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精品精品 复合材料复合材料 第一章 总述1概念比强度 材料的抗拉强度与材料的密度之比比模 量 材料的弹性模量与材料的密度之比刚度 性 刚度是指零件在载 荷作用下抵抗弹性变形的能力2试从使用温度 性能和生产成本方面 比较树脂基 金属基和陶瓷基复合材料 答1 使用温度树脂基复合材料60 250 金属基复合材料400 600 陶瓷基复合材料1000 1500 2 硬度陶瓷基 金属基 树脂基 取决基体 3 耐自然老化性能陶瓷基 金属基 树脂基 取决于基体材料性能 和与增强材料的界面粘接 4 力学性能取决于基体材料的性能和含量 增强材料性能 含量 和分布 三类复合材料均可获得较高的强度 5 导热性能金属基50 65W m k 陶瓷基7 3 5W m k 树脂基 0 35 0 45W m k 6 耐化学腐蚀通过选择基体材料来实现的陶瓷基 树脂基 金属基 7 生产工艺成本树脂基工艺成熟 成本最低 金属基 次之 陶 瓷基工艺复杂 成本高3何谓复合材料 如何命名 试举例说明 答复合材料由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质 通过复 合工艺 组合而成的一种多相固体材料 命名方式根据增强材料与基体材料的名称来命名 将增强材料的名称放在前面 基体材料的名称放在后面 例玻璃纤维和环氧树脂构成的复合材料称为 玻璃纤维环氧树脂 复合材料 也可称 玻璃 环氧复合材料 或玻璃纤维复合材料 环氧树脂复合材料 4复合材料的共同特点是什么 答 1 综合发挥各种组成材料的优点 使一种材料具有多种性能 具 有天然材料所没有的性能 玻璃 环氧树脂复合材料具有钢的强度 又具有塑料的介电性能和 耐腐蚀性能 2 可按对材料的性能要求进行材料的设计和制造 针对某种介质耐腐蚀性能的设计 3 可制成所需的任意形状的产品 可避免多次加工工序 可避免金属产品的铸模 切削 磨光等工序 5按增强纤维成分分 类复合材料可分为哪几种 答按增强纤维成分分类 1 玻璃纤维复合材料 2 碳纤维复合材料 3 有机纤维 芳香族聚酰亚胺树脂 芳香族聚脂纤维 高强度聚 烯烃纤维 复合材料 4 金属纤维 如钨丝 不锈钢丝 复合材料 5 陶瓷纤维 如氧化铝纤维 碳化硅纤维 硼纤维 复合材料第 二章 复合材料的基体材料1概念蠕变材料在长时间的恒温 恒载荷 作用下缓慢地产生塑性变形的现象 塑性变形材料的塑性变形是微观结构的相邻部分产生永久性位移 并不引起材料破裂的现象 水泥凡细磨成粉末状 加入适量水成为塑性浆体 既能在空气中硬 化 又能在水中硬化 并能将砂石等散粒或纤维材料牢固地胶结在 一起的水硬性胶凝材料的通称 水玻璃水玻璃为硅酸钠溶液状态 南方多称水玻璃 北方多称泡花 碱 反玻璃化许多无机玻璃可以通过适当的热处理使其由非晶态转变为 晶态 这一过程称为反玻璃化 加入成核剂 如TiO2 降解聚合物主链的断裂 它导致相对分子量下降 使物理力学性能 变坏 交联聚合物交联过度而使聚合物变硬 发脆 使物理力学性能变坏 即线型或支链型高分子链间以共价键连接成网状或体形高分子的过 程 2金属基复合材料基体选择的原则是什么 答 1 金属基复合材料的使用要求金属基复合材料构 零 件的使用性 能要求是选择金属基体材料最重要的依据 航空航天技术中 高比强度 比模量 尺寸稳定性 飞行器和卫星构件选用密度小的轻金属合金 镁合金和铝合金作为基体 与高强度 高模量的石墨纤维 硼纤维 等组成石墨 镁 石墨 铝 硼 铝复合材料 高性能发动机 高比强度 比模量性能外 还具有优良的耐高温性能 