《復(fù)合材料》習(xí)題及答案

《復(fù)合材料》習(xí)題及答案

簡答題

1、材料科技工作者的工作主要體現(xiàn)在哪些方面？

①發(fā)現(xiàn)新物質(zhì)，測試新物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性能；

②由已知的物質(zhì)，通過新的制備工藝，改善其微觀結(jié)構(gòu)，改善材料的性能；

③由已知的物質(zhì)進行復(fù)合，制備出具有優(yōu)良性能的復(fù)合材料。

2、復(fù)合材料界面對其性能起很大影響，界面的機能可歸納為哪幾種效應(yīng)？

①傳遞效應(yīng):

基體可通過界面將外力傳遞給增強物，起到基體與增強體之間的橋梁作用。

②阻斷效應(yīng):

適當(dāng)?shù)慕缑嬗凶柚沽鸭y的擴展、中斷材料破壞、減緩應(yīng)力集中的作用。

③不連續(xù)效應(yīng):

在界面上產(chǎn)生物理性能的不連續(xù)性和界面摩擦出現(xiàn)的現(xiàn)象。

④散熱和吸收效應(yīng):

光波、聲波、熱彈性波、沖擊波等在界面產(chǎn)生散射和吸收。

⑤誘導(dǎo)效應(yīng):

復(fù)合材料中的一種組元的表面結(jié)構(gòu)使另一種與之接觸的物質(zhì)的結(jié)構(gòu)由于誘導(dǎo)作用而發(fā)

生變化。

3、作為復(fù)合材料的增強體應(yīng)具有哪些基本特性？

⑴具有能明顯提高基體某種所需特性的性能，以便賦予基體某種所需的特性和綜合性

能；

⑵具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，在制備和使用過程中其組織結(jié)構(gòu)和性能不發(fā)生明顯的變化

和退化，與基體有良好的化學(xué)相容性，不發(fā)生嚴(yán)重的界面化學(xué)反應(yīng)，；

⑶與基體有良好的潤濕性，保證增強體與基體良好的復(fù)合和分布均勻。

4.簡述玻璃纖維的結(jié)構(gòu)。

⑴關(guān)于玻璃結(jié)構(gòu)的假說目前為止能夠反映實際情況的是微晶結(jié)構(gòu)假說、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)假說。

①微晶結(jié)構(gòu)假說認(rèn)為,玻璃是由硅酸塊或二氧化硅的微晶子組成，在微晶子之間由硅

酸塊過冷溶液所填充。

②網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)假說認(rèn)為,玻璃是由二氧化硅的四面體、鋁氧三面體或硼氧三面體相互連

成不規(guī)則三維網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)間的空隙由Na、K、Ca、Mg等陽離子填充。

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⑵玻璃纖維是近程有序的。但是有序區(qū)域不是像晶體結(jié)構(gòu)那樣有嚴(yán)格的周期性，微觀

上是不均勻的，宏觀上卻又是均勻的，反映到玻璃的性能上是各向同性。

5、聚合物基復(fù)合材料是最重要的高分子材料之一，它具有什么特點？

(1)比強度大，比模量大;

⑵耐疲勞性能好:

疲勞破壞是逐漸發(fā)展的，破壞前有明顯的預(yù)兆。疲勞極限可達其拉伸強度的70%?

80%；

⑶減振性好:

基體界面有吸震能力，因而振動阻尼高。

⑷耐燒蝕性能好:

因比熱容、熔化熱和汽化熱大，高溫下能吸收大量熱量。

⑸工藝性好:

