《复合材料及工艺》复习总结.doc

1、复合材料及工艺复习提纲第一章、绪论1. 了解复合材料的定义、分类及应用。答：（1）定义：由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合阳成的一种多相固体材料。（2）分类：聚合物基复合材料（PMC :热固性树脂基、热塑性树脂基、橡胶基 金属基复合材料（MMC :轻金加基、高熔点金属基、金加间化合物基 陶瓷基复合材料（CMC：高温陶瓷基、玻璃基、玻璃陶瓷基 水泥基复合材料（CeMC 碳基体复合材料（C/C）按功能分：结构复合材料和功能复合材料（3） 应用：航空航天，一般工业（汽车、化工、建筑、机械、船舶等），体育用品，生物医学, 其他。2. FRP、GFRP、FRTP各代表什么意思。答：FRP: f

2、iber reinforced plastics纤维增强塑料；GFRP： glass fiber reinforced plastics玻 璃纤维增强幫料；FRTP: fiber reinforced thermalplastics,纤维增强热塑性塑料。3什么是ACM?其判据是什么？答：ACM : advaneed composite materials先进复合材料。先进复合材料是以碳纤维、硼纤维、芳纶纤维作为增强体，具有高的比强度、比模虽：、剪切强度和剪切模量、高温性能、耐 热性的 复合材料。判断依据：比强度=强度/材料密度比强度2（4X106cm）单位量纲（cm）比模量=模量/材料密度比模

3、量$（ 4X108cm）单位量纲（cm）第二章、复合材料理论基础1. （ 1）复合材料中增强体的作用是什么？常见的增强体有哪些（至少列出6种）？答：增强体是指在复合材料屮骑着增加强度、改善性能作用的组分。复合材料屮增强体主要分为：纤维、晶须和颗粒等。纤维增强体可分为：无机纤维和有机纤维 无机纤维（玻璃纤维、碳纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维、硼纤维） 有机纤维（芳纶纤维、尼龙纤维、聚烯坯纤维）（2）最常见的玻纤是什么？其网络结构假说赋予它什么特性？ 答：无碱玻纤（E-玻纤）结构假说：微品结构假说和网络结构假说。网络结构假说：二氧化硅四面体、铝氧三面体或硼氧三面体相互连成的不规则三维网络，网络空间由

4、Na、K、Ca. Mg等阳离子填充，它们与02连接，而与网络不直接相连。一定数目的多而体遵循类似品体结构规则排列，形成近程有序。也就是，微观上不均匀 ，宏 观上均匀的结构，反映到性能上是各向同性。考点：玻纤的杨氏模最在纤维轴向为 70GPa贝IJ垂肓？于纤维轴力向的杨氏模最为70GPa（3） 碳纤维的特性是什么？按原料分碳纤维的主要种类包括什么？描述某一种碳纤维的制备 工艺。 答：碳纤维具有低密度、高强度、高模最、耐高温、抗化学腐蚀、低电阻、高导热、低热膨 胀、 耐化学辐射特性，此外还具有纤维的柔顺性和可编性。种类：聚丙烯睛基碳纤维 （PAN），沥青基碳纤维（PITCH），人造丝碳纤维（RAY

5、ON ）制 备工艺：有机前驱体法和气相生长法A、PAN碳纤维的制备过程可分为3步：第一步预氧化。预氧化的主要目的是使原丝 屮 的链状 PAN 分子环化脱蛍，转化为耐热的梯形结构，以承受更高的炭化温度和提高炭化 收缩率 以改善力学性能。在 200400°C 的氧化气氛中，在原丝受张力的情况下，环化成梯形 结构，这 时分子沿纤维轴定向，变得热稳定。第二步炭化。炭化一般在高纯的悄性气休保 护下预氧丝 加热至 120（） ? 18（）（） °C 以除去其屮的非碳原了，生成含碳呆在 90%以上的碳纤维。 第 二步石墨化。炭化后的碳纤维可经石墨化，制造石墨纤维。石墨化温度为 2000-

