复合材料原理与工艺课程习题-答案

复合材料原理与工艺课程习题1、增强体和功能体在复合材料中起的主导作用？答：1）填充：用廉价的增强体，特别是颗粒状填料可降低成本。2）增强：（a）功能体可赋予聚合物基体本身所没有的特殊功能。功能体的这种作用主要取决于它的化学组成和结构。(b)纤维状或片状增强体可提高聚合物基复合材料的力学性能和热性能。其效果在很大程度上取决于增强体本身的力学性能和形态等。2、复合材料区别于单一材料的主要特点？答：1）不仅保持其原组分的部分优点，而且具有原组分不具备的特性；2）材料的可设计性；3）材料与结构的一致性。3、材料复合效应的分类？答：（1）线性效应：线性指量与量之间成正比关系。平行效应、平均效应、相补效应、相抵效应。（2）非线性效应：非线性指量与量之间成曲线关系。相乘效应、诱导效应、共振效应、系统效应。4、建立材料的微观模型包含的内容？答：1）材料的几何结构模型，2）材料的物理模型，即计算场量的理论和方法。5、推导并联传递方式中，复合材料的阻力系数答：设外作用场强度为I入，经均质材料响应后，传递输出场强度为I出，则材料总传递动力为：ΔI=I入—I出。（1）材料传递时的阻力系数为α时，则传递通量q为：q=-1/α×ΔI/Δl(2)对于并联型复相结构，相间无能量交换，则系统的总通量qc为各组分相同量之和：qc=Σqi(l×Vi)(3)式（2）代入式（3），得：qc=-Σ1/αi×Vi×ΔIi/Δli由于组分相传递推动力梯度相等，故有：qc=—（Σ1/αi×Vi）×ΔI/Δl=—1/α0×ΔI/Δl则αc为：1/αc=Σ1/αi×Vi6、复合材料的界面层，除了在性能和结构上不同于相邻两组分相外，还具有哪些特点；答:(1)具有一定的厚度；(2)性能在厚度方向上有一定的梯度变化；(3)随环境条件变化而改变。iicV117、简述复合材料界面的研究对象；答：（1）增强体表面有关的问题：①增强体表面的化学、物理结构与性能；②增强体与表面处理物质界面层的结构与性质及对增强体表面特性的影响；③增强体表面特性与基体之间的相互关系及两者间的相互作用（增强体未处理时）；④增强体与表面处理物质的界面作用；⑤增强体表面特性与复合材料特性的相互关系。（2）表面处理物质的有关问题：①最外层的化学、物理结构及内层的化学、物理结构；②表面处理物质与基体之间的相互作用；③表面处理物质对基体的影响；④处理条件及处理剂层的特性；⑤处理剂层随时间的变化；⑥、处理剂层与复合材料性能的相互关系。（3）表面处理的最优化技术。（4）粉体材料在基体中的分散：①分散状态的评价；②分散技术及机理；③分散状态与复合材料性能。（5）复合技术的优化及其机理。8、简述与表面张力有关的因素。答:(1)表面张力与物质结构、性质有关。(2)物质的表面张力与它相接触的另一相物质有关。(3)表面张力随温度不同而不同，一般温度升高，表面张力下降。9、吸附按作用力的性质可分为哪几类？各有什么特点？答：吸附按作用力的性质，可分为：物理吸附和化学吸附。（1）物理吸附的特点：①、无选择性，吸附量相差较大；②、吸附可呈单分子层或多分子层；③、物理吸附、解吸速度较快，易平衡。一般在低温下进行的吸附是物理吸附。（2）化学吸附的特点：①、有选择性；②、只能单分子吸附，且不易吸附或解吸；③、平衡慢。10、利用接触角的知识，讨论固体被液体的浸润性。答:接触角可以衡量液体对固体的浸润的效果(1)当γsvγsl,cosθ0,θ90°,此时固体不为液体浸润；(2)当γlv＞(γsv-γsl)＞0，则1＞cosθ＞0，即0°＜θ＜90°，此时固体为液体所浸润；(3)若γsv-γsl＝γlv，则cosθ＝1，θ＝0，此时固体表面可以被液体完全浸润，并获得最大粘附功。11、界面的相容性指什么？如何确定？答：界面的相容性之复合材料中增强体与基体相接触构成界面时，两者之间产生的物理和化学的相容性；通常，相容性是根据在混合时的吉布斯的自由能ΔG来确定。即若ΔG0,就相容；ΔG0就不相容，即不混合。