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《高分子复合材料》复习题
基本概念
1 强度 材料在外力作用下抵抗永久形变或断裂的能力。 2 比强度 材料极限强度与密度的比值。
3 模量 材料在弹性变形阶段，应力与应变成正比例关系，比例系数为模量。 4 比模量 模量与密度的比值。
5 复合后的产物为固体时才称为复合材料，若复合产物为液体或气体时就不称为复合材料。 6 用两种或两种以上纤维增强同一基体制成的复合材料称为混杂复合材料。
7 按基体材料分类 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 8 按材料作用分类 结构复合材料 功能复合材料
9 连续纤维增强金属基复合材料，在复合材料中纤维起着主要承载作用。
10 在连续纤维增强金属基复合材料中基体的主要作用应是以充分发挥增强纤维的性能为主。 11非连续增强金属基复合材料，基体是主要承载物，基体的强度对非连续增强金属基复合材料具有决定性的影响。
12 铁、镍元素在高温时能有效地促使碳纤维石墨化，破坏了碳纤维的结构，使其丧失了原有的强度，做成的复合材料不可能具备高的性能。
13 结构复合材料的基体大致可分为轻金属基体和耐热合金基体两大类。
14 连续纤维增强金属基复合材料一般选用纯铝或含合金元素少得单相铝合金，而颗粒、晶须增强金属基复合材料则选择具有高强度的铝合金。
15 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。
16 复合材料的界面效应包括传递效应、阻断效应、不连续效应、散射和吸收效应及诱导效应。 17 常用的瓷基体主要包括玻璃、玻璃瓷、氧化物瓷、非氧化物瓷等。
18 复合材料中的基体有三种主要的作用：把纤维粘在一起；分配纤维间的载荷；保护纤维不受环境影响。 19 降解指聚合物主链的断裂，它导致相对分子质量下降，使材料的物理力学性能变坏。 交联是指某些聚合物交联过度而使聚合物变硬、发脆，使物理力学性能变坏。 20 热固性树脂分类 不饱和聚酯树脂 环氧树脂 酚醛树脂
21 不饱和聚酯树脂是指有线性结构的，主链上同时具有重复酯键及不饱和双键的一类聚合物。 22 应用最广泛的交联剂是苯乙烯。
23 引发剂一般为有机过氧化物，它的特性通常用临界温度和半衰期来表示。 临界温度是指有机过氧化合物具有引发活性的最低温度；半衰期是指是给定的温度条件下，有机过氧化物分解一般所需要的时间。 24 凡是含有二个以上环氧基的高聚物统称为环氧树脂。
25热塑性聚合物是指具有线型或支链型结构的那一类有机高分子化合物，这类聚合物可以反复受热软化（或熔化），而冷却后变硬。
26 无碱玻璃纤维（E玻纤）最大的特点是电性能好，因此也把它称作电器玻璃。 27 当纤维存放一段时间后，会出现强度下降的现象，称为纤维的老化。 28 玻璃纤维的疲劳一般是指纤维强度随施加负荷时间的增加而降低的情况。 29 玻璃纤维织物的品种很多，主要有玻璃纤维布、玻璃纤维毡、玻璃纤维带等。 30 碳纤维的制造方法可分为两种类型，即气相法和有机纤维碳化法。 31 制作碳纤维的主要原料有三种：人造丝、聚丙烯腈纤维、沥青。 32 碳化硅纤维的制造方法主要有两种：化学气相沉积法和烧结法。
33 硼纤维是一种将硼元素通过高温化学气相法沉积在钨丝表面制成的高性能增强纤维。 34 晶须分为瓷晶须和金属晶须两类，用作增强材料的主要是瓷晶须。
35 对于聚合物基复合材料，其界面的形式可以分成两个阶段：第一阶段是基体与增强纤维的接触与浸润过程；第二阶段是聚合物的固化阶段。
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36 界面结合力又可分为宏观结合力和微观结合力，前者主要指材料的几何因素，如表面的凹凸不平、裂纹、空隙等所产生的机械铰合力；后者包括化学键和次价键，这两种键的相对比例取决于组成成分及其表面性质。 37 金属基纤维复合材料的界面结合可以分成 物理结合 溶解和浸润结合 反应结合。
