第十一章-复习题解答

第十一章复习题1、何谓复合材料？它有何独到之处？复合材料是指由两种或两种以上不同性质的材料，通过不同的工艺方法人工合成的，相材料。各组分间有明显界面且性能优于各组成材料的多为满足性能要求，人们在不同的非金属之间、合”，使其既保持组成材料的最正确特性，同时又具有组合后的新特性。有些性能往往超过各组成材料的性能的总和，从而充分地发挥了材料的性能潜力。“复合”已成为改复合材料已引起人们的重视，新型复合材料的研制和应用也愈金属之间以及金属与非金属之间进行‘复善材料性能的一种手段，来愈广泛。2、复合材料的类型有几种？1,复合材料种类很多，按照基体材料可将复合材料分为两类①非金属基复合材料，它又可分为：无机非金属基复合材料，如陶瓷基、水泥基复合材料等；有机材料基复合材料，如塑料基、橡胶复合材料。②金属复合材料，如铝基、铜基、镍基、钛基复合材料等。2．按照增强材料可将复合材料分为三类①纤维增强复合材料。如纤维增强塑料、纤维增强橡胶、纤维增强陶瓷、纤维增强金属等。②粒子增强复合材料。如金属陶瓷、烧结弥散硬化合金等。③叠层复合材料，如双层金属复合材料〔巴氏合金一钢轴承材料〕、三层复合材料〔钢一铜一塑料三层复合无油滑动轴承材料〕以纤维增强复合材料发展最快、应用最广。。在这三类增强材料中，3、单向复合材料？单向复合材料连续纤维在基体中呈同向平行排列的复合材料，又叫单层连续纤维增强复合材料。4、耦合效应？在偏轴方向上的正应变可引起切应力，切应变会引起正应力。反之亦然。这种现象称为耦合效应。耦合效应存在在偏轴方向上应力-应变关系中，具体反映在刚度系数上，这种耦合效应使复合材料呈现出复杂的力学行为。5、九个基本力学性能指标？各向异性的单向复合材料与各向同性材料不同，强度都随方向而改变，有五个特征强度值：纵向拉伸强度、横向拉伸强度、纵向压缩强度、横向压缩强度和面内剪切强度。四个特征弹性常数：纵向弹性模量、横向弹性模量、主泊松比和剪切弹性模量。6、单向复合材料的强度预测精度远没有到达弹性常数的水平的原因？是因为强度对结构缺陷较敏感，与材料的破坏机理密切相关。复合材料复杂的破坏机理和工艺过程都影响其最终的强度值。而弹性常数则与这些因素无关。7、层合板的力学性能取决于那些因素？层合板的力学性能不仅取决于单层板的性能和叠加厚度，和顺序。而且取决于铺层的方向、层数8、一般的非对称层合板应力一应变关系有什么特点？一般层合板不具有中面对称性，在面内力、弯矩或二者同时作用下将呈现复杂的变形行为。所以一般的非对称层合板，在面内力作用下不仅产生面内变形，而且产生弯曲变形；而在弯矩作用下，不仅产生弯曲变形，还要产生面内变形。面内和弯曲的耦合效应是层合板变形的一个重要特点。9、判断层合板材料失效与否可使用那些破坏理论？

判断层合板材料失效与否，必须用最大主应力〔或最大主应变〕与材料的强度〔或断裂应变〕相比较。其中主应力和主应变是在给定应力状态应变〕的极值，与材料性质无关；而材料强度则与应力方向无关。目前，几种应用比较广泛的破坏理论：最大应力理论、最大应变理论、最大畸变能理论、二次方程破坏理论、最先层破坏理论。〔或应变状态〕下的应力〔或10、多向层合板基本破坏机制有几种？多向层合板基本破坏机制有四种坏机制的结合都会引起复合材料损伤，料性能、成型工艺〔包括铺层次序〕和载荷的类型等。:基体开裂、层间脱粘、纤维断裂和界面脱粘。任何破使复合材料强度和刚度下降。损伤程度取决于材11、复合材料有那些共同的力学性能指标？种类的复合材料却有一些相同的性能特点。1．比强度和比模量高２．良好的抗疲劳性能３．破断安全性好４５．减震性能好复合材料虽然种类繁多、性能各异，但不同.优良的高温性能12、纤维增强复合材料的增强机制是什么？为到达强化目的，必须满足那些条件增强复合材料的增强机制：纤维增强复合材料是由高强度、高弹性模量的连续〔长〕纤维或不连续〔短〕纤维与基体〔树脂或金属、陶瓷等〕复合而成。