西工大-復(fù)合材料原理復(fù)習(xí)題及答案(僅供參考)

1、精品文檔隨意編輯解和侵蝕是不可避免的1.為什么nica10nsic纖維使用溫度低于1100c?怎樣提高使用溫度?從熱力學(xué)上講，c-sio2界面在1000 c時(shí)界面氣相co壓力可能很高，相應(yīng)的 02濃度也較高。只有02擴(kuò)散使界面上02濃度達(dá)到較高水平時(shí)，才能反應(yīng)生成co。 但是溫度較低時(shí)擴(kuò)散較慢，因此 c-sio2仍然在1000 c左右共存。當(dāng)溫度升到1100 c, 1200 c時(shí)，co的壓力將會(huì)更高，此時(shí)02的濃度也較高， 而擴(kuò)散速度卻加快。因而，sic的氧化速度加快，導(dǎo)致nicalon纖維在1100 c1200 c 時(shí)性能下降很快。要提高nicalon纖維的使用溫度，需降低 nicalon纖

2、維的游離c和0的含量， 以防止游離c繼續(xù)與界面0反應(yīng)。2 .復(fù)合材料的界面應(yīng)力是怎樣產(chǎn)生的？對(duì)復(fù)合材料的性能有何影響？復(fù)合材料的界面應(yīng)力主要是由于從制備溫度冷卻到室溫的溫度變化at或是使用過(guò)程中的溫度變化at 使得復(fù)合材料中纖維和基體cte （ coefficient of thermalexpansion熱膨脹系數(shù)？）不同而導(dǎo)致系統(tǒng)在界面強(qiáng)結(jié)合的情況下界面應(yīng)力與at有著對(duì)應(yīng)關(guān)系；在界面弱結(jié)合的情況下，由于滑移摩擦引起界面應(yīng)力。除了熱物理不相容外，還有制備過(guò)程也能產(chǎn)生很大甚至更大的界面應(yīng)力。如： pmc的固化收縮，mmc的金屬凝固收縮，cmc的凝固收縮等。 cte!制界面應(yīng)力將導(dǎo)致基體開(kāi)裂，留

3、下很多裂紋，裂紋嚴(yán)重時(shí)將使復(fù)合材料 解體，使復(fù)合材料制備失敗，或是使其性能嚴(yán)重下降， 不大時(shí)，弓輪te作用， 不會(huì)出現(xiàn)裂紋。而對(duì)于cmc ,即使不會(huì)出現(xiàn)明顯的裂紋， 基體也已經(jīng)出現(xiàn)了微裂紋。 這些微裂紋對(duì)復(fù)合材料的性能不會(huì)有很的影響，相反，這些微裂紋對(duì)cmc復(fù)合材料的增韌有幫助，因?yàn)槲⒘鸭y在裂紋擴(kuò)展過(guò)程中將會(huì)再主裂紋上形成很多與裂紋而消 耗能量，從而達(dá)到增韌的目的。3 .金屬基復(fù)合材料界面控制的一般原則是什么？金屬基復(fù)合材料要求強(qiáng)結(jié)合，此時(shí)能提高強(qiáng)度但不會(huì)發(fā)生脆性破壞。均存在界 面化學(xué)反應(yīng)趨勢(shì)，溫度足夠高時(shí)將發(fā)生界面化學(xué)反應(yīng)，一定的界面化學(xué)反應(yīng)能 增加界面的結(jié)合強(qiáng)度，對(duì)增強(qiáng)有利。過(guò)量的界面化學(xué)

4、反應(yīng)能增加界面的脆性傾 向?qū)υ鲰g不利。因此，mmc的界面化學(xué)反應(yīng)是所希望的，但是應(yīng)該控制適度。 具體原則有：纖維表面涂層處理：改善潤(rùn)濕性，提高界面的結(jié)合強(qiáng)度，并防止不利的界面 反應(yīng)?；w改性：改變合金的成分，使活性元素的偏聚在 f/m界面上降低界面能， 提高潤(rùn)濕性?？刂平缑鎸樱罕仨毧紤]界面層的厚薄，以及在室溫下熔體對(duì)纖維及纖維表面 層的溶解侵蝕。纖維及其表面層金屬熔體中均具有一定的溶解度。因而，溶4 .為什么玻璃陶瓷/nicalon 復(fù)合材料不需要制備界面層？氧化物玻璃基體很容易與 nicalon sic纖維反應(yīng)：sic+o 2=sio 2+c這一反應(yīng)可 以被利用來(lái)制備界面層。氧化物玻璃基體與

