复合材料总思考题及参考答案

复合材料概论总思索题

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？

①复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。

②I）组元之间存在着明显的界面；2）优良特殊性能；3）可设计性；4）材料和构造的统一

2.复合材料的根本性能（优点）是什么？——请简答6个要点

（I）比强度，比模量高（2）良好的高温性能（3）良好的尺寸稳定性（4）良好的化学稳定性（5）良好

的抗疲惫、蠕变、冲击和断裂韧性（6）良好的功能性能

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

①依据增加材料和基体材料的名称来命名，如碳纤维环氧树脂复合材料

②U）强调基体：酚醛树脂基复合材料（2）强调增加体：碳纤维复合材料

（3）基体与增加体并用：碳纤维增加环氧树脂复合材料（4）俗称：玻璃钢

4.常用不同种类的复合材料（PMC,MMC,CMC）各有何主要性能特点?

PMCMMCCMC（陶瓷基）

运用温度60〜250℃400-600℃1000~1500℃

材料硬度低高最高

强度较高较高较高

耐老化性能差中优

导热性能差好一般

耐化学腐蚀性能好差好

生产工艺难易程度成熟居中最困难

生产本钱最低居中最高

5.复合材料在构造设计过程中的构造层次分几类，各表示什么？在构造设计过程中的设计层次如何，各包

括哪些内容？3个层次

答：1、一次构造：由集体和增加材料复合而成的单层材料，其力学性能确定于组分材料的力学性能、相

几何和界面区的性能；

二次构造：由单层材料层复合而成的层合体，其力学性能确定于单层材料的力学性能和铺层几何

三次构造：指通常所说的工程构造或产品构造，其力学性能确定于层合体的力学性能和构造几何。

2、①单层材料设计：包括正确选择增加材料、基体材料及其配比，该层次确定单层板的性能；

②铺层设计：包括对铺层材料的铺层方案作出合理支配，该层次确定层合板的性能；

③构造设计：最终确定产品构造的形态和尺寸。

6.试分析复合材料的应用及开展。

答：①20世纪40年头，玻琦纤维和合成树脂大量商品化生产以后，纤维复合材料开展成为具有工程

意义的材料。至60年头，在技术上臻于成熟，在很多领域开场取代金属材料。

②随着航空航天技术开展，对构造材料要求比强度、比模量、韧性、耐热、抗环境实力和加工性能都

好，针对不同需求，出现了高性能树脂基先进复合材料，标记在性能上区分于一般低性能的常用树脂基复

合材料。以后又接连出现金属基利陶宽基先进复合材料。

③经过60年头末期运用，树脂基高性能复合材料已用于制造军用匕机的承力构造，今年来乂逐步进

入其他工业领域。

④70年头末期开展的用高强度、高模量的耐热纤维与金属复合，特殊是与轻金属复合而成金属基复合

材料.克制了树脂基复合材料耐热性差和不到电、导热件低等缺Ac

⑤8()年头开场渐渐开展陶瓷基复合材料，采纳纤维补强陶瓷基体以提高韧性。主要目标是希望用以制

造燃气涡轮叶片和其它耐热部件，

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？3个作用

答：①把纤维黏在一起，并使纤维位置固定；②安排纤维间的载荷，并使载荷均衡；③爱护纤维不受环境

影响，免受各种损伤。

2.选择金属基体的主要原则么是什么？3个原则

答：①金属基复合材料的运用要求

金属基复合材料构件的运用性能要求是选择金属基体材料最重要的依据。例如高性能发动机则要求复合

材料不仅有高比强度、比模景性能，还要求复合材料具有优良的耐高温性能，能在高温、氧化性气氛中正

常工作。一般的铝、镁合金就不宜选用，而需选择钛基合金，银基合金以及金属间化合物作为基体材料，

如撅化硅/钛，鸽丝/银基合金复合材料可用于喷气发动机叶片，转轴等重要零件。

②金属基亚合材料组成特点

由于增加物的性质和增加机理的不同，在基体材料的选择原则上有很大差异。灼于连续纤维增加金属基

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，但对于非连续增加金属基复合材料具

有确定性的影响。

③基体金属与增加物的相容性

由于金属基复合材料须要在高温卜.成型，所以在金属基复合材料制备过程中金属基体与增加物在高温复合

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简洁发生化学反响，在界面形成反响层。

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)增加纤

维？

答：1.作为复合材料基体的聚合物的种类很多，常常应用的有不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂及各