复合材料受力时，高强度、高模量的增强纤维承大部分载荷，而基体主要作为媒介，传递和分散载荷。为到?纤维达强化目的，必须满足以下条件：①增强纤维的强度、弹性模量应远远高于基体，以保证复合材料受力对主要由纤维承受外加载荷。②纤维和基体之间应有一定结合强度，纤维的纤维和基体之间不能发生纤维和基体的热膨胀系数应匹配，不能相差过大，否这样才能保证基体所承受的载荷能通过界面传递给纤维，并防止脆性断裂。③排列方向要和构件的受力方向一致，才能发挥增强作用。④使结合强度降低的化学反应。⑤则在热胀冷缩过程中会引起纤维和基体结合强度降低。⑥纤维所占的体积分数、纤维长度Ｌ和直径ｄ及长径比Ｌ/ｄ等必须满足一定要求。一般是纤维所占的体积分数愈高、纤维愈长、愈细，增强效果愈好。14、纤维增强复合材料断裂过程/机理？断裂过程主要是纤维断裂和脱粘、纤维拔出、基体微裂纹和平行于纤维的基体裂纹等因素引起的内层裂纹〔分层〕材料结构承载能力的下降，并且在循环载荷作用下会迅速扩展。15、简述复合材料的疲劳损伤机理？。它们将造成复合纤维增强聚合物基复合材料〔层合板〕在交变载荷作用下，呈现出非常复杂的破坏机理，可以相继或同时发生普及整个试样的四种疲劳损伤机理：基体开裂、分层、界面脱胶和纤维断裂。这四种疲劳损伤及其任何组合均可导致复合材料疲劳强度和疲劳刚度的下降。这些损伤的形式和程度与复合材料的材料性能、层合板的铺层以及疲劳载荷类型等因素直接相关。伤的种类及其扩展与静载荷作用下情况两者既类似又区别，展特点。一般情况下，复合材料在疲劳载荷作用下损更有自己的疲劳损伤扩16、材料中那些参数对复合材料冲击性能造成重要影响？纤维方向/铺层结构/界面强度17、复合材料在载荷作用下可能通过哪些途径吸收外界能量？材料承受静载荷或冲击载荷时，它能以两种基本机理吸收能量，即材料变形和形成新的外表。此外复合材料还具有五种能量吸收机理：〔l〕纤维断裂虽然纤维是使复合材料具有高强度的主要原

因，但纤维断裂吸收的能量在材料断裂吸收的总能量中仅占一个很小的比例。变形和开裂〔3〕纤维脱胶〔4〕纤维拔出〔5〕分层裂纹〔2〕基体18、单向复合材料的力学特征？单向复合材料的特征是在纤维方向上具有较高的强度和模量，而在横向通常是很弱的。19、制造各向同性层合板的有效方法？随机取向的短纤维作为增强组分20．短纤维复合材料增强原理是什么？应力时应力会从基体传向纤维。制造各向同性层合板中铺层的有效方法是使用。如果纤维被基体完全包围住，在界面能够传递如果纤维与基体相结合良好，基体中的任何位移都将传递到纤维上，而纤维的刚度比基体大，则纤维将对基体起约束作用，材料的刚度就会上升。这就是短纤维复合材料增强原理。在实际的材料中由于纤维与基体的结合不是理想的，因此纤维对基体的约束程度和增强效果取决于界面的强度。同样，如同连续纤维体系一样，增强效果还与纤维含量、纤维长径比和取向有关。21、复合材料中常见的界面结合类型有几种，它们是如何产生的？分别受到那些因数影响？那么如何改善界面结合强度呢？机械结合是由纤维外表粗糙度引起的。本质上界面结合：机械、物理或化学三类。也会由于热收缩或固化时的体积变化等树脂基体的收缩引起的径向压应力导致机械结合。当受到沿纤维方向的剪切力时，由于机械结合使得纤维和基体形成摩擦对。但温度升高或者基体吸水，或者基体粘弹性松弛，则纯粹的摩擦结合将急剧减小。互作用而得以加强，则形成物理结合，且对剪切力和横向拉伸应力都将有效。如果纤维和基体树脂之间化学键合则引起的化学结合，它是最有效的结合形式。玻璃纤维本身并不与聚合物发生化学键合，只有使用复杂的偶联剂，在纤维与基体之间搭桥才能实现化学结合。这些偶联剂一般都以具有双重功能的硅烷为基础。在玻璃纤维增强塑料的体系如果基体能较好地润湿纤维，或者摩擦‘结合”能通过偶极相中偶联剂和纤维外表涂油剂的工艺对复合材料的性能是至关重要的，基体有较好的相容性，简单的外表氧化处理便能获得合适的界面结合。