復合材料概論習題

1、復合材料習題第四章一、判斷題：判斷以下各論點的正誤。1、基體與增強體的界面在高溫使用過程中不發(fā)生變化。 （）2、比強度和比模量是材料的強度和模量與其密度之比。 （）3、浸潤性是基體與增強體間粘結的必要條件，但非充分條件。 （）4、基體與增強體間界面的模量比增強體和基體高，則復合材料的彈性模量也越高。 （）5、界面間粘結過強的復合材料易發(fā)生脆性斷裂。 （）6、脫粘是指纖維與基體完全發(fā)生分離的現(xiàn)象。 （）7、混合法則可用于任何復合材料的性能估算。 （）8、纖維長度1sv時，易發(fā)生浸潤。C、接觸角=0時，不發(fā)生浸潤。 D是液體在固體上的鋪展。3、增強材料與基體的作用是（ A、 D）A、增強材料是承受

2、載荷的主要組元。B、基體是承受載荷的主要組元。C、增強材料和基體都是承受載荷的主要組元。 D基體起粘結作用并起傳遞應力和增韌作用。4、混合定律（ A）A、表示復合材料性能隨組元材料體積含量呈線性變化。B、表示復合材料性能隨組元材料體積含量呈曲性變化。C、表達了復合材料的性能與基體和增強體性能與含量的變化。D考慮了增強體的分布和取向。5、剪切效應是指（ A）A、短纖維與基體界面剪應力的變化。B、在纖維中部界面剪應力最大。C、在纖維末端界面剪應力最大。D在纖維末端界面剪應力最小。6纖維體積分量相同時，短纖維的強化效果趨于連續(xù)纖維必須（C）A、纖維長度1=51 coB、纖維長度1101 c。7、短纖

3、維復合材料廣泛應用的主要原因（A B）A、短纖維比連續(xù)纖維便宜。B、連續(xù)纖維復合材料的制造方法靈活。C、短纖維復合材料總是各相同性。D使短纖維定向排列比連續(xù)纖維容易。8、當纖維長度11 c時，纖維上的平均應力（A、C）A、低于纖維斷裂應力。B、高于纖維斷裂應力。C、正比于纖維斷裂應力。D與I無關。六、簡述復合材料增強體與基體之間形成良好界面的條件。在復合過程中，基體對增強體潤濕；增強體與基體之間不產(chǎn)生過量的化學反應；生成的界 面相能承擔傳遞載荷的功能。復合材料的界面效應，取決于纖維或顆粒表面的物理和化學狀態(tài)、基體本身的結構和性能、 復合方式、復合工藝條件和環(huán)境條件。七、根據(jù)下圖，討論為什么在相

4、同體積含量下，SiC晶須增強MMCS度（抗拉與屈服強度）均高于顆粒增強MMC而這兩者的彈性模量相差不大。* y1 - -亠 /zrr w -rt-to解答：從混合定律及晶須與顆 粒的強度與模量考慮。九、試述影響復合材料性能的 因素?；w和增強材料（增強體或功 能體）的性能；復合材料的結 構和成型技術；復合材料中增強材料與基體的結合狀態(tài)（物理的和化學的）及由此產(chǎn)生的復合效應。十、復合材料的界面具有怎樣的特點？ 界面相的化學組成、結構和物理性能與增強材料和基體的均不相同，對復合材料的整體性 能產(chǎn)生重大影響。界面具有一定的厚度（約幾個納米到幾個微米），厚度不均勻。材料特性在界面是不連續(xù)的，這種不連續(xù)

5、性可能是陡變的，也可能是漸變的。材料特性包 括元素的濃度、原子的配位、晶體結構、密度、彈性模量、熱膨脹系數(shù)等。十一、什么是浸潤？如何描述浸潤程度的大??？試討論影響潤濕角大小的因素。浸潤：固-氣界面被固-液界面置換的過程，用于描述液體在 固體表面上自動鋪展的程度。固體表面的潤濕程度可以用液體分子對其表面的作用力大小 來表征，具體來說就是接觸角。You ng公式討論了液體對固體的潤濕條件：降低液-固表面能和液-氣表面能或者增大固-氣表面能有助 于潤濕。=0( lv=sv- sl)，完全浸潤；0sv- sl 0)，部分浸潤；90( svsl)，完全不浸潤。影響接觸角(潤濕角)大小的因素：固體表面的原

