復合材料概論習題

1、復合材料習題第四章一、判斷題：判斷以下各論點的正誤。1、基體與增強體的界面在高溫使用過程中不發(fā)生變化。（Q2、比強度和比模量是材料的強度和模量與其密度之比。（Y）3、浸潤性是基體與增強體間粘結(jié)的必要條件，但非充分條件。W）4、基體與增強體間界面的模量比增強體和基體高，則復合材料的彈性模量也越Ml ° （父）5、界面間粘結(jié)過強的復合材料易發(fā)生脆性斷裂。（Y）6、脫粘是指纖維與基體完全發(fā)生分離的現(xiàn)象。（Q7、混合法則可用于任何復合材料的性能估算。（父）8、纖維長度l<lc時，纖維上的拉應力達不到纖維的斷裂應力。（山二、選擇題：從A、B、C、D中選擇出正確的答案。1、復合材料界面的作

2、用（B）A、僅僅是把基體與增強體粘結(jié)起來。B、將整體承受的載荷由基體傳遞到增強體。C、總是使復合材料的性能得以改善。D、總是降低復合材料的整體性能。2、浸潤性（A、D）A、當%+為<七時，易發(fā)生浸潤。B、當治1+彳v> 卻時，易發(fā)生浸潤。C接觸角9=0。時,不發(fā)生浸潤。D、是液體在固體上的鋪展。3、增強材料與基體的作用是（A、D）A、增強材料是承受載荷的主要組元。B、基體是承受載荷的主要組元。C、增強材料和基體都是承受載荷的主要組元。D、基體起粘結(jié)作用并起傳遞應力和增韌作用。4、混合定律（A）A、表示復合材料性能隨組元材料體積含量呈線性變化。B、表示復合材料性能隨組元材料體積含量呈

3、曲性變化。C、表達了復合材料的性能與基體和增強體性能與含量的變化。D、考慮了增強體的分布和取向。5、剪切效應是指（A）A、短纖維與基體界面剪應力的變化。B、在纖維中部界面剪應力最大。C、在纖維末端界面男應力最大。D、在纖維末端界面剪應力最小。6、纖維體積分量相同時，短纖維的強化效果趨于連續(xù)纖維必須（ C）A、纖維長度l=5lc。B、纖維長度l<5lc。C 纖維長度l=5-10lc。D、纖維長度l>10lc。7、短纖維復合材料廣泛應用的主要原因（A、B）A、短纖維比連續(xù)纖維便宜。B、連續(xù)纖維復合材料的制造方法靈活。C、短纖維復合材料總是各相同性。D、使短纖維定向排列比連續(xù)纖維容易。8

4、、當纖維長度l>lc時，纖維上的平均應力（A、C）A、低于纖維斷裂應力。B、高于纖維斷裂應力。C、正比于纖維斷裂應力。D、與l無關(guān)。六、簡述復合材料增強體與基體之間形成良好界面的條件。在復合過程中，基體對增強體潤濕；增強體與基體之間不產(chǎn)生過量的化學反應；生成的界面相能承擔傳遞載荷的功能。復合材料的界面效應，取決于纖維或顆粒表面的物理和化學狀態(tài)、基體本身的結(jié) 構(gòu)和性能、復合方式、復合工藝條件和環(huán)境條件。七、根據(jù)下圖，討論為什么在相同體積含量下，SiC晶須增強MMC強度（抗拉與屈服強度）均高于顆粒增強 MMC ,而這兩者的彈性模量相差不大。九、試述影響復合材料性能的因素?；w和增強材料（增強

5、體或功能體）的性能；復合材料的結(jié)構(gòu)和成型技術(shù)；復合 材料中增強材料與基體的結(jié)合狀態(tài)（物理的和化學的）及由此產(chǎn)生的復合效應。十、復合材料的界面具有怎樣的特點？界面相的化學組成、結(jié)構(gòu)和物理性能與增強材料和基體的均不相同，對復合材料 的整體性能產(chǎn)生重大影響。界面具有一定的厚度（約幾個納米到幾個微米），厚度不均勻。材料特性在界面是不連續(xù)的，這種不連續(xù)性可能是陡變的，也可能是漸變的。材 料特性包括元素的濃度、原子的配位、晶體結(jié)構(gòu)、密度、彈性模量、熱膨脹系數(shù)卜一、什么是浸潤？如何描述浸潤程度的大?。吭囉懻撚绊憹櫇窠谴笮〉囊蛩?。浸潤：固-氣界面被固-液界面置換的過程，用于描 述液體在固體表面上自動鋪展的程度

