紅外光譜分析在船舶復合材料老化程度評估中的試題及答案一、單項選擇題（每題2分，共20分。每題只有一個正確答案，請將正確選項字母填入括號內(nèi)）1.在船舶復合材料老化紅外光譜評估中，最常用于識別環(huán)氧基體氧化程度的特征吸收峰位于（）。A.1730cm?1B.1510cm?1C.1250cm?1D.830cm?12.采用ATRFTIR對玻璃纖維/環(huán)氧層合板進行老化測試時，為消除表面脫模劑干擾，應優(yōu)先選擇的晶體材料為（）。A.ZnSeB.GeC.SiD.KRS53.當碳纖維/乙烯基酯復合材料經(jīng)90℃海水加速老化1000h后，其紅外譜圖中1240cm?1與1140cm?1峰面積比（A1240/A1140）顯著增大，該變化主要對應（）。A.酯鍵水解B.醚鍵斷裂C.羥基氧化D.羧酸二聚4.在紅外光譜定量分析中，用于校正吸光度老化時間線性關系的基礎公式為（）。A.A=εbcB.A=–logTC.A=k√tD.A=A?e^(–kt)5.對船舶甲板復合材料進行戶外自然老化3年后，發(fā)現(xiàn)1510cm?1處芳環(huán)骨架振動峰強度下降12%，該現(xiàn)象最可能表明（）。A.芳胺固化劑光降解B.環(huán)氧環(huán)氧基開環(huán)C.纖維/基體界面脫粘D.吸水塑化6.在紅外顯微成像中，若空間分辨率為3μm，則理論上可識別的最小老化區(qū)域直徑約為（）。A.1.5μmB.3μmC.6μmD.9μm7.采用PAS（光聲光譜）法測試厚達5mm的船舶復合材料時，其信號主要來源于（）。A.表面50nmB.表面2μmC.表面–內(nèi)部熱擴散長度D.整體透射8.若利用紅外光譜建立老化因子R=A3400/A2925，其中A3400為羥基伸縮振動吸收，A2925為亞甲基反對稱伸縮吸收，則R值隨老化時間延長而（）。A.線性減小B.指數(shù)減小C.線性增大D.先增后減9.在船舶復合材料紅外數(shù)據(jù)庫建設中，為提高檢索匹配度，通常需對譜圖進行（）預處理。A.基線校正+矢量歸一化B.僅平滑C.僅差減D.僅導數(shù)10.當采用紅外光譜主成分分析（PCA）評估不同海域老化樣本時，第一主成分貢獻率≥85%，說明（）。A.老化機制單一B.光譜噪聲過大C.樣本數(shù)不足D.基線漂移嚴重二、多項選擇題（每題3分，共15分。每題有兩個或兩個以上正確答案，請將所有正確選項字母填入括號內(nèi)，漏選、錯選均不得分）11.下列吸收峰中，可用于追蹤船舶環(huán)氧復合材料濕熱老化后化學變化的包括（）。A.3300–3600cm?1B.1730cm?1C.1510cm?1D.915cm?1E.1040cm?112.在紅外光譜測試中，為降低水蒸氣旋轉振動干擾，可采取的措施有（）。A.吹掃干燥空氣B.提高分辨率至0.1cm?1C.實時扣除背景D.采用密封樣品腔E.升溫至200℃13.關于紅外光譜結合化學計量學預測復合材料剩余彎曲強度，下列說法正確的有（）。A.PLS模型潛變量數(shù)越多，預測誤差一定越小B.需將光譜與強度數(shù)據(jù)標準化C.需獨立驗證集D.可用RPD值評價模型穩(wěn)健性E.光譜范圍必須包含4000–400cm?1全區(qū)間14.船舶復合材料經(jīng)紫外鹽霧循環(huán)老化后，其表面紅外譜圖可能出現(xiàn)（）。A.羧酸二聚體寬峰～3300cm?1B.碳酸酯峰1810cm?1C.脂肪胺彎曲1640cm?1D.羰基分裂為1720/1735cm?1雙峰E.SiOSi橋接峰1100cm?115.在紅外光譜機器學習建模中，可用于降低過擬合風險的方法有（）。A.L1正則化B.DropoutC.