复合材料复习题

1 什么是复合材料，复合材料有哪些特点，并结合复合材料的特点说明其应用领域广泛的原因。

答：复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同作用，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足不同的要求。

复合材料的特点：

A 典型的复合材料是在一个特定的基体中，填充有一种或多种填充体；

B 既能保留原组分或材料的主要特色，并通过复合效应获得原组分所不具备的性能；

C 可以通过材料设计使各组分的性能相互补充并彼此关联，从而获得新的优越性能

表面处理方法：化学气相沉积；物理气相沉积；溶胶、凝胶法；电镀、化学镀

6 热塑性树脂基复合材料与热固性树脂基复合材料在性能和加工工艺上的区别是什么？

答：热塑性树脂是指具有线型或分枝型结构的有机高分子化合物，热固性树脂是以不饱和聚酯、环氧树脂、酚醛树脂等为主的高分子化合物。

性能上：

热塑性树脂—柔韧性大，脆性低，加工性能好，但刚性、耐热性、尺寸稳定性差热固性树脂—刚性大，耐腐蚀性、耐热性、尺寸稳定性好，不易变形，成型工艺复杂，加工较难

加工工艺上：

热塑性树脂—受热软化或熔融，可进行各种线型加工，冷却后变得坚硬。再受热，又可进行熔融加工，具有可重复加工性。

热固性树脂—受热熔融的同时发生固化反应，形成立体网状结构，冷却后再受热不熔融，在溶剂中不溶解，不具有重复加工性。

8 什么是纳米复合材料？

答：纳米复合材料是指尺度为1 nm一100 nm的超微粒经压制、烧结或溅射而成的凝聚态固体。它具有断裂强度高、韧性好，耐高温等特性。

10 举出一个复合材料树脂体系的实例，并说明各组分的作用。

答：如不饱和聚酯树脂体系，各组分及其作用如下：

1 交联剂：通过引发剂作用使线性聚酯分子交联成三维网状的体型大分子结构。

2 引发剂：打开交联剂分子和不饱和聚酯分子链上的双键，开形成自由基，发生自由共聚反应，达到交联固化的目的。引发剂一般为过氧化物。

3 促进剂：使引发剂降低分解活化能，降低引发温度。

4 阻聚剂：增加不饱和聚酯树脂的贮存稳定性，调节适用期。

5 增稠剂：调节不饱和聚酯树脂的粘度。

7、纤维表面处理是为了使纤维表面更光滑。（?）

8、Kevlar纤维具有负的热膨胀系数。（?）

1、C f/C是目前唯一可用于温度高达2800℃的高温复合材料，但必须是在非氧化性气氛下。（√）

8、目前，高温抗氧化保护涂层已可使

C f/C安全使用温度达1650℃，在更高温度下只能起短时保护作用。（√）1、基体与增强体的界面在高温使用过程中不发生变化。（?）

2、比强度和比模量是材料的强度和模量与其密度之比。（√）

3、浸润性是基体与增强体间粘结的必要条件，但非充分条件。（√）

6、脱粘是指纤维与基体完全发生分离的现象。（?）

7、混合法则可用于任何复合材料的性能估算。（?）

二、选择题：从A、B、C、D中选择出正确的答案。

1、复合材料界面的作用（B）

A、仅仅是把基体与增强体粘结起来。

B、将整体承受的载荷由基体传递到增强体。

C、总是使复合材料的性能得以改善。

D、总是降低复合材料的整体性能。

2、浸润性（A、D）

A、当γsl+γlv<γsv时，易发生浸润。

B、当γsl+γlv>γsv时，易发生浸润。

C、接触角θ=0?时，不发生浸润。

D、是液体在固体上的铺展。

3、增强材料与基体的作用是（A、D）

A、增强材料是承受载荷的主要组元。

B、基体是承受载荷的主要组元。

C、增强材料和基体都是承受载荷的主要组元。

D、基体起粘结作用并起传递应力和增韧作用。

4、混合定律（A）

A、表示复合材料性能随组元材料体积含量呈线性变化。

B、表示复合材料性能随组元材料体积含量呈曲性变化。