在高温 氧 化气氛中正常工作 选择钛基合金 镍基合金以及金属间化合物做基体 如碳化硅 钛 钨丝 镍基超合金复合材料用于喷气发动机叶片 转 轴等 汽车发动机零件 耐热 耐磨 导热 一定的高温强度 同时成本低廉 适合批量生 产 零件工业集成电路中的散热元件和基板 高导热 低膨胀 2 金属基复合材料的组成特点a 连续纤维增强金属基复合材料纤 维是主要承载物体 纤维本身具有很高的强度和模量 而金属基体的强度和模量远远低于纤维的性能 因此 基体是以充 分发挥增强纤维的性能为主 基体本身应与纤维有良好的相容性和 塑性 不要求基体本身有很高的强度 b 基体是主要承载体 基体的强度对复合材料具有决定性的影响 因此要获得高性能的金属基复合材料必须选用高强度的铝合金为基 体 如A365 6061 7075等高强铝合金 总之 针对不同的增强体系 要充分分析和考虑增强物的特点来正 确选择基体合金 3 基体金属与增强物的相容性a 金属基体与增强物在高温复合过 程中 处于高温热力学不平衡状态下的纤维与金属之间很容易发生 化学反应 在界面形成反应层 这种界面反应层大多是脆性的 当反应层达到一定厚度后 材料受 力时将会因界面层的断裂伸长小而产生裂纹 并向周围纤维扩展 容易引起纤维断裂 导致复合材料整体破坏 b 由于基体金属中往往含有不同类型的合金元素 这些合金元素与 增强物的反应程度不同 反应后生成的反应产物也不同 需在选用 基体合金成分时充分考虑 尽可能选择既有利于金属与增强物浸润 复合 又有利于形成合适稳定的界面的合金元素 所以在选择基体时应充分注意与增强物的相容性 特别是化学相容性 并考虑到尽可能在金属基复合材料成型过程中 抑制界面反应 3功能用金属基复合材料的增强物和基体可有哪些选择 答 功能用 金属基复合材料所用的金属基体均具有良好的导热 导电性和良好 的力学性能 但有热膨胀系数大 耐电弧烧蚀性差等缺点 通过在这些基体中加入合适的增强物就可以得到优异的综合物理性 能 满足各种特殊需要 1 电子封装用导热性好 弹性模量大 热膨胀系数小的石墨纤维 碳化硅颗粒可使这类复合材料具有很高的导热系数 与纯铝 铜相 比 和很小的热膨胀系数 2 耐磨零件碳化硅 氧化铝 石墨颗粒 晶须 纤维等增强铝 镁 铜 锌 铅等金属基复合材料 基体主要是铝 镁 铜 锌 铅等金属及合金 3 集电和电触头碳 石墨 纤维 金属丝 陶瓷颗粒增强铝 铜 银及合金等 4无机胶凝材料主要包括哪几种 答无机胶凝材料主要包括水泥 石 膏 菱苦土 MgO 和水玻璃等 5聚合物基复合材料中常用的聚合物基体有哪几种 聚合物基体的作 用是什么 答 1 种类不饱和聚酯树脂 环氧树脂 酚醛树脂及各种热塑性聚合 物 2 组分聚合物和辅助材料辅助材料固化剂 增韧剂 稀释剂 催 化剂等 辅助材料的加入使复合材料具有各种各样的使用性能 改进了工艺 性 降低了成本 扩大了应用范围 3 三种作用把纤维粘在一起 分配纤维间的载荷 保护纤维不受 环境影响 第三章复合材料的增强材料1概念 捻度单位长度内纤维与纤维之间 所加的转数 以捻 米为单位 焙烧对矿物等施以灼热 以驱除其中的挥发性组分即把物料 如矿石 加热而不使熔化 以改变其化学组成或物理性质 晶须晶须是指在人工控制条件下以单晶形式生长成的一种纤维 其 直径非常小 微米数量级 不含有通常材料中存在的缺陷 晶界 位错 空穴等 其原子排列高度有序 因而其强度接近于完整 晶体的理论值 2玻璃纤维的性能特点 答 1 外观和比重表面呈光滑圆柱 横断面为完整圆形 密度2 16 4 30g cm3 大于有机纤维 小于金属 与铝接近 2 表面积大 3 力学性能 拉伸强度高较一般合成纤维高约10倍 是合金钢的2 