复合材料原理与工艺课程习题 答案

复合材料原理与工艺课程习题

1、 增强体和功能体在复合材料中起的主导作用？

答：1）填充：用廉价的增强体，特别是颗粒状填料可降低成本。

2）增强：（a ）功能体可赋予聚合物基体本身所没有的特殊功能。功能体

的这种作用主要取决于它的化学组成和结构。(b)纤维状或

片状增强体可提高聚合物基复合材料的力学性能和热性能。

其效果在很大程度上取决于增强体本身的力学性能和形态

等。

2、复合材料区别于单一材料的主要特点？

答：1）不仅保持其原组分的部分优点，而且具有原组分不具备的特性；

2）材料的可设计性 ；

3）材料与结构的一致性。

3、材料复合效应的分类？

答：（1）线性效应：线性指量与量之间成正比关系。平行效应、平均效应、相

补效应、相抵效应。

（2）非线性效应：非线性指量与量之间成曲线关系。相乘效应、诱导效应、

共振效应、系统效应。

4、建立材料的微观模型包含的内容？

答：1）材料的几何结构模型，2）材料的物理模型，即计算场量的理论和方法。

5、推导并联传递方式中，复合材料的阻力系数 答：设外作用场强度为I 入，经均质材料响应后，传递输出场强度为I 出，则

材料总传递动力为：ΔI=I 入—I 出。（1）

材料传递时的阻力系数为α时，则传递通量q 为：q= -1/α×ΔI/Δl (2) 对于并联型复相结构，相间无能量交换，则系统的总通量q c 为各组分相同量之和：q c =Σq i (l ×V i ) (3)

式（2）代入式（3），得：qc= -Σ1/αi ×V i ×ΔI i /Δl i

由于组分相传递推动力梯度相等，故有：

q c = —（Σ1/αi ×V i ）×ΔI/Δl= —1/α0×ΔI/Δl 则αc 为：1/αc =Σ1/αi ×V i

6、复合材料的界面层，除了在性能和结构上不同于相邻两组分相外，还具有哪些特点；

答: (1) 具有一定的厚度； (2) 性能在厚度方向上有一定的梯度变化；

(3) 随环境条件变化而改变 。

i i c

V ⋅=∑αα11

7、简述复合材料界面的研究对象；

答：（1）增强体表面有关的问题：

①增强体表面的化学、物理结构与性能；

②增强体与表面处理物质界面层的结构与性质及对增强体表面特性的影响；

③增强体表面特性与基体之间的相互关系及两者间的相互作用（增强体未处理时）；

④增强体与表面处理物质的界面作用；

⑤增强体表面特性与复合材料特性的相互关系。

（2）表面处理物质的有关问题：

①最外层的化学、物理结构及内层的化学、物理结构；

②表面处理物质与基体之间的相互作用；

③表面处理物质对基体的影响；

④处理条件及处理剂层的特性；

⑤处理剂层随时间的变化；

⑥、处理剂层与复合材料性能的相互关系。

（3）表面处理的最优化技术。

（4）粉体材料在基体中的分散：

①分散状态的评价；

②分散技术及机理；

③分散状态与复合材料性能。

（5）复合技术的优化及其机理。

8、简述与表面张力有关的因素。

答: (1) 表面张力与物质结构、性质有关。

(2) 物质的表面张力与它相接触的另一相物质有关。

(3) 表面张力随温度不同而不同，一般温度升高，表面张力下降。

9、吸附按作用力的性质可分为哪几类？各有什么特点？

答：吸附按作用力的性质，可分为：物理吸附和化学吸附。

（1）物理吸附的特点：①、无选择性，吸附量相差较大；②、吸附可呈单分子层或多分子层；③、物理吸附、解吸速度较快，易平衡。一般在低温下进行的吸附是物理吸附。

（2）化学吸附的特点：①、有选择性；②、只能单分子吸附，且不易吸附或解吸；③、平衡慢。

10、利用接触角的知识，讨论固体被液体的浸润性。

答:接触角可以衡量液体对固体的浸润的效果

(1)当γsv<γsl, cosθ<0,θ>90°,此时固体不为液体浸润；

(2)当γlv＞(γsv-γsl)＞0，则1＞cosθ＞0，即0°＜θ＜90°，此时固体为液体所浸润；

(3)若γsv-γsl ＝γlv，则cosθ＝1，θ＝0，此时固体表面可以被液体完全浸润，并获得最大粘附功。

11、界面的相容性指什么？如何确定？

答：界面的相容性之复合材料中增强体与基体相接触构成界面时，两者之间产生的物理和化学的相容性；通常，相容性是根据在混合时的吉布斯的自由能ΔG来确定。即若ΔG<0,就相容；ΔG>0就不相容，即不混合。

12、偶联剂的结构及其作用机理。偶联剂有哪些？偶联剂官能团对固化体系热效应及内耗峰影响的原因？

答：偶联剂是这样的一类化合物，它们的分子两端通常含有性质不同的基团，一端的基团与增强体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，从而使增强体和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，并有效地抵抗了水的侵蚀。

偶联剂官能团对固化体系热效应及内耗峰影响的原因：（1）官能团参与反应；（2）优先吸附引起的现象。

13、简述增强体表面的物理特性对界面结合性能的影响。

答：①比表面积，对界面的影响：是导致复合材料中的界面存在并引起界面效应的根本所在。②多孔性，对界面的影响：部分孔隙能被基体填充，部分由于很难完全浸润，界面结合不好，成为应力传递的薄弱环节。③增强体表面的极性，极性的基体与极性的增强体有较强的界面结合，因而也就有较强的界面结合强度及复合材料强度。④增强体表面的均一性，影响界面结合效果。⑤增强体表面的结晶特性，影响复合材料的界面作用和材料性能。

14、为什么玻璃纤维表面常常吸附一层水分子？水对玻璃纤维增强不饱合聚酯复合材料的性能有什么影响？

答：阳离子在玻璃纤维表面不能获得所需要数量的氧离子，产生表面张力，当处于力的不平衡状态时，就有吸附外界物质的倾向，大气中存在的水分即是最常遇的物质，因此玻璃纤维表面常常吸附一层水分子。由于吸附水的作用，玻纤表面带有－Si－OH基团，玻璃纤维成分中含碱量越高，吸附水对SiO2骨架的破坏愈大，纤维强度下降就越大。

15、简述复合材料界面的形成过程。

答：第一阶段基体与增强体在一种组分为液态时发生接触或润湿；第二阶段是液态组成的固化过程。

16、解释润湿理论所包含的内容，并指出其成功之处与不足之处。

答：指出：要使树脂对增强体紧密接触，就必须使树脂对增强体表面很好地浸润。

前提条件：液态树脂的表面张力必须低于增强体的临界表面张力。

结合方式：属于机械结合与润湿吸附。

成功之处：解释了增强体表面粗化、表面积增加有利于提高与基体树脂界面结合力的事实。

不足：a、不能解释施用偶联剂后使树脂基复合材料界面粘结强度提高的现象。

b、证明偶联剂在玻璃纤维/树脂界面上的偶联效果一定有部分（或者是主要的）不

是由界面的物理吸附所提供，而是存在着更为本质的因素在起作用。