复合材料学（航院）2010说是入学专业试卷答案
一、概念题（每题5分，8题共40分）
1.耦合效应：是层合板在小变形情况下，面内内力会引起平面变形，内力矩也会引起平面变形。
2.热解碳：是在1100℃左右碳源蒸气经热解而沉积在基质材料上的碳质的总称。
3.玻璃钢：玻璃纤维增强热固性塑料的突出特点是比重小、比强度高，比强度比高级合金钢还要高。
4.位错：位错为线缺陷，一维缺陷，分为刃型位错和螺型位错两种基本类型。为错的存在直接影响材料的力学性能、物理性能。
5.玻璃陶瓷：对于某些玻璃，通过适当控制反玻璃化过程，可以得到无残余应力的微晶玻璃，这种材料称为玻璃陶瓷。
6.固溶体：是通过组分之间元素相互扩散并相互溶解而形成的以纤维或基体金属为母体的一种新相。
7.原位法：是指在复合材料制造过程中，增强体不是预置而是在基体内部就地生成和生长的方法。包括定向凝固法和反应自生成法。
8.界面：复合材料的界面是指基体与增强物之间化学成分有显著变化的、构成彼此结合的、能起载荷传递作用的微小区域。
二、问答题（每题10分，8题共80分）
1.简要说明复合材料的命名与分类方法
答：复合材料可根据增强材料与基体材料的名称来命名，将增强材料的名称放在前面，基体材料名称放在后面，再加上复合材料。为书写方便，也可仅写增强材料与基体材料的缩写名称，中间加一斜线隔开，后面再加上复合材料。有时为了突出增强材料和基体材料，视强调的组分不同，也可简称为某某（具体增强体）复合材料或某某（具体基体）复合材料。
复合材料的分类方法很多，常见的分类方法有如下几种：（1）按增强材料形态分类，例如，连续纤维复合材料，短纤维复合材料，粒状填料复合材料，编织复合材料等。（2）按增强纤维种类分类，分为玻璃纤维复合材料，碳纤维复合材料，有机纤维复合材料，金属纤维复合材料，陶瓷纤维复合材料。（3）按基体材料分类，有聚合物基复合材料，金属基复合材料，无机非金属基复合材料。（4）按材料作用分类，有结构复合材料，功能复合材料等。
2.增强体的分类，并简要说明纤维增强体在复合材料中的作用
答：能够强化第二相（基体）的材料称为增强体，它在复合材料中是分散相。增强体按几何形态分为纤维、颗粒、片状、织物、晶板和微球，按化学成分分为无机纤维和有机纤维，按结构分为非晶纤维、单晶纤维、多晶纤维和复合多晶纤维。
对于结构复合材料，纤维的主要作用是承载，纤维承受载荷的比例远大于基体；对于多功能复合材料，纤维的主要作用是吸波、隐身、防热、耐磨、耐腐蚀和抗热震等其中的一种或多种。同时为材料提供基本的结构性能；对于结构陶瓷复合材料，纤维的主要作用是增加韧性。
3.碳/碳复合材料的烧蚀性能与化学稳定性特点
答：碳/碳复合材料的有效烧蚀热高，材料烧蚀时带走大量热量。碳的升华温度高达3000℃以上，故碳/碳/复合材料的表面烧蚀温度高，通过表面辐射带走大量热能，使传递到材料内部的热量相应减少。碳/碳复合材料由于蒸发和热化学氧化，其部分表面可被烧蚀。但其表面的凹陷浅，良好地保留其外形，其烧蚀均匀尔对称，这正是它被广泛用作防热材料的原因之一。
碳/碳复合材料除含有少量的氢、氮和微量的金属元素外，几乎99%以上都是由元素碳组成。因此，它具有和碳一样的化学稳定性。碳/碳复合材料的最大缺点是耐氧化性差。为了提高其抗氧化性，可在浸渍树脂时加入抗氧化物质或在气相沉积碳时加入其他抗氧元素，或者用碳化硅涂层来提高其抗氧化能力。其力学性能比石墨高得多，导热系数和膨胀系数却比较小，是一种较为理想的热防护和耐烧蚀材料，已得到越来越广泛的应用。
4.金属的几种主要强化方法
答：退火态金属的强度低，利用加工硬化、细晶强化、固溶强化、沉淀硬化、弥散强化、热处理强化和非晶态强化等方法可以使其强度得到大幅度提高。
