山东省（春季高考）机械制造类 《机械基础》项目十六任务一 45分钟专题训练卷

山东省（春季高考）机械制造类《机械基础》45分钟专题训练卷专辑，共220份试卷。试卷命题与高考紧密相关，精选具有代表性和典型性的高考常考题。旨在帮助学生系统地复习和巩固机械制造类理论知识，熟悉高考题型和命题规律，提高解题能力和应试技巧，为高考取得优异成绩打下坚实的基础，本训练卷适用于即将参加机械制造类高考的学生。 与本专辑配套的还有山东省春季高考考试《机械制图》《金属加工基础》《钳工加工技术》《极限配合与技术测量》45分钟专题训练卷专辑，欢迎同学和老师们下载使用。 山东省（春季高考）机械制造类 《机械基础》 项目十六：工程材料 任务一：工程塑料和复合材料 时间：45分钟 总分：100分 班级＿＿＿＿　姓名＿＿＿＿　学号＿＿＿＿　成绩＿＿＿＿ 一、单项选择题（本大题共20小题，每题2分，共40分） 1. 塑料的主要组成材料是（ ） A. 橡胶 B. 树脂 C. 纤维 D. 油脂 2. 有机玻璃属于 （ ） A. 复合材料 B. 橡胶 C. 工程塑料 D. 陶瓷 3. 非金属材料主要是指什么（ ） A. 塑料 B. 陶瓷 C. 橡胶 D. 所有以上选项 4. 下面材料中适合制作飞机大梁的是（ ） A. 塑料 B. 灰铸铁 C. 铝合金 D. 碳素工具钢 5. 哪种材料属于常用工程塑料，并且通常用于制造电器和电子设备的外壳（ ） A. 聚酰胺（PA） B. 聚碳酸酯（PC） C. 聚酯（PET） D. 聚丙烯（PP） 6. 下列哪种材料属于塑性材料（ ） A. 铸铁 B. 陶瓷 C. 低碳钢 D. 玻璃 7. 塑料的主要成分（ ) A. 稳定剂 B. 填充剂 C. 增强剂 D. 树脂 8. 高分子材料中，下列哪种工程塑料具有较高的耐热性和机械强度？（ ） A. PVC B. PET C. PTFE D. PEEK 9. 下列物质性质和用途都正确且相关的是（ ） A. FeCl3溶液能够与铜发生氧化还原反应，可用于刻蚀电路板，体现了铁离子的氧化性 B. SO2具有漂白性，所以SO2常用于漂白秸秆、织物 C. 氢氟酸与二氧化硅反应，是特性反应，与酸性无关 D. CH3CH2OH完全燃烧生成二氧化碳、水，放出大量热量，无污染 10. 下图为工程塑料的应用示例，关于其说法错误的是（ ） A. 工程塑料一般具有较高的强度、耐高温、耐蚀、耐性等良好性能 B. 工程塑料在一些情况下可代替金属作某些机械构件 C. 工程塑料产量高、价格较低，应用广泛 D. 常用的工程塑料有聚碳酸酯、聚酰胺、ABS塑料、环氧树脂等 11. 黑色工程塑料通常是由以下哪种添加剂实现的？（ ） A. 钛白粉 B. 炭黑 C. 钨粉 D. 铁粉 12. 下列物质中属于耐高温非金属材料的是（ ） A. 二氧化碳 B. 碳化硅 C. 镁铝合金 D. 五氧化二磷 13. 复合材料的制备需要考虑的因素包括（ ） A. 原材料的选择、制备工艺及固化方式 B. 重量、外观、硬度 C. 使用环境、耐磨性、导电性 D. 生产效率、成品精度、工序数目 14. 2022年冬奥会的火炬外壳是碳纤维与功能性树脂制成的碳纤维复合材料，取代传统的铝合金，火炬采用氢气作燃料，燃烧温度可达800℃，下列说法错误的是（ ） A. 涂有钠元素的显色剂能使火焰呈黄色 B. 氢气作为燃料可以实现“碳的零排放” C. 碳纤维复合材料与碳纳米材料都属于新型有机非金属材料 D. 火炬抗摔性能强，质量轻便 15. 以下哪一种合成纤维常用于制备高强度织物？