复合材料概论习题集

复合材料概论习题集一、解释名词与术1.碳/碳复合材料：C/C复合材料是碳纤维增强炭基复合材料的简称，也是一种高级复合材料。它不仅具有石墨材料的固有本性，而且还具有碳纤维复合材料的优异性能。2.纤维增强水泥：以水泥为基体与纤维组合得到拥有抗裂性和抗冲击能力更好的新型复合材料。3.先进复合材料：早期发展出现的复合材料，由于性能相对比较低，生产量大，适用面广，可称之为常用复合材料。后来随着高技术发展的需要，在此基础上又发展出性能高的复合材料成为先进复合材料。4.片状模塑料：是用不饱和聚酯树脂、增稠剂、引发剂、交联剂、低收缩添加剂、填料、内脱模剂、着色剂等混合成树脂糊浸渍短切玻璃纤维粗纱或玻璃纤维毡，并在两面用聚乙烯或聚膜包覆起来形成的片状模压成型材料。5.凯芙拉纤维：凯芙拉纤维属芳族聚酰胺类有机纤维，属于一种液态结晶性棒状分子，它具有非常好的热稳定性，抗火性，抗化学性，绝缘性，以及高强度及模数。6.环氧树脂：凡是含有二个以上环氧基的高聚物统称为环氧树脂。7.安全系数：水工建筑物、结构或构件的抗破坏强度与设计荷载效应组合的比值，它是建筑物、结构或构件的安全储备的指标。8.氧指数：是指在规定的条件下，材料在氧氮混合气流中进行有焰燃烧所需的最低氧浓度。9.ABS树脂：ABS树脂是指丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，是一种强度高、韧性好、易于加工成型的热塑型高分子材料。10.团状模塑料：其主要原料由GF（短切玻璃纤维）、UP（不饱和树脂）、MD（填料）以及各种添加剂经充分混合而成的料团状预浸料。有优良的电气性能，机械性能，耐热性，耐化学腐蚀性，又适应各种成型工艺。11.缠绕工艺：将浸过树脂胶液的连续纤维或布带，按照一定规律缠绕到芯模上，然后固话脱模成为增强塑料制品的工艺过程。12.湿法缠绕：是将纤维集束（纱式带）浸胶后，在张力控制下直接缠绕到芯模上。13.干法缠绕：是采用经过预浸胶处理的预浸纱或带，在缠绕机上经加热软化至粘流态后缠绕到芯模上。14.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。15.酚醛树脂：酚醛树脂也叫电木，又称电木粉。耐弱酸和弱碱，遇强酸发生分解，遇强碱发生腐蚀。不溶于水，溶于丙酮、酒精等有机溶剂中。苯酚与甲醛缩聚而得。16.界面：复合材料的界面是指基体与增强物之间化学成分有显著变化的、构成彼此结合的、能起载荷传递作用的微小区域。17.聚酰胺树脂：聚酰胺是具有许多重复的酰胺基的一类线型聚合物的总称，通常叫做尼龙。18.拉挤成型：是将浸渍过树脂胶液的连续纤维束或带状织物在牵引装置作用下通过成型模定型，在模中或固化炉中固化，制成具有特定横截面形状和长度不受限制的复合材料型材（如管材、棒材、槽型材、工字型材、方型材等）。19.表面处理：所谓表面处理就是在增强材料表面涂覆上一种称为表面处理剂的物质，这中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。20.碳纤维：是由有机纤维或低分子烃气体原料加热至1500℃所形成的纤维状碳材料，其碳含量为90％以上。二、简答题1、复合材料通常有几种分类法？答：四种。（1）按增强材料形态分类（2）按增强纤维种类分类（3）按基体材料分类（4）按材料作用分类2、与传统材料相比，复合材料有哪些特点和优点？答：（1）可综合发挥各种组成材料的优点，使一种材料具有多种性能，具有天然材料所没有的性能。（2）可按对材料性能的需要进行材料的设计和制造。（3）可制成所需的任意形状的产品，可避免多次加工工序。3、热塑性酚醛树脂与热固性酚醛树脂的区别？答：热塑性酚醛树脂即线型酚醛树脂，它不含进一步缩聚的基团，加固化剂并加热才能固化。如以六亚甲基四胺为固化剂，固化温度150℃，混以填料制成的模塑粉俗称电木粉。