6、始狀態(tài)，例：吸附氣體、氧化膜等均使接觸角增大。固體表面粗糙度增加將使接觸角減小。固相或液相的夾雜、相與相之間化學反應的產(chǎn)物都將影響潤濕性。原因：夾雜或反應產(chǎn)物 改變了固相的性質(zhì)和固相的表面粗糙度。十二、如何改善基體對增強材料的潤濕性？1、纖維表面處理：清除纖維表面的雜質(zhì)、氣泡、用化學方法去除纖維表面的氧化膜，或 者表面涂層，這些操作都能增進液態(tài)基體對纖維的潤濕性。2、變更基體成分：對于金屬基復合材料，合金化改善潤濕性最方便、有效。加入合金元素后，角的變化還與熔化時間有關。3、改變溫度：一般，提高制造溫度可以增加潤濕性，但是，過高的溫度會產(chǎn)生一些不利 影響：基體嚴重過熱、氧化、基體與增強材料在高

7、溫下發(fā)生化學反應、增強材料損傷等。4、 增加液體壓力：對于不潤濕的情況，必須施加大于Pc( Pc 4 lv Vf/df cos )的外壓 才能使液體滲入纖維束。5、改變加工氣氛：sv和lv值隨氣體性質(zhì)的不同而變化，因此改變制造過程中的環(huán)境氣氛可 以控制液體與固體之間的潤濕狀況。固體或液體表面吸附某種氣體，也可以改變sv或lv。十三、簡述玻璃纖維表面化學組成、結構及反應性的特點。玻璃纖維整體化學組成包含 Si、O Al、Ca Mg B、F、Na等，但其表面只含有 Si、O Al。玻璃纖維的結構與塊狀玻璃相似：由三維空間的不規(guī)則連續(xù)網(wǎng)絡構成，陽離子位于多面體 中心，被一定數(shù)目的 &包圍，在玻璃內(nèi)部

8、陽離子與陰離子的作用力處于平衡狀態(tài)。玻璃表 面的陽離子不能獲得所需數(shù)量的 &，因而產(chǎn)生一種表面力，此表面力與表面張力、表面吸 濕性密切相關，有吸附外界物質(zhì)的傾向。“fl玻璃纖維表面會吸附多層水分子膜，表面吸附O0HHHHHv H11 1 111 l0101J1-Q-OSi1SiSiSiSlSi11&sX o o o() ()() o的水與玻璃組成的中的堿金屬或堿土金屬作 用，在玻璃表面形成-OH基：Si-OD+HOSi-OH+D+OH ( D:堿金屬或堿土金屬)玻璃纖維上所吸附的水具有明顯的堿性，將進一步與二氧化硅網(wǎng)絡反應：Si-O-Si+OH-Si-OH+Si-O-反應中生成的 Si-O -

9、將繼續(xù)與水反應形成另外的 OH-：Si-O -+H2OSi-OH+O-H 這樣，表面的吸附水就破壞了玻璃纖維中的 SiO2 網(wǎng)絡結構，玻璃纖維成分中含堿量愈高， 吸附水對SiO2骨架的破壞愈大，纖維強度下降就愈大。玻璃纖維表面的反應性主要是由表面明顯的堿性和Si-OH基團所決定。Si-OH基團具有一般活性基團所具有的反應性質(zhì)，這種性質(zhì)是纖維表面改性、改善纖維與樹脂基體界面粘結 的有利條件。十四、簡述復合材料的界面結合類型及其特點。1、機械結合：增強材料與基體之間僅依靠純粹的粗糙表面相互嵌入（互鎖）作用進行連 接（摩擦力），沒有化學作用。影響機械結合的因素： 增強材料與基體的性質(zhì)、 纖維表面的粗