（ ） A. 涤纶 B. 尼龙 C. 聚丙烯 D. 聚乙烯 16. 下列哪种材料属于合成高分子材料？（ ） A. 铝合金 B. 聚乙烯 C. 二氧化硅 D. 氧化铝 17. 尼龙属于（ ） A. 工程塑料 B. 橡胶 C. 复合材料 D. 陶瓷 18. 下列塑料中，不属于按照使用范围分类的是（ ） A. 热固性塑料 B. 通用塑料 C. 工程塑料 D. 特种塑料 19. 绝缘薄膜通常应用在哪种电器设备中？（ ） A. 高压电器 B. 低压电器 C. 通信设备 D. 家用电器 20. 电工用塑料通常用于什么用途？（ ） A. 导电 B. 绝缘 C. 产生热量 D. 磁性材料 二、简答题（本大题共4小题，每题5分，共20分） 21. 与金属材料相比，非金属材料在机械基础应用中有哪些独特优势？请举例说明。 22. 下图所示为试制的碳纤维复合材料地铁车体，简述该材料的优势。 23. 某自动化设备采用聚甲醛制造低载荷滑动导向块。简述选择该工程塑料的主要依据，并说明使用时应注意的两个问题。 24. 某设备防护罩要求质量较轻，同时具有较高的刚度和抗冲击能力，拟选用玻璃纤维增强塑料。说明该复合材料满足要求的原因，并列举制造和使用过程中需要注意的两项事项。 三、计算题（本大题共2小题，每题5分，共10分） 25. 某玻璃纤维增强环氧树脂复合材料由环氧树脂和玻璃纤维组成。已知环氧树脂质量为 3.20 kg，密度为 1.20 g/cm3；玻璃纤维质量为 1.80 kg，密度为 2.50 g/cm3。忽略孔隙和其他添加物，求：（1）玻璃纤维在复合材料中的体积分数；（2）复合材料的密度；（3）若保持环氧树脂质量不变，使玻璃纤维体积分数达到 30%，还需补加多少玻璃纤维？ 26. 某单向碳纤维增强环氧树脂复合材料制成圆棒，横截面积为 120 mm2，长度为 500 mm，碳纤维体积分数为 55%，环氧树脂体积分数为 45%。已知碳纤维密度为 1.80 g/cm3，环氧树脂密度为 1.20 g/cm3；碳纤维纵向抗拉强度为 1800 MPa，环氧树脂抗拉强度为 80 MPa。按混合定则估算，并取复合材料纵向许用应力为估算抗拉强度的 40%，求：（1）该复合材料圆棒的质量；（2）该复合材料的纵向抗拉强度；（3）圆棒允许承受的最大轴向拉力。 四、综合应用题（本大题共4小题，共30分） 27.（5分）某汽车零部件企业采用玻璃纤维增强聚酰胺制造电动汽车电池支架。一次配料中，聚酰胺基体质量为 1.80 kg，密度为 1.20 g/cm3；玻璃纤维质量为 1.20 kg，密度为 2.50 g/cm3。忽略成型过程中的质量损失。（1）计算该批复合材料的总体积和玻璃纤维的体积分数，结果保留 1 位小数。（2）若铝合金密度取 2.70 g/cm3，判断该复合材料的密度是否低于铝合金，并说明其对电池支架轻量化的意义。（3）说明该材料属于哪一类复合材料，并分析玻璃纤维对聚酰胺主要性能的改善作用。 28.（5分）某机械制造企业为数控机床设计防护支架，现有铝合金支架质量较大，拟改用玻璃纤维增强尼龙。支架外形为长方体，长度为200 mm、宽度为100 mm、厚度为20 mm，中心线上均匀分布4个直径为20 mm的圆孔，孔贯穿整个厚度。已知铝合金密度为2.70 g/cm3，玻璃纤维增强尼龙密度为1.35 g/cm3，取π为3.14，忽略倒角和加工余量。（1）计算该支架实体部分的体积，并分别计算采用铝合金和玻璃纤维增强尼龙制造时的质量。（2）比较两种材料的质量，并判断采用玻璃纤维增强尼龙是否能够满足轻量化要求。