聚合物基复合材料考试题库及答案解析

聚合物基复合材料考试题库及答案解析一、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.下列哪一组材料最适合作为环氧树脂的常温固化剂？A.芳香二胺/酸酐B.脂肪族多元胺/聚酰胺C.咪唑/双氰胺D.酚醛树脂/脲醛树脂答案：B解析：脂肪族多元胺与聚酰胺在常温下即可与环氧基团发生开环反应，实现室温固化；芳香二胺需加热，酸酐需高温，咪唑/双氰胺为潜伏型固化剂，酚醛、脲醛不用于环氧固化。2.纤维体积分数φ_f=55%的单向碳纤维/环氧层板，实测纵向弹性模量E_L=145GPa。已知E_f=230GPa，E_m=3.2GPa，则该实测值与混合律预测值的相对误差为A.1.8%B.3.4%C.5.1%D.7.9%答案：A解析：E_L^Rule=φ_fE_f+(1−φ_f)E_m=0.55×230+0.45×3.2=147.9GPa；相对误差=(147.9−145)/147.9×100%=1.8%。3.在真空辅助树脂灌注（VARI）工艺中，导致“干斑”缺陷的最直接原因是A.纤维表面未上浆B.树脂凝胶时间过长C.真空袋破裂导致真空度骤降D.导流网目数过大答案：C解析：真空度骤降使树脂流动前沿停滞，纤维未被充分浸润，形成干斑；其余选项会降低浸润效率，但非最直接原因。4.下列关于界面相（interphase）的描述，错误的是A.界面相厚度通常为数十至数百纳米B.界面相模量一定高于基体模量C.硅烷偶联剂可参与界面相化学键合D.界面相微观结构可用纳米压痕表征答案：B解析：柔性界面层设计可降低残余应力，此时界面相模量可低于基体；其余均正确。5.对于T300/环氧预浸料，若采用热压罐固化，推荐升温段施加全压的时机为A.室温即施加B.树脂最低黏度温度前10°CC.凝胶点温度后D.玻璃化转变温度以上答案：B解析：在最低黏度前施加全压可排出气泡并压实纤维；过早施压树脂被挤出，过晚则气泡无法排除。6.采用双悬臂梁（DCB）试验测得单向层板临界能量释放率G_IC，若试样厚度h=3mm，初始裂纹长度a=35mm，载荷–位移曲线线性段最大载荷P_max=45N，对应位移δ=2.1mm，则修正梁理论（MBT）公式计算G_IC为A.0.38kJ/m²B.0.52kJ/m²C.0.65kJ/m²D.0.78kJ/m²答案：C解析：MBT公式G_IC=(3Pδ)/(2ba)，其中b=试样宽度取20mm（标准），代入得G_IC=(3×45×2.1)/(2×20×35)=0.2025N·mm/mm²=0.65kJ/m²。7.湿热环境对碳纤维/环氧层板横向强度影响显著，其主要机理是A.水分子引起碳纤维氧化B.基体塑化及界面水解C.纤维–基体热膨胀失配D.树脂交联密度增加答案：B解析：水分子破坏环氧交联网络并塑化基体，同时削弱界面氢键；碳纤维本身耐水氧化。8.在层合板经典层合理论（CLT）中，对称铺层[0/45/90/−45]_S的B矩阵A.为零矩阵B.对角元素非零C.非对角元素非零D.与材料主轴方向无关答案：A解析：对称铺层几何中面与材料中面重合，耦合刚度B_ij≡0。9.采用Halpin–Tsai方程估算短玻纤/尼龙6复合材料的横向模量E_22，若纤维长径比l/d=20，φ_f=30%，E_f=72GPa，E_m=2.5GPa，则E_22最接近A.5.8GPaB.7.4GPaC.9.1GPaD.11.2GPa答案：B解析：取ξ=2(l/d)=40，η=(E_f/E_m−1)/(E_f/E_m+ξ)=0.918，E_22=E_m(1+ξηφ_f)/(1−ηφ_f)=2.5×(1+40×0.918×0.3)/(1−0.918×0.3)=7.4GPa。10.下列无损检测方法中，对分层缺陷最敏感且可定量的是A.超声C扫描B.目视检查C.敲击法D.射线照相答案：A解析：超声C扫描可给出分层面积、深度，分辨率可达0.5mm；射线对树脂rich区对比度低，敲击法仅定性。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.