2011年研究生入学考试材料学（航天学院）专业试题
一、概念题（每题5分，8题共40分）
1.晶界工程：玻璃相处于陶瓷结构中的晶界位置，是影响陶瓷性能的重要显微组成，提高晶界的结晶化程度可以改善陶瓷的高温性能。此项研究称为“晶界工程”。
2.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。
3.RTM：RTM是“Resin Transfer Molding”的缩写，意思为树脂传递模塑工艺，它是一种先进的、聚合物基复合材料闭模成型的工艺方法。
4.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.材料设计：材料设计是指在材料科学的理论知识和已有经验的基础上，利用计算机技术，按预定性能要求，确定材料组分和结构，并预测达到预定性能要求应选择的工艺手段和工艺参数。
6.相变增韧：陶瓷中裂纹尖端的应力场引起裂纹尖端附近的晶体结构发生相变，当相变使该局部区域发生体积膨胀时，体积膨胀会使基体裂纹闭合，从而改善了陶瓷材料的断裂韧性。
7.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。
8.微观复合材料：增强相的尺寸为纳米等级的材料称为纳米复合材料，增强相尺寸控制在埃级，即原子或分子水平的称为杂化材料，两者统称为微观复合材料，它们主要用作新型结构材料或功能材料。
二、问答题（每题10分，8题共80分）
1. 聚合物基复合材料的功能性有哪几种？
答：五种：耐烧蚀性好；有良好的摩擦性能，包括良好的摩阻特性及减摩特性；高度的电绝缘性能；优良的耐腐蚀性能；有特殊的光学、电学、磁学的特性。
2. 根据使用温度范围，金属基体分哪几类？
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。如果用在更高温度时采用金属间化合物、铌合金。
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。
4. 影响颗粒增强陶瓷基复合材料增韧效果的主要因素有哪些？
答：影响颗粒增强陶瓷基复合材料增韧效果的主要因素有：基体与第二相颗粒的弹性模量之差、基体与第二相颗粒的热膨胀系数之差和两相之间的化学相容性。
当颗粒的弹性模量高于基体时，将起到增韧效果；若颗粒与基体的热膨胀系数不匹配，则能在第二相颗粒周围的基体中产生残余应力场，当两者弹性模量相当时，不论颗粒膨胀系数大于还是小于基体，都能收到增韧效果。
5. 碳纤维应力应变曲线特征。
答：碳纤维应力应变曲线是一直线，伸长小，断裂过程在瞬间完成，不发生屈服，碳纤维轴向分子间的结合力比石墨大，所以它的抗张强度和模量都明显高于石墨，而径向分子间作用力弱，抗压性能较差，轴向抗压强度仅为抗张强度的10-30%，而且不能结节。
6. 晶须与颗粒混合增韧陶瓷基复合材料在制备上的优越性。
答：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。
7. 绘出食盐矿(NaCl)与闪锌矿(ZnS)的晶体结构。
答：

(A)食盐矿（NaCl）晶体结构；(B)闪锌矿（ZnS）晶体结构
8. 复合材料增强体的分类方法。
答：有三种分类方法：
按几何形态分为纤维（包括连续和非连续纤维）、颗粒（包括延性颗粒和刚性颗粒）、片状（包括人造、天然和原位生成的片）、织物（布、带、管、多向编制毡）、晶板（宽厚比大于5）和微球（包括空心和实心微球）；按化学成分分为无机纤维（包括天然和人造的，还可以分为金属的和非金属的）和有机纤维（包括天然的和合成的）；按结构分为非晶纤维（如玻璃）、单晶纤维（如碳化硅晶须、氧化铝晶须）、多晶纤维（如碳、硼、碳化硅纤维）和复合多晶纤维（如W芯SiC纤维、B纤维，C芯SiC纤维）。
 

三、论述题（每题15分，2题共30分）
1.界面相的结构包括哪些？通常采用哪些方法分析界面相结构？界面相的力学性能通常采用哪些试验方法？
答：界面相的结构包括：界面相的组成（成分）、界面相的形貌和微观结构，测试界面结构的方法有：扫描显微镜（SEM）、透射电镜（TEM）、X-射线电子散射分析（EDAX）、电子衍射仪（EDI）和高分辩场发射饿歇电子探针等。
测试界面强度的方法有：压痕法、纤维拔出试验、三点弯曲试验等。压痕法测量界面强度，首先制作含有一根纤维的微型复合材料棒状试样，在试样垂直于纤维的方向将试样磨平、抛光，并安装于标准显微硬度机的夹具上。将V型压头的尖端对准纤维的中心，在压头上施加一定的载荷F，使纤维沿着纤维/基体界面滑动一定距离，其位移量u取决于所加载荷的大小。
纤维拔出试验：将纤维的端部或中部复合在基体材料中，制成纤维拔出试样，包括穿透试样和非穿透试样两种。将试样固定在夹具上，沿纤维轴向施加载荷p，将纤维从基体拔出，从而测定界面剪切强度。埋入纤维试验最先用于聚合物基复合材料，后来也广泛用于金属基复合材料和具有脆性基体的陶瓷基复合材料中。
三点弯曲试验：复合材料三点弯曲试样中的纤维轴平行于试样长度方向。测定层间剪切强度时试样采用小跨距（跨高比等于5）。三点弯曲法的优点是：试样制备简单，可采用常规力学试验机，试验方法简便、直观。
2.试叙述热压烧结工艺的优缺点，在热压晶须增强陶瓷基复合材料过程中会出现哪些问题？又该如何解决？
答：热压烧结工艺的优点：加压有利于致密化，成型压力低，仅为冷压成型时的十分之一；烧结时间短，因而晶粒不致于过分长大。缺点是：制品性能有方向性（单向加压时）；生产效率低，成本高；只适宜于制作形状简单的制件、每次制备的件数很少。
晶须增强陶瓷基复合材料制造中的问题：由于晶须直径小、具有高的长径比，因此晶须的比表面积高，造成晶须与陶瓷基体的反应性高，晶须容易团聚，与基体粉末均匀混合困难。
解决办法：首先要净化晶须，采用沉降技术除去颗粒杂质；采用湿处理技术使晶须分散，这些方法包括球磨、高速混合或在液体介质中超声振动使晶须分散，并与基体陶瓷粉末充分混合。烘干，除去液体溶剂后再预压成型。最后采用热压烧结或热等静压烧结方法致密化。在制造外加晶须增强陶瓷基复合材料中，其关键要求是：晶须的排列优化，控制晶须/基体界面结合，寻找净成型工艺，减少后续加工；在晶须的处理与操作过程中，注意对操作人员的劳动保护。