復(fù)合材料概論習(xí)題

1、復(fù)合材料習(xí)題第四章一、判斷題：判斷以下各論點(diǎn)的正誤。1、基體與增強(qiáng)體的界面在高溫使用過(guò)程中不發(fā)生變化。（´）2、比強(qiáng)度和比模量是材料的強(qiáng)度和模量與其密度之比。（Ö）3、浸潤(rùn)性是基體與增強(qiáng)體間粘結(jié)的必要條件，但非充分條件。（Ö）4、基體與增強(qiáng)體間界面的模量比增強(qiáng)體和基體高，則復(fù)合材料的彈性模量也越高。（´）5、界面間粘結(jié)過(guò)強(qiáng)的復(fù)合材料易發(fā)生脆性斷裂。（Ö）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(fù)合材料的性能估算。（´）8、纖維長(zhǎng)度l<lc時(shí)，纖維上的拉應(yīng)力達(dá)不到纖維的斷裂應(yīng)力。（Ö

2、;）二、選擇題：從A、B、C、D中選擇出正確的答案。1、復(fù)合材料界面的作用（B）A、僅僅是把基體與增強(qiáng)體粘結(jié)起來(lái)。B、將整體承受的載荷由基體傳遞到增強(qiáng)體。C、總是使復(fù)合材料的性能得以改善。D、總是降低復(fù)合材料的整體性能。2、浸潤(rùn)性（A、D）A、當(dāng)gsl+glv<gsv時(shí)，易發(fā)生浸潤(rùn)。B、當(dāng)gsl+glv>gsv時(shí)，易發(fā)生浸潤(rùn)。C、接觸角q=0°時(shí)，不發(fā)生浸潤(rùn)。D、是液體在固體上的鋪展。3、增強(qiáng)材料與基體的作用是（A、D）A、增強(qiáng)材料是承受載荷的主要組元。B、基體是承受載荷的主要組元。C、增強(qiáng)材料和基體都是承受載荷的主要組元。D、基體起粘結(jié)作用并起傳遞應(yīng)力和增韌作用。4、混

3、合定律（A）A、表示復(fù)合材料性能隨組元材料體積含量呈線性變化。B、表示復(fù)合材料性能隨組元材料體積含量呈曲性變化。C、表達(dá)了復(fù)合材料的性能與基體和增強(qiáng)體性能與含量的變化。D、考慮了增強(qiáng)體的分布和取向。5、剪切效應(yīng)是指（A）A、短纖維與基體界面剪應(yīng)力的變化。B、在纖維中部界面剪應(yīng)力最大。C、在纖維末端界面剪應(yīng)力最大。D、在纖維末端界面剪應(yīng)力最小。6、纖維體積分量相同時(shí)，短纖維的強(qiáng)化效果趨于連續(xù)纖維必須（C）A、纖維長(zhǎng)度l=5lc。B、纖維長(zhǎng)度l<5lc。C、纖維長(zhǎng)度l=5-10lc。D、纖維長(zhǎng)度l>10lc。7、短纖維復(fù)合材料廣泛應(yīng)用的主要原因（A、B）A、短纖維比連續(xù)纖維便宜。B、連

4、續(xù)纖維復(fù)合材料的制造方法靈活。C、短纖維復(fù)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(dāng)纖維長(zhǎng)度l>lc時(shí)，纖維上的平均應(yīng)力（A、C）A、低于纖維斷裂應(yīng)力。B、高于纖維斷裂應(yīng)力。C、正比于纖維斷裂應(yīng)力。D、與l無(wú)關(guān)。六、簡(jiǎn)述復(fù)合材料增強(qiáng)體與基體之間形成良好界面的條件。在復(fù)合過(guò)程中，基體對(duì)增強(qiáng)體潤(rùn)濕；增強(qiáng)體與基體之間不產(chǎn)生過(guò)量的化學(xué)反應(yīng)；生成的界面相能承擔(dān)傳遞載荷的功能。復(fù)合材料的界面效應(yīng)，取決于纖維或顆粒表面的物理和化學(xué)狀態(tài)、基體本身的結(jié)構(gòu)和性能、復(fù)合方式、復(fù)合工藝條件和環(huán)境條件。七、根據(jù)下圖，討論為什么在相同體積含量下，SiC晶須增強(qiáng)MMC強(qiáng)度（抗拉與屈服強(qiáng)度）均高于顆