说明玻璃纤维增强尼龙属于哪类材料。（3）若支架采用玻璃纤维增强尼龙注塑成型后还需进行孔加工，说明加工过程中应采取的两项改进措施，并分析其主要原因。 29.（10分）某无人机机身盖板采用碳纤维增强环氧树脂复合材料。盖板尺寸为 600 mm×400 mm×4 mm，碳纤维体积分数为 55%，环氧树脂体积分数为 45%。碳纤维密度为 1.80 g/cm3，环氧树脂密度为 1.20 g/cm3，钢材密度为 7.85 g/cm3。（1）计算盖板的体积、碳纤维和环氧树脂的体积，以及盖板的质量，结果保留 1 位小数。（2）若采用相同体积的钢板制造，计算钢板质量，并比较两种方案的减重比例。（3）说明该材料的分类和主要性能特点，并指出铺层设计时应注意的问题。 30.（10分）某机械厂为输送腐蚀性液体的泵体选材。现有两种方案：方案甲采用铸铁，泵体体积为 18.0 dm3，密度为 7.2 kg/dm3；方案乙采用玻璃纤维增强聚丙烯复合材料，密度为 1.65 kg/dm3。经试验，两种材料均能满足该液体的耐腐蚀要求。复合材料泵体的允许工作温度为 90 ℃，现场介质最高温度为 75 ℃。（1）分别计算两种泵体的质量，并计算采用复合材料后泵体质量的降低比例。（2）结合材料分类和使用条件，判断方案乙是否适合该工况，并说明理由。（3）若现场温度长期升高到 105 ℃，分析继续采用方案乙可能产生的问题，并提出选材或改进措施。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 学科网（北京）股份有限公司 $ 山东省（春季高考）机械制造类《机械基础》45分钟专题训练卷专辑，共220份试卷。试卷命题与高考紧密相关，精选具有代表性和典型性的高考常考题。旨在帮助学生系统地复习和巩固机械制造类理论知识，熟悉高考题型和命题规律，提高解题能力和应试技巧，为高考取得优异成绩打下坚实的基础，本训练卷适用于即将参加机械制造类高考的学生。 与本专辑配套的还有山东省春季高考考试《机械制图》《金属加工基础》《钳工加工技术》《极限配合与技术测量》45分钟专题训练卷专辑，欢迎同学和老师们下载使用。 山东省（春季高考）机械制造类 《机械基础》 项目十六：工程材料 任务一：工程塑料和复合材料 时间：45分钟 总分：100分 班级＿＿＿＿　姓名＿＿＿＿　学号＿＿＿＿　成绩＿＿＿＿ 一、单项选择题（本大题共20小题，每题2分，共40分） 1. 塑料的主要组成材料是（ ） A. 橡胶 B. 树脂 C. 纤维 D. 油脂 【答案】B 【解析】塑料是以树脂为主要成分，加入适量添加剂制成的高分子材料，因此选B。 2. 有机玻璃属于 （ ） A. 复合材料 B. 橡胶 C. 工程塑料 D. 陶瓷 【答案】C 【解析】有机玻璃的主要成分是聚甲基丙烯酸甲酯，属于工程塑料，因此选C。 3. 非金属材料主要是指什么（ ） A. 塑料 B. 陶瓷 C. 橡胶 D. 所有以上选项 【答案】D 【解析】非金属材料是指除金属材料以外的材料，主要包括塑料、陶瓷、橡胶等。因此，选项A、B、C均属于非金属材料，正确答案为D。 4. 下面材料中适合制作飞机大梁的是（ ） A. 塑料 B. 灰铸铁 C. 铝合金 D. 碳素工具钢 【答案】C 【解析】铝合金因其轻质、高强度、优良的耐腐蚀性和可加工性，被广泛用于航空航天领域。在飞机大梁这类主要承力结构中，使用铝合金可以减轻飞机的整体重量，同时保持足够的强度和刚性，这对于提高飞机的性能和燃油效率至关重要 5. 