哈工大復材所考研

2009碩士入學（復合材料方向）試題一、 大學物理（50）二、 概念題（每題4分，5題共20分）復合材料復合材料是由兩種或兩種以上物理或化學性質(zhì)不同的物質(zhì)組合而成的一種多相固體材料。在復合材料中，通常有一種相為連續(xù)相，稱為基體；另一相為分散相，稱為增強材料。機敏復合材料機敏復合材料能驗知環(huán)境變化，并通過改變自身一個或多個性能參數(shù)對環(huán)境變化及時做出響應，使之與變化后的環(huán)境相適應，它一般也稱為機敏材料或機敏結(jié)構(gòu)。材料設(shè)計材料設(shè)計是指在材料科學的理論知識和已有經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，利用計算機技術(shù)，按預定性能要求，確定材料組分和結(jié)構(gòu)，并預測達到預定性能要求應選擇的工藝手段和工藝參數(shù)。晶須晶須為具有一定長徑比（直徑0.3-1微米，長30-100微米）的小單晶體。屬于非連續(xù)纖維，由于晶須直徑非常小、內(nèi)部結(jié)構(gòu)完整而具有很高的拉伸強度（接近理論強度）和彈性模量。相容性相容性是指兩個相互接觸的組分是否相互容納。在復合材料中是指纖維與基體之間是否彼此相互協(xié)調(diào)、匹配或是否發(fā)生化學反應。復合材料界面相容性包括物理相容性和化學相容性。三、 簡答題（每題8分，4題共32分）顆粒增強體增韌的三種機制答：顆粒增強體可以通過以下三種機制產(chǎn)生增韌效果。①當材料受到破壞應力時，裂紋尖端處的顆粒發(fā)生顯著的物理變化，如晶型轉(zhuǎn)變、體積改變、微裂紋產(chǎn)生與增殖等，它們均能消耗能量，從而提高了復合材料的韌性。這種增韌機制稱為相變增韌和微裂紋增韌。其典型例子是四方晶相ZrO2的相變增韌。②復合材料中的第二相顆粒使裂紋擴展路徑發(fā)生改變，如裂紋偏轉(zhuǎn)、彎曲、分叉、裂紋橋接或裂紋釘扎等，從而產(chǎn)生增韌效果。③以上兩種機制同時發(fā)生，此時稱為混合增韌。RTM（樹脂傳遞模塑）成型工藝的特點答：RTM成型工藝與其他工藝相比具有下列特點：①主要設(shè)備（如模具和模壓設(shè)備等）投資少，即用低噸位壓機能生產(chǎn)較大的制品。②生產(chǎn)的制品兩面光滑、尺寸穩(wěn)定、容易組合。③允許制品帶有加強筋、鑲嵌件和附著物，可將制品制成泡沫夾層結(jié)構(gòu)，設(shè)計靈活，從而獲得最佳結(jié)構(gòu)。④制造模具時間短（一般僅需幾周），可在短期內(nèi)投產(chǎn)。⑤對樹脂和填料的適用性廣泛。⑥生產(chǎn)周期短，勞動強度低，原材料損耗少。⑦產(chǎn)品后加工量少。⑧RTM是閉模成型工藝，因而單體（苯乙烯）揮發(fā)少、環(huán)境污染小。以纖維增強的層合結(jié)構(gòu)為例，說明復合材料的三個結(jié)構(gòu)層次復合材料的三個結(jié)構(gòu)層次，是指復合材料的一次結(jié)構(gòu)、二次結(jié)構(gòu)、三次結(jié)構(gòu)。所謂一次結(jié)構(gòu)是指由基體和增強材料復合而成的單層材料，其力學性能決定于組分材料的力學性能、相幾何特征和界面區(qū)的性能。所謂二次結(jié)構(gòu)，是指由單層材料層合而成的層合體，其力學性能決定于單層材料的力學性能和鋪層幾何特性。所謂三次結(jié)構(gòu)是指通常所說的工程結(jié)構(gòu)或產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，其力學性能決定于層合體的力學性能和結(jié)構(gòu)幾何特征。金屬基體在復合材料中所起的作用金屬基體在復合材料中所起的作用如下：①固結(jié)增強體，與增強體一道構(gòu)成復合材料整體，保護纖維使之不受環(huán)境侵蝕。②傳遞和承受載荷，在顆粒增強金屬基復合材料中基體是主要承載相，在纖維增強金屬基復合材料中，基體對力學性能的貢獻遠大于聚合物基體和陶瓷基體在復合材料中的貢獻。③賦予復合材料一定形狀，保證復合材料具有一定的可加工性。④復合材料的強度、剛度、密度、耐高溫、耐介質(zhì)、導電、導熱等性能均與基體的相應性質(zhì)密切相關(guān)。四、論述題（每題12分，4題共48分）界面殘余應力對復合材料性能的影響答：復合材料的界面殘余應力是由于溫度、變形及相變引起的，分別稱為熱殘余應力、形變殘余應力和相變殘余應力。它們對復合材料性能具有不同程度的影響：①熱殘余應力：由于組成復合材料各組分的熱膨脹系數(shù)不同，導致從制造過程中的高溫降至室溫或較低溫度的收縮不同，從而在界面處產(chǎn)生熱殘余應力。熱殘余應力對界面及復合材料性能有顯著的影響。若熱殘余應力為拉伸，則使界面結(jié)合減弱；若為壓縮，則使界面結(jié)合加強。