（1）加工硬化：在金属塑性变形过程中，随着外加应力的增大，金属的变形抗力也增加。（2）细晶强化：细晶粒金属比粗晶粒金属的强度高，因此，采用各种方法细化晶粒组织，在使金属强化的同时，还能改善其韧性。（3）固溶强化：在纯金属引入异类原子形成间隙固溶体或置换固溶体，使金属晶格发生变形（畸变），导致金属强度增高。（4）沉淀硬化：过饱和固溶体在时效过程中弥散析出第二相（沉淀相）颗粒，沉淀相对位错运动起阻碍作用，从而使合金强化。（5）弥散强化：在韧性金属基体中人为加入少量、微细、坚硬粉末，或在液体金属内氧化生成氧化物的氧化物，都能对金属起弥散强化作用。（6）热处理强化：通过热处理工艺提高金属的强度，其机制有过饱和的碳原子造成的固溶强化，时效强化或相变强化等。（7）非晶态强化：通过对液态金属以极限速度冷却，会产生非常独特的微观结构-非晶结构，非晶结构的晶粒尺寸小于1微米，具有优异的力学性能。
5.有机先躯体转化法的工艺过程及其优越性
答：有机先驱体转化法（又称为聚合物浸渍裂解法，简记为PIP）的工艺过程为：以纤维预制件为骨架，抽真空排除预制件中的空气，浸渍熔融的聚合物先驱体或其溶液，在惰性气体保护下使其进行交联固化，然后在惰性气氛中进行高温裂解，重复浸渍裂解过程，使复合材料致密化。
PIP工艺的特点如下：（1）可以通过有机先驱体分子设计和工艺来控制复合材料基体的组成和结构。（2）可借鉴纤维增强聚合物基复合材料和碳/碳复合材料的成型方法制备纤维增强陶瓷基复合材料，并可在预成型体中加入填料和添加剂制备多相组分的陶瓷基复合材料。（3）可在常压和较低温度下烧成。（4）能够制造形状比较复杂的构件，且可在工艺过程中途进行机械加工，得到精确尺寸的构件。（5）陶瓷化过程中不需要添加烧结助剂，因而避免了显微结构不均匀而导致强度数据分散和可靠性低。（6）便于基体与纤维的复合，克服了常规方法难以实现纤维特别是其编织物与陶瓷基体复合的困难。（7）所需设备简单、工艺简便、制造成本较低。
6.陶瓷材料的键合特征及其主要性能
答：陶瓷是金属和非金属元素的固体化合物，除玻璃以外的陶瓷材料都具有像金属一样的晶体结构。与金属不同，陶瓷以离子键结合为主，也有一些共价键结合，它们不含有大量电子。通常陶瓷化合物是正常价的，但由于氧离子一般比金属尺寸大得多，金属离子处于晶体结构中的间隙位置，因此也有一些是非正常价的。一般而言，陶瓷具有比金属更高的熔点和硬度，化学性质非常稳定，耐热性和抗老化性皆佳。通常陶瓷是绝缘体，在高温下也可以导电，但比金属导电性差得多。虽然陶瓷的许多性能优于金属，但它也存在致命的弱点，即脆性强、韧性差，很容易存在裂纹、空隙、杂质等微观缺陷而破碎，引起不可预测的灾难性后果。
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7.复合材料的复合效应中有哪几种线性效应
答：将A、B两种组分复合起来，得到既具有A组分的性能特征又具有B组分的性能特征的综合效果，称为复合效应。可能发生的复合效应有两种：线性效应和非线性效应。线性效应包括平均效应、平行效应、相补效应和相抵效应。（1）平均效应：又称混合效应，具有平均效应的复合材料的某项性能等于组成复合材料各组分的性能乘以该组分的体积分数之加和，可以用混合物定律来描述。（2）平行效应：是最简单的一种线性复合效应，它指复合材料的某项性能与其中某一组分的该项性能基本相当。（3）相补效应：复合材料中各组分复合后，可以相互补充，弥补各自弱点，从而产生优异的综合性能，这是一种正的复合效应。（4）相抵效应：各组分之间出现性能相互制约，结果使复合材料的性能低于混合物定律预测值，这是一种负的复合效应。
8.金属基复合材料界面处的三种原子配位类型
答：在复合材料中，两相之间某种材料特性出现不连续的区域叫做界面。根据界面处原子配位的类型，可以将界面分为共格界面、半共格界面和非共格界面。（1）共格界面是指界面处的原子属于两侧晶体所共有，即在界面两侧，原子位置之间存在一一对应关系。例如孪晶就是一种理想的共格界面。共格界面的界面能比较低。但是，一般除孪晶界面外，晶体之间很难出现这种理想的原子配位（即界面没有弹性变形，界面能接近于零）。在大多数情况下，界面两侧的晶格常数不相等，共格界面处总是存在一定程度的弹性变形。（2）半共格界面：是指界面处原子只有一部分是一一对应的，而其余原子则呈现周期性位错。（3）非共格界面：是指在界面两侧的原子已经找不到任何对应关系。一般，这种非共格界面只有几个原子直径宽。在此区域，原子排列紊乱且不规则。
