胚乳中含量最高的是（淀
粉），胚芽中含量最高的是（脂肪），皮層中含量最高的是（半纖維素）。
4、玉米籽粒中的碳水化合物主要是（淀粉）和（糖類）。
5、玉米籽粒含有約（8％～14％）的蛋白質，這些蛋白質，（75％）在胚乳中，（20％）在胚芽中。6、玉米籽粒各部位中各類蛋白質含量不同，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（濕法）兩種。
8、玉米浸泡操作過程中，一般情將玉米子粒浸泡在含有（0.25-0.35）％濃度的亞硫酸水中。在
（49-53℃）的溫度下，保持（50h）時間，即完成浸泡操作。
9、玉米中的雜質分（有機雜質）和（無機雜質）兩類。
10、玉米浸泡方法分為（靜止浸泡法）和（逆流擴散浸泡法）。
10、玉米破碎、胚芽分離的工藝流程一般采用二次（破碎），二次（分離胚芽）的方法。胚芽洗滌要
在胚芽洗滌（曲篩）上進行，洗滌（曲篩）也是（重力曲篩）。
11、玉米經過破碎和分離胚芽之后，含有（胚乳碎粒）、（麩質）、（皮層）和（部分淀粉顆粒）。
13、玉米分離纖維后的淀粉懸浮液中的干物質，除（淀粉）外還有較多的（非淀粉類）物質，如（蛋
白質）、（脂肪）、（灰分）等。
14、淀粉與麩質分離的工藝流程有三種：（分離機分離）工藝流程、（分離機-旋流器分離）工藝流
程、（全旋流器分離）工藝流程
15、淀粉乳洗滌精制常用（旋液分離器）、（沉降式離心機）和（真空過濾機），現已普遍使用專供
淀粉洗滌用的（旋流分液器）。
16、生產流程圖P41
玉米淀粉濕磨法加工的核心是（熱環流原理），包括：物環流、水環流、熱環流。
二、簡答題
1、玉米子粒的結構特征有哪些？
主要由皮層、胚乳、胚芽和根帽等部分組成。
2、利用亞硫酸溶液浸泡玉米的作用是什么（玉米淀粉制備工藝過程中，一般采用亞硫酸作為浸泡液，浸泡作用主要有哪幾點）？
亞硫酸在一定的濃度和溫度條件下有較好的氧化還原和防腐作用。
（1）氧化還原和防腐作用（2）溶解（3）解聚蛋白質分子的二硫鍵
3、玉米浸泡中產生乳酸的作用是什么？
（1）促進玉米蛋白質軟化和膨脹
（2）保持溶液中鈣離子和鎂離子，減少蒸發設備不溶性物質的沉積；
（3）過量的乳酸在能增加蛋白質的溶解度的同時也會促進蛋白質的變性，使淀粉和蛋白質的分離更
加困難。
4、對浸泡罐中的每個浸泡罐來說，完整的浸泡過程包括哪四步？
（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
應用以及污染4、可再生能源5、不會增加大氣中的C02
20.乙醇脫水制備燃料乙醇的方法：
目前制備燃料乙醇的方法主要有化學反應脫水法、恒沸精餾、萃取精餾、吸附、膜分離、真空蒸餾法、離子交換樹脂法等。
21.木質纖維素糖化發酵的四種類型及其目前各自面臨的技術難題：
（1）物理法：球磨、壓縮球磨、爆破粉碎、冷凍粉碎、聲波、電子射線。
弊端：效果不明顯、處理成本高、條件苛刻。
（2）化學法：酸、堿、有機溶劑。
弊端：污染嚴重、設備要求高、損失大、收率低。
（3）理化法
（4）生物法：木質素降解微生物：白腐真菌為主、木質素降解酶類：Lacs、Lips、MnPs等、木質素降解條件、木質素降解分子生物學
22.生物質發電的意義：
1、緩解能源短缺；
2、增加我國清潔能源比重：
3、改善環境：
4、擴大鄉鎮產業規模，增加農民收入，縮小城鄉差距。
23.氫能的特點：
（1）所有元素中，氫重量最輕：
（2）所有氣體中，氫氣的導熱性最好；
（3）氫是自然界存在最普遍的元素，據估計它構成了宇宙質量的75％；
（4）除核燃料外，氫的發熱值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的；
（5）氫燃燒性能好，點燃快：
（6）氫本身無毒，與其他燃料相比氫燃燒時最清潔；
（7）氫能利用形式多，既可以通過燃燒產生熱能，又可以作為能源材料用于燃料電池，或轉換成固態氫用作結構材料。
三、設計題
1、沼氣池的類型、組成和設計原理。
沼氣池組成
1進料口和進料管
進料口位于畜禽舍地面下，由設在地下的進料管與發酵間連通。進料口將廁所、畜禽糞便污水通過進料管流入沼氣池發酵間。進料管內徑一般為200-300mm，采取直管斜插于池墻中部或直插與池頂部的方式
與發酵間連通，目的是保持進料順暢、攪拌方便、施工方便。
2、發酵間和儲氣室
是沼氣池的主體，可分為發酵間和儲氣室。發酵原料在發酵間進行發酵，產生的沼氣溢出水面進入上部的削球形儲氣室儲存。因此，要求發酵間不漏水，儲氣室不漏氣。
3、水壓間（出料間）
主要功能是為儲存沼氣、維持正常氣壓和便于出料而設置的，其容積由沼氣池產氣量來決定，一般為沼氣池24小時所產沼氣的一半。水壓間與發酵間的連接，隨著出料方式的不同而存在兩種方式：
①當滿足沉降、殺滅寄生蟲卵的需要，采取中層出料時，水壓間通過安裝于其中部的出料管與發酵間連接
②為便于出料、免除一年一度的大換料，采取底層出料時，水壓間通過其下部的出料口與發酵間直接相通
4、活動蓋
設計在池蓋的頂部，呈瓶塞狀，上大下小。活動蓋可以按需要開啟或關閉，是一個裝配式的部件。其功能主要有：
（1）在進行沼氣池的維修和清除沉渣時，打開活動蓋可以排除池內殘存有害氣體，并利于通風、采光，使操作安全。
（2）當遇到導氣管堵塞、氣壓表失靈等特殊情況，造成池內氣壓過大時，活動蓋即被沖開，從而降低池內氣壓，使池體得到保護。
（3）當池內發酵表面嚴重結殼，影響產氣時，可以打開活動蓋，破碎浮渣層，攪動料液。
5導氣管
固定在沼氣池拱頂最高處或活動蓋上的一根內徑1.2cm，長25-30cm左右的銅管、鋼管或PVC硬塑管等，下端與儲氣室相通，上端連接輸氣管道，將沼氣輸送至農戶，用于炊事與照明。
沼氣池的設計原理
建造“模式”中的沼氣池，首先要做好設計工作。總結多年來科學實驗和生產實踐的經驗，設計與模式配套的沼氣池必須堅持下列原則：
（1）必須堅持“四結合”原則“四結合”是指沼氣池與畜圈、廁所、日光溫室相連，使人畜糞便不斷進入沼氣池內，保證正常產氣、持續產氣，并有利于糞便管理，改善環境衛生，沼液可方便地運送到日光溫室蔬菜地里作肥料使用。
（2）堅持“圓、小、淺”的原則“圓、小、淺”是指池型以圓柱形為主，池容6～12立方米，池深2米左右，圓形沼氣池具有以下優點：第一，根據幾何學原理，相同容積的沼氣池，圓形比方形或長方形的表面積小，比較省料。第二，密閉性好，且較牢固。圓形池內部結構合理，池壁沒有直角，容易解決密閉問題，而且四周受力均勻，池體較牢固。第三，我國北方氣溫較低，圓形池置于地下，有利于冬季保溫和安全越冬。第四，適于推廣。無論南方、北方，建造圓形沼氣池都有利于保證建池質量，做到建造一個，成功一個，使用一個，鞏固一個，積極穩步地普及推廣。小，是指主池容積不宜過大。淺，是為了減少挖土深度，也便于避開地下水，同時發酵液的表面積相對擴大，有利于產氣，也便于出料。
（3）堅持直管進料，進料口加算子、出料口加蓋的原則直管進料的目的是使進料流暢，也便于攪拌。進料口加算子是防止豬陷入沼氣池進料管中。出料口加蓋是為了保持環境衛生，消滅蚊蠅孳生場所和防止人、畜掉進池內。
沼氣池分類
1、按儲氣方式有水壓式、浮罩式和氣袋式三大類，在實際應用中，水壓式最為普遍，浮罩式次之。
2、按幾何形狀有圓筒形、球形、橢球形、長方形、方形、拱形等多種形狀，其中，圓筒形池和球形池應用最為普遍。
3、按建池材料有混凝土結構池、磚結構池、塑料（或橡膠）池、玻璃鋼池、鋼絲網水泥池、鋼結構池等，在實際應用中，最為普遍的是混凝土結構池。
4、按沼氣池埋設位置有地下式、半埋式和地上式，在實際應用中以地下式為主。
5、按發酵溫度有常溫發酵池、中溫發酵池和高溫發酵池。除此以外，也有按照發酵工藝進行分類的。2、以餐飲業廢棄油脂為原料生產生物柴油的工藝流程圖及文字說明。
3、以木薯為原料生產燃料乙醇的工藝流程圖及文字說明。P159
4、木質纖維素生產燃料乙醇的工藝流程圖及文字說明。P166
四、能力拓展題
1、請對目前我國生物柴油（P188）、燃料乙醇（P173）和生物質發電（P203小）等生物質能產業面臨的主要困難進行分析，并提出你的解決方案。
2、如果要你自主創業，籌建一家生物質發電廠，你將如何實施？
3、我國生物柴油產業如何才能走出困境？請談談你的看法。P189-190
4、利用微藻生產生物柴油是一種很好的發展思路，但目前已知的微藻合成生物柴油的產量低，請問：從理論上來說，可以通過哪些途徑獲得高生物柴油產量的微藻？
生物柴油的“工程微藻”法：
提高微藻油脂總產量的根本思路是提高細胞油脂合成途徑相關酶的總活力，并通過代謝調控使代謝中間物更多地分流到油脂合成途徑，在生物量和細胞含油率之間尋求平衡乃至從根本上解決生長率和含油率之間的矛盾，以獲得最多的油脂產量（油脂產量＝含油率×生物量）。目前主要有兩種方法：優化培養法和基因工程法。
4.1優化培養法
優化培養是以實驗藻種現有的代謝體系為基礎，通過創造一種生理壓力（如氮源短缺等逆境條件）來調整代謝流適當向油脂合成方向轉換，是從生理生化水平對微藻進行代謝調控來增加油脂總產量。
優化培養法增油脂的技術手段優化培養法增油脂主要通過優化營養供應和培養環境、采用最佳培養方式和培養流程等技術手段來進行。研究者通過對碳源、氨源、磷源、鐵離子、硅等的種類或供應量的優化，摸索出利于微藻產油的營養條件；通過對培養液的pH值、光照強度、溫度、鹽度等環境條件的優化，總結出適于微藻產油的最佳培養環境；通過對分批培養、分批補料培養、半連續培養、連續培養，靜置培養、通氣培養，單一藻種培養、多種藻混合培養，兩步培養法等多種培養方式的摸索，選擇適合微藻產油的最佳培養方式。鑒于微藻的優化培養在很多綜述和專著中曾多次討論過，故不再贅述。
4.2基因工程法
基因工程法增油脂是指通過對微藻油脂合成相關途徑關鍵基因的操作，從分子水平化解高生長率和高含油率之間的矛盾，以構建出能夠快速積累油脂的工程微藻藻株。目前，研究者主要通過兩個方面的基因操作來提升油脂合成能力：（1）超表達與油脂合成直接或間接相關的關鍵酶；（2）阻斷與油脂合成途徑競爭中間代謝物的其他途徑的關鍵酶。
4.2.1超表達與油脂合成直接或間接相關的關鍵酶乙酰輔酶A羧化酶（ACC）:鑒于ACC對脂肪酸合成途徑代謝流的重要調控作用，ACC被轉入到很多不同物種中超表達以求增加油脂產量。
4.2.2阻斷油脂合成的競爭途徑由PEPC催化的將PEP催化為草酰乙酸的途徑：根據陳錦清的“底物競爭”理論，ACC和PEPC的相對活性影響著脂類合成途徑的原料供應量：PEPC會催化磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）羧化為草酸乙酸進入氨基酸生物合成途徑，因而導致分流到脂肪酸合成方向的PEP減少，脂肪酸合成量降低；故抑制PEPC活性有助于使進入脂肪酸合成途徑的丙酮酸增多，為脂肪酸合成提供更多原料。
采用基因工程手段，培育出遺傳穩定、生長迅速的微藻產油株系，以此為基礎構建起較為簡單的培養流程并因而降低生產成本，這是促使微藻生物柴油迅速工業化生產的最關鍵問題。雖然通過基因工程法促使微藻大量生產油脂尚未成功，但是油料作物如大豆、油
菜中的成功案例使我們看到了希望。
補充：“工程微藻”生產柴油，為柴油生產開辟了一條新的技術途徑。美國國家可更新實驗室（NREL）通過現代生物技術建成“工程微藻”，即硅藻類的一種“工程小環藻”。在實驗室條件下可使“工程微藻”中脂質含量增加到60％以上，戶外生產也可增加到40％以上，而一般自然狀態下微藻的脂質含量為5％-20％。“工程微藻”中脂質含量的提高主要由于乙酰輔酶A羧化酶（ACC）基因在微藻細胞中的高效表達，在控制脂質積累水平方面起到了重要作用。目前，正在研究選擇合適的分子載體，使ACC基因在細菌、酵母和植物中充分表達，還進一步將修飾的ACC基因引入微藻中以獲得更高效表達。
1. 2mol 298K， 5dm2的He（g），經過下列可逆變化:
（1） 等溫壓縮到體積為原來的一半；
（2） 再等容冷卻到初始的壓力。
求此過程的Q、W、AU、△H和AS.已知C，（He，g）＝20.8J-K-mol＂＇。
解：體系變化過程可表示為
等溫壓縮 等容冷卻
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 理想氣體從 40℃冷卻到 20℃，同時體積從 250dm3變化到 50dm’。已知該氣體的
Cp.＝29.20J-K＂-mol＇，求△s.
