13年复合材料总思考题.doc

复合材料概论总思考题一. 复合材料总论1 什么是复合材料？复合材料的主要特点是什么？ 所谓复合材料，是指由两种或两种以上不同性质的材料，通过不同的工艺方法人工合成的，各组分间有明显界面且性能优于各组成材料的多相固体材料。复合材料的特点： A复合材料是由两种或两种以上不同性能的材料组元通过宏观或微观复合形成的一种新型材料，组元之间存在着明显的界面；B复合材料中各组元不但保持各自的固有特性，而且可最大限度发挥各种材料组元的特性，并赋予单一材料组元所不具备的优良特殊性能；C复合材料具有可设计性。可以根据使用条件要求进行设计和制造，以满足各种特殊用途，从而极大地提高工程结构的效能。D材料和结构的统一2 复合材料的基本性能（优点）是什么？请简答6个要点 1)比强度，比模量高（强度/密度，模量/密度）2)良好的高温性能3）良好的尺寸稳定性热膨胀系数下降.石墨纤维增强镁基复合材料中，当石墨纤维的含量达到48% 时，复合材料的热膨胀系数为零。4）良好的化学稳定性：聚合物基复合材料和陶瓷基复合材料具有良好的抗腐蚀性。5)良好的抗疲劳、蠕变、冲击和断裂韧性：由于增强体的加入，复合材料的抗疲劳、蠕变、冲击和断裂韧性等性能得到提高，特别是陶瓷基复合材料的脆性得到明显改善。6)良好的功能性能：包括光、电、磁、热、烧蚀、摩擦及润滑等性能。3 复合材料是如何命名的？如何表述？举例说明。 4种命名途径根据增强材料和基体材料的名称来命名;如“增强材料+基体材料”复合材料(1) 强调基体 即强调了基体材料的种类和特征(酚醛树脂基复合材料、铝合金基复合材料等)(2) 强调增强体 即强调增强材料的种类和性质（碳纤维复合材料、金属纤维复合材料、玻璃纤维复合材料等）(3) 基体与增强体并用 即同时出现基体材料和增强体材料(碳纤维增强环氧树脂复合材料、玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂复合材料等。)(4) 俗称 (玻璃钢就是玻璃纤维增强树脂基复合材料的俗称)4 常用不同种类的复合材料(PMC，MMC，CMC)各有何主要性能特点？注意比较之间的异同点树脂基复合材料金属基复合材料陶瓷基复合材料使用温度602504001000 1000 材料硬度低高最高耐老化性能差中优导热性能差好一般耐化学腐蚀好差好工艺难易和成本高低工艺成熟，成本最低居中最复杂，成本最高5 复合材料在结构设计过程中的结构层次分几类，各表示什么？在结构设计过程中的设计层次如何，各包括哪些内容？ P81、复合材料的三个结构层次 2、复合材料设计的三个层次： 一次结构单层材料微观力学 一次结构单层材料设计 二次结构层 合 体宏观力学 二次结构铺层设计 三次结构产品结构结构力学 三次结构结构设计6 试分析复合材料的应用及发展。二. 复合材料的基体材料1 复合材料中聚合物基体的主要作用是什么？ 1)把纤维粘在一起；2)分配纤维间的载荷；3)保护纤维不受环境影响。用作基体的理想材料，其原始状态应该是低粘度的液体，并能迅速变成坚固耐久的固体，足以把增强纤维粘住。尽管纤维增强材料的作用是承受载荷，但是基体材料的力学性能会明显地影响纤维的工作方式及其效率。 2 选择金属基体的主要原则是什么？ 金属基复合材料的使用要求金属基复合材料构件的使用性能要求是选择金属基体材料最重要的依据。 金属基复合材料组成特点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。B:连续纤维增强金属基复合材料中基体的主要作用应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，而并不要求基体本身有很高的强度。 C:对于非连续增强（颗粒、晶须、短纤维）金属基复合材料，基体是主要承载物，基体的强度对复合材料具有决定性的影响。因此要获得高性能金属基复合材料必须选用高强度铝合金作为基体，这与连续纤维增强金属基复合材料基体的选择完全不同。 基体金属与增强物的相容性金属基复合材料需要在高温下成型，制备过程中，处于高温热力学非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。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。