复合材料作业

复合材料作业

1. 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？

答：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。

2.结构用金属基复合材料的基体主要是什么？

答：用于各种航天、航空、汽车、先进武器等结构件的复合材料一般均要求有高的比强度和比刚度，因此大多选用铝及铝合金、镁及镁合金作为基体金属。目前研究发展较成熟的金属基复合材料主要是铝基、镁基复合材料，用它们制成各种高比强度、高比模量的轻型结构件，广泛的用于宇航、航空、汽车等领域。

铝、镁复合材料一般只能用在450℃左右、而钛合金基体复合材料可用到650℃、而镍、钴基复合材料可在1200℃使用。

结构复合材料的基体大致可分为轻金属基体和耐热合金基体两大类。

按照适用的温度，可分为以下几个区间：

（1）用于450℃以下的轻金属基体

在这个温度范围内使用的金属基体主要是铝、镁和它们的合金，而且主要是以合金的形式被广泛的应用。例如，用于航天飞机、人造卫星、空间站、汽车发动机零件、刹车盘等，并已形成工业规模生产。

（2）用于450-700℃的复合材料的金属基体

通过各种研究表明，存这个温度范围内可以作为金属基复合材料基体使用的，目前主要是钛及其合金。

（3）用于600-900℃的复合材料的金属基体

铁和铁合金是在此温度范围内使用的金属基体。

（4）用于1000℃以上的金属基体

用于1000℃以上的高温金属基复合材料的基体材料主要是镍基耐热合金和金属间化合物。其中，研究较为成熟的是镍基高温合金，金属间化合物基复合材料尚处于研究阶段。

3.陶瓷基体的性质及分类是什么？

答：陶瓷基体材料主要以结晶和非结晶两种形态的化合物存在，它们一般应具有优异的耐高温性能，与纤维或晶须之间有良好的界面相容性以及较好的工艺性能等。

常用的陶瓷基体主要包括：玻璃、玻璃陶瓷、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷等。

4.常用热固性树脂性质及分类是什么？

答：常用的热固性树脂有环氧树脂、酚醛树脂、双马树脂、不饱和聚酯等。

热固性树脂在制成最终产品前，通常为分子量较小的液态或固态预聚体，经加热或加固

化剂发生化学反应固化后，形成不溶不熔的三维网状高分子，这类基体通常是无定形的。

热固性树脂最大的优点是具有良好的工艺性。由于固化前，热固性树脂粘度很低，因而宜于在常温常压下浸渍纤维，并在较低的温度和压力下固化成型；固化后具有良好的耐药品性和抗蠕变性。

热固性树脂的缺点是预浸料需低温冷藏且贮存期有限，成型周期长和材料韧性差。

5.简述增强材料种类。增强材料（增强体、功能体）在复合材料中所起的作用？

答：增强材料共分为三类：（1）纤维及其织物；（2）晶须；（3）颗粒。

增强材料在复合材料中所起的作用主要有：填充、增强、赋予功能。

（1）填充：廉价，颗粒状填料，降低成本。例：PVC中添加碳酸钙粉末。

（2）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。

（3）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。

6.举例说明碳纤维的应用。

答：碳纤维作为复合材料的增强体，在航空航天工业、交通运输、运动器材等方面都有广泛应用。

航空航天工业：主承力结构材料（机体，舱门，主翼，尾翼）；次承力构件（Cf/环氧树脂：起落架，发动机舱，整流罩）；防热材料（火箭喷嘴，鼻锥（Cf/C））。

交通运输：汽车传动轴，构架，制造快艇，巡逻艇。

运动器材：钓鱼竿，高尔夫球杆，网球拍，滑雪板，赛艇（Cf/环氧树脂）。

例：碳纤维增强金属基复合材料：军事领域（Cf/Al复合材料：直升机，导弹，坦克，鱼雷），人造卫星，天线等方面的应用；轴承和高速旋转电机电刷方面的应用（Cf/Cu，Cf/Ag，碳纤维/青铜等复合材料）；蓄电池极板的应用（Cf/Al复合材料）。

例：碳纤维增强陶瓷基复合材料：碳纤维增强氧化硅，航空,航天工业的候选材料，制作侦察卫星上支撑摄像机的平台。碳/碳复合材料：用作发动机叶片，防热板，火箭喷管喉衬以及导弹，航天飞机上的其它零部件。

7.简述“烧结”的机理。

答：烧结，是把粉状物料转变为致密体，是一个传统的工艺过程。

从宏观角度看，在高温下（低于熔点），陶瓷生坯固体颗粒的相互键联，晶粒长大，空隙（气孔）和晶界渐趋减少，通过物质的传递，其总体积收缩，密度增加，最后成为具有某种显微结构的致密多晶烧结体，这种现象称为烧结。

从微观角度看，微观固态中分子（或原子）间存在互相吸引，通过加热使质点获得足够的能量进行迁移，使粉末体产生颗粒黏结，产生强度并导致致密化和再结晶的过程称为烧结。

烧结机理是对烧结过程中物质迁移、反应动力学以及烧结现象等，提出模型、假定、进行定性解释及定量说明的理论。其传质机理主要有：（1）扩散（表面扩散、界面扩散、体积扩散）；（2）蒸发与凝聚；（3）溶解与沉淀；（4）黏滞流动和塑性流动等，并提出了相应的动力学方程。一般烧结过程中各不同阶段有不同的传质机理，即烧结过程中往往有几种传质机理在起作用。影响烧结因素很多，主要有温度、时间、气氛、起始粉料粒度、活性等。