解：假設體系發生如下兩個可逆變化過程
等溫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某理想氣體（C，-29.36 J-K＂-mol＂）在絕熱條件下由273.2K，1.0MPa膨脹到203.6K，
0.1MPa 求該過程的Q、W、△U、△H和△S。
解：273.2K絕熱
203.6K
1.0MPa膨脹
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. 有一帶隔板的絕熱恒容箱，在隔板兩側分別充以不同溫度的 H2和 O2，且 Vi＝V2（見圖），
若將隔板抽去，試求算兩種氣體混合過程的As （假設此兩種氣體均為理想氣體）。
1mol O2
10℃，Vi1mol H2
20℃，V2
解：先由能量衡算求終溫。O2 與 H2 均為雙原子分子理想氣體，故均有 C，，＝5R/2，設終溫為 T，則Cvm（H2） （293.2-T）＝C（O2） （T-283.2）
T＝288.2K
整個混合過程可分以下三個過程進行：
恒容△S
1 mol，O2，283.2K1mol，O2，T
恒容△S2在恒溫恒壓下混合達狀態
1mol，H2，293.2K1mol，H2，T
△S
當過程①與②進行后，容器兩側氣體物質的量相同，溫度與體積也相同，故壓力也必然相同，即可進行過程③。三步的熵變分別為：
△S＝C（O2） In288.2x8.314m 28.2.0.364 ?J.?
283.2
5. 100g、10℃的水與200g、40℃的水在絕熱的條件下混合，求此過程的熵變。已知水的比熱
容為4.184J.K1.g1.
解：：絕熱混合: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為混合后的溫度
＝1.40（J.к-）
6，過冷CO2（1）在-59℃時其蒸氣壓為465.96kPa，而同溫度下CO2（s）的蒸氣壓為439.30kPa.求在-59℃、101.325kPa 下，1mol 過冷 CO2（1）變成同溫、同壓的固態 CO2（s）時過程的 △S，設壓力對液體與固體的影響可以忽略不計。已知過程中放熱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）在正常沸點-182.97℃時蒸發為101325Pa的氣體，求此過程的As。已知在正常沸點時 O2（1）的 △nH＝6.820kJ-K＂1。
解：O2在 p°，—182.97℃時的飽和蒸氣壓為 101.325Pa，該相變為等溫可逆相變
Q＝nΔpHm故AS-QT＝ΔHT2x620x10＝151J.
已知此過程的AG＝-800J.mol，AV＝2.75cm3.mol。試求在298K時最少需
施加多大壓力方能使文石成為穩定相？
解：CaCO3（文石）
CaCO3（方解石）
298K，p298K， p
GAGs
文石△G2＞
方解石
298K，p298K，p
設298K，壓力p時，CaCO3（文石）→CaCO3（方解石）這個反應以可逆方式進行，
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℃時，冰的蒸氣壓為475.4Pa，過冷水的蒸氣壓為489.2Pa，試求在-3℃時1mol過冷H2O轉變為冰的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的理想氣體反抗恒定的外壓力等溫膨脹到壓力等于外壓力，體積為原
來的10倍，試計算此過程的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時，C6H（s）的蒸氣壓為2280Pa， -5℃時 C6H6（l）凝固時AS_＝-35.65J·Kmol＇，
放熱9874J-mol，試求-5C時CH（l）的飽和蒸氣壓為多少？
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下有下列相變化：
CaCO3（文石）→CaCO3（方解石）
8. 1mol 水在 100℃及標準壓力下向真空蒸發變成 100℃及標準壓力的水蒸氣，試計算此過程
的As，并與實際過程的熱溫熵相比較以判斷此過程是否自發。
解: AS--4067x10 -10898J.K.mol
向真空膨脹， 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， 所以此過程為不可逆過程
9. 1molH20（1）在100℃， 101325Pa下變成同溫同壓下的H20（g），然后等溫可逆膨脹到
4x10＊Pa，求整個過程的As。已知水的蒸發焓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
灰錫-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）的反應可自發進行
灰錫較白錫穩定
14.已知298.15K下有關數據如下：
物質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標準狀態下，1molα-右旋糖［CH12O（s）］與氧反應的標準摩爾吉布斯自由
能。
解：因為化學反應一般是在恒T、恒V下或者在恒T、恒下進行，所以求化學反應的AG最
基本公式應為A，G（T）＝A，H（T）-TA，Sm（T）
本題求298.15K、標準狀態下α-右旋糖的氧化反應如下
298.15K標準狀態下
C6H12O6（s）＋602（g6CO2（g）＋6H2O（1）
故的計算式為A，G.A，H.AS
AG（298.15K）的計算式為
AG（298.15K） ＝A H（298.15K）-298.15KX AS（298.15K）
據題給數據
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為-19.25kJ-mol，反應式為：
天冬氨酸＋NH＋ATP
天冬酰胺＋AMP＋PPi（無機焦磷酸）（0）
已知此反應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）
已知反應（3）和（4）的△，G分別為一41.84kJ-mol和-33.47kJ-mol，求反應（2）的△，G值.
解：反應方程式（1）＋（2）（0）
∴A，G（1）＋A，G（2）＝A，G
又有反應方程式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.固體碘化銀AgI有a和β兩種晶型，這兩種晶型的平衡轉化溫度為146.5℃，由α型轉化
為B型時，轉化熱等于6462J·mol-1。試計算由α型轉化為β型時的AS。
解：AgI（a）AgI（B）
AS＝Q/T＝AH/T＝6462/419.7＝15.4J. K. mol
17.試判斷在10℃及標準壓力下，白錫和灰錫哪一種晶形穩定。已知在25℃及標準壓力下有
下列數據：
物質△HJmol＇）
S298 /（JKmol） Cp.m /（JKmol）
白錫0
52.30
26.15
一、填空題（30分）
1、鋼的合金化基本原則是多元適量、復合加入。在鋼中細化晶粒作用較大的合金元素有Ti、V、Nb等，細化晶粒對鋼性能的作用是既強化又韌化
2、在鋼中，常見碳化物形成元素有Ti、Nb、V、Mo、W、Cr、（按強弱順序排列，列舉5個以上）。鋼中二元碳化物分為兩類：rrM≤0.59為簡單點陣結構，有MC和M2C型；r/＞0.59為復雜點陣結構，有M23C6、M2C3和M3C型。3、選擇零件材料的一般原則是使用性能要求、工藝性要求和經濟性要求等。汽車變速箱齒輪常用20CrMnTi鋼制造，經滲碳和淬回火熱處理。
4、奧氏體不銹鋼1Cr18Ni9晶界腐蝕傾向比較大，產生晶界腐蝕的主要原因是晶界析出Cr2C，導致晶界區貧Cr，為防止或減輕晶界腐蝕，在合金化方面主要措施有降低碳量、加入Ti、V、Nb強碳化物元素
5、影響鑄鐵石墨化的主要因素有碳當量、冷卻速度。球墨鑄鐵在澆注時要經過孕育處理和
球化處理。
6、鐵基固溶體的形成有一定規律，影響組元在置換固溶體中溶解情況的因素有：溶劑與溶質原子的點陣結構、原子尺寸因素電子結構
7、對耐熱鋼最基本的性能要求是良好的高溫強度和塑性、良好的化學穩定性
常用的抗氧化合金元素是Cr、Al、Si
二、解釋題（30分）
1、40Mn2鋼淬火加熱時，過熱敏感性比較大。
答案要點：在C％較低時，Mn可以細化珠光體。在C％較高時，Mn加強了C促進奧氏體晶粒長大的作用，且降低了A1溫度。因此40Mn2鋼過熱敏感性比較大。
2、40CrNiMo鋼正火后，切削性能比較差。
答案要點：40CrNiMo鋼因含有Ni、Cr能提高淬透性，正火后都能得到許多馬氏體組織，使切削性能變差。
3、球墨鑄鐵的強度和塑韌性都要比灰口鑄鐵好。
答案要點：球鐵中，石墨呈球形，灰口鐵石墨呈片狀。球狀石墨對基體的切割作用和石墨的應力集中效應大大小于片狀，球鐵基體的利用率大大高于灰口鐵，所以球墨鑄鐵的強度和塑韌性都要比灰口鑄鐵好。
4、鋁合金的晶粒粗大，不能靠重新加熱熱處理來細化。
答案要點：由于鋁合金不象鋼基體在加熱或冷卻時可以發生同素異構轉變，因此不能像鋼一樣可以通過加熱和冷卻發生重結晶而細化晶粒。
5、H68、H70俗稱彈殼黃銅，常用于制造炮彈殼、子彈殼。
答案要點：H68、H70組織中只有單相α組織，它的塑性較好，因此適合制造一些需要進行深沖加工的零件如炮彈殼、子彈殼等。
6、在一般鋼中，應嚴格控制雜質元素S、P的含量。
答案要點：S元素在鋼中會形成低熔點（989℃）FeS，在1000℃以上的熱壓力加工過程中會熔化，使鋼在熱壓力加工中產生熱脆；P元素在鋼中會形成硬脆的Fe3P相，使鋼在冷加工中產生應力集中而發生冷脆。所以，一般鋼中S、P常看作雜質元素，應嚴格控制的含量。
三、問答題（40分）
1、試總結Si元素在合金鋼中的作用，并簡要說明原因。
答案要點：Si的作用如下：
1）提高鋼強度；Si是鐵素體形成元素，有較強的固溶強化作用；
2）提高鋼的淬透性；可阻止鐵素體形核和長大，使“C”曲線右移；
3）提高低溫回火穩定性；因Si可以抑制回火時K的形核、長大及轉變；
4）提高淬火加熱溫度；，Si提高A1溫度。
5）提高抗氧化性，因為它可以形成致密穩定的氧化膜，同時可以提高FeO
的形成溫度。
6）加熱時易脫碳；Si是促進石墨化的元素。
2、畫出示意圖說明高速鋼的鑄態組織。簡述高速鋼中W、V、Cr合金元素的主要作用。高速鋼在淬火加熱時，如產生欠熱、過熱和過燒現象，在金相組織上各有什么特征。
答案要點：高速鋼鑄態組織中有魚骨狀萊氏體Ld、黑色共析體、白亮馬氏體
和殘余奧氏體組成（圖略）
W的作用主要是提高鋼紅硬性。主要形成WC，淬火加熱時未溶K
阻礙晶粒長大，溶解部分提高抗回火穩定性，在回火時彌散析出WC，
提高耐磨性。但是W降低了鋼的導熱性。V顯著提高紅硬性、硬度和耐
磨性，同時可有效降低過熱敏感性。Cr提高淬透性，提高耐蝕性和抗氧
化性，提高切削性。
高速鋼在加熱時如如產生欠熱、過熱和過燒現象，在金相組織上各有
不同的特征。欠熱組織有大量的未溶碳化物，晶粒細小；過熱組織晶粒
粗大，未溶碳化物少而角狀化；過燒組織中有晶界溶化現象，出現萊氏
體和黑色組織。
3、鋼的強化機制主要有哪些？從合金化角度考慮，提高鋼的韌度主要有哪些途徑？
答案要點：鋼的強化記者主意有：固溶強化、細化強化、位錯強化、第二相強
化。從合金化角度考慮，提高鋼的韌度主要途徑有：
1）細化奧氏體晶粒。如強碳化物形成元素Ti、Nb、V、W、Mo等。
2）提高鋼的回火穩定性。在相同強度水平下能提高塑性和韌度。
3）改善基體的韌度。如加Ni.
