复合材料导论复习习题集

复合材料导论习题集

一、通过本课程的学习，你想从事哪个领域的复合材料的研究？你的研究思路是什么？试写出研究的方案和计划，及其可行性和前沿性。

答案：航空领域碳纤维复合材料

二、常见的复合材料的种类？（至少回答4种）

1、功能复合材料

2、陶瓷基复合材料

3、金属基复合材料

4、聚合物基纳米复合材料、

5、碳碳复合材料

6、仿生基复合材料，

7、水泥基复合材料

三、复合材料的特点：

1、复合材料的组分和相对含量是由人工选择和设计的；

2、复合材料是以人工制造而非天然形成的（区别于具有某些复合材料形态特征的天然物质）

3、组成复合材料的某些组分在复合后仍然保持其固有的物理和化学性质（区别于化合物和合金）；

4、复合材料的性能取决于各组成相性能的协同。复合材料具有新的、独特的和可用的性能，这种性能是单个组分材料性能所不及或不同的；

5、复合材料是各组分之间被明显界面区分的多相材料。

四、复合材料性能的决定因素有哪些？

复合材料的性能取决于组分材料的种类、性能、含量和分布。主要包括：增

强体的性能和它的表面物理、化学状态；基体的结构和性能；增强体的配置、分布和体积含量。

复合材料的性能还取决于复合材料的制造工艺条件、复合方法、零件几何形状和使用环境条件。

五、复合材料的应用领域主要有哪些？

(1)在航空、航天方面的应用

由于复合材料的轻质高强持性，使其在航空航天领域得到广泛的应用。在航空方面，主要用作战斗机的机冀蒙皮、机身、垂尾、副翼、水平尾冀、雷达罩、侧壁板、隔框、翼肋和加强筋等主承力构件。

(2)在交通运输方面的应用

由复合材料制成的汽车质量减轻，在相同条件下的耗油量只有钢制汽车的1／4，而且在受到撞击时复合材料能大幅度吸收冲击能量，保护人员的安全。用复合材料制造的汽车部件较多，如车体、驾驶室、挡泥板、保险杠、引擎罩、仪表盘、驱动轴、板黄等。

随着列车速度的不断提高，火车部件用复合材料来制造是最好的选择。复合材料常被用于制造高速列车的车箱外壳、内装饰材料、整体卫生间、车门窗、水箱等。

(3)在化学工业方面的应用

在化学工业方面，复合材料主要被用于制造防腐蚀制品。聚合物基复合材料具有优异的耐腐蚀性能。例如，在酸性介质中，聚合物基复合材料的耐腐蚀性能比不锈钢优异得多。

(4)在电气工业方面的应用

聚合物基复合材料是一种优异的电绝缘材料，被广泛地用于电机、电工器材的制造，如绝缘板、绝缘管、印刷线路板、电机护环、槽楔、高压绝缘子、带电操作工具等。

(5)在建筑工业方面的应用

玻璃纤维增强的聚合物基复合材料(玻璃钢)具有力学性能优异，隔热、隔声性能良好，吸水率低，耐腐蚀性能好和装饰性能好的特点，因此，它是一种理想的建筑材料。

在建筑上，玻璃钢被用作承力结构、围护结构、冷却塔、水箱、卫生洁具、门窗等。

(6)在机械工业方面的应用

复合材料在机械制造工业中，用于制造各种叶片、风机、各种机械部件如齿轮、皮带轮和防护罩等。

用复合材料制造叫片具力制造容易、质量轻、耐腐蚀等优点，各种风力发电机叶片都是由复合材料制造的。

(7)在体育用品方面的应用

在体育用品方面，复合材料被用于制造赛车、赛艇、皮艇、划桨、撑杆、球拍、弓箭、雪橇等。

六、聚合物基体的作用有哪些？

聚合物基体是复合材料的一个必需组分。在复合材料成型过程中，基体经过复杂的物理、化学变化过程，与增强体系复合成具有一定形状的整体，因而整体性能直接影响复合材料性能。

①将增强体系粘合成整体并使增强体系位置固定，在增强体系间传递载荷，并使载荷均衡；

②基体决定复合材料的一些性能。如复合材料的高温使用性能(耐热性)、横向性能、剪切性能、耐介质性能(如耐水、耐化学品性能)等；

③基体决定复合材料成型工艺方法以及工艺参数选择等。

④基体保护增强体系免受各种破坏。

此外，基体对复合材料的另外一些性能也有重要影响，如纵向拉伸、尤其是压缩性能，疲劳性能，断裂韧性等。

七、聚合物基体材料的分类：

用于复合材料的聚合物基体有多种分类方法，如按树脂热行为可分为热固性及热塑性两类

热塑性基体如聚丙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚醚砜、聚醚醚酮等，它们是一类线形或有支链的固态高分子，可溶可熔，可反复加工成型而无任何化学变化。