C、表达了复合材料的性能与基体和增强体性能与含量的变化。

D、考虑了增强体的分布和取向。

7、短纤维复合材料广泛应用的主要原因（A、B）

A、短纤维比连续纤维便宜。

B、连续纤维复合材料的制造方法灵活。

C、短纤维复合材料总是各相同性。

D、使短纤维定向排列比连续纤维容易。

3、玻璃纤维增强环氧复合材料力学性能受吸湿影响，原因是（B、D）

A、环氧树脂吸湿变脆。

B、水起增塑剂作用，降低树脂玻璃化温度。

C、纤维吸湿、强度降低。

D、破坏纤维与基体界面。

4、碳纤维表面处理是为了（A、C、D）

A、表面引入活性官能团，如羧基、羟基、羰基等。

B、表面引入偶联剂。

C、清除表面污染。

D、增加纤维与基体粘结强度。

5、偶联剂是这样一种试剂：（A、C）

A、它既能与纤维反应，又能与基体反应。

B、它能与纤维反应，但不能与基体反

应，也不与基体相容。

C、它能与纤维反应，不与基体反应，但与基体相容。

D、它不与纤维反应，但与基体反应或相容。

1、通常MMC（metal matrix composite）（B、C）

A、采用高熔点、重金属作为基体。

B、要比基体金属或合金的塑性与韧性差。

C、要比基体金属或合金的工作温度高。

D、要比基体金属或合金的弹性模量低。

2、原位MMC（B、D）

A、可以通过压铸工艺制备。

B、可以通过定向凝固工艺制备。

C、可以通过扩散结合或粉末法制备。

D、可以通过直接金属氧化法（DIMOX TM）制备。

3、单向纤维增强MMC的纵向拉伸模量（A、D）

A、随纤维体积含量的增加而增加。

B、与纤维体积含量无关，而与纤维和基体的模量有关。

C、与横向拉伸模量相同。

D、与基体的模量有关。

4、在体积含量相同情况下，SiC晶须与颗粒增强MMC（B）

A、具有基本相同的抗拉强度和屈服强度。

B、具有基本相同的拉伸模量。

C、具有基本相同的断裂韧性。

D、具有基本相同的蠕变性能。

6、为了改善增强材料与基体浸润性，制备MMC时，可以通过（A、B、D）A、基体合金化，以降低液态基体的表面张力。

B、基体合金化，以增加液态基体与增强材料的界面能。

C、涂层，增加增强材料的表面能。

D、涂层，降低增强材料的表面能。

7、MMC中，目前典型的增强材料/基体界面包括有（A、B、C）

A、不发生溶解，也不发生界面反应，如B f/Al。

B、不发生溶解，但发生界面反应，如

B f/Ti。

C、极不容易互相浸润，但能发生强烈界面反应，如C f/Al。

D、既容易互相浸润，又不发生界面反应，如SiC f/At。

3、微裂纹增韧（A、D）

A、主要是由于颗粒热膨胀系数不同产生的残余应力。

B、是由于颗粒总处于拉应力状态。

C、是由于颗粒总处于压应力状态。

D、颗粒的压力状态与热膨胀系数失配和压力大小有关。

4、相变增韧（B、C）

A、是由于陶瓷基体中加入的氧化锆由单斜相转变为四方相。

B、是由于陶瓷基体中加入的氧化锆由四方相转变为单斜相。

C、其增韧机理是陶瓷基体由于氧化锆相变产生了微裂纹。

D、总是导致陶瓷基复合材料的强度下降。

5、纤维拔出（C、D）

A、是纤维在外力作用下与基体的脱离。

B、其拔出能总是小于脱粘能。

C、其拔出能总是大于脱粘能。

D、增韧作用比纤维脱粘强。

1、Kevlar纤维（A、B）

A、由干喷湿纺法制成。

B、轴向强度较径向强度高。

C、强度性能可保持到1000℃以上。

D、由化学沉积方法制成。

2、玻璃纤维（A、C、D）

A、由SiO2玻璃制成。

B、在所有纤维中具有最高的比弹性模量。

C、具有短程网络结构。

D、价格便宜、品种多。

5、聚乙烯纤维（A、C）

A、纤维强度随分子量增大而增高。

B、分子量越大，加工越容易。

C、熔点较低，约135℃左右。

D、能在200℃使用。

