复合材料习题及作业1什么是材料？材料的性能主要指哪些？材料是如何分类的？答：经过人类劳动取得的劳动对象。

一般把来自采掘工业和农业的劳动对象称为“原料”，把经过工业加工的原料成为“材料”。

材料的性能是指材料的性质和功能。

性质是本身所具有的特质或本性；功能是人们对材料的某种期待与要求种可以承担功效，以及承担该功效下的表现或能力。

材料的性能主要有物理性能、化学性能、力学性能、工艺性能。

材料按用途可分为：工程材料（主要利用其力学性能制作结构件）和功能材料（主要利用其物理、化学性能或效应制作具有特定功效的器件）2什么是复合材料？包括哪几相？复合材料是如何分类的？答：复合材料：它是将两种或两种以上的材料复合成一体形成的材料，复合材料集中了组成材料的优点，具有综合性能更优异的特点。

复合材料是多相材料，主要包括基体相和增强相。

复合材料的分类：1、按基体材料分类, 可分为聚合物基、陶瓷基和金属基复合材料。

2、按增强相形状分类，可分为纤维增强复合材料、粒子增强复合材料和层状复合材料。

3、按复合材料的性能分类，可分为结构复合材料和功能复合材料。

3复合材料主要有哪些特点？答：1、比强度和比模量高2、抗疲劳性能好3、减振性能良好4、高温性能好。

4陶瓷基复合材料作为基体的材料这样有哪些？举例说明。

答:氧化物陶瓷：（1）SiO2二氧化硅（2）A12O3（刚玉）陶瓷（3） ZrO2陶瓷（4）其它氧化陶瓷非氧化物陶瓷：（特种陶瓷）（1）氮化物陶瓷（2）碳化物陶瓷（3）硼化物陶瓷5什么是玻璃纤维？什么是碳纤维？玻璃纤维和碳纤维各有什么特点？什么是玻璃钢？玻璃钢有什么应用？答：碳纤维是一种纤维状碳材料，它是用一些含碳的有机纤维，如尼龙丝、膳纶丝、人造丝等做原料，将这些有机纤维跟塑料树脂结合在一起，放在惰性气氛中，在一定的压强下加强热碳化而成。

碳纤维的特点：①强度高。

②模量高。

③ 密度小，比强度高。

④ 能耐超高温。

⑤ 耐低温性能好。

⑥ 耐酸性能好。

⑦ 热膨胀系数小，导热系数大。

⑧防原子辐射，能使中子减速。

⑨导电性能好 材料，它具有质轻、高强、防腐、保温、 绝缘、隔音等诸多优点。

6如何制备碳纤维？举例说明碳纤维制 品？波音727、757飞机主要用哪些纤维 材料？ 答：用人造丝作原料制造碳纤维的工 艺流程如下:人造丝一200〜400 °C 高温 分解一碳化一2700〜3000 °C 石墨化（热 伸）。

PA N 纤维是一种主链为碳的长链聚合 物,链侧有睛基。

用它制造碳纤维的工艺 流程如下:P AN 原丝->200〜300°C 预 氧化（空气）一1150 °C 碳化（惰气）一碳纤维（低模高强）一2 1 00 °C 石墨化一石墨 纤维（高模高强）。

碳纤维的应用分为三大类体育，航空和工业应用。

体育中重要为高尔夫球棒，钓鱼杆和网球拍框架。

其它冰球棍，滑雪杖，射箭，自行车，在划船，赛艇，冲浪。

美国于1975年开始成功地在波音727、737、DC-10上釆用PMC （主要是碳纤维增强的环氧树脂复合材料）制造水平和垂直尾翼等重要部件。

例如，727 的水平尾翼重量减轻了26%, 737的水平尾翼重量较之金属结构减轻了29%。

7举例说明复合材料的增强材料有哪些？答：纤维增强体：纤维：几至几十微米的多晶材料或非晶材料晶须：约1微米的近单晶或单晶材料长纤维（玻璃、高熔点金属、碳、硼纤 维、SiC 纤维、A12O3 纤维、S13N4 系纤维、BN 系、A1N 系纤维、芳伦纤维、 陶瓷纤维） （KTw ）、硼酸铝晶须（AlBw ）、氧化锌 8什么是复合材料界面？绘图说明复合 材料界面结构？复合材料界面有哪些效 应？ 答：复合材料的界面指基体与增强物 间化学成分有显著变化的、构成彼此结 合的、能起载荷传递作用的微小区域。