4）細化碳化物。碳化物細小、園整、分布均勻和適量對韌度有利。
5）降低或消除回火脆性。如加入W、Mo。
6）保證強度時，降低才C％.
4、從熱力學和動力學條件分析壁厚鑄件可得到石墨組織，而在壁薄時卻得到白口組織？答案要點：從熱力學而言，高溫鐵水冷卻時對石墨的形成是有利的。而從動力
學條件看，形成石墨需要高的C濃度起伏和Fe、C長距離的擴散，而Fe3C
的形成只需要C濃度起伏和Fe、C短距離的擴散，因此不利于石墨的形
成但有利于Fe3C的形成。鑄件在壁厚時，由于冷速慢，C原子可充分擴
散，石墨形成的動力學條件較好，有利于石墨形成。壁薄時，由于鐵水冷
卻快，C原子不能充分擴散，所以易得到Fe3C白口組織。
有一定厚度，一定光潔度以及一定表面要求的連續薄片卷材。
9.帕斯卡定律：加在密閉液體上的壓強，能夠大小不變地由液體向各個方向傳遞。
二、選擇題
1.液壓控制系統中通過壓力、流量及流向三個參數控制能量的傳遞。
2.對于開煉機，要使物料不斷進入輥隙，必須使摩擦角大于接觸角。
3.密煉機中的橢圓形轉子需做成中空結構，其目的是便于涌入蒸汽加熱。
4.物料在螺槽中的整個擠出過程的狀態為三段七區，在壓縮段中，其物料形態可分為四個區。
5.擠出機的螺桿表面與物料的摩擦系數 f， 和料簡表面與物料的摩擦系數 f。之間的關系為6.柱塞式注射裝置的塑化部件主要是由料筒、柱塞、分流梭和噴嘴等組成。
三、填空題
1.塑料擠出中常用的油泵有三種：葉片泵，齒輪泵和柱塞泵，他們都是容積式泵。
2.聚合物材料在加工之前常需要進行預處理，預處理設備包括篩析設備，預熱干燥設備及研磨設備。
3.開煉機前輥速度一般小于后輥速度，這可使物料產生一個對前輥包輥的趨勢。
4·密煉機的驅動方式主要有帶大驅動齒輪驅動，無大驅動齒輪驅動和雙輸出軸驅動三種。5·一般將擠壓，傳動，加壓冷卻和控制系統四個部分作為擠出機的主機。
6.從擠出機的螺桿特性線可知，機頭的壓力升高，擠出量增大，螺桿轉速越高，擠出量就越大。
7.注射機按塑化方式分類可分為柱塞式注射成型機，橡膠注射成型機和預塑式注射成型機。8.一個完善的合模裝置，應滿足在規定的注射范圍內對加速度，安裝模具和取出制品時的空間位置三個基本條件。
四、作圖題
1.畫出進油節流調速回路圖，并簡要說明。P273
2.畫出擠出機的工作圖之一，并作簡要說明。P88
五、簡答題
1.液壓系統一般由哪幾個部分組成，并說明各部分的作用。
答：一、動力元件：油泵，將機械能轉變成液壓能；二、執行元件：將液壓能轉變為機械能，推動執行機械動作對外做功；三、控制元件:以便控制系統中的壓力，流量和流向，實現所需的運動規律和動力參數。
2.開煉機輥筒為何采用表面白口鑄鐵、芯層灰口鑄鐵材料？
答：輥筒工作時承受很大的模壓力，外表面常會有材料的磨損和工具的劃拉，所以要有較高的機械強度，選用白口鑄鐵；而輥內還需要加熱或通水冷卻，要有極好的導熱性，優良的耐磨耐蝕性，選用芯層灰口鑄鐵材料。
3.橢圓形轉子密煉機的工作原理。
答：一、轉子混煉室壁間的捏煉作用；二、兩個轉子的折卷與往返切割作用；三、轉子卸料門間的攪拌作用；四、轉子與上下頂栓間的作用，密煉機是利用上頂栓對物料施加壓力在特殊形狀的轉子和混煉室之間形成連續變化的速度梯度等，實現對預混料的強烈混煉塑化。4.提高擠出機固體輸送段的固體輸送率的主要途徑有哪些？
答：一、降低螺桿表面摩擦系數，增大機筒內表面摩擦系數；二、加大固體表面輸送段或加大固體輸送段以增大固體輸送率；三、對固體輸送段進行強力冷卻。
5.擠出機的常規單螺桿存在哪些不足，新型螺桿有哪些基本類型？
答：不足：產量低，質量差，適應性窄；
1.畫出鎖緊回路圖，并作簡要說明。
2.畫出擠出機的工作圖之二，并作簡要說明。P88
五、簡答題
1.簡述液壓傳動原理，并指出容器內決定壓力極限值的因素。
答：根據帕斯卡定理，利用密封容積的變化來實現對外做功或傳遞能量，決定容器內壓力極限的因素主要為:容器的密封性，容器或管道的承壓性及驅動力的大小。
2.簡述開煉機的正常工作條件，并指出影響輥筒對物料的剪切塑化效果的主要因素。
答:正常工作條件:一是接觸角小于摩擦角，二是輥筒間應有足夠的速度梯度；影響輥筒對物料剪切塑化的主要因素：輥簡速比與輥距的大小。
3.密煉機的常用上頂栓壓力為多少？增加密煉機上頂壓力將會帶來什么影響？
答:密煉機常用的上頂栓壓力為0.2-0.6MPa之間，增大上頂栓壓力，可提高物料填充率，加劇擠壓混煉作用，增強剪切作用，改善密煉效果及縮短混煉周期，但過大而無特殊的轉子相配合，反而會造成混煉效果差。
4.擠出機主要由哪幾部分組成？通常擠出機的配套輔機主要有哪些？
答:擠出機主機主要包括擠壓系統，傳動系統，加料冷卻系統和控制系統四部分；通常輔機包括機頭，定型裝置，冷卻裝置，牽引裝置，切割裝置，卷曲裝置六個部分。
5.擠出機的分流板和濾網的作用是什么？
答：擠出機的分流板和濾網的作用是使料流由螺旋運動變為直線運動；阻止未熔融的粒子進入口模：濾去金屬等雜質；提高熔體壓力。
6，簡述注射機注射裝置的作用及對其要求，注射機裝置主要形式有哪些？
答：作用：在注射成型過程中，實現塑化質量，注射和保壓補縮等功能。
要求:能夠提供合適的壓力和速度，以保證物料能塑化均勻地注入模腔。
主要形式有柱塞式和預塑料式兩大類。
六、分析題
試分析擠出設備的技術發展趨勢。
答:為滿足塑料工業的快速發展需要，擠出生產設備近年來繼續朝著高速、高效、多效能、更精密、更節能、多規格品種及更高的自動化輔機配套方向發展，其發展趨勢：1.高速擠出機的開發； 2.大型擠出機的研制； 3.大長徑比螺桿的開發； 4.新型高效螺桿和機筒的研制和應用: 5.螺桿與機筒的材料和熱處理方式不斷進步； 6.精密擠出成型的研究和應用: 7.輔機配套水平及專用擠出機的發展。
一、名詞解釋
1.液壓沖擊：液壓系統中，當油路突然關閉或換向時產生急劇壓力峰值的現象。
2.重力篩析:利用物料間顆粒尺寸或比重差異，利用自有落體的重力差實現分選。
3.開煉機的橫壓力: P＝F/1，即一堆輥筒的分離力/輥筒工作長度。
4.錐形單螺桿：錐形螺桿的螺距與螺槽深度 H 均不變，依靠外徑的逐漸減小來達到壓縮物螺料的目的。
5.擠出機的工作點：螺桿特性曲線和口模特性曲線的交點。
6·注射速率:單位時間內熔料從噴嘴射出的理論容量。
7·塑化能力:注射裝置在1h內所能塑化物料的能力。
8·壓延成型:將基本塑化的熱塑性塑料送入一組相對轉動的平行金屬輥筒間隙中，在輥筒的進一步加熱及輥筒表面給予的擠壓作用下，使物料延展、拉伸，并利用輥筒間隙加工成具
一、名詞解釋
1.氣蝕現象：當液流中某處的局部壓力低于一定壓力時，溶解在液體中的氣體開始游離而形成氣泡，壓力繼續降低到低于液體的飽和蒸汽壓力時，液體就會大量蒸發而產生氣泡。這些氣泡混在液體中，使本來充滿著管路或元件的液體變成不連續的。氣泡隨著液流進入高壓區便迅速破裂而消失，破裂時因液體碰撞而引起局部的高壓沖擊和高溫，并產生噪聲，而輔機你的金屬表面被氧化和剝蝕的現象。
2.帕斯卡現象：
3.溶劑分選：利用不同品種的聚合物材料在溶劑中的溶解度存在差異區分物料。
4.密煉機的生產能力：單位時間內密煉機混煉塑化的能力。
5.SJ-65＊25:螺桿直徑為65mm，長徑比為25的塑料擠出機。
6.等深變距螺桿：整根螺槽深度不變，而螺距則從加料段第一個螺槽開始至計量段末端由寬變窄。
7.擠出機的口模特性線：在流率Q-機頭壓力P坐標上畫一條通過坐標原點的直線，其斜率為ku（口模常數/物料的粘度），不同的直線代表著不同的口模。將這條直線稱為口模特性線。
8.輥筒撓度：輥筒彎曲變形時橫截面形心沿與軸線垂直方向的線位移。
9.注射量：機器在對空注射條件下，注射螺桿或柱塞做一次最大注射行程時，注射裝置所能達到的最大注射量。
10.注射機的空循環時間：沒有進行塑化、注射、保壓、冷卻與取制品等動作情況下，完成一次循環所需的時間。
二、選擇題
1.容積式油泵的理論流量與壓力無關。
2.液體靜壓力是一種純粹的壓應力，其作用方向與承壓面的法線重合。
3.密煉機的上頂栓對預混料的壓力增大，將會提高密煉機的生產能力。
4.開煉機的輥距是可調的，通常調距裝置可滿足輥距約在0.1-15mm范圍內可調。
5.物料在螺槽中的整個擠出過程的狀態為三段七區，在計量段（亦稱為熔體輸送段）中，其物料形態存在一個區。
6.與擠出螺桿相比，注射螺桿的壓縮比較小。
7.注射螺桿頭與擠出螺桿頭不一樣，注射螺桿頭多為尖頭。
三、填空題
1.液壓傳動具有形小而力大，易實現無極調速和遠程控制等特點，在各工業部門都有廣泛的應用，也是塑料成型機械不可缺少的組成部門。
2.油缸與油馬達一樣，是將液壓能變為機械能的能量轉換裝置。
3.常用的篩析設備有平動篩析和轉動篩析。
4.開煉機的螺距的調距裝置，按結構形式可分為手動，電動和液壓傳動三種。
5.密煉機下部設有卸料裝置，它的主要形式有滑動式和擺動式兩種。
6.根據物料在螺桿中的三態變化過程，人們把擠出機螺桿分成三個功能區，即固體輸送區，熔融區和熔體輸送區。
7.漸變型螺桿多用于無定形塑料的加工，突變型螺桿適用于黏度小且具有突變熔點的塑料的加工。
8.注射機螺桿的傳動裝置多種多樣，若按螺桿變速方式分類，可分為無級變速和有級變速兩大類，無級變速主要有液壓馬達傳動，有級變速主要有變速箱傳動。
9.一臺通用型注射機主要包括注射裝置，合模裝置，液壓和電氣控制系統。
四、作圖題
三、名詞解釋題（每題2分，共12分）
1、擠出成型——是將物料送入加熱的機筒與旋轉著的螺桿之間進行固體物料的輸送、熔融壓縮、熔體均化，最后定量、定速和定壓地通過機頭口模而獲得所需的擠出制品。
4、接觸角——即輥筒斷面中心線的水平線和物料在輥筒上接觸點與輥筒斷面圓心連線的交角，以α表示。5、聚合物成型機械——所有能對高聚物原料進行加工和成型制品的機械設備。
6、螺桿的壓縮比A——指螺桿加料段第一個螺槽的容積與均化段最后一個螺槽的容積之比。
7、注射量——是指注射機在注射螺桿（或柱塞）作一次最大注射行程時，注射裝置所能達到的最大注射量。8、鎖模力——是指注射機的合模機構對模具所能施加的最大夾緊力。
9、空循環時間——是指在沒有塑化、注射保壓、冷卻與取出制品等動作的情況下，完成一次動作循環所需的時間。
11、吹脹比——吹脹后膜管的直徑與環形口模直徑之比。