提高芳纶纤维/环氧层板层间断裂韧性的有效途径包括A.在层间插入热塑性尼龙66微粒B.采用环氧–酚醛共混基体C.等离子体处理芳纶表面D.在层间引入碳纳米管纸答案：A、C、D解析：热塑性颗粒、碳纳米管纸可引发裂纹桥接；等离子体处理提高界面粘接；酚醛共混使基体脆性增加，反而降低韧性。12.关于聚合物基复合材料疲劳寿命预测模型，下列说法正确的是A.剩余刚度模型以弹性模量退化作为失效判据B.剩余强度模型认为疲劳寿命对应强度降至外加载荷C.phenomenologicalS–N曲线适用于任意铺层比例D.累积损伤模型需引入载荷顺序效应因子答案：A、B、D解析：S–N曲线需通过试验重新标定不同铺层；其余均正确。13.在拉挤成型工艺中，可能导致产品表面“起毛”的原因有A.纤维张力不足B.模具入口温度过低C.脱模剂过量D.牵引速度大于树脂凝胶速度答案：A、B、D解析：张力不足使纤维束松散；入口温度低导致树脂未能及时浸润；牵引过快树脂未凝胶；脱模剂过量会降低粘接力但不起毛。14.下列参数可用于评价纤维–基体界面剪切强度的是A.微脱粘测试（microdroplet）B.单纤维拔出测试C.短梁剪切强度D.Iosipescu剪切试验答案：A、B解析：微脱粘与单纤维拔出直接给出界面剪切强度；短梁、Iosipescu为宏观层间剪切，含基体贡献。15.对于热塑性预浸带激光辅助自动铺放（AFP）工艺，需重点控制的工艺窗口参数包括A.激光功率密度B.压辊温度C.铺放速度D.环境相对湿度答案：A、B、C解析：湿度对热塑性界面愈合影响极小；前三者直接决定熔融深度与冷却速率。三、填空题（每空2分，共20分）16.在层合板弯曲强度测试中，若跨厚比L/h=32，则试样破坏模式以________破坏为主，可避免________破坏。答案：拉伸；剪切解析：大跨厚比使最大正应力先于剪应力达到极限。17.当环氧体系采用咪唑类潜伏固化剂时，其固化反应遵循________机理，DSC曲线呈现________峰。答案：阴离子开环；单放热解析：咪唑先与环氧基形成烷氧负离子，再链增长，单一放热峰。18.采用Kelly–Tyson模型估算短纤维复合材料强度时，需已知纤维________长度分布及纤维________强度。答案：临界；拉伸解析：模型需判断纤维长度是否大于临界传递长度l_c，并取纤维实测拉伸强度。19.在真空袋成型中，螺旋管导流器的主要作用是________，其管槽深度一般控制在________mm。答案：均匀分布树脂；1–2解析：槽深过大导致树脂局部冲刷纤维。20.碳/碳复合材料与碳/环氧相比，其优势在于________性能，但缺点是________成本高。答案：高温力学；制备（或致密化）四、简答题（每题8分，共24分）21.简述热塑性复合材料焊接（resistancewelding）过程中“焦耳热”产生与界面愈合的耦合机制，并指出影响接头强度的关键工艺参数。答案：电流通过置于界面的不锈钢网或碳纤维织物加热元件，产生焦耳热Q=I²Rt，使界面温度迅速升至基体熔点以上；熔融聚合物链段扩散跨越界面，形成链缠结与再结晶。耦合机制为：温度升高→熔融深度增加→链扩散系数按Arrhenius关系指数增大→愈合度提高。关键参数：1.加热元件电阻率与网格尺寸，决定热流密度分布；2.焊接压力，保证紧密接触并挤出气泡；3.峰值温度与保温时间，需高于熔点20–30°C但低于降解温度；4.冷却速率，影响再结晶度与残余应力；5.接头设计搭接长度，避免端部应力集中。22.对比湿热环境（70°C/85%RH，1000h）对环氧与双马（BMI）基复合材料层间剪切强度的影响差异，并从化学结构角度解释原因。答案：环氧吸湿率约1.8–2.2%，水分子破坏氢键与醚键，引起塑化，层间剪切强度保持率约65–70%；BMI吸湿率仅0.6–0.8%，且主链含刚性酰亚胺环，水分子难以进入网络，塑化效应弱，强度保持率>90%。化学结构上，BMI交联点密度高，自由体积少；环氧–胺交联点间距大，极性羟基易与水形成氢键，导致界面水解与基体微裂纹扩展。23.说明层合板“弹簧–质量”模型在预测高速冲击分层扩展时的基本假设，并指出其相较于Cohesive单元有限元法的优势与局限。