2025年《复合材料学》期末考试试题及答案解析

2025年《复合材料学》期末考试试题及答案解析1.单项选择（每题1分，共15分）1.1在纤维增强复合材料中，纤维与基体界面剪切强度τ_i的常用微观测试方法是A.纳米压痕B.微滴脱粘C.双悬臂梁D.三点弯曲答案：B1.2对于单向层板，纵向弹性模量E_1的混合律公式为A.E_1=E_fV_f+E_mV_mB.1/E_1=V_f/E_f+V_m/E_mC.E_1=E_fE_m/(V_fE_m+V_mE_f)D.E_1=√(E_fE_m)答案：A1.3下列哪种缺陷对纤维缠绕压力容器爆破强度影响最大A.纤维错位B.基体微裂纹C.界面脱粘D.孔隙率>2%答案：D1.4环氧树脂固化反应属于A.自由基聚合B.缩合聚合C.逐步加成聚合D.阳离子开环聚合答案：C1.5层合板[0/45/−45/90]_2S的“S”表示A.对称铺层B.反对称铺层C.均衡铺层D.准各向同性答案：A1.6玻璃纤维表面常用硅烷偶联剂，其水解后生成的硅醇基团与玻璃表面何种基团缩合A.–OHB.–COOHC.–NH_2D.–Cl答案：A1.7采用真空辅助树脂灌注(VARI)工艺时，渗透率K的单位是A.m²B.m/sC.m³/(Pa·s)D.m²/s答案：A1.8碳纤维/环氧层板在湿热环境下吸湿平衡后，玻璃化转变温度T_g通常A.升高10–15℃B.降低20–40℃C.不变D.先升后降答案：B1.9下列哪种增韧机制对热塑性基体复合材料最有效A.纤维桥联B.裂纹偏转C.剪切带增韧D.相区银纹化答案：C1.10采用HalpinTsai方程预测横向模量E_2时，形状参数ξ对圆形纤维通常取A.0B.1C.2D.4答案：C1.11层间断裂韧性G_IC测试时，双悬臂梁(DCB)试样的预制裂纹长度应满足A.a_0=0.3WB.a_0=0.5WC.a_0=0.7WD.a_0=W答案：B1.12铝碳纤维层板(FML)中，纤维体积分数V_f一般控制在A.20%B.35%C.50%D.65%答案：C1.13下列哪种无损检测方法对分层缺陷最敏感A.超声C扫描B.涡流C.射线D.磁粉答案：A1.14热压罐成型中，固化压力主要目的是A.提高纤维强度B.抑制固化放热C.排除孔隙D.加速凝胶答案：C1.15采用TsaiWu张量准则时，相互作用项F_12的符号A.恒正B.恒负C.可正可负D.必为零答案：C2.多项选择（每题2分，共10分；多选少选均不得分）2.1下列因素会显著降低层合板压缩强度的是A.纤维微屈曲B.界面剪切强度过高C.孔隙D.湿热E.纤维体积分数过低答案：ACDE2.2属于天然纤维增强复合材料优点的是A.低密度B.可再生C.高比模D.耐湿热E.易回收答案：ABCE2.3下列工艺参数会直接影响RTM充模时间的是A.树脂粘度B.纤维渗透率C.注射压力D.模具温度E.纤维拉伸模量答案：ABCD2.4层合板弯曲模量测试时，若跨厚比L/h过小会导致A.剪切变形显著B.实测模量偏低C.实测模量偏高D.破坏模式改变E.无影响答案：ABD2.5下列属于热固性复合材料回收技术的是A.溶剂分解B.热解C.机械粉碎D.水热法E.微波裂解答案：ABDE3.填空题（每空1分，共15分）3.1单向层板纵向强度σ_1^t的混合律表达式为________。答案：σ_1^t=σ_f^tV_f+σ_m^(1−V_f)3.2层合板经典层合理论(CLT)的基本假设包括________、________、________。答案：各向同性线弹性基体；直法线假设；层间无滑移3.3界面剪切强度τ_i与纤维埋入长度L的关系满足________定律。答案：KellyTyson3.4玻璃纤维的E玻璃名义成分为SiO_2________、Al_2O_3________、CaO________(质量%)。答案：54；14；173.5热压罐固化过程中，通常采用________传感器监测树脂固化度。答案：介电3.6层间剪切强度(ILSS)测试标准ASTM________。答案：D23443.7碳纤维表面电化学氧化处理的目的是增加________基团。答案：含氧活性3.8真空袋压成型中，真空度一般不低于________kPa。答案：−953.9层合板自由边效应产生的根本原因是________不为零。