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1、复合材料复习重点一、复合材料的定义，命名及分类1. 什么是复合材料？特点？用经过选择的、含一定数量比的两种或两种以上的不同性能、不同形态的组分（或称组元）材料通过人工复合组合而成的多相、三维结合且各相之间有明显界面的、具有特殊性能的材料。它既保持了原组分的主要特点，又显示了原组分材料所没有的新性能。复合材料应具有以下三个特点：（1） 复合材料是由两种或两种以上不同性能的材料组元通过宏观或微观复合形成的一种新型材料，组元之间存在着明显的界面。（2） 复合材料中各组元不但保持各自的固有特性而且可最大限度发挥各种材料组元的特性，并赋予单一材料组元所不具备的优良持殊性能。（3） 复合材料具有可设计性。
2、2. 复合材料的分类、命名和各有什么特点？高性能复合材料按基体材料的性质分为两类：金属基复合材料（metal matrix composite,MMC）金属基复合材料相对于传统的金属材料来说，具有较高的比强度与比刚度；而与树脂基复合材料相比，它又具有优良的导电性与耐热性；与陶瓷基材料相比，它又具有高韧性和高冲击性能。聚合物基复合材料(polymer matrix composite,PMC)1、具有较高的比强度和比模量（刚度）；2、耐疲劳性能好；3、减震性能好；4、过载时安全性好；5、高温性能好；6、可设计性强、成型工艺简单。陶瓷基复合材料（ceramic matrix composite,C
3、MC）3. 复合材料发展经过了几代？第一代复合材料(玻璃纤维增强塑料)；第二代复合材料(碳纤维增强塑料)；第三代复合材料（纤维增强金属基复合材料）；第四代复合材料（多功能复合材料）4. 复合材料界面如何定义？界面特点？复合材料的界面是指基体与增强体之间化学成分有显著变化的、构成彼此结合的、能起载荷传递作用的微小区域。界面特点：i)非单分子层，其组成、结构形态、形貌十分复杂、形式多样界面区至少包括：（1） 基体和增强体的部分原始接触面； （2） 基体与增强体相互作用生成的反应产物，此产物与基体及增强体的接触面；（3） 基体和增强体的互扩散层；（4） 增强体上的表面涂层；（5） 基体和增强体上的氧
4、化物及它们的反应产物之间的接触面等。ii)具有一定厚度的界面相（层），其组成、结构、性能随厚度方向变化而变化，具有“梯度”材料性能特征iii)界面的比表面积或界面相的体积分数很大（尤其是纳米复合材料），界面效应显著：复合材料复合效应产生的根源。5. 界面强度对复合材料的影响？界面结合强度过高或过低都不利，适当的界面结合强度才能保证复合材料具有最佳的抗张强度。一般情况下，界面结合强度越高，沿纤维方向的剪切强度越大：在交变载荷作用下，复合材料界面的松脱会导致纤维与基体之间摩擦生热加剧破坏过程：因此就改善复合材料的疲劳性能而言，界面结合强度稍强一些为好。6. 金属基复合材料的界面类型有哪些？二、基体
5、材料及特点1. 聚合物的玻璃化温度Tg怎么定义？低于或高于此温度对应什么状态？当一块玻璃冷却到熔点温度以下时,在某一温度范围内它仍是塑性的,但冷却到某个温度时，发生玻璃硬化，此温度即Tg.。(1)玻璃态。当温度较低时(Tg时，分子的动能增加，使链段的自由旋转成为可能，此时试样的形变明显增加，在这一区域中，试样变成柔软的弹性体，称为高弹态。高弹态时，弹性模量显著降低105Pa，外力除去后变形量可以回复，有明显的时间依赖性。(3)黏流态。温度高于Tf(黏流温度)后，在外力作用下极易发生分子链间的相对滑动，产生很大的不可逆形变，出现高分子的粘性流动，称为黏流态。黏流态主要与大分子链的运动有关，分子链