答案：假设：1.层板简化为各向异性弹簧系统，层间用非线性弹簧表示II型断裂韧性；2.忽略面内惯性，仅考虑层间剪切波传播；3.分层前沿满足能量释放率准则G=G_IIC时扩展。优势：计算量小，可快速参数扫描；显式表达分层长度与冲击速度关系。局限：无法捕捉纤维断裂、剪切冲塞等多模式耦合；弹簧参数需试验标定，对三维复杂几何适应性差。五、计算与分析题（共41分）24.（12分）已知T700/环氧单向预浸料性能：E_f=230GPa，V_f=60%，E_m=3.0GPa，ν_m=0.35，ν_f=0.20。（1）用混合律估算纵向弹性模量E_1与主泊松比ν_12；（2）若层板宽20mm、厚2mm，承受轴向拉力F=5kN，求纤维与基体各自承担的载荷；（3）若纤维断裂应变ε_f^=1.8%，基体断裂应变ε_m^=4.5%，判断谁先破坏，并给出极限拉伸强度σ_1u。答案：（1）E_1=0.6×230+0.4×3.0=139.2GPa；ν_12=0.6×0.20+0.4×0.35=0.26。（2）等应变假设：ε=F/(E_1A)=5000/(139.2×10³×20×2)=0.000897；F_f=E_fεV_fA=230×10³×0.000897×0.6×40×10⁻⁶=4.96kN；F_m=F−F_f=0.04kN。（3）ε_f^=0.018<ε_m^=0.045，纤维先断；σ_1u=E_1ε_f^=139.2×0.018=2.51GPa。25.（14分）某汽车传动轴采用[±45/0/90]_2S碳纤维/环氧层合管，内径60mm，壁厚3mm，设计扭矩T=3.5kN·m。（1）用nettinganalysis估算±45°层所需纤维体积分数V_f，使剪切强度τ_xy≥120MPa，已知纤维纵向强度σ_f=3500MPa；（2）若实测层合管扭转角φ=2.2°（长度L=500mm），求平均剪切模量G_xy；（3）校核是否满足刚度要求（规定φ≤2.5°）。答案：（1）netting：τ_xy=σ_fV_fsinθcosθ，θ=45°，sinθcosθ=0.5；V_f≥120/(3500×0.5)=6.9%，实际V_f=60%，满足。（2）薄壁管：J=π/32(D_o⁴−D_i⁴)=π/32(66⁴−60⁴)=1.18×10⁻⁶m⁴；φ=TL/(JG_xy)→G_xy=TL/(Jφ)=3500×0.5/(1.18×10⁻⁶×0.0384)=38.6GPa。（3）2.2°<2.5°，满足。26.（15分）飞机机翼前缘遭受10mm直径铝丸、速度150m/s的冲击，采用Dyneema®UD层合板（面密度ρ_s=2.4kg/m²，单层厚度t=0.13mm）防护。（1）用Lambert–Jonas模型估算穿透所需层数N，已知铝丸密度ρ_p=2700kg/m³，经验常数k=2.1×10⁻⁷s²/m²；（2）若实际试验发现N_exp=22层，与模型差异18%，分析可能原因；（3）提出两项工艺改进以降低N_exp。答案：（1）m_p=ρ_pπd³/6=0.00141kg；E_k=½m_pv²=15.9J；Lambert–Jonas：N=kE_k/(ρ_st)=2.1×10⁻⁷×15.9/(2.4×0.00013)=10.7→取11层。（2）差异原因：模型未考虑UD层间剪切耦合、温升导致纤维软化、铝丸变形消耗能量、边界固定刚度。（3）改进：1.采用热塑性胶膜共固化，提高层间韧性，减少剪切冲塞；2.在迎弹面加0.5mm陶瓷涂层，使弹体碎裂分散能量，降低所需层数。六、综合设计题（20分）27.为2028年奥运赛艇桨叶设计一款“碳纤维/环氧–天然亚麻纤维/环氧”混杂层合板，要求：①桨叶长度700mm，最大宽度180mm，厚度渐变3→1.5mm；②在30J三点冲击下无贯穿裂纹；③比刚度≥35GPa·m³/kg，比强度≥250MPa·m³/kg；④生物基材料体积占比≥40%。请给出：（1）铺层序列与混杂策略（含界面设计）；（2）基体体系与固化制度；（3）预计性能计算（密度、弯曲模量、冲击后压缩强度）；（4）可回收性方案。