复合材料专业竞赛题库及答案

复合材料专业竞赛题库及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.下列哪一组纤维与基体组合属于典型的金属基复合材料？A.碳纤维/环氧树脂B.硼纤维/铝C.玻璃纤维/不饱和聚酯D.芳纶纤维/环氧答案：B2.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.三点弯曲B.双悬臂梁(DCB)C.微脱粘(μpullout)D.夏比冲击答案：C3.对于单向层合板，纵向弹性模量E₁的混合律公式为：A.E₁=E_fV_f+E_mV_mB.1/E₁=V_f/E_f+V_m/E_mC.E₁=(E_f+E_m)/2D.E₁=√(E_fE_m)答案：A4.在真空辅助树脂灌注(VARI)工艺中，最常见的缺陷是：A.纤维屈曲B.富脂区C.干斑D.纤维断裂答案：C5.下列哪种无损检测技术对碳纤维层合板内部分层最敏感？A.超声C扫描B.涡流C.射线照相D.磁粉答案：A6.热固性环氧体系固化度α达到多少时，玻璃化转变温度T_g基本接近平台值？A.0.50B.0.75C.0.90D.0.98答案：D7.对夹层结构进行四点弯曲试验时，芯材剪切强度τ_c的计算公式为：A.τ_c=P/(b·d)B.τ_c=P·a/(b·d_c)C.τ_c=P/(2b·d_c)D.τ_c=3P·L/(2b·d²)答案：B8.碳纤维表面等离子体处理的主要目的是：A.提高纤维模量B.增加表面粗糙度和活性官能团C.降低密度D.提高导电性答案：B9.在层合板经典层合理论(CLT)中，[B]矩阵不为零说明：A.材料为各向同性B.存在拉伸弯曲耦合C.层合板对称D.仅受面内载荷答案：B10.根据Griffith断裂理论，脆性基体复合材料临界应变能释放率G_c与断裂应力σ_f的关系为：A.σ_f∝√(G_c/a)B.σ_f∝G_c/aC.σ_f∝a/G_cD.σ_f∝G_c²/a答案：A二、多项选择题（每题3分，共15分；多选少选均不得分）11.下列哪些因素会显著降低纤维/基体界面剪切强度？A.纤维表面未上浆B.界面存在水分C.纤维体积分数V_f增加D.固化后残余热应力大答案：A、B、D12.对碳纤维/环氧预浸料进行热压罐成型时，必须监控的参数包括：A.升温速率B.保温压力C.真空度D.纤维直径答案：A、B、C13.下列哪些现象属于复合材料层合板的“湿膨胀”行为？A.吸水后厚度增加B.吸水后0°方向膨胀C.吸水后90°方向膨胀D.吸水后密度降低答案：A、B、C14.采用芳纶纤维替代玻璃纤维作为防弹材料的原因有：A.比强度更高B.断裂伸长率更大C.密度更低D.耐紫外线性能更好答案：A、B、C15.下列哪些方法可用于测量树脂基复合材料的玻璃化转变温度T_g？A.DSCB.DMAC.TGAD.TMA答案：A、B、D三、填空题（每空2分，共20分）16.单向层合板横向弹性模量E₂的HalpinTsai经验公式为E₂=E_m·(1+ξηV_f)/(1–ηV_f)，其中η=________。答案：(E_f/E_m–1)/(E_f/E_m+ξ)17.在层合板面内刚度矩阵[Q]中，Q₁₂=________。答案：ν₁₂E₂/(1–ν₁₂ν₂₁)18.夹层结构芯材的剪切模量G_c若过低，在弯曲载荷下易发生________破坏。答案：剪切皱曲(shearcrimping)19.真空袋压成型时，通常要求真空度不低于________kPa（绝对压力）。答案：2020.碳纤维表面电化学氧化处理常用的电解质为________溶液。答案：碳酸氢铵或稀硫酸（任填一种）21.根据ASTMD3039，拉伸试样标距段宽度对1mm厚单向带推荐为________mm。答案：1522.当层合板铺层为[0/90₄]_s时，总层数为________层。答案：1023.湿热环境下，环氧基复合材料的T_g下降主要由于树脂的________作用。答案：塑化24.采用RuleofMixtures估算密度时，若纤维密度ρ_f=1.8g/cm³，基体ρ_m=1.2g/cm³，V_f=60%，则复合材料的密度为________g/cm³。答案：1.5625.在疲劳试验中，S–N曲线斜率k越大，说明材料对疲劳载荷的敏感度越________。答案：低四、简答题（每题8分，共24分）26.简述纤维/基体界面微观脱粘的两种主要机制，并指出它们对应的断口形貌特征。答案：(1)界面脱粘：裂纹沿纤维表面扩展，断口光滑，纤维表面干净，常见于弱界面体系；(2)基体内聚破坏：裂纹在基体内部扩展，断口粗糙，纤维表面残留基体，说明界面强度高于基体强度。27.说明热压罐成型中“压实阶段”与“固化阶段”的工艺目的及关键控制参数。答案：压实阶段：去除挥发分与孔隙，使纤维充分浸润，关键参数为升温速率1–3°C/min、全真空–0.08MPa、压力0.6MPa；固化阶段：完成交联反应，建立力学性能，关键参数为保温温度(T_cure±2°C)、保温时间(按树脂动力学确定)、压力保持0.6MPa。28.写出层合板对称铺层[±45/0/90]_2s的A₁₆、D₁₆是否为零，并解释原因。答案：A₁₆=0，因为铺层关于中面对称，且+45°与–45°层对面内剪切耦合贡献抵消；D₁₆≠0，因为±45°层远离中面，对弯曲扭转耦合有贡献，层合板非对称弯曲。五、计算题（共41分）29.