12、牽伸比——牽引輥的牽引速度和機頭口模處物料的擠出速度之比。
13、移模力——注射機合模系統在啟、閉模時，對動模板的推動力。
14、脹模力——注射機在注射時，因模腔內熔料壓力作用而產生的欲使模具撐開的力。
17、螺桿長徑比——指螺桿工作部分長度1（螺桿上有螺紋部分長度，即由加料口后壁至螺紋末端之間的長度）與螺桿外徑D之比，用L/D表示。
21、漸變型螺桿——是指由加料段較深螺槽向均化段較淺螺槽的過渡，是在一個較長的螺桿軸向距離內完
成的。
22、突變型螺桿——是指由加料段較深螺槽向均化段較淺螺槽的過渡是在較短的螺桿軸向距離內完成的。23、機頭和口模——機頭是口模與料筒的過渡連接部分，口模——是制品的成型部件。
24、共擠復合——是使用兩臺或兩臺以上的擠出機，共同使用一個模頭，從而生產出多層的復合薄膜或片
材等的工藝方法。
27、“泵比”x——擠出機的第二均化段螺槽深度h與第一均化段螺槽深度hI之比。
28、注射壓力——指注射時為了克服熔料流經噴嘴、澆道和模腔等處時的流動阻力，螺桿（或柱塞）端面處
對熔料所必須施加的壓力。
29、注射速率——是指在注射時單位時間內從噴嘴射出的熔料體積流率。
30、注射速度——是指螺桿或柱塞在注射時移動速度的計算值。
31、注射時間——是指螺桿或柱塞完成一次最大注射行程所用的最短時間。
32、合模裝置——是為保證成型模具可靠閉緊、實現模具啟閉動作及頂出制品的機械部件。
33、合模力——合模終結時，模板對模具形成的鎖緊力。
35、變形力——在鎖緊模具過程中，機構由于變形而產生的內力。
37、模板最大開距——表示注射機所能加工制品最大高度的特征參數，即指動模開啟后，動模板與定模板之間包括調模行程在內所能達到的最大距離。
38、動模板行程——是指動模板能夠移動的最大距離。
39、模具最大厚度與最小厚度（8max、8min）——是指動模板閉合后，達到規定合模力時，動模板與前定模板之間所達到的最大（或最小）距離。
40、空循環時間——是指在沒有塑化、注射保壓、冷卻與取出制品等動作的情況下，完成一次動作循環所需的時間。
41、機械頂出——利用固定在后模板或其他非移動件上的頂桿，在開模過程中與移動件形成相對運動，從
而推動模具的頂板，使制品頂出的工藝過程。
42、氣動頂出——是利用壓縮空氣，通過模具上的微小氣孔，直接把制品從型腔內吹出的工藝過程。
43、壓延成型——是將接近粘流溫度的物料通過一系列相向旋轉的平行輥筒的間隙，使其受到擠壓和延展的作用，成為具有一定厚度和寬度的高聚物薄膜和片材制品的生產方法。
45、分離力——輥筒擠壓延展物料時，對物料施加一個擠壓力，而物料則對輥筒有一個反作用力，企圖把
6.目前固體輸送理論研究成果的實際應用，就是對單螺桿的螺桿表面實施超光潔處理，對加料段機筒內壁開設帶錐度的縱向溝槽及對此段進行強力冷卻以提高固體的輸送率。
7.擠出機的有效工作區是由三條線所組成的，即質量線，溫度上限線，經濟線。
8.注射機的合模裝置種類很多，按照工作原理分主要有液壓式和液壓機械式。
四、作圖題
1.繪制注射成型機的工作原理圖
五、簡答題
1.開煉機的主要技術參數？
答：生產能力，輥徑和輥長，輥筒線速度及速比分離力，合模壓力，混煉功率。
2.密煉機的基本構造及分類？
答：基本構造：由密煉，加料，卸料，傳動與機座五部分組成。
按混煉室的結構形式分前后組合式和上下組合式，按轉子的幾何形狀分為橢圓形轉子、三棱形轉子和圓筒形轉子的密煉機。
3.增大擠出機螺桿長徑比的優點？
答：一、螺桿的長度增加，塑料在料筒中停留的時間更長，使塑化更充分均勻，制品質量可以提高。二、在此前提下下，可以提高螺桿的轉速，從而提高擠出產量。三、長徑比增大后，L可以增加，壓力流和漏流隨之減小，故可提高產率。四、可使螺桿特性線變硬，使擠出波動減小。五、有助于調整料筒軸向溫度、輪廓的形狀，更能適應特殊聚合物加工的需要。
4.雙螺桿擠出機的優點？
答：加料容易；物料停留時間短；排氣性能優異；優異的塑化和混合能力；低的電工流率消耗；螺桿特性硬和容積效率高。
5.調模裝置的作用是什么？常用的形式有哪些？
答：作用：調節動模板與定模板間距，以適應不同厚度模具的要求，同時可對合模力進行精調。常用的調模裝置：肘桿調距，移動合模缸位置調距，拉桿螺母調距，動模板間連接大螺母調距，動模板行程調節。
基本類型：分離型螺桿，屏障型螺桿，分流型螺桿，變流道型螺桿，組合螺桿。
6.波能振動注射的波能主要有哪幾種？波能振動注射對聚合物成型產生什么影響？
答：波能包括超聲波能，沖擊波能和磁場能：波能振動力場通過模具傳遞至模腔中的熔體，導致聚合物球晶生長，同時又攪動熔體和冷卻面之間的分子，加速熱傳導，促使熔體冷卻可成型出具有優良性能的制品。
六、分析題
試分析注射成型機的未來發展和展望。
答：目前注射機發展趨勢：高速、高效、自動化，并注重低能耗和環境保護，高速高效在新型注射面型裝置中已有體現，自動化包括注射機的自動化，注射成型自動化系統兩方面的研究和發展；新型注射裝置的發展由于高聚物的發展趨勢是高性能化、高功能性、復合化、精細化和智能化，對加工的設備及技術提出新的要求，注射成型裝置必須滿足加工的需要，以適應新型高聚物材料成型，目前正在研究的注射裝置有層狀注射，推拉注射，裝配注射，整體注射，層疊注射，注射合金等。
一、名詞解釋
1.液壓傳動：利用液體作為工作介質來傳遞能量和進行控制的流動方式。
2.風選：利用物體對空氣的阻力差和在空氣下落的速度差來分選物料。
3.密煉機的總容積：密煉室溶劑減去轉子的占據體積。
4.SJP-45＊25:螺桿直徑為45mm，長徑比為25的塑料排氣擠出機。
5.等距突變螺桿：加料段和計量段的螺槽深度不變，但在熔融段內極短的螺桿軸向距離內螺槽深度突然由深變淺。
6.擠出機的螺桿特性線：表示出螺桿均化段熔體的流率和壓力的關系。
7.注射壓力：注射時，為了克服熔料流經噴嘴和模腔等處的流動阻力，螺桿對熔料必須施加足夠的壓力。
8.鎖模力：注射成型機的合模機構對成型模具施加的足夠夾緊力。
9.壓延機的超時現象：長度增加使料片的出片速度大于原來的輥速。
二、選擇題
1.靜止液體中的任何一點，其各個方向的壓力均相等。
2.對于雙葉片泵，一般將葉片相對轉子半徑方向前傾一個角度0放置，以免葉片卡住并減少磨損，該角度0一般取10—14。
3.物料在螺槽中的整個擠出過程的狀態為三段七區，在加料段中，其物料形態可分為2個區。
4.螺桿擠出機的螺紋和料筒間隙δ增加將不利于物料熔融。
5.與擠出螺桿相比，注射螺桿的壓縮比較小。
三、填空題
1.在液壓傳動系統中，不可避免地存在著三種能量損失：壓力損失，容積損失，機械損失。2.油泵是液壓傳動的動力源，它是將機械能變為液壓能的能量轉換裝置。
3.常見的篩析方法主要有重力篩析，風選和溶劑分選。
4.開煉機正常工作必須有兩個條件：一是接觸角小于摩擦角，二是輥筒間有足夠的速度梯度
5.密煉機轉子的幾何形狀主要有：橢圓形，三棱形，圓筒形三種。
相近的兩只輥筒分開的力。
四、簡答題、簡述題（下列5題可任作4題。每題7分，共28分）
1、簡述塑料成型中，初混（預混）的目的。
答：初混（預混）的目的是通過一定加料順序，將樹脂、增塑劑、穩定劑、潤滑劑、填充劑、著色劑、偶聯劑等組分充分混合，使增塑劑等液體添加劑充分地滲入樹脂中，并保證各組分分散均勻。
2、簡述聚合物成型機械的分類。
答：聚合物成型機械可分：（1）預處理機械；（2）獨立成型機械；（3）組合成型機；（4）二次加工機械：（5）成型輔機等。
3、高速捏合機中的折流板起什么作用？
答：折流板的作用是進一步攪亂物料流態，使物料形成不規則運動，并在折流板附近形成很強的渦旋，更有利于物料分散均勻。
4、開煉機和密煉機各有什么優點？
答：開煉機：結構簡單、操作和維護容易、加工適應性強、使用方便、價格低等：
密煉機：環保、節能、生產率高、工作安全性和混煉效果都更好。
6、開煉機的主要作用是什么？
答：開煉機的主要作用是將已配好的配料、捏合的物料的各組分料進行進一步的分散和混合塑化，由此制成塑料半成品（如壓片）或者給壓延機供料。
7、簡述開煉機的正常工作條件。
答：開煉機正常工作需要具備兩個條件：
第一個條件是根據輥筒與物料的受力平衡關系，引料入輥的必要條件是物料與輥筒的接觸角a必須小于物料的摩擦角β，即a＜β；
第二個條件是輥筒間應有足夠的速度梯度，這也是物料能在輥隙受擠壓和剪切的重要條件。
8、密煉機的橢圓形轉子從兩棱做成四棱的主要目的是什么？
答：密煉機的橢圓形轉子從兩棱做成四棱的主要目的是為了提高轉子剛性和增大轉子與物料的接觸面積，提高傳熱效果，另外，同樣規格的四棱轉子密煉機，四棱轉子比二棱轉子的體積縮小10％，這也就直接提高了密煉容量。
9、試述吹膜輔機冷卻定型裝置所必須滿足的要求。
答：1）要有與擠出機生產能力相適應的冷卻效率，使薄膜能充分冷卻，避免薄膜在牽引和卷取過程中產生粘連和打褶的現象。
2）薄膜應能被均勻冷卻，膜管穩定，且能對薄膜厚度進行調整。
3）為了適應多種幅寬薄膜的生產，其安裝高度應能有一定的調節范圍。
4）易于操作和調整，以保證薄膜的透明度、質量和物理力學性能良好。
10、反應型同向旋轉雙螺桿擠出機有哪些改進？
答：1）為了延長物料停留時間，長徑比不斷加大。
2）增加了螺槽深度。
3）設置大體積的排氣口。
11、試述注射速率、注射速度、注射時間的定義，并用關系式表示它們三者之間的關系。
答：注射速率是指在注射時單位時間內從噴嘴射出的熔料體積流率；注射速度是指螺桿或柱塞在注射時移動速度的計算值；注射時間是指螺桿或柱塞完成一次最大注射行程所用的最短時間。三者之間的關系可用下式表示：
A注＝D2SD2理
注
T注4注
＊在氣體蒸發法制備納米顆粒中如何調節納米微粒的粒徑？
答：用氣體蒸汽法可通過調節惰性氣體壓力，蒸發物質的分壓即蒸發溫度或速率，或惰性氣體的溫度，來控制納米微粒的大小。一般，隨蒸發速率的增加（等效于蒸發源溫度的升高）粒子變大，或隨著原物質蒸汽壓的增加，粒子變大。
＊直流電弧等離子法制備金屬納米粒子，為何Cu、Al兩種元素的生成速率低？答：在惰性或者反應性氣氛下，通過直流放電使氣體電離產生高溫等離子體，使原料熔化、蒸發，蒸氣遇到周圍的氣體就會被冷卻或發生反應形成納米顆粒得方法稱為直流電弧等離子法。Cu、AI的熔點低、熱導率高，當蒸發原料在水冷銅坩堝中，用等離子噴槍進行加熱，蒸發原料與水冷銅坩堝相接觸，在坩堝壁上的熱損失較大，而由于Cu、Al的高熱導率，使得蒸發原料整體溫度降低，從而降低了生產速度。
