復合材料原理與工藝課程習題-答案

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上復合材料原理與工藝課程習題1、 增強體和功能體在復合材料中起的主導作用？答：1）填充：用廉價的增強體，特別是顆粒狀填料可降低成本。2）增強：（a）功能體可賦予聚合物基體本身所沒有的特殊功能。功能體的這種作用主要取決于它的化學組成和結構。(b)纖維狀或片狀增強體可提高聚合物基復合材料的力學性能和熱性能。其效果在很大程度上取決于增強體本身的力學性能和形態(tài)等。2、復合材料區(qū)別于單一材料的主要特點？答：1）不僅保持其原組分的部分優(yōu)點，而且具有原組分不具備的特性；2）材料的可設計性 ；3）材料與結構的一致性。3、材料復合效應的分類？答：（1）線性效應：線性指量與量之間成正比關系

2、。平行效應、平均效應、相補效應、相抵效應。（2）非線性效應：非線性指量與量之間成曲線關系。相乘效應、誘導效應、共振效應、系統(tǒng)效應。4、建立材料的微觀模型包含的內容？答：1）材料的幾何結構模型，2）材料的物理模型，即計算場量的理論和方法。5、推導并聯(lián)傳遞方式中，復合材料的阻力系數(shù)答：設外作用場強度為I入，經(jīng)均質材料響應后，傳遞輸出場強度為I出，則材料總傳遞動力為：I=I入I出。（1）材料傳遞時的阻力系數(shù)為時，則傳遞通量q為：q= -1/×I/l (2)對于并聯(lián)型復相結構，相間無能量交換，則系統(tǒng)的總通量qc為各組分相同量之和：qc=qi(l×Vi) (3)式（2）代入式（3），

3、得：qc= -1/i×Vi×Ii/li由于組分相傳遞推動力梯度相等，故有：qc= （1/i×Vi）×I/l= 1/0×I/l 則c為：1/c=1/i×Vi6、復合材料的界面層，除了在性能和結構上不同于相鄰兩組分相外，還具有哪些特點；答: (1) 具有一定的厚度； (2) 性能在厚度方向上有一定的梯度變化； (3) 隨環(huán)境條件變化而改變 。7、簡述復合材料界面的研究對象；答：（1）增強體表面有關的問題：增強體表面的化學、物理結構與性能；增強體與表面處理物質界面層的結構與性質及對增強體表面特性的影響；增強體表面特性與基體之間的相互關系及兩

4、者間的相互作用（增強體未處理時）；增強體與表面處理物質的界面作用；增強體表面特性與復合材料特性的相互關系。（2）表面處理物質的有關問題：最外層的化學、物理結構及內層的化學、物理結構；表面處理物質與基體之間的相互作用；表面處理物質對基體的影響；處理條件及處理劑層的特性；處理劑層隨時間的變化；、處理劑層與復合材料性能的相互關系。（3）表面處理的最優(yōu)化技術。（4）粉體材料在基體中的分散：分散狀態(tài)的評價；分散技術及機理；分散狀態(tài)與復合材料性能。（5）復合技術的優(yōu)化及其機理。8、簡述與表面張力有關的因素。答: (1) 表面張力與物質結構、性質有關。(2) 物質的表面張力與它相接觸的另一相物質有關。(3)

5、 表面張力隨溫度不同而不同，一般溫度升高，表面張力下降。9、吸附按作用力的性質可分為哪幾類？各有什么特點？答：吸附按作用力的性質，可分為：物理吸附和化學吸附。（1） 物理吸附的特點：、無選擇性，吸附量相差較大；、吸附可呈單分子層或多分子層；、物理吸附、解吸速度較快，易平衡。一般在低溫下進行的吸附是物理吸附。（2） 化學吸附的特點：、有選擇性；、只能單分子吸附，且不易吸附或解吸；、平衡慢。10、利用接觸角的知識，討論固體被液體的浸潤性。答: 接觸角可以衡量液體對固體的浸潤的效果(1)當sv<sl, cos<0,>90°,此時固體不為液體浸潤； (2)當lv(sv-sl

6、)0，則1cos0，即0°90°，此時固體為液體所浸潤；(3)若sv-sl lv，則cos1，0，此時固體表面可以被液體完全浸潤，并獲得最大粘附功。11、界面的相容性指什么？如何確定？答：界面的相容性之復合材料中增強體與基體相接觸構成界面時，兩者之間產(chǎn)生的物理和化學的相容性；通常，相容性是根據(jù)在混合時的吉布斯的自由能G來確定。即若G<0,就相容；G>0就不相容，即不混合。12、偶聯(lián)劑的結構及其作用機理。偶聯(lián)劑有哪些？偶聯(lián)劑官能團對固化體系熱效應及內耗峰影響的原因？答：偶聯(lián)劑是這樣的一類化合物，它們的分子兩端通常含有性質不同的基團，一端的基團與增強體表面發(fā)生化學作

