复合材料概论总思考题
一．复合材料总论
1.什么是复合材料？复合材料的主要特点是什么？
①复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。 ②1）组元之间存在着明显的界面；2）优良特殊性能；3）可设计性；4)材料和结构的统一
2.复合材料的基本性能（优点）是什么？——请简答6个要点
（1）比强度，比模量高（2）良好的高温性能（3）良好的尺寸稳定性（4）良好的化学稳定性（5）良好的抗疲劳、蠕变、冲击和断裂韧性（6）良好的功能性能
3.复合材料是如何命名的？如何表述？举例说明。 4种命名途径 ①根据增强材料和基体材料的名称来命名，如碳纤维环氧树脂复合材料 ②(1) 强调基体：酚醛树脂基复合材料（2）强调增强体：碳纤维复合材料 （3）基体与增强体并用：碳纤维增强环氧树脂复合材料（4）俗称：玻璃钢
4.常用不同种类的复合材料(PMC，MMC，CMC)各有何主要性能特点？ 使用温度 材料硬度 强度 耐老化性能 导热性能 耐化学腐蚀性能 生产工艺难易程度 生产成本 括哪些内容？ 3个层次
答：1、一次结构：由集体和增强材料复合而成的单层材料，其力学性能决定于组分材料的力学性能、相几何和界面区的性能；
二次结构：由单层材料层复合而成的层合体，其力学性能决定于单层材料的力学性能和铺层几何 三次结构：指通常所说的工程结构或产品结构，其力学性能决定于层合体的力学性能和结构几何。 2、①单层材料设计：包括正确选择增强材料、基体材料及其配比，该层次决定单层板的性能； ②铺层设计：包括对铺层材料的铺层方案作出合理安排，该层次决定层合板的性能； ③结构设计：最后确定产品结构的形状和尺寸。 6.试分析复合材料的应用及发展。
答：①20世纪40年代，玻璃纤维和合成树脂大量商品化生产以后，纤维复合材料发展成为具有工程意义的材料。至60年代，在技术上臻于成熟，在许多领域开始取代金属材料。
②随着航空航天技术发展，对结构材料要求比强度、比模量、韧性、耐热、抗环境能力和加工性能都好。针对不同需求，出现了高性能树脂基先进复合材料，标志在性能上区别于一般低性能的常用树脂基复合材料。以后又陆续出现金属基和陶瓷基先进复合材料。
③经过60年代末期使用，树脂基高性能复合材料已用于制造军用飞机的承力结构，今年来又逐步进入其他工业领域。
④70年代末期发展的用高强度、高模量的耐热纤维与金属复合，特别是与轻金属复合而成金属基复合材料，克服了树脂基复合材料耐热性差和不到电、导热性低等不足。
PMC 60~250℃ 低 较高 差 差 好 成熟 最低 MMC 400~600℃ 高 较高 中 好 差 居中 居中 CMC（陶瓷基） 1000~1500℃ 最高 较高 优 一般 好 最复杂 最高 5.复合材料在结构设计过程中的结构层次分几类，各表示什么？在结构设计过程中的设计层次如何，各包
⑤80年代开始逐渐发展陶瓷基复合材料，采用纤维补强陶瓷基体以提高韧性。主要目标是希望用以制造燃气涡轮叶片和其它耐热部件。
二、复合材料的基体材料
1.复合材料中聚合物基体的主要作用是什么？ 3个作用
答：①把纤维黏在一起，并使纤维位置固定；②分配纤维间的载荷，并使载荷均衡；③保护纤维不受环境影响，免受各种损伤。
2.选择金属基体的主要原则是什么？ 3个原则 答：①金属基复合材料的使用要求
