复合材料总思考题及参考答案

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？

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

（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

的抗疲劳、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根据增强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）强调增强体：碳纤维复合材料

（3）基体与增强体并用：碳纤维增强环氧树脂复合材料（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）

使用温度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复杂

生产成本最低居中最高

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？3个层次

答：1、一次结构：由集体和增强材料复合而成的单层材料，其力学性能决定于组分材料的力学性能、相

几何和界面区的性能；

二次结构：由单层材料层复合而成的层合体，其力学性能决定于单层材料的力学性能和铺层几何

三次结构：指通常所说的工程结构或产品结构，其力学性能决定于层合体的力学性能和结构几何。

2、①单层材料设计：包括正确选择增强材料、基体材料及其配比，该层次决定单层板的性能；

②铺层设计：包括对铺层材料的铺层方案作出合理安排，该层次决定层合板的性能；

③结构设计：最后确定产品结构的形状和尺寸。

6.试分析复合材料的应用及发展。

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

意义的材料。至60年代，在技术上臻于成熟，在许多领域开始取代金属材料。

②随着航空航天技术发展，对结构材料要求比强度、比模量、韧性、耐热、抗环境能力和加工性能都

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

合材料。以后又陆续出现金属基利陶宽基先进复合材料。

③经过60年代末期使用，树脂基高性能复合材料已用于制造军用匕机的承力结构，今年来乂逐步进

入其他工业领域。

④70年代末期发展的用高弓虽度、高模量的耐热纤维与金属复合,特别是与轻金属免合而成金属基复合

材料，克服了树脂基复合材料耐热性差和不到电、导热性低等不足。

⑤80年代开始逐渐发展陶瓷基复合材料，采用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分配纤维间的载荷，并使载荷均衡；③保护纤维不受环境

影响，免受各种损伤。

2.选择金属基体的主要原则是什么？3个原则

答：①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。例如高性能发动机则要求复合材

料不仅有高比强度、比模量性能，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

碳化硅/钛，鸽丝/锲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

由于增强物的性质和增强机理的不同，在基体材料的选择原则上有很大差别。对•于连续纤维增强金属基亚

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，但对于非连续增强金属基复合材料具有

决定性的影响。

③基体金属与增强物的相容性

由于金属基复合材料需要在高温下成型，所以在金属基复合材料制备过程中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。

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？

答：1.作为复合材料基体的聚合物的种类很多，经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，工艺装置简单：树脂固化后综合性能良好，力学性能不

如的醛树脂或环氧树脂；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。

(3)酚醛树脂

①优点：比环氯树脂价格便宜

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。

3.①聚酯树脂主要应用与玻璃纤维增强，用于绝大部分GRP制品，一般要求的结构，如汽车、船舶、化工、

电子电器等；②环氧树脂使用范围最广，性能最好，用于主承力结构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强，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

工业性能好好比较好

力学性能比较好优秀比较好

耐热性能80℃120-180℃>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？列表比较

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

5.陶瓷和玻璃陶瓷的区别？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•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（比如CO?激光熔融）、制造工艺，在玻璃机制中生长出晶体。玻陶的特点是

玻璃和陶瓷性能的兼容，所以应用空间大。

三.复合材料的增强材料★（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：30|jm;初级纤维

20pm；中级纤维：10一20pm；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。有连续纤维，其中有无捻粗纱及有捻粗纱（用于纺织）、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。根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、

耐硬玻璃纤维、耐酸玻璃纤维、普通玻璃纤维（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，对所有化学药品和有机溶剂都有良好的化学稳定性。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C④温度对玻