种热塑性聚合物。

2.(1)聚酯树脂

①特点：工艺性良好，室温下固化，常压下成型，工艺装置简洁；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。②不饱和聚酯树脂的缺点：固

化时体积收缩率大、耐热性差等，③主要用于一般民用工业和生活用品中。

(2)环氧树脂

特点：在加热条件下即能固化，无须添加固化剂。酸、碱对固亿反响起促进作用；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，故需在高压下进展；

固化时体积收缩率大，树脂对纤维的粘附性不够好，但断裂延长率低，脆性大。

(3)酚醛树脂

①优点：比环氯树脂价格廉价

②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、短纤维增加塑料，少量用于玻璃纤维复合材料、耐烧蚀材料等，很少运用在碳纤维

和有机纤维复合材料中。

3.①聚酯树脂主要应用与玻璃纤维增加，用于绝大局部GRP制品，一般要求的构造，如汽车、船舶、化工、

电子电器等；②环氧树脂运用范围最广，性能最好，用于主承力构造或者耐腐蚀性制品等，如飞机、宇航

等；③酚醛树脂多用于玻璃纤维增加，发烟率低，用于烧蚀材料，飞机内部装饰，电工材料等。

基体树脂聚酯树脂环氧树脂酚醛树脂

工业性能好好比拟好

力学性能比拟好优秀比拟好

耐热性能80c120-180℃>180℃

价格低中低

韧性差差-好差

成型收缩率中小大

4.热塑性树脂与热固性树脂相比，在性能方面上有何特点？列表比拟

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

凝合态特征结晶和无定型无定型

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展，但是周期短常温常压下进展，周期长

力学性能高断裂韧性材料韧性差，综合性能优

运用温度劣势优势

抗老化性能劣势优势

5.陶瓷和玻璃陶瓷的区分？晶态和非晶态

陶瓷：相组成包括晶相、玻璃箱和气孔相；烧成温度一般较玻璃材料低；绝大多数呈各项异性；机械

性能好（耐磨、抗折强度高、但一般陶瓷弹性系数低）、介电性能好、耐化学腐蚀；如传统陶瓷，

配方则有石英、长石、粘土构成。

玻璃陶瓷：晶相和玻璃相复合材料，也叫微晶玻璃。一般都是由玻璃再加工制成。也就是说，通过特

殊热处理或者特殊烧结（比方CO2激光熔融）、制造工艺，在玻璃机制中生长出晶体。破陶的特点是

玻璃和陶瓷性能的兼容，所以应用空间大。

三.复合材料的增加材料★（重点）

1.玻璃纤维的分类如何？玻璃纤维的化学性能如何？

答：一.1.以玻璃原料成分分类，主要用于连续玻璃纤维的分类，一般以不同的含碱量来区分。（1）无

碱玻璃纤维（E玻纤）。目前，国内规定其碱金属氧化物含量不大于0.5%,国外一般为1%左右。（2）中碱

玻璃纤维〔C玻纤）：碱金属氧化物含量在11.5%—12.5%之间。

（3）有碱玻璃（A玻璃）：类似于窗玻璃及玻璃瓶的钠钙玻璃；（4）特种玻璃纤维。

2.以单丝直径分类。玻璃纤维单丝呈圆柱形，以其直径的不同可以分成几种：粗纤维：初级纤维

20pm；中级纤维：10—20pm；高级纤维：3—10pm（亦称纺织纤维）。对于单丝直径小于4pm的玻璃纤

维称为超细纤维。

3.以纤维外观分类。有连续纣维，其中有无捻粗纱及有捻粗纱（用丁纺织）、短切纤维、空心玻璃纤维、

玻璃粉及磨细纤维等。

4.以纤维特性分类。依据纤维本身具有的性能可分为：高强玻璃纤维、高模量玻璃纤维、耐高温玻璃纤维、

