高分子复合材料作业.docx
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高分子复合材料作业
第一章
1、什么叫复合资料?
其主要性能特色?
答:
复合资料是由两种或两种以上的物理和化学性质不一样的物质组合而成的一种多相固体资料。
复合资料拥有以下特色:
1、细观上是非均相资料,组分资料间有显然的界面;
2、组分资料性能差别很大;
3、构成复合资料后性能有较大改良;
4、组分资料的体积分数应大于10%。
2、怎样命名复合资料?
答:
复合资料在世界各国还没有一致的名称和命名方法。
比较共同的趋向是依据增强体和基体的名称来命名,一般有以下三种情
况:
(1)重申基体时以基体资料的名称为主。
如树脂基复合资料、金属基复合资料、陶瓷基复合资料等。
(2)重申增强体时以增强体资料的名称为主。
如玻璃纤维增强复合资料、碳纤维增强复合资料、陶瓷颗粒增强复合资料
等。
(3)基体资料名称与增强体资料名称并用。
物质的命名原则:
依据物质的构成、结构和特色的互相关系来确命名称,名称应在必定程度上反应事物的特色。
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复合资料的命名——增强资料+基体资料+复合资料写作:
为书写简易,也可仅写增强资料与基体资料的缩写名称,中间加一斜线分开,后边再加复合资料。
增强资料/基体资料+复合资料
3、简述复合资料的民用远景,说说复合资料的发展。
复合资料自上世纪60年月中期出生以来,其应用向来分为三大领域:
以航空航天为主的国防军工领域、体育休闲用品和工业领域的应用。
此地方言的先进复合资料,主要系指碳纤维增强树脂基复合资料。
我多年来是从碳纤维的产耗量下手研究先进复合资料在民用领域的应用发展状况。
据统计,当前生界碳纤维总产能约在66000吨/年左右,产量约为46000吨
/年左右。
第二章
1.简要说明基体在复合资猜中的作用。
答:
①基体资料经过界面与增强资料粘结成一体,并使纤维地点固定,给予复合资料必定的形状,并以剪应力的形式向增强资料传达载荷,并使载荷平衡;②保护增强资料免受外界环境的作用和物理损害。
③决定复合资料的一些性能。
如复合资料的高温使用性能(耐热性)、横向性能、剪切性能、耐介质性能(如耐水性、耐化学品性能)等;④对复合资料一些性能有重要影响,如纵向拉
伸、压缩性能、疲惫性能、断裂韧性等。
⑤决定复合资料的成型工艺方法及工艺参数的选择;如:
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基体的粘度、使用期直接影响增强资料的浸渍、复合资料的铺层和预浸料的储藏。
2.选择复合资料用树脂基体时,主要应试虑哪几方面问题?
答:
1)能够知足产品的使用需要,如使用温度、强度、刚度、耐药品性、耐腐化性等。
高拉伸模量、高拉伸强度、高断裂韧性的基体有益于提升复合资料的力学
性能;2)对纤维拥有优秀的湿润性和粘结性;3)简单操作,如要求胶液拥有足够的合用期、预浸料拥有足够长的储藏期、固化缩短小等;4)低毒性、低刺激性;5)价钱合理
3.环氧树脂、酚醛树脂及不饱和聚酯树脂的固化各有什么特色?
对制备工艺有什么影响?
答:
不饱和聚酯树脂的固化:
交联单体的种类和用量:
对固化树脂的性能有很大影响,并直接影响树脂的工艺性能。
单靠加热也能够固化:
但反响引诱期长,放热量大,难以控制,反响不完整,所以常采纳加引起剂并加热固化、加引起剂和促进剂室温固化。
引起剂—促进剂的种类和用量:
不单影响固化温度和速度,并且可依据不一样工艺方法及制品大小等,有效地控制树脂的各项工艺性能。
复合引起系统:
引起剂之间的共同效应,增添或降低引起活性。
环氧树脂的固化:
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环氧树脂自己是热塑性的线型结构,不可以直接使用,一定再向树脂中加入第二组分,在必定的温度条件下进行交联固化反响,生成体型网状结构的高聚物以后才能使用。
这个第二组分就叫做固化剂。
酚醛树脂的固化:
固化方法有两种:
(一)加热固化,不加任何固化剂经过加热的方法,依赖酚醛结构自己的羟甲基等活性基团,进行化学反响而固化:
(二)经过加入固化剂使树脂发生固化。
4.若要使环氧树脂室温固化,可采纳哪几种固化剂?