界面机能以下几种效应：（1）阻断效应⑵ 不连续效应（3）散射和吸收效应（4）感应 效应（5）界面结晶效应（6）界面化学效 应晶须 (SiCw 、Si3N4w 、 钛酸钾晶须 晶须（ZnOw ）（Grw ））建筑、造船、汽车、冶金、宇航等领域 有哪些应用，举例说明。

答：GFRP 管道和罐车是原油陆上运 输的主要设备。

聚酯和环氧GFRP 均可 做输油管和储油设备，以及天然气和汽 油GFRP 罐车和贮槽。

建筑业使用GFRP,主要是代替钢筋，GFRP 板应用 于货栈1. 9玻璃纤维增强塑料(GFRP)在石油、 l=i123456的屋顶。

在造船业中的应用用GERP可制造各种船舶，如赛艇、警艇、游艇、碰碰船、交通艇、救生艇、帆船、鱼轮、扫雷艇等。

治金中，常接触具腐蚀性介质，因而需要耐腐蚀性容器、管道、泵、阀门等设备，这些均可用聚醋GFRP、环氧GFRP制造。

宇航工业中，英国首先利用GFRP透波性好的特点，用它来制造飞机上的雷达罩。

后来有更多的金属部件被GFRP所代替，如飞机的机身、机翼、螺旋桨、起落架、尾舵、门、窗等。

10指出下列制品采用哪种成形方法：人造革，复合材料制的浴盆，塑料棒，胶片，表面印有文字的塑料瓶，电线电缆包覆层，外形复杂的塑料玩具答：人造革是加压成形，复合材料制的浴盆是压制成形，塑料棒是注射成形, 胶片是压延成形，表面印有文字的塑料瓶是压延成形，电线电缆包覆层是注射成形，外形复杂的塑料玩具是吹塑成形11陶瓷制品的生产过程主要包括哪三个阶段？试述粉末注射成形基本工艺过程。

答：陶瓷制品生产主要包括配料、成形、烧结三个阶段。

粉末注射成形是将塑料注射成形技术引入粉末冶金领域新型粉末冶金近净形成形技术。

基本过程是：先将固体粉料与有机粘结剂在一定的温度下混炼成均匀具有粘塑性的流体，经制粒后在加热塑化状态下（〜150°C）用注射成形机注入模膛内固化成形，后用化学或热分解的方法将成形坯中的粘结剂脱除，最后经烧结致密化得到最终产品。

12简述树脂基复合材料压注成形的工艺过程。

答：通过压力将树脂注入密闭模膛，浸润其中纤维织物坯件后固化成形。

先将织物坯件置入模膛内，再将另一半模具闭合，用液压泵将树脂注入模膛内使其浸透增强织物，然后固化。

压注成形特点是工艺环节少，制件尺寸精度高, 外观质量好，一般不需要再加工，但工艺难度大，生产周期长。

13复合材料成型工艺主要有哪些?答：光固化工艺，熔融成形工艺, 覆纸成形工艺，粉末烧结工艺。

14碳纤维在航空航天和军事领域及民用领域都有哪些应用？答：体育中重要为高尔夫球棒，钓鱼杆和网球拍框架。

其它冰球棍，滑雪杖, 射箭，自行车，在划船，赛艇，冲浪。

波音777飞机做结构材料，水平和垂直的横尾翼和横梁，这两部分结构是如此的重要，如果他们受损，那么整个飞机在飞行的过程中就可能坠毁。

这些材料被称为“首要的结构材料”，因为他们是如此的重要，所以对他们的质量要求是极其苛刻的。

欧洲空客也在他们的飞机上使用了大量的碳纤维.在工业领域，它们正在替代金属和混凝土来满足环境、安全和能源要求, 在土木工程和建筑领域，应用碳纤维的抗震修复和加强法是一项主要突破，正在此领域得到更加广泛的推广。