5、nicalon sic纖維還可能發(fā)生其它氧化反應(yīng)，但由于需要?dú)庀?產(chǎn)物擴(kuò)散離開(kāi)界面，因?yàn)槠渌麩崃W(xué)趨向很大，但反應(yīng)驅(qū)動(dòng)力相對(duì)較小。因上述 反應(yīng)生成的si02在si0 2基玻璃中很容易溶入玻璃基體。如果使用的玻璃基體 不發(fā)生飽和分相的話，反應(yīng)的結(jié)果將在界面上生成c界面層或纖維的表面層，因而不需要預(yù)先制備界面層，這就是玻璃陶瓷的最大優(yōu)點(diǎn)。5 .復(fù)合材料有哪三個(gè)組元組成，作用分別是什么？復(fù)合材料是由：基體，增強(qiáng)體，界面。基體：是復(fù)合材料中的連續(xù)相，可以將增強(qiáng)體粘結(jié)成整體，并賦予復(fù)合材料一 定形狀。有傳遞外界作用力，保護(hù)增強(qiáng)體免受外界環(huán)境侵蝕的作用。增強(qiáng)體：主要是承載，一般承受90%以上的載荷，起著增

6、大強(qiáng)度，改善復(fù)合材 料性能的作用。界面：1.傳遞作用：載荷施加在基體上，只有通過(guò)界面才能傳遞到增強(qiáng)體上， 發(fā)揮纖維的承載能力，所以界面是傳遞載荷的橋梁。2 .阻斷作用：結(jié)合適當(dāng)?shù)慕缑嬗凶柚沽鸭y擴(kuò)展，中斷材料破壞，減緩應(yīng)力 集中的作用。3 .保護(hù)作用：界面相可以保護(hù)增強(qiáng)體免受環(huán)境的腐蝕，防止基體與增強(qiáng)體 之間的化學(xué)反應(yīng)，起到保護(hù)增強(qiáng)體的作用。6 .請(qǐng)說(shuō)明臨界纖維長(zhǎng)度的物理意義？能夠達(dá)到最大纖維應(yīng)力，即極限強(qiáng)度 m的最小纖維長(zhǎng)度，稱為臨界長(zhǎng)度lc,臨界纖維長(zhǎng)度是載荷傳遞長(zhǎng)度的最大值。llc時(shí)，纖維承受的載荷達(dá)不到 ofu,纖維也不可能斷裂，或由復(fù)合材料斷 裂破壞引起纖維斷裂很少，也就很難達(dá)到增強(qiáng)的

7、效果。l上ld寸，纖維能夠承受最大載荷（最大應(yīng)力），達(dá)到增強(qiáng)的效果復(fù)合材料斷 裂破壞后能在斷口上觀察到纖維的斷裂、拔出、脫粘現(xiàn)象。o-i rt-*n + ii下兩種復(fù)合材料：sicf/cas和sicf/sic復(fù)合材料是否能夠發(fā)生界面裂紋偏轉(zhuǎn)（假定兩者都無(wú)界面層）。確層對(duì)以上兩種材料界面裂紋偏轉(zhuǎn)的影響。propertysicfcassicpycmodulus(gpa)2701004006.90.20.20.20.17fracture energy(j/m 2)52051.4e =e/(1-v 2) (gpa)281.25104.17416.677.11注： ：dundurs parameters

8、e e e / 17 .試解釋以下復(fù)合材料力學(xué)性能隨纖維體積分?jǐn)?shù)及溫 度變化的原因因?yàn)?sic 的 cte 為 5e-6 c-1 , al 2o3 的 cte 為 9.5e-6 c -1 ,而 tial 的 cte 為 11e-6 c-1。由此可見(jiàn) sic纖維與tial基體的cte相差較大，而al2o3纖維 與tial基體的cte相差較小。所以從高溫冷卻到常溫 過(guò)程中：ultra-scs/ -tial復(fù)合材料中因cte差異而 產(chǎn)生的應(yīng)力比nextel610/ -tial復(fù)合材料中因cte 差異產(chǎn)生的應(yīng)力要大。兩種復(fù)合材料在室溫時(shí)纖維的彈性模量均高于基 體，根據(jù)復(fù)合法則8 .試分析以 定熱解碳界

