复合材料复习题

复合材料复习题1、简述增强材料（增强体、功能体）在复合材料中所起的作用，并举例说明。

填充：廉价、颗粒状填料，降低成本。

例：PVC中添加碳酸钙粉末。

增强：纤维状或片状增强体，提高复合材料的力学性能和热性能。

效果取决于增强体本身的力学性能、形态等。

例：TiC颗粒增强Si3N4复合材料、碳化钨/钴复合材料，切割工具；碳/碳复合材料，导弹、宇航工业的防热材料（抗烧蚀），端头帽、鼻锥、喷管的喉衬。

赋予功能：赋予复合材料特殊的物理、化学功能。

作用取决于功能体的化学组成和结构。

例：1-3型PZT棒/环氧树脂压电复合材料，换能器，用于人体组织探测。

2、复合材料为何具有可设计性？简述复合材料设计的意义。

如何设计防腐蚀（碱性）玻璃纤维增强塑料？组分的选择、各组分的含量及分布设计、复合方式和程度、工艺方法和工艺条件的控制等均影响复合材料的性能，赋予了复合材料性能的可设计性。

意义：①每种组分只贡献自己的优点，避开自己的缺点。

②由一组分的优点补偿另一组分的缺点，做到性能互补。

③使复合材料获得一种新的、优于各组分的性能（叠加效应）。

优胜劣汰、性能互补、推陈出新。

耐碱玻璃纤维增强塑料的设计：使用无碱玻璃纤维和耐碱性树脂（胺固化环氧树脂）。

在保证必要的力学性能的前提下，尽量减少玻璃纤维的体积比例，并使树脂基体尽量保护纤维不受介质的侵蚀。

3、简述复合材料制造过程中增强材料的损伤类型及产生原因。

力学损伤：属于机械损伤，与纤维的脆性有关。

脆性纤维（如陶瓷纤维）对表面划伤十分敏感，手工操作、工具操作，纤维间相互接触、摆放、缠绕过程都可能发生。

化学损伤：主要为热损伤，表现为高温制造过程中，增强体与基体之间化学反应过量，增强体中某些元素参与反应，增强体氧化。

化学损伤与复合工艺条件及复合方法有关。

热损伤伴随着增强体与基体之间界面结构的改变，产生界面反应层，使界面脆性增大、界面传递载荷的能力下降。

4、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。

5、什么是相乘效应？举例说明。

两种具有转换效应的材料复合在一起，产生了连锁反应，从而引出新的机能。

可以用通式表示：X/Y·Y/Z=X/Z （式中X、Y、Z分别表示各种物理性能）。

压磁效应⨯磁阻效应=压敏电阻效应；闪烁效应⨯光导效应=辐射诱导导电。

例：磁电效应（对材料施加磁场产生电流）——传感器，电子回路元件中应用。

压电体BaTiO3与磁滞伸缩铁氧体NiFe2O4烧结而成的复合材料。

对该材料施加磁场时会在铁氧体中产生压力，此压力传递到BaTiO3，就会在复合材料中产生电场。

最大输出已达103 V·A。

单一成分的Cr2O3也有磁电效应，但最大输出只有约170 V·A。

6、推导单向板复合材料中纤维体积分数与纤维半径的关系（以正方形阵列为例）。

纤维体积：(4⨯1/4)πr2l=πr2l复合材料体积：(2R)2l=4R2l纤维体积分数：V f=πr2l/(4R2l)= πr2/(4R2)纤维间距与纤维体积分数的关系：s=2R-2r=2[πr2/(4V f)]1/2-2r=2[(π/4V f)1/2-1]r7、什么是材料复合的结构效果？试述其内涵。

结构效果是指在描述复合材料的性能时，必须考虑组分的几何形态、分布形态和尺度等可变因素。

这类效果往往可以用数学关系描述。

结构效果包括：1、几何形态效果（形状效果）：决定因素是组成中的连续相。

对于1维分散质，当分散质的性质与基体有较大差异时，分散质的性能可能会对复合材料的性能起支配作用。

2、分布形态效果（取向效果）：又可分为几何形态分布（几何体的取向）和物理性能取向：导致复合材料性能的各向异性，对复合材料的性能有很大影响。

3、尺度效果：影响材料表面物理化学性能（比表面积、表面自由能）、表面应力分布和界面状态，导致复合材料性能的变化。

8、简述单向复合材料的细观力学分析模型的基本假设的要点。

单元体：宏观均匀、无缺陷、增强体与基体性能恒定、线弹性。

增强体：匀质、各向同性、线弹性、定向排列、连续。

基体：匀质、各向同性、线弹性。

界面：粘结完好（无孔隙、滑移、脱粘等）、变形协调。

9、比较弥散增强原理和颗粒增强原理的异同点。

1)、承担载荷的物质有异：弥散增强原理：基体承担载荷。

颗粒增强原理：基体承担主要的载荷，颗粒也承受载荷并约束基体的变形。

2)、颗粒大小及体积分数有异：弥散增强原理：V p =0.01-0.15，d p =0.001μm-0.1μm 。

颗粒增强原理：颗粒尺寸较大（>1μm ）、颗粒坚硬。

颗粒直径为1-50μm ，颗粒间距为1-25μm ，颗粒的体积分数为0.05-0.5。

颗粒强化效果类似：颗粒阻止基体中位错运动的能力愈大，增强效果愈好。

微粒尺寸愈小，体积分数愈高，强化效果愈好。

复合材料的屈服强度：()1/22213p y m p p d G b V V σ⎡⎤⎛⎫⎢⎥=- ⎪ ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦（弥散增强原理） ()1/2321m p p y m p p p p G G bV G G b D c d V c σ==-（颗粒增强原理）10、试推导单向板的横向弹性模量E 2的表达式。

