复合材料考试试题及答案

复合材料考试试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分。每题只有一个正确答案，请将正确选项字母填入括号内）1.下列哪一组材料全部属于天然纤维增强复合材料？A.亚麻/环氧、剑麻/不饱和聚酯、竹/酚醛B.碳纤维/环氧、Kevlar/乙烯基酯、玄武岩/环氧C.黄麻/聚丙烯、亚麻/环氧、剑麻/不饱和聚酯D.黄麻/聚丙烯、碳纤维/环氧、竹/酚醛答案：C2.对连续纤维单向层合板进行纵向（0°）拉伸时，最先出现的细观破坏模式通常是：A.基体开裂B.纤维基体界面脱粘C.纤维断裂D.剪切带形成答案：C3.在层合板经典层合理论（CLT）中，［B］矩阵不为零的必要条件是：A.铺层对称B.铺层非对称C.铺层角度全部相同D.铺层厚度相等答案：B4.采用真空辅助树脂灌注（VARI）工艺时，为提高厚度方向渗透率，最常采取的措施是：A.提高树脂粘度B.在预制体表面铺放导流网C.降低纤维体积分数D.提高固化温度答案：B5.下列关于碳纤维表面氧等离子体处理的描述，错误的是：A.可提高表面粗糙度B.会引入含氧官能团C.会降低纤维单丝拉伸强度D.可提高纤维/环氧界面剪切强度答案：C6.对玻璃纤维/环氧层合板进行三点弯曲测试，跨厚比为32，若厚度加倍而跨距不变，其表观弯曲强度将：A.显著升高B.显著降低C.基本不变D.先升后降答案：B7.在复合材料疲劳寿命预测中，用于描述基体刚度退化最经典的模型是：A.Paris定律B.SN曲线C.剩余刚度模型（BroutmanSahu型）D.Miner累积损伤法则答案：C8.下列无损检测方法中，对分层缺陷最敏感的是：A.超声C扫描B.涡流检测C.射线透视D.声发射答案：A9.采用HalpinTsai方程预测单向层合板横向模量E₂时，若纤维体积分数Vf=0.6，纤维模量Ef=230GPa，基体模量Em=3GPa，则形状参数ξ取值为：A.0B.1C.2D.与纤维截面形状有关，通常取2答案：D10.对热固性预浸料进行“冷储存”的主要目的是：A.降低树脂粘度B.延缓树脂化学反应C.去除挥发分D.提高纤维浸润度答案：B二、多项选择题（每题3分，共15分。每题有两个或两个以上正确答案，多选、少选、错选均不得分）11.下列因素中，会显著降低玻璃纤维/环氧层间剪切强度的是：A.吸湿B.低温C.热循环D.界面偶联剂过量答案：A、C12.关于碳纤维T300与M40的比较，正确的是：A.T300拉伸强度高于M40B.M40拉伸模量高于T300C.T300断裂伸长率高于M40D.M40密度低于T300答案：A、B、C13.在RTM充模模拟中，控制方程需满足：A.质量守恒B.动量守恒（Darcy定律）C.能量守恒D.Maxwell方程答案：A、B、C14.下列属于热塑性复合材料焊接连接方式的有：A.电阻焊接B.超声焊接C.感应焊接D.胶接答案：A、B、C15.关于层间增韧，下列说法正确的有：A.插层热塑性颗粒可提高分层韧性B.层间碳纳米管阵列会降低层间剪切强度C.离位增韧可在不显著增加重量前提下提高GIcD.层间增韧会降低玻璃化转变温度答案：A、C三、填空题（每空2分，共20分）16.单向层合板纵向泊松比ν₁₂的物理意义是：在________方向施加拉伸应力时，________方向产生的横向应变与纵向应变之比的负值。答案：1（纤维方向）；2（垂直纤维方向）17.当纤维体积分数Vf=0.65时，若采用混合律估算纵向模量，已知Ef=220GPa，Em=2.9GPa，则E₁=________GPa。（保留一位小数）答案：143.518.在ASTMD3039标准中，对0°单向板拉伸试样，推荐试样厚度为________mm，标距长度为________mm。答案：1±0.1；12519.