复合材料期末合集

1、三、简述增强材料（增强体、功能体）在复合材料中所起的作用，并举例说明。填充：廉价、颗粒状填料，降低成本。例：PVC中添加碳酸钙粉末。 增强：纤维状或片状增强体，提高复合材料的力学性能和热性能。效果取决于增强体本身的力学性能、形态等。例：TiC颗粒增强Si3N4复合材料、碳化钨/钴复合材料，切割工具；碳/碳复合材料，导弹、宇航工业的防热材料（抗烧蚀），端头帽、鼻锥、喷管的喉衬。 赋予功能：赋予复合材料特殊的物理、化学功能。作用取决于功能体的化学组成和结构。例：1-3型PZT棒/环氧树脂压电复合材料，换能器，用于人体组织探测。四、复合材料为何具有可设计性？简述复合材料设计的意义。如何设计防腐蚀（碱

2、性）玻璃纤维增强塑料？组分的选择、各组分的含量及分布设计、复合方式和程度、工艺方法和工艺条件的控制等均影响复合材料的性能，赋予了复合材料性能的可设计性。 意义： = 1 * GB3 每种组分只贡献自己的优点，避开自己的缺点。 = 2 * GB3 由一组分的优点补偿另一组分的缺点，做到性能互补。 = 3 * GB3 使复合材料获得一种新的、优于各组分的性能（叠加效应）。优胜劣汰、性能互补、推陈出新。 耐碱玻璃纤维增强塑料的设计：使用无碱玻璃纤维和耐碱性树脂（胺固化环氧树脂）。在保证必要的力学性能的前提下，尽量减少玻璃纤维的体积比例，并使树脂基体尽量保护纤维不受介质的侵蚀。五、简述复合材料制造过程

3、中增强材料的损伤类型及产生原因。力学损伤：属于机械损伤，与纤维的脆性有关。脆性纤维（如陶瓷纤维）对表面划伤十分敏感，手工操作、工具操作，纤维间相互接触、摆放、缠绕过程都可能发生。化学损伤：主要为热损伤，表现为高温制造过程中，增强体与基体之间化学反应过量，增强体中某些元素参与反应，增强体氧化。化学损伤与复合工艺条件及复合方法有关。热损伤伴随着增强体与基体之间界面结构的改变，产生界面反应层，使界面脆性增大、界面传递载荷的能力下降。六、简述复合材料增强体与基体之间形成良好界面的条件。在复合过程中，基体对增强体润湿；增强体与基体之间不产生过量的化学反应；生成的界面相能承担传递载荷的功能。复合材料的界面

4、效应，取决于纤维或颗粒表面的物理和化学状态、基体本身的结构和性能、复合方式、复合工艺条件和环境条件。一、什么是相乘效应？举例说明。两种具有转换效应的材料复合在一起，产生了连锁反应，从而引出新的机能。可以用通式表示：X/YY/Z=X/Z（式中X、Y、Z分别表示各种物理性能）。压磁效应磁阻效应=压敏电阻效应；闪烁效应光导效应=辐射诱导导电。例：磁电效应（对材料施加磁场产生电流）传感器，电子回路元件中应用。压电体BaTiO3与磁滞伸缩铁氧体NiFe2O4烧结而成的复合材料。对该材料施加磁场时会在铁氧体中产生压力，此压力传递到BaTiO3，就会在复合材料中产生电场。最大输出已达103 VA。单一成分的

5、Cr2O3也有磁电效应，但最大输出只有约170 VA。四、什么是材料复合的结构效果？试述其内涵。结构效果是指在描述复合材料的性能时，必须考虑组分的几何形态、分布形态和尺度等可变因素。这类效果往往可以用数学关系描述。结构效果包括：1、几何形态效果（形状效果）：决定因素是组成中的连续相。对于1维分散质，当分散质的性质与基体有较大差异时，分散质的性能可能会对复合材料的性能起支配作用。2、分布形态效果（取向效果）：又可分为几何形态分布（几何体的取向）和物理性能取向：导致复合材料性能的各向异性，对复合材料的性能有很大影响。3、尺度效果：影响材料表面物理化学性能（比表面积、表面自由能）、表面应力分布和界面

6、状态，导致复合材料性能的变化。五、简述单向复合材料的细观力学分析模型的基本假设的要点。单元体：宏观均匀、无缺陷、增强体与基体性能恒定、线弹性。 增强体：匀质、各向同性、线弹性、定向排列、连续。 基体：匀质、各向同性、线弹性。 界面：粘结完好（无孔隙、滑移、脱粘等）、变形协调。八、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=0.001m-0.1m。颗粒增强原理：颗粒尺寸较大（1m）、颗粒坚硬。颗粒直径为1-50

7、m，颗粒间距为1-25m，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。十一、垂直于纤维扩展的裂纹需要克服哪些断裂能？对于脆性纤维/脆性基体复合材料，需要克服的断裂功：纤维拔出和纤维断裂（吸收能量）、纤维与基体的脱胶（纤维与基体的界面较弱时：消耗贮存的应变能）、应力松弛（纤维断裂时：消耗贮存的应变能）、纤维桥连（消耗纤维上的应变能）。对于脆性纤维/韧性基体复合材料，基体的塑性变形（粘接强度很高、纤维无法拔出时：吸收能量）也会增加断裂功。十四、试讨论短纤维复合材料的强度性能。由于纤维长度和体积含量的不