在冷卻過程中產(chǎn)生的熱殘余應力，縱向熱殘余應力屬于“自平衡體系“，有的組分受拉伸，相鄰的另一種組分受壓縮，并伴有界面剪切。其中拉伸和剪切熱殘余應力將導致界面結(jié)合減弱和復合材料性能下降。當熱殘余應力水平很高時，將引起基體變形或開裂。②形變殘余應力：由于組成復合材料各組分的屈服強度不同，在外力作用下，各組分發(fā)生不均勻塑性流變，從而產(chǎn)生形變殘余應力。形變殘余應力與熱殘余應力的符號相反時，可以抵消或減輕熱殘余應力的影響。當復合材料中存在熱殘余應力時，在拉伸試驗前沿纖維方向進行預應變可以顯著改善材料性能。此外，對復合材料進行橫向軋制后，基體產(chǎn)生加工硬化，也可以改善復合材料的強度。③目變殘余應力：當復合材料中一個組分發(fā)生相變引起體積變化的同時，受到另一個組分的機械約束，從而產(chǎn)生相變殘余應力。相變殘余應力與金屬材料的相變殘余應力類似。在陶瓷復合材料中，利用其中一種組分相變時產(chǎn)生的體積膨脹，可以產(chǎn)生一定的增韌作用。復合效應中的非線性效應答：非線性效應是指復合材料的性能不再與組元的對應性能呈線性關(guān)系，它使復合材料的某些功能得到強化，從而超過組元按體積分數(shù)的貢獻，甚至具有組元所不具備的新功能。①目乘效應：是指把兩種具有能量（信息）轉(zhuǎn)換功能的組分復合起來，使它們相同的功能得到復合，而不相同的功能得到新的轉(zhuǎn)換；②誘導效應：是指在復合材料中兩組元（兩相）的界面上，一相對另一相在一定條件下產(chǎn)生誘導作用（如誘導結(jié)晶），使之形成相應的界面層。這種界面層結(jié)構(gòu)上的特殊形式復合材料在傳遞載荷的能力上或功能上具有特殊性，從而使復合材料具有某種獨特的性能；③系統(tǒng)效應：是指將不具備某種性能的諸組分通過特定的復合狀態(tài)復合后，使復合材料具有單個組分不具有的新性能；④共振效應：又稱強選擇效應。它使指某一組分A具有一系列性能，與另一組分B復合后，能使A組分的大多數(shù)性能受到較大抑制，而使其中某一項性能在復合材料中突出地發(fā)揮。非線性復合效應中多數(shù)效應尚未被認識和利用，有待于研究和開發(fā)。對應不同的設(shè)計目標，論述復合材料的五種設(shè)計類型答：對應不同的設(shè)計目標，可以有五種設(shè)計類型：安全設(shè)計、單項性能設(shè)計、等強度設(shè)計、等剛度設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計。①安全設(shè)計：要求所設(shè)計的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在使用條件下安全工作，不致發(fā)生失效。具體到材料，則表現(xiàn)為必須達到特定的性能指標（如強度、模量等。②單項性能設(shè)計：使復合材料的某一性能滿足要求，例如透波或吸波、隱身、零膨脹、耐高溫或耐某種化學介質(zhì)等。但是設(shè)計者必須在重點滿足主要要求的同時，盡可能地兼顧其他性能的綜合要求，以避免結(jié)構(gòu)復雜和臃腫。③等強度設(shè)計：對于材料來說，等強度設(shè)計就是要求其性能的各向異性能夠符合工作條件環(huán)境要求的方向性。④等剛度設(shè)計：要求材料的剛度性能夠滿足對于構(gòu)件變形的限制條件，并且沒有過多的冗余。⑤優(yōu)化設(shè)計：即使目標函數(shù)取極值的設(shè)計，但由于目標函數(shù)可以有多種，因此按不同目標將有不同的優(yōu)化對象，例如：最小質(zhì)量、最長壽命、最低成本、最低單位時間使用費用，等等。論述纖維增韌陶瓷基復合材料的增韌機制答：纖維增韌陶瓷基復合材料的增韌機制有以下七種：①基體預壓縮應力：當纖維的軸向熱膨脹系數(shù)高于基體的熱膨脹系數(shù)時，復合材料由制備高溫冷卻至室溫后，基體會產(chǎn)生于纖維軸向平行的壓縮內(nèi)應力。當復合材料承受縱向拉伸載荷時，此殘余應力可以抵消一部分外加應力而延遲基體開裂。②裂紋擴展受阻：當纖維的斷裂韌性高于基體時，基體中產(chǎn)生的裂紋垂直于界面擴展至纖維，裂紋可以被纖維阻止甚至閉合。③纖維撥出：具有較高斷裂韌性的纖維，當基體裂紋擴展至纖維時，應力集中導致結(jié)合較弱的纖維與基體之間的界面解離，在進一步應變時，將導致纖維在弱點處斷裂，隨后纖維的斷頭從基體中拔出。④纖維橋連：在基體開裂后，纖維承受外加載荷，并在基體的裂紋面之間架橋。橋連的纖維對基體產(chǎn)生使裂紋閉合的力，消耗外加載荷而做功，從而增大材料的韌性。⑤相變增韌：基體中裂紋尖端的應力場引起裂紋尖端附近的基體發(fā)生相變，也稱應力誘導相變。當相變造成局部基體的體積膨脹時，它會擠壓裂紋使之閉合。⑥裂紋偏轉(zhuǎn)：裂紋沿著結(jié)合較