2012年研究生入学考试材料学（航天学院）专业试题答案
一、概念题（每题5分，8题共40分）
1.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。
2.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。
3.热解石墨：简称（PG），是由碳氢化合物气体在1750-2250℃沉积的碳，PG的电性能、热性能和力学性能是各向异性的，随测试方向而变化。
4.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。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。
5.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。位错的存在直接影响材料的力学性能、物理性能。
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；分为间隙型固溶体与臵换型固溶体两类。
7.相容性：相容性是指两个相互接触的组分是否相互容纳。在复合材料中是指纤维与基体之间是否彼此相互协调、匹配或是否发生化学反应。复合材料界面相容性包括物理相容性和化学相容性。
8.功能复合材料：是一种新型复合材料，是一类具有各种特殊性能（如阻尼、导电、导磁、换能、摩擦、屏蔽等）的复合材料的总称。
二、问答题（每题10分，8题共80分）
1. 改善陶瓷强度的两个途径？
答：有两个途径：（1）减小陶瓷内部和表面的裂纹。固体内含有裂纹是材料微观结构的本征特性，材料中的微观夹杂、气孔和微裂纹等缺陷都可能成为裂纹源；在服役期间，材料对表面裂纹（如划伤、擦伤）同样也十分敏感，因此减少固体内部缺陷，避免加工及使用过程中的表面损伤对于陶瓷制品是至关重要的。
（2）提高断裂韧性。断裂韧性低是陶瓷材料的固有缺陷，也是限制它扩大应用的重大障碍。为了提高陶瓷的断裂韧性，主要采用复合化的途径，即以陶瓷为基体通过加进增强相而引入各种增韧机制来增加裂纹的扩展阻力，从而增加断裂过程消耗的能力，达到提高断裂韧性的目的。能量消耗机制包括：裂纹偏转或裂纹分叉、纤维桥连、纤维拔出等。此外，还有一种增韧机制-相变增韧。
2. 手糊工艺的优缺点有哪些？
答：优点有：①不受产品尺寸和形状的限制，适宜尺寸大、批量小、形状复杂产品的生产；②设备简单，投资少，设备折旧费低；③工艺简便；④易于满足产品设计要求，可以在产品不同部位任意增补增强材料；⑤制品树脂含量高，耐腐蚀性好。缺点包括：①生产效率低，劳动强度大，劳动卫生条件差；②产品质量不易控制，性能稳定性不高；③产品力学性能较低。
3. 碳纤维的结构特点？
答：真实的碳纤维结构不是理想的石墨点阵结构，而是属于乱层的石墨结构。石墨层片是基本的结构单元，若干层片组成微晶，微晶堆垛成直径数十纳米、长度数百纳米的原纤，原纤则构成了碳纤维单丝，其直径约数微米。碳纤维石墨层的面间距约比石墨晶体的层面间距略大，各平行层面间的碳原子排列也不如石墨那样规整。
4. 金属间化合物的定义及其特点？
答：在纯金属中加入合金元素后，可以形成固溶体或化合物。当溶质含量超过固溶体的溶解能力时，由于组元间相互作用，将形成金属-金属或金属-非金属的化合物，称为金属间化合物。
金属间化合物是具有不同于母体金属结构的新相。它具有金属性能，如金属光泽、金属键结合（但其电子云具有方向性）、导电、导热、熔点高、硬度高。同时，它还具有共价键特征。金属间化合物可以作为合金的强化相、定向凝固共晶复合材料中的强化相和用于制作耐高温、多功能复合材料。
5. 高分子材料的化学键特征？
答：高分子材料就是以高分子化合物为主要成分的材料，其分子量很大，通常每个分子可含有几千至几十万个原子。一般情况高分子化合物分子量在5000以上。
高分子化合物的分子量虽然很大，但其化学组成并不复杂，都是由一种或几种简单的低分子化合物通过共价键重复连接而成，这种由一种或几种简单的低分子化合物通过共价键重复连接而成的链称为分子链。用于聚合形成大分子链的低分子化合物称为单体，大分子链中重复的结构单元称为链节，链节的重复次数即链节数称为聚合度。
6. 界面相的力学性能通常采用哪些测试方法？
答：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。

7. 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。
8. 对金属基复合材料，纤维状增强体性能的共同要求？