是写出其结构式。
答:
脂肪族胺类是较常用的室温固化剂,它的固化速度快,反响时放出的热量又能促进树脂与固化剂反响。
但这种固化剂对人体有刺激作用,固化产物较脆并且耐热性差,在复合资料方面应用不多。
阴离子及阳离子型固化剂:
是催化性固化剂,只是起到固化反响的催化作用,这种物质主假如引起树脂分子中环氧基的开环聚合反响,进而交联成体型结构的高聚物。
因为树脂分子间的直接互相反响,使固化后的体型结构高聚物基本拥有聚醚的结构。
5.当前环氧树脂的增韧有哪几种方法?
简要说明增韧机理。
答:
增韧剂:
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提升抗冲击性、降低脆性、改良抗曲折性能,能够改良固化物的抗冲击强度及耐热冲击性能,提升粘合剂的剥离强度,减少固化时的反响热及缩短性。
但对固化物的某些力学性能、电性能、化学稳固性(耐溶剂和耐热性)产生不良影响。
非活性增韧剂:
与环氧树脂相容性优秀,但不参加固化反响;主假如聚氯乙烯用的增塑剂及磷酸、亚磷酸酯类的。
它们不参加固化反响,只起减小交联密度、削弱固化树脂刚性的作用,但同时会影响固化产物的强度和耐热性。
活性增韧剂:
在分子链上含有活性基团,能参加固化反响;多为含有活性基团的柔性高分子化合物,它们直接参加固化反响,能够改良产物的韧性,常用的如丁腈橡胶、聚硫橡胶、低相对分子质量聚酰胺等。
6.列举几种高性能热塑性树脂的结构及性能特色。
答:
聚烯烃(主要有聚乙烯、聚丙烯)聚酰胺(PA)主链上含有酰胺基团(—NHCO—),基团上的氢与羰基上的氧联合形成强盛的氢键,易发生结晶,分子
间作使劲较大,使其拥有较高机械强度和熔点;次甲基使分子链较柔顺,有较高韧性。
聚酰胺拥有优秀的力学性能、热稳固性、耐磨性、耐油性、耐化学药品
性。
聚碳酸酯分子主链中含有(—OROCO—)的线性高分子化合物。
依据R基种类不一样,能够是脂肪族、脂环族、芬芳族的聚碳酸酯。
熔融温度可达225~250°C,玻璃化温度为145°C。
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拥有较高的冲击强度、透明性、刚性、抗蠕变性能好,耐火焰性、优秀的电绝缘性以及耐热性;它的尺寸稳固性高,可代替金属和其余资料;第三章
1.比较G
F、CF和KF主要优弊端?
答:
玻璃纤维的特色:
拉伸强度和冲击强度高,延长率小;弹性模量较大;耐热,属于无机资料,不行燃;化学持久性好;绝缘性和绝热性好;吸水率较低;与基体资料粘结性好;价钱较其余增强资料低;可作为有机聚合物基或无机非金属资料基复合资料的增强体。
碳纤维的性能特色:
长处:
强度高;弹性模量高;密度小(
1.5~
2.0),比强度高;耐高温,耐高温蠕变,一般在1900℃以上才出现永远塑性形变;耐低温,在液氮温度下也不脆化;耐酸;热膨胀系数小(有方向
性),甚至为负值(轴向);制品拥有高度的尺寸稳固性;导热系数大;摩擦系数小并拥有润滑性;防原子辐射,能使中子减速;导电性能好。
弊端:
脆性很大,冲击性能差;碳纤维的抗氧化能力较差,在高温有氧时会生成
二氧化碳;碳纤维怕“打折”和“急转弯”,极易断裂;表面活性低,粘接力差,须
经表面办理提升表面活性;碳纤维价钱昂贵,50~2000$/Kg,而玻璃纤维
2$/Kg。
产量低。
芬芳族聚酰胺纤维:
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外观呈黄色;强度高、弹性模量高,密度小(
1.44~
1.45),比强度极高(与S-G
F、CF-Ⅱ相当)、比模量高(约为GF的2倍),韧性好,耐冲击,抗疲惫抗蠕变;除少量强酸强碱外,对其余介质(一般有机溶剂、盐类溶液等)有很
好的耐化学药品性;拥有自熄性和优秀的热稳固性;高温下不溶,300℃以上短时间强度不变,温度上涨纤维渐渐热分解或碳化;热膨胀系数为各向异性,纵
向热膨胀系数为负值;但对紫外线较敏感,不宜曝光使用;抗压抗扭性差;耐水性差。
2.玻璃纤维是怎样制备的?
