2025年大学复合材料与工程(复合材料学)试题及答案

2025年大学复合材料与工程(复合材料学)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.下列关于碳纤维增强环氧树脂复合材料的描述，正确的是（）A.碳纤维主要提高基体的韧性B.环氧树脂主要承担载荷传递功能C.界面相厚度越大，层间剪切强度越高D.纤维体积分数超过70%后，弯曲强度一定提高答案：B2.玻璃纤维/不饱和聚酯复合材料在湿热环境中性能下降的主要原因是（）A.纤维水解B.界面脱粘与基体塑化C.纤维—基体热膨胀系数差异D.紫外光引发交联度升高答案：B3.采用真空辅助树脂灌注（VARI）工艺时，下列参数对纤维浸润质量影响最小的是（）A.树脂粘度B.纤维表面氧含量C.注胶口位置D.真空度答案：B4.对于单向层合板，0°方向拉伸模量E₁的经典混合律预测公式为（）A.E₁=E_fV_f+E_mV_mB.1/E₁=V_f/E_f+V_m/E_mC.E₁=E_fE_m/(V_fE_m+V_mE_f)D.E₁=(E_f+E_m)/2答案：A5.在层合板[0/45/90/−45]₂s中，面内剪切模量G₁₂主要与下列哪组铺层相关（）A.0°层B.90°层C.±45°层D.所有层贡献相同答案：C6.碳纤维表面电化学氧化处理的主要目的是（）A.提高纤维模量B.增加表面粗糙度和活性官能团C.降低纤维密度D.减少纤维直径答案：B7.下列无损检测手段对分层缺陷最敏感的是（）A.超声C扫描B.目视检查C.涡流检测D.射线透视答案：A8.在复合材料疲劳试验中，R=0.1表示（）A.应力比σ_min/σ_max=0.1B.应变比ε_min/ε_max=0.1C.载荷频率为0.1HzD.循环次数为10⁴答案：A9.采用HalpinTsai方程预测短纤维复合材料模量时，纤维取向因子η=1对应（）A.完全随机取向B.完全沿载荷方向取向C.平面随机取向D.纤维垂直载荷方向答案：B10.下列关于芳纶纤维的描述，错误的是（）A.芳纶纤维具有负轴向热膨胀系数B.芳纶纤维压缩强度远低于拉伸强度C.芳纶纤维吸水率高于碳纤维D.芳纶纤维在550°C空气中可长期服役答案：D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，错选、多选、漏选均不得分）11.下列措施可同时提高碳纤维/环氧层合板层间断裂韧性G_IC的有（）A.在层间插入热塑性纳米纤维膜B.提高固化温度C.采用环氧酚醛共混树脂D.在0°层间插入±45°薄层E.降低纤维体积分数答案：A、D12.关于树脂TransferMolding（RTM）工艺，下列说法正确的有（）A.闭模成型，挥发分少B.需预先铺设干纤维预成型体C.注射压力一般高于10MPaD.可一次成型加筋结构E.模具成本低于手糊工艺答案：A、B、D13.下列属于热塑性复合材料预浸料制造方法的有（）A.粉末浸渍B.熔融浸渍C.溶液浸渍D.纤维混编E.原位聚合答案：A、B、D14.导致复合材料冲击后压缩强度（CAI）下降的主要损伤模式包括（）A.基体开裂B.纤维断裂C.分层D.纤维拔出E.界面脱粘答案：A、B、C、E15.采用层合板剪切刚度公式计算时，需要输入的独立工程常数包括（）A.E₁B.E₂C.G₁₂D.ν₁₂E.G₂₃答案：A、B、C、D三、填空题（每空2分，共20分）16.玻璃纤维的化学组成中，起主要网络形成作用的氧化物是________，其质量分数通常大于________%。