7、各种纤维在拉伸断裂前不发生任何屈服，但在SEM下观察到（A、D）A、Kevlar纤维呈韧性断裂，有径缩及断面减小。

B、碳纤维呈韧性断裂，有断面收缩。

C、玻璃纤维呈韧性断裂，有断面收缩。

D、碳纤维、玻璃纤维呈脆性断裂，无断面收缩。

8、在所有纤维中（A、B、D）

A、聚乙烯纤维具有最佳的比模量和比强度搭配。

B、碳纤维的比模量最高。

C、氧化铝纤维的比模量和比强度最高。

D、玻璃纤维的比模量最低。

1、C/C具有：（B、C）

A、比PMC、MMC更高的高温强度。

B、假塑性断裂特性，在高温下比陶瓷或石墨的断裂韧性高。

C、优异的高温摩擦摩损特性。

D、各向同性的拉伸、压缩强度和模量。

2、C/C可以做为：（A、B、D）

A、比石墨性能更好的高温热压模具。

B、军用或民用飞机刹车装置中的摩擦材料。

C、航天飞机的机翼和鼻锥。

D、固体火箭发动机喷管的喉衬或喷口部件。

3、C/C中的基体碳，可以选用：（A、D）

A、沥青碳。

B、天然石墨。

C、炭黑。

D、沥青碳、沉积碳和树脂碳共同作为基体碳。

4、C/C的CVD工艺（A、B、C）

A、其原理与陶瓷基复合材料的CVI 相同。

B、可分为等温、温度梯度、压力梯度以及温度-压力梯度等工艺方法。

C、该工艺中，为防止孔隙口的堵塞，应使扩散速度大于沉积速度。

D、该工艺中，为防止孔隙口的堵塞，应使扩散速度小于沉积速度。

5、选择C/C高温抗氧化涂层材料的主要关键是：（C）

A、涂层材料的高熔点。

B、涂层材料高温抗氧化性和热膨胀系数。

C、涂层的氧扩散渗透率极低和与C/C 的热膨胀系数匹配性。

D、涂层材料高温挥发性。

三、如何改善聚合物的耐热性能？

产生交联结构（对于热固性树脂、有机硅树脂等，工艺条件影响聚合物的交联密

度）。

增加高分子链的刚性（引进不饱和共价键或环状结构（脂环、芳环、杂环）、引入极性基团）。

提高聚合物分子链的键能，避免弱键的存在（例：以C-F键完全取代C-H键，可大大提高聚合物的热稳定性）。

形成结晶聚合物，结晶聚合物的熔融温度大大高于相应的非结晶聚合物。

四、简述不饱和聚酯树脂基体的组成、代表物质及作用。

主要成分：不饱和聚酯树脂，按化学结构可分为顺酐型、丙烯酸型、丙烯酸环氧酯型聚酯树脂。

辅助材料：交联剂、引发剂和促进剂

交联剂：烯类单体，既是溶剂，又是交联剂。能溶解不饱和聚酯树脂，使其双键间发生共聚合反应，得到体型产物，以改善固化后树脂的性能。常用的交联剂：苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、邻苯二甲酸二丙烯酯、乙烯基甲苯等。

引发剂：一般为有机过氧化物，在一定的温度下分解形成游离基，从而引发不饱和聚酯树脂的固化。常用的引发剂：过氧化二异丙苯[C6H5C(CH3)2]2O2、过氧化二苯甲酰(C6H5CO)2O2。

促进剂：把引发剂的分解温度降到室温以下。

对过氧化物有效的促进剂：二甲基苯胺、二乙基苯胺、二甲基甲苯胺等。

对氢过氧化物有效的促进剂：具有变价的金属钴：环烷酸钴、萘酸钴等。

五、简述不饱和聚酯树脂的固化特点。

不饱和聚酯树脂的固化是放热反应，可分为三

个阶段：

胶凝阶段：从加入促进剂到不饱和聚酯树脂变

成凝胶状态的时间，是固化过程最重要的阶段。

影响胶凝时间的因素：阻聚剂、引发剂和促进

剂的加入量，交联剂的蒸发损失，环境温度和

湿度等。

硬化阶段：从树脂开始胶凝到具有一定硬度，能把制品从模具上取下为止的时间。

完全固化阶段：通常在室温下进行，可能需要几天至几星期。

六、什么是玻璃钢？其特点是什么？

玻璃纤维作为增强材料，热固性塑料作为基体的纤维增强塑料，俗称玻璃钢。主要有玻璃纤维增强玻环氧树脂、璃纤维增强酚醛树脂、玻璃纤维增强聚酯树脂。具有如下优点：（1）GFRP的突出特点是比重小、比强度高。