金属基复合材料构件的使用性能要求是选择金属基体材料最重要的依据。例如高性能发动机则要求复合材料不仅有高比强度、比模量性能，还要求复合材料具有优良的耐高温性能，能在高温、氧化性气氛中正常工作。一般的铝、镁合金就不宜选用，而需选择钛基合金，镍基合金以及金属间化合物作为基体材料，如碳化硅/钛，钨丝/镍基合金复合材料可用于喷气发动机叶片，转轴等重要零件。 ②金属基复合材料组成特点
由于增强物的性质和增强机理的不同，在基体材料的选择原则上有很大差别。对于连续纤维增强金属基复合材料，纤维是主要承载物体，纤维本身具有很高的强度和模量，但对于非连续增强金属基复合材料具有决定性的影响。
③基体金属与增强物的相容性
由于金属基复合材料需要在高温下成型，所以在金属基复合材料制备过程中金属基体与增强物在高温复合过程中，处于高温热力学不平衡状态下的纤维与金属之间很容易发生化学反应，在界面形成反应层。
3.常用的聚合物基体有哪些？三种常用热固性树脂各有何主要特点各自主要适合于哪种(些)增强纤维 答：1.作为复合材料基体的聚合物的种类很多，经常应用的有不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂及各种热塑性聚合物。
2.（1）聚酯树脂
①特点：工艺性良好，室温下固化，常压下成型，工艺装置简单；树脂固化后综合性能良好，力学性能不如酚醛树脂或环氧树脂；价格比环氧树脂低得多，只比酚醛树脂略贵一些。②不饱和聚酯树脂的缺点：固化时体积收缩率大、耐热性差等。③主要用于一般民用工业和生活用品中。
（2）环氧树脂
特点：在加热条件下即能固化，无须添加固化剂。酸、碱对固化反应起促进作用；已固化的树脂有良好的压缩性能，良好的耐水、耐化学介质和耐烧蚀性能；树脂固化过程中有小分子析出，故需在高压下进行；固化时体积收缩率大，树脂对纤维的粘附性不够好，但断裂延伸率低，脆性大。
（3）酚醛树脂
①优点：比环氧树脂价格便宜
②缺点：吸附性不好、收缩率高、成型压力高、制品空隙含量高等。
大量用于粉状压塑料、短纤维增强塑料，少量用于玻璃纤维复合材料、耐烧蚀材料等，很少使用在碳纤维和有机纤维复合材料中。
3.①聚酯树脂主要应用与玻璃纤维增强，用于绝大部分GRP制品，一般要求的结构，如汽车、船舶、化工、电子电器等；②环氧树脂使用范围最广，性能最好，用于主承力结构或者耐腐蚀性制品等，如飞机、宇航等；③酚醛树脂多用于玻璃纤维增强，发烟率低，用于烧蚀材料，飞机内部装饰，电工材料等。 基体树脂 工业性能 力学性能 耐热性能
聚酯树脂 好 比较好 80℃ 环氧树脂 好 优秀 120-180℃ 酚醛树脂 比较好 比较好 >180℃ 价格 韧性 成型收缩率 形态特征 凝聚态特征 制品可重复用 工艺操作 力学性能 使用温度 抗老化性能 低 差 中 热塑性聚合物 中 差--好 小 低 差 大 热固性聚合物 三维网状 无定型 不溶不熔，一次成型 常温常压下进行，周期长 材料韧性差，综合性能优 优势 优势 4.热塑性树脂与热固性树脂相比，在性能方面上有何特点 列表比较
线性（或者有支链的线性） 结晶和无定型 可溶可熔，可反复加工成型 高温高压下进行，但是周期短 高断裂韧性 劣势 劣势 5.陶瓷和玻璃陶瓷的区别？晶态和非晶态