增加訓練epoch至最大值D.早停策略E.數(shù)據(jù)增強三、填空題（每空1分，共20分）16.船舶環(huán)氧復合材料在加速老化中，環(huán)氧基團特征峰位于________cm?1，其面積隨老化時間呈________級動力學衰減。17.采用GeATR測試時，其折射率為________，臨界角約為________°，若樣品折射率大于________則無法獲得有效譜圖。18.在紅外光譜差譜技術中，以未老化樣本為參考，老化樣本與之差譜后出現(xiàn)負峰，表明該官能團濃度________，定量公式為ΔA=________。19.當利用紅外成像研究海水紫外耦合老化時，若羰基峰1728cm?1的積分面積在50μm×50μm像素內(nèi)服從________分布，則可采用________檢驗判斷老化均勻性。20.根據(jù)朗伯比爾定律，若羥基峰摩爾吸光系數(shù)ε=45L·mol?1·cm?1，光程b=0.02cm，測得吸光度A=0.30，則羥基濃度為________mol·L?1；若材料密度為1.2g·cm?3，則羥基質量分數(shù)為________（保留三位有效數(shù)字）。21.在船舶復合材料紅外數(shù)據(jù)庫中，采用________算法可將未知老化譜圖與庫譜進行相似度匹配，相似度閾值通常設為________以上視為同一老化等級。22.對于厚樣本，采用________紅外附件可獲得深度剖析信息，其調(diào)制頻率f與熱擴散長度μ關系為μ=________，其中α為熱擴散率。23.當紅外光譜結合偏最小二乘（PLS）預測剩余壓縮強度時，模型交叉驗證相關系數(shù)Q2≥________且RPD≥________方可認為模型可用。24.在紅外光譜圖中，若觀察到________cm?1處出現(xiàn)尖銳雙峰，且伴有877cm?1和712cm?1吸收，則表明復合材料表面有________鹽析出，其來源于海水中的________離子與基體降解產(chǎn)物反應。25.船舶復合材料經(jīng)5年實船暴露后，其表面紅外譜圖出現(xiàn)________cm?1新峰，對應芳族磺酸鹽結構，說明________固化劑發(fā)生了________反應。四、簡答題（每題8分，共24分）26.簡述采用紅外光譜評估船舶復合材料老化程度時，為何需同時追蹤羰基區(qū)（1700–1750cm?1）與羥基區(qū)（3200–3600cm?1）的變化，并說明兩區(qū)域吸收峰的歸屬及互補性。27.某船廠采用環(huán)氧/碳纖維復合材料舵葉，在紅海高鹽高溫環(huán)境使用2年后出現(xiàn)表面微裂紋。試述如何利用紅外顯微成像主成分分析（PCA）快速定位老化最嚴重區(qū)域，并給出實驗步驟與數(shù)據(jù)解析要點。28.說明在紅外光譜機器學習框架中，如何通過特征選擇（如SPA、GA）減少光譜變量，從而提高船舶復合材料老化壽命預測模型的穩(wěn)健性，并列舉兩種評價指標。五、綜合應用題（共41分）29.（計算題，12分）某船舶艙壁采用玻璃纖維/環(huán)氧層合板，密度1.8g·cm?3，厚度10mm。實驗室加速老化實驗得到如下數(shù)據(jù)：老化時間t(h):0,200,400,600,800羰基峰面積A1720(a.u.):0.50,1.20,2.00,2.90,3.80羥基峰面積A3400(a.u.):1.00,2.20,3.60,5.10,6.80已知剩余彎曲強度σ與老化因子R=A3400/A2925滿足線性關系：σ=–120R+380(MPa)，其中A2925=2.00a.u.（恒定）。