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

50-100%；当温度升高到100℃以上时，破坏作用将更剧烈。同样的玻璃纤维，受不同体积的侵蚀介质作

用，其化学稳定性不同，介质的体积越大，对纤维的侵蚀越严重。

2.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？

答：一（1）原丝中的纤维不散乱而能相互粘附在一起；（2）防止纤维间的磨损；（3）原丝相互间不

粘结在一起；（4）便于纺织加工等。

二.常用的浸润剂有石蜡乳剂和聚醋酸乙烯酯两种，前者属于纺织型，后者属于增强型。石蜡乳剂

中主要含有石蜡、凡士林、硬酯酸和受压汽油等矿物脂类的组分，这些组分有利于纺织加工，但严重地阻

碍树脂为玻璃布的浸润，影响树脂与纤维的结合。因此，用含石蜡乳剂的玻璃纤维及其制品，必须在浸胶

前除去。聚醋酸乙烯酯对玻璃钢性能影响不大，浸胶前可不比去除。但这种浸润剂在纺织时易使玻璃纤维

起毛，一般用于生产无捻粗纱，无捻粗纱织物，以及短切纤维和短切纤维毡。

3.玻璃纤维的强度为什么比同成分的块状玻璃高几十倍？用微裂纹理论和定向拉伸来解释强度

①微裂纹假说认为，玻璃的理论强度取决于分子或原子间的引力，其理论强度很高，可达到2（X）0-

12000MPa。由于微裂纹的存在，使玻璃在外力作用下受力不均，在危害最大的微裂纹处，产生应力集中，

从而使强度下降。另外，玻璃纤维高温成型时减少了玻璃溶液的不均一性，使微裂纹产生的机会减少。此

外，玻璃纤维的断面较少，随着断面的减小，使裂纹存在的几率也减小，从而使纤维强度提高。

②玻璃纤维在成型过程中由于拉纥机的牵引力作用，使玻纤内部分子产生一定的定向排列，抗拉强度提高。

4.玻璃纤维强度的影响因素有哪些？为什么？主要是微裂纹理论的应用

答：①••般情况，玻璃纤维的拉伸强度随直径变细而拉伸强度懈加。

②拉伸强度也与纤维的长度有关，随着长度增加拉伸强度显著下降。纤维直径和长度对拉伸强度的影

响，可用“微裂纹理论”给予解释，随着纤维直径的减小和长度的缩短，纤维中微裂纹的数量和大小就会

相应地减小，这样强度就会相应地增加，纤维越长，产生微裂纹的概率越大。

③化学组成对强度的影响，纤维的强度与玻璃的化学成分关系密切。一般来说，含碱量越高，强度越

低，研究表明，高强和无碱玻璃纤维由于成型温度高、硬化速度快、结构键能大等原因，而具有很高的拉

伸强度。纤维的表面缺陷对强度影响巨大。各种纤维都有微裂纹时强度相近，只有当表面缺陷减小到•定

程度时，纤维强度对其化学组成的依赖关系才会表现出来。

④存放时间对纤维强度的影响一一纤维的老化。当纤维存放•段时间后，会出现强度下降的现象，称

为纤维的老化。这主要取决于纤维对大气水分的化学稳定性。

⑤施加负荷时间对纤维强度的影响一一纤维的疲劳。玻璃纤维的疲劳一般是指纤维强度随施加负荷时

间的增加而降低的情况。玻璃纤维疲劳的原因，在于媳妇作用的影响，即水分吸附并渗透到纤维微裂纹中，

在外力的作用下，加速裂纹的扩展。

⑥玻璃纤维成型方法和成型条件对强度也有很大影响。如玻璃硬化速度越快，拉制的纤维强度也越高。

5.碳纤维的制造方法有几种？碳纤维的主要性能是什么？两种制造方法

答：①碳纤维制造方法可分为两种类型，即气相法和有机纤维碳化法。②碳纤维主要性能：低密度,

高强度，高模量，耐高温，低电阻，高传导，低膨胀，耐辐射以及化学稳定性好（除硝酸等少数强酸

外，几乎对所有药品均稳定，对碱也稳定）等特性。

6.目前制作碳纤维主要原材料有哪三种？

①人造丝（粘胶纤维）；②聚丙烯懵（PAN）纤维，它不同于睛纶毛线；③沥青

7.有机纤维制作碳纤维所选择条件是什么？一般分为哪几步？五步

答：一.天然纤维、再生纤维和合成纤维都可用来制备碳纤维。选择的条件是加热时不熔融，可牵伸，

日碳纤维产率高c

二（I）拉丝：可用湿法、干法或者熔融状态三种方法进行。（2）牵伸：在室温以上，通常是100—300C

范围内进行（3）稳定：通过400℃加热氧化的方法。（4）碳化：在1000—2000C范围内进行。（5）石墨

化：在2000—3000C范围内进行。

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？

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别。

9.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？用结构特点解释性能。

I.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：L硼纤维是一种将硼元素通过高温化学气相沉积法在铛丝表面制成的高性能增强纤维，具有很高的比

强度和比模量。2.强度高、模最高、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，高温下与金属反应，需在表面沉积SiC层。