12、偶联剂的结构及其作用机理。偶联剂有哪些？偶联剂官能团对固化体系热效应及内耗峰影响的原因？答：偶联剂是这样的一类化合物，它们的分子两端通常含有性质不同的基团，一端的基团与增强体表面发生化学作用或物理作用，另一端的基团则能和基体发生化学作用或物理作用，从而使增强体和基体很好地偶联起来，获得良好的界面粘结，改善了多方面的性能，并有效地抵抗了水的侵蚀。偶联剂官能团对固化体系热效应及内耗峰影响的原因：（1）官能团参与反应；（2）优先吸附引起的现象。13、简述增强体表面的物理特性对界面结合性能的影响。答：①比表面积，对界面的影响：是导致复合材料中的界面存在并引起界面效应的根本所在。②多孔性，对界面的影响：部分孔隙能被基体填充，部分由于很难完全浸润，界面结合不好，成为应力传递的薄弱环节。③增强体表面的极性，极性的基体与极性的增强体有较强的界面结合，因而也就有较强的界面结合强度及复合材料强度。④增强体表面的均一性，影响界面结合效果。⑤增强体表面的结晶特性，影响复合材料的界面作用和材料性能。14、为什么玻璃纤维表面常常吸附一层水分子？水对玻璃纤维增强不饱合聚酯复合材料的性能有什么影响？答：阳离子在玻璃纤维表面不能获得所需要数量的氧离子，产生表面张力，当处于力的不平衡状态时，就有吸附外界物质的倾向，大气中存在的水分即是最常遇的物质，因此玻璃纤维表面常常吸附一层水分子。由于吸附水的作用，玻纤表面带有－Si－OH基团，玻璃纤维成分中含碱量越高，吸附水对SiO2骨架的破坏愈大，纤维强度下降就越大。15、简述复合材料界面的形成过程。答：第一阶段基体与增强体在一种组分为液态时发生接触或润湿；第二阶段是液态组成的固化过程。16、解释润湿理论所包含的内容，并指出其成功之处与不足之处。答：指出：要使树脂对增强体紧密接触，就必须使树脂对增强体表面很好地浸润。前提条件：液态树脂的表面张力必须低于增强体的临界表面张力。结合方式：属于机械结合与润湿吸附。成功之处：解释了增强体表面粗化、表面积增加有利于提高与基体树脂界面结合力的事实。不足：a、不能解释施用偶联剂后使树脂基复合材料界面粘结强度提高的现象。b、证明偶联剂在玻璃纤维/树脂界面上的偶联效果一定有部分（或者是主要的）不是由界面的物理吸附所提供，而是存在着更为本质的因素在起作用。17、解释化学键理论与优先吸附理论，并指出其成功之处与不足之处。答：化学键理论认为：基体树脂表面的活性官能团与增强体表面的官能团能起化学反应。因此树脂基体与增强体之间形成化学键的结合，界面的结合力是主价键力的作用。偶联剂正是实现这种化学键结合的架桥剂。成功之处：在偶联剂应用于玻璃纤维复合材料中得到很好应用，也被界面研究的实验所证实。不足：a、聚合物不具备活性基团；b、不具备与树脂反应的基团。优先吸附理论认为：界面上可能发生增强体表面优先吸附树脂中的某些组分，这些组分与树脂有良好的相容性，可以大大改善树脂对增强体的浸润；同时，由于优先吸附作用，在界面上可以形成所谓的“柔性层”，此“柔性层”极可能是一种欠固化的树脂层，它是“可塑的”，可以起到松弛界面上应力集中的作用，故可以防止界面粘脱。成功之处：解释化学键不能解释的现象。18、阐述偶联剂的结构及其作用机理。偶联剂有哪些？答：偶联剂是这样的一类化合物，它们的分子两端通常含有性质不同的基团，一端的基团与增强体表面发生化学作用或物理作用，另一端的基团则能和基体发生化学作用或物理作用，从而使增强体和基体很好地偶联起来，获得良好的界面粘结，改善了多方面的性能，并有效地抵抗了水的侵蚀。按化学组成，偶联剂主要可分为有机铬和有机硅两大类，此外还有钛酸酯等。19、碳纤维表面处理机理是什么？答：清除碳纤维表面杂质，在碳纤维表面刻蚀沟槽或形成微孔以增大表面积，从类似石墨层面改性成碳状结构以增加碳纤维表面能，或者引入具有极性或反应性的官能团以形成与树脂起作用的中间层。20、金属氢氧化物的阻燃机理是什么？答：金属氢氧化物的阻燃作用主要由于它脱水时的吸热效应，降低了凝聚相的温度，因而有效地减缓了聚合物的分解速度。