（2）良好的耐腐蚀性。

（3）良好的电绝缘材料。

（4）具有不受电磁影响特性。

（5）保温、隔热、隔音、减振等性能。

当然，这种材料最大的缺点是刚性差、耐热性不如金属和陶瓷材料、导热性也很差、易老化等。

八、复合材料的结构设计的综合过程是什么？

（1）明确设计要求：性能要求，载荷要求、环境条件，形状限制等 (2)材料设计：原材料选择，铺层性能确定，复合材料层合板的设计

（3）结构设计:典型结构件的设计等

十、论述题、聚合物基复合材料成型加工技术。

1手糊工艺

手糊工艺是聚合物基复合材料制造中最早采用和最简单的方法。其工艺过程是先在模具上涂刷含有固化剂的树脂混合物，再在其上铺一层按要求剪裁好的纤维织物，用刷子压辊刮刀压挤使其均匀浸胶并排除气泡后，再涂刷树脂和铺贴每二层纤维织物，反复上述过程到达到所需厚度为止。然后在一定的压力作用下加热固化成型，或自放热固化成型。

其优点是不受产品尺寸和形状限制，适于少批量生产，设备简单，投资低，缺点是劳动条件差，效率低，质量难控制且不稳定，产品力学性能低

六、简述复合材料增强体与基体之间形成良好界面的条件。

在复合过程中，基体对增强体润湿；增强体与基体之间不产生过量的化学反应；生成的界面相能承担传递载荷的功能。 复合材料的界面效应，取决于纤维或颗粒表面的物理和化学状态、基体本身的结构和性能、复合方式、复合工艺条件和环境条件。

九、试述影响复合材料性能的因素。

基体和增强材料（增强体或功能体）的性能；复合材料的结构和成型技术；复合材料中增强材料与基体的结合状态（物理的和化学的）及由此产生的复合效应。 十、复合材料的界面具有怎样的特点？ 界面相的化学组成、结构和物理性能与增强材料和基体的均不相同，对复合材料的整体性能产生重大影响。

界面具有一定的厚度（约几个纳米到几个微米），厚度不均匀。

材料特性在界面是不连续的，这种不连续性可能是陡变的，也可能是渐变的。材料特性包括元素的浓度、原子的配位、晶体结构、密度、弹性模量、热膨胀系数等。

十一、什么是浸润？如何描述浸润程度的大小？试讨论影响润湿角大小的因素。

浸润：固-气界面被固-液界面置换的过程，用于描述液体在固体表面上自动铺展的程度。

固体表面的润湿程度可以用液体分子对其表面的作用力大小来表征，具体来说就是接触角。 Young 公式讨论了液体对固体的润湿条件：

cos lv sv sl γθγγ?=-

降低液-固表面能和液-气表面能或者增大固-气表面能有助于润湿。 θ=0?（γlv =γsv -γsl ），完全浸润；0?<θ<90?（γlv >γsv -γsl >0），部分浸润；θ>90?（γsv <γsl ），完全不浸润。

影响接触角（润湿角）大小的因素：

固体表面的原始状态，例：吸附气体、氧化膜等均使接触角增大。 固体表面粗糙度增加将使接触角减小。

固相或液相的夹杂、相与相之间化学反应的产物都将影响润湿性。原因：夹杂或反应产物改变了固相的性质和固相的表面粗糙度。

十二、如何改善基体对增强材料的润湿性？

1、纤维表面处理：清除纤维表面的杂质、气泡、用化学方法去除纤维表面的氧化膜，或者表面涂层，这些操作都能增进液态基体对纤维的润湿性。

2、变更基体成分：对于金属基复合材料，合金化改善润湿性最方便、有效。 加入合金元素后，θ角的变化还与熔化时间有关。

3、改变温度：一般，提高制造温度可以增加润湿性，但是，过高的温度会产生一些不利影响：基体严重过热、氧化、基体与增强材料在高温下发生化学反应、增强材料损伤等。

4、增加液体压力：对于不润湿的情况，必须施加大于P c （()4/cos c lv f f P V d γθ=）的外压才能使液体渗入纤维束。

5、改变加工气氛：γsv 和γlv 值随气体性质的不同而变化，因此改变制造过程中的环境气氛可以控制液体与固体之间的润湿状况。固体或液体表面吸附某种气体，也可以改变γsv 或γlv 。

十三、简述玻璃纤维表面化学组成、结构及反应性的特点。

玻璃纤维整体化学组成包含Si 、O 、Al 、Ca 、Mg 、B 、F 、Na 等，但其表面只含有Si 、O 、Al 。

玻璃纤维的结构与块状玻璃相似：由三维空间的不规则连续网络构成，阳离子位于多面体中心，被一定数目的O 2-包围，在玻璃内部阳离子与阴离子的作用力处于平衡状态。玻璃表面的阳离子不能获得所需数量的O 2-，因而产生一种表面力，此表面力与表面张力、表面吸湿性密切相关，有吸附外界物质的倾向。