哪种材料属于常用工程塑料，并且通常用于制造电器和电子设备的外壳（ ） A. 聚酰胺（PA） B. 聚碳酸酯（PC） C. 聚酯（PET） D. 聚丙烯（PP） 【答案】B 【解析】聚碳酸酯（PC）具有较高的强度、耐冲击性和耐热性，常用于制造电器和电子设备的外壳，因此选B。 6. 下列哪种材料属于塑性材料（ ） A. 铸铁 B. 陶瓷 C. 低碳钢 D. 玻璃 【答案】C 【解析】低碳钢在受力时具有较好的塑性，属于塑性材料；铸铁、陶瓷和玻璃属于脆性材料，因此选C。 7. 塑料的主要成分（ ) A. 稳定剂 B. 填充剂 C. 增强剂 D. 树脂 【答案】D 【解析】塑料是以天然树脂或合成树脂为主要成分，并加入适量添加剂制成的高分子材料。因此，塑料的主要成分是树脂，正确答案为D。 8. 高分子材料中，下列哪种工程塑料具有较高的耐热性和机械强度？（ ） A. PVC B. PET C. PTFE D. PEEK 【答案】D 【解析】PEEK是一种具有较高耐热性和机械强度的高分子材料，选项 D 正确。 9. 下列物质性质和用途都正确且相关的是（ ） A. FeCl3溶液能够与铜发生氧化还原反应，可用于刻蚀电路板，体现了铁离子的氧化性 B. SO2具有漂白性，所以SO2常用于漂白秸秆、织物 C. 氢氟酸与二氧化硅反应，是特性反应，与酸性无关 D. CH3CH2OH完全燃烧生成二氧化碳、水，放出大量热量，无污染 【答案】A 【解析】FeCl3溶液能与铜发生氧化还原反应，反应为2FeCl3+Cu=2FeCl2+CuCl2，其中Fe3+将Cu氧化为Cu2+，体现了Fe3+的氧化性，因此可用于刻蚀印制电路板。SO2虽具有漂白性，但通常不用于漂白秸秆；氢氟酸与二氧化硅的反应体现了氢氟酸的特性，不能简单表述为与酸性无关；乙醇完全燃烧会生成CO2，不能称为无污染。因此正确答案为A。 10. 下图为工程塑料的应用示例，关于其说法错误的是（ ） A. 工程塑料一般具有较高的强度、耐高温、耐蚀、耐性等良好性能 B. 工程塑料在一些情况下可代替金属作某些机械构件 C. 工程塑料产量高、价格较低，应用广泛 D. 常用的工程塑料有聚碳酸酯、聚酰胺、ABS塑料、环氧树脂等 【答案】C 【解析】工程塑料一般具有较高的强度或具备耐高温等良好性能，但是其产量较低，价格较高。 11. 黑色工程塑料通常是由以下哪种添加剂实现的？（ ） A. 钛白粉 B. 炭黑 C. 钨粉 D. 铁粉 【答案】B 【解析】黑色工程塑料通常通过添加炭黑等添加剂达到染色效果，选项 B 正确。 12. 下列物质中属于耐高温非金属材料的是（ ） A. 二氧化碳 B. 碳化硅 C. 镁铝合金 D. 五氧化二磷 【答案】B 【解析】碳化硅由碳元素和硅元素组成，属于无机非金属材料，具有熔点高、硬度大、耐高温和耐磨等特点，适合在高温环境中使用。二氧化碳和五氧化二磷不是耐高温结构材料，镁铝合金属于金属材料。因此选B。 13. 复合材料的制备需要考虑的因素包括（ ） A. 原材料的选择、制备工艺及固化方式 B. 重量、外观、硬度 C. 使用环境、耐磨性、导电性 D. 生产效率、成品精度、工序数目 【答案】A 【解析】复合材料的制备需要综合考虑原材料选择、制备工艺以及固化方式等因素，选项 A 正确。 14. 2022年冬奥会的火炬外壳是碳纤维与功能性树脂制成的碳纤维复合材料，取代传统的铝合金，火炬采用氢气作燃料，燃烧温度可达800℃，下列说法错误的是（ ） A. 涂有钠元素的显色剂能使火焰呈黄色 B. 氢气作为燃料可以实现“碳的零排放” C. 