1、納米材料按照維數可以分為哪幾類？并各舉一例。
答：（1）零維材料：指其在空間三維尺度均在納米尺度，如納米顆粒、人造超原子
（2）一維材料：在三維空間有兩維處于納米尺度，如納米絲、納米棒等
（3）二維材料：在三維空間有一維處于納米尺度，如超薄膜
2、簡述氣體蒸發法制備納
米顆粒的原理，可以畫示
意圖。E
答：氣體蒸發法是在惰性氣E.惰性氣體（Ar、He氣等）
D.連成鏈狀的超微粒子
體（或活潑性氣體）中將金C.成長的超微粒子
屬、合金或陶瓷蒸發氣化，B.剛誕生的超微粒子
A.蒸氣
然后與惰性氣體發生碰撞，
冷卻、凝結而形成納米微粒，
或者是與活潑性氣體反應后
再冷卻、凝結而形成納米微坩鍋
粒。其示意圖如右圖所示。熔化的金屬、合金或離子化合物、氧化物
3、氣體蒸發法與液相法、固圖1-1氣體冷凝法（高頻感應加熱法）
相法相比，有哪些顯著優點。
答：氣體蒸發法是在惰性氣體（或活潑性氣體）中將金屬、合金或陶瓷蒸發氣化，然后與惰性氣體發生碰撞，冷卻、凝結而形成納米微粒，或者是與活潑性氣體反應后再冷卻、凝結而形成納米微粒。相對于液相法、固相法，有以下顯著優點：（1）表面光潔；
（2）粒度齊整，粒徑分布窄；
（3）顆粒度容易控制。
4、在使用氣體蒸發法制備納米顆粒時，一般如何控制粒徑？
答：用氣體蒸汽法可通過調節惰性氣體壓力，蒸發物質的分壓即蒸發溫度或速率，或惰性氣體的溫度，來控制納米微粒的大小。一般，隨蒸發速率的增加（等效于蒸發源溫度的升高）粒子變大，或隨著原物質蒸汽壓的增加，粒子變大。
5、在使用氣體蒸發法制備納米顆粒時，有幾種加熱方式？
答：在使用氣體蒸發法制備納米顆粒時，有以下六種加熱方式：
（1）電阻加熱法：其熱源為一個由W、Mo或Ta制成的舟狀加熱器，把被蒸發材料放在舟狀加熱器上加熱蒸發；
（2）高頻感應加熱法：通過高頻感應的方式加熱被蒸發材料從而制得納米顆粒；（3）等離子體加熱法：將高溫等離子體噴射到被蒸發材料表面，材料吸收等離子體的熱量而蒸發；
（4）電子束加熱法：使由電子槍發射出來的電子束打到被蒸發材料上，從而加熱材料使其蒸發；適合于制備高熔點金屬的納米顆粒，如W、Ta、Pt等
（5）激光加熱法：使激光束（CO2激光或Nd:YAG激光）照射蒸發材料，使其蒸發氣化，遇到周圍的冷氣體而冷凝成納米顆粒；
（6）爆炸絲法：金屬絲在500-800kA大電流下加熱，熔斷后在電流中斷的瞬間，卡頭上的高壓在熔斷處放電，使熔融的金屬在放電過程中進一步加熱變成蒸氣，在惰性氣體碰撞下沉積到容器底部，得到納米顆粒。
6、哪兩種情況下不適合用電阻加熱法制備納米顆粒？
答：熱源為一個由W、Mo或Ta制成的舟狀加熱器，把被蒸發材料放在舟狀加熱器上加熱蒸發隨后遇到冷氣氛而冷凝下來形成納米顆粒的方法。在以下兩種情況下不適合用電阻加熱法：
1.兩種材料（被蒸發的材料和發熱體）在高溫下熔融形成合金，
2.被蒸發的材料的蒸發溫度高于發熱體的軟化溫度，因此該法重要用于低熔點金屬的蒸發：Ag、Al、Cu、Au。
7、高頻感應加熱法制備納米顆粒有何特點？
答：通過高頻感應的方式加熱被蒸發材料從而制得納米顆粒的方法稱為高頻感應加熱法。其特點為：
（1）高頻感應具有感應攪拌作用，坩堝內合金均勻性好；
（2）可以將熔體的溫度保持恒定；
（3）可以在長時間內以恒定的功率運轉：
（4）加熱源的功率大：MW級：
（5）加熱體中可以放入50g左右的樣品，一次可以得到0.5～1g左右的納米樣品（6）粒徑分布窄，粒徑均勻性好。
8、在使用直流電弧等離子法制備金屬納米離子時，為何能使用銅坩堝？
答：直流電弧等離子體法是在惰性或者反應性氣氛下，通過直流放電使氣體電離產生高溫等離子體，使原料熔化、蒸發，蒸氣遇到周圍的氣體就會被冷卻或發生反應形成納米顆粒。由于等離子體溫度高，幾乎可以制備任何金屬的納米微粒。如Ta，熔點高（2996℃）。因為銅的熱導率比較高，在冷水冷卻銅坩堝的情況下，坩堝壁的熱量會迅速地傳導出去，不會造成坩堝的熔化，所以能用銅坩堝。
因為在惰性或者反應性氣氛下，通過直流放電使氣體電離產生高溫等離子體，使原料熔化、蒸發，蒸氣遇到周圍的氣體就會被冷卻或發生反應形成納米顆粒。不通過坩堝傳熱，所以不用擔心被蒸發材料與坩堝反應
（5）提高溫度可縮短凝膠形成時間。
14、寫出六種制備金屬醇鹽的方法，寫出方程式。
答：（1）金屬與醇反應：電負性很強的金屬，與醇在惰性氣體（N2、Ar）保護下：
M＋nROH→M（OR）n＋n/2H2，M: Li、 Na、K、Ca、Sr、Ba等
（2）金屬鹵化物與醇反應：
B、Si、P等元素的氯化物與醇作用，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）金屬鹵化物與堿金屬醇鹽反應-醇鈉法：使用金屬鹵化物與乙醇鈉反應可以制得許多金屬的醇鹽：MXn＋nNaOC2H5→M（OC2H5）n＋nNaX
M:鎵、硅、鍺、錫、鐵、砷、銦、銻、鉍、釷、鈾、硒、碲、鎢、鑭、鐠、釹、釤、釔、鐿、鉺、鈥、鎳、鉻、銅、鈷等。
（4）氧化物及氫氧化物與醇反應：氧化物與氫氧化物相當于酸酐和酸，與醇進行“酯化”反應時，存在下列反應：
MOn＋2nROHM（OR）2n＋nH2O
M（OH）n＋nROHM（OR）n＋nH2O
使用該法已成功地用于下列金屬醇鹽的制備：鈉、鉈、硼、硅、鍺、錫、鉛、砷、硒、釩和汞。
（5）醇交換反應：醇鹽可與醇發生醇解反應，制備混合醇鹽或另一種醇的鹽：
M（OR）n＋xR＇OHM（OR）n-x（OR）＋xR＇OH
該反應廣泛地于不同元素的醇鹽的制備中，例如：鋅、鈹、硼、鋁、鎵、碳、硅、鍺、錫、鈦、鋯、鉿、鈰、釷、釩、鐵、鈮、硒、碲、鈾、鐠、釹、釤、鉺、鐿、釔等。
（6）酯交換反應
醇鹽與酯反應，可得到另一種醇鹽和另一種酯。酯比醇穩定，在高溫下不易氧化，這種方法較醇交換法優越。此法一般用于異丙醇鹽制備叔丁醇鹽：
M［O-CH（CH3）2］4＋4CH3COOC（CH3）3→
M［O-CH（CH3）3］4＋4CH3COOC（CH3）2
M:鉛、鎵、鐵、釩、鈦、鉿、鉭、鑭系元素等。
（7）復合醇鹽：酸性醇鹽和堿性醇鹽的中和反應主要基于構成醇鹽的金屬元素的電負性，堿性醇鹽＋酸性醇鹽一復合醇鹽。
15、尿素作為沉淀劑有何優點？
答：沉淀法：溶液中含有一種或多種金屬離子，加入一些陰離子后（如OH、C2O42CO32），生成沉淀，將沉淀加熱脫水得到金屬的氧化物顆粒。用尿素作為沉淀劑，＞70C后，尿素分解，（NH2）2CO＋3H2O→2NH4OH＋CO2，提供OH，因為在溶液中尿素分解產生OH均勻，使得各處沉淀均勻，從而所得金屬氧化物顆粒分布均勻，粒徑分布窄。
9、為何Cu、Al兩種元素的生成速率低？
答：在惰性或者反應性氣氛下，通過直流放電使氣體電離產生高溫等離子體，使原料熔化、蒸發，蒸氣遇到周圍的氣體就會被冷卻或發生反應形成納米顆粒得方法稱為直流電弧等離子法。Cu、AI的熔點低、熱導率高，當蒸發原料在水冷銅坩堝中，用等離子噴槍進行加熱，蒸發原料與水冷銅坩堝相接觸，在坩堝壁上的熱損失較大，而由于Cu、Al的高熱導率，使得蒸發原料整體溫度降低，從而降低了生產速度。
答：因為這兩種元素的導熱性好。
10、化學氣相反應法可以分為哪兩種？各舉一例。
答：利用揮發性金屬化合物的蒸氣，通過化學反應生成所需要的化合物，在保護氣體環境下快速冷凝，從而制備各類物質的納米微粒的方法稱為化學氣相反應法，此法分為以下兩種：
（1）氣相分解法：單一化合物熱分解法，如A（g）→B（s）＋C（g）
（CH3）4Si→SiC（s）＋3CH4（g），
（2）氣相合成法，如A（g）＋B（g）→C（s）＋D（g）
2SiH4（g）＋C2H4（g）2SiC（s）＋6H2（g）
11、液相法制備納米顆粒又可分為哪幾種？
答：（1）沉淀法，溶液中含有一種或多種金屬離子，加入一些陰離子后（如OH、C2O42、CO3），生成沉淀，將沉淀加熱脫水得到金屬的氧化物顆粒，
（2）水解法：將原料分體放入水中使其充分水解，然后加熱水解產物使其分解得到納米顆粒，
（3）水熱法:使混合原料在高溫高壓在水溶液中進行反應直接生成氧化物納米顆粒，
（4）溶膠-凝膠法：指金屬有機或無機化合物經過溶液、溶膠、凝膠而固化，再經熱處理而成固體氧化物或其它化合物的方法。
12、何謂溶膠-凝膠法？敘其優點，其關鍵是？
答：溶膠-凝膠法是指金屬有機或無機化合物經過溶液、溶膠、凝膠而固化，再經熱處理而成固體氧化物或其它化合物的方法。
其優點有：
（1）除了可制備粉末外，還可以制備薄膜、纖維、體材和復合材料：
（2）該方法原材料在分子級水平上混合，高度混合，所以制得的產品純度高；（3）合成溫度低，比傳統方法低50-500℃；
（4）材料的組成容易控制，制備設備簡單。
該方法的關鍵：
（1）金屬醇鹽的合成：
（2）控制水解-聚合反應以形成溶膠和凝膠；
（3）熱處理
13、以乙醇鉀、乙醇鉭、乙醇為原料合成KTaNbO3為例說明溶膠-凝膠形成時發生的反應，簡述前軀體濃度、苯乙酸、濕度、溫度等因素如何影響凝膠的形成。
答：（1）醇鹽間的反應
三種醇鹽：KOC2H---堿性醇鹽
Ta（OC2H5）5-酸性醇鹽
Nb（OC2H5）5--酸性醇鹽
KOC2H5＋Ta（OC2H5）5→KTa（OC2H5）6
KOC2H5＋Nb（OC2H5）5→KNb（OC2H5）6
（2）溶膠-凝膠的形成（分2個過程）
A:五種物質的水解
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:縮合-聚合反應
水解產物與前驅體、水解產物之間發生縮合--聚合反應：
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（去水縮聚），R＝C2H3（去醇縮聚）。
影響溶膠-凝膠形成的因素有溶液濃度、有機介質組成、添加劑、濕度、溫度等。（1）前驅體濃度的影響：將總鹽濃度為1mol/L的溶液分別使用乙醇稀釋為：0.7、0.5、0.3、0.1、0.05mol/L，在溫度11C、相對濕度50％的空氣中放置一段時間后觀察溶液情況，結果發現四種濃度（1.0、0.7、0.1、0.05）出現沉淀，只有兩種濃度（0.5、0.3）形成凝膠。
