复合材料原理与工艺课程习题

1、1、增强体和功能体在复合材料中起的主导作用？1）填充：用廉价的增强体，特别是颗粒状填料可降低成本。2）增强：（a）功能体可赋予聚合物基体本身所没有的特殊功能。功能体的这种作用主要取决于它的化学组成和结构。（b）纤维状或片状增强体可提高聚合物基复合材料的力学性能和热性能。 其效果在很大程度上取决于增强体本身的力学性能和形态等。2、复合材料区别于单一材料的主要特点？1）不仅保持其原组分的部分优点，而且具有原组分不具备的特性；2）材料的可设计性；3）材料与结构的一致性。3、材料复合效应的分类？（ 1）线性效应：线性指量与量之间成正比关系。平行效应、平均效应、相补效应、相抵效应。（ 2）非线性效应：非

2、线性指量与量之间成曲线关系。相乘效应、诱导效应、共振效应、系统效应。4、建立材料的微观模型包含的内容？一）材料的几何结构模型，二）材料的物理模型注意： 在建立材料模型时， 首先应确立坐标系和材料的主轴方向， 往往以主轴方向为参考坐标确立材料的结构模型时，主要以材料的相几何形态和性能规律为依据。1） 、相几何形态，模型中的相几何形态必须充分表达实际材料的几何形态；2） 、复合体系中组分的相含量，模型中组分的相含量（体积分数） 必须与实际材料组分的相含量相等；3） 、复合体系中组分相的状态分布，这种状态分布往往采用统计的特征。物理模型的确立往往以结构模型为依据， 针对某一物理性能和结构特征， 进行

3、场量计算。 在讨论和运用物理模型中， 重要的是利用相结构的对称性等特征进行简化；利用组分相物理性质差异简化。6、复合材料的界面层，除了在性能和结构上不同于相邻两组分相外，还具有哪些特点；（1）具有一定的厚度；（2） 性能在厚度方向上有一定的梯度变化；（3）随环境条件变化而改变。7、简述复合材料界面的研究对象；（ 1）增强体表面有关的问题：增强体表面的化学、物理结构与性能；增强体与表面处理物质界面层的结构与性质及对增强体表面特性的影响；增强体表面特性与基体之间的相互关系及两者间的相互作用（增强体未处理时） ；增强体与表面处理物质的界面作用；增强体表面特性与复合材料特性的相互关系。(2)表面处理物

4、质的有关问题：最外层的化学、物理结构及内层的化学、物理结构；表面处理物质与基体之间的相互作用；表面处理物质对基体的影响；处理条件及处理剂层的特性；处理剂层随时间的变化；、处理剂层与复合材料性能的相互关系。(3)表面处理的最优化技术。(4)粉体材料在基体中的分散：分散状态的评价；分散技术及机理；分散状态与复合材料性能。(5)复合技术的优化及其机理。8、简述与表面张力有关的因素。(1)表面张力与物质结构、性质有关。不同物质性质、结构的分子间相互作用力不同，分子间作用力愈大，相应 表面张力也愈大。通常：金属键物质(金、银等)离子键物质(氧化物熔体、熔盐) >极性分子物质(水等)弱极性物质(丙酮

5、等)非极性物质(液H2、液C12等)。 (2)物质的表面张力与它相接触的另一相物质有关。当与不同性质的物质接触时，表面层分子受到的力场不同，致使表面张力 不同。(3)表面张力随温度不同而不同，一般温度升高，表面张力下降。这是因为温度提高，物质体积膨胀，即分子间距增大，使分子间作用力变小。9、吸附按作用力的性质可分为哪几类？各有什么特点？(1)物理吸附：当固体表面的原子的原子价被相邻的原子所饱和，表面分子与 吸附物之间的作用力是分子间引力(范德华力)。特点：1)、无选择性，吸附量相差较大；2)、吸附可呈单分子层或多分 子层；3)、物理吸附、解吸速度较快，易平衡。一般在低温下 进行的吸附是物理吸附

6、。(2)化学吸附：当固体表面的原子的原子价被相邻的原子所饱和，还有剩余的 成键能力，在吸附剂及吸附物之间还有电子转移生成化学键的 吸附。特点：1)、有选择性；2)、只能单分子吸附，且不易吸附或解吸；3)、平衡慢。10、利用接触角的知识，讨论固体被液体的浸润性。cos-svs1 (1)当 YSV<YS1, cosB <0, 8 >90° ,此时固体不为液体浸润；1V(2)当 丫 lv>(YSV-YSl)>0,贝 U 1>cos9 >0,即 0°90。，此时固体为液体所浸润；(3)若s SV- Y sl = 丫 1v ,则cos 8 =

7、 1, 8=0,此时固体表面可以被液体完全 浸润，并获得最大粘附功。11、界面的相容性指什么？如何确定？在复合材料界面上发生两种材料扩散混合时， 相容性成为粘接界面的一个重要因素。通常，相容性是根据在混合时的吉布斯（Gibbs）的自由能变化 G来确定<即Gv。，就相容； G>0,就不相容，即不混合。而4G用混合嫡 S和混合热 H来表达，此时有： H越小、$正值越大， 由4G越易为负值，相容性越好。12、偶联剂官能团对固化体系热效应及内耗峰影响的原因？1） 、官能团参与反应；2） 、优先吸附引起的现象。13、简述增强体表面的物理特性对界面结合性能的影响。（ 1） 比表面积 ： 是导致