6、。固體表面的潤濕程度可以用液體分子對其表面的 作用力大小來表征，具體來說就是接觸角。Young公式討論了液體對固體的潤濕條件：lv cos ? - sv - sl降低液-固表面能和液-氣表面能或者增大固-氣表面能有助于潤濕。8=0 *（% = %）,完全浸潤；0% 次90 （彳v> %>0）,部分浸潤；0>90 以 Rv<%）, 完全不浸潤。影響接觸角（潤濕角）大小的因素：固體表面的原始狀態(tài)，例：吸附氣體、氧化膜等均使接觸角增大。固體表面粗糙度增加將使接觸角減小。固相或液相的夾雜、相與相之間化學反應的產(chǎn)物都將影響潤濕性。 原因：夾雜或 反應產(chǎn)物改變了固相的性質(zhì)和固相的表

7、面粗糙度。十二、如何改善基體對增強材料的潤濕性？1、纖維表面處理：清除纖維表面的雜質(zhì)、氣泡、用化學方法去除纖維表面的氧 化膜，或者表面涂層，這些操作都能增進液態(tài)基體對纖維的潤濕性。2、變更基體成分：對于金屬基復合材料，合金化改善潤濕性最方便、有效。加入合金元素后， 加的變化還與熔化時間有關(guān)。3、改變溫度：一般，提高制造溫度可以增加潤濕性，但是，過高的溫度會產(chǎn)生 一些不利影響：基體嚴重過熱、氧化、基體與增強材料在高溫下發(fā)生化學反應、 增強材料損傷等。4、增加液體壓力：對于不潤濕的情況，必須施加大于Pc （ Pc =4¥iv （Vf / d f ）cos日）的外壓才能使液體滲入纖維束。5

8、、改變加工氣氛：。和加值隨氣體性質(zhì)的不同而變化，因此改變制造過程中的 環(huán)境氣氛可以控制液體與固體之間的潤濕狀況。固體或液體表面吸附某種氣體， 也可以改變L或為。十三、簡述玻璃纖維表面化學組成、結(jié)構(gòu)及反應性的特點。玻璃纖維整體化學組成包含 Si、O、Al、Ca、Mg、B、F、Na等，但其表面只含有 Si、O、AL玻璃纖維的結(jié)構(gòu)與塊狀玻璃相似：由三維空間的不規(guī)則連續(xù)網(wǎng)絡構(gòu)成，陽離子位 于多面體中心，被一定數(shù)目的 O2-包圍，在玻璃內(nèi)部陽離子與陰離子的作用力處 于平衡狀態(tài)。玻璃表面的陽離子不能獲得所需數(shù)量的 O2-,因而產(chǎn)生一種表面力， 此表面力與表面張力、表面吸濕性密切相關(guān)，有吸附外界物質(zhì)的傾向。

9、/I x / /I /1 x zi x /| / x1 o o o o o o 0玻璃纖維表面會吸附多層水分子膜， 表面吸附的水與玻璃組成的中的堿 金屬或堿土金屬作用，在玻璃表面形 成 -OH基：eSi-OD+H2O-* Si-OH+D+OH- （D： 堿金屬或堿土金屬）玻璃纖維上所吸附的水具有明顯的 堿性，將進一步與二氧化硅網(wǎng)絡反 應：Si-O-Si +OH-八 Si-OH+ Si-O反應中生成的iSi-O-將繼續(xù)與水反應形成另外的 OH-: mSi-O-+H2OT Si-OH+OH- 這樣，表面的吸附水就破壞了玻璃纖維中的SiO2網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，玻璃纖維成分中含堿量愈高，吸附水對SiO2骨架的破

10、壞愈大，纖維強度下降就愈大。玻璃纖維表面的反應性主要是由表面明顯的堿性和 Si-OH基團所決定。Si-OH基 團具有一般活性基團所具有的反應性質(zhì)，這種性質(zhì)是纖維表面改性、改善纖維與 樹脂基體界面粘結(jié)的有利條件。十四、簡述復合材料的界面結(jié)合類型及其特點。1、機械結(jié)合：增強材料與基體之間僅依靠純粹的粗糙表面相互嵌入（互鎖）作 用進行連接（摩擦力），沒有化學作用。影響機械結(jié)合的因素：增強材料與基體的性質(zhì)、纖維表面的粗糙度、基體的收縮 （正壓力）有利于纖維箍緊。2、溶解與浸潤結(jié)合：在復合材料的制造過程中，由單純的浸潤和溶解作用，使增強材料和基體形成交錯的溶解擴散界面，是一種次價鍵力的結(jié)合。（當基體的基