6、越长，分子间的滑动阻力越大，黏度越高， Tf也高。2. 热固性和热塑性树脂的区别？热固性树脂是指在热和化学固化剂等的作用下，能发生交联而变成不溶不熔状态的树脂。由于成型时线型分子链间产生严重交联而形成了三维网状结构，因而具有较高的硬度和弹性模量，但弹性低，脆性大，材料不能进行塑性加工和反复使用。热塑性聚合物是指具有线型或支链型结构的一类有机高分子化合物。它可以反复受热软化或熔化)和冷却变硬。热塑性聚合物在软化或熔化状态下能进行模塑加工，在冷却至软化点以下能保持模塑成型的形状。3. 金属基体分类（1）用于450以下的轻金属基体；（2）用于450-700的复合材料的金属基体；（3）用于1000以上
7、的高温复合材料的金属基体。 三、增强体材料及特点1. 玻璃纤维有哪些种类？玻璃纤维是以玻璃球或废旧玻璃为原料经高温熔制、拉丝、络纱、织布等工艺制成，单丝直径为几微米到几十微米。以玻璃原料的成分分类：无碱玻璃纤维(通称E玻纤)、中碱玻璃纤维、有碱玻璃（A玻璃）纤维、特种玻璃纤维。2. 玻璃纤维中不同碱金属含量使其耐酸、碱性有何差异？中碱玻璃纤维对酸的稳定性是较高的，但对水的稳定性是较差的；无碱玻璃纤维耐酶性较差，但耐水性较好；中碱玻璃纤维和无碱玻璃纤维，从弱碱液对玻璃纤维强度的影响看，二者的耐碱性相接近。3. 中碱、无碱玻璃纤维的耐酸性存在差异的原因？中碱纤维含Na20，K20比无碱纤维高二十多
8、倍，受酸作用后，首先从表面上，有较多的金属氧化物侵析出来，但主要是Na20，K20的离析、溶解；另一方面酸与玻璃纤维中硅酸盐作用生成硅酸，而硅酸迅速聚合并凝成胶体，结果在玻璃表面上会形成一层极薄的氧化硅保护膜，这层膜使酸的侵析与离子交换过程迅速减缓，使强度下降也缓慢。实践证明Na20，K20有利于这层保护膜的形成。所以中碱纤维比无碱纤维的耐酸性好。4. 玻璃纤维的规格和性能如何定义？玻璃纤维纱可分无捻纱及有捻纱两种。无捻纱一般用增强型浸润剂，由原纱直接并股、络纱制成。有捻纱则多用纺织型浸润剂，原纱经过退绕、加捻、并股、络纱而制成。由于生产玻璃纤维纱的直径、支数及股数不同，使无捻纱和有捻纱的规格
9、有许多种纤维支数有两种表示方法：1重量法是用一克重原纱的长度来表示。 纤维支数=纤维长度纤维重量例如：40支纱，就是指一克重的原纱长40m。2定长法是目前国际统一使用的方法，通称“TEX”(公制称号)，是指1000m长的原纱的克重量。例如：4“TEX”就是指1000m原纱重4g。 5. 玻璃纤维的特点有哪些？玻璃纤维具有一系列优良性能，拉伸强度高，防火、防霉、防蛀、耐高温和电绝缘性能好等。它的缺点是具有脆性，不耐腐，对人的皮肤有刺激性等。6. 提高碳纤维耐氧化性的方法？碳纤维在空气中，于200-290就开始发生氧化反应，当温度高于400，出现明显的氧化，生成CO和CO2。高模量碳纤维的抗氧化性
10、显著优于高强度型的。若用30的H3P04处理后，可提高它的抗氧化性。利用能被强氧化剂氧化(浓硫酸、浓硝酸、次氯酸、重铬酸)，将表面碳氧化成含氧基团，从而提高碳纤维的表面黏结性能。7. 多相生长法生长碳纤维，Fe系、Ni系催化剂各产生什么效果？铁系催化剂生成直线形碳纤维；当基板上放置镍箔、镍颗粒为催化剂时，生成螺旋形VGCF。8. 可用作增强体的纤维有哪些，各种纤维的膨胀性质如何？玻璃纤维：热膨胀系数为4.8x10-6/碳纤维： 具有各向异性，碳纤维的线膨胀系数沿纤维纵轴具有负的温度效应，即随温度的升高，碳纤维有收缩趋势，耐疲劳性能好。碳纤维的线膨胀系数沿纤维纵轴为-0.9x10-6-0.72x
