復(fù)合材料習(xí)題

1、復(fù)合材料習(xí)題第四章一、判斷題：判斷以下各論點(diǎn)的正誤。1、基體與增強(qiáng)體的界面在高溫使用過程中不發(fā)生變化。2、比強(qiáng)度和比模量是材料的強(qiáng)度和模量與其密度之比。3、浸潤性是基體與增強(qiáng)體間粘結(jié)的必要條件，但非充分條件。4、基體與增強(qiáng)體間界面的模量比增強(qiáng)體和基體高，那么復(fù)合材料的彈性模量也越高。5、界面間粘結(jié)過強(qiáng)的復(fù)合材料易發(fā)生脆性斷裂。6、脫粘是指纖維與基體完全發(fā)生別離的現(xiàn)象。7、混合法那么可用于任何復(fù)合材料的性能估算。8、纖維長度l<lc時(shí)，纖維上的拉應(yīng)力達(dá)不到纖維的斷裂應(yīng)力。二、選擇題：從A、B、C、D中選擇出正確的答案。1、復(fù)合材料界面的作用BA、僅僅是把基體與增強(qiáng)體粘結(jié)起來。B、將整體承受

2、的載荷由基體傳遞到增強(qiáng)體。C、總是使復(fù)合材料的性能得以改善。D、總是降低復(fù)合材料的整體性能。2、浸潤性A、DA、當(dāng)sl+lv<sv時(shí)，易發(fā)生浸潤。B、當(dāng)sl+lv>sv時(shí)，易發(fā)生浸潤C(jī)、接觸角=0時(shí)，不發(fā)生浸潤。D、是液體在固體上的鋪展。3、增強(qiáng)材料與基體的作用是A、DA、增強(qiáng)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(qiáng)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(yīng)力和增韌作用。4、混合定律AA、表示復(fù)合材料性能隨組元材料體積含量呈線性變化。B、表示復(fù)合材料性能隨組元材料體積含量呈曲性變化。C、表達(dá)了復(fù)合材料的性能與基體和增強(qiáng)體性能與含量的變化。

3、D、考慮了增強(qiáng)體的分布和取向。5、剪切效應(yīng)是指AA、短纖維與基體界面剪應(yīng)力的變化。B、在纖維中部界面剪應(yīng)力最大。C、在纖維末端界面男應(yīng)力最大。D、在纖維末端界面剪應(yīng)力最小。6、纖維體積分量一樣時(shí)，短纖維的強(qiáng)化效果趨于連續(xù)纖維必須CA、纖維長度l=5lc。B、纖維長度l<5lc0C、纖維長度l=5-10lc0D、纖維長度l>10lcoo7、短纖維復(fù)合材料廣泛應(yīng)用的主要原因A、BA、短纖維比連續(xù)纖維廉價(jià)。B、連續(xù)纖維復(fù)合材料的制造方法靈活。C、短纖維復(fù)合材料總是各一樣性。D、使短纖維定向排列比連續(xù)纖維容易。8、當(dāng)纖維長度l>lc時(shí)，纖維上的平均應(yīng)力A、CA、低于纖維斷裂應(yīng)力。B、

4、高于纖維斷裂應(yīng)力。C、正比于纖維斷裂應(yīng)力。D、與l無關(guān)。三、氧化鋁纖維和SiC纖維的密度分別為3.3g/cm3和2.6g/cm3,假設(shè)對這兩種纖維進(jìn)展拉伸試驗(yàn)，在拉伸試驗(yàn)中直到纖維失效時(shí)的變形為彈性變形，平均拉伸強(qiáng)度和失效應(yīng)變氧化鋁纖維為1500MPa和0.4%SiC纖維為2300MPa和1.0%計(jì)算這兩種纖維的比模量和比強(qiáng)度。解答：比模量GPa/(g/cm3)：氧化鋁纖維113.6;碳化硅纖維88.5。比強(qiáng)度MPa/(g/cm3):氧化鋁纖維454.5;碳化硅纖維884.6。四、直徑7m、長度2mm的碳纖維單向增強(qiáng)聚碳酸脂基體，纖維的拉伸強(qiáng)度和纖維與基體的界面強(qiáng)度分別為2.5GPa和12.5