碳纤维复合材料与碳纳米材料都属于新型有机非金属材料 D. 火炬抗摔性能强，质量轻便 【答案】C 【解析】碳纤维复合材料与碳纳米材料都属于新型无机非金属材料，而不是有机非金属材料。 15. 以下哪一种合成纤维常用于制备高强度织物？（ ） A. 涤纶 B. 尼龙 C. 聚丙烯 D. 聚乙烯 【答案】B 【解析】尼龙是一种具有高强度的合成纤维，常用于制备高强度织物，选项 B 正确。 16. 下列哪种材料属于合成高分子材料？（ ） A. 铝合金 B. 聚乙烯 C. 二氧化硅 D. 氧化铝 【答案】B 【解析】聚乙烯是由乙烯单体聚合形成的合成高分子材料，分子量大、具有长链结构。铝合金属于金属材料，二氧化硅和氧化铝属于无机非金属材料，均不属于高分子材料。因此选B。 17. 尼龙属于（ ） A. 工程塑料 B. 橡胶 C. 复合材料 D. 陶瓷 【答案】A 【解析】习惯上塑料也可以分为通用塑料、工程塑料和特种塑料。 工程塑料常指在工程技术中作为结构材料的塑料。这类塑料具有较高的强度或具有耐高温、耐腐蚀、耐辐射等特殊性能，因而可部分代替金属，特别是用来制造某些机械构件或作某些特殊用途。常用的工程塑料有聚酰胺（尼龙）、聚甲醛、ABS、有机玻璃等。 18. 下列塑料中，不属于按照使用范围分类的是（ ） A. 热固性塑料 B. 通用塑料 C. 工程塑料 D. 特种塑料 【答案】A 【解析】塑料按使用范围可分为通用塑料、工程塑料和特种塑料，因此B、C、D均属于按使用范围划分的类别。热固性塑料是按照受热时的性能和加工特征划分的类别，不属于按使用范围分类。因此选A。 19. 绝缘薄膜通常应用在哪种电器设备中？（ ） A. 高压电器 B. 低压电器 C. 通信设备 D. 家用电器 【答案】A 【解析】绝缘薄膜通常应用于高压电器中。 20. 电工用塑料通常用于什么用途？（ ） A. 导电 B. 绝缘 C. 产生热量 D. 磁性材料 【答案】B 【解析】电工用塑料通常用于绝缘。 二、简答题（本大题共4小题，每题5分，共20分） 21. 与金属材料相比，非金属材料在机械基础应用中有哪些独特优势？请举例说明。 【答案】非金属材料在机械基础应用中有诸多独特优势。比如塑料，它具有质量轻、成本低、成型容易的特点，常被用于制造一些外观件、小型结构件等，像汽车内饰的很多部件就是采用塑料制成，既美观又能降低成本和车重；橡胶有良好的弹性和密封性能，广泛应用于密封件的制造，例如汽车发动机中的各类橡胶密封圈，能有效防止液体、气体泄漏，保证发动机正常运转；还有陶瓷材料，硬度高、耐高温、耐磨，常用于制造一些高温环境下的耐磨部件，如陶瓷刀具在切削加工时，能在高温工况下保持较好的切削性能，而且耐磨性好，使用寿命长。非金属材料以这些独特优势弥补了金属材料在某些方面的不足，拓展了机械领域的材料选择范围。 【解析】非金属材料与金属材料相比，在密度、成型加工性能、耐腐蚀性、弹性、绝缘性、耐高温性和耐磨性等方面具有各自的优势。塑料密度小、成本较低、成型容易，可用于制造汽车内饰件和小型结构件，从而减轻设备质量并降低制造成本。橡胶具有良好的弹性、密封性和减振性，常用于制造汽车发动机的密封圈，以减少液体和气体泄漏。陶瓷具有硬度高、耐高温和耐磨等特点，可用于制造陶瓷刀具，使刀具在高温切削条件下仍能保持较好的切削性能和耐磨性。由此可见，非金属材料能够在轻量化、密封、减振、耐腐蚀、耐高温和耐磨等方面弥补金属材料的不足，扩大机械基础中的材料选择范围。 22. 下图所示为试制的碳纤维复合材料地铁车体，简述该材料的优势。 