9、面e=（ef-em）vf + e m，因此隨著纖維體積分?jǐn)?shù)增加復(fù)合材 料的e也增加，但對(duì)于 ultra-scs/ -tial復(fù)合材料， 纖維體積分?jǐn)?shù)達(dá)到30% ,由于纖維和基體熱失配嚴(yán)重（基體 cte=11e-6 c-1 ,纖維 cte=5e-6 c-1 ）,基體 和纖維界面開(kāi)裂導(dǎo)致沒(méi)有結(jié)合強(qiáng)度，彈性模量也降低。 由二表分析得兩種復(fù)合材料的強(qiáng)度均隨纖維體積分?jǐn)?shù) 的增加而降低，這是因?yàn)槔w維與基體cte差異導(dǎo)致低溫下復(fù)合材料中產(chǎn)生應(yīng)力，故纖維體積分?jǐn)?shù)越大，復(fù) 合材料中因cte差異而產(chǎn)生的應(yīng)力越大，因此一定范 圍內(nèi)兩種復(fù)合材料的力學(xué)性能均隨纖維體積分?jǐn)?shù)的降低而升高。由二表分析得兩種復(fù)合材料的強(qiáng)度均隨

10、溫度的 升高而增加，這是因?yàn)闇囟壬呃w維與基體熱脹系數(shù) 差異而產(chǎn)生的應(yīng)力逐漸減小，所以在一定溫度范圍內(nèi) 兩種復(fù)合材料的強(qiáng)度均隨隨溫度的升高而增加。（1000 c ）fibers“mpae/gpaa/e-6 c-1sic20704205al 2o311003809.5tial111.88pmu 700e2.27 pe 400e精品文檔解：無(wú)界面層時(shí)，對(duì)于 sicf /cas 復(fù)合材料 0pgc 1fpei =104.17e2 =281.25a(1)=(e2 -e1 )/(e2 +e1 )=177.08/385.42=0.459411/ 12=20/5=4由圖分析知裂紋穿過(guò)纖維 sicf /sic

11、 復(fù)合材料ei =416.67e2 =281.25a(2)=(e2 -e1 )/(e2 +e1 )=-135.42/697.92=-0.1940p/12=5/5=1由圖分析知裂紋穿過(guò)纖維存在熱解碳界面層時(shí)，對(duì)于(3)sic f/cas復(fù)合材料pyc/cas 界面：e1 =104.17e2 =7.11a(3)=(e2 -e1 )/(e2 +e1 )=-0.8722sicf /pyc 界面：e1 =7.11 e2 =281.25a=(e2 -e1 )/(e2 +e1 )=0.9507(4)sic f /sic復(fù)合材料pyc/sic 界面：e1 =416.67e2 =7.11a(3)=(e2，-e1

12、 )/(e2，+e1 )=-0.9664sicf /pyc 界面：e1 =7.11 e2 =281.25a=(e2 -e1 )/(e2 +e1 )=0.9507n/ 12=20/1.4=14.2857n/ 12=1.4/5=0.28口/ 12=5/1.4=3.5714r/ 12=1.4/5=0.28裂紋穿過(guò)pyc層裂紋偏轉(zhuǎn)裂紋穿過(guò)pyc層裂紋偏轉(zhuǎn)綜上，sicf/cas和sicf/sic復(fù)合材料不會(huì)發(fā)生界面裂紋偏轉(zhuǎn)（假定兩者都無(wú)界面層）均會(huì)發(fā)生界面裂紋偏轉(zhuǎn)，且裂紋偏轉(zhuǎn)均發(fā)生在pyc與sicf界面處。當(dāng)存在熱解碳界面層時(shí)，sicf/cas和sicf/sic復(fù)合材料9.請(qǐng)分別查找陶瓷強(qiáng)度、模量隨孔隙

13、率變化規(guī)律的公式（假定泊松比不隨孔隙率變化）根據(jù)以下兩式及表中數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)一種無(wú)界面層p=f psic/sic復(fù)合材料（纖維體c mu 1 vf (ef e ) 1m積分?jǐn)?shù)50%）,使其具有最高強(qiáng)度 同時(shí)具有界面裂紋偏轉(zhuǎn)能力，用數(shù) 據(jù)說(shuō)明。propertysicfsicmodulus(gpa)2704000.20.2fracture energy(j/m 2)55（gcp為多孔材料斷裂能，gc為致密材料斷裂能，fp為孔隙率）解：（rc=700e-1.88fp 1+vf（ef/400e-2.27fp ）-1=700e-1.88fp 1+0.5（270/400e-2.27fp）-1=700e-1.8

