《复合材料》习题及答案

《复合材料》习题及答案

简答题

1、材料科技工作者的工作主要体现在哪些方面？

①发现新物质，测试新物质的结构和性能；

②由已知的物质，通过新的制备工艺，改善其微观结构，改善材料的性能；

③由已知的物质进行复合，制备出具有优良性能的复合材料。

2、复合材料界面对其性能起很大影响，界面的机能可归纳为哪几种效应？

①传递效应:

基体可通过界面将外力传递给增强物，起到基体与增强体之间的桥梁作用。

②阻断效应:

适当的界面有阻止裂纹的扩展、中断材料破坏、减缓应力集中的作用。

③不连续效应:

在界面上产生物理性能的不连续性和界面摩擦出现的现象。

④散热和吸收效应:

光波、声波、热弹性波、冲击波等在界面产生散射和吸收。

⑤诱导效应:

复合材料中的一种组元的表面结构使另一种与之接触的物质的结构由于诱导作用而发

生变化。

3、作为复合材料的增强体应具有哪些基本特性？

⑴具有能明显提高基体某种所需特性的性能，以便赋予基体某种所需的特性和综合性

能；

⑵具有良好的化学稳定性，在制备和使用过程中其组织结构和性能不发生明显的变化

和退化，与基体有良好的化学相容性，不发生严重的界面化学反应，；

⑶与基体有良好的润湿性，保证增强体与基体良好的复合和分布均匀。

4.简述玻璃纤维的结构。

⑴关于玻璃结构的假说目前为止能够反映实际情况的是微晶结构假说、网络结构假说。

①微晶结构假说认为,玻璃是由硅酸块或二氧化硅的微晶子组成，在微晶子之间由硅

酸块过冷溶液所填充。

②网络结构假说认为,玻璃是由二氧化硅的四面体、铝氧三面体或硼氧三面体相互连

成不规则三维网络，网络间的空隙由Na、K、Ca、Mg等阳离子填充。

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⑵玻璃纤维是近程有序的。但是有序区域不是像晶体结构那样有严格的周期性，微观

上是不均匀的，宏观上却又是均匀的，反映到玻璃的性能上是各向同性。

5、聚合物基复合材料是最重要的高分子材料之一，它具有什么特点？

(1)比强度大，比模量大;

⑵耐疲劳性能好:

疲劳破坏是逐渐发展的，破坏前有明显的预兆。疲劳极限可达其拉伸强度的70%〜

80%；

⑶减振性好:

基体界面有吸震能力，因而振动阻尼高。

⑷耐烧蚀性能好:

因比热容、熔化热和汽化热大，高温下能吸收大量热量。

⑸工艺性好:

制造工艺简单，过载时安全性好。

6.提高混凝土耐久性的主要措施有哪些？

⑴合理选择水泥品种；

⑵适当控制混凝土的水灰比及水泥用量

⑶选用较好的砂石骨料

⑷掺入引气剂或减水剂

⑸改善混凝土的施工操作方法。

7.纳米粉体分散的方法有哪些？

⑴超声波分散：

利用超声波弱化纳米粒子间的纳米作用能，可有效防止纳米粒子的团聚；

⑵机械搅拌分散：

借助外力的剪切作用使纳米粒子分散在介质中。

⑶分散剂分散

①加入反絮凝剂形成双电层；②加表(界)面活性剂包裹微粒。

⑷化学改性分散

利用表面化学方法对纳米粒子进行表面改性。

8、金属基复合材料的原位复合技术有哪些？

⑴固相反应法

把预期构成增强相的两种组分粉末与基体金属粉末均匀混合，加热到基体熔点以上温

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度，在基体金属熔液中生成陶瓷或金属间化合物的颗粒增强物。

