复合材料复习题

1、什么是复合材料，复合材料具有哪些特点，并结合复合材料的特点说明其应用领域广泛的原因。定义：复合材料是指那些含有多个组分，且不同的组分有机地结合在一起、具有新的材料性能的新材料。既能保留原组分或材料的主要特色，并通过复合效应获得原组分所不具备的性能；可以通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联，从而获得新的优越性能。特点：（1）在一个特定的基体中填充有一种或多种填充体。（2）既能保留原组分或材料的主要特色，并通过复合效应获得原组分所不具备的性能。（3）可以通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联，从而获得新的优越性能。（4）可按需要进行材料的设计和制造。（5）可制成任何形状的制品，复合材料的形成和形成制品形状同步，可避免多次加工工序。应用领域：（1）热稳定性好，比强度、比刚度高，可用于航空航天领域。（2）特殊的振动阻尼特性，可减振和降低噪声、抗疲劳性能好，损伤后易修理，便于整体成型，可用于汽车领域。（3）有良好耐腐蚀性的碳纤维与树脂基体复合而成的才，可用于化工、纺织和机械制造领域。（4）优异的力学性能和不吸收X射线特性，可用于医学领域。（5）生物组织相容性和血液相容性，可用于关于生物医学材料。此外，复合材料还用于制造体育运动器件和用作建筑材料等。2、什么是行手糊成型？手糊成型工艺有些优缺点？该工艺可制备哪些复合材料制品？手糊成型常用的树脂体系有哪些？手糊成型是制备聚合物基复合材料最早使用的一种工艺方法，先将树脂、固化剂及各种配料制成树脂糊，在模具上面刷一层树脂糊，再铺贴上一层事先裁好的纤维织物，用刮刀压实，赶出气泡。再重复上述操作，直到达到要求的厚度为止。然后再一定的条件下进行固化，得到制品。优点：不受尺寸、形状的限制；设备简单，投资少；工艺简单；可在任意部位增补增强材料，易，满足设计要求；产品树脂含量高，耐腐蚀性能好。缺点：生产效率低，劳动强度大，卫生条件差；产品性能稳定性差；产品力学性能较低。制品：波形瓶，浴盆，冷却塔，活动房，卫生间，储气罐等等。树脂体系：大部分用不饱和聚酯，约占80%，其次是环氧树脂。3、对RTM工艺过程进行简单描述，并说明该工艺的特点，能够制备什么样的制品，并给出实际制品的例子，并说明制备该制品的工艺过程及工艺条件。RTM：树脂转移成型，是把增强材料切成或制成预成型体，放入模腔之中。预成型体放置于合适的位置，以保证模具的密封。合模后，树脂被注射到模腔之内，流经增强体，把气体排出，并润湿纤维（增强体），多余的树脂将从排气孔处排出模腔。之后，树脂在一定的条件下经固化后，取出是到制品。工艺特点：制品尺寸由模腔决定，制件尺寸精度高，有精确的内外表面，不需补充加工，但工艺难度大，注胶周期长，注胶质量不易控制；制品树脂含量高，模具费用高；操作者不与胶液接触，劳动条件好。适用于具有一定厚度和尺寸要求的制件，如飞机机头实壁结构雷达罩、复合材料汽车保险杠、A320发动机吊架尾部整流锥。举例：碳纤维/环氧树脂复合材料工艺过程和工艺条件：（1）预制件的制造。将碳纤维按照一定要求支撑一定形状，然后放入模具中，预制件的尺寸不应超过模具密封区域，以便模具闭合和密封；（2）冲模。在模具闭合锁紧后在一定条件下将环氧树脂注入模具，控制树脂粘度为100~1000cp，其与增强体碳纤维的比例为100:1左右，数值在浸渍碳纤维的同时将空气赶出当多余的数值从模具溢胶口溢出时，停止树脂注入。通常模具是预热的，因此在冲模的过程中，模壁、碳纤维和树脂之间要发生热传递，体系压力保持在0.07MPa，模腔内压力可低于大气压；（3）固化。在模具充满后，通过加热使树脂发生反应，交联固化，理想的固化反应时间是在模具刚刚充满的时候；（4）开模。当固化反应进行完全后，打开模具取出制件，为使制件固化完全可以进行后处理。4、简述制备树脂基复合材料的缠绕成型有哪些优点和缺点？请结合缠绕成型的特点，说明该工艺适合制备哪些制品。缠绕成型就是把连续的纤维丝束（布）用树脂润湿后均匀而有规律地缠绕在旋转的轴上的一种成型方法。优点：（1）纤维伸直和按规律排列的整齐性和精确度高于任何其它成型方法，制品能充分发挥纤维的强度，因此比强度和比刚度均高；（2）由于可以按照承力要求确定纤维的方向、层次、数量，可实现强度的设计，便于确保制品质量的稳定性；（3）可制得各种尺寸的内表面光滑、质量好、重量轻的制品；（4）生产效率高，适于大批量生产。缺点：（1）设备投资大；（2）产品形状有限，不能生产凹形制品；（3）制品强度方向性比较明显，层间剪切强度低，对加工设备性能要求高。制品：简单的有管子，复杂的可制造飞机壳体，汽车的框架等，常见的制品有：管、压力容器、导弹发射管、发动机箱、汽车弹簧片、油箱轴承等5、金属基复合材料加工中的难点是什么，如何解决这些难点？在金属基复合材料的加工过程中应考虑哪几方面的问题？难点：①高温下的界面反应、氧化反应等。②金属与增强体之间浸润性差，甚至不浸润。③将增强体按设计要求的含量、分布、方向均匀地分布解决方法：①增强体表面处理（化学气相沉积，物理气相沉积，电镀，化学镀）②加入适当合金元素，优化合金成分③优化工艺方法及工艺参数。