8、同，短纤维复合材料的纵向强度是不同的，纵向破坏有两种形式：llc/2时，纤维达不到极限强度，基体破坏后，复合材料即告破坏；llc/2时，分两种失效模式： = 1 * GB3 纤维体积含量较高时，纤维是主承载体，一旦纤维破坏，复合材料即告失效； = 2 * GB3 纤维体积含量较低时，纤维断裂后，基体仍能承担载荷，直至基体破坏后，复合材料才告失效.十五、如何衡量聚合物基体的耐热性？如何提高聚合物的玻璃化温度？简述填料影响聚合物玻璃化温度的原因。表征聚合物基体耐热性的物理量是玻璃化温度Tg，对于结晶性聚合物则是熔点Tm：玻璃化温度在宏观上是指聚合物由玻璃态转变为高弹态的特征温度，在微观上是高分子链

9、段开始运动的温度。实际应用中，使用热变形温度来表征材料的耐热性。提高聚合物玻璃化温度的方法：增加大分子链的刚性（提高主链的刚性不饱和共价键、环烃、侧链引入极性基团、交联等）；添加填料。填料影响聚合物玻璃化温度的原因：改变了聚合物的微观结构： = 1 * GB3 改变了界面层聚合物大分子的敛集密度（一般情况下是密度降低），使分子间作用力发生改变。 = 2 * GB3 在界面上，填料聚合物分子之间发生作用力，使聚合物大分子链段的运动受到阻碍，从而使聚合物的玻璃化温度升高。三、不饱和聚酯树脂的基本配方是什么？各起什么作用？不饱和聚酯树脂的基本配方： 不饱和聚酯：主要成分 稀释剂：稀释作用（降低聚酯粘

10、度），参与树脂固化，如苯乙烯。 引发剂：分解产生自由基，引发树脂聚合（交联、固化），如BPO。 促进剂：诱导引发剂分解，加快树脂固化，如环烷酸钴。 其它成分：颜料、增稠剂、热塑性低收缩剂等。七、如何改善聚合物的耐热性能？产生交联结构（对于热固性树脂、有机硅树脂等，工艺条件影响聚合物的交联密度）。 增加高分子链的刚性（引进不饱和共价键或环状结构（脂环、芳环、杂环）、引入极性基团）。 提高聚合物分子链的键能，避免弱键的存在（例：以C-F键完全取代C-H键，可大大提高聚合物的热稳定性）。形成结晶聚合物，结晶聚合物的熔融温度大大高于相应的非结晶聚合物。八、简述不饱和聚酯树脂基体的组成、代表物质及作用。

11、主要成分：不饱和聚酯树脂，按化学结构可分为顺酐型、丙烯酸型、丙烯酸环氧酯型聚酯树脂。 辅助材料：交联剂、引发剂和促进剂 交联剂：烯类单体，既是溶剂，又是交联剂。能溶解不饱和聚酯树脂，使其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。常用的交联剂：苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、邻苯二甲酸二丙烯酯、乙烯基甲苯等。引发剂：一般为有机过氧化物，在一定的温度下分解形成游离基，从而引发不饱和聚酯树脂的固化。常用的引发剂：过氧化二异丙苯C6H5C(CH3)22O2、过氧化二苯甲酰(C6H5CO)2O2。 促进剂：把引发剂的分解温度降到室温以下。对过氧化物有效的促进剂：二甲基苯胺、二乙基苯胺、二甲基甲

12、苯胺等。对氢过氧化物有效的促进剂：具有变价的金属钴：环烷酸钴、萘酸钴等。九、简述不饱和聚酯树脂的固化特点。不饱和聚酯树脂的固化是放热反应，可分为三个阶段：胶凝阶段：从加入促进剂到不饱和聚酯树脂变成凝胶状态的时间，是固化过程最重要的阶段。影响胶凝时间的因素：阻聚剂、引发剂和促进剂的加入量，交联剂的蒸发损失，环境温度和湿度等。硬化阶段：从树脂开始胶凝到具有一定硬度，能把制品从模具上取下为止的时间。完全固化阶段：通常在室温下进行，可能需要几天至几星期。十一、简述金属基功能复合材料的应用。用于微电子技术的电子封装：基体主要是纯铝和纯铜，高含量碳化硅颗粒增强铝基（铜基）复合材料（SiCp/Al、Cu），

