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1、复合材料知识点南开大学2017年攻读博士学位研究生入学考试试题知识点考试科目：复合材料科目代码：3111考试时间：月日（注：特别提醒所有答案一律写在答题纸上，直接写在试题或草 稿纸上的无效！）1什么是复合材料，复合材料有哪些特点，并结合复合材料的特 点说明其应用领域广泛的原因。答：复合材料是由两种或两种以上不 同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的 材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同作用，使复合材料 的综合性能优于原组成材料而满足不同的要求。复合材料的特点：A典型的复合材料是在一个特定的基体中，填 充有一种或多种填充体；B既能保留原组分或材料的主要特色，并通 过
2、复合效应获得原组分所不具备的性能；C可以通过材料设计使各组分的性能相互补充并彼此关联，从而 获得新的优越性能6热塑性树脂基复合材料与热固性树脂基复合材料在性能和加工 工艺上的区别是什么？答：热塑性树脂是指具有线型或分枝型结构的 有机高分子化合物，热固性树脂是以不饱和聚酯、环氧树脂、酚醛树 脂等为主的高分子化合物。性能上：热塑性树脂一柔韧性大，脆性低，加工性能好，但刚性、 耐热性、尺寸稳定性差。热固性树脂一刚性大，耐腐蚀性、耐热性、 尺寸稳定性好，不易变形，成型工艺复杂，加工较难加工工艺上：热塑性树脂一受热软化或熔融，可进行各种线型加 工，冷却后变得坚硬。再受热，又可进行熔融加工，具有可重复加工
3、 性。热固性树脂一受热熔融的同时发生固化反应，形成立体网状结构， 冷却后再受热不熔融，在溶剂中不溶解，不具有重复加工性。三、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。四、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
4、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）22O2、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：具有变价的金属钻：环
5、烷酸钻、萘 酸钻等。五、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，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
6、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
7、裂纹的扩展，从而导致强度降低。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
8、 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： 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。 加涂碳化物：用化学气相沉积（CVD）的方法加涂碳化物。3、表面化学处理： 臭氧氧化法：臭氧极易分解成一个氧分子和一个新生态活泼氧 原子，氧化碳纤维表面的不饱和碳原子，生成含氧官能团。 阳极电解氧化法：靠电解产生的新生态氧对碳纤维表面进行氧 化和腐蚀，碳纤维表面被氧化腐蚀，使比表面积增大、化学基团增加。 盐溶液处理：先浸涂
9、甲酸、乙酸、硝酸等的铜、铅、钻等盐类 溶液，然后在空气或氧气中于200-600下氧化，使碳纤维表面粗糙 而达到改善效果。二、基体的作用主要包括以下四个部分将纤维粘合成整体并使 纤维位置固定，在纤维间传递载荷，并使载荷均衡；基体决定复合 材料的一些性能。基体决定复合材料成型工艺方法以及工艺参数选 择等。基体保护纤维免受各种损伤。三、芳纶纤维的结构及性能化学结构a大共轭的苯环难以内旋 转，大分子链-线型刚性伸直链-高强度，高模量b酰胺基-极性， H可与另一分子链的羰基形成氢键-梯形聚合物-良好规整性-高度 结晶性纺丝-向列型液晶态，聚合物呈一维取向有序排列，成纤时， 易沿作用方向取向c单斜晶系。d
10、具有微纤结构，皮芯结构，空洞结构等不同形态的超分子结构。力学性能-拉伸强度高，单丝3773MPa,是 Al的5倍。热稳定性：良好，耐火而不熔，4871不熔化，但开始碳化，高 温下，直到分解不发生变形，180长期使用热膨胀系数各向异性化学性能良好的耐介质性能，对中性化学药品的抵抗力一般是很强的，但 易酸腐蚀耐水性不好-酰胺基六、简述陶瓷的增韧方法。1、晶须和纤维增韧：吸收能量。裂纹 扩展受阻：当增强体（纤维或颗粒）的断裂韧性大于基体中某些区域 的断裂韧性时，纤维受到的残余应力为拉应力，具有收缩趋势，可以 使基体裂纹压缩并闭合，阻止裂纹的扩展。纤维（或晶须）拔出：具 有较高断裂韧性的纤维，当基体裂