（10分）已知单向碳纤维/环氧预浸料：E_f=230GPa，E_m=3.5GPa，V_f=60%，ν_f=0.2，ν_m=0.35。(1)用混合律求纵向模量E₁；(2)用HalpinTsai公式求横向模量E₂（取ξ=2）；(3)求主泊松比ν₁₂。答案：(1)E₁=0.6×230+0.4×3.5=139.4GPa(2)η=(230/3.5–1)/(230/3.5+2)=0.941E₂=3.5×(1+2×0.941×0.6)/(1–0.941×0.6)=3.5×2.1292/0.4354=17.1GPa(3)ν₁₂=0.6×0.2+0.4×0.35=0.2630.（10分）一块[0/90/0/90]矩形层合板，单层厚度t_k=0.125mm，面内尺寸100mm×50mm，受单轴拉伸N_x=1kN/mm。已知0°层Q₁₁=140GPa，90°层Q₂₂=10GPa，Q₁₂=3GPa，忽略耦合。求：(1)面内刚度A₁₁；(2)中面应变ε_x⁰；(3)0°层应力σ_x^(0)。答案：(1)总厚h=4×0.125=0.5mmA₁₁=Σ(Q₁₁)_kt_k=(140+10+140+10)×0.125=300×0.125=37.5kN/mm(2)ε_x⁰=N_x/A₁₁=1/37.5=0.02667(2.67%)(3)σ_x^(0)=Q₁₁ε_x⁰=140×0.02667=3.73GPa31.（11分）夹层梁宽b=25mm，跨距L=200mm，芯厚h_c=10mm，面板厚t_f=1mm，四点弯曲载荷P=400N，加载点距支座a=50mm。测得跨中挠度δ=2.5mm。(1)计算芯材剪切模量G_c（忽略面板弯曲贡献）；(2)若芯材剪切强度τ_c=0.8MPa，按此载荷校核是否安全。答案：(1)夹层梁挠度公式：δ=P·a·(3L²–4a²)/(24·D)+P·a/(2·b·h_c·G_c)面板抗弯刚度D=E_fbt_fh_c²/2，取E_f=70GPaD=70×10³×25×1×10²/2=8.75×10⁷N·mm²弯曲项δ_b=400×50×(3×200²–4×50²)/(24×8.75×10⁷)=0.17mm剪切项δ_s=δ–δ_b=2.33mm2.33=400×50/(2×25×10×G_c)→G_c=400×50/(2×25×10×2.33)=17.2MPa(2)芯材剪力V=P/2=200Nτ=V/(bh_c)=200/(25×10)=0.8MPa≤τ_c，安全。32.（10分）某环氧浇注体在125°C下等温固化，DSC测得反应热ΔH_t与完全固化ΔH_∞之比为未固化度(1–α)。实验数据：t(min)0102030401–α10.650.400.250.18若反应符合一级动力学dα/dt=k(1–α)，求：(1)用20–40min数据线性回归求k；(2)预测α=0.95所需时间。答案：(1)ln(1–α)=–kt+C，取20–40min三点：ln0.40=–0.916，ln0.25=–1.386，ln0.18=–1.715线性回归斜率=(–1.715+0.916)/(40–20)=–0.03995min⁻¹k=0.040min⁻¹(2)1–α=0.05→ln0.05=–2.996=–0.040t→t=74.9min≈75min六、综合设计题（共30分）33.某型电动垂直起降(eVTOL)机舱地板要求：面密度≤6kg/m²，1kN集中载荷下中心挠度≤2mm，板尺寸600mm×400mm，四边固支。现有材料库：碳纤维T700/epoxy预浸料：ρ=1.6g/cm³，E₁=140GPa，[0/90]ₙ铺层视为均质E=70GPa；铝蜂窝芯：ρ_c=64kg/m³，G_c=22MPa，剪切强度τ_c=0.9MPa；面板厚度t_f与芯厚h_c可连续取值。(1)建立“面板芯”夹层板在集中载荷P下的最大挠度δ解析式（取β=0.0056固支系数）；(2)以面密度最小为目标，用解析法求满足刚度与芯材剪切强度要求的最优t_f与h_c；(3)给出最终铺层数n与芯厚h_c的整数化方案，并校核挠度与剪切安全裕度。答案：(1)固支矩形板中心集中载荷挠度：δ=βPa²b²/[D_s+D_f]其中D_s=b·h_c²·t_f·E_f/2（面板抗弯），D_f忽略；剪切项δ_v=P/(4bh_cG_c)（四边剪流分配）；总δ=βPa²b²/(E_fbh_c²t_f/2)+P/(4bh_cG_c)代入β=0.0056，a=0.6m，b=0.4m，P=1kN，E_f=70GPa，G_c=22MPa。(2)面密度Σ=2t_fρ_f+h_cρ_c=2t_f×1600+h_c×64(kg/m²)约束：δ≤0.002m，τ=P/(4bh_c)≤0.9MPa→h_c≥1kN/(4×0.4m×0.9MPa)=0.694mm将δ表达式与h_c≥0.694mm联立，用拉格朗日乘子法求Σ最小，得：t_f=0.21mm，h_c=6.5mm，Σ=2×0.21×1.6+6.5×0.064=1.09kg/m²<6kg/m²(3)单层预浸料固化厚0.125mm，取n=2，则t_f=0.25mm；芯材常用3mm步进，取h_c=9mm；重新计算：δ=0.0056×1000×0.6²×0.4²/(70×10⁹×0.4×0.009²×0.00025/2)+1000/(4×0.4×0.009×22×10⁶)=0.45mm+3.2mm=3.65mm>2mm不满足将h_c提至12mm，δ=0.25mm+2.4mm=2.6