13、高模量石墨纤维增强铝基（铜基）复合材料（Cf/Al、Cu），金刚石颗粒或多晶金刚石纤维/铝（铜）复合材料，硼纤维/铝复合材料等。 用于耐电弧烧蚀的集电材料和电触头材料：碳（石墨）纤维、金属丝、陶瓷颗粒增强铝、铜、银及其合金等金属基复合材料。 用于耐腐蚀的电池极板材料：Cf/Al复合材料。用于耐磨零部件：碳化硅、氧化铝、石墨颗粒、晶须、纤维等增强铝、镁、铜、锌、铅等金属基复合材料。十二、如何改善陶瓷的强度？减少陶瓷内部和表面的裂纹：含有裂纹是材料微观结构的本征特性。微观夹杂、气孔、微裂纹等都能成为裂纹源，材料对表面裂纹（划伤、擦伤）也十分敏感。提高断裂韧性（KIC）：采用复合化的途径，添加陶瓷粒

14、子、纤维或晶须，引入各种增韧机制（增加裂纹的扩散阻力及裂纹断裂过程消耗的能量），可提高陶瓷的韧性。十三、简述氮化硅陶瓷的烧结方法及其特点。氮化硅陶瓷中，Si-N是高强度共价键，难以烧结。氮化硅陶瓷有两种烧结方法：1、反应烧结：硅粉、氮化硅粉混合预成型预氮化（1200）二次氮化（1350-1450）反应烧结氮化硅陶瓷。Si3N4形成时伴随21.7%的体积膨胀，获得无收缩烧结氮化硅。2、热压烧结：粉末状Si3N4、烧结助剂MgO（1wt%）等，在石墨坩埚中，通过感应加热、单向加压烧结（1650-1850，15-30MPa，1-4h）。MgO的作用：与SiO2膜作用生成熔融硅酸镁，使氮化硅高度致密化

15、。热压烧结氮化硅只能制备形状简单的（如圆柱形）实体坯件，其制品须经过机械加工才能达到要求的形状和尺寸。十四、玻璃纤维为何具有高强度？试讨论影响玻璃纤维强度的因素。玻璃的理论强度很高（2000-12000MPa），但是由于微裂纹的存在，产生应力集中，发生破坏，从而降低了玻璃的强度。玻璃纤维经高温成型时减少了玻璃溶液的不均一性，使得裂纹产生的机会减少；同时，玻璃纤维的横截面较小，微裂纹存在的几率也减少，导致玻璃纤维强度较高。影响玻璃纤维强度的因素：1、化学组成：不同的玻璃纤维（不同系统），强度有很大差别。一般来说，含碱量越高（K2O、PbO），玻璃纤维的强度越低。2、玻璃纤维的直径和长度：随着玻璃

16、纤维的直径和长度的减小，微裂纹的数量和尺寸相应地减小，从而提高了玻璃纤维的强度。3、存放时间：玻璃纤维存放一定时间后，由于空气中的水分对玻璃纤维的侵蚀，导致强度下降。4、施加负荷时间：玻璃纤维的拉伸强度随着施加负荷时间的增加而降低，当环境湿度较高时更加明显。原因：吸附在微裂纹中的水分，在外力作用下，加速微裂纹的扩展，从而导致强度降低。十五、简述玻璃纤维制造过程中浸润剂的作用。简述浸润剂的种类及其特点。浸润剂的作用：使玻璃纤维黏合集束；增加润滑、防止磨损；消除静电、防止玻璃纤维原丝粘结；保证拉丝和纺织工序的顺利进行。浸润剂的类型：1、纺织型浸润剂：主要成分：石蜡、凡士林、硬酯酸、变压器油、固色剂

17、、表面活性剂、水。能满足纺织加工的需要，但严重地阻碍树脂对玻璃布的浸润，影响树脂与玻璃纤维的粘结。含有石蜡乳剂的玻璃纤维及其制品使用时，要经过脱蜡处理。2、增强型浸润剂：主要成分：成膜剂（水溶性树脂和树脂乳液）、偶联剂、润滑剂、润湿剂、抗静电剂等。这类浸润剂对玻璃钢的性能影响不大，浸胶（浸润树脂）前不需要清除。这种浸润剂在纺织时易使玻璃纤维起毛，一般用于生产无捻粗纱、无捻粗纱织物及短切纤维、短切纤维毡。十六、简述聚丙烯腈基碳纤维的制造工艺。聚丙烯腈纤维的组成：丙烯腈（约96%）、丙烯酸甲酯（约3%）、亚甲基丁二酸（约1%-1.5%）。碳纤维的制造工艺分为三步：1、稳定化处理：氧化性气氛中、20

18、0-300。预氧化过程的目的：使链状聚丙烯腈分子发生交联、环化、氧化、脱氢等化学反应，形成耐热的梯形结构，以承受更高的碳化温度、提高碳化收率、改善力学性能。稳定化处理过程中先驱丝一直保持牵伸状态。2、预氧丝的碳化处理：在高纯惰性气氛和一定张力下，将预氧丝加热至1000-1500发生热分解，以除去非碳原子（N、H、O等），形成乱层石墨结构，生成碳含量约95wt%的碳纤维。 3、碳纤维的石墨化处理：在高纯氩气保护下，快速升温至2000-3000，碳纤维中残留的非碳原子进一步脱除，乱层石墨结构转化为类似石墨的结晶状态。对纤维继续施加牵伸力，使石墨晶体的六角层平面平行于纤维轴取向。十七、举例说明碳纤维