（2）溶劑組成的影響：無水乙醇吸濕性強，濃度高和濃度低的溶液不易形成凝膠；因此降低溶液的吸濕性，對凝膠的形成有利；苯的吸濕性低，揮發性與乙醇接近，因此用苯-乙醇組成的混合溶劑有利于凝膠的形成。苯各種濃度下，11℃，50％相對溫度下72h后發現，當苯含量大于40％時始終生成凝膠
（3）添加劑的影響：實驗中加入乙酸含量大于5％（V％）后，均可形成凝膠，因為KM（OC2H5）6＋HOAC→KM（OC2H5）5（OAC）＋C2H5OH，乙酸根替代了乙醇鹽中部分乙氧基，降低了醇鹽的活性，防止了醇鹽的快速分解，有利于縮聚反應。（4）濕度的影響：實驗發現，濕度越大，吸收水分越快，水解越快，不利于形成凝膠。因此相對濕度一般控制在50％。
（5）溫度的影響：溫度高即加快了水解，縮聚反應的速度，又促進了溶劑的揮發，大大縮短了凝膠的形成時間。
結論：
（1）濃度太高、太低都易形成沉淀。
（2）加入吸濕性低的溶劑有利凝膠形成。
（3）一些添加劑可以降低醇鹽活性，防止水解太快。
（4）濕度高，水解快不利形成凝膠。
16、如何合成TaTiO3？
17、機械合金化，零電點PH值的概念。
答：在球磨機中放入兩種或兩種以上的金屬粉，在研磨過程中，金屬復合粉組織
結構不斷細化并發生擴散和固相反應，從而形成合金粉。由于此種方法是利用機
械能達到合金化，而不是用熱能或電能，所以把高能球磨制備合金粉末的方法稱
為機械合金化，此時發生了化學反應。
微粒表面既不帶正電荷，也不帶負電荷時的溶液pH值稱為零電點pH值。
18、固相法制備納米顆粒又細分為哪幾種？
答：固相法制備納米顆粒分為以下幾種：
（1）熱分解法：S1→S2＋G1＋G2
S1→S2＋S3（不能）
（2）固相合成法：S1＋S2→S3
（3）球磨法，又分為物理粉碎和化學粉碎兩種，①機械粉粹，尺寸降低過程，物理
變化；②化學變化
19、球磨法的作用？
答：將元素粉末或合金粉末與磨球按一定比例放入密封的球磨機中，球磨機激烈
旋轉、振動或搖動，由于磨球與磨球，磨球與磨罐之間的高速撞擊和摩擦，使得
處于它們之間的粉末受到沖擊、剪切和壓縮等多種力的作用，發生形變直至斷裂，
該過程反復進行，因此粒子尺寸可以減小，達到混合粉末均勻的目的。球磨法主
要作用是減小粒子尺寸，機械合金化，混合均勻，改變粒子的形狀。
20、草酸鹽的分解機理有哪兩種？
答：草酸鹽的熱分解機理：
機理1：MC2O4.nH2O→MC2O4＋nH2O→MCO3＋CO→MO＋CO2機理2：MC2O4.nH2O→MC2O4＋nH2O→MO＋CO＋CO2
或者：MC2O4→M＋2CO2
21、為何一般要對無機納米粒子進行表面修飾？
答：納米粒子之間團聚，從納米變成微米，失去納米的作用，一般無機納米粒子
表面能較高，與表面能較低的有機高聚物的親和性差，兩者在相互混合時，不能
相溶，導致界面上出現微空隙。空氣中的水分進入上述空隙就會引起界面處高聚
物的降解、脆化。所以常常要對無機納米粒子進行表面改性，以保持其納米作用，
表面修飾的目的：
（1）改善或改變納米粒子的分散性，使納米粒子與其它物質之間具有更好的相容
性，
（2）提高微粒表面活性，
（3）使微粒表面具有新的物理、化學、機械性能及新的功能。
22、納米顆粒表面修飾方法按照大類可分為哪兩種？
答：納米顆粒表面修飾方法分為物理修飾和化學修飾兩種：
物理修飾為通過吸附、涂敷、包覆等物理作用對微粒進行表面改性。物理修飾分
又以下兩種方法：（1）通過范德華力等將異質材料吸附在納米微粒的表面，可防
（5）提高溫度可縮短凝膠形成時間。
14、寫出六種制備金屬醇鹽的方法，寫出方程式。
答：（1）金屬與醇反應：電負性很強的金屬，與醇在惰性氣體（N2、Ar）保護下：
M＋nROH→M（OR）n＋n/2H2，M: Li、Na、K、Ca、Sr、Ba等
（2）金屬鹵化物與醇反應：
B、Si、P等元素的氯化物與醇作用，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）金屬鹵化物與堿金屬醇鹽反應-醇鈉法：使用金屬鹵化物與乙醇鈉反應可以制得許多金屬的醇鹽：MXn＋nNaOC2H5→M（OC2H5）n＋nNaX
M:鎵、硅、鍺、錫、鐵、砷、銦、銻、鉍、釷、鈾、硒、碲、鎢、、鐠、釹、釤、釔、鐿、鉺、鈥、鎳、鉻、銅、鈷等。
（4）氧化物及氫氧化物與醇反應：氧化物與氫氧化物相當于酸酐和酸，與醇進行“酯化”反應時，存在下列反應：
MOn＋2nROHM（OR）2n＋nH2O
M（OH）n＋nROHM（OR）n＋nH2O
使用該法已成功地用于下列金屬醇鹽的制備：鈉、鉈、硼、硅、鍺、錫、鉛、砷、硒、釩和汞。
5）醇交換反應：醇鹽可與醇發生醇解反應，制備混合醇鹽或另一種醇的鹽
M（OR）n＋xROHM（OR）n-x（OR＇）x＋xR＇OH
該反應廣泛地于不同元素的醇鹽的制備中，例如：鋅、鈹、硼、鋁、鎵、碳、硅、鍺、錫、鈦、鋯、鉿、鈰、釷、釩、鐵、鈮、硒、碲、鈾、鐠、釹、釤、鉺、鐿、釔等。
（6）酯交換反應
醇鹽與酯反應，可得到另一種醇鹽和另一種酯。酯比醇穩定，在高溫下不易氧化，這種方法較醇交換法優越。此法一般用于異丙醇鹽制備叔丁醇鹽：
M［O-CH（CH3）2］4＋4CH3COOC（CH3）3→
M［O-CH（CH3）3］4＋4CH3COOC（CH3）2
M:鉛、鎵、鐵、釩、鈦、鉿、鉭、鑭系元素等。
（7）復合醇鹽：酸性醇鹽和堿性醇鹽的中和反應主要基于構成醇鹽的金屬元素的電負性，堿性醇鹽＋酸性醇鹽一復合醇鹽。
15、尿素作為沉淀劑有何優點？
答：沉淀法：溶液中含有一種或多種金屬離子，加入一些陰離子后（如OH、C2O42、CO32），生成沉淀，將沉淀加熱脫水得到金屬的氧化物顆粒。用尿素作為沉淀劑，＞70℃后，尿素分解，（NH2）2CO＋3H2O→2NH4OH＋CO2，提供OH，因為在溶液中尿素分解產生OH均勻，使得各處沉淀均勻，從而所得金屬氧化物顆粒分布均勻，粒徑分布窄。
止納米微粒的團聚：（2）表面沉積法。
化學修飾是通過化學反應來達到納米粒子表面修飾效果，又分為以下幾種：（1）與脂肪醇反應（酯化反應法）
（2）偶聯劑法
（3）表面接枝改性法
（4）與脂肪酸反應。
23、何為納米粒子的硬團聚和軟團聚？
答：納米粒子的團聚分為硬團聚和軟團聚兩種：
軟團聚主要是由于顆粒之間的范德華力和庫侖力所致，該種團聚可以通過一些化學作用或施加機械能的方法加以消除：
硬團聚：納米粒子之間除了以上力之外，還存在化學鍵的作用，由此形成的團聚為硬團聚。
24、納米粒子表面修飾可分為哪四種方法？
答：
（1）酯化反應法，金屬氧化物與脂肪醇的反應，亦稱為酯化反應；
（2）與偶聯劑反應；
（3）表面接枝改性法，通過化學反應將高分子鏈接到無機納米粒子表面上的方法（4）與脂肪酸反應；
（5）其他方法：雙十六烷基二硫代磷酸吡啶（PyDDP。
25、試述鋁陽極氧化膜的結構。a）
小孔細胞
答：經過陽極氧化處理的鋁及鋁合金表
面為蜂窩的多孔結構，這些微孔具有極
強的化學活性和物理吸附性能，鋁陽極
氧化膜的結構：Keller-Hunter-Robinson
模型，蜂窩狀結構，六角晶胞型，阻擋
層；多孔層，其結構件圖如右圖所示。阻擋層
Al
金屬
26、鋁陽極氧化膜的剝離方法？可以畫圖說明。
答：膜的剝離方法：逆電剝離。
十電流
電壓電壓
電流B→
D
HiC
時間
圖1逆電剝離法操作過程示意圖
27、欲對一鋁板進行陽極氧化，試畫簡圖，并標明電源的正負極。
V1直流/脈沖電源
A＋2溫度計
3工件（陽極）
4陽極氧化槽
5鉛板（輔助陰極）
6恒溫水浴鍋
28、鋁陽極氧化膜的封閉通常有哪幾種方法？為何要進行封閉？
答：鋁陽極氧化膜多孔，易吸附侵蝕性離子，所以從耐蝕性考慮，需要對其進行封閉處理。常用的封閉方式主要有：沸水法、鉻酸鹽封孔法、常溫封孔法、有機酸封孔法等。各種封閉方法的機理各不相同。
29、鋁陽極氧化膜有哪些用途？
答：針對鋁的多孔性，制備具有各種功能性的膜材料，如：（1）研究新型的超精密分離膜：（2）通過在納米級微孔中沉積各種性質不同的物質，如金屬、半導體、高分子材料等，來制備新型功能材料。現在鋁陽極氧化膜用途主要有：
分離膜：與有機分離膜相比，這種膜具有較好的機械強度、耐熱性、化學穩定性及尺寸穩定性。可以用做氣體、液體及血液的分離膜：也可用于煙道氣的脫氧
第三章粉末燒結材料合成與制備
第一節燒結過程
對于不同的粉末系統，應用不同的燒結技術，燒結過程也就各有不同。下圖給出典型的燒結過程類型。一般地講，燒結過程可以分為兩大類，不施加外壓力的燒結和施加外壓力的燒結，簡稱不加（無）壓燒結和
加壓燒結。粉末燒結類型
不施加外壓力施加外壓力
固相燒結液相燒結
熱壓熱鍛熱等靜壓
單相粉末多相粉末長存液相
瞬時液相
反應燒結活化燒結超固相線燒結
強化燒結液相熱壓一
反應熱壓一反應熱等靜壓
典型粉末燒結過程分類示意
固相燒結是指松散的粉末或經壓制具有一定形狀的粉末壓坯被置于不超過其熔點的設定溫度中在一定
的氣氛保護下，保溫一段時間的操作過程。所設定的溫度稱為燒結溫度，所用的氣氛稱為燒結氣氛，所用的保溫時間稱為燒結時間。
固相多元系反應燒結一般是以形成被期望的化合物為目的的燒結。化合物可以是金屬間化合物，也
可以是陶瓷。燒結過程中顆粒或粉末之間發生的化學反應可以是吸熱的，也可以是放熱的。
活化燒結是指固相多元系，一般是二元系粉末固相燒結。常常通過將微量第二相粉末（常稱之為添加
劑、活化劑、燒結助劑）加入到主相粉末中去的方法，以達到降低主相粉末燒結溫度，增加燒結速率或抑
制晶粒長大和提高燒結材料性能的目的。
液相燒結也是二元系或多元系粉末燒結過程，但燒結溫度超過某一組元的熔點，因而形成液相。液相可能在燒結的一個較長時間內存在，稱為長存液相燒結，也可能在一個相對較短的時間內存在，稱之為瞬
時液相燒結。比如，存在著共晶成分的二元粉末系統，當燒結溫度稍高于共晶溫度時出現共晶液相，是一
種典型的瞬時液相燒結過程。
值得指出的是，活化燒結和液相燒結可以大大提高原子的擴散速率，加速燒結過程，因而出現了把它們統稱為強化燒結的趨勢。
對松散粉末或粉末壓坯同時施以高溫和外壓，則是所謂的加壓燒結。
熱壓是指在對置于限定形狀的石墨模具中的松散粉末或對粉末壓坯加熱的同時對其施加單軸壓力的燒
結過程。
熱等靜壓是指對裝于包套之中的松散粉末加熱的同時對其施加答向同性的等靜壓力的燒結過程。