5、GPa。計(jì)算(1)臨界纖維長度lc和(2)長度方向復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度。解答：(1)lc=0.7mm;(2)843MPa五、采用XDtm法制備TiC/Al,為什么需要采用（1）一定粒度的Ti、Al和碳粉；（2）按一定量比例進(jìn)展混合后，壓制成預(yù)制體；（3）加熱至一定反響溫度？采用*口m法可以制備出Al4C3/Ti或TiC/Al4C3/Al嗎？為什么？解答：從Ti、Al、C的互相反響熱力學(xué)去考慮。六、簡述復(fù)合材料增強(qiáng)體與基體之間形成良好界面的條件。在復(fù)合過程中，基體對增強(qiáng)體潤濕；增強(qiáng)體與基體之間不產(chǎn)生過量的化學(xué)反響；生成的界面相能承當(dāng)傳遞載荷的功能。復(fù)合材料的界面效應(yīng)，取決于纖維或顆粒外表的物理和化

6、學(xué)狀態(tài)、基體本身的構(gòu)造和性能、復(fù)合方式、復(fù)合工藝條件和環(huán)境條件。七、根據(jù)下列圖，討論為什么在一樣體積含量下，SiC晶須增強(qiáng)MMC強(qiáng)度抗拉與屈服強(qiáng)度均高于顆粒增強(qiáng)MMC,而這兩者的彈性模量相差不大。解答：從混合定律及晶須與顆粒的強(qiáng)度與模量考慮。八、1400c時(shí)AI2O3的氧擴(kuò)散滲透率為310-10g/cms,密度為1.9g/cm,厚度為20cm的C/C涂覆AI2C3后在1400C、100小時(shí)后的氧化失重率為1%計(jì)算此時(shí)AI2O3涂層至少應(yīng)需的厚度為多少？式RKM/xh中，當(dāng)C/C中碳氧化為CO,K=0.75解答：R為C/C復(fù)合材料的氧化速率，單位：/h;K為常數(shù)，當(dāng)C/C復(fù)合材料中碳氧化生成CO

7、,K=0.75;為C/C復(fù)合材料的體密度，單位為g/cm3;x為C/C復(fù)合材料構(gòu)件截面厚度的1/2,單位為cm；h為涂層厚度，單位為cm；M為涂層的氧擴(kuò)散滲透率，單位為g/cmSo4.26m。九、試述影響復(fù)合材料性能的因素?；w和增強(qiáng)材料增強(qiáng)體或功能體的性能；復(fù)合材料的構(gòu)造和成型技術(shù)；復(fù)合材料中增強(qiáng)材料與基體的結(jié)合狀態(tài)物理的和化學(xué)的及由此產(chǎn)生的復(fù)合效應(yīng)。十、復(fù)合材料的界面具有怎樣的特點(diǎn)？界面相的化學(xué)組成、構(gòu)造和物理性能與增強(qiáng)材料和基體的均不一樣，對復(fù)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(gè)納米到幾個(gè)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

8、的。材料特性包括元素的濃度、原子的配位、晶體構(gòu)造、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小？試討論影響潤濕角大小的因素。獅戲木信不且用浸潤：固-氣界面被固-液界面置換的過程，用于描述液體在固體外表上自動鋪展的程度。固體外表的潤濕程度可以用液體分子對其外表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:lvCOSsvsl降低液-固外表能和液-氣外表能或者增大固-氣外表能有助于潤濕。=0lv=sv-sl，完全浸潤；0V<90lv>sv-Sl>0，局部浸潤；>90sv<sl，完全不浸潤。影響接觸角潤濕角大小的因

9、素：固體外表的原始狀態(tài)，例：吸附氣體、氧化膜等均使接觸角增大。固體外表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(xué)反響的產(chǎn)物都將影響潤濕性。原因：夾雜或反響產(chǎn)物改變了固相的性質(zhì)和固相的外表粗糙度。十二、如何改善基體對增強(qiáng)材料的潤濕性？1、纖維外表處理：去除纖維外表的雜質(zhì)、氣泡、用化學(xué)方法去除纖維外表的氧化膜，或者外表涂層，這些操作都能增進(jìn)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(fù)合材料，合金化改善潤濕性最方便、有效。參加合金元素后，角的變化還與熔化時(shí)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(yán)重過熱、氧化、基體與增

10、強(qiáng)材料在高溫下發(fā)生化學(xué)反響、增強(qiáng)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PcPc4|VVf/dfcos的外壓才能使液體滲入纖維束。5、改變加工氣氛：sv和iv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。固體或液體外表吸附某種氣體，也可以改變sv或IV。十三、簡述玻璃纖維外表化學(xué)組成、構(gòu)造及反響性的特點(diǎn)。玻璃纖維整體化學(xué)組成包含Si、O、Al、Ca、Mg、B、F、Na等，但其外表只含有Si、O、AL玻璃纖維的構(gòu)造與塊狀玻璃相似：由三維空間的不規(guī)那么連續(xù)網(wǎng)絡(luò)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