耐碱玻璃纤维、耐酸玻璃纤维、一般玻璃纤维〔指无碱及中碱玻璃纤维）。

二.玻璃纤维的化学性能

①玻璃纤维除对氢氟酸、浓减、浓磷酸外，对全部化学药品和有机溶剂都有良好的化学枪定性。②中

碱玻璃纤维对酸的稳定性是较高的，但对水的稳定性是较差的；无碱玻璃纤维耐酸性较差，但耐水性较好:

③中碱玻璃纤维和无碱玻璃纤维，从弱碱液对玻璃纤维强度的影响看，二者的耐碱性相接近。④温度对玻

璃纤维的化学稳定性有很大影响，在100℃以下时，稳定每上升10℃,纤维在介质侵蚀下的破坏速度增加

50-100%；当温度上升到100C以上时，破坏作用将更猛烈。同样的玻璃纤维，受不同体积的侵蚀介质作

8.石墨纤维与碳纤维相比.在制作方法、构造与主要性能卜有何不同？

答碳纤维主要含无定型C,C含量约为95%,热处理温度1200—1500C,石墨纤维含较多的结晶C,C含

量99%以上，热处理温度2000C以上，制造纤维时的温度不同造成以上差异。

9.芳纶纤维主要有几种？作为增加材料的芳纶纤维有何主要性能特点？用构造特点说明性能。

1.芳纶-29,芳纶-49,芳纶2.高强度、高模量、冲击性能好、耐高温、耐腐蚀、低密度

10.阐述硼纤维的制造方法与主要性能特点？

答：1.硼纤维是一种将硼元素通过高温化学气相沉积法在鸨丝外表制成的高性能增加纤维，具有很高的比

强变和比模量。2.强度高、模量高、密度小、弯曲强度比拉伸强度好。缺点：因碳纤维常温常温下为惰性

特质，高温下与金:属反响，需在外表沉积SiC层。

四.复合材料的界面

1,复合材料的界面定义是什么，包括哪些局部，有何特点？有哪些效应？五个效应

答：①复合材料的界面是指机体与增加物之间化学成分有显著变更的、构成彼此结合的、能起载荷传递作

用的微小区域。

②它包含基体和增加物的局部原始接触面、基体与增加物相互作用生成的反响产物、此产物与基体及增加

物的接触面，基体和增加物的互扩散层，增加物上的外表涂层、基体和增加物上的氧化物及它们的反响产

物等。

③A性能和构造上不同「基体和增加材料；B具有肯定的厚度；C连接基体与增加材料；D能够传递载荷。

@（1）传递效应：界面能传递力，即将外力传递给增加物，起到基体和增加物间的桥梁作用。

（2）阻断效应结相宜当的界面有阻挡裂纹扩展、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，如抗电性、电感应性、磁

性、耐热性、尺寸稳定性等。

（4）散射和汲取效应光波、声波、热弹性波、冲击波等在界面产生散射和汲取，如透光性、隔热性、

隔音性、耐机械冲击及耐热冲击性等。

（5）诱导效应一种物质（通常是增加物）的外表构造使另一种（通常是聚合物基体）与之接触的物质

的构造由于诱导作用而发生变更，由此产生•些现象，如强的弹性、低的膨胀性、耐冲击性和耐热性等。

2.金属基复合材料的界面的主要问题是什么？怎样进展限制？P67（界面的化学反响）三条途径

答：①在金属基复合材料中往往由于基体与增加物发生相互作月生成化合物，基体与增加物的相互扩散而

形成扩散层，增加物的外表预处理涂层，使界面的形态、尺寸、成分、构造等变得特别困难。

②A对增加材料进展外表涂层处理；B选择金属元素；C优化制备工艺和参数。

3.金属基复合材料界面的结合形式有哪几种？

物理结合溶解和浸润结合反响结合

4.常用的增加材料（玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、SiC纤维等）的外表如何处理可改善复合材料的界面效