6、3000 °o在张 力下使结品碳增长、定向，纤维的弹性模量大增。B、沥青棊碳纤维。首先准备沥青，然后纺丝并拉成连续的纤维，再经历氧化、炭化和 石 墨化处理以获得碳纤维。 在氧化处理期间，沥青纤维先眾露于 70°C 温度的臭氧屮， 然后 到 300C 温度的空气中。这产生了不熔化的交联结构，并且能够不熔化而炭化。炭化在高达 1350°C 温度 的氮气中进行。通过在高温热处理期间仲张纤维获得高模虽沥青某碳纤维。（ 4） 常见有机纤维增强体包括什么？其特性是什么？ 答：芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维 和尼龙纤维。芳纶纤维的特性：拉伸强度高，冲击性能好（韧性好），热稳定性

7、好，芳纶纤维的线膨胀系 数 和碳纤维一样具冇各向异性的特点。压缩性能不好，仅为拉仲强度的 1/8；剪切强度不高 ， 仅为 拉伸强度的 1/17；易发生光降解（可见及紫外线，使力学性能下降）。超高分子量聚乙烯纤维特性：密度小，良好的柔曲性、耐疲劳性和耐磨损性，冲击性能好 ， 耐光 性好于芳纶。熔点较低，易端变，与聚合物基体粘结性差。（5）BF 和 SiC 纤维的特性分别是什么？答：BF:硼纤维。高强度、高模量、低密度，比强度和比模量较高。SiC： 碳化硅纤维。力学性能优异，耐氧化性好，化学稳定性好，与金属有良好的浸润 性， 耐辐射性能和吸波性能良好。（ 6） 成纤工艺包括干法纺丝、湿法纺丝、干湿

8、法纺丝、熔融纺丝、化学气相沉积（ CVD ） 工艺等。给出常见增强体所用的成纤工艺。答：玻璃纤维：垃坍拉丝法，池窑漏板拉丝法，溶胶凝胶法。碳纤维：有机先驱体法（有机纤维法），气相牛长法（ VS 纳米碳纤维）。 芳纶纤维：干喷 - 湿纺工艺。超高分了量聚乙烯纤维：高速牵仲熔融的 PE,冻胶（凝胶）纺丝-超拉仲法（超倍热牵伸法）；碳 化硅纤维： CVD 法，先驱丝法； 硼纤维：氢化硼热解法，卤化硼反应法。氧化铝纤维：溶液纺丝法、混合液纺丝法、基体纤维浸渍溶液法、溶胶凝胶（sol.gel）法、拉晶法。金属纤维：抽丝工艺。2. （1）复合材料中基体的作用是什么？常见的基体有哪些（至少列出6 利 J ?

9、答：复合材料的基休是复合材料屮的连续相，起到固定纤维并将具粘合成整休、在纤维间传递载荷并使其均匀分配、保护纤维免于环境影响、影响（决定）复合材料的某些性能、决定（影响）成型方法与工艺参数的选择常见的基体有：聚合物基体（热固性聚合物、热塑性聚合物）、金属基体、陶瓷基体、 水 泥基体和碳基。（2） 热固性树脂与热塑性树脂有何优缺点？答：热固性树脂：优点：良好的工艺性，固化前为液态，可常温常压下浸渍纤维，固化后稳定。 缺点： 时效性（存贮期），材料韧性差（固化后脆）。常用热固性树脂：不饱和聚酯 （UP）, 环氧树脂 （EP）, 酚醛树脂 （PF）, 咲喃树脂，乙烯 基酯树 脂，聚酰亚胺（PI），聚苯

10、并咪啤（PBI） o热塑性树脂： 优点：断裂韧性好，吸湿性低，成型周期短，废品、边角料可再生利用。 缺点：成型工艺相对而言比较苛刻常用热塑性树脂：通用塑料，如聚丙烯、聚氯乙烯等；工程塑料，如尼龙、聚碳酸酯PC等；高性能热塑性树脂，如聚醯瞇酮（PEEK）、聚碳酸酯（PC）、聚枫（PS）、聚苯硫醸（PPS）、聚 储酮酗 （PEKK）0（ 3） 常用金属基体按使用温度通常如何划分？答：小于450°C: Ak Mg及其合金基体；450-650人：钛合金；650-120（） °C以上：鎳基高温 合 金、金属间化合物、铁慕耐热合金。（ 4）微品玻璃（玻璃陶瓷）有何特点？ LAS 和 M