答：共同要求包括：①高强度，纤维的高强度首先是为了满足复合材料强度的需求，其次还可以使整个加工制造过程简单。②高模量，是为了使纤维承载时基体不致发生大的塑性流动。③容易制造和价格低廉，有利于满足工业生产的要求。④化学稳定性好，与所选择的基体合金有关，在空气中的稳定性和对基体材料的稳定性都是很重要的。⑤纤维的尺寸和形状，对于采用固相制造法的金属基复合材料，大直径的圆纤维更合适。⑥性能的再现性和一致性，对于脆性材料或高强度材料，这种要求是非常重要的。由于在很多情况下复合材料的强度取决于纤维的束强度，这种束强度与每个纤维的强度有关，因此需使各个纤维的强度趋于一致。⑦抗损伤和抗磨损性能；有些脆性纤维对湿暴露或表面磨损特别敏感，这些缺点对一般复合工艺都有不利影响。
三、论述题（每题15分，2题共30分）
1. 论述纤维增韧陶瓷基复合材料的增韧机制。
答：纤维增韧陶瓷基复合材料的增韧机制有以下七种：
①基体预压缩应力：当纤维的轴向热膨胀系数高于基体的热膨胀系数时，复合材料由制备高温冷却至室温后，基体会产生于纤维轴向平行的压缩内应力。当复合材料承受纵向拉伸载荷时，此残余应力可以抵消一部分外加应力而延迟基体开裂。
②裂纹扩展受阻：当纤维的断裂韧性高于基体时，基体中产生的裂纹垂直于界面扩展至纤维，裂纹可以被纤维阻止甚至闭合。
③纤维拨出：具有较高断裂韧性的纤维，当基体裂纹扩展至纤维时，应力集中导致结合较弱的纤维与基体之间的界面解离，在进一步应变时，将导致纤维在弱点处断裂，随后纤维的断头从基体中拔出。
④纤维桥连：在基体开裂后，纤维承受外加载荷，并在基体的裂纹面之间架桥。桥连的纤维对基体产生使裂纹闭合的力，消耗外加载荷而做功，从而增大材料的韧性。
⑤相变增韧：基体中裂纹尖端的应力场引起裂纹尖端附近的基体发生相变，也称应力诱导相变。当相变造成局部基体的体积膨胀时，它会挤压裂纹使之闭合。
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⑥裂纹偏转：裂纹沿着结合较弱的纤维/基体界面弯折，偏离原来的扩展方向，即偏离与界面相垂直的方向，因而使断裂路径增加。裂纹可以沿着界面偏转，或者虽然仍按原来方向扩展，但在越过纤维时产生了沿界面方向的分叉。
⑦微裂纹增韧机制：利用相变过程中的体积膨胀，在基体中引起微裂纹或微裂纹区，使主裂纹遇到微裂纹或进入微裂纹区后，分化成一系列小裂纹，形成许多新的断裂表面，从而吸收能量。
2. 聚合物基复合材料界面的近代理论。
答：复合材料界面理论包括界面浸润理论、化学键理论、可形变层理论、拘束层理论、可逆水解理论和扩散层理论。
①界面浸润理论的主要特点是：液体树脂应完全浸润增强材料，为此，在复合过程中树脂基体的表面张力必须小于增强体的临界表面张力。界面浸润理论可以解释界面结合机制的两种模式，即机械粘接和物理吸附；但是却难以解释偶联剂在复合材料中所产生的效果。
②化学键理论的基本论点是：增强体与树脂基体之间界面的结合力是高能量的主键力，其结合强度为2MJ/mol。
③可形变层理论：包括柔性插入层理论和减弱界面局部应力理论。柔性插入层理论认为处理剂在界面形成了一层塑料层，它能松弛界面的应力，减少应力在界面的作用，特别是能减少因膨胀系数相差大而引起的内应力。减弱界面局部应力理论认为，在基体与增强体之间，具有可以随应力方向改变其结合性质的物质，也可以认为在界面处有一种具有自愈能力的“化学键”，这种键在外载荷（应力）作用下，处于不断形成和断裂的动态平衡（称为再生平衡）之中，它不仅阻止了水等低分子物浸蚀的破坏作用，而且起到松弛界面局部应力的作用，使复合材料在潮湿条件下保持良好的力学性能。
④拘束层理论：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材料或填料颗粒上的聚合物基体要比稍远处的基体本体聚集更为紧密，且聚集密度随着离开界面区而降低；同时，认为硅烷偶联剂的作用在于一端紧拉界面上的聚合物分子结构，一端以硅醇基团与玻璃等无机材料粘接。
⑤可逆水解理论：认为当有水存在于偶联剂与增强材料之间时，受应力的键能够可逆地断开与重新形成，这就从另一个角度解释了界面区的应力松弛并能保持粘接性的现象。
⑥扩散层理论：认为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。两者混溶或相互溶解，具有较大的扩散能力，结果产生了相互逐渐过渡的溶合部分，最后生产粘接区，其强度远远超过两相界面所能产生的粘接强度。如果两种聚合物不能混溶或者相互溶解，则可能在界面上形成双电层而产生粘接，即依靠静电力产生粘接作用。