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陶瓷基复合材料使材料的韧性大大改善，同时其强度，模量，有了显著提高。

复合材料定义:a由基体和增强体符合而成的材料。b人工制造，两种以上的物理和化学区域，具有明显的界面，与基体及增强体具有完全不同的特性。多相固体材料。

为什么高温热处理可以提高碳纤维的力学性能？

高温热处理会使H、O原子等非碳原子排出，使碳原子更加的集中，从未生成六角碳网平面，最终形成乱层石墨结构。在此变化过程中，碳纤维拉伸强度逐渐提高，在乱层石墨结构的堆积密度与纤维径向保持平衡，拉设强度则会到达顶值。

当高温碳化温度达到适值时，随着温度的不断升高，N元素即非碳原子会通过N2的形式排出，纤维孔隙和缺陷会增加，导致拉伸强度降低。

将浸在液体中深x处，宽为l的板抽出来，不计克服的重力，只考虑表面张力的作用，至少需要的力是多大？

这一过程是减少固液接触面，增大固气接触面。外力所做的功的最小值应该恰好弥补这两种界面的能量差，即：

那么：

金属铝的强化：常向液态的金属铝中加入Al2O3和SiC，使之均匀分散在其中，达到强化的目的。但由于这两种固体与液铝的浸润角?=140°，几乎不浸润，所以很难将其分散均匀。为实现强化，可以采用哪些方法？

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每种组分只贡献自己的优点，避开自己的缺点。②由一组分的优点补偿另一组分的缺点，做到性能互补。③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。

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。

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T g ，对于结晶性聚合物则是熔点T m ：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。

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、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：金属基复合材料构（零）件的使用性能要求是选择金属基体材料的最重要的依据。

例：航空、航天领域：高比强度、高比模量、尺寸稳定性是最重要的性能要求，这就需要组成连续纤维石墨/镁、石墨/铝、硼/铝复合材料。

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（SiC p/Al、Cu），高模量石墨纤维增强铝基（铜基）复合材料（C f/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：C f/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（K IC）：

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。

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。

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、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：成某某（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%）、亚甲基丁某某（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、200-300℃。

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（C f/环氧树脂：起落架、发动机舱、整流罩）；防热材料（火箭喷嘴、鼻锥（C f/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（C f/环氧树脂）。

例：碳纤维增强金属基复合材料：军事领域（C f/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（C f/Cu、C f/Ag、碳纤维/青铜等复合材料）；蓄电池极板的应用（C f/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7μm、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l c和(2)长度方向复合材料的拉伸强度。

解答：(1)l c=0.7mm；(2)843MPa。

五、采用XD TM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XD TM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、已知含20vol%SiC p/A1在350℃和应力为50MPa时的蠕变速率为1.5?10-7S-1，该材料的蠕变应力指数n 为15。计算在350℃，当应力增加到60MPa时该材料的蠕变速率。

解答：2.3?10-6S-1。

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Al 2O 3的氧扩散渗透率为3?10-10g/cm·s ，密度为1.9g/cm 3，厚度为20cm 的C/C 涂覆Al 2C 3后在1400℃、100小时后的氧化失重率为1%，计算此时Al 2O 3涂层至少应需的厚度为多少?（式

/R KM x h ρ=??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；ρ为C/C 复合材料的体密度，单位为g/cm 3；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 。 4.26μm 。

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：

cos lv sv sl γθγγ?=-

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。

θ=0?（γlv =γsv -γsl ），完全浸润；0?0），部分浸润；θ>90?（γsv

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