11、AS 各代表什么？ 答：比常用金属有更鬲的熔点和哽度；化学稳定性，耐热和抗氧化性皆佳；通常状态下为 绝缘 体。但高温下，也可以导电。缺点 : 脆“灾难性”破坏方式 ， 不能做承载结构 微晶玻璃采用适当 热处理使某些特定成分的玻璃由非晶态转变为晶态（反玻璃化），可形成大量微品体。需加入成核剂 （TQ2） o组成是取向杂乱的微品，其余为残余玻璃相。性质：密度2.0-2.8g/cm3,强度70-350MPa模量80-140MPa都有所提高。LAS： 锂铝硅玻璃陶瓷。 MAS ：镁铝硅玻璃陶瓷。（ 5）氧化物陶瓷材料有哪些？突出特性是什么？非氧化物陶瓷材料有哪些？其特性是什 么？ 答：氧化物陶瓷材料冇

12、：A12O3, MgO, SiO2, ZrO2氧化铝陶瓷（主要成分为 AIQ3和SiO2）, 突出性能是硬度很高（仅次于金刚石，氮化硼和碳化硅）。特性：强度较高，但随坏 境温度上 升而降低，所以应避免在高应力和髙温环境下使用。非氧化物陶瓷材料冇：不含氧的氮化物、碳化物、硼化物和硅化物。特点：驶度高；硅 化 物抗热氧化温度高 （1573-1973K）（ 可形成氧化硅膜）傣丸轟硬度极高（金刚石的代用品、氮化硅陶瓷（Si3N4）特性：强度高，抗热震性和抗高温蠕变好，硬度高，摩擦系数小（耐磨材料），口润滑性，耐腐蚀性，稳定性高，抗氧化温度可达1273KO碳化硅陶瓷（SiC）特性：高温强度高，热传导能力

13、很高（陶瓷材料屮仅次于氧化皱陶瓷），较好的热稳定性 , 耐磨 性，耐腐蚀性，抗嫦变性，换度好。（6）采川浸溃法制备碳质基体时，树脂或者沥青的选用标准是什么？如采用CVD 工艺, 如何控制扩散速率和沉积速率的关系？答：基体选用原则a. 液相成碳考虑粘度；碳化收率 ; 固化条件 ; 成碳麻的微观结构。（热固性浸溃剂树脂， 热塑性浸渍剂沥青）b. 沉积碳发生热分解反应的丄艺 ; 沉积碳的速率和成碳量（低分子量碳氢化合物（甲烷、 丙烷、苯等）CV工艺CVD工艺形成沉积碳的过程a）反应气体通过层流向沉积衬底的边界层扩散b）沉积衬底表面吸附反应气体，反应气体发生并形成固态产物和气体产物；c）所产生的气体产

14、物解吸附并沿边界层区域扩散d）产生的气体被排除关系：当沉积速度 >>扩散速度时，形成封闭空隙，不利于增密 当沉积速度VV扩散速度时，不形成封闭空隙，利于增密（7）制备高性能混凝土需要控制的配比冇哪些？各个配比影响其什么性能？ 答：需要控制的配比有：水灰比、砂石比和浆集比。水灰比影响其强度和耐久性，砂石比影 响 其和易性，浆集比影响其和易性和经济性。3. （1）复合效应分为线性效皿和非线性效应。混合定律属于那种效应？其使用前提是什么？ 根据组元的性能和含量计算出复合材料的性能。答：复合效应可分为线性复合效应和非线性复合效应。 线性复合效应包括平均效应 （混合效 应）， 平行效应，相补

15、效应（正效应）和和抵效应（负效应）；非线性复合效应包括相乘效应 , 诱导 效应，系统效应和共振效应。混合定律：由各组元性能分量计算复合材料性能的一种简单方法，又称作混合法则，其关键 在 于复合材料性能随组元材料含量的变化呈线性变化。适用前提：a、复合材料宏观上是均质的；b、各组元材料是均质的各向同性及线弹性材料；c. 各组元之间粘结好，无孔隙。通式 Vm + vfi +Vf2 + .=1 Xc=XmVm+XflVfl+Xf2Vf2+ -（2）什么是临界纤维长度？如何计算？根据所用纤维长度判断出复合材料的失效方式以及 用 SEM 观察到现象是什么？答：临界纤维长度 J : 在给定纤维长度范围内，

