复合材料习题

第四章

一、判断题：判断以下各论点的正误。

1、基体与增强体的界面在高温使用过程中不发生变化。（）

2、比强度和比模量是材料的强度和模量与其密度之比。（）

3、浸润性是基体与增强体间粘结的必要条件，但非充分条件。（）

4、基体与增强体间界面的模量比增强体和基体高，则复合材料的弹性模量也越高。（）

5、界面间粘结过强的复合材料易发生脆性断裂。（）

6、脱粘是指纤维与基体完全发生分离的现象。（）

7、混合法则可用于任何复合材料的性能估算。（）

8、纤维长度l二、选择题：从A、B、C、D中选择出正确的答案。

1、复合材料界面的作用（B）

A、仅仅是把基体与增强体粘结起来。

B、将整体承受的载荷由基体传递到增强体。

C、总是使复合材料的性能得以改善。

D、总是降低复合材料的整体性能。

2、浸润性（A、D）

A、当sl+lvsv时，易发生浸润。C、接触角=0时，不发生浸润。

D、是液体在固体上的铺展。

3、增强材料与基体的作用是（A、D）

A、增强材料是承受载荷的主要组元。

B、基体是承受载荷的主要组元。

C、增强材料和基体都是承受载荷的主要组元。

D、基体起粘结作用并起传递应力和增韧作用。

4、混合定律（A）

A、表示复合材料性能随组元材料体积含量呈线性变化。

B、表示复合材料性能随组元材料体积含量呈曲性变化。

C、表达了复合材料的性能与基体和增强体性能与含量的变化。

D、考虑了增强体的分布和取向。

5、剪切效应是指（A）

A、短纤维与基体界面剪应力的变化。

B、在纤维中部界面剪应力最大。

C、在纤维末端界面剪应力最大。

D、在纤维末端界面剪应力最小。

6、纤维体积分量相同时，短纤维的强化效果趋于连续纤维必须（C）

A、纤维长度l=5lc。

B、纤维长度l<5lc。

C、纤维长度l=5-10lc。

D、纤维长度l>10lc。

7、短纤维复合材料广泛应用的主要原因（A、B）

A、短纤维比连续纤维便宜。

B、连续纤维复合材料的制造方法灵活。

C、短纤维复合材料总是各相同性。

D、使短纤维定向排列比连续纤维容易。

8、当纤维长度l>lc时，纤维上的平均应力（A、C）

A、低于纤维断裂应力。

B、高于纤维断裂应力。

C、正比于纤维断裂应力。

D、与l无关。

三、氧化铝纤维和SiC纤维的密度分别为3.3g/cm3和2.6g/cm3，若对这两种纤维进行拉伸试验，在拉伸试验中直到纤维失效时的变形为弹性变形，平均拉伸强度和失效应变氧化铝纤维为1500MPa和0.4%，SiC纤维为2300MPa和1.0%。计算这两种纤维的比模量和比强度。

解答：比模量GPa/(g/cm3)：氧化铝纤维113.6；碳化硅纤维88.5。

比强度MPa/(g/cm3)：氧化铝纤维454.5；碳化硅纤维884.6。

四、直径7m、长度2mm的碳纤维单向增强聚碳酸脂基体，纤维的拉伸强度和纤维与基体的界面强度分别为2.5GPa和12.5GPa。计算(1)临界纤维长度lc和(2)长度方向复合材料的拉伸强度。

解答：(1)lc=0.7mm；(2)843MPa。

五、采用XDTM法制备TiC/Al，为什么需要采用(1)一定粒度的Ti、Al和碳粉；(2)按一定量比例进行混合后，压制成预制体；(3)加热至一定反应温度?采用XDTM法可以制备出Al4C3/Ti或TiC/Al4C3/Al吗?为什么?

解答：从Ti、Al、C的互相反应热力学去考虑。

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。

七、根据下图，讨论为什么在相同体积含量下，SiC晶须增强MMC强度（抗拉与屈服强度）均高于颗粒增强MMC，而这两者的弹性模量相差不大。

解答：从混合定律及晶须与颗粒的强度与模量考虑。

八、已知1400℃时Al2O3的氧扩散渗透率为310-10g/cm·s，密度为1.9g/cm3，厚度为20cm的C/C涂覆Al2C3后在1400℃、100小时后的氧化失重率为1%，计算此时Al2O3涂层至少应需的厚度为多少?（式中，当C/C中碳氧化为CO，K=0.75）

解答：R为C/C复合材料的氧化速率，单位：%/h；K为常数，当C/C复合材料中碳氧化生成CO，K=0.75；为C/C复合材料的体密度，单位为g/cm3；x为C/C复合材料构件截面厚度的1/2，单位为cm；h为涂层厚度，单位为cm；M为涂层的氧扩散渗透率，单位为g/cm·s。

4.26m。

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：

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；0<<90（lv>sv-sl>0），部分浸润；>90（sv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），没有化学作用。

影响机械结合的因素：增强材料与基体的性质、纤维表面的粗糙度、基体的收缩（正压力）有利于纤维箍紧。

2、溶解与浸润结合：在复合材料的制造过程中，由单纯的浸润和溶解作用，使增强材料和基体形成交错的溶解扩散界面，是一种次价键力的结合。（当基体的基团或分子与增强材料表面间距小于0.5nm时，次价键力就发生作用。次价键力包括诱导力、色散力、氢键等。）

形成溶解与浸润结合的基本条件：增强材料与基体间的接触角小于90，增强材料与基体间有一定的溶解能力。

3、反应界面结合：基体与增强材料间发生化学反应，在界面上形成新的化合物、以主价键力相互结合。这是一种最复杂、最重要的结合方式。

反应结合受扩散控制，扩散包括反应物质在组分物质中的扩散（反应初期）和在反应产物中的扩散（反应后期）。要实现良好的反应结合，必须选择最佳的制造工艺参数（温度、压力、时间、气氛等）来控制界面反应的程度。

界面反应层是非常复杂的组成，有时发生多个反应，产生交换反应结合。界面的反应产物大多是脆性物质，达到一定厚度时，界面上的残余应力可使其发生破坏，因此，界面结合先随反应程度提高而增加结合强度，但反应达到一定程度后，界面结合有所减弱。

4、混合结合：上述界面结合方式的混合，实际情况中发生的重要的界面结合形式。

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。

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、KOH存在时会加速反应。

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：

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。

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。

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)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、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。