38 物理结合是指借助材料表面的粗糙形态而产生的机械铰合，以及借助基体收缩应力包紧纤维时产生的摩擦结合。
39 表面处理就是在增强材料表面涂覆上一种称为表面处理剂的物质，这种表面处理剂包括浸润剂及一系列偶联剂和助剂等物质，以利于增强材料与基体间形成一个良好的粘结界面，从而达到提高复合材料各种性能的目的。
40 玻璃纤维与树脂的界面粘结性不好，故常采用偶联剂涂层的方法对纤维表面进行处理。
41材料的烧蚀是指材料在高温时，表面发生分解，引起气化，于此同时吸收热量，达到冷却的目的。 42 疲劳破坏是指材料在交变负荷作用下，逐渐形成裂缝，并不断扩大而引起的低应力破坏。 43 金属基复合材料的种类，按基体分类：铝基复合材料、镍基复合材料、钛基复合材料。 44对于像燃气轮机零件这类用途，必须采用更加耐热的镍、钴、铁基材料。
45 瓷材料具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀及重量轻等许多优良的性能，但它同时也具有致命的弱点，即脆性。 46 韧化瓷的途径：往瓷材料中加入起增韧作用的第二相而制成瓷基复合材料即是一种重要方法。 47 瓷材料除了形成各种晶体结构以外，有些还可形成原子或离子排列没有周期性规律的非晶态物质。 48 瓷基复合材料中德增强体通常也成为增韧体，可分为 纤维、晶须和颗粒三类。
49 单向排布纤维增韧瓷基复合材料的显著特点是它具有各向异性，即沿纤维长度方向上的纵向性能要大大高于其横向性能。
50 由于晶须具有长径比，因此当其含量较高时，因其桥架效应而使致密化变得困难，从而引起了密度的下降并导致性能的下降。
51 晶须的增强增韧效果好，但含量高时会使致密度下降，颗粒可克服晶须的这一弱点但其增强增韧效果却不如晶须。
52 热压烧结法 将长纤维切短，然后分散并与基体粉末混合，再用热价烧结的方法即可制得高性能的复合材料。
53碳/碳复合材料是由碳纤维或各种碳织物增强碳，或石墨化的树脂碳以及化学气相沉积碳所形成的复合材料，是具有特殊性能的新型工程材料，也被称为碳纤维增强碳复合材料。
54 常用的增强材料的表面（涂层）处理方法有：PVD、CVD、电化学、溶胶-凝胶法等。 55 模塑料 SMC BMC MMC的含义。 金属基复合材料(MMC)
简答
1复合材料定义
复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。在复合材料中，通常有一相为连续相，称为基体；另一相为分散相，称为增强材料。分散相是以独立的形态分布在整个连续相中德，两相之间存在着相界面。分散相可以是增强纤维，也可以是颗粒状或弥散的填料。 2 交联剂作用
不饱和聚酯分子链中含有不饱和双键，因而在热得作用下通过这些双键，大分子链之间可以交联起来，变成体型结构。但是，这种交联产物很脆，没有什么优点，无实用价值。因此，在实际中经常把线型不饱和机制溶于烯类单体中，使聚酯中德双键间发生共聚合反应，得到体型产物，以改善固化后树脂的性能。 3 不饱和聚酯树脂的固化特点
不饱和聚酯树脂的的固化是一个放热反应，其过程可分为以下三个阶段：
1）胶凝阶段 从加入促进剂后到树脂变成凝胶状态的一段时间。这段时间对于玻璃钢制品的成型工艺起决定性作用，是固化过程最重要的阶段。
2）硬化阶段 硬化阶段是从树脂开始到胶凝到一定硬度，能把制品从模具上取下为止的一段时间。
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3）完全固化阶段 通常在室温下进行，在后处理之前，室温至少要放置24小时，这段时间越长，制品吸水率越小，性能越好。 4 玻璃纤维的结构