因此，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），并尽可能在复合材料成型过程中抑制界面反应。3 常用的聚合物基体有哪些？三种常用热固性树脂各有何主要特点?各自主要适合于哪种(些)增强纤维? P80聚合物基体的种类-热固性和热塑性 不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂及各种热塑性聚合物等。 聚酯树脂特点工艺性良好，室温下固化，常压下成型，工艺装置简单。树脂固化后综合性能良好，力学性能不如酚醛树脂或环氧树脂。价格比环氧树脂低得多，只比酚醛树脂略贵一些。不饱和聚酯树脂的缺点是固化时体积收缩率大、耐热性差等。 环氧树脂特点在加热条件下即能固化，无须添加固化剂。酸、碱对固化反应起促进作用；已固化的树脂有良好的压缩性能，良好的耐水、耐化学介质和耐烧蚀性能；树脂固化过程中有小分子析出，故需在高压下进行；固化时体积收缩率大，树脂对纤维的粘附性不够好，但断裂延伸率低，脆性大。 酚醛树脂特点 优点：比环氧树脂价格便宜 缺点：吸附性不好、收缩率高、成型压力高、制品空隙含量高等。 大量用于粉状压塑料、短纤维增强塑料， 少量用于玻璃纤维复合材料、耐烧蚀材料等，很少使用在碳纤维和有机纤维复合材料中。热塑性聚合物热固性聚合物形态特征线性（或者有支链的线性）三维网状凝聚态结构结晶和无定形无定形制品可重复用可溶可熔，可反复加工成型不溶不熔，一次成型工艺操作高温高压下进行，但是周期短常温常压下进行，周期长力学性能高断裂韧性材料韧性差，综合性能优使用温度劣势优势抗老化性能劣势优势4 热塑性树脂与热固性树脂相比，在性能方面上有何特点? 列表比较5 陶瓷和玻璃陶瓷的区别？晶态和非晶态P19三. 复合材料的增强材料（重点）1 玻璃纤维的分类如何？P35玻璃纤维的化学性能如何？P422 玻璃纤维生产过程中的浸润剂的作用？常用的浸润剂有哪些？有何特点？P463 玻璃纤维的强度为什么比同成分的块状玻璃高几十倍？P374 玻璃纤维强度的影响因素有哪些？为什么？ P385 碳纤维的制造方法有几种？P51碳纤维的主要性能是什么？1)强度和模量高、密度小；2)具有很好的耐酸性；热膨胀系数小，甚至为负值3)具有很好的耐高温蠕变性能，一般在1900以上才呈现出永久塑性变形。4)摩擦系数小、润滑性好、导电性高。6 目前制作碳纤维主要原材料有哪三种？P517 有机纤维制作碳纤维所选择条件是什么？一般分为哪几步？P51加热时不熔融，可牵伸，碳纤维产量高8 石墨纤维与碳纤维相比，在制作方法、结构与主要性能上有何不同？P519 芳纶纤维主要有几种？作为增强材料的芳纶纤维有何主要性能特点？芳香族酰胺纤维 聚乙烯纤维芳纶纤维分子链是线性结构，这又使纤维能有效地利用空间而具有高的填充效率的能力，在单位体积内可容纳很多聚合物。这种高密度的聚合物具有较高的强度芳纶纤维的化学链主要由芳环组成。这种芳环结构具有高的刚性，并使聚合物链呈伸展状态而不是折叠状态，形成棒状结构，因而纤维具有高的模量。10 阐述硼纤维的制造方法与主要性能特点？P5811 如何在不同的复合材料中选择增强纤维？四. 复合材料的界面1 复合材料的界面定义是什么P61，包括哪些部分，有何特点？P62有哪些效应？ P61五个效应2 金属基复合材料的界面的主要问题是什么？怎样进行控制？ P67(界面的化学反应) 三条途径3 金属基复合材料界面的结合形式有哪几种？P674 常用的增强材料(玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、SiC纤维等)的表面如何处理可改善复合材料的界面效果?有机纤维：复合树脂基体时候，采用不同气体下等离子体处理表层玻璃纤维：与树脂基体复合时候用偶联剂（或者浸润剂）B纤维：与树脂基体复合可不用表面处理；与金属基体复合采用陶瓷涂层。C纤维:与树脂基体复合主要采用等离子体处理、沉积法或氧化法处理；与金属基体复合主要采用陶瓷涂层。5 聚合物基复合材料P62、陶瓷基复合材料P69界面有哪些特点，设计的方法？6 复合材料的复合法则混合定律？在复合材料中，在已知各组分材料的力学性能、物理性能的情况下，复合材料的力学性能和物理性能主要取决于组成复合材料的材料组分的体积百分比（vol.