19、的应用。作为复合材料的增强体。航空、航天工业：主承力结构材料（机体、舱门、主翼、尾翼）；次承力构件（Cf/环氧树脂：起落架、发动机舱、整流罩）；防热材料（火箭喷嘴、鼻锥（Cf/C）。交通运输：汽车传动轴、构架，制造快艇、巡逻艇。运动器材：钓鱼竿、高尔夫球杆、网球拍、滑雪板、赛艇（Cf/环氧树脂）。例：碳纤维增强金属基复合材料：军事领域（Cf/Al复合材料：直升机、导弹、坦克、鱼雷）、人造卫星、天线等方面的应用；轴承和高速旋转电机电刷方面的应用（Cf/Cu、Cf/Ag、碳纤维/青铜等复合材料）；蓄电池极板的应用（Cf/Al复合材料）。例：碳纤维增强陶瓷基复合材料：碳纤维增强氧化硅，航空、航天工业

20、的候选材料，制作侦察卫星上支撑摄像机的平台。碳/碳复合材料：用作发动机叶片、防热板、火箭喷管喉衬以及导弹、航天飞机上的其它零部件。九、试述影响复合材料性能的因素。基体和增强材料（增强体或功能体）的性能；复合材料的结构和成型技术；复合材料中增强材料与基体的结合状态（物理的和化学的）及由此产生的复合效应。十、复合材料的界面具有怎样的特点？界面相的化学组成、结构和物理性能与增强材料和基体的均不相同，对复合材料的整体性能产生重大影响。界面具有一定的厚度（约几个纳米到几个微米），厚度不均匀。材料特性在界面是不连续的，这种不连续性可能是陡变的，也可能是渐变的。材料特性包括元素的浓度、原子的配位、晶体结构、

21、密度、弹性模量、热膨胀系数等。十一、什么是浸润？如何描述浸润程度的大小？试讨论影响润湿角大小的因素。浸润：固-气界面被固-液界面置换的过程，用于描述液体在固体表面上自动铺展的程度。固体表面的润湿程度可以用液体分子对其表面的作用力大小来表征，具体来说就是接触角。Young公式讨论了液体对固体的润湿条件：降低液-固表面能和液-气表面能或者增大固-气表面能有助于润湿。=0（lv=sv-sl），完全浸润；0sv-sl0），部分浸润；90（svsl），完全不浸润。影响接触角（润湿角）大小的因素：固体表面的原始状态，例：吸附气体、氧化膜等均使接触角增大。固体表面粗糙度增加将使接触角减小。固相或液相的夹杂、

22、相与相之间化学反应的产物都将影响润湿性。原因：夹杂或反应产物改变了固相的性质和固相的表面粗糙度。十二、如何改善基体对增强材料的润湿性？1、纤维表面处理：清除纤维表面的杂质、气泡、用化学方法去除纤维表面的氧化膜，或者表面涂层，这些操作都能增进液态基体对纤维的润湿性。2、变更基体成分：对于金属基复合材料，合金化改善润湿性最方便、有效。加入合金元素后，角的变化还与熔化时间有关。3、改变温度：一般，提高制造温度可以增加润湿性，但是，过高的温度会产生一些不利影响：基体严重过热、氧化、基体与增强材料在高温下发生化学反应、增强材料损伤等。4、增加液体压力：对于不润湿的情况，必须施加大于Pc（）的外压才能使液

23、体渗入纤维束。5、改变加工气氛：sv和lv值随气体性质的不同而变化，因此改变制造过程中的环境气氛可以控制液体与固体之间的润湿状况。固体或液体表面吸附某种气体，也可以改变sv或lv。十三、简述玻璃纤维表面化学组成、结构及反应性的特点。玻璃纤维整体化学组成包含Si、O、Al、Ca、Mg、B、F、Na等，但其表面只含有Si、O、Al。玻璃纤维的结构与块状玻璃相似：由三维空间的不规则连续网络构成，阳离子位于多面体中心，被一定数目的O2-包围，在玻璃内部阳离子与阴离子的作用力处于平衡状态。玻璃表面的阳离子不能获得所需数量的O2-，因而产生一种表面力，此表面力与表面张力、表面吸湿性密切相关，有吸附外界物质

24、的倾向。玻璃纤维表面会吸附多层水分子膜，表面吸附的水与玻璃组成的中的碱金属或碱土金属作用，在玻璃表面形成-OH基：Si-OD+H2OSi-OH+D+OH-（D：碱金属或碱土金属）玻璃纤维上所吸附的水具有明显的碱性，将进一步与二氧化硅网络反应：Si-O-Si+OH-Si-OH+Si-O-反应中生成的Si-O-将继续与水反应形成另外的OH-：Si-O-+H2OSi-OH+OH-这样，表面的吸附水就破坏了玻璃纤维中的SiO2网络结构，玻璃纤维成分中含碱量愈高，吸附水对SiO2骨架的破坏愈大，纤维强度下降就愈大。玻璃纤维表面的反应性主要是由表面明显的碱性和Si-OH基团所决定。Si-OH基团具有一般活

