中南大学复合材料考试习题
更新时间:2023-10-20 03:22:01 阅读量: 综合文库 文档下载
复合材料习题
第一章
一、判断题:判断以下各论点的正误。
1、复合材料是由两个组元以上的材料化合而成的。(?) 2、混杂复合总是指两种以上的纤维增强基体。(?) 3、层板复合材料主要是指由颗料增强的复合材料。(?) 4、最广泛应用的复合材料是金属基复合材料。(?) 5、复合材料具有可设计性。(?)
6、竹、麻、木、骨、皮肤是天然复合材料。(?) 7、分散相总是较基体强度和硬度高、刚度大。(?) 8、玻璃钢问世于二十世纪四十年代。(?)
二、选择题:从A、B、C、D中选择出正确的答案。 1、金属基复合材料通常(B、D) A、以重金属作基体。 B、延性比金属差。 C、弹性模量比基体低。
D、较基体具有更高的高温强度。
2、目前,大多数聚合物基复合材料的使用温度为(B) A、低于100℃。 B、低于200℃。 C、低于300℃。 D、低于400℃。
3、金属基复合材料的使用温度范围为(B) A、低于300℃。 B、在350-1100℃之间。 C、低于800℃。 D、高于1000℃。
4、混杂复合材料(B、D)
A、仅指两种以上增强材料组成的复合材料。 B、是具有混杂纤维或颗粒增强的复合材料。 C、总被认为是两向编织的复合材料。 D、通常为多层复合材料。 5、玻璃钢是(B)
A、玻璃纤维增强Al基复合材料。 B、玻璃纤维增强塑料。 C、碳纤维增强塑料。 D、氧化铝纤维增强塑料。 6、功能复合材料(A、C、D)
A、是指由功能体和基体组成的复合材料。 B、包括各种力学性能的复合材料。 C、包括各种电学性能的复合材料。 D、包括各种声学性能的复合材料。 7、材料的比模量和比强度越高(A) A、制作同一零件时自重越小、刚度越大。 B、制作同一零件时自重越大、刚度越大。 C、制作同一零件时自重越小、刚度越小。 D、制作同一零件时自重越大、刚度越小。
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。
第二章
一、什么是相乘效应?举例说明。
两种具有转换效应的材料复合在一起,产生了连锁反应,从而引出新的机能。可以用通式表示:X/Y·Y/Z=X/Z(式中X、Y、Z分别表示各种物理性能)。
压磁效应?磁阻效应=压敏电阻效应;闪烁效应?光导效应=辐射诱导导电。 例:磁电效应(对材料施加磁场产生电流)——传感器,电子回路元件中应用。
压电体BaTiO3与磁滞伸缩铁氧体NiFe2O4烧结而成的复合材料。对该材料施加磁场时会在铁氧体中产生压力,此压力传递到BaTiO3,就会在复合材料中产生电场。最大输出已达103 V·A。 单一成分的Cr2O3也有磁电效应,但最大输出只有约170 V·A。
三、推导单向板复合材料中纤维体积分数与纤维半径的关系(以正方形阵列为例)。 纤维体积:(4?1/4)?r2l=?r2l 复合材料体积:(2R)2l=4R2l
纤维体积分数:Vf=?r2l/(4R2l)= ?r2/(4R2) 纤维间距与纤维体积分数的关系: s=2R-2r=2[?r2/(4Vf)]1/2-2r=2[(?/4Vf)1/2-1]r
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。
2、颗粒大小及体积分数有异:弥散增强原理:Vp=0.01-0.15,dp=0.001?m-0.1?m。
颗粒增强原理:颗粒尺寸较大(>1?m)、颗粒坚硬。颗粒直径为1-50?m,颗粒间距为1-25?m,颗粒的体积分数为0.05-0.5。
颗粒强化效果类似:颗粒阻止基体中位错运动的能力愈大,增强效果愈好。微粒尺寸愈小,体积分数愈高,强化效果愈好。
??2d2?1/2?p1?Vp??(弥散增强原理) 复合材料的屈服强度:?y?Gmb????????3Vp?????y?GmGpbDpc?
1/23GmGpbVp2dp?1?Vp?c(颗粒增强原理)
九、试推导单向板的横向弹性模量E2的表达式。
横向载荷垂直于纤维,等同地作用在纤维和基体上,适用串联模型:基体和纤维承受同样的外加应力(?2f??2m??2)
??2Ef纤维、基体和复合材料的应变分别为:?f在宽度W上产生的形变增量:
?m??2Em?2??2E2
?W??Wf??Wm,或,?2?W??f??Vf?W???m??Vm?W?
可得到:
1VfVm??E2EfEm,或,E2?Em?Vf?Ef??1?VfEf?Em?
十、讨论单向板复合材料的破坏顺序(?fu
复合材料的响应依赖于基体与纤维破坏应变的大小。对于大多数树脂基结构复合材料,刚性纤维的破坏应变明显地小于基体的破坏应变,即?fu
当Vf较大时,纤维发生断裂时,转移到基体上的载荷很大,使基体无法承受全部载荷。因此,当纤维断裂后,基体即刻断裂,复合材料的强度为:?1u''?u??u??uf?Vf??m??1?Vf? f?Vf??m?Vm或1?fu
u'u'Vf'???m??m??m???uf??m?
十一、垂直于纤维扩展的裂纹需要克服哪些断裂能?
对于脆性纤维/脆性基体复合材料,需要克服的断裂功:纤维拔出和纤维断裂(吸收
能量)、纤维与基体的脱胶(纤维与基体的界面较弱时:消耗贮存的应变能)、应力松弛(纤维断裂时:消耗贮存的应变能)、纤维桥连(消耗纤维上的应变能)。
对于脆性纤维/韧性基体复合材料,基体的塑性变形(粘接强度很高、纤维无法拔出时:吸收能量)也会增加断裂功。
十二、什么是纤维的长度分布?如何表示?
纤维的长度分布是指短切纤维的长度与纤维数量之间的关系,对复合材料的性能有决定性作用。 通常用纤维长度的平均值表示,有两种方法: 纤维长度的数均长度:LN??Ni?Li?Ni?Wi?Li?Wi(Ni:长度为Li的纤维数量)
纤维长度的重均长度:LW?(Wi:长度为Li的纤维质量)
数均长度LN低于重均长度LW,在正态分布时,LN与纤维长度的中值相同。
十三、试写出取向短纤维复合材料的弹性性能表达式,给出取向效率因子的计算方法。 取向分布的短纤维复合材料,弹性性能:
E??0??l?Ef?Vf?Em??1?Vf?(?0:取向效率因子)
取向效率因子?0:?0A???A'ffAcos???Aff4?
?A??A'ffcos4?(Af:一组平行纤维的总的横截面积;?:纤维与外载荷的夹角;Af':平行于
外载荷方向的一组等效纤维的总截面积)
十四、试讨论短纤维复合材料的强度性能。
由于纤维长度和体积含量的不同,短纤维复合材料的纵向强度是不同的,纵向破坏有两种形式:l 对于纤维长度l和直径d都相同、单向平行排列的短纤维复合材料,当纤维受拉伸应力时:?c=?f·Vf+?m·Vm(拉应力在纤维端部为0,在纤维中部最大) 纤维端部?f0为0,?fu发生在(l-lc)的中间部位,因此纤维的平均应力?f: ?f?u?u?l/2??fcf??l?lc?llc????u?1?f?? ?2l?因此,复合材料承受的最大应力(即复合材料的强度)((?m)fu:纤维所受拉伸力作用达到拉伸屈曲破坏应
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