西工大-复合材料原理复习题及答案(仅供参考)

7 .试解释以下复合材料力学性能随纤维体积分数及温

度变化的原因

因为 SiC 的 CTE 为 5E-6 C -1

，Al 2O 3 的 CTE 为 9.5E-6 C

-1

，而 TiAl 的 CTE 为 11E-6 C -1

。由此可见 SiC 纤维与

TiAl 基体的CTE 相差较大，而AI 2O 3纤维 与TiAl 基体的CTE 相差较小。所以从高温冷却到常温 过程中：Ultra-SCS/ -TiAl 复合材料中因CTE 差异而 产生的应力比Nextel610/ -TiAl 复合材料中因CTE 差异产生的应力要大。

两种复合材料在室温时纤维的弹性模量均高于基 体，根据复合 法

贝U

8.试分析以 定热解碳界面

E=（E f -E m ）V f + E m ,因此随着纤维体积分数增加复合

材 料的E 也增加，但对于 Ultra-SCS/ -TiAl 复合材

料， 纤维体积分数达到30%，由于纤维和基体热失

升高而增加，这是因为温度升高纤维与基体热胀系数 差异而产生的应力逐渐减小，所以在一定温度范围内 两种复合材料的强度均随随温度的升高而增加。

（1000 C ） 下两种复合材料：SiC f /CAS 和SiC f /SiC 复合材料是否能够发生界面裂纹偏转（假定两者都无界面层） 。确 层对以上两种材料界面裂纹偏转的影响。

E / E/ 1

1. 为什么Nicalon sic 纤维使用温度低于1100C ?怎样提高使用温度？

从热力学上讲，C-SIO 2界面在1000 C 时界面气相CO 压力可能很高，相应的 02浓度也较高。只有O 2扩散使界面上O 2浓度达到较高水平时，才能反应生成CO 。 但是温度较低时扩散较慢，因此

C-SiO 2仍然在1000 C 左右共存。

当温度升到1100 C, 1200 C 时，CO 的压力将会更高，此时O 2的浓度也较高， 而扩散速度却加快。因而，SiC 的氧化速度加快，导致Nicalon 纤维在1100 C ，00 C 时性能下降很快。

要提高Nicalon 纤维的使用温度，需降低 Nicalon 纤维的游离C 和O 的含量， 以防止游离C 继续与界面O 反应。

2. 复合材料的界面应力是怎样产生的？对复合材料的性能有何影响？

复合材料的界面应力主要是由于从制备温度冷却到室温的温度变化AT 或是使用

过程中的温度变化AT 使得复合材料中纤维和基体

CTE （ coefficient of thermal

expansion 热膨胀系数？）不同而导致系统在界面强结合的情况下界面应力与AT

有

着对应关系；在界面弱结合的情况下，由于滑移摩擦引起界面应力。

除了热物理不相容外，还有制备过程也能产生很大甚至更大的界面应力。如：

PMC 的固化收缩，MMC 的金属凝固收缩，CMC 的凝固收缩等。

△ CT 限制界面应力将导致基体开裂，留下很多裂纹，裂纹严重时将使复合材料 解体，使复合材料制备失败，或是使其性能严重下降，△

不大时，弹塑性作用，

不会出现裂纹。而对于CMC ，即使不会出现明显的裂纹， 基体也已经出现了微裂纹。 这些微裂纹对复合材料的性能不会有很的影响，

相反，这些微裂纹对CMC 复合材料

的增韧有帮助，因为微裂纹在裂纹扩展过程中将会再主裂纹上形成很多与裂纹而消 耗能量，从而达到增韧的目的。

3 .金属基复合材料界面控制的一般原则是什么？

金属基复合材料要求强结合，此时能提高强度但不会发生脆性破坏。均存在界 面化学反应趋势，温度足够高时将发生界面化学反应，一定的界面化学反应能

增加界面的结合强度，对增强有利。过量的界面化学反应能增加界面的脆性倾 向对增韧不利。因此，MMC 的界面化学反应是所希望的，但是应该控制适度。 具体原则有： 解和侵蚀是不可避免的。

4.为什么玻璃陶瓷/Nicalon 复合材料不需要制备界面层?

氧化物玻璃基体很容易与 Nicalon SiC 纤维反应：SiC+O 2=SiO 2+C 这一反应可

以被利用来制备界面层。

氧化物玻璃基体与Nicalon SiC 纤维还可能发生其它氧化反应，但由于需要气相 产物扩散离开界面，因为其他热力学趋向很大，但反应驱动力相对较小。因上述 反应生成的SiO 2在SiO 2基玻璃中很容易溶入玻璃基体。如果使用的玻璃基体 不发生饱和分相的话，反应的结果将在界面上生成

C 界面层或纤维的表面层，

因而不需要预先制备界面层，这就是玻璃陶瓷的最大优点。

5 .复合材料有哪三个组元组成，作用分别是什么？

复合材料是由：基体，增强体，界面。

基体：是复合材料中的连续相，可以将增强体粘结成整体，并赋予复合材料一 定形状。有传

递外界作用力，保护增强体免受外界环境侵蚀的作用。

增强体：主要是承载，一般承受90%以上的载荷，起着增大强度，改善复合材 料性能的作

用。

界面：1.传递作用：载荷施加在基体上，只有通过界面才能传递到增强体上， 发挥纤维的承

载能力，所以界面是传递载荷的桥梁。

2.阻断作用：结合适当的界面有阻止裂纹扩展，中断材料破坏，减缓应力 集中的作

用。

3. 保护作用：界面相可以保护增强体免受环境的腐蚀，防止基体与增强体

之间的化学反应，起到保护增强体的作用。

6.请说明临界纤维长度的物理意义？

能够达到最大纤维应力，即极限强度 和的最小纤维长度，称为临界长度 Lc ，临

界纤维长度是载荷传递长度的最大值。

L

维断裂很少，也就很难达到增强的效果。

L > L （时，纤维能够承受最大载荷（最大应力），达到增强的效果复合材料断 裂破坏后

能在断口上观察到纤维的断裂、拔出、脱粘现象。

纤维表面涂层处理：改善润湿性，提高界面的结合强度，并防止不利的界面 反应。 基体改性：改变合金的成分，使活性元素的偏聚在 f/m 界面上降低界面能,

提高润湿性。

控制界面层：必须考虑界面层的厚薄，以及在室温下熔体对纤维及纤维表面 层的溶解侵蚀。纤维及其表面层金属熔体中均具有一定的溶解度。因而，溶

精品文档

Fibers R MPa E/GPa a /E-6 C -1

SiC

2070

420 5 Al 2O 3 1100 380

9.5 TiAl

11

Property SiC f CAS SiC PyC Modulus(GPa)

270 100 400 6.9

0.2

0.2 0.2 0.17 Fracture Energy(J/m 2) 5 20 5 1.4 E =E/(1-v 2) (GPa)

281.25

104.17

416.67

7.11