【答案】碳纤维复合材料已经在航空航天、交通运输等多领域得到应用。图中所示的试制的碳纤维复合材料地铁车体较同类金属车体减重约35%，可提高车体的运载能力、降低能源消耗、降低全寿命周期成本、减少线路损害。 23. 某自动化设备采用聚甲醛制造低载荷滑动导向块。简述选择该工程塑料的主要依据，并说明使用时应注意的两个问题。 【答案】（1）聚甲醛具有较好的耐磨性、自润滑性、尺寸稳定性和较低的摩擦系数，适用于低载荷、低速滑动导向部件，可降低设备运行噪声和维护需求。（2）使用时应注意避免长期超载和高温运行，防止材料发生变形或磨损加剧。（3）应合理控制配合间隙，并考虑材料吸湿、热膨胀及工作介质对尺寸稳定性的影响。 【解析】本题考查工程塑料在机械滑动部件中的选材与使用要求。作答应结合聚甲醛的耐磨、自润滑和尺寸稳定等性能说明适用性，同时指出载荷、温度、配合间隙及环境因素对工程塑料工作的影响。 24. 某设备防护罩要求质量较轻，同时具有较高的刚度和抗冲击能力，拟选用玻璃纤维增强塑料。说明该复合材料满足要求的原因，并列举制造和使用过程中需要注意的两项事项。 【答案】（1）玻璃纤维具有较高的强度和刚度，树脂基体能够固定并保护纤维，二者结合后可在较小质量下获得较好的承载能力和抗冲击性能。（2）制造时应保证玻璃纤维分布均匀、浸润充分，避免孔隙、分层和纤维方向不合理等缺陷。（3）使用时应防止局部尖锐冲击和长期高温暴晒，并检查连接孔、边缘等应力集中部位是否出现裂纹或分层。 【解析】本题考查复合材料的组成、性能特点及工程应用要求。玻璃纤维增强塑料的性能取决于增强纤维与树脂基体的协同作用，答题还应从成型质量和服役环境两方面说明可能影响防护罩可靠性的因素。 三、计算题（本大题共2小题，每题5分，共10分） 25. 某玻璃纤维增强环氧树脂复合材料由环氧树脂和玻璃纤维组成。已知环氧树脂质量为 3.20 kg，密度为 1.20 g/cm3；玻璃纤维质量为 1.80 kg，密度为 2.50 g/cm3。忽略孔隙和其他添加物，求：（1）玻璃纤维在复合材料中的体积分数；（2）复合材料的密度；（3）若保持环氧树脂质量不变，使玻璃纤维体积分数达到 30%，还需补加多少玻璃纤维？ 【答案】（1）玻璃纤维体积为 720 cm3，环氧树脂体积为 2666.67 cm3，总体积为 3386.67 cm3，玻璃纤维体积分数约为 21.26%。（2）复合材料密度约为 1.48 g/cm3。（3）达到 30% 体积分数时，玻璃纤维所需质量约为 2.86 kg，还需补加约 1.06 kg。 【解析】（1）环氧树脂体积为 ，玻璃纤维体积为 。复合材料总体积为 。玻璃纤维体积分数为 。（2）复合材料总质量为 ，密度为 。（3）保持环氧树脂质量不变，其体积仍为 。设达到30%体积分数时玻璃纤维总体积为 ，则 ，解得 。所需玻璃纤维总质量为 。需补加的玻璃纤维质量为 。 26. 某单向碳纤维增强环氧树脂复合材料制成圆棒，横截面积为 120 mm2，长度为 500 mm，碳纤维体积分数为 55%，环氧树脂体积分数为 45%。已知碳纤维密度为 1.80 g/cm3，环氧树脂密度为 1.20 g/cm3；碳纤维纵向抗拉强度为 1800 MPa，环氧树脂抗拉强度为 80 MPa。按混合定则估算，并取复合材料纵向许用应力为估算抗拉强度的 40%，求：（1）该复合材料圆棒的质量；（2）该复合材料的纵向抗拉强度；（3）圆棒允许承受的最大轴向拉力。 【答案】（1）圆棒体积为 60 cm3，碳纤维质量为 59.4 g，环氧树脂质量为 32.4 g，圆棒质量为 91.8 g。