11、團或分子與增強材料表面間距小于 0.5nm時，次價鍵力就發(fā)生作用。次價鍵力 包括誘導力、色散力、氫鍵等。）形成溶解與浸潤結(jié)合的基本條件：增強材料與基體間的接觸角小于90、增強材料與基體間有一定的溶解能力。3、反應界面結(jié)合：基體與增強材料間發(fā)生化學反應， 在界面上形成新的化合物、 以主價鍵力相互結(jié)合。這是一種最復雜、最重要的結(jié)合方式。反應結(jié)合受擴散控制，擴散包括反應物質(zhì)在組分物質(zhì)中的擴散 （反應初期）和在 反應產(chǎn)物中的擴散（反應后期）。要實現(xiàn)良好的反應結(jié)合，必須選擇最佳的制造 工藝參數(shù)（溫度、壓力、時間、氣氛等）來控制界面反應的程度。界面反應層是非常復雜的組成， 有時發(fā)生多個反應，產(chǎn)生交換反應結(jié)

12、合。界面的 反應產(chǎn)物大多是脆性物質(zhì)，達到一定厚度時，界面上的殘余應力可使其發(fā)生破壞， 因此，界面結(jié)合先隨反應程度提高而增加結(jié)合強度， 但反應達到一定程度后，界 面結(jié)合有所減弱。4、混合結(jié)合：上述界面結(jié)合方式的混合，實際情況中發(fā)生的重要的界面結(jié)合形十五、簡述影響增強材料與基體粘結(jié)性能的因素。固-液復合過程中，固體表面與液體的浸潤性。不同組分的分子或原子彼此相互接近時的狀態(tài)，形成化學結(jié)合時相互作用的強 弱?；瘜W結(jié)合的形式（主價鍵結(jié)合：共價鍵、離子鍵、金屬鍵等；次價鍵作用：靜電 作用、誘導力、色散力、氫鍵、分子間的擴散等）。十六、試討論碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料的界面反應。碳纖維表面含有氧原子，以羥基

13、、染基、竣基、內(nèi)酯基形式存在，這些基團可以與樹脂基體中的胺基、環(huán)氧基等基團形成氫鍵。但是，碳纖維表面的這些含氧基團的濃度很低， 反應的活性點很稀少，需要通過表面改性以減小碳纖維表面晶棱尺寸、增加表面積以及增加碳纖維表面含氧基例：碳纖維的氧化處理:分別產(chǎn)生羥基、染基、竣基，并可能以環(huán)狀官能團形式存在NHR胺固化的環(huán)氧樹脂中的胺基能與碳纖維表面的竣基形成氫0H鍵，環(huán)氧基也 能與羥基和 竣基形成氫 鍵，在過量單體和較高溫度時，這些氫鍵就轉(zhuǎn)變成共價鍵。十七、試討論玻璃纖維增強混凝土中玻璃受到侵蝕的類型及其防護方法。中堿、無堿玻璃纖維在硅酸鹽水泥水化物中受到侵蝕，導致玻璃纖維增強混凝土 的抗拉強度大幅度

14、下降，甚至喪失殆盡?；瘜W侵蝕：水泥水化生成的Ca(OH)2與玻璃纖維的硅氧骨架之間發(fā)生化學反應 生成水化硅酸鈣，當水泥液相中有 NaOH、KOH存在時會加速反應。應力侵蝕：由于玻璃纖維表面存在缺陷，水泥水化生成的晶體可進入這些缺陷 中，在缺陷端部造成應力集中并使缺陷擴展。防止水泥水化物對玻璃纖維侵蝕的措施：改變玻璃纖維的化學組分。例：加入較多量的ZrO2可提高玻璃纖維的抗堿性。 對玻璃纖維表面進行被覆處理，以隔絕水泥水化物對纖維的侵蝕。例：可用培、 鈦、鋅、鋁等金屬的水溶性鹽對玻璃纖維進行處理；也可用抗堿性好的樹脂(環(huán)氧樹脂、吠喃)對玻璃纖維進行浸漬處理而后使之固化。使用水化物堿度低的水泥以減

