哈工大复材所考研-初试-2009

2009硕士入学（复合材料方向）试题

一、大学物理（50）

二、概念题（每题4分，5题共20分）

1.复合材料

复合材料是由两种或两种以上物理或化学性质不同的物质组合而成的一种

多相固体材料。在复合材料中，通常有一种相为连续相，称为基体；另一相

为分散相，称为增强材料。

2.机敏复合材料

机敏复合材料能验知环境变化，并通过改变自身一个或多个性能参数对环境变化及时做出响应，使之与变化后的环境相适应，它一般也称为机敏材料或机敏结构。

3.材料设计

材料设计是指在材料科学的理论知识和已有经验的基础上，利用计算机技术，按预定性能要求，确定材料组分和结构，并预测达到预定性能要求应选择的工艺手段和工艺参数。

4.晶须

晶须为具有一定长径比（直径0.3-1微米，长30-100微米）的小单晶体。属于非连续纤维，由于晶须直径非常小、内部结构完整而具有很高的拉伸强度（接近理论强度）和弹性模量。

5.相容性

相容性是指两个相互接触的组分是否相互容纳。在复合材料中是指纤维与基体之间是否彼此相互协调、匹配或是否发生化学反应。复合材料界面相容性包括物理相容性和化学相容性。

三、简答题（每题8分，4题共32分）

1.颗粒增强体增韧的三种机制

答：颗粒增强体可以通过以下三种机制产生增韧效果。①当材料受到破坏应力时，裂纹尖端处的颗粒发生显著的物理变化，如晶型转变、体积改变、微裂纹产生与增殖等，它们均能消耗能量，从而提高了复合材料的韧性。这种增韧机制称为相变增韧和微裂纹增韧。其典型例子是四方晶相ZrO2的相变增韧。②复合材料中的第二相颗粒使裂纹扩展路径发生改变，如裂纹偏转、弯曲、分叉、裂纹桥接或裂纹钉扎等，从而产生增韧效果。③以上两种机制同时发生，此时称为混合增韧。

2.RTM（树脂传递模塑）成型工艺的特点

答：RTM成型工艺与其他工艺相比具有下列特点：①主要设备（如模具和模

压设备等）投资少，即用低吨位压机能生产较大的制品。②生产的制品两面

光滑、尺寸稳定、容易组合。③允许制品带有加强筋、镶嵌件和附着物，可

将制品制成泡沫夹层结构，设计灵活，从而获得最佳结构。④制造模具时间

短（一般仅需几周），可在短期内投产。⑤对树脂和填料的适用性广泛。⑥生

产周期短，劳动强度低，原材料损耗少。⑦产品后加工量少。⑧RTM是闭模

成型工艺，因而单体（苯乙烯）挥发少、环境污染小。

3.以纤维增强的层合结构为例，说明复合材料的三个结构层次

复合材料的三个结构层次，是指复合材料的一次结构、二次结构、三次结构。所谓一次结构是指由基体和增强材料复合而成的单层材料，其力学性能决定于组分材料的力学性能、相几何特征和界面区的性能。所谓二次结构，是指由单层材料层合而成的层合体，其力学性能决定于单层材料的力学性能和铺层几何特性。所谓三次结构是指通常所说的工程结构或产品结构，其力学性能决定于层合体的力学性能和结构几何特征。

4.金属基体在复合材料中所起的作用

金属基体在复合材料中所起的作用如下：①固结增强体，与增强体一道构成复合材料整体，保护纤维使之不受环境侵蚀。②传递和承受载荷，在颗粒增强金属基复合材料中基体是主要承载相，在纤维增强金属基复合材料中，基体对力学性能的贡献远大于聚合物基体和陶瓷基体在复合材料中的贡献。③赋予复合材料一定形状，保证复合材料具有一定的可加工性。④复合材料的强度、刚度、密度、耐高温、耐介质、导电、导热等性能均与基体的相应性质密切相关。

四、论述题（每题12分，4题共48分）

1.界面残余应力对复合材料性能的影响

答：复合材料的界面残余应力是由于温度、变形及相变引起的，分别称为热残余应力、形变残余应力和相变残余应力。它们对复合材料性能具有不同程度的影响：①热残余应力：由于组成复合材料各组分的热膨胀系数不同，导致从制造过程中的高温降至室温或较低温度的收缩不同，从而在界面处产生热残余应力。热残余应力对界面及复合材料性能有显著的影响。若热残余应力为拉伸，则使界面结合减弱；若为压缩，则使界面结合加强。在冷却过程中产生的热残余应力，纵向热残余应力属于“自平衡体系“，有的组分受拉伸，相邻的另一种组分受压缩，并伴有界面剪切。其中拉伸和剪切热残余应力将导致界面结合减弱和复合材料性能下降。当热残余应力水平很高时，将引起基体变形或开裂。②形变残余应力：由于组成复合材料各组分的屈服强度不同，在外力作用下，各组分发生不均匀塑性流变，从而产生形变残余应力。形变残余应力与热残余应力的符号相反时，可以抵消或减轻热残余应力的影响。当复合材料中存在热残余应力时，在拉伸试验前沿纤维方向进行预应变可以显著改善材料性能。此外，对复合材料进行横向轧制后，基体产生加工硬化，也可以改善复合材料的强度。③相变残余应力：当复合材料中一个组分发生相变引起体积变化的同时，受到另一个组分的机械约束，从而产生相变残余应力。相变残余应力与金属材料的相变残余应力类似。在陶瓷复合材料中，利用其中一种组分相变时产生的体积膨胀，可以产生一定的增韧作用。