16、引起拉伸失效而不是界面剪切失效的最短纤维长度。计算方法： Lc=0fud/ （2T） d 纤维的直径。巾一纤维的断裂强度丫一界面的剪切强度判断：A、当纤维长度L> lOLc时，短纤维复合材料的强度趋近于具有相同纤维体积分量的连续纤维；B、若纤维长度L<5Lc时，矩纤维的强化效果远远不如连续纤维复合材料。SEM观察的现象：当纤维长度L<Lc时，纤维被拔除；当纤维长度L>Lc时，纤维将会发 生断裂。4. 常用测定界血粘接强度的方法是什么？观察其断裂形貌用什么手段？如何提高增强体和基体间的界面性能？答: （1）常用测定界面粘接强度的方法冇：宏观实验法、单纤维实验法、微压入实验

17、法、声 发 射法、扭辨分析、声显微技术、动态加载测定微观断裂过程等。（2）观察断裂形貌用SEM,界血间性能较差时，剪切破坏，断面可以观察到脱粘，纤 维拔 出；界而粘结过强，则呈现脆性断裂。（ 3） 提高增强体和基体间的界面性能的方法：A、聚合物基复合材料： 改善树脂基体对增强材料的浸润程度 （实施方法包括： 延长浸渍时 间，增加体系压力，降低流体粘度，改变增强体织物结构等），减少复合材料成型中形成的残余应力（实施方法包括：加入可产生形变的界面层）和调节界面内应力、减缓应力集中（实施方法包扌舌：原位复合、增强体表面改性）。B、 金属基复合材料：增强体进行表面涂层处理（目的是改善浸润性，阻止严重的

18、界而反应 ，实 施方法包括：化学镀、电镀、CVD溶胶？凝胶法等），金属基体合金化（冃的是改善浸润 性， 组织有害的界面反应）和优化制备工艺方法和参数（实施方法包括：优化制备温度、高温停留 时间和冷却速度）。5. 复合材料的性能可以根据混合定律进行估算；内部结构缺陷可以在不破坏制件的前提下，采用非破坏可靠性评价，又称无损检测评估 （NDE）进行表征。第三章、复合材料分论1. （ 1） PMC 的成型工艺有哪些？（至少列出 6种，并能具体描述出至少 3种工艺过程） 答： PMC 成型工艺：手糊成型、压力成型、缠绕成型、拉挤成型、注射成型、树脂传递模 塑成型 RTM 、 层压及卷管成型、熔融流动成型

19、、喷射成型。工艺过程 手糊成型：用手将增强材料的纱或毡铺放在模具中或模貝上，然后通过浇、刷或喷的方法加上树脂，纱或毡也可以在铺放前在树脂中浸渍；用橡皮辘或涂刷的方法赶出包埋的空气；如此反复添加增强剂和树脂，肓到所需厚度。固化通常在常温和常压下进行，也可适当加热 , 或者常温 时加入催化剂或促进剂以加快固化。缠绕成型：把连续的纤维浸溃树脂后，在一定的张力作用下按一定的规律缠绕到芯模上，然后通过加热或常温固化成型，可制备一定尺寸复合材料回转体制品。拉挤成型：是将浸渍了树脂胶液的连续纤维，通过成型模具，在模腔内加热固化成型，在牵引机拉力的作用下，连续拉拔出型材制品的工艺。主要包括：纤维输送 ？纤维浸

20、渍一成型与 固化 一夹持与拉拔一切割树脂传递模塑RTM在一定的温度、压力下，低黏度的液体树脂被注入铺有预成型增强体 的模腔 中、浸渍纤维，固化成型，然后脱模；主要过程包括预成型增强材料的加工、树脂的注入和固化两个步骤。（2） SMC、GMT、预混料、预浸料各代表什么？答：SMC sheet molding compound层状模塑料。GMT: glass mat reinforced thermoplastics玻璃纤维毡增强热塑性塑料片材。 预混料：是指由不连续纤维浸溃树脂或与树脂混合示所形成的较厚的片状、团状或粒状 半 成品。包括层状模塑料（ SMC） 、玻璃纤维毡增强热塑性塑料片材（ G