制造工藝簡單，過載時安全性好。

6.提高混凝土耐久性的主要措施有哪些？

⑴合理選擇水泥品種；

⑵適當(dāng)控制混凝土的水灰比及水泥用量

⑶選用較好的砂石骨料

⑷摻入引氣劑或減水劑

⑸改善混凝土的施工操作方法。

7.納米粉體分散的方法有哪些？

⑴超聲波分散：

利用超聲波弱化納米粒子間的納米作用能，可有效防止納米粒子的團聚；

⑵機械攪拌分散：

借助外力的剪切作用使納米粒子分散在介質(zhì)中。

⑶分散劑分散

①加入反絮凝劑形成雙電層；②加表(界)面活性劑包裹微粒。

⑷化學(xué)改性分散

利用表面化學(xué)方法對納米粒子進行表面改性。

8、金屬基復(fù)合材料的原位復(fù)合技術(shù)有哪些？

⑴固相反應(yīng)法

把預(yù)期構(gòu)成增強相的兩種組分粉末與基體金屬粉末均勻混合，加熱到基體熔點以上溫

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度，在基體金屬熔液中生成陶瓷或金屬間化合物的顆粒增強物。

⑵液一固相反應(yīng)法

在基體金屬熔液中加入能反應(yīng)生成預(yù)期增強顆粒的固態(tài)元素或化合物，在熔融的基體

合金中，在一定的溫度下反應(yīng)，生成陶瓷或金屬間化合物的顆粒增強物，形成自生增強金

屬基復(fù)合材料。

⑶氣一液反應(yīng)法

含有反應(yīng)元素或本身就是反應(yīng)元素的氣體通入到高溫金屬熔體中，利用氣體本身或氣

體中分解的元素與金屬熔體發(fā)生反應(yīng)生成陶瓷粒子對金屬基體進行增強。

⑷反應(yīng)噴射沉積成型技術(shù)

是制備近終形成型快速凝固制品的噴射沉積成型技術(shù)和反應(yīng)合成陶瓷相粒子技術(shù)的結(jié)

合。

9.復(fù)合材料不僅是一種材料，而且可認(rèn)為是一種結(jié)構(gòu)。從固體力學(xué)的角度，將纖維增

強的復(fù)合材料可以分為哪幾個結(jié)構(gòu)層次，分別是什么？

⑴一次結(jié)構(gòu):是指由基體和增強材料復(fù)合而成的單層復(fù)合材料，其力學(xué)性能取決于組

分材料的力學(xué)性能，各相材料的形態(tài)、分布和含量及界面的性能；

⑵二次結(jié)構(gòu):是指由單層材料層合而成的層合體，其力學(xué)性能取決于單層材料的力學(xué)

性能和鋪層幾何（各單層的厚度、鋪設(shè)方向、鋪層序列）；

⑶三次結(jié)構(gòu):是指工程結(jié)構(gòu)或產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，其力學(xué)性能取決于層合體的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)

幾何。

10.由于在陶瓷基復(fù)合材料中存在認(rèn)為的界面，而界面又起著很重要的作用，常見界面

的控制方法有哪些？

⑴改變增強體表面的性質(zhì):

是用化學(xué)手段控制界面的方法。目的在于①防止增強體與基體之間的反應(yīng)，從而獲得

最佳的界面力學(xué)特性；②改善纖維與基體之間的結(jié)合力。

⑵向基體添加特定的元素:

在用燒結(jié)法制造陶瓷基復(fù)合材料的過程中，為了有助于燒結(jié)，常常在基體中添加一些

元素。有時為了使纖維與基體發(fā)生適度的反應(yīng)以控制界面，也可以添加一些元素。

⑶增強體的表面涂層:

涂層技術(shù)的應(yīng)用是實用的界面控制方法之一。可分為①CVD；②PVD；③噴鍍和噴射

等。涂層的主要目的是防止成型過程中纖維與基體反應(yīng)；調(diào)節(jié)界面剪切破壞能量以提高剪

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切強度。

11.如何制造碳纖維？

⑴碳纖維是一種以碳為主要成分的纖維狀材料。它只能以有機物為原料，采用間接法

制造。

⑵制造方法可分為氣相法和有機纖維碳化法。氣相法只能制取短纖維或晶須，而有機

纖維碳化法可制造連續(xù)長纖維。

⑶制作碳纖維的主要原材料有3種：①人造絲（黏膠纖維）；②聚丙烯月青（PAN）纖維;

