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文檔簡介
1、復(fù)合材料習(xí)題第一章一、判斷題:判斷以下各論點(diǎn)的正誤。1、復(fù)合材料是由兩個(gè)組元以上的材料化合而成的。(´)2、混雜復(fù)合總是指兩種以上的纖維增強(qiáng)基體。(´)3、層板復(fù)合材料主要是指由顆料增強(qiáng)的復(fù)合材料。(´)4、最廣泛應(yīng)用的復(fù)合材料是金屬基復(fù)合材料。(´)5、復(fù)合材料具有可設(shè)計(jì)性。(Ö)6、竹、麻、木、骨、皮膚是天然復(fù)合材料。(Ö)7、分散相總是較基體強(qiáng)度和硬度高、剛度大。(´)8、玻璃鋼問世于二十世紀(jì)四十年代。(Ö)二、選擇題:從A、B、C、D中選擇出正確的答案。1、金屬基復(fù)合材料通常(B、D)A、以重金屬作基體。B
2、、延性比金屬差。C、彈性模量比基體低。D、較基體具有更高的高溫強(qiáng)度。2、目前,大多數(shù)聚合物基復(fù)合材料的使用溫度為(B)A、低于100。B、低于200。C、低于300。D、低于400。3、金屬基復(fù)合材料的使用溫度范圍為(B)A、低于300。B、在350-1100之間。C、低于800。D、高于1000。4、混雜復(fù)合材料(B、D)A、僅指兩種以上增強(qiáng)材料組成的復(fù)合材料。B、是具有混雜纖維或顆粒增強(qiáng)的復(fù)合材料。C、總被認(rèn)為是兩向編織的復(fù)合材料。D、通常為多層復(fù)合材料。5、玻璃鋼是(B)A、玻璃纖維增強(qiáng)Al基復(fù)合材料。B、玻璃纖維增強(qiáng)塑料。C、碳纖維增強(qiáng)塑料。D、氧化鋁纖維增強(qiáng)塑料。6、功能復(fù)合材料(A
3、、C、D)A、是指由功能體和基體組成的復(fù)合材料。B、包括各種力學(xué)性能的復(fù)合材料。C、包括各種電學(xué)性能的復(fù)合材料。D、包括各種聲學(xué)性能的復(fù)合材料。7、材料的比模量和比強(qiáng)度越高(A)A、制作同一零件時(shí)自重越小、剛度越大。B、制作同一零件時(shí)自重越大、剛度越大。C、制作同一零件時(shí)自重越小、剛度越小。D、制作同一零件時(shí)自重越大、剛度越小。三、簡述增強(qiáng)材料(增強(qiáng)體、功能體)在復(fù)合材料中所起的作用,并舉例說明。填充:廉價(jià)、顆粒狀填料,降低成本。例:PVC中添加碳酸鈣粉末。增強(qiáng):纖維狀或片狀增強(qiáng)體,提高復(fù)合材料的力學(xué)性能和熱性能。效果取決于增強(qiáng)體本身的力學(xué)性能、形態(tài)等。例:TiC顆粒增強(qiáng)Si3N4復(fù)合材料、碳
4、化鎢/鈷復(fù)合材料,切割工具;碳/碳復(fù)合材料,導(dǎo)彈、宇航工業(yè)的防熱材料(抗燒蝕),端頭帽、鼻錐、噴管的喉襯。賦予功能:賦予復(fù)合材料特殊的物理、化學(xué)功能。作用取決于功能體的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)。四、復(fù)合材料為何具有可設(shè)計(jì)性?簡述復(fù)合材料設(shè)計(jì)的意義。如何設(shè)計(jì)防腐蝕(堿性)玻璃纖維增強(qiáng)塑料?組分的選擇、各組分的含量及分布設(shè)計(jì)、復(fù)合方式和程度、工藝方法和工藝條件的控制等均影響復(fù)合材料的性能,賦予了復(fù)合材料性能的可設(shè)計(jì)性。意義:每種組分只貢獻(xiàn)自己的優(yōu)點(diǎn),避開自己的缺點(diǎn)。由一組分的優(yōu)點(diǎn)補(bǔ)償另一組分的缺點(diǎn),做到性能互補(bǔ)。使復(fù)合材料獲得一種新的、優(yōu)于各組分的性能(疊加效應(yīng))。優(yōu)勝劣汰、性能互補(bǔ)、推陳出新。耐堿玻璃纖維