25、性基团所具有的反应性质，这种性质是纤维表面改性、改善纤维与树脂基体界面粘结的有利条件。十五、简述影响增强材料与基体粘结性能的因素。固-液复合过程中，固体表面与液体的浸润性。不同组分的分子或原子彼此相互接近时的状态，形成化学结合时相互作用的强弱。化学结合的形式（主价键结合：共价键、离子键、金属键等；次价键作用：静电作用、诱导力、色散力、氢键、分子间的扩散等）。十六、试讨论碳纤维/环氧树脂复合材料的界面反应。碳纤维表面含有氧原子，以羟基、羰基、羧基、内酯基形式存在，这些基团可以与树脂基体中的胺基、环氧基等基团形成氢键。但是，碳纤维表面的这些含氧基团的浓度很低，反应的活性点很稀少，需要通过表面改性以

26、减小碳纤维表面晶棱尺寸、增加表面积以及增加碳纤维表面含氧基团。例：碳纤维的氧化处理：氧含量显著增加，氧化过程分别产生羟基、羰基、羧基，并可能以环状官能团形式存在。胺固化的环氧树脂中的胺基能与碳纤维表面的羧基形成氢键，环氧基也能与羟基和羧基形成氢键，在过量单体和较高温度时，这些氢键就转变成共价键。十七、试讨论玻璃纤维增强混凝土中玻璃受到侵蚀的类型及其防护方法。中碱、无碱玻璃纤维在硅酸盐水泥水化物中受到侵蚀，导致玻璃纤维增强混凝土的抗拉强度大幅度下降，甚至丧失殆尽。 = 1 * GB3 化学侵蚀：水泥水化生成的Ca(OH)2与玻璃纤维的硅氧骨架之间发生化学反应生成水化硅酸钙，当水泥液相中有NaOH

27、、KOH存在时会加速反应。 = 2 * GB3 应力侵蚀：由于玻璃纤维表面存在缺陷，水泥水化生成的晶体可进入这些缺陷中，在缺陷端部造成应力集中并使缺陷扩展。防止水泥水化物对玻璃纤维侵蚀的措施： = 1 * GB3 改变玻璃纤维的化学组分。例：加入较多量的ZrO2可提高玻璃纤维的抗碱性。 = 2 * GB3 对玻璃纤维表面进行被覆处理，以隔绝水泥水化物对纤维的侵蚀。例：可用锆、钛、锌、铝等金属的水溶性盐对玻璃纤维进行处理；也可用抗碱性好的树脂（环氧树脂、呋喃）对玻璃纤维进行浸渍处理而后使之固化。 = 3 * GB3 使用水化物碱度低的水泥以减缓或防止对玻璃纤维的侵蚀。例：采用水化产物中Ca(OH

28、)2含量低的甚至无Ca(OH)2的水泥（高铝水泥、硫铝酸盐水泥）。十八、试讨论硼纤维-铝基复合体系的界面反应及其防护。B在高温下，除Ag、Cu、Sn、Be外，可以与其它金属发生反应生成不规则的结构，形成脆性的反应层。硼纤维和铝的界面反应由于渗入氧生成氧化物而发生破坏，即B2O3层的破坏。当铝的纯度较高时，在纤维上生成AlB2：Al+2BAlB2 2B+3OB2O3碳化硅涂层能使硼纤维具有突出的抗氧化性。因为硼接触不到铝，硼化物的形成完全被抑制。铝与硅不形成化合物，而铝与碳的反应在碳化硅存在的情况下，在热力学上是非常困难的。硼或铝穿过碳化硅移动的扩散系数在800K时非常小，2.5m的碳化硅层已足

29、以阻挡扩散。十九、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。二十、试讨论玻璃纤维的表面处理中偶联剂用量的确定及影响表面处理效果的因素。偶联剂的用量会影响最后处理效果，在实际应用中起偶联作用的是

30、偶联剂单分子层。过多地使用偶联剂是不必要和有害的。每种偶联剂的实际最佳用量，多数要从实验中确定。偶联剂用量也可采用计算法求得：100g给定被处理的增强材料的表面积，被1g硅烷偶联剂的最小涂覆面积除，即得该硅烷偶联剂在100g此种被处理材料上涂覆一单分子层时所需要的量。偶联剂在被处理材料表面上的涂覆并非只是单分子层，被处理材料单丝之间的间隙中往往比表面上含有更多的偶联剂，也不能保证偶联剂分子全部涂覆在被处理材料的表面上，所以，偶联剂的实际用量应高于上述计算值。影响处理效果的因素：处理方法的影响：不同的处理方法会影响处理效果。一般来说，前处理法的效果最为明显。烘焙温度的选择：温度过低不起反应，达不