而碳纤维与聚合物22、简述SFC的断裂过程SFC的断裂过程：复杂且受到纤维长度和取向分布、纤维一基体界面强度和基体本身延性、缺口敏感性等因素影响。基体中的微观破坏〔裂纹、微裂纹、应变带〕积累导致刚度减小，最终在被急剧削弱的截面上发生断裂。开始时载荷是由一部分排列在主应力方向上纤维和基体共同承担，应变升高后，在主应力方向上纤维的端部以及不在此方向上的纤维外表开始破坏，并随着应变上升，破坏不断积累，使破坏的复合材料残余强度由连接破坏区的纤维决定，载荷不断地向那些连接纤维传递，直至在外加应力下最弱的截面开裂。23、可通过那些途径控制短纤维复合材料的性能？短纤维复合材料的力学和物理性能受基体和增强体的组成、制。增强体几何尺寸、基体与增强体之间的界面性质等因素控1．基体选择基体必须适合制备工艺过程又要满足使用性能，以到达力学性能中刚度、强度和韧性之间的最正确平衡。2．增强材料最常见的增强体是玻璃，碳〔石墨〕纤维或芳族聚酰胺纤维。同时要针对不同基体和增强体设计选择合适的偶联剂。3．其他添加剂

基体的性能可使用增韧剂、填充剂和弹性相来改变。增韧剂的分子量相对较小，用来增加聚合物的延性，提高可加工性。但它们往往降低了刚度和玻璃化温度。它们的作用与纤维增强相反，因此对增强体系不利。须控制用量。总的说来，24、短纤维复合材料的力学性能主要那些指标，它们分别受到那些因数影响及其影响规律？力学性能主要指：刚度、延性、强度、韧性、疲劳与蠕变等。影响短纤维增强材料力学性能的参数特别多：①纤维的刚度及其强度、纤维体积分数、长径比和取向分布。②当纤维含量低时，基体加入其他添加剂〔如颗粒填充物、弹性分散体、增塑剂〕后对性能也有明显影响。③界面的本质可决定增强效果及对环境的抗力，如在高温下以及化学侵蚀条件下的性能。例如，加入短纤维后大大增加了刚度，显著提高了强度，延性却下降了，对韧性的影响更微妙一些，它受加载条件和测量方式的影响。短纤维体系显示出对冲击破坏较高的抗力，其测得的断裂韧性较高。通常对高温强度和刚度及对环境的抗力及因纤维而增强。商用增强体系的最终性能需综合考虑，在刚度和强度与韧性、可加工性和其他因素间寻找一平衡点。〔1〕刚度纤维增强最直接的效果是提高刚度。影响因素有纤维刚度、体积分数和长度及取向分布。〔2〕延性实质上所有聚合物体系在加人坚硬的填充物后，不管是颗粒还是纤维，均会引起拉伸延性的显著下降。大体积分数的坚硬填充物的存在阻止了基体中由剪切带和冷拉造成的流变，同时颗粒在基体中引起应力集中，使微裂纹更易萌发。流变被阻止后意味着裂纹将以更脆性的方式扩展。假设纤维体积分数更高，刚度更大〔如碳纤维〕明显。延性下降对韧性、阻尼、抗拉强度都不利。〔3〕强度外力是通过基体承担。基体中由于加入了非连续纤维而强度提高，从而提高了基体的屈服应力，，则这种效果越短纤维复合材料承受它们阻止了流变过程，并像障碍一样使得断裂途径在截面内沿一条长而又要避开纤维的途径发展。同时纤维又使内部应力升高，成为裂纹形成点，因此有两种相反的效应：一方面纤维阻碍流变，延长断裂途径有利增强；另一方面使基体变脆并引发裂纹，不利增强。因此为获得强度最大程度的升高，必须使纤维与基体结合良好，否则裂纹易在界面处形成，脆化作用更明显。当界面结合较弱对，刚度、强度、延性和冲击性能均下降。〔4〕韧性纤维的增强和增韧非常复杂，甚至相互矛盾。纤维在加入基体后，在断裂过程中引入了多种附加的能量吸收方式，使得情况更为复杂，其中包括由于避开纤维而造成的断裂途径延长，纤维一基体界面脱粘和纤维拔出等过程可提高断裂过程中的能量吸收，从而提高韧性。一般来讲，纤维越长增韧效果越好。在高纤维体积分数体系中由于强度和刚度的提高，附加的能量吸收方式得以实现，因此上述性能均得以提高。但在低纤维分数体系中由于纤维的内部缺口效应，冲击能和断裂韧性会下降。〔5〕