答案：层间正应力σ_z3.10复合材料疲劳寿命SN曲线常用________函数拟合。答案：Basquin3.11铝蜂窝芯材的节点胶强度指标为________。答案：节点剥离强度3.12热塑性复合材料焊接常用的加热方式为________、________。答案：电阻焊；感应焊3.13采用Darcy定律计算充模时间t的积分形式为t=________。答案：∫_0^L〖μ/(K·P)〗·xdx3.14层合板弯曲刚度D_11的单位是________。答案：N·m3.15复合材料湿热扩散系数D的单位是________。答案：m²/s4.简答题（每题6分，共30分）4.1简述纤维表面等离子体处理对界面粘结的作用机理。答案：等离子体轰击使纤维表面产生自由基与极性基团(–OH,–COOH)，提高表面能；同时微刻蚀增加表面粗糙度，机械锚定作用增强；两方面协同提高界面剪切强度10–40%。4.2写出层合板面内柔度矩阵[S]与工程弹性常数的关系式，并说明各元素物理意义。答案：S_11=1/E_1,S_22=1/E_2,S_66=1/G_12,S_12=−ν_21/E_2=−ν_12/E_1,S_16=S_26=0E_1、E_2为纵向、横向模量；G_12为面内剪切模量；ν_12为主泊松比。4.3解释“固化度”定义，并给出DSC测试固化度α的计算公式。答案：固化度α为已反应热与总反应热之比：α=(H_0−H_R)/H_0，其中H_0为未固化样品总放热，H_R为剩余放热。4.4列举三种层间增韧方法并比较其优缺点。答案：1.层间插膜：增韧显著(G_IC提高2–3倍)，增重<5%，工艺兼容好，成本较高。2.纳米粒子增韧：添加1–3%纳米橡胶，G_IC提高50%，粘度升高，易团聚。3.三维机织：层间剪切强度提高40%，但面内模量下降10%，工艺复杂。4.5说明真空袋成型中“桥接”缺陷产生原因及解决措施。答案：原因：真空袋膜在拐角处无法贴合，形成空腔，固化压力无法传递。措施：加设半刚性导气条、局部抽沟、降低袋膜厚度、预热软化妆膜。5.计算题（共30分）5.1单向碳纤维/环氧层板，V_f=60%，E_f=230GPa，E_m=3.5GPa，ν_f=0.25，ν_m=0.35。求：(1)纵向模量E_1；(2)主泊松比ν_12；(3)横向模量E_2（HalpinTsai，ξ=2）。答案：(1)E_1=0.6×230+0.4×3.5=139.4GPa(2)ν_12=0.6×0.25+0.4×0.35=0.29(3)η=(230/3.5−1)/(230/3.5+2)=0.970E_2=3.5×(1+2×0.970×0.6)/(1−0.970×0.6)=18.7GPa5.2层合板[0/90]_4S总厚t=2mm，单层高0.125mm，E_1=140GPa，E_2=10GPa，G_12=5GPa，ν_12=0.3。求：(1)面内等效模量E_x；(2)等效泊松比ν_xy。答案：(1)对称均衡，0°与90°各占50%，E_x≈(E_1+E_2)/2=75GPa(2)ν_xy≈(ν_12+ν_21)/2，ν_21=ν_12E_2/E_1=0.0214ν_xy=(0.3+0.0214)/2=0.1615.3圆形缠绕压力容器，内径D=400mm，设计爆破压力p_b=15MPa，纤维环向强度σ_f^t=3500MPa，安全系数n=2.5，V_f=65%。求：(1)按网格理论计算所需壁厚t；(2)若采用T70012k碳纤维，线密度0.8g/m，纤维密度1.78g/cm³，求环向缠绕层单层纤维用量(kg)。答案：(1)环向应力σ_h=p_bD/(2t)≤σ_f^tV_f/nt=(15×0.4×2.5)/(2×3500×0.65)=3.30mm(2)单层面积A=π(D+t)×t=π×0.4033×0.0033=4.18×10⁻³m²纤维体积V_f_layer=A×V_f=4.18×10⁻³×0.65=2.72×10⁻³m³质量m=V_f_layer×1.78×1000=4.84kg5.4层合板四点弯曲试样宽b=15mm，厚h=2mm，跨距L=80mm，载荷P=500N时中点挠度δ=1.2mm。求：(1)弯曲模量E_f；(2)若破坏载荷P_max=1.2kN，求弯曲强度σ_f。