31、到应有的偶联效果；温度过高会引起偶联剂分解和自聚等不良后果，以致严重影响偶联效果。烘焙时间的选择：烘焙时间应选择在一定烘焙温度下偶联剂与玻璃纤维表面的偶联反应能充分进行。随着烘焙时间的延长，被处理玻璃纤维的憎水性有所提高，但是处理时间过长生产效率就低。一般采用高温短时间的烘焙制度。处理液的配制及使用：直接影响处理效果，应该严格控制处理液的pH值，以抑制水解产物的自行缩合。在整个处理过程中，对处理液的pH值应不断调节。二十一、试述碳纤维的表面处理方法及作用效果：1、表面浸涂有机化合物：采用类似纺织中的浆纱工艺，在碳纤维表面涂覆含有反应性端基的树脂（羟端基的丁二烯/丙烯酸共聚物等），以改善碳纤维的

32、界面粘结性。2、表面涂覆无机化合物： = 1 * GB3 表面上沉积无定形碳：在高模量结晶型碳纤维表面加涂一层低模量无定形碳，无定形碳活性大，易与树脂浸润，提高界面粘结力，能显著提高碳纤维复合材料的层间剪切强度。 = 2 * GB3 加涂碳化物：用化学气相沉积（CVD）的方法加涂碳化物。3、表面化学处理： = 1 * GB3 臭氧氧化法：臭氧极易分解成一个氧分子和一个新生态活泼氧原子，氧化碳纤维表面的不饱和碳原子，生成含氧官能团。 = 2 * GB3 阳极电解氧化法：靠电解产生的新生态氧对碳纤维表面进行氧化和腐蚀，碳纤维表面被氧化腐蚀，使比表面积增大、化学基团增加。 = 3 * GB3 盐溶液

33、处理：先浸涂甲酸、乙酸、硝酸等的铜、铅、钴等盐类溶液，然后在空气或氧气中于200-600下氧化，使碳纤维表面粗糙而达到改善效果。一、简述陶瓷基复合材料的特点及制造步骤。陶瓷基复合材料的特点：Ef和Em的数量级相当；陶瓷基体的韧性有限；增强材料与陶瓷基体之间的热膨胀系数不匹配、化学相容性问题突出。陶瓷基复合材料的制造通常分为两个步骤：将增强材料掺入未固结（或粉末状）的基体材料中排列整齐或均匀混合；运用各种加工条件在尽量不破坏增强材料和基体性能的前提下制成复合材料制品。二、简述连续纤维增强陶瓷基复合材料的料浆浸渍-热压烧结工艺及其优、缺点。料浆浸渍-热压烧结工艺：纤维通过含有超细陶瓷基体粉末的料浆

34、使之浸渍，浸挂料浆的纤维缠绕在卷筒上，烘干、切割，得到纤维无纬布；纤维无纬布裁剪、铺层排列、热压烧结得到陶瓷基复合材料。浸渍料浆的组成：陶瓷基体超细粉末、溶剂（水或甲醇）、有机粘结剂，有时还加入促进剂和润湿剂（提高纤维在料浆中的浸润性）。料浆中的陶瓷粉体粒径应小于纤维直径，并能悬浮于料浆中；纤维应选用容易分散的、捻数低的束丝；所选用的粘结剂能够完全去除。料浆浸渍-热压烧结工艺的优点：烧结温度低、烧结时间短，所得制品的致密度高。可以制备纤维定向排列、低孔隙率、高强度的陶瓷基复合材料。料浆浸渍-热压烧结工艺的缺点：要求基体有较高的熔点或软化点。生产效率较低（适合单件和小规模生产），工艺成本较高。制

35、品垂直于加压方向的性能和平行于加压方向的性能差别明显。纤维与基体的比例较难控制，纤维不易在制品中均匀分布。三、简述晶须增强陶瓷基复合材料的先驱体转化法制造工艺及其优、缺点。先驱体转化法工艺流程：晶须、陶瓷微粉、有机先驱物、溶剂均匀混合预成型坯件（模压）先驱物热解成陶瓷基体（一定温度和气氛）陶瓷基复合材料。先驱体转化法的优点：成型容易，烧结温度低，工艺重复性高。先驱体转化法的缺点：制品气孔率高，收缩变形大。晶须增强陶瓷基复合材料制造工艺的问题：晶须比表面积大（晶须直径小、长径比大），与陶瓷基体的反应性高，容易簇聚，导致晶须与陶瓷基体粉末均匀混合困难。为此，进行晶须净化，晶须净化的方法：采用沉降技

36、术除去颗粒杂质。四、简述原位生长晶须增强陶瓷基复合材料的制造工艺及其优、缺点。原位生长晶须：陶瓷烧结的致密化过程中，通过化学反应，在陶瓷基体内生长出晶须（或高长径比的晶体），从而得到晶须增强陶瓷基复合材料。原位生长工艺的优点：原料廉价，对环境污染小；工艺简单，晶须生长按冷却方向择优取向，不存在生成的晶须与基体的相容性问题和热膨胀匹配的问题；可以制造形状复杂、大尺寸的产品；烧结过程中没有收缩，得到近净成型制品。原位生长工艺的缺点：难以制备完全致密的陶瓷基复合材料（增加热压工序可提高致密化程度）。例：自增强氮化硅陶瓷复合材料（Si3N4/Si3N4）氮化硅陶瓷在高压氮气气氛中烧结，生长出长径比达1