玻璃纤维表面会吸附多层水分子膜，表面吸附的水与玻璃组成的中的碱金属或碱土金属作用，在玻璃表面形成-OH 基：

~Si-OD+H 2O →~Si-OH+D ++OH -（D ：

碱金属或碱土金属）

玻璃纤维上所吸附的水具有明显的碱性，将进一步与二氧化硅网络反

应：

~Si-O-Si~+OH-→~Si-OH+~Si-O-

反应中生成的~Si-O-将继续与水反应形成另外的OH-：~Si-O-+H2O→~Si-OH+OH-这样，表面的吸附水就破坏了玻璃纤维中的SiO2网络结构，玻璃纤维成分中含碱量愈高，吸附水对SiO2骨架的破坏愈大，纤维强度下降就愈大。

玻璃纤维表面的反应性主要是由表面明显的碱性和Si-OH基团所决定。Si-OH基团具有一般活性基团所具有的反应性质，这种性质是纤维表面改性、改善纤维与树脂基体界面粘结的有利条件。

十四、简述复合材料的界面结合类型及其特点。

1、机械结合：

2、溶解与浸润结合：

3、反应界面结合

4、混合结合：

十五、简述影响增强材料与基体粘结性能的因素。

固-液复合过程中，固体表面与液体的浸润性。

不同组分的分子或原子彼此相互接近时的状态，形成化学结合时相互作用的强弱。

化学结合的形式（主价键结合：共价键、离子键、金属键等；次价键作用：静电作用、诱导力、色散力、氢键、分子间的扩散等）。

十六、试讨论碳纤维/环氧树脂复合材料的界面反应。

碳纤维表面含有氧原子，以羟基、羰基、羧基、内酯基形式存在，这些基团可以与树脂基体中的胺基、环氧基等基团形成氢键。

但是，碳纤维表面的这些含氧基团的浓度很低，反应的活性点很稀少，需要通过表面改性以减小碳纤维表面晶棱尺寸、增加表面积以及增加碳纤维表面含氧基团。

例：碳纤维的氧化处理：

氧含量

显著增

加，氧

化过程分别产生羟基、羰基、羧基，并可能以环状官能团形式存在。

胺固化的环

氧树脂中的

胺基能与碳

纤维表面的

羧基形成氢

键，环氧基也

能与羟基和羧基形成氢键，在过量单体和较高温度时，这些氢键就转变成共价键。

十九、什么是增强材料的表面处理？简述偶联剂的化学结构及作用。

表面处理是在增强材料的表面涂覆上表面处理剂（包括浸润剂、偶联剂、助剂等物质），它有利于增强材料与基体间形成良好的粘结界面，从而达到提高复合材料各种性能的目的。

偶联剂的化学结构：分子两端含有性质不同的基团，一端的基团与增强材料表面发生化学作用或物理作用，另一端的基团则能和基体发生化学作用或物理作用，从而使增强材料与基体很好地偶联起来，获得良好的界面粘结，改善了多方面的性能，并有效地抵抗水的侵蚀。

二十一、试述碳纤维的表面处理方法及作用效果：

1、表面浸涂有机化合物：采用类似纺织中的浆纱工艺，在碳纤维表面涂覆含有反应性端基的树脂（羟端基的丁二烯/丙烯酸共聚物等），以改善碳纤维的界面粘结性。

2、表面涂覆无机化合物：

①表面上沉积无定形碳：在高模量结晶型碳纤维表面加涂一层低模量无定形碳，无定形碳活性大，易与树脂浸润，提高界面粘结力，能显著提高碳纤维复合材料的层间剪切强度。

②加涂碳化物：用化学气相沉积（CVD）的方法加涂碳化物。

3、表面化学处理：

①臭氧氧化法：臭氧极易分解成一个氧分子和一个新生态活泼氧原子，氧化碳纤维表面的不饱和碳原子，生成含氧官能团。

②阳极电解氧化法：靠电解产生的新生态氧对碳纤维表面进行氧化和腐蚀，碳纤维表面被氧化腐蚀，使比表面积增大、化学基团增加。

③盐溶液处理：先浸涂甲酸、乙酸、硝酸等的铜、铅、钴等盐类溶液，然后在空气或氧气中于200-600℃下氧化，使碳纤维表面粗糙而达到改善效果。