倍 玻璃纤维的弹性与塑性 a 延伸率比其他有机纤维的延伸率低 一般为3 左右 b 玻璃纤维的弹性模量约为7 104MPa 与铝相当 是钢的1 3 加入BeO MgO可提高弹性模量 4 玻璃纤维耐磨性与耐折性性能都很差 采用表面处理 提高耐 磨性 5 玻璃纤维的热性能 导热性导热系数低 是优良的绝热材料 当纤维受潮时 导热系数升高 绝热性降低 5 玻璃纤维的热性能 耐热性 取决于化学成分 a 钠钙玻璃纤 维加热到470 之前 强度变化不大 b 石英和高硅氧玻璃纤维耐热 性达2000 以上 c 玻璃纤维加热到250 以上再冷却 热处理 强度下降 加热温 度越高 强度下降越显著 6 玻璃纤维的电性能导电性取决于化学组成 温度和湿度 无碱纤维的电绝缘性能比有碱纤维优越 电阻率随温度升高而下降 碱金属离子越多 电绝缘性差 7 玻璃纤维的光学性能玻璃纤维有优良的光学性能 光纤 3有哪几种特种玻璃纤维 答 1 高强度玻璃纤维 镁铝硅酸盐和硼硅酸盐两种 2 高模量玻璃纤维 SiO 2 CaO MgO BeO ZrO 2 TiO 2 Li2O Fe2O3以一定比例组成 3 耐高温玻璃纤维 石英纤维 高硅氧玻璃纤维 铝硅酸盐玻璃 纤维 4 空心玻璃纤维 铝硼硅酸盐 空心玻璃纤维质轻 刚性好 电 性能好 导热系数低 但脆性大 eg新材料楼板采用的BDF空心管是由玻璃纤维制成 因此 自重很低 而强度与一般钢筋混凝土无异 完全能满足建筑物的承重要求 4碳 纤维的性能特点 答1 力学性能断裂伸长小 不发生屈服 轴向分子间的结合力比石墨大 抗张强度 即抗拉强度 和模量都 明显高于石墨 径向分子间作用力弱 抗压性能较差 轴向抗压强 度仅为抗张强度的10 30 2 物理性能 比重1 5 2 5 热膨胀系数具有各向异性 平行纤 维方向是负值 垂直纤维方向是正值 导热率有方向性 平行于纤 维轴方向是0 04卡 秒 厘米 度 垂直于纤维轴方向为0 002卡 秒 厘米 度 导热率随温度升高而下降 碳纤维的比电阻与纤维的类型有关 3 化学性能 除能被强氧化剂氧化外 对一般酸碱是惰性的 在不接触空气或氧化气氛时 具有突出的耐热性 在高于1500 强 度才开始下降 良好的耐低温性能如在液氮温度下也不脆化 还耐油 抗放射 抗 辐射 吸收有毒气体和减速中子等 5叙述芳纶纤维的性能特点 1 力学性能 纵向强度高 横向强度低 压缩及剪切性能差 单丝拉伸强度达3773MPa 254mm长的纤维束拉伸强度为2744MPa 大约 为铝的5倍 冲击性能好约为石墨的6倍 为玻璃纤维的0 8倍 弹性模量高比玻璃纤维高1倍 为碳纤维的0 8倍 断裂伸长率3 左右 接近玻璃纤维 高于其它纤维 比重1 44 1 45 铝的一半 具有高比强度 比模量 2 热稳定性好良好的热稳定性 耐火而不熔 温度达487 时不 熔化 但开始碳化 高温下直至分解不发生变形 低温不发生脆化 亦不发生降解 热膨胀系数和碳纤维一样 各向异性 纵向是负值 横向是正值 3 化学稳定性良好的耐介质性能 对中性化学药品的抵抗能力很强 但易受各种酸碱侵蚀 尤其是强 酸 耐水性也不好 第四章聚合物基复合材料1 概念 烧蚀性 指材料在高温时 表面发 生分解 引起气化 与此同时吸收热量 达到冷却的目的 自熄性 撤除火焰后 材料自行停止燃烧的能力 即在空气中点燃后 能自动熄灭 阻燃性 阻燃性也称抗火性 是材料所具有的减慢 终止或防止有焰 燃烧的特性 耐候性 材料如涂料 建筑用塑料 橡胶制品等 应用于 室外经受气候的考验 如光照 冷热 风雨 细菌等造成的综合破坏 其耐受能力叫耐候性 2根据基体种类不同 可将玻璃钢分成哪三类 答种类根据基体种类不同 可将GFRP分成三类 