复合材料知识点

复合材料知识点南开大学2017年攻读博士学位研究生入学考试试题知识点考试科目：复合材料科目代码：3111考试时间：月日（注：特别提醒所有答案一律写在答题纸上，直接写在试题或草稿纸上的无效！）1什么是复合材料，复合材料有哪些特点，并结合复合材料的特点说明其应用领域广泛的原因。答：复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同作用，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足不同的要求。复合材料的特点：A典型的复合材料是在一个特定的基体中，填充有一种或多种填充体；B既能保留原组分或材料的主要特色，并通过复合效应获得原组分所不具备的性能；C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6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？答：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：热塑性树脂一柔韧性大，脆性低，加工性能好，但刚性、耐热性、尺寸稳定性差。热固性树脂一刚性大，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：热塑性树脂一受热软化或熔融，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。热固性树脂一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。三、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。四、 简述不饱和聚酯树脂基体的组成、代表物质及作用。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）2]2O2、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、二甲基甲苯胺等。对氢过氧化物有效的促进剂：具有变价的金属钻：环烷酸钻、萘酸钻等。五、 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，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），以改善碳纤维的界面粘结性。2、 表面涂覆无机化合物：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。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：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。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。盐溶液处理：先浸涂甲酸、乙酸、硝酸等的铜、铅、钻等盐类溶液，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。二、 基体的作用主要包括以下四个部分①将纤维粘合成整体并使纤维位置固定，在纤维间传递载荷，并使载荷均衡；②基体决定复合材料的一些性能。③基体决定复合材料成型工艺方法以及工艺参数选择等。④基体保护纤维免受各种损伤。三、 芳纶纤维的结构及性能⑴化学结构a大共轭的苯环难以内旋转，大分子链-线型刚性伸直链-高强度，高模量b酰胺基-极性，H可与另一分子链的羰基形成氢键-梯形聚合物-良好规整性-高度结晶性纺丝-向列型液晶态，聚合物呈一维取向有序排列，成纤时，易沿作用方向取向c单斜晶系。d具有微纤结构，皮芯结构，空洞结构等不同形态的超分子结构。⑵力学性能--拉伸强度高，单丝3773MPa,是Al的5倍。⑶热稳定性：良好，耐火而不熔，4871不熔化，但开始碳化，高温下，直到分解不发生变形，180^长期使用热膨胀系数各向异性⑷化学性能良好的耐介质性能，对中性化学药品的抵抗力一般是很强的，但易酸腐蚀耐水性不好-酰胺基六、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：（shieldingmechanism）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：（crackshieldingmechanism）: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）。六、 增韧机理有裂纹偏转、裂纹的桥联、纤维脱粘与拨出、颗粒增韧等。五复合效应线性平均效应平行效应相补效应相抵效应非线性相乘效应诱导效应共振效应系统效应七、 增强的原则（1）颗粒应高度弥散均匀地分散在基体中，使其阻碍导致塑性变形的位错运动（金属、陶瓷基体）或分子链的运动（聚合物基体）。（2）颗粒直径的大小要合适。因为颗粒直径过大，会引起应力集中或本身破碎，从而导致材料强度降低；颗粒直径太小，则起不到大的强化作用。因此，一般粒径为几微米到几十微米。（3）颗粒的数量一般大于20%。数量太少，达不到最佳的强化效果。（4）颗粒与基体之间应有一定的粘结作用。（1）纤维的强度和模量都要高于基体，即纤维应具有高模量和高强度，因为除个别情况外，在多数情况下承载主要是靠增强纤维。（2）纤维与基体之间要有一定的粘结作用，两者之间结合要保证所受的力通过界面传递给纤维。（3）纤维与基体的热膨胀系数不能相差过大，否则在热胀冷缩过程中会自动削弱它们之间的结合强度。