复合材料复习题

复合材料复习题1、简述增强材料（增强体、功能体）在复合材料中所起的作用，并举例说明。填充：廉价、颗粒状填料，降低成本。例：PVC中添加碳酸钙粉末。增强：纤维状或片状增强体，提高复合材料的力学性能和热性能。效果取决于增强体本身的力学性能、形态等。例：TiC颗粒增强Si3N4复合材料、碳化钨/钴复合材料，切割工具；碳/碳复合材料，导弹、宇航工业的防热材料（抗烧蚀），端头帽、鼻锥、喷管的喉衬。赋予功能：赋予复合材料特殊的物理、化学功能。作用取决于功能体的化学组成和结构。例：1-3型PZT棒/环氧树脂压电复合材料，换能器，用于人体组织探测。2、复合材料为何具有可设计性？简述复合材料设计的意义。如何设计防腐蚀（碱性）玻璃纤维增强塑料？组分的选择、各组分的含量及分布设计、复合方式和程度、工艺方法和工艺条件的控制等均影响复合材料的性能，赋予了复合材料性能的可设计性。意义：①每种组分只贡献自己的优点，避开自己的缺点。②由一组分的优点补偿另一组分的缺点，做到性能互补。③使复合材料获得一种新的、优于各组分的性能（叠加效应）。优胜劣汰、性能互补、推陈出新。耐碱玻璃纤维增强塑料的设计：使用无碱玻璃纤维和耐碱性树脂（胺固化环氧树脂）。在保证必要的力学性能的前提下，尽量减少玻璃纤维的体积比例，并使树脂基体尽量保护纤维不受介质的侵蚀。3、简述复合材料制造过程中增强材料的损伤类型及产生原因。力学损伤：属于机械损伤，与纤维的脆性有关。脆性纤维（如陶瓷纤维）对表面划伤十分敏感，手工操作、工具操作，纤维间相互接触、摆放、缠绕过程都可能发生。化学损伤：主要为热损伤，表现为高温制造过程中，增强体与基体之间化学反应过量，增强体中某些元素参与反应，增强体氧化。化学损伤与复合工艺条件及复合方法有关。热损伤伴随着增强体与基体之间界面结构的改变，产生界面反应层，使界面脆性增大、界面传递载荷的能力下降。4、简述复合材料增强体与基体之间形成良好界面的条件。在复合过程中，基体对增强体润湿；增强体与基体之间不产生过量的化学反应；生成的界面相能承担传递载荷的功能。复合材料的界面效应，取决于纤维或颗粒表面的物理和化学状态、基体本身的结构和性能、复合方式、复合工艺条件和环境条件。5、什么是相乘效应？举例说明。两种具有转换效应的材料复合在一起，产生了连锁反应，从而引出新的机能。可以用通式表示：X/Y·Y/Z=X/Z（式中X、Y、Z分别表示各种物理性能）。压磁效应磁阻效应=压敏电阻效应；闪烁效应光导效应=辐射诱导导电。例：磁电效应（对材料施加磁场产生电流）——传感器，电子回路元件中应用。压电体BaTiO3与磁滞伸缩铁氧体NiFe2O4烧结而成的复合材料。对该材料施加磁场时会在铁氧体中产生压力，此压力传递到BaTiO3，就会在复合材料中产生电场。最大输出已达103V·A。单一成分的Cr2O3也有磁电效应，但最大输出只有约170V·A。6、推导单向板复合材料中纤维体积分数与纤维半径的关系（以正方形阵列为例）。纤维体积：(41/4)r2l=r2l复合材料体积：(2R)2l=4R2l纤维体积分数：Vf=r2l/(4R2l)=r2/(4R2)纤维间距与纤维体积分数的关系：s=2R-2r=2[r2/(4Vf)]1/2-2r=2[(/4Vf)1/2-1]r7、什么是材料复合的结构效果？试述其内涵。结构效果是指在描述复合材料的性能时，必须考虑组分的几何形态、分布形态和尺度等可变因素。这类效果往往可以用数学关系描述。结构效果包括：1、几何形态效果（形状效果）：决定因素是组成中的连续相。对于1维分散质，当分散质的性质与基体有较大差异时，分散质的性能可能会对复合材料的性能起支配作用。2、分布形态效果（取向效果）：又可分为几何形态分布（几何体的取向）和物理性能取向：导致复合材料性能的各向异性，对复合材料的性能有很大影响。