1、材料化学专业复合材料复习题doc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
2、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。1=1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
3、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、 睛纶丝、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：强度高。模量高。密度小，比强度高。能耐超高温。 耐低温性能好。 耐酸性能好。 热膨胀系数小，导热系数大。防原子 辐射，能使中子减速。导电性能好 玻璃钢即玻
4、璃纤维增强塑料，新型复合 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:人造丝一200400 C高温 伸）。noMM分解-碳化一 27003000 C石墨化（热PAN纤维是一种主链为碳的长链聚合 物,链侧有腊基。用它制造碳纤维的工艺 流程如下:P AN原丝-200300C预 氧化（空气）一115（TC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,
5、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上采用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%。1=17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、Si3N4 系纤维、BN系、A1N系纤维、芳伦纤维、 陶瓷纤维）晶须（SiC
6、w、Si3N4w、钛酸钾晶须 （KTw）、硼酸铝晶须（AlBw）、氧化锌晶须（ZnOw）、石墨晶须（Grw） 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（2） 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
7、贮槽。建筑业使用GFRP,主要是代替钢筋，GFRP板应用 于货栈的屋顶。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
8、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（150C）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
9、，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，涂 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
10、。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
11、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
12、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、聚丙烯腊或沥青）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腊为原料,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： 人造丝一200-400 C高温分解一碳化一 27003000 C石墨化（热伸）。P AN纤维是一种主链为碳的长链聚合 物,链侧有腊基。用它制造碳纤维的工艺 流程如下：P A N原丝一200300C
13、预氧化（空气）一 1150C碳化（惰气）一碳纤维（低模高强） 强）。-2 1 00 C石墨化一石墨纤维（高模高LI T220什么是功能梯度材料？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
14、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 主要采用无压烧结、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-T
15、iB2-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 高导电率、耐高温材料。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1!比:3Ti + B$ + xCu = TiC + 2TiB2 + xCu其中，x=050wt%o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90C干燥24 小时，分别取各混合料250g放入（1） 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。反应原料的配比及所选用的工艺条件如表所!1!编号TiB4CCu迟时IEs强时间s压力MPaTBC72.227.8055180DBC1064.925.11065180DBC2057.822.22078180DBC3050.519.53098180BC4043.316.740108180DBC5036.113.950108180原料配比及工艺条件1!试样【量百分比wt% 工艺条件压头点火线压块点火剂预制坯碳布底托下模具
