2008硕士入学（复合材料方向）试题答案

一、概念题（每题4分，5题共20分）

1. 耦合效应

层合板厚度方向的非均质性会造成层合结构的一个特有现象：耦合效应。它是在小变形情况下，面内内力会引起平面变形，内力矩也会引起面内变形。

2. 晶须

晶须为具有一定长径比（直径0.3-1微米，长30-100微米）的小单晶体。属于非连续纤维，由于晶须直径非常小、内部结构完整而具有很高的拉伸强度（接近理论强度）和弹性模量。

3. 玻璃钢

玻璃纤维增强热固性塑料（代号GFRP），其突出特点是比重小，比强度高，比强度比高级合金钢还高。

4. 烧蚀型防热法

烧蚀型防热是利用材料的分解、解聚、蒸发、气化及离子化等化学和物理过程带走大量热能，并利用消耗材料本身来换取隔热效果。

5. 智能复合材料

是机敏复合材料的高级形式，机敏材料对环境能做出线性反应，而智能材料则可以根据环境条件的变化程度非线性地使材料与之适应以达到最佳效果。

二、简答题（每题8分，4题共32分）

1. 颗粒、晶须混合增韧的优越性

晶须与颗粒对陶瓷材料的增韧均有一定作用，且各有利弊。晶须的增韧增强效果好，但含量高时因桥架效应使致密化困难，密度下降将导致性能的下降。采用颗粒代替晶须制成复合材料，这种复合材料在原料的混合均匀及烧结致密化方面均比晶须增强陶瓷基复合材料要容易。因此，颗粒可以克服晶须这一弱点。但颗粒的增韧效果却不如晶须，由此很易想到，若将二者共同使用定可以取长补短，达到更高的效果。

2. 金属基体分类及其使用温度范围

答：金属与合金种类繁多，目前用作金属基复合材料的金属有铝及铝合金，镁合金，钛合金，镍合金，铜与铜合金，锌合金，铅，钛铝、镍铝金属间化合物等。用于450℃以下选用铝、镁合金基体。连续纤维增强的金属基体一般选用纯铝或含合金元素少的单相铝合金，而颗粒、晶须增强应选用高强度的铝合金。钛合金是一种可在450-700℃温度下使用的合金，在航空发动机等零件上使用。用于1000℃以上的高温金属基复合材料的基体材料主要是镍基、铁基耐热合金和金属间化合物，较成熟的是镍基、铁基高温合金。

3. 用图表示四种纳米复合材料的微观结构

陶瓷纳米复合材料的类型主要有：晶内型（在陶瓷基体的晶粒内弥散纳米粒子第

二相）；晶间型（在陶瓷基体晶粒间弥散纳米粒子第二相）；晶内/晶间混合型（纳米粒子同时弥散在陶瓷基体的晶粒内和境界上）；纳米/纳米型（第二相和陶瓷基体均为纳米级）。

4. 复合材料的物理相容与化学相容

金属基体于增强体的相容性包括物理相容性（润湿型、热膨胀匹配性）和化学相容性（能否形成合适的、稳定的界面，是否发生有害的化学反应）。在制造金属基复合材料过程中，如果基体不润湿增强体、或与增强体发生化学反应，则它们之间的相容性不好。所以，在碳/铝复合材料的基体加少量钛；不宜选用易破坏碳纤维结构的铁、镍基合金作为碳纤维复合材料的基体。

三、论述题（每题12分，4题共48分）

1. 复合材料制品的设计与研制步骤

通过论证明确对于材料的使用性能要求，确定设计目标；

选择材料体系（增强体、基体）；

确定组分比例、几何形态及增强体的配臵；

确定制备工艺方法及工艺参数；

以上主要为设计步骤，在完成复合材料设计方案后，应结合市场供应情况和研制单位的已有条件，采购原材料，购臵或改造工艺设备，完成制造工艺条件准备； 按预定方案进行样品试制；

测试所制得样品的实际性能，检测是否达到使用性能要求和设计目标； 在总结试制经验与成果的基础上，调整设计方案，组织制品生产。

2. 复合效应中的非线性效应

非线性效应是指复合材料的性能不再与组元的对应性能呈线性关系，它使复合材料的某些功能得到强化，从而超过组元安体积分数的贡献，甚至具有组元所不具备的新功能。

相乘效应：是指把两种具有能量（信息）转换功能的组分复合起来，使它们相同的功能得到复合，而不相同的功能得到新的转换；

诱导效应：是指在复合材料中两组元（两相）的界面上，一相对另一相在一定条件下产生诱导作用（如诱导结晶），使之形成相应的界面层。这种界面层结构上的特殊形式复合材料在传递载荷的能力上或功能上具有特殊性，从而使复合材料具有某种独特的性能；

系统效应：是指将不具备某种性能的诸组分通过特定的复合状态复合后，使复合材料具有单个组分不具有的新性能；

共振效应：又称强选择效应。它使指某一组分A具有一系列性能，与另一组分B复合后，能使A组分的大多数性能受到较大抑制，而使其中某一项性能在复合材料中突出地发挥。

非线性复合效应中多数效应尚未被认识和利用，有待于研究和开发。

3. 复合材料原材料选择原则与纤维选择原则

答：原材料选择原则，比强度、比刚度高，材料与结构的使用环境相适应，满足结构特殊性要求，满足工艺性要求，成本低、效益高。

纤维选择：目前已有多种纤维可作为复合材料的增强材料，如各种玻璃纤维、开

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芙拉纤维、氧化铝纤维、硼纤维、碳纤维、碳化硅纤维等，有些纤维已经有多种不同性能的品种。选择纤维时，首先要确定纤维的类别，其次要确定纤维的品种规格。除了选择单一纤维外，复合材料还可以由多种纤维混合构成混杂复合材料。这种混杂复合材料既可以由两种或两种以上纤维混合铺层构成，也可以由不同纤维构成的铺层混合构成。选择纤维规格，是按比强度、比刚度和性能价格比选取的。对于要求较高的抗冲击性能和充分发挥纤维作用时，应选取有较高的断裂伸长率的纤维。另外，还要考虑纤维有交织布形式和无纬布或无纬带形式。

4. 界面发挥作用的微观机理

界面作用机理是指界面发挥作用的微观机理，目前已有许多理论，但还不完善。 界面浸润理论：其主要论点是填充剂被液体树脂良好浸润是极其重要的，其浸润不良会在界面上产生空隙，易使应力集中而使复合材料发生开裂，如果完全浸润，则基体与填充剂间的粘接强度将大于基体的内聚强度。

化学键理论：其主要论点是处理增强剂表面的偶联剂应既含有能与增强激起化学作用的官能团，又含有能与树脂基体起化学作用的官能团。由此在界面上形成共价键结合，如能满足这一要求则在理论上可获得最强的界面粘接能。这种理论的实质就是强调增加界面的化学作用是改进复合材料性能的关键。

物理吸附理论：这种理论认为，增强纤维与树脂基体之间的结合是属于机械咬合和基于次价键作用的物理吸附。这种理论课作为化学键理论的一种补充。

变形层理论：如果纤维与基体的热膨胀系数相差较大，固化成型后再界面上会产生残余应力，将损伤界面和影响复合材料的性能。另外，在载荷作用下，界面上会出现应力集中，若界面化学键破坏，产生微裂纹，同样也要导致复合材料性能变差。增强纤维经表面处理后，在界面上形成一层塑性层，可以松弛并减小界面应力。

其他还有拘束层理论，扩散层理论，减弱界面局部应力作用理论等。