答案：SiO₂；5017.对于正交各向异性单向板，面内泊松比ν₁₂定义为________方向拉伸应力引起的________方向应变之比。答案：1；218.在ASTMD3039标准中，碳纤维单向板0°拉伸试样标距段宽度为________mm，厚度一般小于________mm。答案：12.5；2.519.复合材料层合板固化度α达到________%以上时，可认为树脂已完全交联；此时玻璃化转变温度T_g与固化度关系可用________方程描述。答案：95；DiBenedetto20.采用双悬臂梁（DCB）试验测试层间断裂韧性时，预制裂纹长度a应满足a/h≥________，其中h为试样半厚度；计算G_IC的修正梁理论公式为G_IC=________。答案：0.5；3Pδ/(2b(a+|Δ|))四、简答题（每题8分，共24分）21.阐述纤维/基体界面剪切强度（IFSS）对单向复合材料横向拉伸强度的影响机制，并给出两种实验测量IFSS的方法名称。答案：界面剪切强度决定载荷从基体向纤维传递的效率。横向拉伸时，基体裂纹尖端应力集中，若IFSS不足，界面提前脱粘，导致裂纹沿界面快速扩展，横向拉伸强度降低；若IFSS高，裂纹可跨越纤维，纤维对裂纹有桥联作用，横向强度提高。实验方法：微脱粘测试（微球脱粘）、单纤维拔出测试、微压痕测试（任意两种即可）。22.比较热固性与热塑性复合材料在损伤容限方面的差异，从基体韧性、裂纹扩展阻力和可修复性三方面说明。答案：热固性基体交联度高，脆性大，裂纹扩展阻力低，损伤容限差；一旦分层难以修复。热塑性基体分子链可滑移，韧性高，裂纹扩展需更多能量，损伤容限高；且可通过热熔压或焊接实现分层修复，恢复80%以上原始强度。23.说明真空袋压（VBO）预浸料成型中“边缘吸胶”现象产生的原因及其对厚度均匀性的影响，并提出两条工艺优化措施。答案：边缘吸胶是由于真空袋边缘密封带附近压力梯度大，树脂向边缘迁移，导致边缘树脂富集、中心缺胶，厚度呈“马鞍形”。优化措施：1.在边缘设置挡胶条，限制树脂流动；2.采用梯度透气毡，降低边缘抽气速率；3.预浸料边缘贴附吸胶毡，提前吸收多余树脂（任答两条）。五、计算题（共3题，共41分）24.（13分）已知碳纤维/环氧单向板工程常数：E₁=140GPa，E₂=9GPa，G₁₂=4.5GPa，ν₁₂=0.3。铺层顺序[0/90]₄s，总厚度2mm，求：（1）该层合板A矩阵各元素；（2）面内拉伸模量E_x（沿0°方向）。解答：单层厚度t_k=2/8=0.25mm。Q₁₁=E₁/(1−ν₁₂ν₂₁)=140/(1−0.3×0.3×9/140)=141.2GPaQ₂₂=E₂/(1−ν₁₂ν₂₁)=9.1GPaQ₁₂=ν₁₂E₂/(1−ν₁₂ν₂₁)=2.73GPaQ₆₆=G₁₂=4.5GPa0°层：Q̅=Q90°层：Q̅₁₁=Q₂₂=9.1GPa，Q̅₂₂=Q₁₁=141.2GPa，Q̅₁₂=2.73GPa，Q̅₆₆=4.5GPaA=ΣQ̅_kt_kA₁₁=4×(141.2+9.1)×0.25=150.3kN/mmA₂₂=A₁₁A₁₂=4×2×2.73×0.25=5.46kN/mmA₆₆=4×2×4.5×0.25=9.0kN/mmE_x=A₁₁/h=150.3/2=75.15GPa答案：（1）A₁₁=A₂₂=150.3kN/mm，A₁₂=5.46kN/mm，A₆₆=9.0kN/mm；（2）E_x=75.2GPa。25.