5、粒增強(qiáng)MMC，而這兩者的彈性模量相差不大。解答：從混合定律及晶須與顆粒的強(qiáng)度與模量考慮。九、試述影響復(fù)合材料性能的因素?；w和增強(qiáng)材料（增強(qiáng)體或功能體）的性能；復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和成型技術(shù)；復(fù)合材料中增強(qiáng)材料與基體的結(jié)合狀態(tài)（物理的和化學(xué)的）及由此產(chǎn)生的復(fù)合效應(yīng)。十、復(fù)合材料的界面具有怎樣的特點(diǎn)？界面相的化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)和物理性能與增強(qiáng)材料和基體的均不相同，對(duì)復(fù)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(gè)納米到幾個(gè)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)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(jié)構(gòu)、密度、彈性模量、熱膨脹系數(shù)等。十一、什么是

6、浸潤(rùn)？如何描述浸潤(rùn)程度的大?。吭囉懻撚绊憹?rùn)濕角大小的因素。浸潤(rùn)：固-氣界面被固-液界面置換的過(guò)程，用于描述液體在固體表面上自動(dòng)鋪展的程度。固體表面的潤(rùn)濕程度可以用液體分子對(duì)其表面的作用力大小來(lái)表征，具體來(lái)說(shuō)就是接觸角。Young公式討論了液體對(duì)固體的潤(rùn)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(rùn)濕。q=0°（glv=gsv-gsl），完全浸潤(rùn)；0°<q<90°（glv>gsv-gsl>0），部分浸潤(rùn)；q>90°（gsv<gsl），完全不浸潤(rùn)。影響接觸角（潤(rùn)濕角）大小的因素：固體表面的原始狀態(tài)，例：

7、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(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物都將影響潤(rùn)濕性。原因：夾雜或反應(yīng)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(duì)增強(qiáng)材料的潤(rùn)濕性？1、纖維表面處理：清除纖維表面的雜質(zhì)、氣泡、用化學(xué)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(jìn)液態(tài)基體對(duì)纖維的潤(rùn)濕性。2、變更基體成分：對(duì)于金屬基復(fù)合材料，合金化改善潤(rùn)濕性最方便、有效。加入合金元素后，q角的變化還與熔化時(shí)間有關(guān)。3、改變溫度：一般，提高制造溫度可以增加潤(rùn)濕性，但是，過(guò)高的溫度會(huì)產(chǎn)生一些不利影響：基體嚴(yán)重過(guò)熱、氧化、基體與增強(qiáng)材料在高溫下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)

8、、增強(qiáng)材料損傷等。4、增加液體壓力：對(duì)于不潤(rùn)濕的情況，必須施加大于Pc（）的外壓才能使液體滲入纖維束。5、改變加工氣氛：gsv和glv值隨氣體性質(zhì)的不同而變化，因此改變制造過(guò)程中的環(huán)境氣氛可以控制液體與固體之間的潤(rùn)濕狀況。固體或液體表面吸附某種氣體，也可以改變gsv或glv。十三、簡(jiǎn)述玻璃纖維表面化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)及反應(yīng)性的特點(diǎn)。玻璃纖維整體化學(xué)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(jié)構(gòu)與塊狀玻璃相似：由三維空間的不規(guī)則連續(xù)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，陽(yáng)離子位于多面體中心，被一定數(shù)目的O2-包圍，在玻璃內(nèi)部陽(yáng)離子與陰離子的作用力處于平衡狀態(tài)。玻璃表面的陽(yáng)離子不能

9、獲得所需數(shù)量的O2-，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(guān)，有吸附外界物質(zhì)的傾向。玻璃纖維表面會(huì)吸附多層水分子膜，表面吸附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+H2O®Si-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(jìn)一步與二氧化硅網(wǎng)絡(luò)反應(yīng)：Si-O-Si+OH-®Si-OH+Si-O-反應(yīng)中生成的Si-O-將繼續(xù)與水反應(yīng)形成另外的OH-：Si-O-+H2O®Si-OH+OH-這樣，表面的吸附水就破壞了玻璃纖維中的SiO2網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，玻璃纖維成分中含堿量愈高，吸附水對(duì)S

10、iO2骨架的破壞愈大，纖維強(qiáng)度下降就愈大。玻璃纖維表面的反應(yīng)性主要是由表面明顯的堿性和Si-OH基團(tuán)所決定。Si-OH基團(tuán)具有一般活性基團(tuán)所具有的反應(yīng)性質(zhì)，這種性質(zhì)是纖維表面改性、改善纖維與樹(shù)脂基體界面粘結(jié)的有利條件。十四、簡(jiǎn)述復(fù)合材料的界面結(jié)合類(lèi)型及其特點(diǎn)。1、機(jī)械結(jié)合：增強(qiáng)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(jìn)行連接（摩擦力），沒(méi)有化學(xué)作用。影響機(jī)械結(jié)合的因素：增強(qiáng)材料與基體的性質(zhì)、纖維表面的粗糙度、基體的收縮（正壓力）有利于纖維箍緊。2、溶解與浸潤(rùn)結(jié)合：在復(fù)合材料的制造過(guò)程中，由單純的浸潤(rùn)和溶解作用，使增強(qiáng)材料和基體形成交錯(cuò)的溶解擴(kuò)散界面，是一種次價(jià)鍵力的結(jié)合。（當(dāng)基體