粉末熱鍛，又稱燒結鍛造，一般是先對壓坯預燒結，然后在適當的高溫下再實施鍛造。
更復雜一點的燒結是將上述典型燒結過程進行“排列組合”，形成一系列的液相熱壓、反應熱壓和反應熱等靜壓等復雜的燒結過程。
燒結過程一般可以被分解為下述7個階段：（1）顆粒之間形成接觸；（2）燒結頸長大（頸長）；（3）連通孔洞閉合；（4）孔洞圓化；（5）孔洞收縮和致密化；（6）孔洞粗化；（7）晶粒長大。
一般講燒結初期指的是顆粒之間形成接觸和燒結頸長大階段，燒結中期包括了連通孔洞閉合、孔洞圓滑和孔洞收縮與致密化階段；燒結后期是指孔洞粗化和晶粒長大階段。
1.1顆粒的燒結活性
（a）擴散性
理論上，單個顆粒作為一種晶體物質，它的燒結性取決于其原子擴散的難易程度。擴散理論給出了原子
擴散能力的表征，其中包括自擴散系數D，即晶體內無化學位梯度時原子擴散的能力。對于實際晶體，如金屬體系中，原子的自擴散系數又通常可以用三個擴散系數表示：
（1）體積擴散系數D:原子在晶體內部或晶格內的擴散能力，亦稱為晶格擴散系數；
（2）晶界擴散系數Dgb:原子沿晶界的擴散能力；
和脫硫等。
太陽能吸收膜：通過對氧化鋁多孔膜的功能化處理來制備太陽能吸收膜的研究，已顯示出良好的應用前景。
磁性薄膜：采用真空電沉積在氧化鋁薄膜孔內填充磁性材料，如Fe、Co、Ni，可以得到具有磁性功能的薄膜。可制成磁卡、磁帶、磁盤等，具有廣泛的應用前景。
發光膜和感光顯像膜：在氧化膜微孔內填充熒光物質、感光劑等，采用浸泡法填充Ta3，在外加電場下氧化膜發出綠光，可制成超微細的光電元件。
高效催化劑：利用陽極氧化鋁膜多孔層具有大的內表面積，在其細孔中還可以填充催化劑。
其他：還可利用其特殊結構進行分子組裝得到具有特殊結構的高分子材料。另外，陽極氧化鋁膜還可以用在濕度傳感器、印刷電路板、混合集成電路板等領域。總之，利用陽極氧化鋁膜的納米孔徑特殊結構開發新型功能膜材料具有十分廣闊的研究價值和應用前景。
30、試述陶瓷制備的一般工藝。
答：陶瓷制備的一般工藝為：
（1）原料配制：包括破碎、配料、混合、細磨和過篩等工藝；
（2）坯料成型；
（3）制品干燥和預熱；
（4）涂釉或上色；
（5）燒制；
（6）冷卻與后處理。
（3）表面擴散系數D:原子沿各種表面，主要是自由表面的擴散能力。
對于離子晶體，物質的擴散能力還可由陰、陽離子在化學位梯度下的化學擴散系數、以晶體本身熱運動產生的點缺陷作為遷移載體的本征擴散系數、以摻雜引起的點缺陷作為遷移載體的非本征擴散系數來表征。
晶體內原子從一個位置跳到另一個位置的運動必然要受到某種“阻力”。從自由能的角度考慮，這個“阻力”就是原子擴散所需要克服的勢壘。實驗表明，溫度升高，能夠克服這個勢壘的原子數目增加。因此，原子自擴散系數可表示為
D＝D。exp（-）
式中D:對于純固體為自擴散系數；D:指前因子；AG:自擴散激活能；R:氣體常數；T:熱力學溫度。上式中指數項表示的是能夠克服勢壘而躍遷的原子的幾率。由此可知，燒結溫度越高，顆粒內原子擴散系數越大，而且按指數規律迅速增大，燒結進行得越迅速，擴散系數越大的物質，在給定的燒結溫度下原子擴散的能力越強。所以，在給定燒結溫度的晶體粉末的擴散系數值，可以代表粉末本征的燒結活性。（b）晶體缺陷
若一原子鄰近有一個空位，這個原子移動到空位上，則原來的位置就成了空位。原子與空位的這種交換，可以認為是原子向空位位置運動，也可以認為是空位向原子位置運動。不論哪種說法，都是說同時出現了原子擴散和方向相反的空位擴散。這樣，在平衡狀態下，原子的自擴散系數就可以與空位擴散系數及空位平衡濃度聯系起來
D-DN，-D Aexpl r）
式中D:空位擴散系數；N:平衡的空位摩爾濃度；A:常數；Q:空位形成能。
實際晶體中相應的體積擴散系數、晶界擴散系數與空位擴散系數和空位濃度也類似于上式的關系。
因此，原子的擴散能力受空位濃度的高低所影響。這是粉末燒結活性的一個判據。如金屬Cu粉，由上式計算接近熔點的空位平衡濃度（Qv＝117kJ/mol，T＝1356k，R＝1.987）得：N≈10-3，而共價鍵的陶瓷粉（如SiC）N≈0。因此，金屬Cu粉被稱為易燒結粉末，燒結活性高，而SiC粉為難燒結粉末，燒結活性幾乎等于零，甚至被稱為不可燒結的物質。
1.2顆粒系統的燒結性與本征熱力學驅動力
（a）本征過剩表面能驅動力
致密的晶體如果以細分的大量顆粒形態存在，這個顆粒系統就必然處于一個高能狀態，因為它本征地具有發達的顆粒表面，與同質量的未細分晶體相比具有過剩的表面能。
燒結的主要目的是把顆粒系統燒結成為一個致密的晶體，是向低能狀態過渡。因此燒結前，顆粒系統具有的過剩的表面能越高，這個過渡過程就越容易，它的燒結活性就越大。另一方面，燒結是一個熱力學無可逆過程，它的自由能降低就是過程進行的驅動力，所以可以把顆粒系統的燒結性和其本征的過剩表面能驅動力聯系在一起。
我們可以用下述簡單方法估計本征過剩表面能驅動力數量級。假定燒結前粉末系統的表面能為E，燒結成一個致密的立方體后的表面能為E，忽略形成晶界能量的消耗，則本征驅動力為。
AE＝Ep-Ed
代入晶體材料的摩爾質量Wm（g/mol），固-氣表面能（J/m2），粉末比表面S（cm2/g），致密固體密度d（g/cm3），則有
http://AE-.Ws，＂
/3
由于，S36（）則可近似為
AE＝YsWmSp
由此式可大致給出1摩爾質量分數粉末的過剩表面能。下表列出幾種典型粉末的相應數據及計算的AE
典型粉末的本征驅動力AE及計算參考數值
粉末粒度比表面積
固體密度摩爾質量Ysv
本征驅動力
/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
總之，粉末粒度越粗，比表面越小，本征表面能驅動力就越小，而粒度越細，比表面越大，本征表面能驅動力就越大。這也是實際燒結中細粉比粗粉易于燒結的原因。
在不同種粉末之間比較顆粒系統的燒結活性時，不要忘記單個顆粒的燒結活住即粉末晶體的自擴散性。綜合考慮這兩個因素來確定燒結活性，有一個判據是值得注意的。
要想在適當的燒結時間內獲得饒結體的充分致密化，粉末顆粒系統應當滿足下示關系：
D≈1
（2a）
式中D:體積擴散系數（cm2/s）:2a:粉末粒度（um）
例如，D的數量級為10cm3/s，則粉末粒度要在lum左右。如果D太低，則某些共價鍵材料（如Si的D為10＊cm2/s）若要充分地燒結致密化就要求使用粒度為0.5μm左右的粉末。
一般金屬粉末的D、比陶瓷粉末的D大，因而金屬粉末的粒度可以粗些，而陶瓷則須細粉末才能獲得好的燒結結果，這與燒結經驗是完全吻合的。
（b）本征Laplace應力
除了松散燒結（也稱重力燒結）之外，粉末總是在被壓制成某種形狀的壓坯后再進行燒結的。這樣的顆粒系統就有另外兩個本征的特點：顆粒之間的接觸和顆粒之間存在著“空隙”或稱孔洞；系統表面的減少。
粒
粒3顆粒
燒結初期十燒結中期燒結后期
不加壓固相燒結孔洞形狀變化示意
自由能的降低主要是通過孔洞的收縮來實現的。
燒結開始時，孔洞的形狀并不是球形，而是由尖角形、圓滑菱形、近球形逐漸向球形過渡，如下圖所示。此時，孔洞的收縮必然伴隨著顆粒接觸區的擴展。這個接觸區最先被稱作金屬顆粒之間的“橋”，或定義為頸。
顆粒之間接觸的直接結果是頸部出現了曲率半徑。Laplace和Young以彎曲液體表面為例，給出了表面的曲率半徑、表面張力和表面所受的應力差值：
Ao-yRR？
式中R1與R2表示表面上相互垂直的兩個曲線的曲率半徑，稱為主曲率半徑。
對于不加壓固相燒結的顆粒系統，由顆粒接觸形成的曲率半徑對Laplace應力有重要影響。顆粒接觸形成的頸如下圖所示。圖中，x表示接觸面積的半徑，pp表示頸部的曲率半徑，即上式中R1與R2，則顆粒接觸的本征Laplace應力為
△o＝y（-）
X
式中負號表示p從孔洞內計算，正號表示x在顆粒內計算半徑值。同時可注意到，頸部凹表面拉伸應力的存在，相當于有壓應力P作用在兩球接觸面的中心線上，使兩球靠近。
兩球形顆粒接觸頸部主曲率半徑示意
應當強調指出，影響頸部Laplace應力的主要因素是頸部的曲率半徑，而不是表面張力。比如純固體的表面張力y在低于熔點的燒結溫度下，其值變化不大，如銅，熔點下為1.65N/m，室溫下為1.37N/m，可視為常數。而x和p與顆粒半徑有關，對不同粒度粉末顆粒變化是相當大的，由亞微米到幾十微米之間至少變化三個數量級。
1.3反致密化
燒結過程中，燒結體膨脹而不是收縮是一種反致密化現象。典型的例子如：金屬Cu粉壓坯在氫氣中于800～1000℃燒結10h以上，K-Si-Al摻雜的W的電直熱燒結的末期，Mo-O-C-H系統的燒結，Bi系高溫超導體2212相轉變為2223相的燒結，高比重W-Ni-Fe合金在氫氣中于1450℃接近8h的燒結，Fe-10％Cu的液相燒結，甚至在ZnO的熱壓過程中也會發生這種反致密化現象。其誘發因素，反致密化的機制可以包括：（1）燒結末期閉孔中氣體壓強的作用；（2）液相存在時，固-液與液一固溶解度失配；（3）相變引起的晶粒形狀的改變；（4）不等量互擴散。
（a）封閉孔洞中的氣體
首先考慮氣體在固相粉末顆粒內溶解度為零的情況，即不溶性氣體問題。這時，處理問題的基本模型是
＝-K（）［-P2（2T）＋P2
式中，r:閉孔洞的半徑；K（r）:某一函數關系與孔洞半徑有關，并取決于孔洞脹大機制；P（r，T）:閉孔內氣體壓強；P:施加的外壓強；2y/r:使孔洞收縮的本征Laplace應力。
一般金屬粉末在空氣中壓制，比如電解Cu粉在空氣中壓制，壓坯的某些封閉孔隙之內會有氮氣存在。燒結時還會由于氫還原氧化物而產生水汽。氮氣與水汽都不溶于金屬Cu下圖是該壓坯于900C在氫氣中
8090t
H
7.8
7.6
742
6
8
10
12
時間/h
電解Cu粉壓坯燒結密度隨燒結時間變化的規律101
（壓制壓力520MPa）
的饒結密度隨燒結時間變化的實驗曲線。可以發現超過6h的長時間燒結，燒結密度明顯降低。因此，根據上述典型可認為其原因是由于封閉孔洞中的氮氣與水汽的壓力造成了壓坯體積膨脹。作為理論估計，由上式右邊，令括號內兩項之和等于0，不加外壓，即Pe＝0，則有下列判據判斷孔洞膨脹或收縮。
2/r＝P（T）孔洞尺寸不變
2/r＞P（T）孔收縮
2/r＜P（T）孔洞脹
