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Physics · real student question

單向預浸碳纖維依重量含 45% 樹脂,纖維密度 1.7 g/cm³、基材密度 1.1 g/cm³。求纖維體積分率 Vf 與基材體積分率 Vm(百分比,取到小數點後一位)。

Question

一種單向預浸碳纖維依重量含 45%45\% 的樹脂。已知 ρf=1.7 g/cm3\rho_f=1.7\ \text{g/cm}^3、ρm=1.1 g/cm3\rho_m=1.1\ \text{g/cm}^3,求纖維體積分率 VfV_f 與基材體積分率 VmV_m,以百分比表示並取到小數點後一位。

Step-by-step solution

  1. 先讀出重量分率。 「依重量含 45%45\% 樹脂」的意思是

    Wm=0.45,Wf=1−0.45=0.55W_m=0.45,\qquad W_f=1-0.45=0.55

    只要兩種密度不同,重量分率與體積分率就會不一樣,這正是需要換算的原因。

  2. 把重量換算成體積。 取方便計算的 11 克預浸材。因為體積 == 質量//密度,兩種組成分別佔

    Wfρf=0.551.7=0.3235 cm3,Wmρm=0.451.1=0.4091 cm3\frac{W_f}{\rho_f}=\frac{0.55}{1.7}=0.3235\ \text{cm}^3,\qquad \frac{W_m}{\rho_m}=\frac{0.45}{1.1}=0.4091\ \text{cm}^3

  3. 算出這一克的總體積。

    0.3235+0.4091=0.7326 cm30.3235+0.4091=0.7326\ \text{cm}^3

    (等價地說,複合材料的密度是 1/0.7326=1.365 g/cm31/0.7326=1.365\ \text{g/cm}^3。)

  4. 相除得到各自的體積分率。

    Vf=0.32350.7326=0.4416,Vm=0.40910.7326=0.5584V_f=\frac{0.3235}{0.7326}=0.4416,\qquad V_m=\frac{0.4091}{0.7326}=0.5584

  5. 寫成百分比。

    Vf=44.2%,Vm=55.8%\boxed{V_f=44.2\%,\qquad V_m=55.8\%}

  6. 檢查總和與偏移的方向。 44.2+55.8=100.0%44.2+55.8=100.0\% ✓。樹脂依重量只佔 45%45\%,依體積卻佔 55.8%55.8\%,方向正如預期:基材是密度較小的那一相,同樣質量佔掉的空間就比較大。若數字往反方向跑,就代表某個密度被用反了。

Answer

Vf=44.2%,Vm=55.8%V_f=44.2\%,\quad V_m=55.8\%

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