14、8fp0.5+（27/80）e-2.27fp g=350e -1.88fp+236.25e -2.27fp等式兩邊對(duì) fp 求導(dǎo)，令 g =0得-1.88*350e -1.88fp+0.39*236.25e -2.27fp =0 解彳t fp=0.866 孔隙率 0.866 時(shí)具有最高強(qiáng)度 =5*（1-0.866） 2=0.08978h/12=0.017956e1 =400e 227*0.866/（1-0.2 2）=58.35e2 =270/（1-0.2 2）=281.25a=（e2，-e1 ）/（e2，+e1 ）=0.65因此具有界面偏轉(zhuǎn)能力10 .金屬鋁的強(qiáng)化：常向液態(tài)的金屬鋁中加入a,。

15、？和sic,使之均勻分散在其中，達(dá)到強(qiáng)化的目的。但由于這兩種固體與液鋁的浸潤(rùn)角q=140。，即幾乎不浸潤(rùn)，所以很難將其分散均勻。為實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化，可以采用哪些方法？為實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化，可以向體系中加入cu或鋁鎂合金，目的是利用金屬和ai2o3的合金化反應(yīng)，降低固-液界面能；或用injection的方法，給ai2o3和sic顆粒以很大的初速度，將其注射到液鋁中去，也可達(dá)到分散效果；此外，在ai2o3和sic表面鍍銀亦能顯著改善浸潤(rùn)問(wèn)題。為了降低潤(rùn)濕角必須增加顆粒表面或減小液態(tài)金屬鋁的表面張力。改善浸潤(rùn)性的方法有：（1）對(duì)增強(qiáng)顆粒進(jìn)行熱處理以除去其表面吸附的氣體；（2）對(duì)熔融金屬液施加超聲處理以除去增強(qiáng)顆粒表面

16、吸附的雜質(zhì)和氣體，以提高顆粒的表面能；（3）在增強(qiáng)顆粒的表面堵上ni或cu等潤(rùn)濕劑，以提高增強(qiáng)顆粒的表面能；（4）從改善鋁合金液的成分設(shè)計(jì)入手，在熔融的金屬液中添加相應(yīng)的活性元素，如 mg、ca、ti、zr、nb、v和p等, 以降低液體的表面張力，提高浸潤(rùn)性；（5）適當(dāng)提高制備溫度，溫度提高可以改善浸潤(rùn)性；（6）對(duì)于sic顆粒，可以對(duì)其進(jìn)行預(yù)氧化處理，使sic顆粒表面生成sio2薄膜，精品文檔sio2與基體浸潤(rùn)性較好，以此改善浸潤(rùn)性11 .請(qǐng)計(jì)算sic氧化生成sio2的體積變化。請(qǐng)計(jì)算 zrc氧化生成zro 2的體積變化。解:n sic = psic/m sic =3.2/40 = 0.08n

17、so2= psio2/m so2 =2.32/60 = 0.039vso2/v sic = n sic/n sio2 =0.08/0.039 =2.07因此sic氧化生成sio2的體積變?yōu)樵瓉?lái)的2.07倍;同理：vzro2/vzrc = n zrc/n zro2 = ( pzrc m zro2 )/( pzro2 m zrc) =(6.73 x 123.22)/(103.23x5.89) =1.364zrc氧化生成zro 2的體積變?yōu)樵瓉?lái)的1.364倍。kp見(jiàn)下表。請(qǐng)計(jì)算sic氧化表觀活化能。12 . cvd sic在50vol.%h 2o/50vol.%ar氣氛中氧化的拋物線氧化速率常數(shù)t(

18、 c)t(k)kp(m2/s)lnkp1/t (e-4)120014730.2810-6-15.08856.7889130015730.9 10-6-13.92096.3573140016731.7410-6-13.26165.9773150017734.4 10-6-12.33395.6402r=8.3145j/(k*mol)其定義式為即等于lnk與1/t曲線斜率的負(fù)值乘以r(15.0885-12.3339)/(6.7889e-4-5.6402 e-4) = 23935.7523935.758.3145=199013.8j/mol = 199kj/mol復(fù)合r而這些孔隙的存在,吸收了大量的能