很容易計算出封閉孔洞內氣壓。用理想氣體PV＝nRT關系，可計算出由室溫300K升至燒結溫度1200K時壓力約增加（1200/300×0.1）-0.1＝0.3MPa，取表面張力y＝1.65N/m。那么，22μm（r＝1.1×10m）的孔洞剛好
b＝0.541nm，c＝3.704nm。最大的差別出現在c值上。它們的晶體結構都是以超導Cu2O氧化物層和絕緣氧化物層［AO］∞（A＝Bi，Sr，Ca）按一定次序排列的巖鹽結構。80K超導氧化物層為［Cu2O-CaO-Cu2O-Cu2O］，而110K超導氧化物甚在此基礎上又鑲嵌一層CuO和CaO，成為［Cu2O-CaO-CuO-CaO-Cu2O］。可見，80K相的堆層次序為：［Cu2O-SrO-BiO-BiO-SrO-Cu2O-CaO-Cu2O-SrO-BiO-BiO-SrO-CuO2］。110K為：［Cu2O-SrO-BiO-BiO-SrO-Cu2O-CaO-CuO-CaO-CuO2-SrO-BiO-BiO-SrO-CuO2］。多晶的結構更加復雜，不同成分的超結構在（100）平面上能被觀察到，而多晶粉末還包含有不同堆垛數量的氧化物層的交聯
上圖清晰地表明，在850℃燒結溫度下，超導體的80K相，由于CuO和CaO層的插入，110K相開始形成。并最終形成薄片狀晶粒，原等軸晶粒處被薄片晶粒取代，而留下較大的孔隙。層狀超導晶體的生長方式已通過單晶生長的方式加以證實。
X射線和電子探針分析表明，所謂X射線衍射譜標定的“純”110K相粉末，并不是100％的純相，總會有80K相和其它非超導相存在。這樣，在企圖致密化110K相的燒結過程中，就會隨殘留80K相的轉變同時發生體積膨脹的反致密化過程。
殘留在110K相粉末的80K相數量決定膨脹的相對量。下圖示出體積膨脹的實驗規律性。實驗時，按不同的質量分數混合80K相和110K相粉末，壓成壓坯在空氣中于845℃處理不同時間。結果表明，當80K相為10％～20％時，48小時后試樣膨脹了5％左右；80K相為50％時，96小時膨脹量為8％左右；而基本上是80K相（＞90％），在有1.6％Pb的摻雜下，膨脹量可達35％。在制備銀包覆的110K相超導帶時也發現，隨著燒結的進行，超導體密度由65％降低到55％，并完成80K相到110K相的轉變。近完全的致密化，必須多次進行軋
40250h
845℃空氣中
30
哥碎過20200h
130h
1096h
48h
020
4060
80
100
80K相質量分數/％
80K相粉末質量分數對110K相燒結致密化的影響7
制、燒結后才能實現。
（d）不等量擴散
無論是金屬粉末還是陶瓷粉末，只要在燒結過程中出現了物質（原子、離子、空位）的不等量擴散，都會導致致密化的反常現象。
在Cu-Ni，Au-Ag，Cu-Ag，Cu-Fe。Fe-Ni，Cu-Zn，Ni-Zn，70/30黃銅和Cu之間燒結頸部的“燒結溝”。金相考查表明，當用相應金屬的細線（0.127～0.254mm）纏繞在粗線（6.3mm）上，在氫氣、氮氣或真空（對于含Zn的金屬對）中燒結時，都會在低熔點金屬一側，比如Cu-Ni995℃燒結1.5h在Cu一側；Cu-Fe1013℃燒結16.5h在Cu一側；Fe-Ni1185℃燒結6h在Fe一側；Zn-Ni300℃燒結1～16h在Zn一側；形成燒結頸部區的下陷的“燒結溝”，如下圖示意。進一步燒結并不是燒結頸的橫向長大，而是頸部下陷長入低熔點金屬中，從
燒結溝
T＞TDAD＜D
B
原子不等量擴散造成的燒結溝
擴散性D＜D，熔點TA＞T
曲型成分收縮膨脹
T
AB
△L/L
入△L/L。
T△L/L。
TT
AB
△L/L。
A一添加劑（較少相）
B一基體（主要相）
利用二元相圖預測致密化（收縮）與反致密化
（膨脹）行為
二元相圖為利用溶解度比的概念判斷升溫過程及燒結溫度下出現的燒結體尺寸變化提供了某些重要的信息。上圖是一些理想化了的典型二元相圖。A組元表示添加的形成液相的元素粉末。B組元表示作為基體的元素粉末。典型成分為B組元為主相，A組元為較少相，相應的粉末合金成分線由圖中虛線示出。當SA～SB時，如圖a所示，升溫的緩慢加熱不會導致燒結體尺寸變化，而達到共晶溫度以上，液相形成并出現收縮致密化。圖b和c是兩個極端情況。圖b相當于溶解度比判據式Sg/S＞1，從升溫開始便有微量收縮。達到或超過共晶溫度，燒結出現顯著致密化。而圖c相當于式S/S＜1，從升溫開始便有膨脹，達到共晶液相溫度時膨脹達到最大，進一步提高燒結溫度可以出現一定的收縮，但最終仍不能實現燒結致密化。圖d是一個有趣的情況，雖然S/S＞l，但該系統有二個共晶溫度，其間有金屬間化合物形成。在低于第一個共品溫度的升溫過程中，尺寸變化不顯著，達到第一個共晶溫度時出現了一定量的膨脹，這時SB/SA＜1（SB為金屬間化合物中B的濃度），達到第二個共晶溫度，膨脹量最大，進一步升高溫度，燒結在S/S＞l條件下進行，可能進入收縮致密化狀態。
（c）相變引起的晶粒形狀改變
Bi系高溫超導體，無毒，價廉，轉變溫度高（80～100K，液氮溫度為77.3K），是有可能大規模開發的塊材系列，但在致密化方面遇到了困難，如熱等靜壓過程出現110K相的分解，不加壓燒結中出現試洋體積膨脹。這些是典型的由相變引起的反致化現象。
理想80K相粒110K品粒
sSr
I……
850t
80K相110K相
近等軸品類850t平板品粒
Bi系陶瓷高溫超導體晶粒由近等軸形轉變為
平板形造成體積膨脹示意圖
-80K相晶體結構；-110K相晶粒形成示意圖；-110K相晶體結構
X射線衍射、中子衍射和高分辨電子顯微術分析表明，80K相和110K相單晶都具有正交對稱性（Fmmm），80K相的晶格常數d＝0.5410nm，b＝0.5401nm，c＝3.083nm。而110K相（2223相Bi2Sr2Ca2Cu3O10）a＝0.540nm，
滿足式2y/r＝P（T），即保持平衡。凡是小于22um的孔洞，由于滿足式2y/r＞P（T）孔洞的本征Laplace應力大于孔洞氣體膨脹應力而收縮；而大于22um的孔洞將膨脹。
（b）溶解度失配
燒結過程出現液相，隨之而來也就出現了兩個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。這兩個溶解度之間的匹配是否合適，決定了燒結體是收縮致密化還是膨脹反致密化。在大量的實驗結果中，發現凡是固相在液相的溶解度（記為Sg）大于液相在固相中的溶解度（S）的粉末系統，都發生收縮致密化，如Cu-Ti， Fe-B，W-Fe系；反之，則發生膨脹反致密化，如Al-Zn， Cu-Al， Cu-Sn，Fe-Al， Fe-Cu， Fe-Sn和Ti-Al系等。這個定性的判據可以表示為：
SB/SA＞1收縮致密化，SB/SA＜1膨脹反致密化
溶解度影響的一個定性解釋由下圖給出。高的溶解度比，如式1-231a的情況，存在于固相顆粒之間的
生坯基體
添加劑
SB/S＞1Sa/SA＜1
致密化廖脹
孔洞
1-35溶解度比對致密化（收縮）或反致密化（膨脹）的影響［110
液相相當于一個潤滑劑的作用。它既可以作為顆粒滑動的載體，又可以溶解掉顆粒的某些尖角、凸棱，使之易于流動而實現顆粒重排致密化。這樣的致密化過程是一個快速完成的過程，一般在液相形成幾分鐘后可完成。因而，相對不加壓固相燒結來說，它是一個強化了的致密化過程。低的溶解度之比，表示液相在固相中有大的溶解度，它可以在適當大的品界兩面角的情況下貫穿入晶界，而在原先液相存在的位置留下大的孔洞。大孔的出現造成了燒結體的膨脹，這種反致密化過程不能通過液相消失后的固相燒結加以改善。最典型、最常見的例子是鐵基材料的Fe-Cu系（（Cu）＞3％）的銅熔化時出現的瞬時液相燒結。
而妨礙了致密化過程的進行。
這種現象的定性解釋為：低熔點金屬有較低的表面能和較高的自擴散率，對于頸部同一表面曲率。在過剩空位的流動中，會有較多的空位從低熔點金屬一側流走，而高熔點金屬一側的空位流出較少。在流動過程中，不等量空位流動導致在低熔點一側空位積累，形成觀察到的“燒結溝”。
同樣，對于氧化物粉末，金屬陽離子的不等量擴散也會引起空位的反向聚集和燒結頸的下陷。在研究MgO-Al2O3MgO-SiO2和2MgO-TiO2坯體在1500℃空氣中燒結過程中發現發生膨脹而不是致密化的實驗結果。如下圖所示，當粉末坯體中MgO和TiO2摩爾比為2：I時，即2MgO.TiO2，1500℃燒結2h體積膨脹
25
20
15
103
524681012
時間/h
不同成分的氧化物粉末壓坯燒結不同時間的體積膨脹
1-2MgO＋TiO2； 2-2MgO＋SiO2； 3-MgO＋Al2O； 4-MgO＋Fe2O
20％，燒結4h膨脹增加到22％Mg（Mg，Ti）O4，同時形成尖晶石結構。由于Mg和Ti的陽離子的互擴散造成的不等量物質遷移可以由下圖示意。MgO和TiO2粉末相互接觸，兩個顆粒之間就發生2個2價Mg陽離子向TiO2和1個4價Ti陽離子向MgO方向的不等量陽離子數目的擴散。這是離子化合物由擴散保持電中性所要求的。另一方面，為了保持空位個數的平衡，必有一個陽離子空位由TiO2向MgO擴散，以彌補陽離子數目擴散的差別。這樣，空位就在MgO一側聚集形成孔洞。于是，燒結頸長大就被阻礙致密化的頸縮和燒結溝所替代。L＜L（膨張）
MgOTO:
MgO
TiO
Mg（MgTi）O.
2個Mg陽離子頸縮和燒結構
一1個T陽離子
1個陽離子空位
金屬陽離子數目不等量擴散下的空位聚集
造成的顆粒燒結頸縮和體積膨脹
第二節強化燒結
強化燒結是泛指能夠使燒結溫度降低，或是能夠增加燒結速率，或是能夠強化燒結體性能（包括合金化或是抑制晶粒生長）的所有燒結過程。
位錯自激活燒結是針對不加壓燒結初期階段位錯萌生對物質遷移貢獻的進一步驗證和肯定。
固相活化燒結和液相燒結是典型的不加壓強化燒結過程。其中，金屬與金屬、金屬與非金屬能否相互潤濕是強化燒結的決定性因素。對金屬粉末燒結活化劑和陶瓷粉末燒結助劑的理論分析是極為活躍的研究領域。而強化燒結的致密化規律仍需進一步研究。
2.1活化劑擴散強化燒結
2.1.1擴散強化燒結途徑與活化劑
（a）擴散強化途徑：強化燒結的核心問題是強化原子的擴散過程。擴散過程的強化可以通過下列途徑實
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