1 玻璃纤维增强 环氧树脂是GFRP中综合性能最好的一种 2 玻璃纤维增强 酚醛树脂耐热性最好 200 长期使用 1000 短期使用 3 玻璃纤维增强 聚脂树脂加工性能好 透光性好 3 高强度高模量纤维增强塑料所形成的各种复合材料有何性能特点 其应用如何 答 1 碳纤维增强塑料强度 刚度 耐热性均好 12000 经受10秒 不变化 用于制造火箭的壳体和人造卫星的机架 壳体 制造火箭的壳体比金属减重45 射程由原1600Km增加到4000Km 制造宇宙飞船的部件 飞行器的外壳 表面温度达4000 6000 碳纤维增强酚醛塑料可胜任 制造飞机发动机的零件叶轮 定子叶片轴承等 波音747采用此材料 美国的洛克希德公司生产的飞机用该材料制造主翼 机身等 减重6 9 提高飞行速度和使用寿命 机械工业中磨床的磨头和各种零件 轴承等 代替青铜和巴比特 合金 2 芳香族聚酰胺纤维增强塑料基体环氧树脂 聚乙烯 聚碳酸脂 聚脂 突出特点具有压延性 与金属相似 耐冲击性好 自由振动衰减性 是钢筋的8倍 GFRP的4 5倍 耐疲劳性比GFRP或金属铝还好 重要应用制造飞机上板材 门 流线型外壳 机身外壳等 在船舶 制造方面也有应用 3 硼纤维增强塑料硼纤维增强环氧树脂刚度好 强度 模量均高 于碳纤维增强环氧树脂 是高模量纤维增强塑料中性能最好的一种 应用制造飞机上的方向舵 安定面 起落架门等 价格昂贵 仅限在飞机中应用 4 试画出聚合物基复合材料成型加工中的手糊成型工艺流程图 注 意箭头 5 试画出聚合物基复合材料成型加工中的模压成型工艺流 程图 注意箭头 第五章金属基复合材料1金属基复合材料按基体分 类可分为哪几类 简要说明其性质和应用 答 一 按基体分类 1 铝基复合材料 450 具有良好的塑性和韧性 易加工性 价格低廉 应用最广 2 镍基复合材料 1000 制造高温下工作的零部件 燃气轮 机叶片 因制造工艺和可靠性等问题尚未解决 还未取得满意结 果 3 钛基复合材料 450 700 钛比其它结构材料具有更高的比强度 在中温比铝合金能更 好的保持其强度 2解释复合材料组分的相容性 解决钛基复合材料相容性的方法有哪 些 答 1 物理相容性指基体应有足够的韧性和强度 从而能够将外部结 构载荷均匀地传递到增强物上 而不会有明显的不连续现象 此外 由于裂纹或位错移动 在基体上产生的局部应力不应该在纤 维上形成高的局部应力 2 化学相容性 1 指纤维与基体的浸润和结合 2 纤维与环境的化学反应 3 纤维与基体的直接反应等 解决其相容性 1 减小反应的高速工艺 2 减小反应的低温工艺模具准备树脂胶液配制增强材料准备涂脱 模剂手糊成型固化脱模后处理检验制品模具预热料的称重脱模剂涂 刷料预热和预成型装模压制脱模打底及辅助加工后处理检验成品压 制压制前准备 3 研制低活性的基体 4 研制减小反应的涂层 5 选择具有较大反应容限的系列 6 设计上尽量减小强度降低的影响 3铝基复合材料的增强纤维有哪些 如何制取硼纤维 答玻璃纤维 氧化铝纤维 碳化硅纤维 高模量石墨纤维 冷拔铍丝 应用较多的是 硼纤维 用化学气相沉积法由钨底丝上用氢还原三氯化硼制成 4钛基复合材料有哪些优缺点 答优点工作温度高 非轴向强度高 抗腐蚀性好 抗损伤性强 较小的残余应力以及模量和强度的各向异性小等 缺点基体与增强物相容性不好 使制造困难 成本高 基体一般加 工成箔材 增强物加涂层等 5石墨增强金属基复合材料的现状如何 答 1 石墨纤维与许多金属缺乏相容性与铝 镁 镍和钴相容性较好 与钛相容性不好 2 石墨增强铜 铝和铅等复合材料高强度及良好的导电性 低的摩 擦系数和高的耐磨性 在一定温度范围内高的集合尺寸稳定性 