答案：(1)E_f=(PL³)/(4bh³δ)=(500×0.08³)/(4×0.015×0.002³×0.0012)=44.4GPa(2)σ_f=(3P_maxL)/(2bh²)=(3×1200×0.08)/(2×0.015×0.002²)=480MPa5.5蜂窝夹层梁，面板厚t_f=0.5mm，铝蜂窝芯高h_c=20mm，芯材剪切模量G_c=120MPa，面板E_f=70GPa，梁宽b=30mm，三点弯曲跨距L=300mm。求：(1)芯材剪切刚度与面板弯曲刚度之比；(2)当集中载荷P=200N时，芯材最大剪应力τ_c。答案：(1)D_f=E_fbt_f(h_c+t_f)²/2=70×10⁹×0.03×0.0005×0.0205²/2=221kN·m²D_c=G_cbh_c³/12=120×10⁶×0.03×0.02³/12=2.4N·m²比值D_c/D_f=1.09×10⁻⁵(2)τ_c=P/(2bh_c)=200/(2×0.03×0.02)=0.167MPa6.综合分析题（共30分）6.1某航空主承力翼盒采用T800/环氧单向预浸料，设计载荷下最大应变ε_x=4000µε。实测发现湿热环境(70℃/85%RH，平衡吸湿1.2%)后，压缩强度下降25%。任务：(1)建立湿热机械耦合强度退化模型；(2)提出材料与工艺改进方案并给出量化预期。答案：(1)采用退化因子R=1−k·C^m，C为吸湿浓度，k=0.22，m=0.55；则R=0.75，与实验吻合。(2)改进：①树脂改为高韧环氧BMI混合体系，T_g提高30℃；②界面采用等离子体+环氧基硅烷双重处理，ILSS提高18%；③层间插0.1mm热塑膜，G_IC提高2倍；④固化后采用180℃后处理2h，降低残余应力15%。预期湿热压缩强度恢复至原值95%，疲劳寿命提高1.8倍。6.2风电叶片主梁帽采用碳玻混杂单向带，目标在保证轴向刚度≥110GPa前提下降低成本20%。已知碳纤E_c=230GPa，单价28$/kg；玻纤E_g=85GPa，单价2.2$/kg；树脂相同。任务：(1)建立刚度成本双目标优化模型；(2)求最优碳/玻体积比；(3)给出工艺实施要点。答案：(1)目标函数：minCost=28V_c+2.2V_g，约束E_x=230V_c+85V_g≥110GPa，V_c+V_g=V_f=60%。(2)解得V_c=0.194，V_g=0.406；即碳纤占19.4%，玻纤占40.6%，成本降低21.3%，E_x=110.1GPa。(3)工艺：采用分纱器在线铺放，碳纤居中层，玻纤两侧，保证张力一致；固化制度与纯碳相同，需验证层间剪切强度下降<5%，通过增加0.5%纳米橡胶解决。6.3某卫星支架采用M40J/氰酸酯层合板，在轨运行温度−150℃~+120℃，需承受火箭发射段随机振动RMS加速度12g，频率20–2000Hz，持续时间2min。任务：(1)建立热振耦合疲劳寿命预测流程；(2)给出关键测试与仿真参数；(3)提出减重10%且一阶频率>120Hz的结构优化方案。答案：(1)流程：①热循环试验(−150℃↔120℃，100次)测得模量退化<3%；②采用PSD谱输入，Miner累积损伤，Basquin指数m=9.2；③热应力与振动应力叠加，最大主应力σ_max=180MPa，寿命N>5×10⁶次。(2)测试：DMA测低温模量升高12%，层间剪切强度下降8%；仿真：模态分析得初始一阶频率108Hz，谐响应峰值应力165MPa。(3)优化：将[0/45/−45/90]_3S改为[0/45/−45/0/90]_2S，铺层减2层，厚度降11%；加设2mm高矩形筋条，提高弯曲刚度；一阶频率升至125Hz，质量减10.2%，最大应力降至158MPa，安全系数>2。7.英文文献翻译与解读（10分）将以下摘要翻译成中文并指出实验关键结论：“Interfacialshearstrengthofsizedcarbonfiber/epoxywasevaluatedbymicrodroplettestundercryogeniccycling.After200thermalshocksbetween−196°Cand25°C,theinterfacialshearstrengthdecreasedby18%,whichwas