复合材料习题

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。

二、什么是“连通性”？n个组分相的复合材料有多少可能的连通结构？

复合体系中的任何相，在空间的零维、一维、二维或三维方向上是相互连通的，因而任意弥散和孤立的颗粒的连通性为0，纤维状材料的连通性为1，片状材料的连通性为2，网络体状的连通材料连通性为3。 n个组分相的复合材料可能的连通结构：Cn??n?3?!

n!3!

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。

六、什么是同心球壳模型？试写出同心球壳模型中各组分的体积分数的表达式。

同心球壳模型针对0-3型复合材料，即增强材料为不连续相，基体为连续相，把材料的微观结构看作是同心球壳组成。设增强材料为f、界面相为i、基体相为m，各组分的体积分数为：

Vfr?r??r? V? V??r?r?r??r?r?r?ri3f33iff3i3m i?1?Vf?Vmfmif对于非球形微粒增强体，采用粒子的当量半径rd：rd?3Vf4?子体积折换成相同体积的球形粒子）。

七、推导并联模型、串联模型复相结构的阻力系数的表达式。 材料传递通量：q????1/3代替rf（将粒

1?I?（?：阻力系数；?I=I入-I出：势位差——传递推动??l力）

并联型复相结构：相间无能量交换，系统总通量qc为各组分相通量之和。

qc??qi?l?Vi????1?i?Vi??Ii（l=1） ?li???I11?I???组分相传递推动力梯度相等，故有：qc?????Vi??

?c?l??i??l?并联组分的复合材料的阻力系数?c：

1?c??1?i?Vi（广义欧姆定律）

串联模型：不计通量损失时，通过每一组分相的通量相等：qi=qc

各相的势位差（推动力）为：

?Ii???i?Vi?qi

材料的总势位差（总推动力）为：

?Ic??Ii?????i?Vi??qc

材料传递的总势位差即为作用场

在材料中的总梯度。??c?

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???????V（广义欧姆定律）

ii?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） 纤维、基体和复合材料的应变分别为：?f??2Ef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?

Ef?Em1VfVm可得到：，或，E2? ??E2EfEmEm?Vf?Ef??1?Vf?

十、讨论单向板复合材料的破坏顺序（?fu

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

uu?Vm??m??1?Vf? 基体可以全部承受，此时复合材料的强度为：?1u??m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：

''?u??u?1u??uf?Vf??m??1?Vf? f?Vf??m?Vm或1?fu

u'u'??m??mVf的变化）：Vf'???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：长度为Li的纤维数量）

?Ni?Wi?Li（Wi：长度为Li的纤维质量） ?Wi纤维长度的重均长度：LW?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?uf?lc/2??f??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力时的基体应力）：?u??uf??1?

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Tg，对于结晶性聚合物则是熔点Tm：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。

十六、试述Sb2O3、钼化物、Al(OH)3的阻燃机理。

Sb2O3：最常用的阻燃填料之一，单独使用时几乎没有阻燃效果，与有机卤化物并用时具有明显的阻燃效果。对于含氯有机物：Sb2O3与含氯有机物分解生成的HCl作用生成SbCl3，生成的SbCl3在气相捕捉H·、HO·和·CH3等活性自由基从而减缓燃烧过程的进行；对于含溴有机物：它们与Sb2O3之间也有类似的阻燃协

??lc?u?V???f?m?f?Vm 2l?同作用。

生成的SbX3在固相与聚合物反应生成碳化物层，抑制残留的聚合物热分解，并隔绝向聚合物提供氧。

钼化物：阻燃效果略低于Sb2O3，但具有抑制燃烧时发烟的特点。钼化物的阻燃机理主要不是通过气相反应，而是在固相上促进碳化层的生成或者促进卤素或卤化氢的生成以实现阻燃效果。 Al(OH)3：热塑性和热固性聚合物中最常用的阻燃性填料之一。Al(OH)3的阻燃作用：脱水时的吸热效应，降低了凝聚相的温度，有效地减缓了聚合物的分解速度；脱水放出的水稀释了聚合物热解所生成的可燃性气体并减少了烟雾的生成。

第三章

一、判断题：判断以下各论点的正误。

1、不饱和聚酯树脂是用量最大的聚合物复合材料基体。（?） 2、环氧树脂是用于耐高温的热固性树脂基体。（?）

3、热固性树脂是一种交联的高分子，一般不结晶；而热塑性树脂是线型、结晶的高分子。（?） 4、聚酰亚胺是一类分子中含有基团的热固性树脂。（?）

1、MMC具有比聚合物基复合材料更高的比强度和比模量。（?） 2、MMC具有比其基体金属或合金更高的比强度和比模量。（?） 3、原位复合MMC的增强材料/基体界面具有物理与化学稳定性。（?）