制备过程需控制哪些工艺因素?
对玻纤结构和性能有何影响?
答:
①坩埚拉丝法(玻璃球法)坩埚拉丝法生产工艺由制球和拉丝两个部分组
成。
依据纤维质量要求,将砂、石灰石、硼酸等玻璃原料,按必定的比率干混
后,装人大概1260℃熔炼炉中熔融,熔融的玻璃流经造球体制成直径为15~
18mm(质量为10g)的玻璃球供拉丝采纳。
将配制好的玻璃球经热水冲洗、去污和精选后进人铂金坩埚(或陶土坩
埚)加热熔融,再由高速(1000~3000m/min)转动的拉丝机拉丝制成直径很细
(3—20μm)的玻璃纤维。
②池窑拉丝法(直接熔融法)玻璃纤维是由含有各样金属氧化物的硅酸盐类(硅砂、石英石、硼酸、黏土、氟石等),经熔融(1300℃)后,借自重由坩埚底部的漏丝板流出,孔径为
1.5~2mm,流出的玻璃液温度约为1190℃,在快速冷却的过程中,借助高速(1000~3000m/min)转动,拉制成直径很细(3~20μm)的玻璃纤维。
从坩埚中拉出的每根纤维叫单丝,一个坩埚拉出的全部单丝经过浸润剂槽后,集束成一根原纱。
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3.简述玻纤的构成与分类,各种玻纤的性能有什么不一样?
答:
1)以玻璃原料成分分类:
一般以不一样的含碱量来划分
(1)无碱玻璃纤维(E玻纤):
是以钙铝硼硅酸盐构成的玻璃纤维,这种纤维强度较高,耐热性和电性能
优秀,能抗大气侵害,化学稳固性也好(但不耐酸),最大的特色是电性能好,称做电气玻璃,其碱金属氧化物含量不大于
0.5%。
(2)中碱玻璃纤维:
(外国无此玻纤)碱金属氧化物含量在
11.5%-
12.5%。
耐酸性好,但强度不如E玻璃纤维高。
主要用于耐腐化领域中,价钱较廉价。
(3)有碱玻璃纤维(A玻纤):
钠钙玻璃,含碱量高,强度低,对潮气侵害极为敏感,因此极少作为增强资料。
(4)特种玻璃纤维:
如由纯镁铝硅三元构成的高强玻璃纤维,镁铝硅系高强高弹破璃纤维,硅铝钙镁系耐化学介质腐化玻璃纤维.含铅纤维,高硅氧纤维,石英纤维等。
2)以单丝直径分类玻璃纤维单丝呈圆柱形,以其直径(以μm为单位)不一样可分红粗纤维:
30μm初级:
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20μm中级:
10~20μm高级纤维:
3~9μm,超细纤维:
<4μm纺织纤维:
5~10μm单丝直径不一样,不单使纤维的性能有差别,并且影响到纤维的生产工艺、产量和成本。
一般5-10μm的纤维作为纺织制品使用,10-14μm的纤维一般做无捻租纱、无纺布、短切纤维毡等较为适合。
3)以纤维外观分类连续纤维:
无捻粗纱、有捻租纱(用于纺织)、短切纤维、空心玻璃纤维、玻璃粉、磨细纤维等。
4)以纤维特征分类高强玻璃纤维、高模量玻璃纤维、耐高温玻璃纤维、耐碱玻璃纤维、耐酸玻璃纤维、一般玻璃纤维。
4.为何玻璃纤维与块状玻璃性能不一样?