21、MT ） 、团状模塑料（DMC ）、散状模塑料 （BMC ）、注射模塑料 （IMC ）等。预浸料：是指定向排列的连续纤维（单向、织物）等浸渍树脂后所形成的厚度均 匀的薄片 状半成品。2. MMC 的成型工艺有哪些？（至少列出 4种，并能具体描述至少 2 种丁艺过程） 答：MMC的成型工艺有：固态法（粉末冶金法、固态热压法、热等静压法），液态法（真 空压 力浸渍法、挤压铸造法）和其他方法（原位法）。工艺过程：压铸成型：在压力作用下，液态或半液态金属基复介材料或金属以一定速度填充到压铸模型腔或增强材料预制体的孔隙中，在压力下快速凝固成型。粉末冶金法：将设计好的一定体积厲分比的增强体与金属基体粉末混

22、装于容器中，在真空或保护气氛卜预烧结，然后将预烧结体进行热等静压（HIP）或冷等静压（C1P）加工。半固态复合铸造：将颗粒加入处于半同态的金属基体屮，通过搅拌使颗粒在金属基体屮均匀分布，并取得良好界面，然后浇注成型或压铸成型。主要应用于颗粒增强金属基复合材料。无压渗透：将增强材料制成预制体，上面放上基体金属坯料，放到氧化铝容器中，而后将其置放在可通入流动氮气的加热炉中。通过加热，棊体金属熔化，自发渗入到增强材料的预制体中。3. （ 1） CMC （陶瓷基复合材料）成型工艺冇哪些？（至少列出3种，并能具体描述至少1种工艺过程）答:CMC成型工艺有：粉末冶金法（颗粒）， 浆体法（液体法），反应烧结

23、法，液态浸溃法，直 接氧化法,溶胶？凝胶法，化学气相浸渍法，有机前驱体热解法。化学气相渗透法（CVI）致密化：指通过能生成陶瓷成分的气体在增强体坯体的孔隙内发生化学反应和沉积反应物的工艺有机前驱体热解法：以纤维预制件为骨架，抽真空排出预制件中的空气，浸溃熔融的聚合物前驱体或其溶液，在惰性气体保护下使其进行交联固化（或哂干），然后在惰性气氛中进行高温裂解，重复浸渍（交联）裂解过程，使复合材料致密化。（2）CM （陶瓷基体）、FRC （纤维增强陶瓷）、PRC （颗粒增强陶瓷）三种材料的力学行为 Illi线有 何不同？原因所在？不同形态增强体的增韧机理分別是什么？答：原因：增强休的引入增加了陶瓷材料

24、的力学性能。不同形态增强体的增韧机理：FRC裂纹偏转，纤维脱粘，纤维拔出，纤维桥接。PRC裂纹偏转，裂纹桥接，相变增韧。4. （ 1）C/C成型工艺有哪些？（至少列出 2利并能具体描述至少1种工艺过程）答：C/C成型工艺有传统（宏观）复合工艺（碳纤维和碳质基体），一步成型（可碳化纤维 和碳 质慕体）和原位法（同质），或分为液相法（浸渍 -碳化法）和气相法（化学气相沉积， 化学气 相渗透）。化学气相沉积（CVD : 1）反应气体扩散至沉积衬底边界层；2）反应气体被吸附，发生 反应; 3）气体产物解吸附，扩散；4）产生的气体被排除。（2）C/C抗氧化防护的原理是什么？冇哪些防护措施？用于抗氧化物涂

25、层的物质是什么？选择涂层时需要考量哪些方面？给出高温下抗氧化复合涂层的示意图并给出原因所在。答：氧化机制C/C复合材料在543K时就开始氧化，当温度低于923K时，为化学反应控制，而温度高于 1073K时，为气体扩散控制，温度在这两者 Z间时，两者均发生作用。防护措施抑制剂法和抗氧化涂层法。抑制剂法即在 C/C复合材料内部涂层和添加抑制剂， 可以 在较低温度范围内降低氧化，采用的抑制剂主要是硼及硼化物，主要机理是利用硼氧化后形成的氧化物填充入 C/C 复合材料的孔隙中，从而起到内部涂层的作用，这些熔点、粘 度均较低的 氧化物既能阻断氧的入侵，又能减少发生氧化的部位。单纯的抑制剂法适用于873K