3、尺度效果：影响材料表面物理化学性能（比表面积、表面自由能）、表面应力分布和界面状态，导致复合材料性能的变化。8、简述单向复合材料的细观力学分析模型的基本假设的要点。单元体：宏观均匀、无缺陷、增强体与基体性能恒定、线弹性。增强体：匀质、各向同性、线弹性、定向排列、连续。基体：匀质、各向同性、线弹性。界面：粘结完好（无孔隙、滑移、脱粘等）、变形协调。9、比较弥散增强原理和颗粒增强原理的异同点。1)、承担载荷的物质有异：弥散增强原理：基体承担载荷。颗粒增强原理：基体承担主要的载荷，颗粒也承受载荷并约束基体的变形。2)、颗粒大小及体积分数有异：弥散增强原理：Vp=0.01-0.15，dp=0.001m-0.1m。颗粒增强原理：颗粒尺寸较大（1m）、颗粒坚硬。颗粒直径为1-50m，颗粒间距为1-25m，颗粒的体积分数为0.05-0.5。颗粒强化效果类似：颗粒阻止基体中位错运动的能力愈大，增强效果愈好。微粒尺寸愈小，体积分数愈高，强化效果愈好。复合材料的屈服强度：1/22213pymppdGbVV（弥散增强原理）1/2321mppymppppGGbVGGbDcdVc（颗粒增强原理）10、试推导单向板的横向弹性模量E2的表达式。横向载荷垂直于纤维，等同地作用在纤维和基体上，适用串联模型：基体和纤维承受同样的外加应力（222fm）纤维、基体和复合材料的应变分别为：22222ffmmEEE在宽度W上产生的形变增量：fm，或，2ffmmWVWVW可得到：21fmfmVVEEE，或，21fmmfffEEEEVEV11、讨论单向板复合材料的破坏顺序（fumu时）。复合材料的响应依赖于基体与纤维破坏应变的大小。对于大多数树脂基结构复合材料，刚性纤维的破坏应变明显地小于基体的破坏应变，即fumu，因此，纤维首先破坏，同时将全部载荷转移到基体上。当Vf较小时，单向板中纤维断裂而附加到基体上的额外载荷不足以使基体开裂，基体可以全部承受，此时复合材料的强度为：uu11ummmfVV当Vf较大时，纤维发生断裂时，转移到基体上的载荷很大，使基体无法承受全部载荷。因此，当纤维断裂后，基体即刻断裂，复合材料的强度为：u'1uffmmVV或u'11uffmfVVfumu时，两种破坏形式变化时的纤维体积含量Vf'（单向板抗拉伸强度1u随Vf的变化）：'''uuufmmfmmV12、垂直于纤维扩展的裂纹需要克服哪些断裂能？对于脆性纤维/脆性基体复合材料，需要克服的断裂功：纤维拔出和纤维断裂（吸收能量）、纤维与基体的脱胶（纤维与基体的界面较弱时：消耗贮存的应变能）、应力松弛（纤维断裂时：消耗贮存的应变能）、纤维桥连（消耗纤维上的应变能）。对于脆性纤维/韧性基体复合材料，基体的塑性变形（粘接强度很高、纤维无法拔出时：吸收能量）也会增加断裂功。13、什么是纤维的长度分布？如何表示？纤维的长度分布是指短切纤维的长度与纤维数量之间的关系，对复合材料的性能有决定性作用。通常用纤维长度的平均值表示，有两种方法：纤维长度的数均长度：iiNiNLLN（Ni：长度为Li的纤维数量）纤维长度的重均长度：iiWiWLLW（Wi：长度为Li的纤维质量）数均长度LN低于重均长度LW，在正态分布时，LN与纤维长度的中值相同。14、试写出取向短纤维复合材料的弹性性能表达式，给出取向效率因子的计算方法。取向分布的短纤维复合材料，弹性性能：01lffmfEEVEV（0：取向效率因子）取向效率因子0：'40cosffffAAAA'4cosffAA（Af：一组平行纤维的总的横截面积；：纤维与外载荷的夹角；Af'：平行于外载荷方向的一组等效纤维的总截面积）15、试讨论短纤维复合材料的强度性能。