复合材料原理复习题2009

复合材料原理复习题2009

2009年硕士研究生《复合材料原理》复习题

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

➢从热力学上讲，C-SIO2界面在1000℃时界面气相CO压力可能很高，相应的O2浓度也较高。只有O2扩散使界面上O2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-SiO2仍然在1000℃左右共存。

当温度升到1100℃，1200℃时，CO的压力将会更高，此时O2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℃，1200℃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△T或是使用过程中的温度变化△T使得复合材料中纤维和基体CTE不同而导致系统在界面强结合的情况下界面应力与△T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。

△CTE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，△CTE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，此时能提高轻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：

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，是活性的偏聚在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+O2=SiO2+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SiO2在SiO2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σfu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

L≥Lc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。

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

8．试分析以下两种复合材料：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）。确定热解碳界面层对以上两种材料界面裂纹偏转的影响。

注：α：Dundurs parameters

()/2/1E E ν=-

Nextel610/γ-TiAl 复合材料的性能

Ultra-SCS/γ-TiAl 复合材料的性能

Property SiC f CAS SiC PyC Modulus(GPa)

270 100 400 6.9 ν

0.2 0.2 0.2 0.17 Fracture Energy(J/m 2)

5

20

5

1.4

9.请分别查找陶瓷强度、模量随孔隙率变化规律的公式（假定泊松比不随孔隙率变化），根据以下两式及表中数据，设计一种无界面层SiC/SiC 复合材料（纤维体积分数50％），使其具有最高抗弯强度同时具有界面裂纹偏转能力，用数据说明。

()2

1p c C p G G f =-

（p c G 为多孔材料断裂能，G C 为致密材料断裂能，f p 为孔隙率）

Property SiC f SiC Modulus(GPa)

270 400 ν

0.2 0.2 Fracture Energy(J/m 2)

5

5

10．金属铝的强化：常向液态的金属铝中加入Al 2O 3和SiC ，使之均匀分散在其中，达到强化的目的。但由于这两种固体与液铝的浸润角θ=140︒，即几乎不浸润，所以很难将其分散均匀。为实现强化，可以采用哪些方法？

11．请计算SiC 氧化生成SiO 2的体积变化。请计算ZrC 氧化生成ZrO 2的体积变化。

12．CVD SiC 在50vol.%H 2O/50vol.%Ar 气氛中氧化的抛物线氧化速率常数k p 见下表。请计算SiC 氧化表观活化能。

Temperature (︒C)

K p (m 2/s) 1200 0.28⨯10-6 1300 0.9⨯10-6 1400 1.74⨯10-6 1500

4.4⨯10-6

'1()1m

f c mu f E V E ⎧⎫⎡⎤⎪⎪

σ=σ+-⎨⎬

⎢⎥⎪⎪⎣⎦⎩

⎭