13年复合材料总思考题

复合材料概论总思考题

一.复合材料总论

1．什么是复合材料？复合材料的主要特点是什么？

所谓复合材料，是指由两种或两种以上不同性质的材料，通过不同的工艺方法人工合成的，各组分间有明显界面且性能优于各组成材料的多相固体材料。复合材料的特点： A复合材料是由两种或两种以上不同性能的材料组元通过宏观或微观复合形成的一种新型材料，组元之间存在着明显的界面；B复合材料中各组元不但保持各自的固有特性，而且可最大限度发挥各种材料组元的特性，并赋予单一材料组元所不具备的优良特殊性能；C复合材料具有可设计性。可以根据使用条件要求进行设计和制造，以满足各种特殊用途，从而极大地提高工程结构的效能。D材料和结构的统一

2．复合材料的基本性能（优点）是什么？——请简答6个要点

1)比强度，比模量高（强度/密度，模量/密度）2)良好的高温性能3）良好的尺寸稳定性——热膨胀系数下降.石墨纤维增强镁基复合材料中，当石墨纤维的含量达到48% 时，复合材料的热膨胀系数为零。4）良好的化学稳定性：聚合物基复合材料和陶瓷基复合材料具有良好的抗腐蚀性。5)良好的抗疲劳、蠕变、冲击和断裂韧性：由于增强体的加入，复合材料的抗疲劳、蠕变、冲击和断裂韧性等性能得到提高，特别是陶瓷基复合材料的脆性得到明显改善。

6)良好的功能性能：包括光、电、磁、热、烧蚀、摩擦及润滑等性能。

3．复合材料是如何命名的？如何表述？举例说明。 4种命名途径

根据增强材料和基体材料的名称来命名;如“增强材料+基体材料”复合材料

(1) 强调基体即强调了基体材料的种类和特征(酚醛树脂基复合材料、铝合金基复合材料等)

(2) 强调增强体即强调增强材料的种类和性质（碳纤维复合材料、金属纤维复合材料、玻璃纤维复合材料等）

(3) 基体与增强体并用即同时出现基体材料和增强体材料(碳纤维增强环氧树脂复合材料、玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂复合材料等。)

(4) 俗称 (玻璃钢就是玻璃纤维增强树脂基复合材料的俗称)

4．

5．复合材料在结构设计过程中的结构层次分几类，各表示什么？在结构设计过程中的设计层次如何，各包括哪些内容？ P8

1、复合材料的三个结构层次

2、复合材料设计的三个层次：

一次结构——单层材料——微观力学一次结构◊单层材料设计

二次结构——层合体——宏观力学二次结构◊铺层设计

三次结构——产品结构——结构力学三次结构◊结构设计

6．试分析复合材料的应用及发展。

二.复合材料的基体材料

1．复合材料中聚合物基体的主要作用是什么？

1)把纤维粘在一起；2)分配纤维间的载荷；3)保护纤维不受环境影响。

用作基体的理想材料，其原始状态应该是低粘度的液体，并能迅速变成坚固耐久的固体，足以把增强纤维粘住。

尽管纤维增强材料的作用是承受载荷，但是基体材料的力学性能会明显地影响纤维的工作方式及其效率。

2．选择金属基体的主要原则是什么？

①金属基复合材料的使用要求——金属基复合材料构件的使用性能要求是选择金属基体材料最重要的依据。

②金属基复合材料组成特点

A:连续纤维增强金属基复合材料，纤维是主要承载物体，纤维本身具有很高的强度和模量，而金属基体的强度和模量远远低于纤维。

B:连续纤维增强金属基复合材料中基体的主要作用应是以充分发挥增强纤维的性能为主，基体本身应与纤维有良好的相容性和塑性，而并不要求基体本身有很高的强度。

C:对于非连续增强（颗粒、晶须、短纤维）金属基复合材料，基体是主要承载物，基体的强度对复合材料具有决定性的影响。因此要获得高性能金属基复合材料必须选用高强度铝合金作为基体，这与连续纤维增强金属基复合材料基体的选择完全不同。