它是线型树脂，在合成过程中不会形成三向网络结构，在进一步的固化过程中必须加入固化剂，这类树脂又称为二阶树脂。热固型酚醛树脂，能溶于有机溶剂，甲阶段树脂含能进一步缩聚的羟甲基，因此不需加固化剂即能固化：加热下反应得到乙阶段树脂，又称半溶酚醛树脂，不溶不熔但可溶胀和软化。再进一步反应则得到不溶不熔的体型结构丙阶段树脂，也称不溶酚醛树脂。甲阶段树脂长期存放也能自行固化。热固性酚醛树脂的固化形式分为常温固化和热固化两种。它是一种含有可进一步反应的羟甲基活性基团的树脂，如果合成瓜不加控制，则会使体型缩聚反应一直进行至形成不熔、不溶的具有三向网络结构的固化树脂，因此这类树脂又称为一阶树脂。4、RTM的基本原理是什么？它有那些特点？答：基本原理：将液态热固性树脂（通常为不饱和聚酯）及固化剂，由计量设备分别从储桶内抽出，经静态混合器混合均匀，注入事先铺有玻璃增强材料的密封膜内，经固话、脱模、后加工而成制品。特点：（1）主要设备（如模具和模压设备等）投资少，即用低吨位压机能生产较大的制品；（2）生产的制品两面光滑、尺寸稳定、容易组合；（3）允许制品带有加强筋、镶嵌件和附着物，可将制品制成泡沫夹层结构，设计灵活，从而获得最佳结构；（4）制造模具时间短（一般仅需几周），可在短期内投产；（5）对树脂和填料的适用性广泛；（6）生产周期短，劳动强度低，原材料损耗少；（7）产品后加工量少；（8）RTM是闭模成型工艺，因而单体（苯乙烯）挥发少、环境污染小。5、间苯型不饱和聚酯与邻苯型相比具有那些特性？答：邻苯二甲酸和间苯二甲酸互为异构体，由它们合成的不饱和聚酯分子链分别为邻苯型和间苯型，虽然它们的分子链化学结构相似，但间苯型不饱和聚酯和邻苯型不饱和聚酯相比，具有下述一些特性：①用间苯型二甲酸可以制得较高分子量的间苯二甲酸不饱和致辞酯，使固化制品有较好的力学性能、坚韧性、耐热性和耐腐蚀性能；②间苯二甲酸聚酯的纯度度，树脂中不残留有间苯二甲酸和低分子量间苯二甲酸酯杂质；③间苯二甲酸聚酯分子链上的酯键受到间苯二甲酸立体位阻效应的保护，邻苯二甲酸聚酯分子链上的酯键更易受到水和其它各种腐蚀介质的侵袭，用间苯二甲酸聚酯树脂制得的玻璃纤维增强塑料在71℃饱和氯化钠溶液中浸泡一年后仍具有相当高的性能。6、接触低压成型工艺的特点？答：接触低压成型的工艺特点是以手工铺放增强材料，浸润树脂，或用简单的工具辅助铺放增强材料和树脂。成型过程中不需要施加成型压力或者只施加较低的成型压力。接触成型工艺设备简单，适应性广，投资少，见效快。其最大的缺点是生产效率低、劳动强度大、产品重复性差。7、简述热塑性树脂的基本性能，复合材料常用热塑性树脂有那些？答：基本性能：该树脂具备优良的粘度稳定性及流动一致性，其涂层附着力强，硬度高、抗磨性好及抗污染等优点，并对施工环境不造成污染。这类树脂在常温下为高分子量固体,是线型或带少量支链的聚合物，分子间无交联,仅借助范德瓦耳斯力或氢键互相吸引。在成型加工过程中，树脂经加压加热即软化和流动，不发生化学交联，可以在模具内赋形，经冷却定型，制得所需形状的制品。在反复受热过程中，分子结构基本上不发生变化，当温度过高、时间过长时，则会发生降解或分解。常用的热塑性树脂：聚酰胺、聚碳酸酯、聚砜、聚丙烯、聚苯硫、尼龙。8、作为先进复合材料基体的高性能树脂有几类？并举例。答：（1）热固性树脂如：环氧树脂、酚醛树脂、聚酯树脂等；（2）热塑性树脂如：聚丙烯、聚酰胺、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚酯、聚甲醛、聚苯醚等；9、制造玻璃纤维及其制品时浸润剂的作用是什么？答：（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。10、注射成型相对于模压成型的特点答：注射成型法所得制品的精度高、生产周期短、效率较高、容易实现自动控制，产品尺寸稳定性高，且能够成型形状复杂的制品。