11、纹扩展至纤维时，应力集中导致结 合较弱的纤维与基体之间的界面解离，在进一步应变时，将导致纤维 在弱点处断裂，随后纤维的断头从基体中拔出。纤维（或晶须）桥联： 在基体开裂后，纤维承受外加载荷，并在基体的裂纹面之间架桥。桥 联的纤维对基体产生使裂纹闭合的力，消耗外加载荷做功，从而增大 材料的韧性。2、相变增韧：（shielding mechanism）在含有部分稳定的氧化 锆粒子的氧化铝复合材料中：在裂纹尖端的应力区域，稳定的氧化锆（ZrO2+Y2O3）发生应力诱导的马氏体相变（一部分断裂能量被用于 应力诱发转移）：ZrO2 （t） ZrO2 （m），产生约5%的体积膨胀和约16% 的剪切变形（剪
12、切变形由产生孪晶等方式抵消）。这种体积膨胀和切 变，在裂纹尖端产生了一种封闭裂纹的应力，减少了集中在裂纹尖端 的拉伸应力，使裂纹扩展困难，达到增韧效果。3、微裂纹韧化：（crack shielding mechanism）:吸收能量主 裂纹扩展时，其尖端高应力区域容易产生微裂纹，微裂纹是产生膨胀 应变的机理之一：在微裂纹产生之前，存在有局部的拉伸残余应力。 微裂纹增韧机制适合于基体弹性模量较低的陶瓷基复合材料。4、非屏蔽机理：利用裂纹与材料间的相互作用消耗额外的能量， 使断裂能量提高，对应力强度因子的贡献很小，包括裂纹偏转（裂纹 沿着结合较弱的纤维/基体界面弯折，偏离原来的扩展方向，呈锯齿状
13、扩展，从而使断裂路径增加）或裂纹弯曲（裂纹扩展时由于强化相的 阻碍使得尖端路径弯曲，从而使测得的断裂韧性值提高）。六、增韧机理有裂纹偏转、裂纹的桥联、纤维脱粘与拨出、颗粒 增韧等。五复合效应线性平均效应平行效应相补效应相抵效应非线性相 乘效应诱导效应共振效应系统效应七、增强的原则（1）颗粒应高度弥散均匀地分散在基体中，使其阻 碍导致塑性变形的位错运动（金属、陶瓷基体）或分子链的运动（聚合物 基体）。（2）颗粒直径的大小要合适。因为颗粒直径过大，会引起应力集中或本身破碎，从而导致材料 强度降低；颗粒直径太小，则起不到大的强化作用。因此，一般粒径 为几微米到几十微米。（3）颗粒的数量一般大于20%
14、。数量太少，达不 到最佳的强化效果。（4）颗粒与基体之间应有一定的粘结作用。（1）纤维 的强度和模量都要高于基体，即纤维应具有高模量和高强度，因为除 个别情况外，在多数情况下承载主要是靠增强纤维。（2）纤维与基体之 间要有一定的粘结作用，两者之间结合要保证所受的力通过界面传递 给纤维。（3）纤维与基体的热膨胀系数不能相差过大，否则在热胀冷缩 过程中会自动削弱它们之间的结合强度。（4）纤维与基体之间不能发生 有害的化学反应，特别是不发生强烈的反应，否则将引起纤维性能降 低而失去强化作用。（5）纤维所占的体积、纤维的尺寸和分布必须适宜。 般而言，基体中纤维的体积含量越高，其增强效果越显著；纤维直
15、径越细，则缺陷越小，纤维强度也越高；7举例说明什么是功能型复合材料，简述功能复合材料的特点， 它与结构型复合材料的区别及功能型复合材料的发展趋势。答：功能复合材料就是除力学性能以外，还提供其他物理性能， 并包括部分化学和生物性能的复合材料。如：导电、超导、半导、磁 性、压电、阻尼、吸声、屏蔽、阻燃、防热等功能。举例：导电复合材料可用作阳极材料、发热元件、传感器等；磁 性复合材料可用作永磁电机、磁性开关和信息记录等；阻尼功能复合 材料可减振降噪。功能复合材料的特点：1）应用面宽；2）研制周期短；3）附加值高； 4）小批量，多品种；5）适于特殊用途。结构复合材料主要作为承力结构使用的材料，由能承受
16、载荷的增 强体组元（如玻璃、陶瓷、高聚物、金属、天然纤维和颗粒等）与能 联结增强体成为整体材料同时又起传力作用的基体组元（如树脂、金 属、陶瓷、和水泥等）构成。功能材料是指除力学性能以外还提供其 它物理、化学、生物等性能的复合材料。包括压电、导电、雷达隐身、 永磁、光致变色、吸声、阻燃、生物自吸收等种类繁多的复合材料。功能复合材料的发展趋势：由单功能向双功能、多功能化发展； 由功能向机敏、智能化方向发展；功能-承力一体与轻量化； 功能体的高性能化与微细化；使用性能的稳定性与长寿命；高精 确度的设计技术与设计制造一体化；无余量成型与低成本制造技术。 8什么是纳米复合材料？用一个具体实例说明制备纳米复合材料所面 临的困难是什么，应如何解决？答：纳米复合材料是指尺