复合材料层合板湿热膨胀系数包括________膨胀系数和________膨胀系数两部分。答案：湿热；热20.真空袋压固化工艺中，通常要求真空度不低于________kPa，袋内绝对压力≤________kPa。答案：85；1521.声发射检测中，常用的两个基本参数是________和________。答案：振铃计数；能量22.对于正交各向异性材料，独立弹性常数共有________个。答案：9四、简答题（每题8分，共24分）23.简述纤维/基体界面剪切强度的微滴脱粘测试原理，并给出界面剪切强度τ的计算公式，说明各符号含义。答案：(1)原理：将单根纤维埋入基体微滴中，固化后通过微钳或刀片对纤维施加轴向拉力，记录纤维从微滴中滑脱时的最大力Fmax，并测量埋入长度L及纤维直径d。(2)公式：τ=Fmax/(πdL)。(3)符号：Fmax—脱粘最大力（N）；d—纤维直径（m）；L—埋入长度（m）；τ—界面剪切强度（Pa）。24.层合板［0/45/90/45］₂s在自由边界处为何会产生层间正应力σz？简述其产生机理及可能的工程对策。答案：机理：由于各铺层角度不同，在面内载荷作用下，各层泊松比及剪切耦合系数不同，导致边缘处面内位移不协调；为满足位移连续性，必须产生层间剪切应力τxz、τyz及层间正应力σz，从而引起边缘分层。对策：1.在边缘采用±45°铺层对称化，降低剪切不协调；2.边缘局部加宽铺层或增加环向缝合；3.采用层间增韧薄膜或颗粒，提高分层韧性；4.设计时控制自由边长度，避免高应力集中。25.对比热固性与热塑性复合材料在回收再利用方面的差异，给出至少三点。答案：1.热塑性基体可熔融再加工，通过粉碎熔融挤出模压可实现二次成型，力学性能保持率可达80%以上；热固性基体交联网络不可逆，只能机械粉碎作填料或热解回收纤维。2.热塑性回收过程无化学反应，能耗低（<2MJ/kg）；热固性热解回收需400–600°C，能耗高（>20MJ/kg）且产生可燃气体。3.热塑性回收纤维长度损失小，可再用于长纤维制品；热固性热解后纤维表面积碳，需重新上浆才能再利用。4.热塑性可实现“闭环”回收，同一部件可循环3次以上；热固性仅能实现“开环”降级利用。五、计算题（共31分）26.（10分）已知单向碳纤维/环氧层合板，Vf=0.6，纤维纵向模量Ef=230GPa，基体模量Em=3GPa，纤维泊松比νf=0.2，基体泊松比νm=0.35。(1)用混合律计算纵向模量E₁；(2)用HalpinTsai方程计算横向模量E₂（取ξ=2）；(3)用混合律计算面内泊松比ν₁₂。答案：(1)E₁=EfVf+Em(1Vf)=230×0.6+3×0.4=138+1.2=139.2GPa(2)令η=(Ef/Em1)/(Ef/Em+ξ)=(230/31)/(230/3+2)=75.67/77.67=0.974E₂=Em(1+ξηVf)/(1ηVf)=3×(1+2×0.974×0.6)/(10.974×0.6)=3×(1+1.1688)/(10.5844)=3×2.1688/0.4156≈15.6GPa(3)ν₁₂=νfVf+νm(1Vf)=0.2×0.6+0.35×0.4=0.12+0.14=0.2627.（10分）某T300/环氧层合板［0₄/90₄］s，总厚度t=2mm，单层厚度0.125mm，在Nx=1000N/mm面内拉伸载荷作用下，求0°层与90°层各自承担的面内力比例。（已知E₁=140GPa，E₂=10GPa，ν₁₂=0.3，G₁₂=5GPa，忽略耦合效应）答案：铺层对称，［0₄/90₄］s共8层，0°层4层，90°层4层。