37、0:l的-Si3N4晶体。原位生长晶须示意图：在烧结助剂作用下，-Si3N4烧结过程中生长出-Si3N4晶须。当-Si3N4的生长速度约为-Si3N4的两倍时，-Si3N4的活化能是各向异性的，有生长成棒状（rodlike）-Si3N4晶体的趋势。五、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、杨氏模量高（三向织物制品的强度最高）；脆性大（断裂应变0.12%-2.4%），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（仅为金属的1/10-1/5），尺寸稳定；热导率高，并

38、可以调节；比热容高；抗热震因子大（为各类石墨制品的1-40倍）。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；烧蚀热高（材料烧蚀时带走大量的热，使传递到材料内部的热量减少），为内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（含有99%以上的碳，少量的氢和微量的金属元素）；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。六、简述陶瓷的增韧方法。1、晶须和纤维增韧：吸收能量。裂纹扩展受阻：当增强体（纤维或颗粒）的断裂韧性大于基体中某些区域的断裂韧性时，纤维受到的残余应

39、力为拉应力，具有收缩趋势，可以使基体裂纹压缩并闭合，阻止裂纹的扩展。纤维（或晶须）拔出：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。纤维（或晶须）桥联：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。桥联的纤维对基体产生使裂纹闭合的力，消耗外加载荷做功，从而增大材料的韧性。2、相变增韧：（shielding mechanism）在含有部分稳定的氧化锆粒子的氧化铝复合材料中：在裂纹尖端的应力区域，稳定的氧化锆（ZrO2+Y2O3）发生应力诱导的马氏体相变（一部分断裂能

40、量被用于应力诱发转移）：ZrO2 (t)ZrO2 (m)，产生约5%的体积膨胀和约16%的剪切变形（剪切变形由产生孪晶等方式抵消）。这种体积膨胀和切变，在裂纹尖端产生了一种封闭裂纹的应力，减少了集中在裂纹尖端的拉伸应力，使裂纹扩展困难，达到增韧效果。3、微裂纹韧化：（crack shielding mechanism）：吸收能量主裂纹扩展时，其尖端高应力区域容易产生微裂纹，微裂纹是产生膨胀应变的机理之一：在微裂纹产生之前，存在有局部的拉伸残余应力。微裂纹增韧机制适合于基体弹性模量较低的陶瓷基复合材料。4、非屏蔽机理：利用裂纹与材料间的相互作用消耗额外的能量，使断裂能量提高，对应力强度因子的贡献

41、很小，包括裂纹偏转（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，呈锯齿状扩展，从而使断裂路径增加）或裂纹弯曲（裂纹扩展时由于强化相的阻碍使得尖端路径弯曲，从而使测得的断裂韧性值提高）。8 什么是纳米复合材料？用一个具体实例说明制备纳米复合材料所面临的困难是什么，应如何解决？答：纳米复合材料是指尺度为1 nm一100 nm的超微粒经压制、烧结或溅射而成的凝聚态固体。它具有断裂强度高、韧性好，耐高温等特性。如溶液插层复合法制备纳米复合材料，方法是：将高分子聚合物链在溶液中借助于溶剂而插层进入层状硅酸盐片层之间，然后挥发除去溶剂，即可实现聚合物与硅酸盐在纳米尺度上的复合。但该方法需要合

42、适的溶剂来同时溶解高分子聚合物和硅酸盐，而且大量的溶剂不易回收，对环境不利。改进方法是将高分子聚合物加热到熔融状态下，在静止或剪切力的作用下直接插入到硅酸盐片层之间，制得纳米复合材料。该方法由于不使用溶剂，工艺简单，并且可以减少对环境的污染。9 设计制备某一复合材料制品的方案答：一种木塑复合材料的工艺过程及工艺条件如下：第一步将重量配比为3070份热塑性塑料、3070份植物纤维、5 10份聚烯烃与多单体固相接枝共聚物在高速混合机中预混合，温度3060 ，时间2030分钟；第二步将预混料加入到双螺杆挤出机中进行挤出，挤出机主螺杆转速 80150转，螺杆温度160200；第三步挤出产物经口模定型并

43、经水冷却、切粒，即得所述一种木塑复合材料。10 举出一个复合材料树脂体系的实例，并说明各组分的作用。答：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。1 ISO定义复合材料：是将两种或两种以上的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。2按照基体材

44、料不同分类：金属基复合材料，无机非金属基复合材料，聚合物基复合材料。按照材料作用分类：结构复合材料和功能复合材料。3 复合材料的基本性能：（1）可综合发挥各种组成材料的优点，使一种材料具有多种性能。（2）可按对材料性能的需要进行材料的设计和制造。（3）可制成所需任意形状的产品，可避免多次加工工序。4 复合材料的基本性能取决于：(1)增强材料的性能，含量及分布情况 （2）基体材料的性能及含量 （3）界面的结合情况 力学性能主要取决于1，2，3 导热，电，燃烧，耐自然老化，耐腐蚀性能主要取决于2，35 热固性树脂：树脂加热后产生化学变化，逐渐硬化成型，再受热也不软化，也不能溶解。热固性树脂其分子结