26、 以下的抗氧化防护。抗氧化涂层法即在 C/C 复合材料表面进行耐高温材料的涂层，阻 止氧和 C/C 复合材料 的接触，采用的涂层主要是熔点高、耐氧化的陶瓷材料（在 873K-1773K,釆用SiC和SisbU硅类 陶瓷作为涂层的高温氧化涂层法；在仃73K-2073K,采用硅棊复合涂层Si2O3/SiC （外层/内层） 的高温氧化涂层法；在更高温度下，采用复合涂层法），通过化学 气相沉积和固态扩散渗透法 来进行涂层。考虑因素 抗氧化涂层的两个重要因素是涂层的氧扩散渗透性差，而且涂层要与 C/C 复合材 料的 热膨胀匹配。图：耐高温氧化物层：保持高温稳定性和抗侵蚀 改性 SiO2 玻璃层：阻挡氧入

27、侵，并封接最 外 层的裂纹 内层氧化物层：保持层间的结合 碳化物层：保证相容性C/C复合材料5. CeMC （水泥基复合材料）的成型工艺有哪些（至少列出 2 种）？ 答：混凝土成型工艺是控制水灰比，沙石比和浆集比（见高性能混凝土制备控制因索）；钢筋混凝土成型工艺是预应力混凝土；纤维增强水泥成型工艺是直接喷射法，喷射脱水法，预混料浇铸法和抄造法 ; 聚合物改性水泥混凝土成型工艺中，聚合物以乳液形式加入混凝土中。第四章：复合材料专题1. 复合材料低成木制备技术有哪些？复合材料发展的趋势如何？答：低成本技术有：液体复合材料技术（树脂传递模塑RTM树脂膜渗透RFI,增强反应注射模塑RRIM） , 纤维

28、束自动铺放技术和电子束固化工艺。发展趋势：结构材料一功能材料，军用一民用，传统产业一新兴产业，宏观复合一微观 复 合，双元混杂复合一多元混杂复合，结构复合材料一功能复合材料，被动复合材料一主动复合材料，常规设计一仿生设计和电子计算机辅助设计。论述内容自己总结。2什么是纳米复合材料？具制备工艺有哪些？OINC、PLS分别是什么意思？如何制备？答: 定义指分散相尺度至少有一维小于 lOOnm 的复合材料（增强相必须是纳米级：纳米颗 粒、纳米 晶须、纳米纤维）。制备工艺：纳米材料的制备工艺分为物理制备（惰性气体冷凝法，高能机械球磨法，电 了 束蒸发法） ，化学制备（湿化学法， 水热法， 冰冻十燥法，

29、 微乳液法） 和化学气相法 （CVD） o 纳 米复合材料的制备工艺有很多：陶瓷基纳米复合材料有固相法（热压烧结 HP,反应烧结RS微波米复合材料有固相法（模压成 和特殊成型法（插层法，溶胶法，插层法和原位复合法。制备方法： 溶胶?凝胶法， 插 层烧结MS,自蔓延高温合成SHS），液相法（浆体法，液态浸渍法，溶胶-凝胶法，聚介物热解法） 气相法（化学气相沉积和化学气相浸渍法）和原位复合法；金属棊纳米复 合材料有固相法（粉 末冶金法PM），液相法（压铸成型法SC,半固态复合铸造法CC），喷射与喷涂沉积法和原位复合 法（共品定向凝固法，直接氧化法，反应合成法）；聚合物基纳型，挤压成型，压延成型），液相法（注射成型，浇铸成型） 凝胶法，辐射合成法）；有机无机纳米复合材料有溶胶凝胶OINC有机无机纳米复合材料（河机无机杂化材料） 法和原位复合法。PLS:聚合物/层状硅酸盐。制备方法：插层复合法。3. 仿生复合材料的主要内容是什么？依据仿生原理，采用何种形式的增强体可以同时提高材料的强度与韧性？ 答：仿生复合材料是受生物启发而进行材料的（仿生）设计、制备与处理所产生的复合材料 , 研究的主要内容有结构仿生（如以氮化硅为主制成了仿生珍珠层陶瓷），功能仿生（生物传感器,生物芯片）和过程仿生（生物体在温和的自然环境下合成与制造出人类需要在高温高