7、用或物理作用，另一端的基團則能和基體發(fā)生化學作用或物理作用，從而使增強體和基體很好地偶聯(lián)起來，獲得良好的界面粘結，改善了多方面的性能，并有效地抵抗了水的侵蝕。偶聯(lián)劑官能團對固化體系熱效應及內耗峰影響的原因：（1）官能團參與反應；（2）優(yōu)先吸附引起的現(xiàn)象。13、 簡述增強體表面的物理特性對界面結合性能的影響。答：比表面積，對界面的影響：是導致復合材料中的界面存在并引起界面效應的根本所在。多孔性，對界面的影響：部分孔隙能被基體填充，部分由于很難完全浸潤，界面結合不好，成為應力傳遞的薄弱環(huán)節(jié)。增強體表面的極性，極性的基體與極性的增強體有較強的界面結合，因而也就有較強的界面結合強度及復合材料強度。增強

8、體表面的均一性，影響界面結合效果。增強體表面的結晶特性，影響復合材料的界面作用和材料性能。14、 為什么玻璃纖維表面常常吸附一層水分子？水對玻璃纖維增強不飽合聚酯復合材料的性能有什么影響？答：陽離子在玻璃纖維表面不能獲得所需要數(shù)量的氧離子，產(chǎn)生表面張力，當處于力的不平衡狀態(tài)時，就有吸附外界物質的傾向，大氣中存在的水分即是最常遇的物質，因此玻璃纖維表面常常吸附一層水分子。由于吸附水的作用，玻纖表面帶有SiOH基團，玻璃纖維成分中含堿量越高，吸附水對SiO2骨架的破壞愈大，纖維強度下降就越大。15、 簡述復合材料界面的形成過程。答：第一階段基體與增強體在一種組分為液態(tài)時發(fā)生接觸或潤濕；第二階段是液

9、態(tài)組成的固化過程。16、 解釋潤濕理論所包含的內容，并指出其成功之處與不足之處。答：指出：要使樹脂對增強體緊密接觸，就必須使樹脂對增強體表面很好地浸潤。 前提條件：液態(tài)樹脂的表面張力必須低于增強體的臨界表面張力。 結合方式：屬于機械結合與潤濕吸附。 成功之處：解釋了增強體表面粗化、表面積增加有利于提高與基體樹脂界面結合力的事實。 不足：a、不能解釋施用偶聯(lián)劑后使樹脂基復合材料界面粘結強度提高的現(xiàn)象。 b、證明偶聯(lián)劑在玻璃纖維/樹脂界面上的偶聯(lián)效果一定有部分（或者是主要的）不是由界面的物理吸附所提供，而是存在著更為本質的因素在起作用。17、解釋化學鍵理論與優(yōu)先吸附理論，并指出其成功之處與不足之處

10、。 答：化學鍵理論認為：基體樹脂表面的活性官能團與增強體表面的官能團能起化學反應。因此樹脂基體與增強體之間形成化學鍵的結合，界面的結合力是主價鍵力的作用。偶聯(lián)劑正是實現(xiàn)這種化學鍵結合的架橋劑。成功之處：在偶聯(lián)劑應用于玻璃纖維復合材料中得到很好應用，也被界面研究的實驗所證實。不足： a、聚合物不具備活性基團；b、不具備與樹脂反應的基團。優(yōu)先吸附理論認為：界面上可能發(fā)生增強體表面優(yōu)先吸附樹脂中的某些組分，這些組分與樹脂有良好的相容性，可以大大改善樹脂對增強體的浸潤；同時，由于優(yōu)先吸附作用，在界面上可以形成所謂的“柔性層”，此“柔性層”極可能是一種欠固化的樹脂層，它是“可塑的”，可以起到松弛界面上應

11、力集中的作用，故可以防止界面粘脫。成功之處：解釋化學鍵不能解釋的現(xiàn)象。18、 闡述偶聯(lián)劑的結構及其作用機理。偶聯(lián)劑有哪些？答：偶聯(lián)劑是這樣的一類化合物，它們的分子兩端通常含有性質不同的基團，一端的基團與增強體表面發(fā)生化學作用或物理作用，另一端的基團則能和基體發(fā)生化學作用或物理作用，從而使增強體和基體很好地偶聯(lián)起來，獲得良好的界面粘結，改善了多方面的性能，并有效地抵抗了水的侵蝕。按化學組成，偶聯(lián)劑主要可分為有機鉻和有機硅兩大類，此外還有鈦酸酯等。19、 碳纖維表面處理機理是什么？答：清除碳纖維表面雜質，在碳纖維表面刻蝕溝槽或形成微孔以增大表面積，從類似石墨層面改性成碳狀結構以增加碳纖維表面能，或