热固性基体如环氧树脂、酚醛树脂、双马树脂、不饱和聚酯等，它们在制成最终产品前，通常为分子量较小的液态或固态预聚体，经加热或加固化剂发生化学反应固化后，形成不溶不熔的三维网状高分子，这类基体通常是无定形的。

八、复合材料的增强材料：

在复合材料中，粘结在基体内以改进其机械性能的高强度材料称为增强材料。

增强材料有时也称作增强体、增强剂等。增强材料共分为三类：

1、纤维及其织物，

纤维在复合材料中起增强作用，是主要承力组分。纤维不仅能使材料显示出较高的抗张强度和刚度，而且能减少收缩，提高热变形温度和低温冲击强度等。复合材料的性能在很大程度上取决于纤维的性能、含量及使用状态。纤维可分为有机纤维和无机纤维

2、晶须，

晶须（Whiskers）是在人工控制条件下，以单晶形式生长成的一种纤维。直径一般为几微米，长几十微米，是一种无缺陷的理想完整晶体。晶须可用作高性能复合材料的增强材料，以增强金属、陶瓷和聚合物。晶须是目前已知纤维中强度最高的一种，其机械强度几乎等于相邻原子间的作用力。

3、颗粒。

用以改善复合材料力学性能、提高断裂性、耐磨性和硬度、增进耐腐蚀性能的颗粒状材料，称为颗粒增强体。颗粒增强体的特点：(1)选材方便，可根据不同的性能要求选用不同的颗粒增强体。(2)颗粒增强体成本低，易于批量生产。颗粒在聚合物中还可以用作填料，目的是降低成本，提高导电性、屏蔽性或耐

磨性。

九、拉挤成型的优点

①生产效率高，易于实现自动化；

②制品中增强材料的含量一般为40％--80％，能够充分发挥增强材料的作用，制品性能稳定可靠；

③不需要或仅需要进行少量加工，生产过程中树脂损耗少；

④制品的纵向和横向强度可任意调整，以适应不同制品的使用要求，其长度可根据需要定长切割。

十、粉末冶金法五大优点：

①热等静压或烧结温度低于金属熔点，因而由高温引起的增强材料与金属基体的界面反应少，减小了界面反应对复合材料性能的不利影响。同时可以通过热等静压或烧结时的温度、压力和时间等工艺参数来控制界面反应。

②可根据性能要求，使增强材料（纤维、颗粒或晶须）与基体金属粉末以任何比例混合，纤维含量最高可达75%，颗粒含量可达50%以上，这是液态法无法达到的。

③可降低增强材料与基体互相湿润的要求，也降低了增强材料与基体粉未的密度差的要求，使颗粒或晶须均匀分布在金属基复合材料的基体中。

④采用热等静压工艺时，其组织细化、致密、均匀，一般不会产生偏析、偏聚等缺陷，可使孔隙和其他内部缺陷得到明显改善，从而提高复合材料的性能。

⑤粉未冶金法制备的金属基复合材料可通过传统的金属加工方法进行二次加工。可以得到所需形状的复合材料构件的毛坯。

十一、注射成型工艺原理

注射成型是根据金属压铸原理发展起来的一种成型方法。该方法是将颗粒状树脂、短纤维送入注射腔内，加热熔化、混合均匀，并以一定的挤出压力，注射到温度较低的密闭模具中，经过冷却定型后，开模便得到复合材料制品。