果？

答：外表处理：在增加材料外表涂覆上一种称为外表处理剂的物质，这种外表处理剂包括浸润剂及一系列

偶我剂和助剂等物质，以利于增加材料与基体间形成一个良好的粘结界面「从而到达提高复合材料各种性

能的目的。

①玻璃纤维：I前处理法n后处理法in迁移法

②碳纤维：氧化、沉积、电聚合与电沉积、等离子体处理等。

③硼纤维：与树脂基体复合可不用外表处理；与金属基体复合采纳SiC陶瓷涂层。

5.聚合物基复合材料、陶瓷基复合材料界面有哪些特点，都有哪些优化设计的方法？

答：一、对于聚合物基复合材料，其界面的形成可以分成两个阶段：第一阶段是基体与增加纤维的接触与

浸润过程。其次阶段是聚合物的固化阶段。（1）首先应考虑如何改善增加材料与基体间的浸润性；（2）适

度的界面粘结：（3）削减复合材料成型中形成的剩余应力：（4）调整界面内应力•减缓应力集中.

二、在陶瓷基复合材料中，增加纤维与基体之间形成的反响层质地比拟匀称，对纤维和基体都能很好地结

合，但通常它是脆性的。（1）变更基体元素；（2）增加体外表涂层。

6.复合材料的复合法则一混合定律？

答：满意以下条件：1.复合材料宏观上是均值的，不存在内应力；2.各组分材料是均质各项同性及线弹性

材料；3.各组分间粘结牢固，无空隙，不产生相对滑移。在复合材料中，在各组分材料的力学性能、物理

性能的状况下，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.%）：

Pc：复合材料的某性能，空阅火、用淮模喝导率等:

Z-----1

Pi：各组分材料的对应复合材料的某性能；

V：组成复合材料各组分的体积百分比；

i：表示组成复合材料的组分数。

7.7.什么是复合材料的相容性？相容性分为哪两种？各指什么？物理和化学相容性

答：相容性指复合材料在制造、运用过程中各组分之间相互协调、协作的程度。

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构造和性能能否长期稳

定,相容性包括物理相容性和化学相容性。

I、物理相容性：热膨胀系数（I）基体应具有足够的韧性和强度，能够将外部载荷匀称地传递到增加剂

上，而不会有明显的不连续现象＜

：2）由丁裂纹或位错移动，在基体上产生的局部应力不应在增加剂上形成高的局部应力。

：3）基体与增加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。

2、化学相容性：主要指基体与增加体之间有无化学反响。化学反响会不同程度地损伤增加材料的性能。

8.计算纤维的不同排列方式，纤维间距R与Vf的关系式。V.纤维体积含量

纤维立方

—)=—ln(7r/V,)=—ln(3.14/)

纤维六方

—)=—匕)=1ln(3.63%)

正方形阵列

7T

s=2%-1/-

六边形阵列

五.