微晶结构假说认为，玻璃是由硅酸块或二氧化硅的“微晶子”组成，在“微晶子”之间由硅酸块过冷溶液所填充。
网络结构假说认为，玻璃是由二氧化硅的四面体，铝氧三面体或硼氧三面体相互连成不规则三维网络，网络间的空隙有Na、K、Ca、Mg等阳离子所填充。 5 玻璃纤维高强的原因及影响因素
玻璃纤维比玻璃的强度高很多，这是因为玻璃纤维高温成型时减少了玻璃溶液的不均一性，使微裂纹产生的机会减少。此外，玻璃纤维的断面较小，随着断面的减小，使微裂纹存在的几率也减少，从而使纤维强度增高。直径小得玻璃纤维强度比直径粗的纤维强度高的原因是由于表面微裂纹尺寸和数量较小，从而减少了应力集中，使纤维具有较高的强度。
影响因素：1）玻璃纤维的拉伸强度随直径变细而拉伸强度增加；2）拉伸强度也与纤维的长度有关，随着长度增加拉伸强度显著下降；3）纤维强度与玻璃的化学成分关系密切；4）存放时间对纤维强度的影响；5）施加负荷时间对纤维强度的影响6）玻璃纤维成型方法和成型条件对强度也有很大影响。 6碳纤维的结构及影响因素
碳纤维的结构决定于原丝结构和碳化工艺。真实的碳纤维结构并不是理想的石墨点阵结构，而是属于乱层石墨结构。在乱层石墨结构中，石墨层片时基本的结构单元，若干层片组成的微晶堆砌成直径数十纳米、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。
纤维中的缺陷如结构不匀、直径变异、微孔、裂缝或沟槽、气孔、杂质等是影响碳纤维强度的重要因素。 7 什么是界面，包含哪些组成部分，界面效应
复合材料的界面是指机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。它包含了机体和增强物的部分原始接触面、基体与增强物相互作用生成的反应产物、此产物与基体及增强物上的氧化物及它们的反应产物等。
界面的几种效应：(1)传递效应 界面能传递力，即将外力传递给增强物，祈祷基体和增强物之间桥梁的作用。（2）阻断效应 结合适当的界面有住址裂纹扩展、中断材料破坏、减缓应力集中的作用。（3）不连续效应 在界面上产生物理性能的不连续性和界面摩擦出现的现象。（4）散射和吸收效应 光波、声波、热弹性波、冲击波等再界面产生散射和吸收。（5）诱导效应 一种物质的表面结构使另一种与之接触的物质的结构由于诱导作用而发生改变，由此产生一些现象。 8什么是界面浸润理论，化学键理论，物理吸附理论
界面浸润理论 填充剂被液体树脂良好浸润是极其重要的，因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结强度将大于基体的聚强度。
化学键理论 处理增强剂表面的偶联剂应既含有能与增强剂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。
物理吸附理论 增强纤维与树脂基体之间的结合是属于机械铰合和基于次价键作用的物理吸附。偶联剂的作用主要是促进基体与增强纤维表面完全浸润。 9 什么是聚合物基复合材料，基体和纤维的作用
聚合物基复合材料是以有机聚合物为基体，连续纤维为增强材料组合而成的。纤维的高强度、高模量的特性使它成为理想的承载体。基体材料由于粘结性能好，把纤维牢固地粘结起来。同时，基体又能使载荷均匀分布，并传递到纤维上去，并允许纤维承受压缩和剪切载荷。纤维和基体之间的良好的复合显示了各自的优点，并能实现最佳结构的设计，具有许多优良特性。 10 手糊过程
手糊工艺是聚合物基复合材料制造中最早采用和最简单的方法。其工艺过程是先在模具上涂刷含有固化剂的树脂混合物，再在其上铺贴一层按要求剪裁好的纤维织物，用刷子、压辊或刮刀压挤织物，使其均匀浸胶并排除气泡后，再涂刷树脂混合物和铺贴第二层纤维织物，反复上述过程直至达到所需厚度为止。然后在一定压力作用下加热固化成型，或利用树脂体系固化时放出的热量固化成型，最后脱模得到复合材料制品。
