复合材料概论习题

复合材料习题第四章一、判断题：判断以下各论点的正误。

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。

（√）4、基体与增强体间界面的模量比增强体和基体高，则复合材料的弹性模量也越高。

（⨯）5、界面间粘结过强的复合材料易发生脆性断裂。

（√）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。

（⨯）8、纤维长度l<l c时，纤维上的拉应力达不到纤维的断裂应力。

（√）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。

5、剪切效应是指（A）A、短纤维与基体界面剪应力的变化。

B、在纤维中部界面剪应力最大。

C、在纤维末端界面剪应力最大。

D、在纤维末端界面剪应力最小。

6、纤维体积分量相同时，短纤维的强化效果趋于连续纤维必须（C）A、纤维长度l=5l c。

B、纤维长度l<5l c。

C、纤维长度l=5-10l c。

D、纤维长度l>10l c。

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。

8、当纤维长度l>l c时，纤维上的平均应力（A、C）A、低于纤维断裂应力。

B、高于纤维断裂应力。

C、正比于纤维断裂应力。

D、与l无关。

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。

七、根据下图，讨论为什么在相同体积含量下，SiC晶须增强MMC强度（抗拉与屈服强度）均高于颗粒增强MMC，而这两者的弹性模量相差不大。

解答：从混合定律及晶须与颗粒的强度与模量考虑。

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O2-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O2-，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+H2O→~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：增强材料与基体之间仅依靠纯粹的粗糙表面相互嵌入（互锁）作用进行连接（摩擦力），没有化学作用。

影响机械结合的因素：增强材料与基体的性质、纤维表面的粗糙度、基体的收缩（正压力）有利于纤维箍紧。

2、溶解与浸润结合：在复合材料的制造过程中，由单纯的浸润和溶解作用，使增强材料和基体形成交错的溶解扩散界面，是一种次价键力的结合。

（当基体的基团或分子与增强材料表面间距小于0.5nm时，次价键力就发生作用。

次价键力包括诱导力、色散力、氢键等。

）形成溶解与浸润结合的基本条件：增强材料与基体间的接触角小于90︒，增强材料与基体间有一定的溶解能力。

3、反应界面结合：基体与增强材料间发生化学反应，在界面上形成新的化合物、以主价键力相互结合。

这是一种最复杂、最重要的结合方式。

反应结合受扩散控制，扩散包括反应物质在组分物质中的扩散（反应初期）和在反应产物中的扩散（反应后期）。

要实现良好的反应结合，必须选择最佳的制造工艺参数（温度、压力、时间、气氛等）来控制界面反应的程度。

界面反应层是非常复杂的组成，有时发生多个反应，产生交换反应结合。

界面的反应产物大多是脆性物质，达到一定厚度时，界面上的残余应力可使其发生破坏，因此，界面结合先随反应程度提高而增加结合强度，但反应达到一定程度后，界面结合有所减弱。

4、混合结合：上述界面结合方式的混合，实际情况中发生的重要的界面结合形式。

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。

十七、试讨论玻璃纤维增强混凝土中玻璃受到侵蚀的类型及其防护方法。

中碱、无碱玻璃纤维在硅酸盐水泥水化物中受到侵蚀，导致玻璃纤维增强混凝土的抗拉强度大幅度下降，甚至丧失殆尽。

①化学侵蚀：水泥水化生成的Ca(OH)2与玻璃纤维的硅氧骨架之间发生化学反应生成水化硅酸钙，当水泥液相中有NaOH、KOH存在时会加速反应。

②应力侵蚀：由于玻璃纤维表面存在缺陷，水泥水化生成的晶体可进入这些缺陷中，在缺陷端部造成应力集中并使缺陷扩展。

防止水泥水化物对玻璃纤维侵蚀的措施：①改变玻璃纤维的化学组分。

例：加入较多量的ZrO2可提高玻璃纤维的抗碱性。

②对玻璃纤维表面进行被覆处理，以隔绝水泥水化物对纤维的侵蚀。

例：可用锆、钛、锌、铝等金属的水溶性盐对玻璃纤维进行处理；也可用抗碱性好的树脂（环氧树脂、呋喃）对玻璃纤维进行浸渍处理而后使之固化。

③使用水化物碱度低的水泥以减缓或防止对玻璃纤维的侵蚀。

例：采用水化产物中Ca(OH)2含量低的甚至无Ca(OH)2的水泥（高铝水泥、硫铝酸盐水泥）。

十八、试讨论硼纤维-铝基复合体系的界面反应及其防护。

B在高温下，除Ag、Cu、Sn、Be外，可以与其它金属发生反应生成不规则的结构，形成脆性的反应层。

硼纤维和铝的界面反应由于渗入氧生成氧化物而发生破坏，即B2O3层的破坏。

当铝的纯度较高时，在纤维上生成AlB2：Al+2B→AlB22B+3O→B2O3碳化硅涂层能使硼纤维具有突出的抗氧化性。