10、糙度、 基體的收縮 （正壓力） 有利于纖維箍緊。2、溶解與浸潤結合：在復合材料的制造過程中，由單純的浸潤和溶解作用，使增強材料 和基體形成交錯的溶解擴散界面，是一種次價鍵力的結合。 （當基體的基團或分子與增強 材料表面間距小于 0.5nm 時，次價鍵力就發(fā)生作用。次價鍵力包括誘導力、色散力、氫鍵 等。）形成溶解與浸潤結合的基本條件： 增強材料與基體間的接觸角小于 90，增強材料與基體間 有一定的溶解能力。3、反應界面結合：基體與增強材料間發(fā)生化學反應，在界面上形成新的化合物、以主價 鍵力相互結合。這是一種最復雜、最重要的結合方式。反應結合受擴散控制，擴散包括反應物質(zhì)在組分物質(zhì)中的擴散（反應初期

11、）和在反應產(chǎn)物 中的擴散（反應后期） 。要實現(xiàn)良好的反應結合，必須選擇最佳的制造工藝參數(shù)（溫度、 壓力、時間、氣氛等）來控制界面反應的程度。界面反應層是非常復雜的組成，有時發(fā)生多個反應，產(chǎn)生交換反應結合。界面的反應產(chǎn)物 大多是脆性物質(zhì)，達到一定厚度時，界面上的殘余應力可使其發(fā)生破壞，因此，界面結合 先隨反應程度提高而增加結合強度，但反應達到一定程度后，界面結合有所減弱。4、混合結合：上述界面結合方式的混合，實際情況中發(fā)生的重要的界面結合形式。 十五、簡述影響增強材料與基體粘結性能的因素。固-液復合過程中，固體表面與液體的浸潤性。 不同組分的分子或原子彼此相互接近時的狀態(tài)，形成化學結合時相互作用

12、的強弱?；瘜W結合的形式（主價鍵結合：共價鍵、離子鍵、金屬鍵等；次價鍵作用：靜電作用、誘 導力、色散力、氫鍵、分子間的擴散等） 。十六、試討論碳纖維 / 環(huán)氧樹脂復合材料的界面反應。 碳纖維表面含有氧原子，以羥基、羰基、羧基、內(nèi)酯基形式存在，這些基團可以與樹脂基 體中的胺基、環(huán)氧基等基團形成氫鍵。但是，碳纖維表面的這些含氧基團的濃度很低，反應的活性點很稀少，需要通過表面改性 以減小碳纖維表面晶棱尺寸、增加表面積以及增加碳纖維表面含氧基團。例：碳纖維的氧化處理：氧含量顯著增加， 氧化過程分別產(chǎn) 生羥基、羰基、羧 基，并可能以環(huán)狀官能團形式存在胺固化的環(huán)氧樹脂中 的胺基能與碳纖維表 面的羧基形成氫鍵

13、，環(huán) 氧基也能與羥基和羧 基形成氫鍵，在過量單 體和較咼溫度時，這些 氫鍵就轉變成共價鍵。十七、試討論玻璃纖維 增強混凝土中玻璃受 到侵蝕的類型及其防護方法。中堿、無堿玻璃纖維在硅酸鹽水泥水化物中受到侵蝕，導致玻璃纖維增強混凝土的抗拉強 度大幅度下降，甚至喪失殆盡。 化學侵蝕：水泥水化生成的 Ca(OH與玻璃纖維的硅氧骨架之間發(fā)生化學反應生成水化 硅酸鈣，當水泥液相中有NaOH KOH存在時會加速反應。 應力侵蝕：由于玻璃纖維表面存在缺陷，水泥水化生成的晶體可進入這些缺陷中，在缺 陷端部造成應力集中并使缺陷擴展。防止水泥水化物對玻璃纖維侵蝕的措施： 改變玻璃纖維的化學組分。例：加入較多量的 Z

14、rO2可提高玻璃纖維的抗堿性。 對玻璃纖維表面進行被覆處理，以隔絕水泥水化物對纖維的侵蝕。例：可用鋯、鈦、鋅、 鋁等金屬的水溶性鹽對玻璃纖維進行處理；也可用抗堿性好的樹脂(環(huán)氧樹脂、呋喃)對 玻璃纖維進行浸漬處理而后使之固化。 使用水化物堿度低的水泥以減緩或防止對玻璃纖維的侵蝕。例：采用水化產(chǎn)物中Ca(OH)含量低的甚至無Ca(OH*的水泥(高鋁水泥、硫鋁酸鹽水泥)。十八、試討論硼纖維-鋁基復合體系的界面反應及其防護。B在高溫下，除Ag、Cuu Sn Be外，可以與其它金屬發(fā)生反應生成不規(guī)則的結構，形成脆 性的反應層。硼纖維和鋁的界面反應由于滲入氧生成氧化物而發(fā)生破壞，即B2Q層的破壞。當鋁的