11、的基團(tuán)或分子與增強(qiáng)材料表面間距小于0.5nm時(shí)，次價(jià)鍵力就發(fā)生作用。次價(jià)鍵力包括誘導(dǎo)力、色散力、氫鍵等。）形成溶解與浸潤(rùn)結(jié)合的基本條件：增強(qiáng)材料與基體間的接觸角小于90°，增強(qiáng)材料與基體間有一定的溶解能力。3、反應(yīng)界面結(jié)合：基體與增強(qiáng)材料間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在界面上形成新的化合物、以主價(jià)鍵力相互結(jié)合。這是一種最復(fù)雜、最重要的結(jié)合方式。反應(yīng)結(jié)合受擴(kuò)散控制，擴(kuò)散包括反應(yīng)物質(zhì)在組分物質(zhì)中的擴(kuò)散（反應(yīng)初期）和在反應(yīng)產(chǎn)物中的擴(kuò)散（反應(yīng)后期）。要實(shí)現(xiàn)良好的反應(yīng)結(jié)合，必須選擇最佳的制造工藝參數(shù)（溫度、壓力、時(shí)間、氣氛等）來(lái)控制界面反應(yīng)的程度。界面反應(yīng)層是非常復(fù)雜的組成，有時(shí)發(fā)生多個(gè)反應(yīng)，產(chǎn)生交換反應(yīng)結(jié)

12、合。界面的反應(yīng)產(chǎn)物大多是脆性物質(zhì)，達(dá)到一定厚度時(shí)，界面上的殘余應(yīng)力可使其發(fā)生破壞，因此，界面結(jié)合先隨反應(yīng)程度提高而增加結(jié)合強(qiáng)度，但反應(yīng)達(dá)到一定程度后，界面結(jié)合有所減弱。4、混合結(jié)合：上述界面結(jié)合方式的混合，實(shí)際情況中發(fā)生的重要的界面結(jié)合形式。十五、簡(jiǎn)述影響增強(qiáng)材料與基體粘結(jié)性能的因素。固-液復(fù)合過(guò)程中，固體表面與液體的浸潤(rùn)性。不同組分的分子或原子彼此相互接近時(shí)的狀態(tài)，形成化學(xué)結(jié)合時(shí)相互作用的強(qiáng)弱?；瘜W(xué)結(jié)合的形式（主價(jià)鍵結(jié)合：共價(jià)鍵、離子鍵、金屬鍵等；次價(jià)鍵作用：靜電作用、誘導(dǎo)力、色散力、氫鍵、分子間的擴(kuò)散等）。十六、試討論碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的界面反應(yīng)。碳纖維表面含有氧原子，以羥基、羰基、

13、羧基、內(nèi)酯基形式存在，這些基團(tuán)可以與樹(shù)脂基體中的胺基、環(huán)氧基等基團(tuán)形成氫鍵。但是，碳纖維表面的這些含氧基團(tuán)的濃度很低，反應(yīng)的活性點(diǎn)很稀少，需要通過(guò)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(tuán)。例：碳纖維的氧化處理：氧含量顯著增加，氧化過(guò)程分別產(chǎn)生羥基、羰基、羧基，并可能以環(huán)狀官能團(tuán)形式存在。胺固化的環(huán)氧樹(shù)脂中的胺基能與碳纖維表面的羧基形成氫鍵，環(huán)氧基也能與羥基和羧基形成氫鍵，在過(guò)量單體和較高溫度時(shí)，這些氫鍵就轉(zhuǎn)變成共價(jià)鍵。十七、試討論玻璃纖維增強(qiáng)混凝土中玻璃受到侵蝕的類(lèi)型及其防護(hù)方法。中堿、無(wú)堿玻璃纖維在硅酸鹽水泥水化物中受到侵蝕，導(dǎo)致玻璃纖維增強(qiáng)混凝土的抗拉強(qiáng)度大幅