⑵液一固相反应法

在基体金属熔液中加入能反应生成预期增强颗粒的固态元素或化合物，在熔融的基体

合金中，在一定的温度下反应，生成陶瓷或金属间化合物的颗粒增强物，形成自生增强金

属基复合材料。

⑶气一液反应法

含有反应元素或本身就是反应元素的气体通入到高温金属熔体中，利用气体本身或气

体中分解的元素与金属熔体发生反应生成陶瓷粒子对金属基体进行增强。

⑷反应喷射沉积成型技术

是制备近终形成型快速凝固制品的喷射沉积成型技术和反应合成陶瓷相粒子技术的结

合。

9.复合材料不仅是一种材料，而且可认为是一种结构。从固体力学的角度，将纤维增

强的复合材料可以分为哪几个结构层次，分别是什么？

⑴一次结构:是指由基体和增强材料复合而成的单层复合材料，其力学性能取决于组

分材料的力学性能，各相材料的形态、分布和含量及界面的性能；

⑵二次结构:是指由单层材料层合而成的层合体，其力学性能取决于单层材料的力学

性能和铺层几何（各单层的厚度、铺设方向、铺层序列）；

⑶三次结构:是指工程结构或产品结构，其力学性能取决于层合体的力学性能和结构

几何。

10.由于在陶瓷基复合材料中存在认为的界面，而界面又起着很重要的作用，常见界面

的控制方法有哪些？

⑴改变增强体表面的性质:

是用化学手段控制界面的方法。目的在于①防止增强体与基体之间的反应，从而获得

最佳的界面力学特性；②改善纤维与基体之间的结合力。

⑵向基体添加特定的元素:

在用烧结法制造陶瓷基复合材料的过程中，为了有助于烧结，常常在基体中添加一些

元素。有时为了使纤维与基体发生适度的反应以控制界面，也可以添加一些元素。

⑶增强体的表面涂层:

涂层技术的应用是实用的界面控制方法之一。可分为①CVD；②PVD；③喷镀和喷射

等。涂层的主要目的是防止成型过程中纤维与基体反应；调节界面剪切破坏能量以提高剪

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切强度。

11.如何制造碳纤维？

⑴碳纤维是一种以碳为主要成分的纤维状材料。它只能以有机物为原料，采用间接法

制造。

⑵制造方法可分为气相法和有机纤维碳化法。气相法只能制取短纤维或晶须，而有机

纤维碳化法可制造连续长纤维。

⑶制作碳纤维的主要原材料有3种：①人造丝（黏胶纤维）；②聚丙烯月青（PAN）纤维;