纤维的粗细对其强度有什么影响?
为何?
答:
玻璃纤维的结构与玻璃的结构实质上没有什么差别,都是一种拥有短距离网络结构的非晶结构。
玻璃纤维的强度和模量主要取决于构成氧化物的三维结构。
玻璃是由二氧化硅的四周体构成的三维网络结构,网络间的缝隙由钠离子填补,每一个四周体均由一个硅原子与其四周的氧原子形成离子键,而不是直接联到网络结构上。
网络结构和各化学键的强度能够经过增添其余金属氧化物来改变,由此可生产出拥有不一样化学性能和物理性能的玻璃纤维。
填补的Na或ca等阳离子称为网络改性物。
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5.为何玻璃布的强度比单丝强度要低得多?
答:
玻璃纤维的细度的影响因素:
原料的熔融温度、漏板孔径、拉丝温度、拉丝速度等。
从理论上讲,玻璃纤维直径越细,其强度越高。
但实质生产中,单丝在拉丝过程中表面形成了好多微裂纹,使其强度远低于理论值。
直径在10~20微米范围内,单丝强度相差不大。
6.影响碳纤维强度的主要因素是什么?
答:
玻璃纤维的直径和长度减小,强度提升;含碱量越高,强度越低;
7.在PAN法制备碳纤维的工艺过程中,为何要进行预氧化、碳化和石墨化三个过程?
这三个办理过程对碳纤维的性能有什么影响?
答:
PAN原丝的预氧化办理预氧化的目的就是为了防备原丝在碳化时熔融,通
过氧化反响使得纤维分子中含有羟基、羰基,这样可在分子间和分子内形成氢键,进而提升纤维的热稳固性。
预氧丝的碳化一般是在惰性氛围中,将预氧丝加热至1000一1800℃,进而
除掉纤维中的非碳原子(如H、O、N等)。
生成的碳纤维的碳含量约为95%。
碳化过程中,未反响的聚丙烯腈进一步环化,分子链间脱水、脱氢交联,尾端芳构化生成氨。
跟着温度的进一步高升,分子链间的交联和石墨晶体进一步增大。
PAN的石墨化过程是在高纯度惰性气体保护下于2000—3000℃温度下对碳纤维进行热办理。
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碳纤维经石墨化温度办理后,纤维中残留的氮、氢等元素进一步脱除,碳一碳从头摆列,层面内的芳环数增添,层片尺寸增大,结晶态碳的比率增添。
8.Kevlar纤维的化学结构对纤维性能有什么影响?
答:
芳纶Kevlar纤维的制法:
纺丝常采纳浓硫酸为溶剂,形成溶致液晶系统(各向异性,沿剪切力方向取向),采纳湿法纺丝或干喷—湿纺工艺。
溶致液晶(LyotropicliquidCrystal)——系统在必定条件下能够从各向同性转变为各向异性,即液晶态溶液,聚合物在溶液中呈必定的取向状态,在外界剪切力的作用下,聚合物分子沿剪切力的方向取向,有益于纺丝成型。
液晶态的特色:
分子拥有沿着某一个方向的取向。
9.什么是UHMWPE纤维?
它是怎样制造的?
说明其结构、性能和应用范
围。
答:
超高分子量聚乙烯纤维(UHMW—PE)制法:
纤维状结晶生长法;单晶片—超拉伸法;冻胶挤压—超拉伸法;冻胶纺丝—超拉伸法。
加工困难,难以熔融纺丝。
采纳半稀溶液喷丝,使大分子解缠;超拉伸有益于大分子链充足挺直,提升纤维的取向和结晶。
性能:
聚乙烯纤维超轻,密度
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0.97g/cm3;拥有高比强度、高比模量以及耐冲击、耐磨、自润滑、耐腐化、耐紫外线、耐低温、电绝缘、不吸水、电磁波透过好等多种优胜性。
其不足是熔点较低135℃和高温简单蠕变,所以仅能在100℃以下使用。
第四章
1.什么是复合资料成型的三因素?