三、论述题（每题15分，2题共30分）
1.试论述聚合物基复合材料中几种主要的界面作用机理
答：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。主要有界面浸润理论，化学键理论，物理吸附理论，变形层理论，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。
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。
拘束层理论：该理论认为界面区（包括偶联剂部分）的模量介于树脂基体和增强材料之间时，则可最均匀地传递应力。这时吸附在硬质增强剂或填料颗粒上的聚合物基体要比本体更为聚集紧密，且聚集密度随离界面区距离的增大而减
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弱。这一理论接受者不多，且缺乏必要的实验根据。
扩散层理论：按照这一理论，偶联剂形成的界面区应该是带有能与树脂基体相互扩散的聚合链活性硅氧烷层或其他的偶联剂层。它是建立在高分子聚合物材料相互粘结时引起表面层的基础上，但不能解释聚合物基的玻璃纤维或碳纤维增强的复合材料的界面现象。但随着队偶联剂的使用及其偶联机理研究的深入，才使这一理论在复合材料领域中也得到了很多学者的承认。近年来提出的相互贯穿网络理论实际上就是扩散理论与化学键理论在某种程度上的结合。
减弱界面局部应力作用理论：该理论认为基体与增强纤维之间的处理剂，提供了一种具有“自愈能力”的化学键。在载荷的作用下，它处于不断形成与断裂的动态平衡状态。低分子物质的应力浸蚀使界面化学键断裂，而在应力作用下处理剂能沿增强纤维表面滑移，使已断裂的键重新结合。与此同时，应力得以松弛，减缓了界面处的应力集中。
2.润湿性的定义，润湿角大小与润湿性关系，影响润湿角大小的因素有哪些？如何改善基体与纤维的润湿性？
答：润湿性是用于描述液体在固体表面上自动铺展程度的术语，它在描述复合材料工艺过程中增进结合或妨碍结合的机制方面是重要的概念。润湿性是指固体、液体在分子水平上紧密接触的可能程度。润湿角大小直接反映润湿性的优劣，当润湿角低（<90º）表明润湿性良好，润湿较高（>90º）则表明润湿性直接差。当润湿角为0º，完全润湿，当润湿角为180º时，完全不润湿。
影响润湿角大小的因素有：固体表面的原始状态，如吸附气体、氧化膜等均使润湿角增大。固体表面粗糙度高将使润湿角减小；固相或液相的夹杂或相与相之间的化学反应所造成的产物都将影响润湿性。但是，决定润湿性的最本质的原因还是体系中各相的属性。
改善基体与纤维润湿性的方法包括：对纤维金星表面处理（包括清洁处理和表面涂层）；变更基体成分；提高加工温度；增强液体基体压力和控制加工气氛等途径。（1）纤维表面处理：在制造复合材料之前，消除纤维表面的杂质、气泡和用化学方法去除纤维表面的氧化膜。采用电镀、化学镀、化学气相沉积和热解等方法对纤维金星表面涂层，其目的是增大纤维的表面能。（2）变更基体成分：对于金属基复合材料，用合金化来改善润湿性最为方便和有效。如果进行合金化，可使合金元素在金属表面上富集，降低金属表面能，从而增进熔融金属基体对纤维的润湿。（3）改进温度：一般，提高制造温度可以增进润湿性，但这种增进受到基体材料性质的限制。过高的温度会产生一些不利的影响，如基体严重过热、氧化、基体与纤维发生化学反应。因此，采用提高温度来改进基体与增强体的润湿时，必须综合兼顾这些不利的影响。（4）增加液体压力：液体在外压下浸润纤维的条件是，所施加外压必须能够克服纤维之间的毛细管压力。（5）改变加工气氛：通过改变制造过程中的环境气氛也可以控制固体与液体之间的润湿状况，另外，如果在固体或液体表面吸附某种气体，也可以改变固体与液体之间的润湿。