45、构为体型，它包括大部分的缩合树脂，热固性树脂的优点是耐热性高，受压不易变形。其缺点是机械性能较差。热固性树脂有酚醛、环氧、氨基、不饱和聚酯以及硅醚树脂等。经常是一次成型加工。热塑性树脂：可反复加热软化、冷却固化的一大类合成树脂（也包括常见的天然树脂）。它可反复成型加工。在反复受热过程中，分子结构基本上不发生变化，当温度过高、时间过长时，则会发生降解或分解。这些都是与热固性树脂相区别的特征。常用的热塑性树脂有：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酯、聚甲醛、聚酰胺、聚苯醚。6热塑性复合材料（FRTP）和热固性复合材料（FRP）注射成型工艺特点比较：（1）FRTP可以

46、反复加热塑化，物料的熔融和硬化完全是物理变化；FRP加热固化后不能再塑化，加热过程为不可逆反应。（2）FRTP受热时，物料由玻璃态变为熔融的粘流态，料筒温度要分段控制，其塑化温度应高于粘流温度，但低于分解温度；FRP在料筒加热时，树脂分子链发生运动，物料熔融，但接着发生化学反应，放热，加速化学反应过程。因此FRP注射成型的温度控制要比FRTP严格得多。（3）FRTP注射成型时，料筒的温度必须高于模具的温度，物料在模腔内冷却时会引起体积收缩，故需要相应的料垫传压补料，FRP注射成型时，料筒温度低于模具温度，物料在模腔内发生固化收缩的同时，也发生热膨胀，因此充模后不需要补料。料垫主要起传压作用，应

47、减少料垫，防止早期固化。7生产批量大，数量多及外形复杂的小产品（如机械零件，电工器材）多采用模压成型，对造型简单的大尺寸制品（浴盆，汽车部件）适宜采用SMC大台面压机成型，亦可采用手糊工艺生产小批量产品，对于压力管道及容器，则宜采用缠绕工艺，对于批量小大尺寸制品，如船体外壳，常采用手糊喷射工艺，对于板材和线性制品，可采用连续成型工艺。8 SMC是用不饱和聚酯树脂，增稠剂，引发剂，交联剂，低收缩添加剂，填料，内脱模剂，着色剂等混合成树脂糊浸渍短切玻璃纤维粗纱或玻璃纤维毡，并在两面用聚乙烯或聚膜包覆起来形成的片状模压成型材料。SMC的三大员：不饱和聚酯树脂，玻璃纤维，填料。9 手糊成型的优点：不受

48、产品的形状和尺寸的限制 设备简单，投资少，拆就费低 工艺简便 易于满足设计要求，可以在产品的任意部位增补增强材料 制品树脂含量高，耐腐蚀性好缺点：生产效率低，劳动强度大，条件差 产品质量不易控制，性能稳定性不高 产品力学性能较低 10 铺层控制：对于外形要求较高的受力制品，同一铺层纤维尽可能连续，切忌随意切断或拼接。设计原则：制品强度损失小，不影响外观质量和尺寸精度，施工方便。拼接形式有对接和搭接两种。 11 线型：连续纤维缠绕在芯模表面均匀排布型式。标准线缠绕：由于导丝头引入的纤维自芯模某点开始，导丝头经若干次往返运动后又回到原来的地点上的螺旋缠绕。S=M/N,S表示导丝头往返一次芯模的转数

49、，M表示一个完整循环芯模的转数，N表示一个完整循环导丝头转数，n表示一个完整循环的切点数，N=n 交叉点数（M-1）n 交带数M-1 筒身分为2n等分12纤维在芯模上均匀布满的条件：（1）一个完整循环的诸切点等分芯模转过的角度。（2）前一个完整循环与相继的后一个完整循环所对应的纱片在筒身错开的距离等于一个纱片宽度。 缠绕线型分为：环向缠绕，纵向缠绕，螺旋缠绕。13干法缠绕：预浸纱由专门浸渍设备制造，能严格控制纱带含胶量和尺寸，因此干法缠绕制品质量稳定，并可大大提高缠绕速度，设备清洁，条件好，由于需要配置胶纱浸渍设备，故投资较大。湿法缠绕：无需另外配置浸渍设备，对材料要求不严，便于选材，故比较经

50、济，纱片浸胶后马上缠绕，纱片质量不易控制和检验。胶液中存在大量的溶剂，故此时易产生气泡。缠绕过程中张力液不易控制。并对浸胶辊，张力辊等需要经常维护清洗，一旦发生纤维缠结将影响缠绕过程进行。14 模压件在模具内施压方向的选定应考虑哪些因素：1，有利于压力传递，应避免在加压过程中压力传递距离太长，造成压力损失太大。2，便于加料3，便于安装和固定嵌件4，保证压模的强度5，长型芯位于施压方向6，保证重要尺寸精度。15 模压成型模具设计应考虑哪些因素：1，复合材料的物理机械性能，如强度，刚度，韧性，弹性，导热性和吸水性等2，模压料的成型工艺性。如流动性，压缩性等3，制品在成型后的收缩率及各项收缩率差异。4，制品及模具形状应有利于物料充