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11 什么是颗粒增强复合材料，基体作用
颗粒增强复合材料是指弥散的硬质增强相得体积超过20%的复合材料，而不包括那种弥散质点体积比很低的弥散强化金属。基体的作用在于传递载荷和便于加工。硬质增强相造成的对基体的束缚作用能阻止基体屈服。
12 硼纤维为什么选择铝合金作为基体
硼纤维选择铝合金作为基体是由于铝合金具有良好的综合性能。良好的综合性能是指良好的结合能力，较高的断裂韧性，较强的阻止在纤维断裂或劈裂处的裂纹扩展能力；较强的抗腐蚀性，较高的强度等。对于高温下使用的复合材料，还要求基体具有较好的抗蠕变性和抗氧化性。此外，基体应能熔焊或钎焊，而对于某些应用还要求基体能采用复合蠕变成型技术。 13 纤维增强瓷基复合材料增韧机理
裂纹扩展遇到纤维时会受阻，这样要使裂纹进一步扩展就必须提高外加应力。当外加应力进一步提高时，由于机体与纤维间的界面的离解，同时又由于纤维的强度高于基体的强度，从而使纤维可以从基体中拔出。当拔出的长度达到某一临界值时，会使纤维发生断裂。因此裂纹的扩展必须克服由于纤维的加入而产生的拔出功和纤维断裂功，这使得材料的断裂更为困难，从而起到了增韧的作用。实际材料断裂过程中，纤维的断裂并非发生在同一裂纹平面，这样主裂纹还将沿纤维断裂位置的不同而发生裂纹转向。这也同样会使裂纹的扩展阻力增加，从而使韧性进一步提高。 14 界面结合强度
界面结合强度直接影响了复合材料的韧化机制和韧化效果。界面强度过高，晶须将与基体一起断裂，限制了晶须的拔出，因而也就减小了晶须拔出机制对韧性的贡献。但另一方面，界面强度的提高有利于载荷的转移，因而提高了强化效果。界面强度过低，则使晶须的拔出功减小，这对韧化和强化都不利，因此界面强度存在一个最佳值。
15 热塑性树脂基复合材料与热固性树脂基复合材料在性能和加工工艺上的区别是什么？
热塑性树脂是指具有线型或分枝型结构的有机高分子化合物，热固性树脂是以不饱和聚酯、环氧树脂、酚醛树脂等为主的高分子化合物。
性能上：热塑性树脂—柔韧性大，脆性低，加工性能好，但刚性、耐热性、尺寸稳定性差；热固性树脂—刚性大，耐腐蚀性、耐热性、尺寸稳定性好，不易变形，成型工艺复杂，加工较难。
加工工艺上：热塑性树脂—受热软化或熔融，可进行各种线型加工，冷却后变得坚硬。再受热，又可进行熔融加工，具有可重复加工性；热固性树脂—受热熔融的同时发生固化反应，形成立体网状结构，冷却后再受热不熔融，在溶剂中不溶解，不具有重复加工性。
16. 举出一个复合材料树脂体系的实例，并说明各组分的作用。
如不饱和聚酯树脂体系，各组分及其作用如下：1 交联剂：通过引发剂作用使线性聚酯分子交联成三维网状的体型大分子结构。2 引发剂：打开交联剂分子和不饱和聚酯分子链上的双键，开形成自由基，发生自由共聚反应，达到交联固化的目的。引发剂一般为过氧化物。3 促进剂：使引发剂降低分解活化能，降低引发温度。4 阻聚剂：增加不饱和聚酯树脂的贮存稳定性，调节适用期。5 增稠剂 ：调节不饱和聚酯树脂的粘度。
17 什么是增强材料的表面处理？简述偶联剂的化学结构及作用。
表面处理是在增强材料的表面涂覆上表面处理剂（包括浸润剂、偶联剂、助剂等物质），它有利于增强材料与基体间形成良好的粘结界面，从而达到提高复合材料各种性能的目的。
偶联剂的化学结构：分子两端含有性质不同的基团，一端的基团与增强材料表面发生化学作用或物理作用，另一端的基团则能和基体发生化学作用或物理作用，从而使增强材料与基体很好地偶联起来，获得良好的界面粘结，改善了多方面的性能，并有效地抵抗水的侵蚀。 18 简述碳/碳复合材料的性能。