11、10-6/；垂直纤维纵轴为22x10-632x10-6/。 芳纶纤维：芳纶纤维的热膨胀系数和碳纤维一样具有各向异性的特点。纵向热膨胀系数在100时为-2x10-6/；在100-200时为-4x 10-6/。横向热膨胀系数为59x10-6/ 。碳化硅纤维：。硼纤维：热膨胀系数4.68-5.04X10-6 / 。氧化铝纤维：。三、聚合物基复合材料1. 聚合物复合材料的分类？热固性树脂基复合材料；热塑性树脂基复合材料；橡胶基复合材料。2. 聚合物复合材料中残余应力的产生条件？ 对于高聚物基复合材料而言，界面残余应力的产生，是由于树脂和产维热膨胀系数的不同所产生的热应力和固化过程树脂体积收缩产生的化学
12、应力所致。四、金属基复合材料1. 金属基复合材料相比就其他材料的性能特点？金属基复合材料相对于传统的金属材料来说，具有较高的比强度与比刚度；而与树脂基复合材料相比，它又具有优良的导电性与耐热性；与陶瓷基材料相比，它又具有高韧性和高冲击性能。2. 金属基复合材料的分类及使用范围？1按基体分类(1)铝基复合材料：用于450以下的轻金属基体；(2)镍基复合树树：用于1000以上的高温复合材料的金属基体；(3)钛基复合材料：用于450-700的复合材料的金属基体。2. 按增强体分类(1)颗粒增强复合材料(2)层状复合材料(3)纤维增强复合材料3. 金属基复合材料的制备方法有哪些？金属基复合材料的制造方
13、法可以分为三种：(1)固态制造技术是指在制造金属基复合材料的过程中，基体处于固态制成复合材料体系的方法。固态法包括粉末冶金法、热压法、热等静压法、轧制法、挤压和拉拔法、爆炸焊接法等(2)液态制造法是指在基体金属处于熔融状态下与增强体材料组成新的复合材料的方法。它包括真空压力浸渍法、挤压铸造法、搅拌铸造法、液态金属浸渍法、共喷沉积法、热喷涂法等。(3)新型制造技术包括原位自生成法、物理气相沉积法(PVD)、化学气相沉积法(CVD)、化学镀和电沉积法、复合镀法等。 五、陶瓷基复合材料1. 陶瓷基复合材料制备方法有哪些？首先将增强材料掺入未固结的(或粉末状的)基体材料中，然后使基体固结。普遍采用的技
14、术是料浆浸渍工艺，然后再热压烧结。或者连续纤维编织制成预成型坯件，再进行化学气相沉积、化学气相渗透或直接氧化沉积，制成连续纤维增韧陶瓷基复合材料。连续纤维增强陶瓷基复合材料的主要制造方法有料浆浸渍及热压烧结法、原位化学反应法、直接氧化沉积法、先驱体热解法、熔融浸溶法和反应烧结法。晶须(短纤维)增强陶瓷基复合材料的制造方法是：先将晶须或短纤维在液体介质中经机械或超声分散，再与陶瓷基体粉末均匀混合，制成一定形状的坯件，烘干后热压或累等静压烧结。此外，CVD、CVI、固相反应烧结、直接氧化沉积等工艺也适合于制备晶勿(短纤维)增强陶瓷基复合材料。成型方法常采用加压渗滤法、高温致密化法、先驱饲热解法和化