（2）复合材料纵向抗拉强度约为 1026 MPa。（3）许用应力为 410.4 MPa，允许承受的最大轴向拉力约为 49.25 kN。 【解析】（1）圆棒体积为 mm3，换算为 60 cm3，碳纤维和树脂体积分别为 33 cm3和 27 cm3，质量分别为 59.4 g和 32.4 g。（2）按混合定则，抗拉强度为 ，得 1026 MPa。（3）许用应力为 MPa，拉力为 N，约为 49.25 kN。 四、综合应用题（本大题共4小题，共30分） 27.（5分）某汽车零部件企业采用玻璃纤维增强聚酰胺制造电动汽车电池支架。一次配料中，聚酰胺基体质量为 1.80 kg，密度为 1.20 g/cm3；玻璃纤维质量为 1.20 kg，密度为 2.50 g/cm3。忽略成型过程中的质量损失。（1）计算该批复合材料的总体积和玻璃纤维的体积分数，结果保留 1 位小数。（2）若铝合金密度取 2.70 g/cm3，判断该复合材料的密度是否低于铝合金，并说明其对电池支架轻量化的意义。（3）说明该材料属于哪一类复合材料，并分析玻璃纤维对聚酰胺主要性能的改善作用。 【答案】（1）聚酰胺体积为 ；玻璃纤维体积为 ；总体积为 ；玻璃纤维体积分数为 。（2）复合材料密度为 ，低于铝合金密度。采用该材料可在满足支架使用要求的条件下降低零部件质量，有利于整车轻量化。（3）该材料属于纤维增强复合材料，基体为聚合物，增强体为玻璃纤维。玻璃纤维可提高材料的强度、刚度、耐热性和尺寸稳定性，聚酰胺则提供成型性和耐腐蚀性。 【解析】（1）聚酰胺体积为1800÷1.20=1500 cm3，玻璃纤维体积为1200÷2.50=480 cm3，总体积1980 cm3，玻璃纤维体积分数为480÷1980=24.2%。（2）复合材料密度为3000÷1980=1.52 g/cm3，低于铝合金，有利于减轻支架质量。（3）属于纤维增强聚合物基复合材料；玻璃纤维可提高强度、刚度、耐热性和尺寸稳定性，聚酰胺提供成型性与耐腐蚀性。 28.（5分）某机械制造企业为数控机床设计防护支架，现有铝合金支架质量较大，拟改用玻璃纤维增强尼龙。支架外形为长方体，长度为200 mm、宽度为100 mm、厚度为20 mm，中心线上均匀分布4个直径为20 mm的圆孔，孔贯穿整个厚度。已知铝合金密度为2.70 g/cm3，玻璃纤维增强尼龙密度为1.35 g/cm3，取π为3.14，忽略倒角和加工余量。（1）计算该支架实体部分的体积，并分别计算采用铝合金和玻璃纤维增强尼龙制造时的质量。（2）比较两种材料的质量，并判断采用玻璃纤维增强尼龙是否能够满足轻量化要求。说明玻璃纤维增强尼龙属于哪类材料。（3）若支架采用玻璃纤维增强尼龙注塑成型后还需进行孔加工，说明加工过程中应采取的两项改进措施，并分析其主要原因。 【答案】（1）长方体体积为。4个圆孔体积为。实体体积为。铝合金质量为。玻璃纤维增强尼龙质量为。（2）玻璃纤维增强尼龙支架比铝合金支架减重约506.09 g，质量约降低50%，能够满足轻量化要求。玻璃纤维增强尼龙属于纤维增强复合材料，基体为工程塑料尼龙，增强材料为玻璃纤维。（3）加工前应对材料进行充分干燥，减少吸湿造成的尺寸变化；应选用耐磨刀具并合理降低切削用量，减轻玻璃纤维对刀具的磨损，同时控制加工发热和毛刺。 【解析】（1）实体体积为200×100×20−4×3.14×102×20=374880 mm3=374.88 cm3；铝合金质量为1012.18 g，玻璃纤维增强尼龙质量为506.09 g。