（4）纤维与基体之间不能发生有害的化学反应，特别是不发生强烈的反应，否则将引起纤维性能降低而失去强化作用。（5）纤维所占的体积、纤维的尺寸和分布必须适宜。—般而言，基体中纤维的体积含量越高，其增强效果越显著；纤维直径越细，则缺陷越小，纤维强度也越高；7举例说明什么是功能型复合材料，简述功能复合材料的特点，它与结构型复合材料的区别及功能型复合材料的发展趋势。答：功能复合材料就是除力学性能以外，还提供其他物理性能，并包括部分化学和生物性能的复合材料。如：导电、超导、半导、磁性、压电、阻尼、吸声、屏蔽、阻燃、防热等功能。举例：导电复合材料可用作阳极材料、发热元件、传感器等；磁性复合材料可用作永磁电机、磁性开关和信息记录等；阻尼功能复合材料可减振降噪。功能复合材料的特点：1）应用面宽；2）研制周期短；3）附加值高；4）小批量，多品种；5）适于特殊用途。结构复合材料主要作为承力结构使用的材料，由能承受载荷的增强体组元（如玻璃、陶瓷、高聚物、金属、天然纤维和颗粒等）与能联结增强体成为整体材料同时又起传力作用的基体组元（如树脂、金属、陶瓷、和水泥等）构成。功能材料是指除力学性能以外还提供其它物理、化学、生物等性能的复合材料。包括压电、导电、雷达隐身、永磁、光致变色、吸声、阻燃、生物自吸收等种类繁多的复合材料。功能复合材料的发展趋势：①由单功能向双功能、多功能化发展；②由功能向机敏、智能化方向发展；③功能--承力一体与轻量化；④功能体的高性能化与微细化；⑤使用性能的稳定性与长寿命；⑥高精确度的设计技术与设计制造一体化；⑦无余量成型与低成本制造技术。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1nm一100nm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。六、 什么是玻璃钢？其特点是什么？玻璃纤维作为增强材料，热固性塑料作为基体的纤维增强塑料，俗称玻璃钢。主要有玻璃纤维增强玻环氧树脂、璃纤维增强酚醛树脂、玻璃纤维增强聚酯树脂。具有如下优点：（1）GFRP的突出特点是比重小、比强度高。（2）良好的耐腐蚀性。（3）良好的电绝缘材料。（4）具有不受电磁影响特性。（5）保温、隔热、隔音、减振等性能。当然，这种材料最大的缺点是刚性差、耐热性不如金属和陶瓷材料、导热性也很差、易老化等。七、 玻璃纤维增强热塑性塑料都有哪些？玻璃纤维（长纤维或短纤维）作为增强材料，热塑性塑料（包括聚酰胺、聚丙烯、聚乙烯、ABS树脂、聚甲醛等）作为基体的纤维增强塑料。与热固性材料相比更轻、比强度高，蠕变性大大改善。（1）玻璃纤维增强聚丙烯（2）玻璃纤维增强聚酰胺（3）玻璃纤维增强聚苯乙烯类塑料（4）玻璃纤维增强聚碳酸酯（5）玻璃纤维增强聚酯（6）玻璃纤维增强聚甲醛（7）玻璃纤维增强聚苯醚九、复合材料的材料设计是什么？（1）原料选择与复合材料性能原材料选择原则a比强度、比刚度的原则b材料与结构的使用环境相适应的原则c满足结构的特殊性能要求的原则d满足工艺性要求的原则e性价比高的原则纤维选择：根据结构的功能选取能满足一定的力学、物理和化学性能的纤维树脂选择要求：a要求基体材料能在结构使用温度范围内工作b要求基体材料具有一定的力学性能c要求基体的断裂伸长率大于或接近纤维的断裂伸长率d要求基体材料具有满足使用要求的物理、化学性能。e要求具有一定的工艺性⑵单层性能的确定：通常需要实验来测定①单层树脂含量的确定:据单层的功能来确定②刚度的预测可依公式而定③强度的预测公式（3）复合材料层合板设计即按照单层的性能确定层合板中各铺层的取向，铺设顺序，各定向层相对于总层数的百分比和总层数三、 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。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。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。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。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。十、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。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。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。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、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：coslvsvsly0YY?=-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=0?（Ylv=YSv-Ysl）,完全浸润；0?<0<90?（Ylv>ysv-Ysl>0），部分浸润;0>9O?（ysv<ys1），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、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。十四、简述复合材料的界面结合类型及其特点。1、机械结合：增强材料与基体之间仅依靠纯粹的粗糙表面相互嵌入（互锁）作用进行连接（摩擦力），没