11、作用力處于平衡狀態(tài)。玻璃外表的陽離子不能獲得所需數(shù)量的O2-,因而產(chǎn)生一種外表力，此外表力與外表X力、外表吸濕性密切相關(guān)，有吸附外界物質(zhì)的傾向。玻璃纖維外表會吸附多層水分子膜，外表吸附的水與玻璃組成的中的堿金屬或堿土金屬作用，在玻璃外表形oooooo成-OH基：Si-OD+H2OSi-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(jìn)一步與二氧化硅網(wǎng)絡(luò)反響：Si-O-Si+OH-Si-OH+Si-O-反響中生成的Si-O-將繼續(xù)與水反響形成另外的OH-:Si-O-+H2OSi-OH+OH-這樣，外表的吸附水就破壞了玻璃纖維中的SiO2網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造，玻璃纖維成分中含堿量愈高

12、，吸附水對SiO2骨架的破壞愈大，纖維強(qiáng)度下降就愈大。玻璃纖維外表的反響性主要是由外表明顯的堿性和Si-OH基團(tuán)所決定。Si-OH基團(tuán)具有一般活性基團(tuán)所具有的反響性質(zhì)，這種性質(zhì)是纖維外表改性、改善纖維與樹脂基體界面粘結(jié)的有利條件。十四、簡述復(fù)合材料的界面結(jié)合類型及其特點(diǎn)。1、機(jī)械結(jié)合：增強(qiáng)材料與基體之間僅依靠純粹的粗糙外表相互嵌入互鎖作用進(jìn)展連接摩擦力，沒有化學(xué)作用。影響機(jī)械結(jié)合的因素：增強(qiáng)材料與基體的性質(zhì)、纖維外表的粗糙度、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(fù)合材料的制造過程中，由單純的浸潤和溶解作用，使增強(qiáng)材料和基體形成交織的溶解擴(kuò)散界面，是一種次價(jià)鍵力的結(jié)合。當(dāng)基體的

13、基團(tuán)或分子與增強(qiáng)材料外表間距小于0.5nm時(shí)，次價(jià)鍵力就發(fā)生作用。次價(jià)鍵力包括誘導(dǎo)力、色散力、氫鍵等。形成溶解與浸潤結(jié)合的根本條件：增強(qiáng)材料與基體間的接觸角小于90,增強(qiáng)材料與基體間有一定的溶解能力。3、反響界面結(jié)合：基體與增強(qiáng)材料間發(fā)生化學(xué)反響，在界面上形成新的化合物、以主價(jià)鍵力相互結(jié)合。這是一種最復(fù)雜、最重要的結(jié)合方式。反響結(jié)合受擴(kuò)散控制，擴(kuò)散包括反響物質(zhì)在組分物質(zhì)中的擴(kuò)散反響初期和在反響產(chǎn)物中的擴(kuò)散反響后期。要實(shí)現(xiàn)良好的反響結(jié)合，必須選擇最正確的制造工藝參數(shù)溫度、壓力、時(shí)間、氣氛等來控制界面反響的程度。界面反響層是非常復(fù)雜的組成，有時(shí)發(fā)生多個(gè)反響，產(chǎn)生交換反響結(jié)合。界面的反響產(chǎn)物大多是脆

14、性物質(zhì)，到達(dá)一定厚度時(shí)，界面上的剩余應(yīng)力可使其發(fā)生破壞，因此，界面結(jié)合先隨反響程度提高而增加結(jié)合強(qiáng)度，但反響到達(dá)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(shí)際情況中發(fā)生的重要的界面結(jié)合形式。十五、簡述影響增強(qiáng)材料與基體粘結(jié)性能的因素。固-液復(fù)合過程中，固體外表與液體的浸潤性。不同組分的分子或原子彼此相互接近時(shí)的狀態(tài)，形成化學(xué)結(jié)合時(shí)相互作用的強(qiáng)弱?；瘜W(xué)結(jié)合的形式主價(jià)鍵結(jié)合：共價(jià)鍵、離子鍵、金屬鍵等；次價(jià)鍵作用：靜電作用、誘導(dǎo)力、色散力、氫鍵、分子間的擴(kuò)散等。十六、試討論碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的界面反響。碳纖維外表含有氧原子，以羥基、染基、竣基、內(nèi)酯基形式存在，這些基團(tuán)