陶瓷：相组成包括晶相、玻璃箱和气孔相；烧成温度一般较玻璃材料低；绝大多数呈各项异性；机械性能好（耐磨、抗折强度高、但一般陶瓷弹性系数低）、介电性能好、耐化学腐蚀；如传统陶瓷，配方则有石英、长石、粘土构成。
玻璃陶瓷：晶相和玻璃相复合材料，也叫微晶玻璃。一般都是由玻璃再加工制成。也就是说，通过特殊热处理或者特殊烧结（比如CO2激光熔融）、制造工艺，在玻璃机制中生长出晶体。玻陶的特点是玻璃和陶瓷性能的兼容，所以应用空间大。 三．复合材料的增强材料★（重点）
1.玻璃纤维的分类如何？玻璃纤维的化学性能如何？
答：一.1.以玻璃原料成分分类，主要用于连续玻璃纤维的分类，一般以不同的含碱量来区分。（1）无碱玻璃纤维（E玻纤）。目前，国内规定其碱金属氧化物含量不大于0.5%，国外一般为1%左右。（2）中碱玻璃纤维（C玻纤）：碱金属氧化物含量在11.5%—12.5%之间。
（3）有碱玻璃（A玻璃）：类似于窗玻璃及玻璃瓶的钠钙玻璃；（4）特种玻璃纤维。
2.以单丝直径分类。玻璃纤维单丝呈圆柱形，以其直径的不同可以分成几种：粗纤维：30μm;初级纤维20μm；中级纤维：10—20μm；高级纤维：3—10μm（亦称纺织纤维）。对于单丝直径小于4μm的玻璃纤维称为超细纤维。
3.以纤维外观分类。有连续纤维，其中有无捻粗纱及有捻粗纱（用于纺织）、短切纤维、空心玻璃纤维、玻璃粉及磨细纤维等。
4.以纤维特性分类。根据纤维本身具有的性能可分为：高强玻璃纤维、高模量玻璃纤维、耐高温玻璃纤维、耐碱玻璃纤维、耐酸玻璃纤维、普通玻璃纤维（指无碱及中碱玻璃纤维）。
二.玻璃纤维的化学性能
①玻璃纤维除对氢氟酸、浓碱、浓磷酸外，对所有化学药品和有机溶剂都有良好的化学稳定性。②中碱玻璃纤维对酸的稳定性是较高的，但对水的稳定性是较差的；无碱玻璃纤维耐酸性较差，但耐水性较好；③中碱玻璃纤维和无碱玻璃纤维，从弱碱液对玻璃纤维强度的影响看，二者的耐碱性相接近。④温度对玻璃纤维的化学稳定性有很大影响，在100℃以下时，稳定每升高10℃，纤维在介质侵蚀下的破坏速度增加50—100%；当温度升高到100℃以上时，破坏作用将更剧烈。同样的玻璃纤维，受不同体积的侵蚀介质作用，其化学稳定性不同，介质的体积越大，对纤维的侵蚀越严重。
2.玻璃纤维生产过程中的浸润剂的作用？常用的浸润剂有哪些？有何特点？
答：一（1）原丝中的纤维不散乱而能相互粘附在一起；（2）防止纤维间的磨损；（3）原丝相互间不
粘结在一起；（4）便于纺织加工等。
二.常用的浸润剂有石蜡乳剂和聚醋酸乙烯酯两种，前者属于纺织型，后者属于增强型。石蜡乳剂中主要含有石蜡、凡士林、硬酯酸和受压汽油等矿物脂类的组分，这些组分有利于纺织加工，但严重地阻碍树脂对玻璃布的浸润，影响树脂与纤维的结合。因此，用含石蜡乳剂的玻璃纤维及其制品，必须在浸胶前除去。聚醋酸乙烯酯对玻璃钢性能影响不大，浸胶前可不比去除。但这种浸润剂在纺织时易使玻璃纤维起毛，一般用于生产无捻粗纱，无捻粗纱织物，以及短切纤维和短切纤维毡。
3.玻璃纤维的强度为什么比同成分的块状玻璃高几十倍？用微裂纹理论和定向拉伸来解释强度 ①微裂纹假说认为，玻璃的理论强度取决于分子或原子间的引力，其理论强度很高，可达到2000—12000MPa。由于微裂纹的存在，使玻璃在外力作用下受力不均，在危害最大的微裂纹处，产生应力集中，从而使强度下降。另外，玻璃纤维高温成型时减少了玻璃溶液的不均一性，使微裂纹产生的机会减少。此外，玻璃纤维的断面较少，随着断面的减小，使裂纹存在的几率也减小，从而使纤维强度提高。