15影响复合材料界面稳定性的因素有哪些？答：影响界面稳定性的因素包括物理的和化学两个方面。

物理方面不稳定因素指高温下增强纤维与基体之间的熔融。

化学方面不稳定因素主要与复合材料在加工和使用过程中发生的界面化学作用有关。

包括连续界面反应、交换式界反应和暂稳态界面变化等几种现象。

16简述玻璃纤维的结构及化学组成。

答：玻璃纤维结构和玻璃相同，由二氧化硅的四面体，铝氧三面体或硼氧三面体相互连成不规则三维网络。

组成：二氧化硅，三氧化二硼，氧化钙, 三氧化二铝17什么是晶须？分类如何？有什么特点？答：晶须是指以单晶形式生长的形状类似短纤维，而尺寸远小于短纤维的须状单晶体。

晶须分为陶瓷晶须和金属晶须两类。

晶须兼有玻璃纤维和硼纤维的优良性能，具有玻璃纤维的延伸率和硼纤维的弹性模量18请你简要说出在导弹火箭上使用玻璃钢的主要部位有哪些？答：电子绝缘装置，密封装置，发动机体，绝缘层，气孔，雷达装置等。

19什么是碳纤维？碳纤维是如何制备的？写出工艺过程答：碳纤维一是由有机母体纤维（如粘胶丝、聚丙烯睛或沥青）高温分解法在1000〜3000度惰气下制成。

英国和美国分别用人造丝和聚丙烯睛为原料,研究开发出在1000〜3000 °C高温下,一边加热一边牵伸的碳纤维制造技术热牵伸法。

用人造丝作原料制造碳纤维的工艺流程如下: 人造丝->200〜400 °C高温分解一碳化一2700〜3000 °C石墨化（热伸）。

PA N纤维是一种主链为碳的长链聚合物,链侧有睛基。

用它制造碳纤维的工艺流程如下：PAN原丝->200〜300 °C预氧化（空气）fll50°C碳化（惰气）一碳纤维（低模高强）-2 1 00 °C石墨化一石墨纤维（高模高强）。

20什么是功能梯度材料？请你用自蔓延高温合成技术（SHS）,自己选用某种原材料，制备出高性能的TiB2-Cu或者TiC・Ni梯度材料，要求说出自蔓延高温合成技术的特点，写出反应的化学反应方程式，自己设计工艺，绘制出梯度图样及SHS反应装置图，说明该类材料的性能和应用。

21虎门大桥位于珠江入海口，于1997 年5月建成通车。

在通车后发现其西引桥（30m 跨）桥墩混凝土表面出现环状裂缝，部分箍筋锈蚀，混凝土胀裂，请你结合学习过的复合材料知识，选择一种比较合适的复合材料及某种工艺进行修复。

答；桥墩混凝土表面出现环状裂缝是由于材料多年老化，混凝土强度不够，而且经过高温时间长了表面会氧化，被侵，钢筋时间长了也要发生锈蚀的。

这样影响材料强度的韧性，因此我们可以选择玻璃钢为材料进行表面加固。

将玻璃钢加固到整个桥墩的表面，不要只加固某个地方，这样受力均匀，起到很好的作用。

22 答:传统方法制备的TiC-TiB2复相陶瓷主要釆用无压烧结、热压烧结或放电等离子加压烧结法等，这些方法耗时长且耗能高。

SHS 法具有高效、节能、投资少、产品质量高、生产成本低、设备及工艺简单等优点，有研究表明，加入金属Cu可以大大提高材料的导电及导热性能，TiC-TiB2-Cu复合材料可以作为硬质合金材料及自动点焊接喷嘴使用的实验中所采用的原材料为：B4C粉末，Ti粉、Cu粉，按下式进行原料配比：3Ti + B4C + xCu = TiC + 2TiB2 + xCu 其中，x=0~50wt%。

将各组成配料（如表所示）在不锈钢罐中干混24小时。

混合后将粉末放入真空炉中90°C干燥24 小时，分别取各混合料250g放入巾55x120mm的钢模中，在4MPa的压力下压制成相对密度约为55%的预制坯, 将预制坯放入SHS/PHIP装置中（如图1所示）进行燃烧合成反应，反应结束后立即施加180MPa的压力，并保压一定时间后取出放入砂中缓慢冷却。