力学性能：密度小；拉伸强度、弯曲强度、氏模量高；脆性大，应力-应变曲线呈现“假塑性效应”：施加载荷初期呈线性关系，随后变为双线性。卸载后再加载荷，曲线仍为线性，并可达到原来的载荷水平。 热物理性能：热膨胀系数小，尺寸稳定；热导率高，并可以调节；比热容高；抗热震因子大。
烧蚀性能（蒸发升华、热化学氧化）：碳/碳复合材料烧蚀均匀、烧蚀凹陷浅，能良好地保持制件外形；
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烧蚀热高，为层材料和存放的器件提供保护。
化学稳定性：具有与碳一样的化学稳定性；抗氧化性能差。改善碳/碳复合材料抗氧化性能的方法：浸渍树脂时加入抗氧化物质；气相沉积碳时加入抗氧元素；碳化硅涂层。 19 比较弥散增强原理和颗粒增强原理的异同点。
1、承担载荷的物质有异：弥散增强原理：基体承担载荷。颗粒增强原理：基体承担主要的载荷，颗粒也承受载荷并约束基体的变形。
2、颗粒大小及体积分数有异：弥散增强原理：Vp=0.01-0.15，dp=0.001?m-0.1?m。
颗粒增强原理：颗粒尺寸较大（>1?m）、颗粒坚硬。颗粒直径为1-50?m，颗粒间距为1-25?m，颗粒的体积分数为0.05-0.5。颗粒强化效果类似：颗粒阻止基体中位错运动的能力愈大，增强效果愈好。微粒尺寸愈小，体积分数愈高，强化效果愈好。
20 简述复合材料中金属基体的选择原则。
1、根据金属基复合材料的使用要求：金属基复合材料构（零）件的使用性能要选择金属基体材料的最重要的依据。
例：航空、航天领域：高比强度、高比模量、尺寸稳定性是最重要的性能要求，这就需要组成连续纤维石墨/镁、石墨/铝、硼/铝复合材料。
2、根据金属基复合材料的组成特点：对于连续纤维增强金属基复合材料，不要求基体有很高的强度，对于非连续增强金属基复合材料（颗粒、晶须、短纤维），基体承担主要载荷，要求高强度。
3、根据金属基体与增强材料的界面状态和相容性
选择金属基体时，尽量避免基体与增强材料发生化学反应，同时应注意基体与增强材料的相容性，基体和增强材料应该有较好的浸润性。
21 晶须高强的主要原因及制备方法
原因：Ａ、它的直径非常小，不能容纳使晶体削弱的空隙、位错和不完整等缺陷。Ｂ、晶须材料的部结构完整，使它的强度不受表面完整性的严格限制。
制备方法：CVD法 、原位生长法、溶胶—凝胶法、气液固（VLS）法、液相生长法、固相生长法。
思考题
1、复合材料具有的三个特点是什么？按增强体种类不同复合材料分哪几分类？按用途不同它又分为哪几类？
答：特点：1）典型的复合材料是在一个特点的基体中，填充有一种或多种填充体2）既保留原有组分或者材料的主要特色，并通过复合效应获得原组分所不具备的性能3）可以通过材料设计使各组分的性能相互补充并彼此关联，从而获得新的优越性能。 按增强材料形态分为以下三类：
1)、纤维增强复合材料：a.连续纤维复合材料：作为分散相的长纤维的两个端点都位于复合材料的边界处；b.非连续纤维复合材料：短纤维、晶须无规则地分散在基体材料中； 2)、颗粒增强复合材料：微小颗粒状增强材料分散在基体中；
3)、板状增强体、编织复合材料：以平面二维或立体三维物为增强材料与基体复合而成。 按用途分类，有航空材料、电工材料、建筑材料、包装材料等。
2、简述玻璃纤维的结构与性能特点，与其相比Kevlar有机纤维和碳纤维各有什么优缺点？这三种增强纤维各自采取什么表面处理？其主要目的是什么？
答：玻璃纤维的结构特点：具有短程有序、长程无序的特点。
玻璃纤维的性能特点:具有各向同性，氏模量、热膨胀系数等性能，在纤维的轴向和径向都是相同的。 利用化学刻蚀或接枝、涂层和氧化方法，在纤维表面引入反应性基团，使之能与树脂基体分子的基团反应，增加表面能，可以改善纤维与基体之间的润湿性。对纤维进行表面改性可以改善它与聚合物基体的粘接性。
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复合材料复习题