5、增強(qiáng)塑料的設(shè)計(jì):使用無堿玻璃纖維和耐堿性樹脂(胺固化環(huán)氧樹脂)。在保證必要的力學(xué)性能的前提下,盡量減少玻璃纖維的體積比例,并使樹脂基體盡量保護(hù)纖維不受介質(zhì)的侵蝕。六、簡述復(fù)合材料增強(qiáng)體與基體之間形成良好界面的條件。在復(fù)合過程中,基體對增強(qiáng)體潤濕;增強(qiáng)體與基體之間不產(chǎn)生過量的化學(xué)反應(yīng);生成的界面相能承擔(dān)傳遞載荷的功能。復(fù)合材料的界面效應(yīng),取決于纖維或顆粒表面的物理和化學(xué)狀態(tài)、基體本身的結(jié)構(gòu)和性能、復(fù)合方式、復(fù)合工藝條件和環(huán)境條件。第二章四、什么是材料復(fù)合的結(jié)構(gòu)效果?試述其內(nèi)涵。結(jié)構(gòu)效果是指在描述復(fù)合材料的性能時(shí),必須考慮組分的幾何形態(tài)、分布形態(tài)和尺度等可變因素。這類效果往往可以用數(shù)學(xué)關(guān)系描述。結(jié)
6、構(gòu)效果包括:1、幾何形態(tài)效果(形狀效果):決定因素是組成中的連續(xù)相。對于1維分散質(zhì),當(dāng)分散質(zhì)的性質(zhì)與基體有較大差異時(shí),分散質(zhì)的性能可能會(huì)對復(fù)合材料的性能起支配作用。2、分布形態(tài)效果(取向效果):又可分為幾何形態(tài)分布(幾何體的取向)和物理性能取向:導(dǎo)致復(fù)合材料性能的各向異性,對復(fù)合材料的性能有很大影響。3、尺度效果:影響材料表面物理化學(xué)性能(比表面積、表面自由能)、表面應(yīng)力分布和界面狀態(tài),導(dǎo)致復(fù)合材料性能的變化。十一、垂直于纖維擴(kuò)展的裂紋需要克服哪些斷裂能?對于脆性纖維/脆性基體復(fù)合材料,需要克服的斷裂功:纖維拔出和纖維斷裂(吸收能量)、纖維與基體的脫膠(纖維與基體的界面較弱時(shí):消耗貯存的應(yīng)變能
7、)、應(yīng)力松弛(纖維斷裂時(shí):消耗貯存的應(yīng)變能)、纖維橋連(消耗纖維上的應(yīng)變能)。對于脆性纖維/韌性基體復(fù)合材料,基體的塑性變形(粘接強(qiáng)度很高、纖維無法拔出時(shí):吸收能量)也會(huì)增加斷裂功。第三章一、判斷題:判斷以下各論點(diǎn)的正誤。1、不飽和聚酯樹脂是用量最大的聚合物復(fù)合材料基體。(Ö)2、環(huán)氧樹脂是用于耐高溫的熱固性樹脂基體。(´)3、熱固性樹脂是一種交聯(lián)的高分子,一般不結(jié)晶;而熱塑性樹脂是線型、結(jié)晶的高分子。(´)4、聚酰亞胺是一類分子中含有基團(tuán)的熱固性樹脂。(Ö)1、MMC具有比聚合物基復(fù)合材料更高的比強(qiáng)度和比模量。(´)2、MMC具有比其基體金屬
8、或合金更高的比強(qiáng)度和比模量。(Ö)3、原位復(fù)合MMC的增強(qiáng)材料/基體界面具有物理與化學(xué)穩(wěn)定性。(Ö)4、原位復(fù)合法制備MMC的基本思路是為了提高增強(qiáng)材料與基體之間的浸潤性和減少界面反應(yīng)。(Ö)5一般,顆粒及晶須增強(qiáng)MMC的疲勞強(qiáng)度及壽命比基體金屬或合金高。(Ö)6、陶瓷纖維增強(qiáng)MMC的抗蠕變性能高于基體金屬或合金。(Ö)1、陶瓷基復(fù)合材料的制備過程大多涉及高溫,因此僅有可承受上述高溫的增強(qiáng)材料才可被用于制備陶瓷基復(fù)合材料。(Ö)2、化學(xué)氣相浸漬法(CVI)是一種用于多孔預(yù)制體的化學(xué)氣相沉積。(Ö)3、在碳化硅晶須增強(qiáng)氧化鋁陶
9、瓷復(fù)合材料的壓制階段,碳化硅晶須取向于垂直于壓軸方向。(Ö)4、Y2O3加入到ZTA(zirconia toughening alumina)中是為了促進(jìn)相變形成單斜晶體。(´)5、陶瓷復(fù)合材料中,連續(xù)纖維的增韌效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于顆粒增韌的效果。(Ö)6、玻璃陶瓷是含有大量微晶體的陶瓷。(´)7、陶瓷基復(fù)合材料的最初失效往往是陶瓷基體的開裂。(Ö)1、所有的天然纖維是有機(jī)纖維,所有的合成纖維是無機(jī)纖維。(´)2、聚乙烯纖維是所有合成纖維中密度最低的纖維。(Ö)3、玻璃纖維是晶體,其晶粒尺寸約20mm。(´)4、氧化鋁纖維