说明其对产品性能的影响。
答:
成型三因素:
赋形、浸渍、固化。
⑴赋形的基本问题在于增强资料怎样达到平均;或在设定的方向上,怎样可信度很高地进行摆列。
将增强先行赋形过程称为“预成型”。
其赋形的程度进行到与制品最后形状邻近似,而最后形状的赋形则靠成型模具进行。
⑵浸渍所谓浸渍意味着将增强资料间的空气变换为基体树脂。
浸渍的机理可分为脱泡和浸渍两部分。
浸渍利害与难易的主要影响因素是基体树脂的粘度、基体树脂与增强资料的配比,以及增强资料的品种、形态。
⑶固化意味着基体树脂的化学反响,即分子结构上的变化,由线性结构变为网状结构。
固化要采纳引起剂、促进剂,有时还需加热,促进固化反响的进行。
2.复合资料成型时施加压力的主要作用是什么?
复合资料为何可采纳低压成型?
答:
(1)使熔融的树脂拥有必定的流动性,进一步浸渍玻璃纤维布。
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使层压板结构密实,提升层间粘结强度。
(2)冷压的目的是防备层压板在冷却过程中的变形。
(3)用来战胜胶布中挥发物产生的蒸气压力,防备形成大量的气泡和微孔。
往常制品的机械强度(拉伸、曲折、压缩等)随压力的增添而增添。
但压力不可以过大,不然玻璃纤维被压碎,反而以致强度降低。
层压板的比重随压力的增添而增添。
压力增添到必定值时,比重变化不显然。
层压板的吸水性随压力增大而降低
3.怎样选择复合资料制件的成型方法?
答
(1)产量大且尺寸不太大时,采纳压制成型等机械化成型方法;
(2)产量少且尺寸较大时,则采纳手糊或发射成型方法;(3)二者之间则可采纳树脂传达成型法。
(4)展转体宜采纳纤维环绕成型法和离心浇铸成型法
4.为何复合资料固化时要分段加温?
答:
压制温度即层压板压制过程中的固化温度,它与树酯的固化特征相关。
5.手糊成型所用胶液里往常含有哪些协助资料?
它们的作用及用量范围?
答:
(1)无捻粗纱:
无捻粗纱简单浸透树脂,在手糊成型中配合其余纤维制品使用,可用于填补制品死角、单向强度要求高的制品和局部制品增强。
(2)短切纤维毡:
短切纤维毯比织物成本低、变形性好,增厚成效明显,使用方便等。
用它制造的产品拥有平面各向同性,制品中树脂含量可达60~80%。
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常用于糊制强度要求不高,荷载随机性大和防腐化制品等。
(3)表面毡:
是特意用于制品表面,构成富树脂层,以改良玻璃钢制品的表面性能;(4)
无捻粗纱布:
无捻布的特色是变形性好,增厚成效明显,易被树脂浸透,价钱较其余布廉价等。
可是无捻粗纱布在45°方向强度较低,仅为0°方向的30%,为加捻布的50%。
无捻粗纱布是手糊成型用的主要增强资料。
6.手糊成型使用不一样资料制成的模具时应注意什么问题?