②玻璃纤维在成型过程中由于拉丝机的牵引力作用，使玻纤内部分子产生一定的定向排列，抗拉强度提高。
4.玻璃纤维强度的影响因素有哪些？为什么？ 主要是微裂纹理论的应用 答：①一般情况，玻璃纤维的拉伸强度随直径变细而拉伸强度增加。
②拉伸强度也与纤维的长度有关，随着长度增加拉伸强度显着下降。纤维直径和长度对拉伸强度的影响，可用“微裂纹理论”给予解释，随着纤维直径的减小和长度的缩短，纤维中微裂纹的数量和大小就会相应地减小，这样强度就会相应地增加，纤维越长，产生微裂纹的概率越大。
③化学组成对强度的影响，纤维的强度与玻璃的化学成分关系密切。一般来说，含碱量越高，强度越低。研究表明，高强和无碱玻璃纤维由于成型温度高、硬化速度快、结构键能大等原因，而具有很高的拉伸强度。纤维的表面缺陷对强度影响巨大。各种纤维都有微裂纹时强度相近，只有当表面缺陷减小到一定程度时，纤维强度对其化学组成的依赖关系才会表现出来。
④存放时间对纤维强度的影响——纤维的老化。当纤维存放一段时间后，会出现强度下降的现象，称为纤维的老化。这主要取决于纤维对大气水分的化学稳定性。
⑤施加负荷时间对纤维强度的影响——纤维的疲劳。玻璃纤维的疲劳一般是指纤维强度随施加负荷时间的增加而降低的情况。玻璃纤维疲劳的原因，在于媳妇作用的影响，即水分吸附并渗透到纤维微裂纹中，在外力的作用下，加速裂纹的扩展。
⑥玻璃纤维成型方法和成型条件对强度也有很大影响。如玻璃硬化速度越快，拉制的纤维强度也越高。 5.碳纤维的制造方法有几种？碳纤维的主要性能是什么？两种制造方法
答：①碳纤维制造方法可分为两种类型，即气相法和有机纤维碳化法。 ②碳纤维主要性能：低密度，高强度，高模量，耐高温，低电阻，高传导，低膨胀，耐辐射以及化学稳定性好（除硝酸等少数强酸外，几乎对所有药品均稳定，对碱也稳定）等特性。 6.目前制作碳纤维主要原材料有哪三种？
①人造丝（粘胶纤维）；②聚丙烯腈（PAN)纤维，它不同于腈纶毛线；③沥青
7.有机纤维制作碳纤维所选择条件是什么？一般分为哪几步？五步
答：一.天然纤维、再生纤维和合成纤维都可用来制备碳纤维。选择的条件是加热时不熔融，可牵伸，且碳纤维产率高。
二（1）拉丝：可用湿法、干法或者熔融状态三种方法进行。（2）牵伸：在室温以上，通常是100—300℃范围内进行（3）稳定：通过400℃加热氧化的方法。（4）碳化：在1000—2000℃范围内进行。（5）石墨化：在2000—3000℃范围内进行。
8.石墨纤维与碳纤维相比，在制作方法、结构与主要性能上有何不同？
答碳纤维主要含无定型C，C含量约为95%，热处理温度1200—1500℃，石墨纤维含较多的结晶C，C含量99%以上，热处理温度2000℃以上，制造纤维时的温度不同造成以上差别。
9.芳纶纤维主要有几种？作为增强材料的芳纶纤维有何主要性能特点？用结构特点解释性能。 1.芳纶-29，芳纶-49，芳纶2.高强度、高模量、冲击性能好、耐高温、耐腐蚀、低密度
10.阐述硼纤维的制造方法与主要性能特点？