10、僅有d-Al2O3晶體結(jié)構(gòu)。(´)5、硼纖維是由三溴化硼沉積到加熱的絲芯上形成的。(Ö)6、PAN是SiC纖維的先驅(qū)體。(´)7、纖維表面處理是為了使纖維表面更光滑。(´)8、Kevlar纖維具有負(fù)的熱膨脹系數(shù)。(´)9、石墨纖維的含碳量、強(qiáng)度和模量都比碳纖維高。(Ö)1、Cf/C是目前唯一可用于溫度高達(dá)2800的高溫復(fù)合材料,但必須是在非氧化性氣氛下。(Ö)2、Cf/C的制備方法與MMC的制備方法相類似,如液態(tài)法、固態(tài)法等。(´)3、Cf/C已在航空航天、軍事領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用,這主要是因?yàn)槠鋬r(jià)格便宜、工藝簡便
11、易行,易于推廣應(yīng)用。(´)4、單向增強(qiáng)和三維增強(qiáng)的Cf/C的力學(xué)與物理性能(熱膨脹、導(dǎo)熱)為各向同性。(´)5、一般沉積碳、瀝青碳以及樹脂碳在偏光顯微鏡下具有相同的光學(xué)特征,即各向同性。(´)6、一般酚醛樹脂和瀝青的焦化率基本相同,在高壓下,它們的焦化率可以提高到90%。(Ö)7、采用硼類添加劑,如B2O3、B4C等,Cf/C的抗氧化溫度可提高到600左右。(Ö)8、目前,高溫抗氧化保護(hù)涂層已可使Cf/C安全使用溫度達(dá)1650,在更高溫度下只能起短時(shí)保護(hù)作用。(Ö)二、選擇題:從A、B、C、D中選擇出正確的答案。1、聚酰亞胺的使用溫度
12、一般在:(D)A、120以下 B、180以下 C、250以下 D、250以上2、拉擠成型是(A、C)A、低勞動(dòng)強(qiáng)度、高效率FRP生產(chǎn)方法。B、適于大型、復(fù)雜形狀制品。C、適于恒定截面型材。D、設(shè)備投資少。3、玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料力學(xué)性能受吸濕影響,原因是(B、D)A、環(huán)氧樹脂吸濕變脆。B、水起增塑劑作用,降低樹脂玻璃化溫度。C、纖維吸濕、強(qiáng)度降低。D、破壞纖維與基體界面。4、碳纖維表面處理是為了(A、C、D)A、表面引入活性官能團(tuán),如羧基、羥基、羰基等。B、表面引入偶聯(lián)劑。C、清除表面污染。D、增加纖維與基體粘結(jié)強(qiáng)度。5、偶聯(lián)劑是這樣一種試劑:(A、C)A、它既能與纖維反應(yīng),又能與基體反應(yīng)
13、。B、它能與纖維反應(yīng),但不能與基體反應(yīng),也不與基體相容。C、它能與纖維反應(yīng),不與基體反應(yīng),但與基體相容。D、它不與纖維反應(yīng),但與基體反應(yīng)或相容。1、通常MMC(metal matrix composite)(B、C)A、采用高熔點(diǎn)、重金屬作為基體。B、要比基體金屬或合金的塑性與韌性差。C、要比基體金屬或合金的工作溫度高。D、要比基體金屬或合金的彈性模量低。2、原位MMC(B、D)A、可以通過壓鑄工藝制備。B、可以通過定向凝固工藝制備。C、可以通過擴(kuò)散結(jié)合或粉末法制備。D、可以通過直接金屬氧化法(DIMOXTM)制備。3、單向纖維增強(qiáng)MMC的縱向拉伸模量(A、D)A、隨纖維體積含量的增加而增加。
14、B、與纖維體積含量無關(guān),而與纖維和基體的模量有關(guān)。C、與橫向拉伸模量相同。D、與基體的模量有關(guān)。4、在體積含量相同情況下,SiC晶須與顆粒增強(qiáng)MMC(B)A、具有基本相同的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度。B、具有基本相同的拉伸模量。C、具有基本相同的斷裂韌性。D、具有基本相同的蠕變性能。5、MMC制備工藝中,固態(tài)法與液態(tài)法相比(A、B)A、增強(qiáng)材料與基體浸潤性要求可以降低。B、增強(qiáng)材料在基體中分布更均勻。C、增強(qiáng)材料僅局限于長纖維。D、增強(qiáng)材料/基體界面反應(yīng)更劇烈(如果存在界面反應(yīng)時(shí))。6、為了改善增強(qiáng)材料與基體浸潤性,制備MMC時(shí),可以通過(A、B、D)A、基體合金化,以降低液態(tài)基體的表面張力。B、基體