(1)金属:
资料有优秀的耐磨性和易成型性。
模具可加温加压,使用寿命长,光洁度好,表面精度高,不易变形。
但其加工复杂,制造周期长,造价贵,主要用于大量量生产或精度要求高的中、小型产品生产。
(2)木材:
木材要求质地平均,无节疤、变形小等。
常用的有红松、银杏、杉木、枣木等。
应早先干燥,以防备变形和开裂。
木模不持久,不耐高温,模具表面需经过封孔办理,防备树脂向内部浸透,造成脱模困难及表面不但洁等。
同时要防备模内水分固化时蒸发,影响产品的表面质量。
长处是加工简单,比较轻巧,短时内能够多次使用,但简单变形破坏,模具表面需常常维修,合用于结构复杂的试制产品及小批量中小型产品。
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(3)石膏:
往常是半水石膏锻造而成,其长处是制造简单,资料易得,价钱廉价。
石膏模的弊端是不耐用,怕冲击,表面要经过细加工和防备办理,使用前要经过干燥,防备模内水分固化时蒸发,影响产质量量。
石膏控合用于小批量及形状复杂的产品生产。
(4)水泥及混凝土:
模具制造方便,成本低,有必定的强度,刚性好,不易变形,可长久使
用。
但表面需经过打磨、抛光、封孔、涂漆后才能使用。
一般用于造型简单、表面质量要求不高的产品。
(5)玻璃钢:
是由木模或石膏模翻制而成。
依据使用要求,能够用环氧树脂、聚酯树脂制造。
为了减少缩短和降低成本,还能够填加部分矿物填料。
长处是制造方便,能够制造形状复杂的模具,并且线膨胀和缩短小,精度较高,表面光洁度好,耐化学腐化及质轻持久等。
其弊端是成本较贵。
它合用于表面质量要求较高、形状复杂制品的大量量生产。
(6)白腊:
是用浇铸法成型。
多用来制造形状复杂,批量不大的小产品成型。
还能够用作难以拿出的模芯。
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白腊模制造方便,不需要涂脱模剂,资料能够频频使用,成本低,但模具不耐热,易变形,制品精度不高,表面涂漆困难。
7.环绕成型工艺的特色及合用范围。
答:
纤维环绕成型——是在控制纤维张力和预约线型的条件下,将连续的纤维粗纱或布带浸渍树脂胶液、连续地环绕在相应于制品内腔尺寸的芯模或内衬上,而后在室温或加热条件下使之固化制成必定形状制品的方法。
环绕成型工艺分类:
(1)湿法环绕成型
(2)干法环绕成型(又称预浸带环绕)(3)湿干(半干)法环绕成型
8.常用脱模剂有哪几种?
举例说明各种脱模剂各有何特色。
答:
白腊、黄油、甲基硅油、聚乙烯醇水溶液、聚氯乙烯薄膜等。
采纳应依据:
模具资料、树脂种类、固化温度、产品外型结构、生产周期、经济效益。
9.树脂传达成型与反响注射成型的特色及原理。
答:
RTM法——一般是指在模具的型腔里早先搁置增强资料(包含螺帽、螺
栓、聚氨酯泡沫塑料等嵌件),夹紧后,从设置于适合地点的注入孔在必定温度及压力下将配好的树脂注入模具中,使之与增强资料一同固化,最后启模、脱模而获取的成型制品。
工艺流程:
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模具清理、脱模办理、胶衣涂布和固化、纤维及嵌件安置、合模夹紧、树脂注入、树脂固化、启模、脱模。
RTM工艺特色:
(1)无需涂胶衣,双面圆滑;
(2)表面质量好高精度的复杂构件;(3)成型后只要做小的修边;(4)设施和模具投资少;(5)缝隙率低;(6)纤维含量高;(7)CAD协助模具和产品设计;(8)易于实现局部增强;(9)成型过程中发散挥发物少;(10)双面模具最先花费高;(11)预成型坯的投资大;(12)工艺要求严格RIM——是集聚合与加工于一体的聚合物加工方法。
将反响物(单体或齐集物)精准计量,经高压碰撞混淆后充入模内,混淆物在模具型腔内固化成型。
RIM工艺过程:
碰撞混淆、充模、固化成型、脱模及后办理。
突出特色:
生产效率高、能耗低;产品设计灵巧,性能优秀。
第五章
1.什么是偶联剂?
简述其作用机理?
答:
偶联剂是一种化合物,其分子两头往常含有不一样的基团。
偶联剂的作用是靠偶联剂分子中的两种基团:
一种基团可与玻璃纤维表面起化学反响,以化学键连结;另一种基团可参加树脂的固化反响生成化学键。
经过这两种不一样的基团的反响,在二者之间架起键桥,把两种不一样性质的资料连结起来,键桥的力量是分子间的吸引力所没法比较的,进而获取优秀的粘接性。
2.影响界面联合强度的因素哪些?
怎样提升界面联合强度?
答:
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影响
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