2.复合效应中的非线性效应

答：非线性效应是指复合材料的性能不再与组元的对应性能呈线性关系，它使复合材料的某些功能得到强化，从而超过组元按体积分数的贡献，甚至具有组元所不具备的新功能。①相乘效应：是指把两种具有能量（信息）转换功能的组分复合起来，使它们相同的功能得到复合，而不相同的功能得到新

的转换；②诱导效应：是指在复合材料中两组元（两相）的界面上，一相对另一相在一定条件下产生诱导作用（如诱导结晶），使之形成相应的界面层。这种界面层结构上的特殊形式复合材料在传递载荷的能力上或功能上具有特殊性，从而使复合材料具有某种独特的性能；③系统效应：是指将不具备某种性能的诸组分通过特定的复合状态复合后，使复合材料具有单个组分不具有的新性能；④共振效应：又称强选择效应。它使指某一组分A具有一系列性能，与另一组分B复合后，能使A组分的大多数性能受到较大抑制，而使其中某一项性能在复合材料中突出地发挥。

非线性复合效应中多数效应尚未被认识和利用，有待于研究和开发。

3.对应不同的设计目标，论述复合材料的五种设计类型

答：对应不同的设计目标，可以有五种设计类型：安全设计、单项性能设计、等强度设计、等刚度设计和优化设计。①安全设计：要求所设计的结构或构件在使用条件下安全工作，不致发生失效。具体到材料，则表现为必须达到特定的性能指标（如强度、模量等）。②单项性能设计：使复合材料的某一性能满足要求，例如透波或吸波、隐身、零膨胀、耐高温或耐某种化学介质等。但是设计者必须在重点满足主要要求的同时，尽可能地兼顾其他性能的综合要求，以避免结构复杂和臃肿。③等强度设计：对于材料来说，等强度设计就是要求其性能的各向异性能够符合工作条件环境要求的方向性。④等刚度设计：要求材料的刚度性能够满足对于构件变形的限制条件，并且没有过多的冗余。⑤优化设计：即使目标函数取极值的设计，但由于目标函数可以有多种，因此按不同目标将有不同的优化对象，例如：最小质量、最长寿命、最低成本、最低单位时间使用费用，等等。

4.论述纤维增韧陶瓷基复合材料的增韧机制

答：纤维增韧陶瓷基复合材料的增韧机制有以下七种：①基体预压缩应力：当纤维的轴向热膨胀系数高于基体的热膨胀系数时，复合材料由制备高温冷却至室温后，基体会产生于纤维轴向平行的压缩内应力。当复合材料承受纵向拉伸载荷时，此残余应力可以抵消一部分外加应力而延迟基体开裂。②裂纹扩展受阻：当纤维的断裂韧性高于基体时，基体中产生的裂纹垂直于界面扩展至纤维，裂纹可以被纤维阻止甚至闭合。③纤维拨出：具有较高断裂韧性的纤维，当基体裂纹扩展至纤维时，应力集中导致结合较弱的纤维与基体之间的界面解离，在进一步应变时，将导致纤维在弱点处断裂，随后纤维的断头从基体中拔出。④纤维桥连：在基体开裂后，纤维承受外加载荷，并在基体的裂纹面之间架桥。桥连的纤维对基体产生使裂纹闭合的力，消耗外加载荷而做功，从而增大材料的韧性。⑤相变增韧：基体中裂纹尖端的应力场引起裂纹尖端附近的基体发生相变，也称应力诱导相变。当相变造成局部基体的体积膨胀时，它会挤压裂纹使之闭合。⑥裂纹偏转：裂纹沿着结合较弱的纤维/基体界面弯折，偏离原来的扩展方向，即偏离与界面相垂直的方向，因而使断裂路径增加。裂纹可以沿着界面偏转，或者虽然仍按原来方向扩展，但在越过纤维时产生了沿界面方向的分叉。⑦微裂纹增韧机制：利用相变过程中的体积膨胀，在基体中引起微裂纹或微裂纹区，使主裂纹遇到微裂纹或进入微裂纹区后，分化成一系列小裂纹，形成许多新的断裂表面，从而吸收能量。