15、合金化,以增加液態(tài)基體與增強(qiáng)材料的界面能。C、涂層,增加增強(qiáng)材料的表面能。D、涂層,降低增強(qiáng)材料的表面能。7、MMC中,目前典型的增強(qiáng)材料/基體界面包括有(A、B、C)A、不發(fā)生溶解,也不發(fā)生界面反應(yīng),如Bf/Al。B、不發(fā)生溶解,但發(fā)生界面反應(yīng),如Bf/Ti。C、極不容易互相浸潤,但能發(fā)生強(qiáng)烈界面反應(yīng),如Cf/Al。D、既容易互相浸潤,又不發(fā)生界面反應(yīng),如SiCf/At。1、漿體是(D)A、一種溶膠。B、丟失一定液體的溶膠。C、顆粒小于100mm的小顆粒在液體中的懸浮液。D、1-50mm顆粒在液體中的懸浮液。2、用碳化硅晶須增強(qiáng)氧化鋁陶瓷(A、B)A、提高了抗熱震性。B、降低了熱膨脹系數(shù)。C
16、、減少了熱傳導(dǎo)性。D、增加了密度。3、微裂紋增韌(A、D)A、主要是由于顆粒熱膨脹系數(shù)不同產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。B、是由于顆粒總處于拉應(yīng)力狀態(tài)。C、是由于顆??偺幱趬簯?yīng)力狀態(tài)。D、顆粒的壓力狀態(tài)與熱膨脹系數(shù)失配和壓力大小有關(guān)。4、相變增韌(B、C)A、是由于陶瓷基體中加入的氧化鋯由單斜相轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆较唷、是由于陶瓷基體中加入的氧化鋯由四方相轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕?。C、其增韌機(jī)理是陶瓷基體由于氧化鋯相變產(chǎn)生了微裂紋。D、總是導(dǎo)致陶瓷基復(fù)合材料的強(qiáng)度下降。5、纖維拔出(C、D)A、是纖維在外力作用下與基體的脫離。B、其拔出能總是小于脫粘能。C、其拔出能總是大于脫粘能。D、增韌作用比纖維脫粘強(qiáng)。1、Kevlar纖維
17、(A、B)A、由干噴濕紡法制成。B、軸向強(qiáng)度較徑向強(qiáng)度高。C、強(qiáng)度性能可保持到1000以上。D、由化學(xué)沉積方法制成。2、玻璃纖維(A、C、D)A、由SiO2玻璃制成。B、在所有纖維中具有最高的比彈性模量。C、具有短程網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。D、價(jià)格便宜、品種多。3、氧化鋁纖維(B、C)A、由有機(jī)先驅(qū)體制成。B、通過漿體成型法制成。C、有g(shù)、a、d晶型。D、具有較高的比強(qiáng)度。4、SiC纖維(B、C)A、用漿體成型法制成。B、用化學(xué)氣相沉積法制成。C、有時(shí)含有W芯。D、常用于聚合物基復(fù)合材料。5、聚乙烯纖維(A、C)A、纖維強(qiáng)度隨分子量增大而增高。B、分子量越大,加工越容易。C、熔點(diǎn)較低,約135左右。D、能在
18、200使用。6、生產(chǎn)碳纖維的主要原料有(A、B、D)A、瀝青。B、聚丙烯腈。C、聚乙烯。D、人造絲。7、各種纖維在拉伸斷裂前不發(fā)生任何屈服,但在SEM下觀察到(A、D)A、Kevlar纖維呈韌性斷裂,有徑縮及斷面減小。B、碳纖維呈韌性斷裂,有斷面收縮。C、玻璃纖維呈韌性斷裂,有斷面收縮。D、碳纖維、玻璃纖維呈脆性斷裂,無斷面收縮。8、在所有纖維中(A、B、D)A、聚乙烯纖維具有最佳的比模量和比強(qiáng)度搭配。B、碳纖維的比模量最高。C、氧化鋁纖維的比模量和比強(qiáng)度最高。D、玻璃纖維的比模量最低。9、晶須(A、B)A、是含有缺陷很少的單晶短纖維。B、長徑比一般大于10。C、直徑為數(shù)十微米。D、含有很少缺