15、緩或防止對玻璃纖維的侵蝕。例：采用水化產(chǎn)物中Ca(OH)2含量低的甚至無Ca(OH)2的水泥(高鋁水泥、硫鋁酸鹽水泥)。十八、試討論硼纖維-鋁基復合體系的界面反應及其防護。B在高溫下，除Ag、Cu、Sn、Be外，可以與其它金屬發(fā)生反應生成不規(guī)則的結(jié) 構(gòu)，形成脆性的反應層。硼纖維和鋁的界面反應由于滲入氧生成氧化物而發(fā)生破壞，即B2O3層的破壞。當鋁的純度較高時，在纖維上生成 A1B2：A1+2B > A1B22B+3O > B2O3碳化硅涂層能使硼纖維具有突出的抗氧化性。因為硼接觸不到鋁，硼化物的形成完全被抑制。鋁與硅不形成化合物，而鋁與碳的反應在碳化硅存在的情況下， 在 熱力學上是

16、非常困難的。硼或鋁穿過碳化硅移動的擴散系數(shù)在800K時非常小，2.5Rm的碳化硅層已足以阻擋擴散。十九、什么是增強材料的表面處理？簡述偶聯(lián)劑的化學結(jié)構(gòu)及作用。表面處理是在增強材料的表面涂覆上表面處理劑(包括浸潤劑、偶聯(lián)劑、助劑等 物質(zhì))，它有利于增強材料與基體間形成良好的粘結(jié)界面，從而達到提高復合材 料各種性能的目的。偶聯(lián)劑的化學結(jié)構(gòu)：分子兩端含有性質(zhì)不同的基團，一端的基團與增強材料表面 發(fā)生化學作用或物理作用，另一端的基團則能和基體發(fā)生化學作用或物理作用， 從而使增強材料與基體很好地偶聯(lián)起來， 獲得良好的界面粘結(jié)，改善了多方面的 性能，并有效地抵抗水的侵蝕。二十、 試討論玻璃纖維的表面處理中

17、偶聯(lián)劑用量的確定及影響表面處理效果的因素。偶聯(lián)劑的用量會影響最后處理效果，在實際應用中起偶聯(lián)作用的是偶聯(lián)劑單分子層。 過多地使用偶聯(lián)劑是不必要和有害的。每種偶聯(lián)劑的實際最佳用量，多數(shù)要從實驗中確定。偶聯(lián)劑用量也可采用計算法求得：100g 給定被處理的增強材料的表面積，被 1g 硅烷偶聯(lián)劑的最小涂覆面積除，即得該硅烷偶聯(lián)劑在100g 此種被處理材料上涂覆一單分子層時所需要的量。偶聯(lián)劑在被處理材料表面上的涂覆并非只是單分子層，被處理材料單絲之間的間隙中往往比表面上含有更多的偶聯(lián)劑， 也不能保證偶聯(lián)劑分子全部涂覆在被處理材料的表面上，所以， 偶聯(lián)劑的實際用量應高于上述計算值。影響處理效果的因素：處理

18、方法的影響：不同的處理方法會影響處理效果。一般來說，前處理法的效果最為明顯。烘焙溫度的選擇：溫度過低不起反應，達不到應有的偶聯(lián)效果；溫度過高會引起偶聯(lián)劑分解和自聚等不良后果，以致嚴重影響偶聯(lián)效果。烘焙時間的選擇：烘焙時間應選擇在一定烘焙溫度下偶聯(lián)劑與玻璃纖維表面的偶聯(lián)反應能充分進行。隨著烘焙時間的延長，被處理玻璃纖維的憎水性有所提高，但是處理時間過長生產(chǎn)效率就低。一般采用高溫短時間的烘焙制度。處理液的配制及使用：直接影響處理效果，應該嚴格控制處理液的pH 值，以抑制水解產(chǎn)物的自行縮合。在整個處理過程中，對處理液的pH 值應不斷調(diào)節(jié)。二十一、試述碳纖維的表面處理方法及作用效果：1、表面浸涂有機化合物：采用類似紡織中的漿紗工藝，在碳纖維表面涂覆含有反應性端基的樹脂（羥端基的丁二烯/丙烯酸共聚物等），以改善碳纖維的界面粘結(jié)性。2、表面涂覆無機化合物：表面上