③瀝青。

⑷制造碳纖維要經(jīng)過5個階段：拉絲、牽引、穩(wěn)定、碳化和石墨化。

⑸制備PAN碳纖維的主要工藝流程由熱穩(wěn)定化處理、碳化處理和石墨化處理組成。黏

膠碳纖維和瀝青碳纖維的制備過程與PAN碳纖維相似，但不同的是瀝青必須經(jīng)過調(diào)制處理。

12.簡述常見的金屬基復(fù)合材料的制造工藝。

⑴固態(tài)法：將金屬基體（金屬粉末或金屬箔）與增強體復(fù)合在一起，形成復(fù)合材料。

①粉末冶金法

②熱壓法

③熱等靜壓法

④軋制法

⑤拉拔法。

⑵液態(tài)金屬法：金屬基體處于熔融狀態(tài)下與固體增強物復(fù)合成材料的方法。

①擠壓鑄造法；

②真空吸鑄

③液態(tài)金屬浸漬法

④真空壓力浸漬法

⑤攪拌復(fù)合法。

⑶自生成法及其他制備工藝：

①自生成法：在基體金屬內(nèi)部通過加入反應(yīng)物質(zhì)，或通入反應(yīng)氣體在液態(tài)金屬內(nèi)部反

應(yīng)，產(chǎn)生微小的固態(tài)增強相。

②其他方法：復(fù)合涂（鍍）法。

13.高性能混凝土在微觀結(jié)構(gòu)方面有何特點？

①由于存在大量未水化的水泥顆粒，漿體所占比例降低。這些未水化水泥顆粒是硬化

混凝土中的微集料。

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②漿體的總孔隙率小。

③孔徑尺寸較小，僅最小的孔為水飽和。

④漿體一集料界面與漿體本體無明顯差別，消除了普通混凝土中傳統(tǒng)的薄弱區(qū)。

⑤游離氧化鈣含量低。

⑥自生收縮造成混凝土內(nèi)部產(chǎn)生自應(yīng)力狀態(tài)，致使集料受到強有力的約束。

14.簡述納米粉體的表征方法。

⑴分析化學(xué)組成的主、次成分

X射線熒光光譜法（XRFS）、耦合等離子體原子吸收光譜法（ICP-AES）

⑵分析原料和制備過程中引入的雜質(zhì)含量

原子激發(fā)光譜（AES）、原子吸收光譜。

⑶測定粉體的形貌大小和分布范圍

透射電子顯微鏡、激光離心沉降法。

⑷測定粉料（2~200nm）的顆粒度及分布范圍

X射線小角散射法

⑸測定粉體的比表面積

化學(xué)碘吸附法、BET法

⑹結(jié)構(gòu)測定和表征其形貌尺度以及團聚情況

高分辨電鏡

⑺研究納米晶材料的結(jié)構(gòu)

X射線衍射、穆斯堡爾譜、擴展X射線吸收精細結(jié)構(gòu)（EXAFS）、正電子淹沒。

15、聚合物基復(fù)合材料原位復(fù)合技術(shù)有哪些？

⑴熔融共混技術(shù)

通過熱致液晶聚合物（TCLP）和熱塑性樹脂共混物進行擠塑、注塑等，在熔融共混加

工過程中，使剛性棒狀分子的TCLP沿受力方向取向排列，在熱塑性樹脂基體中原位形成

足夠長徑比的微纖維。

⑵溶液共沉淀技術(shù)

在樹脂基體中通過共溶液、共沉淀均勻分散聚合物微纖維的技術(shù)。

⑶原位聚合技術(shù)

利用聚合物單體在外力作用下，原位產(chǎn)生聚合或共聚，使得某一種聚合物或其他物質(zhì)