由于纤维长度和体积含量的不同，短纤维复合材料的纵向强度是不同的，纵向破坏有两种形式：llc/2时，纤维达不到极限强度，基体破坏后，复合材料即告破坏；llc/2时，分两种失效模式：①纤维体积含量较高时，纤维是主承载体，一旦纤维破坏，复合材料即告失效；②纤维体积含量较低时，纤维断裂后，基体仍能承担载荷，直至基体破坏后，复合材料才告失效，此时，复合材料的强度：u=mu·Vm对于纤维长度l和直径d都相同、单向平行排列的短纤维复合材料，当纤维受拉伸应力时：c=f·Vf+m·Vm（拉应力在纤维端部为0，在纤维中部最大）纤维端部f0为0，fu发生在（l-lc）的中间部位，因此纤维的平均应力f：/212uufcfcucffllllll因此，复合材料承受的最大应力（即复合材料的强度）（(m)fu：纤维所受拉伸力作用达到拉伸屈曲破坏应力时的基体应力）：12uuucffmmflVVl16、如何衡量聚合物基体的耐热性？如何提高聚合物的玻璃化温度？简述填料影响聚合物玻璃化温度的原因。表征聚合物基体耐热性的物理量是玻璃化温度Tg，对于结晶性聚合物则是熔点Tm：玻璃化温度在宏观上是指聚合物由玻璃态转变为高弹态的特征温度，在微观上是高分子链段开始运动的温度。实际应用中，使用热变形温度来表征材料的耐热性。提高聚合物玻璃化温度的方法：增加大分子链的刚性（提高主链的刚性——不饱和共价键、环烃、侧链引入极性基团、交联等）；添加填料。填料影响聚合物玻璃化温度的原因：改变了聚合物的微观结构：①改变了界面层聚合物大分子的敛集密度（一般情况下是密度降低），使分子间作用力发生改变。②在界面上，填料——聚合物分子之间发生作用力，使聚合物大分子链段的运动受到阻碍，从而使聚合物的玻璃化温度升高。17、不饱和聚酯树脂的基本配方是什么？各起什么作用？不饱和聚酯树脂的基本配方：不饱和聚酯：主要成分稀释剂：稀释作用（降低聚酯粘度），参与树脂固化，如苯乙烯。引发剂：分解产生自由基，引发树脂聚合（交联、固化），如BPO。促进剂：诱导引发剂分解，加快树脂固化，如环烷酸钴。其它成分：颜料、增稠剂、热塑性低收缩剂等。18、如何改善聚合物的耐热性能？产生交联结构（对于热固性树脂、有机硅树脂等，工艺条件影响聚合物的交联密度）。增加高分子链的刚性（引进不饱和共价键或环状结构（脂环、芳环、杂环）、引入极性基团）。提高聚合物分子链的键能，避免弱键的存在（例：以C-F键完全取代C-H键，可大大提高聚合物的热稳定性）。形成结晶聚合物，结晶聚合物的熔融温度大大高于相应的非结晶聚合物。19、简述不饱和聚酯树脂基体的组成、代表物质及作用。主要成分：不饱和聚酯树脂，按化学结构可分为顺酐型、丙烯酸型、丙烯酸环氧酯型聚酯树脂。辅助材料：交联剂、引发剂和促进剂交联剂：烯类单体，既是溶剂，又是交联剂。能溶解不饱和聚酯树脂，使其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。常用的交联剂：苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、邻苯二甲酸二丙烯酯、乙烯基甲苯等。引发剂：一般为有机过氧化物，在一定的温度下分解形成游离基，从而引发不饱和聚酯树脂的固化。常用的引发剂：过氧化二异丙苯[C6H5C(CH3)2]2O2、过氧化二苯甲酰(C6H5CO)2O2。促进剂：把引发剂的分解温度降到室温以下。对过氧化物有效的促进剂：二甲基苯胺、二乙基苯胺、二甲基甲苯胺等。对氢过氧化物有效的促进剂：具有变价的金属钴：环烷酸钴、萘酸钴等。20、简述不饱和聚酯树脂的固化特点。不饱和聚酯树脂的固化是放热反应，可分为三个阶段：胶凝阶段：从加入促进剂到不饱和聚酯树脂变成凝胶状态的时间，是固化过程最重要的阶段。影响胶凝时间的因素：阻聚剂、引发剂和促进剂的加入量，交联剂的蒸发损失，环境温度和湿度等。硬化阶段：从树脂开始胶凝到具有一定硬度，能把制品从模具上取下为止的时间。完全固化阶段：通常在室温下进行，可能需要几天至几星期。21、简述复合材料中金属基体的选择原则。1)、根据金属基复合材料的使用要求：