注射成型工艺过程包括加料、熔化、混合、注射、冷却硬化和脱模等步骤。

加工热固性树脂时，一般是将温度较低的树脂体系(防止物料在进入模具之前发生固化)与短纤维混合均匀后注射到模具，然后再加热模具使其固化成型。

十二、模压成型工艺过程及其优缺点？

模压成型工艺过程

将定量的模塑料或颗粒状树脂与短纤维的混合物放入敞开的金属对模中，闭模后加热使其熔化，并在压力作用下充满模腔，形成与模腔相同形状的模制品；

再经加热使树脂进一步发生交联反应而固化，或者冷却使热塑性树脂硬化，脱模后得到复合材料制品。

模压成型工艺优点

模压成型工艺有较高的生产效率，制品尺寸准确，表面光洁，多数结构复杂的制品可一次成型，无需二次加工，制品外观及尺寸的重复性好，容易实现机械化和自动化等。

模压成型工艺缺点

模具设计制造复杂，压机及模具投资高，制品尺寸受设备限制，一般只适合制造批量大的中、小型制品。

十三、颗粒增强复合材料的要求：

(1)颗粒应高度弥散均匀地分散在基体中，使其阻碍导致塑性变形的位错运动(金属、陶瓷基体)或分子链的运动(聚合物基体)。

(2)颗粒直径的大小要合适。

因为颗粒直径过大，会引起应力集中或本身破碎，从而导致材料强度降低；

颗粒直径太小，则起不到大的强化作用。因此，一般粒径为几微米到几十微米。

(3)颗粒的数量一般大于20％。数量太少，达不到最佳的强化效果。

(4)颗粒与基体之间应有一定的粘结作用。

十四、纤维增强复合材料的要求：

(1)纤维的强度和模量都要高于基体，即纤维应具有高模量和高强度，因为除个别情况外，在多数情况下承载主要是靠增强纤维。

(2)纤维与基体之间要有一定的粘结作用，两者之间结合要保证所受的力通过界面传递给纤维。

(3)纤维与基体的热膨胀系数不能相差过大，否则在热胀冷缩过程中会自动削弱它们之间的结合强度。

(4)纤维与基体之间不能发生有害的化学反应，特别是不发生强烈的反应，否则将引起纤维性能降低而失去强化作用。

(5)纤维所占的体积、纤维的尺寸和分布必须适宜。

一般而言，基体中纤维的体积含量越高，其增强效果越显著；

纤维直径越细，则缺陷越小，纤维强度也越高；

连续纤维的增强作用大大高于短纤维，不连续短纤维的长度必须大于一定的长度(一般是长径比＞5)才能显示出明显的增强效果。

十五、界面在复合材料中主要的效应？

(1)传递效应界面能传递力，即将外力传递给增强物，起到基体和增强物之间的桥梁作用。

(2)阻断效应结合适当的界面有阻止裂纹扩展、中断材料破坏、减缓应力

集中的作用。

(3)不连续效应在界面上产生物理性能的不连续性和界面摩擦出现的现象，如抗电性、电感应性、磁性、耐热性、尺寸稳定性等。

(4)散射和吸收效应光波、声波、热弹性波、冲击波等在界面产生散射和吸收，如透光性、隔热性、隔音性、耐机械冲击及耐热冲击性等。

(5)诱导效应一种物质(通常是增强物)的表面结构使另一种(通常是聚合物基体)与之接触的物质的结构由于诱导作用而发生改变，由此产生一些现象，如强的弹性、低的膨胀性、耐冲击性和耐热性等。

界面上产生的这些效应，是任何一种单体材料所没有的特性，它对复合材料具有重要作用。

十六、界面粘结机理的机理

界面反应理论、浸润理论、可变形层理论、约束层理论、静电作用理论、机械作用理论等。

1．机械作用理论

当两个表面相互接触后，由于表面粗糙不平将发生机械互锁[interlocking)。很显然表面越粗糙，互锁作用越强，因此机械粘结作用越有效。

2．静电作用理论

当复合材料的基体及增强材料的表面带有异性电荷时，在基体与增强材料之间将发生静电吸引力。静电相互作用的距离很短，仅在原子尺度量级内静电作用力才有效。因此表面的污染等将大大减弱这种粘结作用。

3．化学作用理论

化学作用是指增强材料表面的化学基与基体表面的相容基之间的化学粘结。

4．界面反应或界面扩散理论

复合材料的基体与增强材料间可以发生原子或分子的互扩散或发生反应，从而形成反应结合或互扩散结合。对于聚合物来说，这种粘结机理可看作为分子链的缠结

十七、写出2种液态法制造 MMCs 的方法，并简述其工艺过程和优缺点。

液态法是指金属基体处于熔融状态与固态的增强体复合。挤压铸造法是一种高效率批量生产短纤维或晶须为增强体的金属基复合材料的制造方法。首先将短纤维放入水中，加粘结剂，干燥后制成预制件。将预制件预热放入模具，将熔融金属浇注入模具中，加压，液态金属在压力下浸入预制件，并保压凝固，脱模制成金属基复合材料零件。挤压铸造法制造的零部件其形状尺寸可接近零件的最终尺寸，二次加工量小，成本低。真空压力浸渍法是指在真空和高压惰性气体共同作用下，将液态金属压入增强体材料的预制件缝隙中。为了防止在浸渍过程中发生位移导致增强体材料或基体分布不均，增强体预制件应具有一定的抗变形能力。方法并不局限于以上两种。