15、学气相沉积法等。烧结方法则采用热压烧结、反应烧结、热等静压(HIP)烧结、微波烧结。颗粒增强陶瓷基复合材料采用传统的烧结工艺，即将不同的陶瓷材料粉体经机械混合或化学混合得到均匀的混合料，压制或注射成型后在进行常压烧结、热压烧结或热等静压烧结，得到致密的陶瓷基复合材料。2. C/C复合材料的定义？C/SiC复合材料的定义？3. 陶瓷基复合材料中短纤维含量对强度的影响？图7-20及图7-2l给出Zr022(摩尔)Y203+SiCw及Al2O3 +SiCw陶瓷复合材料的性能与SiCw体积分数之间的关系，可以看出两种复合材料弹性模量、硬度及断裂韧性随着SiCw体积分数增加而提高。对Al2O3基复合材料
16、，随SiCw体积分数的增加单调上升；而对Zr02基体，在10(体积分数)SiCw时出现峰值，随后有所下降，但仍高于基体强度。这是由于SiC体积分数高时造成热失配过大，同时致密化困难引起密度下降，从而界面强度降低，使得复合材料强度下降。 4. 纤维增韧机理及能量变化？SiC晶须增韧陶瓷基复合材料的强韧化机理大体与纤维增韧陶瓷基复合材料相同，即主要靠晶须的拔出桥连与裂纹转向机制对强度和韧性的提高产生突出贡献。（1）裂纹偏转 由于纤维周围的应力场，基体中的裂纹一般难以穿过纤维，相对而言它更易绕过纤维并尽量贴近纤维表面扩展，即裂纹偏转。裂纹偏转可绕着增强体倾斜发生偏转或扭转偏转。偏转后裂纹受的拉应力往
17、往低于偏转前的裂纹，而且裂纹的扩展路径增长，裂纹扩展中需消耗更多的能量因而起到增韧作用。（2）脱粘（Debonding)复合材料在纤维脱粘后产生了新的表面，因此需要能量。尽管单位面积的表面能很小，但所有脱粘纤维总的表面能则很大。（3）纤维拔出（Pull out）纤维首先脱粘才能拔出。纤维拔出会使裂纹尖端应力松弛，从而减缓了裂纹的扩展。纤维拔出需外力做功，因此起到增韧作用。（4）纤维桥接（Fiber Bridge）对于特定位向和分布的纤维，裂纹很难偏转，只能沿着原来的扩展方向继续扩展。这时紧靠裂纹尖端处的纤维并未断裂，而是在裂纹两岸搭起小桥，使两岸连在一起。这会在裂纹表面产生一个压应力，以抵消外
18、加应力的作用，从而使裂纹难以进一步扩展，起到增韧作用。 5. 陶瓷基复合材料的界面类型及特点？当反应层达到某一厚度时，复合材料的抗张强度开始降低，此时反应层的厚度可定义为第一临界厚度。 如果反应层厚度继续增大，材料强度也随之降低，直至达某一强度时不再降低，这时反应层厚度称为第二临界厚度。6. 功能复合材料与结构复合材料的区别是什么？有哪些复合效应？功能复合材料是指除力学性能以外，具有良好的其他物理性能并包括部分化学和生物性能的复合材料。如有电、磁、光、阻尼、热、摩擦、声等功能。材料在复合后所得的复合材料，依据其产生复合效应的特征，可分为两大类：一、线性效应；平均效应：是复合材料所显示的最典型的
19、一种复合效应。它可以表示为：式中，为材料性能，为材料体积含量，角标c、m、f分别表示复合材料、基体和增强体（或功能体）。平行效应：显示这一效应的复合材料，它的各组分材料在复合材料中，均保留本身的作用，既无制约，也无补偿。相补效应：组成复合材料的基体与增强体，在性能上相互补充，从而提高了综合性能，则显示出相补效应。相抵效应：基体与增强体组成复合材料时，若组分间性能相互制约，限制了整体性能提高，则复合后显示出相抵效应。二、非线性效应。相乘效应：两种具有转换效应的材料复合在一起，即可发生相乘效应。诱导效应：在一定条件下，复合材料中的一个组分材料可以通过诱导作用使另一个组分材料的结构改变，从而改变整体性能或产生新效应。共振效应：两个相邻的材料在一定条件下，会产生机械的或电、磁的共振。系统效应：这是材料的一种复杂效应，至目前为止，这一效应的机理尚不很清楚，但在实际现象中已经发现这种效应的存在。