面内刚度：Q₁₁=E₁/(1ν₁₂ν₂₁)，ν₂₁=ν₁₂E₂/E₁=0.3×10/140=0.0214Q₁₁(0)=140/(10.3×0.0214)≈140.9GPaQ₁₁(90)=E₂/(1ν₁₂ν₂₁)=10/(10.00642)≈10.06GPa等效刚度：A₁₁=ΣQ₁₁(i)t_i=(4×140.9+4×10.06)×0.125=(563.6+40.24)×0.125=75.48kN/mm0°层承担力：N₀=Q₁₁(0)t₀ε=140.9×0.125×ε90°层承担力：N₉₀=10.06×0.125×ε比例：N₀/Nx=140.9×0.125×4/75.48=70.45/75.48≈93.3%N₉₀/Nx=5.03/75.48≈6.7%28.（11分）某玻璃纤维/环氧圆管，外径D=80mm，壁厚t=2mm，长L=500mm，承受轴向压力F=50kN。若材料为横向各向同性，E₁=40GPa，E₂=10GPa，ν₁₂=0.3，G₁₂=4GPa，忽略屈曲，求：(1)轴向应力σx；(2)按最大应力准则判断是否会因纵向压缩破坏，已知Xc=600MPa；(3)若改用±55°螺旋缠绕，求环向应力σθ与轴向应力σx之比。答案：(1)A=π(Dt)t=π×78×2=490.1mm²σx=F/A=50000/490.1≈102MPa(2)102MPa<600MPa，不会破坏。(3)±55°螺旋缠绕平衡条件：tan²α=2，σθ/σx=2σθ/σx=2六、综合应用题（共30分）29.（15分）某航空主承力翼梁拟采用T800/M21环氧碳纤维复合材料，设计载荷下最大弯矩M=15kN·m，梁为矩形截面，宽度b=60mm，高度h=80mm，铺层为［0/45/0/45/0/90/0］s，共14层，单层厚度0.125mm，总厚1.75mm，但需加厚到满足强度。已知0°层Xc=1500MPa，Xt=2500MPa，允许最大应变εmax=4000με。(1)按经典层合梁理论，求最外层0°纤维应变ε₀；(2)若应变超限，拟在上下缘各增加n层0°预浸料，求最小n；(3)计算增重百分比（ρc=1600kg/m³，梁长2m）。答案：(1)中性轴居中，I=b(h³/12)=60×80³/12=2.56×10⁶mm⁴ε₀=(Mh/2)/IE₁，需先求等效E₁。0°层8层，45°4层，90°2层，总厚1.75mm。A₁₁=ΣQ₁₁t_i，近似取E₁=140GPa，E₂=10GPa，G₁₂=5GPa，Q₁₁(0)=140，Q₁₁(45)=40，Q₁₁(90)=10A₁₁=(8×140+4×40+2×10)×0.125=(1120+160+20)×0.125=162.5kN/mm等效E=A₁₁/h=162.5/1.75≈92.9GPaε₀=(15×10⁶×40)/(2.56×10⁶×92900)≈2520με<4000με，满足。(2)无需增加，n=0。(3)增重0%。30.（15分）某风电叶片大梁采用双轴±45°玻璃纤维/环氧拉挤板材，板宽150mm，厚6mm，需通过胶接与根部金属套筒连接。胶层采用环氧结构胶，剪切强度τb=25MPa，胶层厚度0.2mm，搭接长度L待定。设计载荷下轴向力F=180kN。(1)按均匀剪切假设，求最小搭接长度Lmin；(2)考虑剪切滞后，给出Volkersen修正公式，并取G=1.2GPa，E=45GPa，求实际所需L；(3)若采用混合连接，增加4根M16螺栓（8.8级，单剪承载力Fs=64kN），求胶螺栓混合连接的安全裕度（载荷分配按胶70%，螺栓30%）。答案：(1)均匀剪切：τ=F/(bL)≤τb→Lmin=F/(bτb)=180000/(150×25)=48mm(2)Volkersen：τmax=(F/b)β/tanh(βL/2)，β=√[G/(tEtₐ)]t=6mm，tₐ=0.2mm，β=√[1200/(6×45000×0.2)]=√0.0222=0.149mm⁻¹令τmax=τb→25=(18000