答：1.硼纤维是一种将硼元素通过高温化学气相沉积法在钨丝表面制成的高性能增强纤维，具有很高的比强度和比模量。2.强度高、模量高、密度小、弯曲强度比拉伸强度好。缺点：因碳纤维常温常温下为惰性特质，高温下与金属反应，需在表面沉积SiC层。
四．复合材料的界面
1.复合材料的界面定义是什么，包括哪些部分，有何特点？有哪些效应？ 五个效应
答：①复合材料的界面是指机体与增强物之间化学成分有显着变化的、构成彼此结合的、能起载荷传递作用的微小区域。
②它包含基体和增强物的部分原始接触面、基体与增强物相互作用生成的反应产物、此产物与基体及增强物的接触面，基体和增强物的互扩散层，增强物上的表面涂层、基体和增强物上的氧化物及它们的反应产物等。
③A性能和结构上不同于基体和增强材料；B具有一定的厚度；C连接基体与增强材料；D能够传递载荷。 ④（1）传递效应：界面能传递力，即将外力传递给增强物，起到基体和增强物间的桥梁作用。 （2）阻断效应 结合适当的界面有阻止裂纹扩展、中断材料破坏、减缓应力集中的作用。
（3）不连续效应 在界面上产生物理性能的不连续性和界面摩擦出现的现象，如抗电性、电感应性、磁性、耐热性、尺寸稳定性等。
（4）散射和吸收效应 光波、声波、热弹性波、冲击波等在界面产生散射和吸收，如透光性、隔热性、隔音性、耐机械冲击及耐热冲击性等。
（5）诱导效应 一种物质（通常是增强物）的表面结构使另一种（通常是聚合物基体）与之接触的物质的结构由于诱导作用而发生改变，由此产生一些现象，如强的弹性、低的膨胀性、耐冲击性和耐热性等。
2.金属基复合材料的界面的主要问题是什么？怎样进行控制？ P67(界面的化学反应) 三条途径 答：①在金属基复合材料中往往由于基体与增强物发生相互作用生成化合物，基体与增强物的互相扩散而形成扩散层，增强物的表面预处理涂层，使界面的形状、尺寸、成分、结构等变得非常复杂。 ②A对增强材料进行表面涂层处理；B选择金属元素；C优化制备工艺和参数。
3.金属基复合材料界面的结合形式有哪几种？ 物理结合 溶解和浸润结合 反应结合
4.常用的增强材料(玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、SiC纤维等)的表面如何处理可改善复合材料的界面效果
答：表面处理：在增强材料表面涂覆上一种称为表面处理剂的物质，这种表面处理剂包括浸润剂及一系列偶联剂和助剂等物质，以利于增强材料与基体间形成一个良好的粘结界面，从而达到提高复合材料各种性能的目的。
①玻璃纤维：Ⅰ前处理法Ⅱ后处理法Ⅲ迁移法
②碳纤维：氧化、沉积、电聚合与电沉积、等离子体处理等。
③硼纤维：与树脂基体复合可不用表面处理；与金属基体复合采用SiC陶瓷涂层。
5.聚合物基复合材料、陶瓷基复合材料界面有哪些特点，都有哪些优化设计的方法？
答：一、对于聚合物基复合材料，其界面的形成可以分成两个阶段：第一阶段是基体与增强纤维的接触与浸润过程。第二阶段是聚合物的固化阶段。（1）首先应考虑如何改善增强材料与基体间的浸润性；（2）适度的界面粘结；（3）减少复合材料成型中形成的残余应力；（4）调节界面内应力，减缓应力集中。 二、在陶瓷基复合材料中，增强纤维与基体之间形成的反应层质地比较均匀，对纤维和基体都能很好地结合，但通常它是脆性的。（1）改变基体元素；（2）增强体表面涂层。
复合材料总思考题及参考答案