%）：7 什么是复合材料的相容性？相容性分为哪两种？各指什么？ 相容性指复合材料在制造、使用过程中各组分之间相互协调、配合的程度。相容性关系到复合材料中的各组分材料能否有效发挥其作用以及复合材料整体的结构和性能能否长期稳定。相容性包括物理相容性和化学相容性。物理相容性（1）基体应具有足够的韧性和强度，能够将外部载荷均匀地传递到增强剂上，而不会有明显的不连续现象。 （2）由于裂纹或位错移动，在基体上产生的局部应力不应在增强剂上形成高的局部应力。 （3）基体与增强相热膨胀系数的差异对复合材料的界面结合及各类性能产生重要的影响。 化学相容性：主要指基体与增强体之间有无化学反应。8 纤维增强复合材料中，轴向和强度各有什么特点？9 弥散颗粒、颗粒增强机理是什么？10 请分析为什么连续纤维拔出长度通常为lc /2，为什么纤维端部先于纤维中部脱粘。11 计算纤维的不同排列方式，纤维间距R与Vf的关系式。五. 聚合物基复合材料1 聚合物基复合材料的主要性能是什么？P782 常用的三种GFRP（玻璃纤维增强的三种常用塑料）的主要性能如何？玻璃纤维增强环氧树脂是GFRP中综合性能最好的一种。 不足：环氧树脂粘度大，加工不便玻璃纤维增强酚醛树脂，耐热性最好！不足：性能较脆，机械强度不如环氧树脂。有刺激性玻璃纤维增强聚酯树脂：加工性能好。不足：固化时收缩率大3 聚合物基复合材料的原材料选择原则与纤维选择原则是什么？ P904 聚合物基复合材料的主要制造方法有哪些？（针对长纤维、短纤维或颗粒各举一两例）短纤维-泥浆烧铸法浸渍法-适用于长纤维5 聚合物基复合材料的结构设计过程中要考虑哪些主要因素？基本过程如何？P87六. 金属基复合材料（重点）1 金属复合材料的基体性能与应用？金属基复合材料的主要增强材料有哪些？2 金属基复合材料的常用制造方法有哪些？适合于制作长、短纤维增强复合材料是什么方法？3 制备金属基体复合材料时，制备工艺的选择原则？金属基复合材料的制造难点是什么？1）基体与增强剂的选择，基体与增强剂的结合；2）界面的形成机制，界面产物的控制及界面设计； 3）增强剂在基体中的均匀分布；4 ）制备工艺方法及参数的选择和优化；5）制备成本的控制和降低，工业化应用的前景。A. 容易发生界面反应，因为需要高的制造温度（高于或接近）基体的熔点；B. 许多增强纤维对基体的浸润性差, 甚至完全不浸润；C. 如何均匀分布增强体。 4 如何去解决金属基复合材料的界面反应问题？ 3种方式 增强剂的表面改性处理 金属基体改性（添加微量合金元素） 优化制备工艺参数，采用新工艺。5 常用的增强材料的表面（涂层）处理方法有哪些？SiC 纤维 富碳涂层、SCS 涂层等；硼纤维 SiC 涂层、B4C 等；碳纤维 TiB2 涂层、C/ SiC 复6 为什么铝基体是最常用的MMC金属基体？铝基复合材料都有哪些种类？常见的增强体有哪些？铝金属基复合材料中应用得最广的一种。铝基体为面心立方结构，具有良好的塑性和韧性，易加工、工程可靠性及价格低廉等优点，为其在工程上应用创造了有利的条件。1、颗粒（晶须）增强铝基复合材料 增强颗粒（晶须）：碳化硅、氧化铝、碳化硼、氧化硅、碳化钛 2 、纤维增强铝基复合材料-硼、碳、碳化硅、氧化铝等纤维和不锈钢丝7 目前影响金属基复合材料的应用扩大的主要问题有哪些？七. 陶瓷基复合材料1陶瓷基复合材料常用哪些增强材料？P1582陶瓷基复合材料的常用制造方法有哪些？P1683如何提高陶瓷基复合材料的韧性？P1674. 长纤维增韧的陶瓷复合材料的增韧机理是什么？八. 其它复合材料1 什么是C/C复合材料？有何主要特性？为什么要对碳碳复合材料进行抗氧化保护？ 定义：C/C复合材料是以碳（或石墨）纤维及其织物为增强材料，以碳（或石墨）为基体，通过加工处理和碳化处理制成的全碳质复合材料。主要优点：抗热冲击和抗热诱导能力极强，具有一定的化学惰性，高温形状稳定，升华温度高，烧蚀凹陷低，在高温条件下的强度和刚度可保持不变，抗辐射，易加工和制造，重量轻缺点：非轴向力学性能差，破坏应变低，空洞含量高，纤维与基体结合差，抗氧化性能差，制造加工周期长，设计方法复杂，缺乏破坏准则。C/C复合材料的制造工艺方法与应用。液体浸渍分解法碳化、石墨化浸渍热固性树脂C/C复合材料加热分解、沉积碳纤维预制体通入C、H化合物气体化