19、陷的短纖維。10、顆粒增強(qiáng)體(B、C)A、是一種粒狀填料。B、用于改善基體的力學(xué)性能。C、可分為剛性和延性顆粒兩種。D、起填充體積作用。1、C/C具有:(B、C)A、比PMC、MMC更高的高溫強(qiáng)度。B、假塑性斷裂特性,在高溫下比陶瓷或石墨的斷裂韌性高。C、優(yōu)異的高溫摩擦摩損特性。D、各向同性的拉伸、壓縮強(qiáng)度和模量。2、C/C可以做為:(A、B、D)A、比石墨性能更好的高溫?zé)釅耗>摺、軍用或民用飛機(jī)剎車裝置中的摩擦材料。C、航天飛機(jī)的機(jī)翼和鼻錐。D、固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的喉襯或噴口部件。3、C/C中的基體碳,可以選用:(A、D)A、瀝青碳。B、天然石墨。C、炭黑。D、瀝青碳、沉積碳和樹脂碳共同作
20、為基體碳。4、C/C的CVD工藝(A、B、C)A、其原理與陶瓷基復(fù)合材料的CVI相同。B、可分為等溫、溫度梯度、壓力梯度以及溫度-壓力梯度等工藝方法。C、該工藝中,為防止孔隙口的堵塞,應(yīng)使擴(kuò)散速度大于沉積速度。D、該工藝中,為防止孔隙口的堵塞,應(yīng)使擴(kuò)散速度小于沉積速度。5、選擇C/C高溫抗氧化涂層材料的主要關(guān)鍵是:(C)A、涂層材料的高熔點(diǎn)。B、涂層材料高溫抗氧化性和熱膨脹系數(shù)。C、涂層的氧擴(kuò)散滲透率極低和與C/C的熱膨脹系數(shù)匹配性。D、涂層材料高溫?fù)]發(fā)性。三、不飽和聚酯樹脂的基本配方是什么?各起什么作用?不飽和聚酯樹脂的基本配方:不飽和聚酯:主要成分稀釋劑:稀釋作用(降低聚酯粘度),參與樹脂
21、固化,如苯乙烯。引發(fā)劑:分解產(chǎn)生自由基,引發(fā)樹脂聚合(交聯(lián)、固化),如BPO。促進(jìn)劑:誘導(dǎo)引發(fā)劑分解,加快樹脂固化,如環(huán)烷酸鈷。其它成分:顏料、增稠劑、熱塑性低收縮劑等。七、如何改善聚合物的耐熱性能?產(chǎn)生交聯(lián)結(jié)構(gòu)(對于熱固性樹脂、有機(jī)硅樹脂等,工藝條件影響聚合物的交聯(lián)密度)。增加高分子鏈的剛性(引進(jìn)不飽和共價(jià)鍵或環(huán)狀結(jié)構(gòu)(脂環(huán)、芳環(huán)、雜環(huán))、引入極性基團(tuán))。提高聚合物分子鏈的鍵能,避免弱鍵的存在(例:以C-F鍵完全取代C-H鍵,可大大提高聚合物的熱穩(wěn)定性)。形成結(jié)晶聚合物,結(jié)晶聚合物的熔融溫度大大高于相應(yīng)的非結(jié)晶聚合物。八、簡述不飽和聚酯樹脂基體的組成、代表物質(zhì)及作用。主要成分:不飽和聚酯樹脂
22、,按化學(xué)結(jié)構(gòu)可分為順酐型、丙烯酸型、丙烯酸環(huán)氧酯型聚酯樹脂。輔助材料:交聯(lián)劑、引發(fā)劑和促進(jìn)劑交聯(lián)劑:烯類單體,既是溶劑,又是交聯(lián)劑。能溶解不飽和聚酯樹脂,使其雙鍵間發(fā)生共聚合反應(yīng),得到體型產(chǎn)物,以改善固化后樹脂的性能。常用的交聯(lián)劑:苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、鄰苯二甲酸二丙烯酯、乙烯基甲苯等。引發(fā)劑:一般為有機(jī)過氧化物,在一定的溫度下分解形成游離基,從而引發(fā)不飽和聚酯樹脂的固化。常用的引發(fā)劑:過氧化二異丙苯C6H5C(CH3)22O2、過氧化二苯甲酰(C6H5CO)2O2。促進(jìn)劑:把引發(fā)劑的分解溫度降到室溫以下。對過氧化物有效的促進(jìn)劑:二甲基苯胺、二乙基苯胺、二甲基甲苯胺等。對氫過氧化物有效的促進(jìn)
23、劑:具有變價(jià)的金屬鈷:環(huán)烷酸鈷、萘酸鈷等。九、簡述不飽和聚酯樹脂的固化特點(diǎn)。不飽和聚酯樹脂的固化是放熱反應(yīng),可分為三個(gè)階段:膠凝階段:從加入促進(jìn)劑到不飽和聚酯樹脂變成凝膠狀態(tài)的時(shí)間,是固化過程最重要的階段。影響膠凝時(shí)間的因素:阻聚劑、引發(fā)劑和促進(jìn)劑的加入量,交聯(lián)劑的蒸發(fā)損失,環(huán)境溫度和濕度等。硬化階段:從樹脂開始膠凝到具有一定硬度,能把制品從模具上取下為止的時(shí)間。完全固化階段:通常在室溫下進(jìn)行,可能需要幾天至幾星期。十、簡述復(fù)合材料中金屬基體的選擇原則。1、根據(jù)金屬基復(fù)合材料的使用要求。2、根據(jù)金屬基復(fù)合材料的組成特點(diǎn):對于連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料,不要求基體有很高的強(qiáng)度,對于非連續(xù)增強(qiáng)金屬