横向载荷垂直于纤维，等同地作用在纤维和基体上，适用串联模型：基体和纤维承受同样的外加应力（222f m σσσ==） 纤维、基体和复合材料的应变分别为：22222f f m m E E E εσεσεσ=== 在宽度W 上产生的形变增量：f m W W W ∆=∆+∆，或，()()2f f m m W V W V W εεε⋅=⋅⋅+⋅⋅ 可得到：21f m f mV V E E E =+，或，()21f m m f f f E E E E V E V ⋅=⋅+⋅- 11、讨论单向板复合材料的破坏顺序（εf u <εm u 时）。

复合材料的响应依赖于基体与纤维破坏应变的大小。

对于大多数树脂基结构复合材料，刚性纤维的破坏应变明显地小于基体的破坏应变，即εf u <εm u ，因此，纤维首先破坏，同时将全部载荷转移到基体上。

当V f 较小时，单向板中纤维断裂而附加到基体上的额外载荷不足以使基体开裂，基体可以全部承受，此时复合材料的强度为：()u u 11u m m m f V V σσσ=⋅=⋅-当V f 较大时，纤维发生断裂时，转移到基体上的载荷很大，使基体无法承受全部载荷。

因此，当纤维断裂后，基体即刻断裂，复合材料的强度为：u '1u f f m m V V σσσ=⋅+⋅或()u '11u f f m f V V σσσ=⋅+⋅- εf u <εm u 时，两种破坏形式变化时的纤维体积含量V f '（单向板抗拉伸强度σ1u 随V f 的变化）：()()'''u u u f m m f m m V σσσσσ=-+-12、垂直于纤维扩展的裂纹需要克服哪些断裂能？对于脆性纤维/脆性基体复合材料，需要克服的断裂功：纤维拔出和纤维断裂（吸收能量）、纤维与基体的脱胶（纤维与基体的界面较弱时：消耗贮存的应变能）、应力松弛（纤维断裂时：消耗贮存的应变能）、纤维桥连（消耗纤维上的应变能）。

对于脆性纤维/韧性基体复合材料，基体的塑性变形（粘接强度很高、纤维无法拔出时：吸收能量）也会增加断裂功。

13、什么是纤维的长度分布？如何表示？纤维的长度分布是指短切纤维的长度与纤维数量之间的关系，对复合材料的性能有决定性作用。

通常用纤维长度的平均值表示，有两种方法： 纤维长度的数均长度：i i N i N L L N ∑⋅=∑（N i ：长度为L i 的纤维数量） 纤维长度的重均长度：i i W i W L L W ∑⋅=∑（W i ：长度为L i 的纤维质量） 数均长度L N 低于重均长度L W ，在正态分布时，L N 与纤维长度的中值相同。

14、试写出取向短纤维复合材料的弹性性能表达式，给出取向效率因子的计算方法。

取向分布的短纤维复合材料，弹性性能：()01l f f m f E E V E V ηη=⋅⋅⋅+⋅-（η0：取向效率因子） 取向效率因子η0：'40cos f f f fA A A A θη==∑∑∑∑'4cos f f A A θ=∑∑（A f ：一组平行纤维的总的横截面积；θ：纤维与外载荷的夹角；A f '：平行于外载荷方向的一组等效纤维的总截面积）15、试讨论短纤维复合材料的强度性能。

由于纤维长度和体积含量的不同，短纤维复合材料的纵向强度是不同的，纵向破坏有两种形式：l<l c /2时，纤维达不到极限强度，基体破坏后，复合材料即告破坏；l ≥l c /2时，分两种失效模式：①纤维体积含量较高时，纤维是主承载体，一旦纤维破坏，复合材料即告失效；②纤维体积含量较低时，纤维断裂后，基体仍能承担载荷，直至基体破坏后，复合材料才告失效，此时，复合材料的强度：σu =σm u ·V m对于纤维长度l 和直径d 都相同、单向平行排列的短纤维复合材料，当纤维受拉伸应力时：σc =σf ·V f +σm ·V m （拉应力在纤维端部为0，在纤维中部最大）纤维端部σf0为0，σf u 发生在（l-l c ）的中间部位，因此纤维的平均应力σf ：()/212u u f c f c u c f f l l l l l l σσσσ⋅+⋅-⎛⎫==⋅- ⎪⎝⎭ 因此，复合材料承受的最大应力（即复合材料的强度）（(σm )f u ：纤维所受拉伸力作用达到拉伸屈曲破坏应力时的基体应力）：()12u u u c f f m m f l V V l σσσ⎛⎫=⋅-⋅+⋅ ⎪⎝⎭ 16、如何衡量聚合物基体的耐热性？如何提高聚合物的玻璃化温度？简述填料影响聚合物玻璃化温度的原因。

表征聚合物基体耐热性的物理量是玻璃化温度T g ，对于结晶性聚合物则是熔点T m ：玻璃化温度在宏观上是指聚合物由玻璃态转变为高弹态的特征温度，在微观上是高分子链段开始运动的温度。

实际应用中，使用热变形温度来表征材料的耐热性。

提高聚合物玻璃化温度的方法：增加大分子链的刚性（提高主链的刚性——不饱和共价键、环烃、侧链引入极性基团、交联等）；添加填料。

填料影响聚合物玻璃化温度的原因：改变了聚合物的微观结构：①改变了界面层聚合物大分子的敛集密度（一般情况下是密度降低），使分子间作用力发生改变。

②在界面上，填料——聚合物分子之间发生作用力，使聚合物大分子链段的运动受到阻碍，从而使聚合物的玻璃化温度升高。