8、复合材料中的界面存在并引起界面效应的根本所在。一般认为： 增强体的比表面越大， 与基体结合的物理界面大， 对粘合强度的贡献大。当然存在浸润的因素。（ 2）多孔性：部分孔隙能被基体填充，部分由于很难完全浸润，界面结合不好，成为应力传递的薄弱环节。（ 3）增强体表面的极性：极性的取决因素：增强体的分子结构、物质结构及外场的作用。极性的基体与极性的增强体有较强的界面结合， 因而也就有较强的界面结合强度及复合材料强度。（ 4）增强体表面的均一性：是指增强体表面的活性点分布的均一性，包括物理活性点及化学活性点。分布均匀：界面结合均匀、完善；分布不均：在界面局部形成缺陷，形成弱界面（ 5）增强体表面的结晶

9、特性：括表面的结晶程度及晶体分布状态。影响复合材料的界面作用和材料性能。14、为什么玻璃纤维表面常常吸附一层水分子？水对玻璃纤维增强不饱合聚酯复合材料的性能有什么影响？15、简述复合材料界面的形成过程。1）、润湿过程：基体与增强体在一种组分为液态（或粘流态）时发生接触或润湿的过程，或是两种组分在一定条件下均呈液态（或粘流态）的分散、接触及润湿过程； 也可以是两种固态组分在分散情况下以一定的条件发生物理及化学变化形成结合并看作为一种特殊润湿过程。2）、固化过程：要形成复合材料增强体与基体间稳定的界面结合，不论是何种材料（金属、非金属、聚合物）均必须通过物理或化学的固化过程（凝固或化学反应固化）

10、。16、解释润湿理论所包含的内容，并指出其成功之处与不足之处。润湿理论：指出：要使树脂对增强体紧密接触，就必须使树脂对增强体表面很好地浸润。前提条件：液态树脂的表面张力必须低于增强体的临界表面张力。结合方式：属于机械结合与润湿吸附。优点： 解释了增强体表面粗化、 表面积增加有利于提高与基体树脂界面结合力的事实。不足：a、不能解释施用偶联剂后使树脂基复合材料界面粘结强度提高的现象。b、证明偶联剂在玻璃纤维/树脂界面上的偶联效果一定有部分(或者是主 要的)不是由界面的物理吸附所提供，而是存在着更为本质的因素在起作用。17、解释化学键理论与优先吸附理论，并指出其成功之处与不足之处。(1) 化学键理论

11、认为： 基体树脂表面的活性官能团与增强体表面的官能团能起化学反应。 因此树脂基体与增强体之间形成化学键的结合， 界面的结合力是主价键力的作用。 偶联 剂正是实现这种化学键结合的架桥剂。成功之处： 在偶联剂应用于玻璃纤维复合材料中得到很好应用， 也被界面研究的实验所证实。偶联剂在界面所起的作用：用 Br2 破坏偶联剂双键，制品强度下降。局限性：a、聚合物不具备活性基团；b、不具备与树脂反应的基团。(2) 优先吸附理论提出背景：解释化学键不能解释的现象。当玻璃纤维被偶联剂覆盖后，偶联剂对树脂中的某些组分 “优先吸附” ，这样，改变了树脂对玻璃表面的浸润性。认为： 界面上可能发生增强体表面优先吸附树

12、脂中的某些组分， 这些组分与树脂有良好的相容性， 可以大大改善树脂对增强体的浸润； 同时， 由于优先吸附作用，在界面上可以形成所谓的 “柔性层 ” ，此 “柔性层 ”极可能是一种欠固化的树脂层， 它是 “可塑的 ” ， 可以起到松弛界面上应力集中的作用， 故可以防止界面粘脱。18、阐述偶联剂的结构及其作用机理。偶联剂有哪些？(百度)偶联剂是这样的一类化合物， 它们的分子两端通常含有性质不同的基团， 一端的基团与增强体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，从而使增强体和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，并有效地抵抗了水的侵蚀。按化学

13、组成，偶联剂主要可分为有机铬和有机硅两大类，此外还有钛酸酯等。19、碳纤维表面处理机理是什么？清除碳纤维表面杂质， 在碳纤维表面刻蚀沟槽或形成微孔以增大表面积， 从类似石墨层面改性成碳状结构以增加碳纤维表面能， 或者引入具有极性或反应性的官能团以形成与树脂起作用的中间层。20、金属氢氧化物的阻燃机理是什么？金属氢氧化物的阻燃作用主要由于它脱水时的吸热效应，降低了凝聚相的温度，因而有效地减缓了聚合物的分解速度。 其次， 金属氢氧化物脱水放出的水稀释了由聚合物热解所生成的可燃性气体并减少了烟雾的生成。 一般来说， 满足以下条件的才能成为有效的阻燃剂：产生不燃性气体的温度略低于聚合物热分解温度；在复合塑料的混炼、成型温度下不产生不燃性气体。21、阐述荷叶双疏机理。22、解释界面破坏的能量流散概念，并说明其在界面破坏上的应用23、增强体与基体复合，需要解决哪些关键问题？怎样