③基体金属与增强物的相容性

金属基复合材料需要在高温下成型，制备过程中，处于高温热力学非平衡状态下的纤维与金属之间很容易发生化学反应，在界面形成反应层。界面反应层大多是脆性的，当反应层达到一定厚度后，材料受力时将会因界面层的断裂伸长小而产生裂纹，并向周围纤维扩展，容易引起纤维断裂，导致复合材料整体破坏。因此，选择基体时应充分注意与增强物的相容性（特别是化学相容性），并尽可能在复合材料成型过程中抑制界面反应。

3．常用的聚合物基体有哪些？三种常用热固性树脂各有何主要特点?各自主要适合于哪种(些)增强纤维? P80

聚合物基体的种类-------热固性和热塑性

•不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂及各种热塑性聚合物等。

①聚酯树脂特点

工艺性良好，室温下固化，常压下成型，工艺装置简单。

树脂固化后综合性能良好，力学性能不如酚醛树脂或环氧树脂。

价格比环氧树脂低得多，只比酚醛树脂略贵一些。

不饱和聚酯树脂的缺点是固化时体积收缩率大、耐热性差等。

②环氧树脂特点

在加热条件下即能固化，无须添加固化剂。酸、碱对固化反应起促进作用；

已固化的树脂有良好的压缩性能，良好的耐水、耐化学介质和耐烧蚀性能；

树脂固化过程中有小分子析出，故需在高压下进行；

固化时体积收缩率大，树脂对纤维的粘附性不够好，但断裂延伸率低，脆性大。

③酚醛树脂特点

•优点：比环氧树脂价格便宜

•缺点：吸附性不好、收缩率高、成型压力高、制品空隙含量高等。

•大量用于粉状压塑料、短纤维增强塑料，

•少量用于玻璃纤维复合材料、耐烧蚀材料等，很少使用在碳纤维和有机纤维复合材料中。

5．陶瓷和玻璃陶瓷的区别？晶态和非晶态P19

三.复合材料的增强材料★（重点）

1．玻璃纤维的分类如何？P35玻璃纤维的化学性能如何？P42

2．玻璃纤维生产过程中的浸润剂的作用？常用的浸润剂有哪些？有何特点？P46

3．玻璃纤维的强度为什么比同成分的块状玻璃高几十倍？P37

4．玻璃纤维强度的影响因素有哪些？为什么？ P38

5．碳纤维的制造方法有几种？P51碳纤维的主要性能是什么？

1)强度和模量高、密度小；2)具有很好的耐酸性；热膨胀系数小，甚至为负值3)具

有很好的耐高温蠕变性能，一般在1900℃以上才呈现出永久塑性变形。4)摩擦系数小、润滑性好、导电性高。

6．目前制作碳纤维主要原材料有哪三种？P51

7．有机纤维制作碳纤维所选择条件是什么？一般分为哪几步？P51

加热时不熔融，可牵伸，碳纤维产量高

8．石墨纤维与碳纤维相比，在制作方法、结构与主要性能上有何不同？P51

9．芳纶纤维主要有几种？作为增强材料的芳纶纤维有何主要性能特点？

①芳香族酰胺纤维②聚乙烯纤维

芳纶纤维分子链是线性结构，这又使纤维能有效地利用空间而具有高的填充效率的能力，在单位体积内可容纳很多聚合物。这种高密度的聚合物具有较高的强度

芳纶纤维的化学链主要由芳环组成。这种芳环结构具有高的刚性，并使聚合物链呈伸展状态而不是折叠状态，形成棒状结构，因而纤维具有高的模量。

10．阐述硼纤维的制造方法与主要性能特点？P58

11．如何在不同的复合材料中选择增强纤维？

四.复合材料的界面

1．复合材料的界面定义是什么P61，包括哪些部分，有何特点？P62有哪些效应？ P61五个效应

2．金属基复合材料的界面的主要问题是什么？怎样进行控制？ P67(界面的化学反应) 三条途径

3．金属基复合材料界面的结合形式有哪几种？P67

4．常用的增强材料(玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、SiC纤维等)的表面如何处理可改善复合材料的界面效果?

有机纤维：复合树脂基体时候，采用不同气体下等离子体处理表层

玻璃纤维：与树脂基体复合时候用偶联剂（或者浸润剂）

B纤维：与树脂基体复合可不用表面处理；与金属基体复合采用陶瓷涂层。