15、可以與樹脂基體中的胺基、環(huán)氧基等基團(tuán)形成氫鍵。但是，碳纖維外表的這些含氧基團(tuán)的濃度很低，反響的活性點(diǎn)很稀少，需要通過外表改性以減小碳纖維外表晶棱尺寸、增加外表積以及增加碳纖維外表含氧基例：碳纖維的氧化處理:加，氧胺固化的環(huán)氧樹脂中的胺基能與碳纖維外表的竣基形成氫化過程分別產(chǎn)生羥基、染基、竣基，并可能以環(huán)狀官能團(tuán)形式存在鍵，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(shí)，這些氫鍵就轉(zhuǎn)變成共價(jià)鍵。十七、試討論玻璃纖維增強(qiáng)混凝土中玻璃受到侵蝕的類型及其防護(hù)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(dǎo)致玻璃纖維增強(qiáng)混凝土的抗拉強(qiáng)度大幅度下降，甚至喪失殆盡?；瘜W(xué)侵蝕：水泥水化生成的C

16、a(OH)2與玻璃纖維的硅氧骨架之間發(fā)生化學(xué)反響生成水化硅酸鈣，當(dāng)水泥液相中有NaOH、KOH存在時(shí)會加速反響。應(yīng)力侵蝕：由于玻璃纖維外表存在缺陷，水泥水化生成的晶體可進(jìn)入這些缺陷中，在缺陷端部造成應(yīng)力集中并使缺陷擴(kuò)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(xué)組分。例：參加較多量的ZrO2可提高玻璃纖維的抗堿性。例：可用培、對玻璃纖維外表進(jìn)展被覆處理，以隔絕水泥水化物對纖維的侵蝕鈦、鋅、鋁等金屬的水溶性鹽對玻璃纖維進(jìn)展處理；也可用抗堿性好的樹脂環(huán)氧樹脂、味喃對玻璃纖維進(jìn)展浸漬處理而后使之固化。使用水化物堿度低的水泥以減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

17、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(fù)合體系的界面反響及其防護(hù)。B在高溫下，除Ag、Cu、Sn、Be外，可以與其它金屬發(fā)生反響生成不規(guī)那么的構(gòu)造，形成脆性的反響層。硼纖維和鋁的界面反響由于滲入氧生成氧化物而發(fā)生破壞，即B2O3層的破壞。當(dāng)鋁的純度較高時(shí)，在纖維上生成A1B2：A1+2BA1B22B+3OB2O3碳化硅涂層能使硼纖維具有突出的抗氧化性。因?yàn)榕鸾佑|不到鋁，硼化物的形成完全被抑制。鋁與硅不形成化合物，而鋁與碳的反響在碳化硅存在的情況下，在熱力學(xué)上是非常困難的。硼或鋁穿過碳化硅移動的擴(kuò)散系數(shù)在800K時(shí)非常小，2.5m的碳化硅層已足以阻擋擴(kuò)散。

18、十九、什么是增強(qiáng)材料的外表處理？簡述偶聯(lián)劑的化學(xué)構(gòu)造及作用。外表處理是在增強(qiáng)材料的外表涂覆上外表處理劑包括浸潤劑、偶聯(lián)劑、助劑等物質(zhì)，它有利于增強(qiáng)材料與基體間形成良好的粘結(jié)界面，從而到達(dá)提高復(fù)合材料各種性能的目的。偶聯(lián)劑的化學(xué)構(gòu)造：分子兩端含有性質(zhì)不同的基團(tuán)，一端的基團(tuán)與增強(qiáng)材料外表發(fā)生化學(xué)作用或物理作用，另一端的基團(tuán)那么能和基體發(fā)生化學(xué)作用或物理作用，從而使增強(qiáng)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、試討論玻璃纖維的外表處理中偶聯(lián)劑用量確實(shí)定及影響外表處理效果的因素。偶聯(lián)劑的用量會影響最后處理效果，在實(shí)際應(yīng)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(shí)際最正確用量，多數(shù)要從實(shí)驗(yàn)中確定。偶聯(lián)劑用量也可采用計(jì)算法求得：100g給定被處理的增強(qiáng)材料的外表積，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(shí)所需要的量。偶聯(lián)劑在被處理材料外表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外表上含有更多的偶聯(lián)劑，也不能保證偶聯(lián)劑分子全部涂覆在被處理材料的外表上，所以，偶聯(lián)劑的實(shí)際用量應(yīng)高于上述計(jì)算值。影響處理效果的因素：處理方法的影響：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