（1）計算各老化時間點的R值；（3分）（2）建立A1720與t的二級動力學方程，并求速率常數(shù)k；（4分）（3）預測t=1000h時的剩余彎曲強度；（2分）（4）若實船環(huán)境老化速率是實驗室的1/5，求對應實船老化時間。（3分）30.（分析題，14分）某遠洋貨輪救生艇復合材料殼體采用乙烯基酯/玻纖，服役8年后取樣。紅外譜圖顯示：a)1728cm?1處出現(xiàn)明顯肩峰，半高寬由18cm?1增至32cm?1；b)1640cm?1處出現(xiàn)弱峰；c)1045cm?1與1175cm?1峰強度比由1.2降至0.7；d)3400cm?1區(qū)出現(xiàn)寬化且可分解為3420cm?1與3230cm?1兩個高斯峰。試結合乙烯基酯化學結構，分析上述變化對應的降解機制，寫出關鍵反應式，并判斷該殼體是否適合繼續(xù)服役3年，需給出量化判據(jù)。31.（設計題，15分）請設計一套基于便攜式FTIR的船舶復合材料現(xiàn)場老化評估方案，要求：（1）給出儀器參數(shù)（分辨率、掃描次數(shù)、檢測器類型、附件選擇）；（3分）（2）制定采樣策略（部位、數(shù)量、環(huán)境記錄、對照樣）；（3分）（3）建立快速分級模型：以A1720/A1510為老化指數(shù)I，劃分I≤0.5、0.5<I≤1.0、I>1.0三級，分別對應“輕微、中等、嚴重”，并說明標定方法；（4分）（4）列出現(xiàn)場操作安全注意事項及數(shù)據(jù)質量控制措施；（3分）（5）給出報告模板（含光譜圖、分級結果、建議措施）。（2分）六、答案與評分標準一、單項選擇題1.A2.B3.A4.A5.A6.B7.C8.C9.A10.A二、多項選擇題11.ABDE12.ACD13.BCD14.ADE15.ABDE三、填空題16.915，一17.4.0，14，4.018.減少，A_sample–A_reference19.正態(tài)，卡方20.0.333，0.50%21.相關系數(shù)法或歐氏距離法，0.9522.光聲，√（α/πf）23.0.9，2.524.1415–1450，碳酸鈣，Ca2?25.1040與1120，芳胺，磺化四、簡答題（答案要點）26.羰基區(qū)吸收源于氧化生成醛、酮、羧酸，羥基區(qū)源于過氧化物、醇、酸及吸水；兩區(qū)域同時增長表明氧化與水解協(xié)同，羰基定量靈敏，羥基易與氫鍵關聯(lián)，互補可區(qū)分氧化/水解主導機制。27.步驟：切片→金相拋光→GeATR成像→4000–900cm?1→PCA→得分圖找異常點→載荷圖確認1720/1510貢獻→定位最嚴重50μm區(qū)域→SEM驗證。要點：空間分辨3μm，吹掃干燥，得分圖PC1<–2區(qū)域為嚴重老化。28.SPA通過投影選最小共線變量，GA用適應度函數(shù)篩選最優(yōu)波長組合；減少變量可降低噪聲、共線，提高穩(wěn)健性；評價指標：預測均方根誤差RMSEP、相關系數(shù)R2。五、綜合應用題29.（1）R值：0.50,1.10,1.80,2.55,3.40（2）二級動力學：1/Avst線性，斜率k=0.104cm·mg?1·h?1（3）t=1000h，A1720=4.63，R=4.15，σ=–120×4.15+380=–118MPa（已失效）（4）實船時間=1000×5=5000h≈0.57年30.肩峰寬化表明生成多種羰基（酯、羧酸、醛）；1640cm?1為C=C或酰胺；1045/1175下降表明酯鍵斷裂；3420/3230為氫鍵羥基。反應：酯水解→羧酸+醇，C=C氧化→酮。以I=A1720/A1510=1.35>1.0判為嚴重，剩余強度<60%，不宜繼續(xù)服役。31.方案：