24、基復(fù)合材料(顆粒、晶須、短纖維),基體承擔(dān)主要載荷,要求高強(qiáng)度。3、根據(jù)金屬基體與增強(qiáng)材料的界面狀態(tài)和相容性選擇金屬基體時(shí),盡量避免基體與增強(qiáng)材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng),同時(shí)應(yīng)注意基體與增強(qiáng)材料的相容性,基體和增強(qiáng)材料應(yīng)該有較好的浸潤性。十二、如何改善陶瓷的強(qiáng)度?減少陶瓷內(nèi)部和表面的裂紋:含有裂紋是材料微觀結(jié)構(gòu)的本征特性。微觀夾雜、氣孔、微裂紋等都能成為裂紋源,材料對表面裂紋(劃傷、擦傷)也十分敏感。提高斷裂韌性(KIC):采用復(fù)合化的途徑,添加陶瓷粒子、纖維或晶須,引入各種增韌機(jī)制(增加裂紋的擴(kuò)散阻力及裂紋斷裂過程消耗的能量),可提高陶瓷的韌性。十四、玻璃纖維為何具有高強(qiáng)度?試討論影響玻璃纖維強(qiáng)度的因
25、素。玻璃的理論強(qiáng)度很高(2000-12000MPa),但是由于微裂紋的存在,產(chǎn)生應(yīng)力集中,發(fā)生破壞,從而降低了玻璃的強(qiáng)度。玻璃纖維經(jīng)高溫成型時(shí)減少了玻璃溶液的不均一性,使得裂紋產(chǎn)生的機(jī)會(huì)減少;同時(shí),玻璃纖維的橫截面較小,微裂紋存在的幾率也減少,導(dǎo)致玻璃纖維強(qiáng)度較高。影響玻璃纖維強(qiáng)度的因素:1、化學(xué)組成:不同的玻璃纖維(不同系統(tǒng)),強(qiáng)度有很大差別。一般來說,含堿量越高(K2O、PbO),玻璃纖維的強(qiáng)度越低。2、玻璃纖維的直徑和長度:隨著玻璃纖維的直徑和長度的減小,微裂紋的數(shù)量和尺寸相應(yīng)地減小,從而提高了玻璃纖維的強(qiáng)度。3、存放時(shí)間:玻璃纖維存放一定時(shí)間后,由于空氣中的水分對玻璃纖維的侵蝕,導(dǎo)致強(qiáng)
26、度下降。4、施加負(fù)荷時(shí)間:玻璃纖維的拉伸強(qiáng)度隨著施加負(fù)荷時(shí)間的增加而降低,當(dāng)環(huán)境濕度較高時(shí)更加明顯。原因:吸附在微裂紋中的水分,在外力作用下,加速微裂紋的擴(kuò)展,從而導(dǎo)致強(qiáng)度降低。十七、舉例說明碳纖維的應(yīng)用。作為復(fù)合材料的增強(qiáng)體。航空、航天工業(yè):主承力結(jié)構(gòu)材料(機(jī)體、艙門、主翼、尾翼);次承力構(gòu)件(Cf/環(huán)氧樹脂:起落架、發(fā)動(dòng)機(jī)艙、整流罩);防熱材料(火箭噴嘴、鼻錐(Cf/C)。交通運(yùn)輸:汽車傳動(dòng)軸、構(gòu)架,制造快艇、巡邏艇。運(yùn)動(dòng)器材:釣魚竿、高爾夫球桿、網(wǎng)球拍、滑雪板、賽艇(Cf/環(huán)氧樹脂)。第四章1、基體與增強(qiáng)體的界面在高溫使用過程中不發(fā)生變化。(´)2、比強(qiáng)度和比模量是材料的強(qiáng)度和
27、模量與其密度之比。(Ö)3、浸潤性是基體與增強(qiáng)體間粘結(jié)的必要條件,但非充分條件。(Ö)4、基體與增強(qiáng)體間界面的模量比增強(qiáng)體和基體高,則復(fù)合材料的彈性模量也越高。(´)5、界面間粘結(jié)過強(qiáng)的復(fù)合材料易發(fā)生脆性斷裂。(Ö)6、脫粘是指纖維與基體完全發(fā)生分離的現(xiàn)象。(´)7、混合法則可用于任何復(fù)合材料的性能估算。(´)8、纖維長度l<lc時(shí),纖維上的拉應(yīng)力達(dá)不到纖維的斷裂應(yīng)力。(Ö)二、選擇題:從A、B、C、D中選擇出正確的答案。1、復(fù)合材料界面的作用(B)A、僅僅是把基體與增強(qiáng)體粘結(jié)起來。B、將整體承受的載荷由基體傳遞到增強(qiáng)