（2）后者减重506.09 g，约减轻50%，满足轻量化要求，属于纤维增强聚合物基复合材料。（3）加工前充分干燥以减小吸湿变形；采用耐磨刀具并控制切削用量，以减少玻璃纤维造成的刀具磨损、发热和毛刺。 29.（10分）某无人机机身盖板采用碳纤维增强环氧树脂复合材料。盖板尺寸为 600 mm×400 mm×4 mm，碳纤维体积分数为 55%，环氧树脂体积分数为 45%。碳纤维密度为 1.80 g/cm3，环氧树脂密度为 1.20 g/cm3，钢材密度为 7.85 g/cm3。（1）计算盖板的体积、碳纤维和环氧树脂的体积，以及盖板的质量，结果保留 1 位小数。（2）若采用相同体积的钢板制造，计算钢板质量，并比较两种方案的减重比例。（3）说明该材料的分类和主要性能特点，并指出铺层设计时应注意的问题。 【答案】（1）盖板体积为 。碳纤维体积为 ；环氧树脂体积为 。盖板质量为 ，约为 1.5 kg。（2）钢板质量为 。减重比例为 ，复合材料方案明显减轻质量。（3）该材料属于纤维增强热固性树脂基复合材料。其具有高比强度、高比刚度、耐腐蚀和质量轻等特点，但存在各向异性。铺层时应根据受力方向合理安排纤维方向，并保证各方向具有足够的承载能力。 【解析】（1）将尺寸统一换算为厘米：，，。盖板体积为 。碳纤维体积为 ，环氧树脂体积为 。盖板质量为 ，即约 。（2）相同体积钢板的质量为 。减重比例为 。（3）该材料以环氧树脂为热固性树脂基体、碳纤维为增强体，属于纤维增强热固性树脂基复合材料。其具有高比强度、高比刚度、质量轻和耐腐蚀等特点，但力学性能具有各向异性。铺层设计应结合主要受力方向安排纤维方向，并通过多方向铺层保证不同方向的承载能力和结构稳定性。 30.（10分）某机械厂为输送腐蚀性液体的泵体选材。现有两种方案：方案甲采用铸铁，泵体体积为 18.0 dm3，密度为 7.2 kg/dm3；方案乙采用玻璃纤维增强聚丙烯复合材料，密度为 1.65 kg/dm3。经试验，两种材料均能满足该液体的耐腐蚀要求。复合材料泵体的允许工作温度为 90 ℃，现场介质最高温度为 75 ℃。（1）分别计算两种泵体的质量，并计算采用复合材料后泵体质量的降低比例。（2）结合材料分类和使用条件，判断方案乙是否适合该工况，并说明理由。（3）若现场温度长期升高到 105 ℃，分析继续采用方案乙可能产生的问题，并提出选材或改进措施。 【答案】（1）铸铁泵体质量为 ；复合材料泵体质量为 。质量降低比例为 。（2）方案乙适合该工况。玻璃纤维增强聚丙烯属于纤维增强热塑性树脂基复合材料，具有质量轻、耐腐蚀等特点；现场最高温度 75 ℃，低于其允许工作温度 90 ℃，使用条件满足要求。（3）温度达到 105 ℃后超过材料允许工作温度，可能导致基体软化、刚度下降、尺寸变形和密封失效。应改用耐热等级更高的树脂基复合材料，或降低工作温度并重新校核结构强度和密封性能。 【解析】（1）铸铁泵体质量为18.0×7.2=129.6 kg，复合材料泵体质量为18.0×1.65=29.7 kg，质量降低比例为77.1%。（2）玻璃纤维增强聚丙烯属于纤维增强热塑性树脂基复合材料，耐腐蚀且质量轻；现场最高温度75 ℃低于允许温度90 ℃，方案乙适用。（3）温度升至105 ℃会使基体软化，造成刚度、强度下降、变形及密封失效，应改用耐热等级更高且耐腐蚀的材料，或降低温度并重新校核结构与密封。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 学科网（北京）股份有限公司 $