15、純度較高時，在纖維上生成AIB2：AI+2BAR2B+3O2O碳化硅涂層能使硼纖維具有突出的抗氧化性。因為硼接觸不到鋁，硼化物的形成完全被抑 制。鋁與硅不形成化合物，而鋁與碳的反應在碳化硅存在的情況下，在熱力學上是非常困 難的。硼或鋁穿過碳化硅移動的擴散系數(shù)在 800K時非常小，2.5m的碳化硅層已足以阻擋 擴散。十九、什么是增強材料的表面處理？簡述偶聯(lián)劑的化學結構及作用。 表面處理是在增強材料的表面涂覆上表面處理劑（包括浸潤劑、偶聯(lián)劑、助劑等物質(zhì)） ， 它有利于增強材料與基體間形成良好的粘結界面，從而達到提高復合材料各種性能的目 的。偶聯(lián)劑的化學結構：分子兩端含有性質(zhì)不同的基團，一端的基團與

16、增強材料表面發(fā)生化學 作用或物理作用，另一端的基團則能和基體發(fā)生化學作用或物理作用，從而使增強材料與 基體很好地偶聯(lián)起來，獲得良好的界面粘結，改善了多方面的性能，并有效地抵抗水的侵 蝕。二十、試討論玻璃纖維的表面處理中偶聯(lián)劑用量的確定及影響表面處理效果的因素。 偶聯(lián)劑的用量會影響最后處理效果，在實際應用中起偶聯(lián)作用的是偶聯(lián)劑單分子層。過多 地使用偶聯(lián)劑是不必要和有害的。每種偶聯(lián)劑的實際最佳用量，多數(shù)要從實驗中確定。偶 聯(lián)劑用量也可采用計算法求得：100g給定被處理的增強材料的表面積，被 1g硅烷偶聯(lián)劑 的最小涂覆面積除，即得該硅烷偶聯(lián)劑在 100g 此種被處理材料上涂覆一單分子層時所需 要的量

17、。偶聯(lián)劑在被處理材料表面上的涂覆并非只是單分子層，被處理材料單絲之間的間 隙中往往比表面上含有更多的偶聯(lián)劑，也不能保證偶聯(lián)劑分子全部涂覆在被處理材料的表 面上，所以，偶聯(lián)劑的實際用量應高于上述計算值。影響處理效果的因素：處理方法的影響： 不同的處理方法會影響處理效果。 一般來說， 前處理法的效果最為明顯。 烘焙溫度的選擇：溫度過低不起反應，達不到應有的偶聯(lián)效果；溫度過高會引起偶聯(lián)劑分 解和自聚等不良后果，以致嚴重影響偶聯(lián)效果。烘焙時間的選擇：烘焙時間應選擇在一定烘焙溫度下偶聯(lián)劑與玻璃纖維表面的偶聯(lián)反應能 充分進行。隨著烘焙時間的延長，被處理玻璃纖維的憎水性有所提高，但是處理時間過長 生產(chǎn)效率就低。一般采用高溫短時間的烘焙制度。處理液的配制及使用：直接影響處理效果，應該嚴格控制處理液的 pH 值，以抑制水解產(chǎn) 物的自行縮合。在整個處理過程中，對處理液的 pH值應不斷調(diào)節(jié)。二十一、試述碳纖維的表面處理方法及作用效果：1、表面浸涂有機化合物：采用類似紡織中的漿紗工藝，在碳纖維表面涂覆含有反應性端 基的樹脂（羥端基的丁二烯 / 丙烯酸共聚物等），以改善碳纖維的界面粘結性。2、表面涂覆無機化合物： 表面上沉積無定形碳：在高模量結晶型碳纖維