石墨 铜和石墨 铝作为高强度的电导体 石墨 铝 石墨 铅 石墨 锌作为轴承材料 3 石墨纤维具有耐极高温而不损失强度和模量的能力 但与许多金 属接触时有很高的反应活性以及纤维的直径很小 因此对制造会造 成一定困难 第六章陶瓷基复合材料1 长径比 长度和内径或直径的比值 通常为 正数 碳黑 一种无定形碳 是有机物 天然气 重油 燃料油等 在空气 不足的条件下经不完全燃烧或受热分解而得的产物 2 陶瓷基复合材料的基体和增强相分别有哪些 答 1 基体硅酸盐 碳化硅 氮化硅 氧化铝等 2 增强体 亦称增韧体 碳纤维 玻璃纤维 硼纤维 SiC Al2 O3及Si3N4晶须 SiC Si3N4颗粒等 3 工业中用何种方法生产碳纤维 其生产过程包括哪三个阶段 答 碳纤维采用有机母体热氧化和石墨化 生产过程的三个主要阶段第一阶段在空气中于200 400 进行低温氧 化 第二阶段在惰性气体中于1000 左右进行碳化处理 第三阶段在惰性气体中于2000 以上作石墨化处理 4 单向排布长纤维增强陶瓷基复合材料的增韧机制是什么 答 增韧 机制纤维的拔出功 断裂功和裂纹转向功 5 纤维增强陶瓷基复合材料的加工与制备技术有哪几种 解释什么 是焙烧 答泥浆烧铸法 热压烧结法 浸渍法焙烧对矿物等施以灼 热 以驱除其中的挥发性组分即把物料 如矿石 加热而不使熔化 以改变其化学组成或物理性质 作业 第7章水泥基复合材料 1 和易性 是指新拌混凝土易于各工 序施工操作 搅拌 运输 浇灌 捣实等 并能获得质量均匀 成 型密实的性能 2 简述水泥的特点3 答水泥粉末与水搅拌后 表面的熟料矿物立即 与水发生化学反应 放出热量 形成一定的水化产物 水化产物逐渐变硬 并能将砂石等颗粒胶结成整体 逐渐产生强度 水泥浆有很好的可塑性 与砂石拌合后仍使混合物具有必要的和易 性 可流筑成各种形状和尺寸的构件 适应性强 可用于海上 地下 深水或者严寒 干热的地区 以及 耐侵蚀 防辐射等特殊要求的工程 改变水泥组成 可以适当调节其性能 可与纤维或聚合物等多种无机 有机材料匹配 制成水泥基复合材 料 与钢铁比不会生锈 也没有木材易腐蚀 更不会有塑料的老化 耐 久性好 水泥浆有很好的可塑性 与砂石拌合后仍使混合物具有必要的和易 性 可流筑成各种形状和尺寸的构件 3 有哪几种水泥基复合材料 答1 混凝土 2 纤维增强水泥基复合材料 3 聚合物改性混凝土4 有哪几种聚合物改性混凝土 答 a 聚 合物浸渍混凝土 b 聚合物混凝土c 聚合物水泥混凝土5 轻集料 混凝土的应用有哪些 答轻集料混凝土的应用用多孔轻质集料配制 而成 于表观密度不大于1950kg m3的混凝土 称为轻集料混凝土 保温轻集料混凝土 房屋建筑外墙体或屋面结构 结构保温轻集料混凝土 用于既承重又保温的房屋建筑外墙体及其他热工构筑物 结构轻集料混凝土 用于承重钢筋混凝土结构或构件 主要用于有抗震要求或建于软土地基上要求减轻结构自重的房屋建 筑的梁 柱等承重构件 第八章碳 碳复合材料1 简述碳 碳复合材料的性能答 1 力学性能抗拉强度 挠曲强度和弹性模量高 高于一般碳素 材料 密度小 比强度高 碳 碳复合材料属于脆性复合材料 其断 裂应变较小 仅为0 12 2 4 但应力 应变曲线呈现出 假塑性效应 2 热物理性能在温度变化时具有良好的尺寸稳定性 其热膨胀系 数小 仅为金属材料的1 5 1 10 因此高温热应力小 导热系数高 且在不同温度下变化 比热高 其值随温度上升而增大 因而能储存大量热能 3 烧蚀性能耐烧蚀 升华温度达3000 有效烧蚀热高 材料烧蚀时能带走大量热 4 化学稳定性耐氧化性能差2 如何提高碳 碳复合材料的耐氧化 性 答为提高