11、制作碳纤维的五个阶段是什么？答：（1）拉丝：可用湿法、干法或者熔融状态三种方法进行。（2）牵引：在室温以上，通常是100～300℃范围内进行，W.Watt首先发现结晶定向纤维的拉伸效应，而且这效应控制着最终纤维的模量。（3）稳定：通过400℃加热氧化的方法。400℃的氧化阶段是A.shindo’s最近在工艺上做出的贡献。这显著的降低所有的热失重，并因此保证高度石墨化和取得更好的性能。（4）碳化：在1000～2000℃范围内进行。（5）石墨化：在2000～3000℃范围内进行。12、简述复合材料界面的机能。答：界面是符合材料的特征，可将界面的机能归纳为以下几种效应：（1）传递效应界面能传递力，即将外力传递给增强物，起到基体和增强物之间的桥梁作用。（2）阻断效应结合适当的界面有组织裂纹扩展、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。三、论述题1、写出一种不饱和聚酯合成反应式以及交联固化反应式，指出各步反应的反应机理，为了降低交联密度可采取哪些措施？答：措施：把线型不饱和聚酯溶于烯类单体中，使聚酯中的双键间发生共聚合反应，得到体型产物，以改善固化后树脂的性能。2、论述界面的作用机理及界面的表征方法。答：界面作用机理：（1）界面浸润理论其主要理论是填充剂被液体树脂良好浸润是极其重要的，因浸润不良会在界面上产生空隙，易使盈利集中而使符合材料发生开裂，如果完全浸润，则基体与填充剂间的粘结强度将大于基体的内聚强度。（2）化学键理论主要论点是处理增强剂表面的偶联剂应既含有能与增强剂起化学作用的官能团，又含有能与树脂基体起化学作用的官能团。（3）物理吸附理论这种理论认为，增强纤维与树脂基体之间的结合是属于机械铰合和基于次价键作用的物理吸附。偶联剂的主要作用是促进基体与增强纤维表面完全浸润。（4）变形层理论如果纤维与基体的热膨胀系数相差较大，固化成型后在界面会产生残余应力，将损伤界面和影响复合材料性能。另外，在载荷作用下，界面上会出现应力集中，若界面化学键破坏，产生微裂纹，同样也要导致符合材料性能变差。增强纤维经表面处理后，在界面上形成一层塑性层可以松弛并减小界面应力。（5）拘束层理论该理论认为界面区（包括偶联剂部分）的模量介于树脂基体和增强材料之间时，则可最均匀地传递应力。（6）扩散层理论按照这一理论，偶联剂形成的界面区应该是带有能与树脂基体相互扩散的聚合链活性硅氧烷层或其他的偶联剂层。它是建立在高分子聚合物材料相互粘结时引起表面扩散层的基础上。（7）减弱界面局部应力作用理论该理论认为基体与增强纤维之间的处理剂，提供了一种具有“自愈能力”的化学键。在载荷作用下它处于不断形成与断裂的动态平衡状态。低分子物质（主要为水）的应力侵蚀使界面化学键断裂而在应力作用下处理及能沿着增强纤维表面滑移，使已断裂的键重新结合。与此同时，应力得以松弛，减缓了界面处的应力集中。借用整体材料的力学性能来表征界面性能。如层间剪切强度（ILSS)、断裂形貌分析等。3、以玻璃纤维为例说明增强材料进行表面处理的原因及方法。答：原因：玻璃纤维的表面状态及其与基体之间的界面状况对玻璃纤维符合材料的性能有很大影响。玻璃纤维的主要成分是硅酸盐。通常玻璃纤维与树脂的界面粘结性不好，故常采用偶联剂涂层的方法对纤维表面进行处理。方法：（1）前处理法：这种方法是将既能满足抽丝和纺织工序要求，又能促进纤维和树脂浸润与粘结的处理剂代替纺织型浸润剂，在玻璃纤维抽丝过程中，涂覆到玻璃纤维上，所以这种处理剂又叫做“增强型浸润剂”。（2）后处理法：处理过程分两步进行：第一步，先除去抽丝过程涂覆在玻璃纤维表面的纺织浸润剂。第二部，纤维经表面处理剂浸渍、水洗、烘干，使玻璃纤维表面覆上一层处理剂。（3）迁移法：此法是将化学处理剂加入到树脂胶粘剂中，在纤维浸胶过程中，处理剂与经过热处理后的纤维接触，