其次，金属氢氧化物脱水放出的水稀释了由聚合物热解所生成的可燃性气体并减少了烟雾的生成。一般来说，满足以下条件的才能成为有效的阻燃剂：产生不燃性气体的温度略低于聚合物热分解温度；在复合塑料的混炼、成型温度下不产生不燃性气体。21、阐述荷叶双疏机理。答：表面张力由化学组成决定，而接触角不仅和表面张力有关和表面粗糙度也有关。在各种材料的表面如果有纳米尺寸稽核形状互补的微观结构，如凹凸相间的纳米结构，由于纳米尺寸的凹表面可使吸附气体存在，所以宏观上相当于有一层稳定的气体薄膜，使油和水无法直接和表面完全接触，从而表现出超双疏性。22、解释界面破坏的能量流散概念，并说明其在界面破坏上的应用。答：当裂纹受到外因素作用时，裂纹的发展过程将是逐渐通过树脂最后到达纤维表面。在裂纹扩展的过程中，将随着裂纹的发展逐渐消耗能量，并且由于能量的流散而减缓裂纹的发展。23、增强体与基体复合，需要解决哪些关键问题？怎样解决这些问题？答：24、给出生活中复合材料的例子（三个）。答：（1）玻璃纤维增强塑料耐腐蚀贮罐（2）卫星用颗粒增强铝基复合材料零件（3）硬质合金铣刀（4）硬质合金轴承刀具25、碳纤维有什么特征、对聚合物复合材料的性能有什么影响？答：特征：密度小，高强度，高刚度，热膨胀系数低，耐疲劳和耐腐蚀等。以碳为基体的碳纤维增强材料，兼备碳的惰性和碳纤维的高强度，在高达3000℃缺氧的条件下，依然能保持一定的强度。具有低密度、高强度、高刚度和高温稳定等优良性能，是航天飞机和其他军事装备的理想耐高温结构材料。26、泊松比、剪切应力的概念。答：主泊松比是指在轴向外加应力时横向应变与纵向应变的比值：剪切应力：物体内部任一截面的两方单位面积上的相互作用力：27、芳纶纤维表面有什么特征、对聚合物复合材料的性能有什么影响？答：表面特征：高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀；影响：由芳纶纤维增强的复合材料，其比强度和比模量都分别高于作为高性能复合材料所要求的最低值4×106cm和4×l08cm。28、了解吉布斯自由能的变化对复合材料形成的影响。答：复合材料的相容性是根据在混合时的吉布斯自由能ΔG的变化来确定的，即ΔG0,就相容；ΔG0就不相容。121229、SiO2增强聚合物复合材料要解决的问题。答：未经表面处理的SiO2玻璃纤维与聚合物基体之间一般难以发生界面反应，因而界面粘结不良，为改善这种状况，通常对玻璃纤维表面进行化学处理，使之形成新的表面，并使新生表面上的活性基团与聚合物基体界面反应。由于玻璃纤维表面主要存在硅氧硅基团≡Si－O－Si≡和硅羟基≡Si－OH，所以表面处理剂中一般都带有能与硅羟基其化学反应的活性羟基。30、碳纤维增强复合材料需要解决哪些问题、如何解决？答:碳纤维增强复合材料(CFRP)存在断裂延伸率低、脆性的缺点，这就导致冲击强度和层间剪切强度的性能变坏。这方面的问题可采用碳纤维和玻璃纤维或芳纶纤维混合增强的形式。31、聚合物基体与增强体复合形成复合材料，在基体相与增强相之间形成界面。根据界面粘结的强弱，可将界面分为哪几种界面？各种界面粘结对力学性能有什么影响？答：（1）增强体与基体互不反应，互不溶解的界面；（2）增强体与基体不反应，但互相溶解的界面；（3）增强体与基体反应形成界面反应层。32、、二氧化硅有极细的粒径，对橡胶具有良好的增强作用。试述怎样实现二氧化硅对橡胶的增强作用？答：超细粒子SiO2一方面可通过大比表面积和高表面活性吸附橡胶分子,形成结合胶,从而有效地限制橡胶大分子的变形能力;另一方面,SiO2作为硬物质,可以承载应力,阻碍裂纹扩展,支化大裂纹,并通过所吸附的橡胶分子链在其表面的滑移效应缓解应力和实现取向增强,从而提高橡胶的拉伸强度、撕裂强度、耐磨性和耐疲劳破坏强度。33、简析表面处理的增强体与聚合物基体复合形成复合材料的界面结构答：34、聚合物基体与增强体复合形成复合材料，在基体相与增强相之间形成界面