14、度下降，甚至喪失殆盡?；瘜W(xué)侵蝕：水泥水化生成的Ca(OH)2與玻璃纖維的硅氧骨架之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成水化硅酸鈣，當(dāng)水泥液相中有NaOH、KOH存在時(shí)會(huì)加速反應(yīng)。應(yīng)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(jìn)入這些缺陷中，在缺陷端部造成應(yīng)力集中并使缺陷擴(kuò)展。防止水泥水化物對(duì)玻璃纖維侵蝕的措施：改變玻璃纖維的化學(xué)組分。例：加入較多量的ZrO2可提高玻璃纖維的抗堿性。對(duì)玻璃纖維表面進(jìn)行被覆處理，以隔絕水泥水化物對(duì)纖維的侵蝕。例：可用鋯、鈦、鋅、鋁等金屬的水溶性鹽對(duì)玻璃纖維進(jìn)行處理；也可用抗堿性好的樹(shù)脂（環(huán)氧樹(shù)脂、呋喃）對(duì)玻璃纖維進(jìn)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

15、對(duì)玻璃纖維的侵蝕。例：采用水化產(chǎn)物中Ca(OH)2含量低的甚至無(wú)Ca(OH)2的水泥（高鋁水泥、硫鋁酸鹽水泥）。十八、試討論硼纖維-鋁基復(fù)合體系的界面反應(yīng)及其防護(hù)。B在高溫下，除Ag、Cu、Sn、Be外，可以與其它金屬發(fā)生反應(yīng)生成不規(guī)則的結(jié)構(gòu)，形成脆性的反應(yīng)層。硼纖維和鋁的界面反應(yīng)由于滲入氧生成氧化物而發(fā)生破壞，即B2O3層的破壞。當(dāng)鋁的純度較高時(shí)，在纖維上生成AlB2：Al+2B®AlB22B+3O®B2O3碳化硅涂層能使硼纖維具有突出的抗氧化性。因?yàn)榕鸾佑|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(yīng)在碳化硅存在的情況下，在熱力學(xué)上是非常困難的。硼或

16、鋁穿過(guò)碳化硅移動(dòng)的擴(kuò)散系數(shù)在800K時(shí)非常小，2.5mm的碳化硅層已足以阻擋擴(kuò)散。十九、什么是增強(qiáng)材料的表面處理？簡(jiǎn)述偶聯(lián)劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)及作用。表面處理是在增強(qiáng)材料的表面涂覆上表面處理劑（包括浸潤(rùn)劑、偶聯(lián)劑、助劑等物質(zhì)），它有利于增強(qiáng)材料與基體間形成良好的粘結(jié)界面，從而達(dá)到提高復(fù)合材料各種性能的目的。偶聯(lián)劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)：分子兩端含有性質(zhì)不同的基團(tuán)，一端的基團(tuán)與增強(qiáng)材料表面發(fā)生化學(xué)作用或物理作用，另一端的基團(tuán)則能和基體發(fā)生化學(xué)作用或物理作用，從而使增強(qiáng)材料與基體很好地偶聯(lián)起來(lái)，獲得良好的界面粘結(jié)，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

17、效果的因素。偶聯(lián)劑的用量會(huì)影響最后處理效果，在實(shí)際應(yīng)用中起偶聯(lián)作用的是偶聯(lián)劑單分子層。過(guò)多地使用偶聯(lián)劑是不必要和有害的。每種偶聯(lián)劑的實(shí)際最佳用量，多數(shù)要從實(shí)驗(yàn)中確定。偶聯(lián)劑用量也可采用計(jì)算法求得：100g給定被處理的增強(qiáng)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(shí)所需要的量。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(shí)際用量應(yīng)高于上述計(jì)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(huì)影響處理效果。一

18、般來(lái)說(shuō)，前處理法的效果最為明顯。烘焙溫度的選擇：溫度過(guò)低不起反應(yīng)，達(dá)不到應(yīng)有的偶聯(lián)效果；溫度過(guò)高會(huì)引起偶聯(lián)劑分解和自聚等不良后果，以致嚴(yán)重影響偶聯(lián)效果。烘焙時(shí)間的選擇：烘焙時(shí)間應(yīng)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(yīng)能充分進(jìn)行。隨著烘焙時(shí)間的延長(zhǎng)，被處理玻璃纖維的憎水性有所提高，但是處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)生產(chǎn)效率就低。一般采用高溫短時(shí)間的烘焙制度。處理液的配制及使用：直接影響處理效果，應(yīng)該嚴(yán)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(gè)處理過(guò)程中，對(duì)處理液的pH值應(yīng)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(jī)化合物：采用類(lèi)似紡織中的漿紗工藝，在碳纖維表面涂覆含有反應(yīng)性端基的樹(shù)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(jié)性。2、表面涂覆無(wú)機(jī)化合物：表面上沉