4、原位复合法制备MMC的基本思路是为了提高增强材料与基体之间的浸润性和减少界面反应。（?）

5一般，颗粒及晶须增强MMC的疲劳强度及寿命比基体金属或合金高。（?） 6、陶瓷纤维增强MMC的抗蠕变性能高于基体金属或合金。（?）

1、陶瓷基复合材料的制备过程大多涉及高温，因此仅有可承受上述高温的增强材料才可被用于制备陶瓷基复合材料。（?）

2、化学气相浸渍法（CVI）是一种用于多孔预制体的化学气相沉积。（?）

3、在碳化硅晶须增强氧化铝陶瓷复合材料的压制阶段，碳化硅晶须取向于垂直于压轴方向。（?）

4、Y2O3加入到ZTA（zirconia toughening alumina）中是为了促进相变形成单斜晶体。（?）

5、陶瓷复合材料中，连续纤维的增韧效果远远高于颗粒增韧的效果。（?） 6、玻璃陶瓷是含有大量微晶体的陶瓷。（?）

7、陶瓷基复合材料的最初失效往往是陶瓷基体的开裂。（?）

1、所有的天然纤维是有机纤维，所有的合成纤维是无机纤维。（?）

2、聚乙烯纤维是所有合成纤维中密度最低的纤维。（?） 3、玻璃纤维是晶体，其晶粒尺寸约20?m。（?） 4、氧化铝纤维仅有?-Al2O3晶体结构。（?）

5、硼纤维是由三溴化硼沉积到加热的丝芯上形成的。（?） 6、PAN是SiC纤维的先驱体。（?）

7、纤维表面处理是为了使纤维表面更光滑。（?） 8、Kevlar纤维具有负的热膨胀系数。（?）

9、石墨纤维的含碳量、强度和模量都比碳纤维高。（?）

1、Cf/C是目前唯一可用于温度高达2800℃的高温复合材料，但必须是在非氧化性气氛下。（?）

2、Cf/C的制备方法与MMC的制备方法相类似，如液态法、固态法等。（?） 3、Cf/C已在航空航天、军事领域中得到了广泛应用，这主要是因为其价格便宜、工艺简便易行，易于推广应用。（?）

4、单向增强和三维增强的Cf/C的力学与物理性能（热膨胀、导热）为各向同性。（?）

5、一般沉积碳、沥青碳以及树脂碳在偏光显微镜下具有相同的光学特征，即各向同性。（?）

6、一般酚醛树脂和沥青的焦化率基本相同，在高压下，它们的焦化率可以提高到90%。（?）

7、采用硼类添加剂，如B2O3、B4C等，Cf/C的抗氧化温度可提高到600℃左右。（?）

8、目前，高温抗氧化保护涂层已可使Cf/C安全使用温度达1650℃，在更高温度下只能起短时保护作用。（?）

二、选择题：从A、B、C、D中选择出正确的答案。 1、聚酰亚胺的使用温度一般在：（D）

A、120℃以下 B、180℃以下 C、250℃以下 D、250℃以上 2、拉挤成型是（A、C）

A、低劳动强度、高效率FRP生产方法。 B、适于大型、复杂形状制品。 C、适于恒定截面型材。 D、设备投资少。

3、玻璃纤维增强环氧复合材料力学性能受吸湿影响，原因是（B、D） A、环氧树脂吸湿变脆。

B、水起增塑剂作用，降低树脂玻璃化温度。 C、纤维吸湿、强度降低。 D、破坏纤维与基体界面。

4、碳纤维表面处理是为了（A、C、D）

A、表面引入活性官能团，如羧基、羟基、羰基等。 B、表面引入偶联剂。 C、清除表面污染。

D、增加纤维与基体粘结强度。 5、偶联剂是这样一种试剂：（A、C）

A、它既能与纤维反应，又能与基体反应。

B、它能与纤维反应，但不能与基体反应，也不与基体相容。 C、它能与纤维反应，不与基体反应，但与基体相容。 D、它不与纤维反应，但与基体反应或相容。

1、通常MMC（metal matrix composite）（B、C） A、采用高熔点、重金属作为基体。

B、要比基体金属或合金的塑性与韧性差。 C、要比基体金属或合金的工作温度高。 D、要比基体金属或合金的弹性模量低。 2、原位MMC（B、D）

A、可以通过压铸工艺制备。 B、可以通过定向凝固工艺制备。

C、可以通过扩散结合或粉末法制备。

D、可以通过直接金属氧化法（DIMOXTM）制备。 3、单向纤维增强MMC的纵向拉伸模量（A、D） A、随纤维体积含量的增加而增加。

B、与纤维体积含量无关，而与纤维和基体的模量有关。 C、与横向拉伸模量相同。 D、与基体的模量有关。

4、在体积含量相同情况下，SiC晶须与颗粒增强MMC（B） A、具有基本相同的抗拉强度和屈服强度。 B、具有基本相同的拉伸模量。 C、具有基本相同的断裂韧性。 D、具有基本相同的蠕变性能。

5、MMC制备工艺中，固态法与液态法相比（A、B） A、增强材料与基体浸润性要求可以降低。 B、增强材料在基体中分布更均匀。 C、增强材料仅局限于长纤维。

D、增强材料/基体界面反应更剧烈（如果存在界面反应时）。

6、为了改善增强材料与基体浸润性，制备MMC时，可以通过（A、B、D） A、基体合金化，以降低液态基体的表面张力。

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。 4.26?m。

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：

?lv?cos???sv??sl

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??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（Pc?4?lv?Vf/df?cos?）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+H2O??Si-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-+H2O??Si-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。 ①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。

②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：

①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。 ②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。

③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+2B?AlB2 2B+3O?B2O3

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，2.5?m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：

①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。

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