考虑问题：①增强体的分散问题②制造过程对制品性能的影响③制造过程中应避免各种不利反应④简单易行，适于批量生产，尽可能直接制成接近最终形状和尺寸的零件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？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：热塑性树脂柔韧性大，脆性大，加工性能好，但刚性、耐热性、尺寸稳定性差。热固性树脂刚性大，耐腐蚀性、耐热性、尺寸稳定性好，不易变形，成型工艺复杂，加工困难。加工工艺上：热塑性树脂受热软化或熔融，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，具有可重复加工性。热固性树脂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。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。定义：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。例如由纤维、晶须或颗粒增强的陶瓷基复合材料可作为导电材料用作阳极材料、发热元件、传感器和断路器，以及用于电流或高温条件下有好的力学性能领域。特点：（1）应用面宽，根据需要可设计与制备不同功能的复合材料，以满足现代科学技术发展的需求。（2）研制周期短，一种结构材料从研究到应用一般需要10-15年左右，甚至更长，而功能基复合材料的研制周期要短得多。（3）附加值高，单位质量的价格与利润远远高于结构复合材料。（4）小批量，多品种。功能复合材料很少有大批量，但品种需求多。（5）适于特殊用途。在不少场合，功能复合材料有着其他材料无法比拟的使用特性。结构复合材料主要作为承力结构使用的材料，由能承受载荷的增强体组元与既能起联结作用又能起传力作用的基体组元构成。区别：（1）结构材料研究周期长，功能复合材料研制周期短。（2）功能复合材料单位质量的价格与利润远高于结构复合材料。（3）功能复合材料一般由一种或多种功能体和基体组成，基体起到粘结和赋形的作用；结构复合材料由增强体和基体组成，基体出了起粘结赋形作用外，还起到传递载荷作用。（4）功能复合材料很难用一种物理量来衡量，需要用材料的优值进行综合评价。（5）功能复合材料具有很大的设计自由度。未来的功能复合材料比重将超过结构复合材料，成为复合材料发展的主流。发展趋势是由低级向高级发展：功能-多功能-机敏-智能的形式。①由单功能向双功能、多功能化发展。②由功能向机敏、智能化方向发展。③功能-承力一体与轻量化。④功能体的高性能化与微细化。⑤使用性能的稳定性与长寿命。⑥高精确度的设计技术与设计制造一体化。⑦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，应该如何解决？纳米复合材料是指分散相尺度至少有一维小于100nm的复合材料（含有纳米单元相的复合材料）。从基体与分散相的粒径大小关系，复合可分为微米-微米、微米-纳米、纳米-纳米的复合。影响聚合物纳米材料研究开发的最大技术障碍是无机纳米粒子在有机聚合物中的均匀分散。在聚合物纳米复合材料的制备过程中可通过改变无机纳米粒子的表面组成与结构，以提高无机物与有机物的两项之间的相容性和两相界面间的结合。由于纳米组分粒径小，比表面积大极易形成尺寸较大的团聚体，从而使纳米复合材料中不存在或存在很少的纳米相，难以发挥纳米相的独特作用，例如以碳纳米管增强C/C复合材料时，碳纳米管由于粒度小易发生团聚现象，不易在基体沥青中分散，从而需要改性，得到较好的分散效果。分散方法：（1）超声波分散。利用超声波产生的局部高温、高压或强冲击波和微射流等弱化纳米粒子间的纳米作用能，防止团聚；（2）机械搅拌分散。借助外力的剪切作用使纳米粒子分散在介质中；（3）分散剂分散。加入反絮剂或加表面活性剂；（4）化学改性分散（以下四种方法）。①表面化学反应。使无机纳米粒子与既能和无机物反应，又能与聚合物作用的偶联剂或相应的有机化合物进行反应，在无机纳米粒子表面形成牢固结合的新的有机分子膜，以增加对聚合物的相容性的作用能力；②表面物理包覆。将无机纳米粒子分散在所应用的聚合物稀溶液中，经过充分的浸泡和吸附，在运动状态下蒸出溶剂或使用沉淀剂，使聚合物包覆在无机纳米粒子表面；③表面聚合反应。使聚合物的单体吸附于无机纳米微粒表面，或插入多空、多层的无机微粒孔隙中，用适当方法进行聚合，制成无机纳米微粒的低聚物母料，可进一步用于制备高填量聚合物纳米材料；④聚合物接枝改性。将聚合物用溶液法或熔融法进行接枝或嵌段改性，以增加聚合物对无机纳米微粒的作用力和相容性。9、出一个复合材料树脂体系的实例，并说明各组分的作用。碳纤维/环氧树脂复合材料基体环氧树脂的作用：（1）团结分散的填充剂以形成复合材料整体和赋予制件形状；（2）保护填充剂不受或少受环境的不利影响；（3）填充剂的载体，向填充剂传递载荷或信号；（4）决定复合材料的加工性能；（5）实现填充剂的功能。复合材料的拉伸、压缩、剪切、耐热、耐腐蚀等性能与基体有密切的关系。增强体碳纤维：拉伸强度高，弹性模量大，质轻；化学稳定性好；耐高温，导电，导热，热膨胀系数小等固化剂三乙烯四胺：固化交联作用，为反应型固化剂，可与环氧树脂分子加成，并经逐步聚合使它交联成体型网状结构。稀释剂：降低环氧树脂的粘度使具有流动性，改善浸润性，控制固化时的反应热，延长树脂固化体系的适用期。