28、體。C、總是使復(fù)合材料的性能得以改善。D、總是降低復(fù)合材料的整體性能。2、浸潤性(A、D)A、當(dāng)gsl+glv<gsv時(shí),易發(fā)生浸潤。B、當(dāng)gsl+glv>gsv時(shí),易發(fā)生浸潤。C、接觸角q=0°時(shí),不發(fā)生浸潤。D、是液體在固體上的鋪展。3、增強(qiáng)材料與基體的作用是(A、D)A、增強(qiáng)材料是承受載荷的主要組元。B、基體是承受載荷的主要組元。C、增強(qiáng)材料和基體都是承受載荷的主要組元。D、基體起粘結(jié)作用并起傳遞應(yīng)力和增韌作用。4、混合定律(A)A、表示復(fù)合材料性能隨組元材料體積含量呈線性變化。B、表示復(fù)合材料性能隨組元材料體積含量呈曲性變化。C、表達(dá)了復(fù)合材料的性能與基體和增強(qiáng)體
29、性能與含量的變化。D、考慮了增強(qiáng)體的分布和取向。5、剪切效應(yīng)是指(A)A、短纖維與基體界面剪應(yīng)力的變化。B、在纖維中部界面剪應(yīng)力最大。C、在纖維末端界面剪應(yīng)力最大。D、在纖維末端界面剪應(yīng)力最小。6、纖維體積分量相同時(shí),短纖維的強(qiáng)化效果趨于連續(xù)纖維必須(C)A、纖維長度l=5lc。B、纖維長度l<5lc。C、纖維長度l=5-10lc。D、纖維長度l>10lc。7、短纖維復(fù)合材料廣泛應(yīng)用的主要原因(A、B)A、短纖維比連續(xù)纖維便宜。B、連續(xù)纖維復(fù)合材料的制造方法靈活。C、短纖維復(fù)合材料總是各相同性。D、使短纖維定向排列比連續(xù)纖維容易。8、當(dāng)纖維長度l>lc時(shí),纖維上的平均應(yīng)力(A
30、、C)A、低于纖維斷裂應(yīng)力。B、高于纖維斷裂應(yīng)力。C、正比于纖維斷裂應(yīng)力。D、與l無關(guān)。九、試述影響復(fù)合材料性能的因素?;w和增強(qiáng)材料(增強(qiáng)體或功能體)的性能;復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和成型技術(shù);復(fù)合材料中增強(qiáng)材料與基體的結(jié)合狀態(tài)(物理的和化學(xué)的)及由此產(chǎn)生的復(fù)合效應(yīng)。十、復(fù)合材料的界面具有怎樣的特點(diǎn)?界面相的化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)和物理性能與增強(qiáng)材料和基體的均不相同,對復(fù)合材料的整體性能產(chǎn)生重大影響。界面具有一定的厚度(約幾個(gè)納米到幾個(gè)微米),厚度不均勻。材料特性在界面是不連續(xù)的,這種不連續(xù)性可能是陡變的,也可能是漸變的。材料特性包括元素的濃度、原子的配位、晶體結(jié)構(gòu)、密度、彈性模量、熱膨脹系數(shù)等。十一、什么是
31、浸潤?如何描述浸潤程度的大?。吭囉懻撚绊憹櫇窠谴笮〉囊蛩?。浸潤:固-氣界面被固-液界面置換的過程,用于描述液體在固體表面上自動(dòng)鋪展的程度。固體表面的潤濕程度可以用液體分子對其表面的作用力大小來表征,具體來說就是接觸角。Young公式討論了液體對固體的潤濕條件:降低液-固表面能和液-氣表面能或者增大固-氣表面能有助于潤濕。q=0°(glv=gsv-gsl),完全浸潤;0°<q<90°(glv>gsv-gsl>0),部分浸潤;q>90°(gsv<gsl),完全不浸潤。影響接觸角(潤濕角)大小的因素:固體表面的原始狀態(tài),例:
32、吸附氣體、氧化膜等均使接觸角增大。固體表面粗糙度增加將使接觸角減小。固相或液相的夾雜、相與相之間化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物都將影響潤濕性。原因:夾雜或反應(yīng)產(chǎn)物改變了固相的性質(zhì)和固相的表面粗糙度。十四、簡述復(fù)合材料的界面結(jié)合類型及其特點(diǎn)。1、機(jī)械結(jié)合:增強(qiáng)材料與基體之間僅依靠純粹的粗糙表面相互嵌入(互鎖)作用進(jìn)行連接(摩擦力),沒有化學(xué)作用。影響機(jī)械結(jié)合的因素:增強(qiáng)材料與基體的性質(zhì)、纖維表面的粗糙度、基體的收縮(正壓力)有利于纖維箍緊。2、溶解與浸潤結(jié)合:在復(fù)合材料的制造過程中,由單純的浸潤和溶解作用,使增強(qiáng)材料和基體形成交錯(cuò)的溶解擴(kuò)散界面,是一種次價(jià)鍵力的結(jié)合。(當(dāng)基體的基團(tuán)或分子與增強(qiáng)材料表面間距小于0