1.聚合物合材料的主要性能是什么？

答：1.具有较高的比强度和比模量；2.抗疲惫性能好；3.减振性能好；4.高温性能好；5.平安性好；6.可设

计性强、成型工艺简洁。

2.常用的三种GFRP（玻璃纤维增加的三种常用塑料）的主要性能如何？

答：GFRP的突出特点是比重小、比强度高，还具有良好的耐腐蚀性，也是一种良好的电绝缘材料，还具

有保温、隔热、隔音、减振等性能。玻璃纤维增加环氧、酚醛、聚酯树脂除具有上述共同的性能特点外，

各自具有特殊的性能。

①玻璃纤维增加环氧树脂是GFRP中综合性能最好的一种②玻璃纤维增加酚醉树脂是各种GFRP中耐

热性最好的一种③与磐等酯树脂最突出的特点是加工性能好，它的透光性好，价格很廉价。

3.聚磬基复杏函解料选择原那么与纤维选择原那么是什么？P90

（I）呼赢、妙温痂原那么;②材料与构造的运用环境相适应的原那么；③满意构造特殊性要求

的原那软黎红蜒要呼啸那么;⑤本钱低、效益高的原那么。

（2）笔功能选取能满意肯定的力学、物理和化学性能纤维，然后按比强度、比刚

度和性价比挺及皴

4.聚合物莪炖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）

答：1.注射叙金豌型：热塑性片状模塑料热冲压成型

2.热塑性树月金复合材僦料工艺，分别适用「短纤维增加和连续纤维增加热塑性复合材料两类。

5.聚合物基复合材料赢耍设计过程中要考虑哪些主要因素？根本过程如何？P87

答：主要因素：构造质量、研派钱、制造工艺、构造鉴定、质量限制、工装模具的通用性及设计经验等。

（I）明确设计条件。材料设计。构造设计。

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？

答：金属基亚合材料与传统的金属材料相比，它具有较高的比强度与比刚度，而与树脂基亚合材料相比，

它又具有优良的导电性与耐热性，与陶瓷材料相比，它又具有高韧性和高冲击性能。这些优良的性能让它

在航空航天领域得到广泛应用。

2.金属基复合材料的主要增加材料有哪些？

I.纤维晶须颗粒2.碳纤维、硼纤维、SiC纤维、铝纤维

3.金属基复合材料的常用制造方法有哪些？适合于制作长、短纤维增加复合材料是什么方法？

（I）连续增加相金属基复合材料的制备工艺

（2）不连续增加相金属基复合材料的制备工艺

铝合金一固态、液态、原位生长、喷射成型法

颗粒

镁合金一一液态法

品须厂

钛合金一一固态、液态法、原位生长法

短纤维

高温合金一一原位生长法

金属间化合物一一粉末冶金、原位生长法

常用制备方法：固态法、液态法、原位生长法、粉末冶金法、喷射成型法。

制造长纤维增加复合材料方法：固态法、液态法。

4.制备金属基体复合材料时，制备工艺的选择原那么？金属基复合材料的制造难点是什么？

答：一、1）基体与增加剂的选择，基体与增加剂的结合；

2）界面的形成机制，界面产物的限制及界面设计；

3）增加剂在基体中的匀称分布；

4）制备工艺方法及参数的选择和优化；

5）制备本钱的限制和降低，工业化应用的前景。

二、①简洁发生界面反响，因为须要高的制造温度（高于或接近于基体的熔点）；

②很多增加纤维对基体的浸润性差，甚至不完全浸润；

③如何匀称分布增加体。

5.如何去解决金属基复合材料的界面反响问题？3种方式

①增加剂的外表改性处理

②金属基体改性1添加微量合金元素）

③优化制备工艺参数，采纳新工艺。

7.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？常见的增加体有哪些？

答：①铝基体为面心立方构造，具有良好的塑性和韧性，易加工、工程牢靠性及价格低廉等优点，为其在

工程上应用创建了有利的条件。

②硼、碳、碳化硅、氧化铝等纤维和不锈钢

③碳化硅、氧化铝、碳化硼、氧化硅、碳化钛

8.目前影响金属基复合材料的应用扩大的主要问题有哪些？

工艺技术困难、价格昂贵、性能有待改良、工艺尚需完整、设计与运用经验缺乏、相容性问题、如何提高

界面粘结强度

七.陶瓷基复合材料

1.陶瓷基复合材料常用哪些增加材料？

答：陶瓷基复合材料中的增加体通