19、量，使多孔c/sic復(fù)合材料呈現(xiàn)高強(qiáng)度的特征。13 .請(qǐng)分析為什么連續(xù)纖維拔出長(zhǎng)度通常為lc/2 ,為什么纖維端部先于纖維中部脫粘。如圖1所示單根纖維埋入基體之中受力平衡時(shí)基體的屈服剪切強(qiáng)度與纖維的拉伸應(yīng)力存在平衡關(guān)系：纖維所受拉應(yīng)力和剪應(yīng)力與纖維長(zhǎng)度的曲線關(guān)系如圖 2所示：纖維上應(yīng)力對(duì)稱分布, 在lc/2處拉應(yīng)力達(dá)最大值，因此連2纖維拔出長(zhǎng)度通常為 lc/2;而纖維兩端的剪應(yīng) 力最大，故纖維端部先于纖維中部脫粘。14 .設(shè)計(jì)一種sic晶須增強(qiáng)玻璃陶瓷基復(fù)合材料，界面應(yīng)該是強(qiáng)結(jié)合還是弱結(jié)合對(duì) 強(qiáng)度有利，試分析之。sic晶須增強(qiáng)玻璃陶瓷基復(fù)合材料，界面應(yīng)該是弱結(jié)合。界面結(jié)合包括機(jī)械結(jié)合和化 學(xué)結(jié)

20、合，機(jī)械結(jié)合指靠機(jī)械鍵合或互鎖效應(yīng)達(dá)到界面結(jié)合，陶瓷基復(fù)合材料中機(jī)械 結(jié)合占絕大多數(shù)?；瘜W(xué)結(jié)合導(dǎo)致強(qiáng)界面，在陶瓷基復(fù)合材料中要盡量避免或減弱結(jié) 合強(qiáng)度。強(qiáng)結(jié)合使陶瓷基復(fù)合材料像陶瓷單體一樣發(fā)生脆性斷裂，而弱結(jié)合可使裂 陶瓷韌性的主要方法之一。為了得到弱界面，可在 sic晶須表面鍍一層化合物或碳 等易被剪切斷裂的物質(zhì)形成界面相。15 .試分析為什么多孔c/sic復(fù)合材料具有高強(qiáng)度？對(duì)于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料體系，纖維作為增強(qiáng)體主要起承載作用，基體則起著固結(jié)纖維和傳遞載荷的作用。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能，不但決定于基體和纖維本身 的性能，而且還決定于纖維于基體之間的界面特性。為了獲得高性能復(fù)合材料，必

21、 須使界面結(jié)合適中，從而使纖維較好的發(fā)揮橋接和拔出作用，避免復(fù)合材料的脆性 圈21 斷裂和分層斷裂。較弱和較強(qiáng)的界面都不利于提高復(fù)合材的性能。界面強(qiáng)度太低， 不利于應(yīng)力向纖維傳遞。 對(duì)于多孔c&c復(fù)合:卜祖春酰 材料中奇僚饕多的孔隙, 勢(shì)必會(huì)影響材標(biāo)致密閥置以增殖和套體聲噴f%牛能, 最終影響材料的力學(xué)性能?？紫逗土鸭y可降低基體模量，低模量界面相前受毒界面 模量匹配，適當(dāng)?shù)目紫犊蓽p小應(yīng)力集中，消耗裂紋在擴(kuò)展過(guò)程中的能量，甚至終止 裂紋繼續(xù)擴(kuò)展而損傷纖維。正是這些基體裂紋、纖維基體脫黏、纖維斷裂和拔出等r不不同復(fù)合材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線:軒仁度中部算切力為學(xué)，一 晡辭典司匕如人,舒住度中器粒肥力毓人.福郎也魔力為f.采用他爭(zhēng)氣相滲透力制備的 sic纖維增韌sic陶 瓷基復(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)包括以下復(fù)合效應(yīng)。尺寸效應(yīng)：sic纖維直徑為14微米。與塊體陶瓷 相比，直徑為微米級(jí)尺寸的纖維缺陷尺寸小，力學(xué)紋沿界面偏轉(zhuǎn)，從而 降低能量，這是提高d2復(fù)合材料的特點(diǎn)(1)