均勻分散在聚合物基體中，起到對復(fù)合材料改性的作用。

16、復(fù)合材料仿生設(shè)計方法可分哪幾類？

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⑴界面的宏觀擬態(tài)仿生設(shè)計

⑵分子尺度的化學(xué)仿生

①界面化學(xué)鍵仿生；

②單體化學(xué)分子結(jié)構(gòu)仿生。

⑶微觀晶體結(jié)構(gòu)仿生

⑷制造工藝仿生

論述題

1.、復(fù)合材料界面作用機理？（8分）

界面作用機理是指界面發(fā)揮作用的微觀機理。

⑴界面浸潤性理論：

該理論認(rèn)為，填充劑被液態(tài)樹脂良好浸潤是非常重要的。

⑵化學(xué)鍵理論：

該理論認(rèn)為，化學(xué)鍵能實現(xiàn)兩相之間的有效結(jié)合。

⑶物理吸附理論：

該理論認(rèn)為，增強體與基體之間結(jié)合屬于機械咬合和基于次價鍵的物理吸附。

⑷過渡層理論：

該理論認(rèn)為，基體和增強體之間的界面區(qū)存在一個起著應(yīng)力松弛作用的過渡層。

⑸拘束層理論：

該理論認(rèn)為，界面區(qū)的彈性模量介于基體與增強體之間時，則可很均勻地傳遞應(yīng)力。

⑹擴散理論：

該理論認(rèn)為，聚合物的相互黏結(jié)是由表面上的大分子相互擴散形成的。

⑺減弱界面局部應(yīng)力作用理論：

該理論認(rèn)為，基體與增強體之間的處理劑提供了一種具有“自愈能力”的化學(xué)鍵。

2.納米粉體的制備方法？（9分）

⑴物理法制備納米粉體:物理復(fù)合法多指機械復(fù)合法，通常利用機械剪切、擠壓等作

用力，使子、母粒子復(fù)合在一起。

常用的方法有：①惰性氣體冷凝法;

②高能球磨法；

③共混法；

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④異相凝聚法；

⑤其他制備方法：電子束蒸發(fā)法、激光剝離法、DC或RF濺射法等。

⑵化學(xué)法制備納米粉體:化學(xué)復(fù)合法是指通過液相或氣相反應(yīng)來制備復(fù)合材料的方法。

常用的方法有：①溶膠-凝膠法；

②濕化學(xué)法；

③水熱法；

④微乳液法；

⑤化學(xué)氣相沉積法；

⑥溶劑蒸發(fā)法。

3.陶瓷基復(fù)合材料的制備工藝？（8分）

⑴粉體制備:制備陶瓷粉體。

①機械制粉：一般有球磨和攪拌振動磨等方式；

②化學(xué)制粉：可分為固相法、液相法和氣相法；

⑵增強體制備和預(yù)處理

增強體有纖維、晶須或陶瓷薄片。

⑶成型:使粉料成型為坯體。

陶瓷成形方法主要有：①模壓成型；②等靜壓成型；③熱壓鑄成型；④擠壓成型；⑤

軋膜成型；⑥注漿成型；⑦流延法成型；⑧注射成型；⑨直接凝固成型等。

⑷燒結(jié):陶瓷坯料在表面能減少的推動力下通過擴散、晶粒長大、氣孔和晶界逐漸

減少而致密化的過程。

常用的燒結(jié)方法有：①普通燒結(jié)；②熱致密化方法：包括熱壓、熱等靜壓等；③反應(yīng)

燒結(jié)；④微波燒結(jié)；⑤放電等離子燒結(jié)等。

⑸特殊的新型制備工藝

①熔體滲透；

②化學(xué)氣相滲透（CVD；

③由有機聚合物合成；

④其他方法：A、自蔓延高溫合成（SHS）；

B、金屬直接氧化技術(shù)。

4.分子自組裝的原理、特