复合材料习题

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）

?f??2Ef纤维、基体和复合材料的应变分别为：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基体可以全部承受，此时复合材料的强度为：?1u??m?Vm??m??1?Vf?

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：

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

?fu

u'u'Vf的变化）：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：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?l?lc???u?f?1??

?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。（?）