四.复合材料的界面

1.复合材料的界面定义是什么，包括哪些部分，有何特点？有哪些效应？五个效应

答：①及合材料的界面是指机体与增强物之间化学成分有显著变化的、构成彼此结合的、能起载荷传递作

用的微小区域。

②它包含基体和增强物的部分原始接触面、基体与增强物相互作用生成的反应产物、此产物与基体及增强

物的接触面，基体和增强物的互扩散层，增强物上的表面涂层、基体和增强物上的氧化物及它们的反应产

物等。

③A性能和结构上不同于基体和嫡强材料；B具有一定的厚度：C连接基体与增强材料；D能够传递载荷。

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

（2）阻断效应结合适当的界面有阻止裂纹犷展、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，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（通常是增强物）的表面结构使另一种（通常是聚合物基体）与之接触的物质

的结构由于诱导作用而发生改变，由此产生一些现象，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？怎样进行控制？P67（界面的化学反应）三条途径

答：①在金属基复合材料中往往由于基体与增强物发生相互作用生成化合物，基体与增强物的互相扩散而

形成扩散层，增强物的表面预处理涂层，使界面的形状、尺寸、成分、结构等变得非常复杂。

②A对增强材料进行表面涂层处理；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应结合

4.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？

答：表面处理：在增强材料表面涂覆上一种称为表面处理剂的物质，这种表面处理剂包括浸润剂及一系列

偶我剂和助剂等物质，以利于增强材料与基体间形成一个良好的粘结界面，从而达到提高复合材料各种性

能的目的。

①玻璃纤维：I前处理法II后处理法III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C

③硼纤维：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强纤维的接触与

浸润过程。第二阶段是聚合物的固化阶段。（I）首先应考虑如何改善增强材料与基体间的浸润性；（2）适

度的界面粘结；（3）减少复合材料成型中形成的残余应力；（4）调节界面内应力，减缓应力集中。

二、在陶骁基复合材料中，增强纤维与基体之间形成的反应层质地比较均匀，对纤维和基体都能很好地结

合，但通常它是脆性的。（1）改变基体元素；（2）增强体表面涂层。

6.复合材料的复合法唉理舍定律?）,'

答：满足以下条件：1.复各新箍宏观上是均值的，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.%）：

Pc：复合材料的某性能，如强度、弹性模量、热导率等；

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、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。

1、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）由于柒逖|沙印欲遮避吐帝丧”属被应苗遮彳费里军比.用成药的局部应力。

13）基体器膨胀系数的差算对复合材料常界面绪合及"类性能海重要的影响。

2、化学相容ft：主要指基体与增强体之间有无化学反应。化学反应会不同程度地损伤增强材料的性能。

8.计算2列方去纤邺］距R与Vf的关系式。Vf纤维体积含量

（）（）（）

纤维立ln—=—ln27F/>/3V/.=-ln3.63/V,

九

s=2%-1/-

纤维六方

正方形阵歹U匕

2A/3V,

六边形阵列

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？

答：1.具有较高的比强度和比模量：2.抗疲劳性能好：3.减振性能好：4.高温性能好：5.安全性好：6.可设

计性强、成型工艺简单。

2.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？

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。玻璃纤维增强环氧、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是各种GFRP中耐

热性最好的一种③玻璃纤维增强聚酯树脂最突出的特点是加工性能好，它的透光性好，价格很便宜。

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上么？P90

（I）①比强度、比刚度高的原贝I;②材料与结构的使用环境相适应的原则；③满足结构特殊性要求的原

则；④满足工艺性要求的原则；⑤成本低、效益高的原则。

（2）纤维选择：先根据结构的功能选取能满足一定的力学、物理和化学性能纤维，然后按比强度、比刚

度和性价比选取纤维规格。

4.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）

答：1.注射成型；挤出成型；热塑性片状模塑料热冲压成型

2.热塑性树脂基兔合材料成型工艺，分别适用于短纤维增强和连续纤维增强热塑性复合材料两类。

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

答：主要因素：结构质量、研制成本、制造工艺、结构鉴定、质量控制、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。结构设计。

六.金属基复合材料十（重点）

L金属复合材料的基体性能与应用？

答：金属基复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，而与树脂基复合材料相比，

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。

高温合金一固态法

氧化铝纤维

而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。

制造长纤维增强复合材料方法：固态法、液态法。

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

答：一、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。

二、①容易发生界面反应，因为需要高的制造温度（高于或接近于基体的熔点）；

②许多增强纤维对基体的浸涧性差，甚至不完全浸润；

③如何均匀分布增强体。

5.如何去解决金属基复合材料的界面反应问题？3种方式

①增强剂的表面改性处理

②金属基体改性（添加微量合金元素）

③优化制备工艺参数，采用新工艺。

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？常见的增强体有哪些？

答：①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。

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？

工艺技术复杂、价格昂贵、性能有待改进、工艺尚需完整、设计与使用经验不足、相容性问题、如何提高

界面粘结强度

七