12、者引入具有極性或反應性的官能團以形成與樹脂起作用的中間層。20、金屬氫氧化物的阻燃機理是什么？答：金屬氫氧化物的阻燃作用主要由于它脫水時的吸熱效應，降低了凝聚相的溫度，因而有效地減緩了聚合物的分解速度。其次，金屬氫氧化物脫水放出的水稀釋了由聚合物熱解所生成的可燃性氣體并減少了煙霧的生成。一般來說，滿足以下條件的才能成為有效的阻燃劑：產(chǎn)生不燃性氣體的溫度略低于聚合物熱分解溫度；在復合塑料的混煉、成型溫度下不產(chǎn)生不燃性氣體。21、 闡述荷葉雙疏機理。答：表面張力由化學組成決定，而接觸角不僅和表面張力有關和表面粗糙度也有關。在各種材料的表面如果有納米尺寸稽核形狀互補的微觀結構，如凹凸相間的納米結構，

13、由于納米尺寸的凹表面可使吸附氣體存在，所以宏觀上相當于有一層穩(wěn)定的氣體薄膜，使油和水無法直接和表面完全接觸，從而表現(xiàn)出超雙疏性。22、 解釋界面破壞的能量流散概念，并說明其在界面破壞上的應用。答：當裂紋受到外因素作用時，裂紋的發(fā)展過程將是逐漸通過樹脂最后到達纖維表面。在裂紋擴展的過程中，將隨著裂紋的發(fā)展逐漸消耗能量，并且由于能量的流散而減緩裂紋的發(fā)展。23、 增強體與基體復合，需要解決哪些關鍵問題？怎樣解決這些問題？答：24、 給出生活中復合材料的例子（三個）。答：（1）玻璃纖維增強塑料耐腐蝕貯罐 （2）衛(wèi)星用顆粒增強鋁基復合材料零件 （3）硬質合金銑刀（4）硬質合金軸承刀具25、 碳纖維有什

14、么特征、對聚合物復合材料的性能有什么影響？答：特征：密度小，高強度，高剛度，熱膨脹系數(shù)低，耐疲勞和耐腐蝕等。以碳為基體的碳纖維增強材料，兼?zhèn)涮嫉亩栊院吞祭w維的高強度，在高達3000缺氧的條件下，依然能保持一定的強度。具有低密度、高強度、高剛度和高溫穩(wěn)定等優(yōu)良性能，是航天飛機和其他軍事裝備的理想耐高溫結構材料。26、 泊松比、剪切應力的概念。答：主泊松比是指在軸向外加應力時橫向應變與縱向應變的比值：剪切應力：物體內部任一截面的兩方單位面積上的相互作用力：27、 芳綸纖維表面有什么特征、對聚合物復合材料的性能有什么影響？答：表面特征：高強度、高模量、耐高溫、耐腐蝕；影響：由芳綸纖維增強的復合材料，

15、其比強度和比模量都分別高于作為高性能復合材料所要求的最低值4×106cm和4×l08cm。28、 了解吉布斯自由能的變化對復合材料形成的影響。答：復合材料的相容性是根據(jù)在混合時的吉布斯自由能G的變化來確定的，即G<0,就相容；G>0就不相容。29、 SiO2增強聚合物復合材料要解決的問題。答：未經(jīng)表面處理的SiO2玻璃纖維與聚合物基體之間一般難以發(fā)生界面反應，因而界面粘結不良，為改善這種狀況，通常對玻璃纖維表面進行化學處理，使之形成新的表面，并使新生表面上的活性基團與聚合物基體界面反應。由于玻璃纖維表面主要存在硅氧硅基團SiOSi和硅羥基SiOH ，所以表面處理

16、劑中一般都帶有能與硅羥基其化學反應的活性羥基。30、 碳纖維增強復合材料需要解決哪些問題、如何解決？答: 碳纖維增強復合材料(CFRP)存在斷裂延伸率低、脆性的缺點，這就導致沖擊強度和層間剪切強度的性能變壞。這方面的問題可采用碳纖維和玻璃纖維或芳綸纖維混合增強的形式 。31、 聚合物基體與增強體復合形成復合材料，在基體相與增強相之間形成界面。根據(jù)界面粘結的強弱，可將界面分為哪幾種界面？各種界面粘結對力學性能有什么影響？答：（1）增強體與基體互不反應，互不溶解的界面； （2）增強體與基體不反應，但互相溶解的界面； （3）增強體與基體反應形成界面反應層。32、二氧化硅有極細的粒徑，對橡膠具有良好的

17、增強作用。試述怎樣實現(xiàn)二氧化硅對橡膠的增強作用？答：超細粒子SiO2一方面可通過大比表面積和高表面活性吸附橡膠分子,形成結合膠,從而 有效地限制橡膠大分子的變形能力;另一方面,SiO2作為硬物質,可以承載應力,阻礙裂紋擴展,支化大裂紋,并通過所吸附的橡膠分子鏈在其表面的滑移效應緩解應力和實現(xiàn)取向增強,從而提高橡膠的拉伸強度、撕裂強度、耐磨性和耐疲勞破壞強度。33、簡析表面處理的增強體與聚合物基體復合形成復合材料的界面結構答：34、聚合物基體與增強體復合形成復合材料，在基體相與增強相之間形成界面。根據(jù)界面粘結的強弱，可將界面分為哪幾種界面？各種界面粘結對力學性能有什么影響答：（1）增強體與基體互不反應，互不溶解的界面； （2）增強體與基體不反應，但