③沥青。

⑷制造碳纤维要经过5个阶段：拉丝、牵引、稳定、碳化和石墨化。

⑸制备PAN碳纤维的主要工艺流程由热稳定化处理、碳化处理和石墨化处理组成。黏

胶碳纤维和沥青碳纤维的制备过程与PAN碳纤维相似，但不同的是沥青必须经过调制处理。

12.简述常见的金属基复合材料的制造工艺。

⑴固态法：将金属基体（金属粉末或金属箔）与增强体复合在一起，形成复合材料。

①粉末冶金法

②热压法

③热等静压法

④轧制法

⑤拉拔法。

⑵液态金属法：金属基体处于熔融状态下与固体增强物复合成材料的方法。

①挤压铸造法；

②真空吸铸

③液态金属浸渍法

④真空压力浸渍法

⑤搅拌复合法。

⑶自生成法及其他制备工艺：

①自生成法：在基体金属内部通过加入反应物质，或通入反应气体在液态金属内部反

应，产生微小的固态增强相。

②其他方法：复合涂（镀）法。

13.高性能混凝土在微观结构方面有何特点？

①由于存在大量未水化的水泥颗粒，浆体所占比例降低。这些未水化水泥颗粒是硬化

混凝土中的微集料。

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②浆体的总孔隙率小。

③孔径尺寸较小，仅最小的孔为水饱和。

④浆体一集料界面与浆体本体无明显差别，消除了普通混凝土中传统的薄弱区。

⑤游离氧化钙含量低。

⑥自生收缩造成混凝土内部产生自应力状态，致使集料受到强有力的约束。

14.简述纳米粉体的表征方法。

⑴分析化学组成的主、次成分

X射线荧光光谱法（XRFS）、耦合等离子体原子吸收光谱法（ICP-AES）

⑵分析原料和制备过程中引入的杂质含量

原子激发光谱（AES）、原子吸收光谱。

⑶测定粉体的形貌大小和分布范围

透射电子显微镜、激光离心沉降法。

⑷测定粉料（2~200nm）的颗粒度及分布范围

X射线小角散射法

⑸测定粉体的比表面积

化学碘吸附法、BET法

⑹结构测定和表征其形貌尺度以及团聚情况

高分辨电镜

⑺研究纳米晶材料的结构

X射线衍射、穆斯堡尔谱、扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）、正电子淹没。

15、聚合物基复合材料原位复合技术有哪些？

⑴熔融共混技术

通过热致液晶聚合物（TCLP）和热塑性树脂共混物进行挤塑、注塑等，在熔融共混加

工过程中，使刚性棒状分子的TCLP沿受力方向取向排列，在热塑性树脂基体中原位形成

足够长径比的微纤维。

⑵溶液共沉淀技术

在树脂基体中通过共溶液、共沉淀均匀分散聚合物微纤维的技术。

⑶原位聚合技术

利用聚合物单体在外力作用下，原位产生聚合或共聚，使得某一种聚合物或其他物质

均匀分散在聚合物基体中，起到对复合材料改性的作用。

16、复合材料仿生设计方法可分哪几类？

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⑴界面的宏观拟态仿生设计

⑵分子尺度的化学仿生

①界面化学键仿生；

②单体化学分子结构仿生。

⑶微观晶体结构仿生

⑷制造工艺仿生

论述题

1.、复合材料界面作用机理？（8分）

界面作用机理是指界面发挥作用的微观机理。

⑴界面浸润性理论：

该理论认为，填充剂被液态树脂良好浸润是非常重要的。

⑵化学键理论：

该理论认为，化学键能实现两相之间的有效结合。

⑶物理吸附理论：

该理论认为，增强体与基体之间结合属于机械咬合和基于次价键的物理吸附。

⑷过渡层理论：

该理论认为，基体和增强体之间的界面区存在一个起着应力松弛作用的过渡层。

⑸拘束层理论：

该理论认为，界面区的弹性模量介于基体与增强体之间时，则可很均匀地传递应力。

⑹扩散理论：

该理论认为，聚合物的相互黏结是由表面上的大分子相互扩散形成的。

⑺减弱界面局部应力作用理论：

该理论认为，基体与增强体之间的处理剂提供了一种具有“自愈能力”的化学键。

2.纳米粉体的制备方法？（9分）

⑴物理法制备纳米粉体:物理复合法多指机械复合法，通常利用机械剪切、挤压等作

用力，使子、母粒子复合在一起。

常用的方法有：①惰性气体冷凝法;

②高能球磨法；

③共混法；

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④异相凝聚法；

⑤其他制备方法：电子束蒸发法、激光剥离法、DC或RF溅射法等。

⑵化学法制备纳米粉体:化学复合法是指通过液相或气相反应来制备复合材料的方法。

常用的方法有：①溶胶-凝胶法；

②湿化学法；

③水热法；

④微乳液法；

⑤化学气相沉积法；

⑥溶剂蒸发法。

3.陶瓷基复合材料的制备工艺？（8分）

⑴粉体制备:制备陶瓷粉体。

①机械制粉：一般有球磨和搅拌振动磨等方式；

②化学制粉：可分为固相法、液相法和气相法；

⑵增强体制备和预处理

增强体有纤维、晶须或陶瓷薄片。

⑶成型:使粉料成型为坯体。

陶瓷成形方法主要有：①模压成型；②等静压成型；③热压铸成型；④挤压成型；⑤

轧膜成型；⑥注浆成型；⑦流延法成型；⑧注射成型；⑨直接凝固成型等。

⑷烧结:陶瓷坯料在表面能减少的推动力下通过扩散、晶粒长大、气孔和晶界逐渐

减少而致密化的过程。

常用的烧结方法有：①普通烧结；②热致密化方法：包括热压、热等静压等；③反应

烧结；④微波烧结；⑤放电等离子烧结等。

⑸特殊的新型制备工艺

①熔体渗透；

②化学气相渗透（CVD；

③由有机聚合物合成；

④其他方法：A、自蔓延高温合成（SHS）；

B、金属直接氧化技术。

4.分子自组装的原理、特