33、.5nm時(shí),次價(jià)鍵力就發(fā)生作用。次價(jià)鍵力包括誘導(dǎo)力、色散力、氫鍵等。)形成溶解與浸潤結(jié)合的基本條件:增強(qiáng)材料與基體間的接觸角小于90°,增強(qiáng)材料與基體間有一定的溶解能力。3、反應(yīng)界面結(jié)合:基體與增強(qiáng)材料間發(fā)生化學(xué)反應(yīng),在界面上形成新的化合物、以主價(jià)鍵力相互結(jié)合。這是一種最復(fù)雜、最重要的結(jié)合方式。反應(yīng)結(jié)合受擴(kuò)散控制,擴(kuò)散包括反應(yīng)物質(zhì)在組分物質(zhì)中的擴(kuò)散(反應(yīng)初期)和在反應(yīng)產(chǎn)物中的擴(kuò)散(反應(yīng)后期)。要實(shí)現(xiàn)良好的反應(yīng)結(jié)合,必須選擇最佳的制造工藝參數(shù)(溫度、壓力、時(shí)間、氣氛等)來控制界面反應(yīng)的程度。界面反應(yīng)層是非常復(fù)雜的組成,有時(shí)發(fā)生多個(gè)反應(yīng),產(chǎn)生交換反應(yīng)結(jié)合。界面的反應(yīng)產(chǎn)物大多是脆性物質(zhì),達(dá)
34、到一定厚度時(shí),界面上的殘余應(yīng)力可使其發(fā)生破壞,因此,界面結(jié)合先隨反應(yīng)程度提高而增加結(jié)合強(qiáng)度,但反應(yīng)達(dá)到一定程度后,界面結(jié)合有所減弱。4、混合結(jié)合:上述界面結(jié)合方式的混合,實(shí)際情況中發(fā)生的重要的界面結(jié)合形式。十九、什么是增強(qiáng)材料的表面處理?簡述偶聯(lián)劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)及作用。表面處理是在增強(qiáng)材料的表面涂覆上表面處理劑(包括浸潤劑、偶聯(lián)劑、助劑等物質(zhì)),它有利于增強(qiáng)材料與基體間形成良好的粘結(jié)界面,從而達(dá)到提高復(fù)合材料各種性能的目的。偶聯(lián)劑的化學(xué)結(jié)構(gòu):分子兩端含有性質(zhì)不同的基團(tuán),一端的基團(tuán)與增強(qiáng)材料表面發(fā)生化學(xué)作用或物理作用,另一端的基團(tuán)則能和基體發(fā)生化學(xué)作用或物理作用,從而使增強(qiáng)材料與基體很好地偶聯(lián)起來,
35、獲得良好的界面粘結(jié),改善了多方面的性能,并有效地抵抗水的侵蝕。二十一、試述碳纖維的表面處理方法及作用效果:1、表面浸涂有機(jī)化合物:采用類似紡織中的漿紗工藝,在碳纖維表面涂覆含有反應(yīng)性端基的樹脂(羥端基的丁二烯/丙烯酸共聚物等),以改善碳纖維的界面粘結(jié)性。2、表面涂覆無機(jī)化合物:表面上沉積無定形碳:在高模量結(jié)晶型碳纖維表面加涂一層低模量無定形碳,無定形碳活性大,易與樹脂浸潤,提高界面粘結(jié)力,能顯著提高碳纖維復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度。加涂碳化物:用化學(xué)氣相沉積(CVD)的方法加涂碳化物。3、表面化學(xué)處理:臭氧氧化法:臭氧極易分解成一個(gè)氧分子和一個(gè)新生態(tài)活潑氧原子,氧化碳纖維表面的不飽和碳原子,生成含氧官能團(tuán)。陽極電解氧化法:靠電解產(chǎn)生的新生態(tài)氧對碳纖維表面進(jìn)行氧化和腐蝕,碳纖維表面被氧化腐蝕,使比表面積增大、化學(xué)基團(tuán)增加。鹽溶液處理:先浸涂甲酸、乙酸、硝酸等的銅、鉛、鈷等鹽類溶液,然后在空氣或氧氣中于20
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