（14分）某船用玻璃钢（Eglass/乙烯基酯）层合板，密度ρ=1.8g/cm³，纤维质量分数W_f=65%，已知E_f=72GPa，E_m=3GPa，试：（1）计算纤维体积分数V_f；（2）用混合律预测0°拉伸模量E₁；（3）若实测E₁=38GPa，求界面效率因子η，并解释其小于1的原因。解答：（1）ρ_f=2.54g/cm³，ρ_m=1.15g/cm³V_f=(W_f/ρ_f)/(W_f/ρ_f+W_m/ρ_m)=0.65/2.54/(0.65/2.54+0.35/1.15)=0.488（2）E₁=E_fV_f+E_mV_m=72×0.488+3×0.512=36.7GPa（3）η=E₁实测/E₁理论=38/36.7=1.04，接近1，说明界面良好；若η<1，原因：界面脱粘、纤维波浪、孔隙。答案：（1）V_f=48.8%；（2）E₁=36.7GPa；（3）η=1.04，界面质量良好。26.（14分）某T300/环氧层合板[±45]₄s，用于承受面内剪切载荷。已知单层厚度0.125mm，Q̅₆₆=5.0GPa，试：（1）给出该层合板的B、D矩阵是否为零，并说明原因；（2）计算剪切刚度A₆₆；（3）若施加N_xy=1kN/mm，求层合板平均剪切应变γ_xy⁰。解答：（1）对称铺层，B=0；±45°层角度相反，Q̅₁₆、Q̅₂₆符号相反，总和对称，故D₁₆=D₂₆=0，但D≠0。（2）A₆₆=ΣQ̅₆₆_kt_k=8×5.0×0.125=5.0kN/mm（3）γ_xy⁰=N_xy/A₆₆=1/5.0=0.2×10⁻³答案：（1）B=0，D≠0；（2）A₆₆=5.0kN/mm；（3）γ_xy⁰=2.0×10⁻⁴。六、综合设计与分析题（共30分）27.（30分）某型无人机机翼蒙皮拟采用碳纤维/环氧复合材料，要求：①面内弯曲刚度≥25kN·m；②1.5kg鸟撞速度80m/s无穿透；③使用温度−55°C~70°C，湿热环境RH95%，70°C下T_g下降≤10%。已知：机翼盒段等效宽度600mm，弦长300mm，蒙皮可视为四边简支板，受均布气动载荷q=15kPa；碳纤维T700SC，E_f=230GPa，ρ_f=1.8g/cm³；环氧基体干态T_g=130°C，湿态平衡吸湿率2.1%，T_g下降经验公式ΔT_g=−0.45M（M为吸湿率）。任务：（1）确定铺层策略（铺层角、比例、顺序），给出理由；（2）估算蒙皮最小厚度h，满足弯曲刚度要求；（3）提出抗冲击损伤的层间增韧方案，并说明如何验证；（4）给出湿热老化实验条件与评价指标；（5）绘制工艺流程简图（文字描述即可），并指出关键控制点。解答：（1）铺层策略：采用[45/0/−45/90]₃s对称层合，共24层，±45°占50%，0°占25%，90°占25%。±45°提供剪切刚度与扭转刚度，0°提供主弯曲刚度，90°控制横向收缩与泊松效应，对称避免耦合。（2）等效弯曲刚度D=E_xh³/(12(1−ν_xyν_yx))，要求D≥25kN·m。取E_x≈90GPa（经验），ν_xy≈0.3，解得h³≥25×12×0.91/90×10⁶=3.03×10⁻⁶m³，h≥14.5mm。取16mm，单层厚度0.133mm，需120层，调整铺层为[45/0/−45/90]₁₅s，共120层，h=16mm，满足。（3）层间增韧：在−45/90界面插入热塑性尼龙66纳米纤维膜（面密度2g/m²），厚度仅2μm，不增加重量，G_IC提高80%。验证：采用ASTMD7136落锤冲击（30J），随后D7137压缩试验，CAI保持率≥85%。（4）湿热老化：70°C/95%RH，1000h